DE102019108456A1

DE102019108456A1 - Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner und mit einer Einrichtung sowie einem Verfahren zur Bestimmung und Ausgabe der Oberflächentemperatur des Schweißbrenners

Info

Publication number: DE102019108456A1
Application number: DE102019108456.3A
Authority: DE
Inventors: Safal Ghandi; Robin Reips; Sascha Rose
Original assignee: Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer Einrichtung zur Bestimmung und Ausgabe der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches des Schweißbrenners. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches eines Schweißbrenners, wobei in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur ein optisches und/oder akustisches Signal und/oder eine Vibration ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer Einrichtung zur Bestimmung und Ausgabe der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches des Schweißbrenners nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches eines Schweißbrenners nach Anspruch 12.
Thermische Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werkstücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. In der Blechfertigung kommen standardmäßig „MIG“, „MAG“ sowie „WIG“-Schweißen zum Einsatz.
Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Elektrode (MSG) steht „MIG“ für „Metall-Inertgas“, und „MAG“ für „Metall-Aktivgas“. Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit nicht-abschmelzender Elektrode (WSG) steht „WIG“ für „Wolfram-Inertgas“. Die erfindungsgemäßen Schweißvorrichtungen können als maschinengeführter Schweißbrenner ausgeführt sein, welche an einem Roboterarm angeordnet sind.
Im Allgemeinen erzeugen Lichtbogenschweißvorrichtungen zum Aufschmelzen des Schweißgutes einen Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden oder nicht abschmelzenden Schweißelektrode.
Das Schweißgut sowie die Schweißstelle werden von einem Schutzgasstrom gegenüber den Atmosphärengasen abgeschirmt.
Dabei ist die Schweißelektrode an einem Brennerkörper eines Schweißbrenners vorgesehen, der mit einem Lichtbogenschweißgerät verbunden ist. Der Brennerkörper enthält gewöhnlich eine Gruppe von innenliegenden, schweißstromführenden Bauteilen, die den Schweißstrom von einer Schweißstromquelle in dem Lichtbogenschweißgerät zur Spitze des Brennerkopfes auf die Schweißelektrode leiten, um dann von dort aus den Lichtbogen zum Werkstück zu erzeugen.
Der Schutzgasstrom umströmt die Schweißelektrode, den Lichtbogen, das Schweißbad und die Wärmeeinflusszone am Werkstück und wird diesen Bereichen dabei über den Brennerkörper des Schweißbrenners zugeführt. Eine Gasdüse leitet den Schutzgasstrom zum Vorderende des Brennerkopfes, wo der Schutzgasstrom etwa ringförmig um die Schweißelektrode aus dem Brennerkopf austritt.
Der zum Schweißen erzeugte Lichtbogen erhitzt während des Schweißvorgangs das zu schweißende Werkstück sowie gegebenenfalls zugeführtes Schweißgut, sodass diese aufgeschmolzen werden.
Neben dem Schweißen kommt auch das Löten in Betracht, um Blechbauteile zu verbinden. Anders als beim Schweißen wird dabei nicht das Werkstück, sondern nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Der Grund dafür ist, dass beim Löten zwei Kanten durch das Lot als Zusatzwerkstoff miteinander verbunden werden. Die Schmelztemperaturen des Lotwerkstoffes und der Bauteilwerkstoffe liegen weit auseinander, weshalb bei der Bearbeitung nur das Lot schmilzt. Zum Löten eignen sich neben WIG-, Plasma- und MIG-Brennern auch LASER.
Die Lichtbogen-Lötprozesse können im Metallschutzgas-(MSG-L)- und Wolfram-Schutzgas-(WSG-L)-Lötprozesse unterteilt werden. Als Zusatzwerkstoff werden hierbei überwiegend drahtförmige Kupferbasis-Werkstoffe eingesetzt, deren Schmelzbereiche niedriger sind, als die der Grundwerkstoffe. Das Prinzip des MSG-Lichtbogenlötens ist gerätetechnisch weitgehend identisch mit dem MSG-Schweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff.
Wie erwähnt, können derartige maschinengesteuerte Schweißbrenner an einem Roboterarm eines Industrieroboters angeordnet sein. Insbesondere ist es denkbar, dass Schweißbrenner an sogenannten kollaborierenden Leichtbaurobotern, den Cobots (engl. collaborative robots), vorgesehen sind.
Derartige kollaborierende Robotik-Anwendungen ändern die Art und Weise grundlegend, wie Menschen und Maschinen im Fertigungsbereich zusammenarbeiten. Denn bei der Mensch-Roboter-Kollaboration (kurz: MRK) arbeiten Mensch und Maschine Hand in Hand zusammen. Diese Zusammenarbeit ermöglicht es Herstellern und Arbeitern in der Industrie, die Stärke, Reproduzierbarkeit und Kontinuität von Maschinen mit der Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Intelligenz von Menschen zu verknüpfen. Im Ergebnis lassen sich die Produktionseffizienz und Flexibilität bei industriellen Prozessen dadurch erheblich steigern.
Der Mensch steuert und überwacht die Produktion, der Roboter kann beispielsweise die körperlich anstrengenden Arbeiten, wie Über-Kopf-Arbeiten oder das Heben schwerer Lasten oder eben auch Schweißprozesse übernehmen.
Während noch vor einigen Jahren das Feld der Robotik hauptsächlich durch Industrieroboter bestimmt wurde, unterstützen derartige Roboter den Menschen heutzutage auch bei Schweißprozessen. Die Roboter sind dabei nicht mehr stets durch Schutzzäune, beispielsweise in einer sogenannten Zelle, vom Menschen getrennt, sondern es kommt auch zu einer direkten Interaktion zwischen Mensch und Roboter.
Daher spielt die Ausgestaltung der Mensch-Roboter-Kollaboration eine kritische Rolle bei der Optimierung der Arbeitersicherheit und bei der Einhaltung von Vorschriften. Denn ein kollaborierender Roboter ist nur ein Teil einer kollaborierenden Robotik-Anwendung und hält von alleine keine Sicherheitsvorschriften ein. Da eine direkte Interaktion auch immer ein Gefährdungspotential für den menschlichen Partner bedeutet, werden neue Anforderungen an solche Systeme gestellt.
Zeichneten sich herkömmliche Industrieroboter durch Schnelligkeit, aber auch schwere Massen und extreme Steifigkeit aus, weisen die interaktionsfähigen Roboter, d.h. die Cobots, zur Erhöhung der Arbeitssicherheit und zur Ermöglichung einer echten adaptiven Zusammenarbeit oftmals nur wenige Kilogramm Kollisionsmasse, abgerundete oder mit Schaumstoff umhüllte Ecken und Kanten auf und sind in ihrer Arbeitsgeschwindigkeit an den Menschen angepasst. Durch die Fortschritte bei diesen Technologien verringert sich der Bedarf an Sicherheitszellen. Dies wiederum spart Platz und Kosten ein und ermöglicht einen flexibleren Einsatz im Fertigungsbereich.
Die gleiche Anforderung gilt natürlich auch für alle weiteren Aggregate einer Automation, wie beispielsweise an Schweißvorrichtungen mit Schweißbrennern, welche durch den Cobot bedient werden.
Die heutigen Normen - bereitgestellt von der Robotic Industries Association und verschiedenen Instituten für Sicherheitsnormen - enthalten Richtlinien dazu, wie Roboter und Menschen zusammenarbeiten können, um Produktivität und Sicherheit in industriellen Abläufen zu revolutionieren.
Gemäß den Normen ANSI/RIA R15.06-2012 und ISO 10218 „Safety of Industrial Robots“ beschreibt der Begriff „kollaborierend“ ein automatisch betriebenes Robotersystem, das sich einen Arbeitsbereich mit einem Menschen teilt. In den Normen EN ISO 10218 „Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen“ Teil 1 und 2 sowie in ISO/TS 15066 „Robots and robotic devices - Collaborative robots“ sind die Schutzprinzipien der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) beschrieben.
Insbesondere auch im Bereich von Schweißprozessen besteht durch den Einsatz von Cobots ein erhöhtes Kontakt- und damit Gefährdungspotential von Bedienern der Cobots, da diese im Gegensatz zu Schweißern beim manuellen Schweißen häufig ohne spezielle Schutzausrüstung mit den Cobots arbeiten. Dies betrifft vor allem auch die Einlernphase, das sogenannte Teaching, der Cobots. Bei diesen Arbeitsschritten werden die Cobots zum einen auf die Arbeitsprozesse beim Schweißen vorbereitet und eingelernt und zum anderen an die Zusammenarbeit mit dem Mensch bei diesen Arbeitsprozessen angelernt. Dieses Einlernen kann dadurch geschehen, dass der Cobot manuell zu definierten Positionen bewegt wird. Mit anderen Worten greift der Bediener an den Cobot an und bewegt diesen zu einer bestimmten Position.
Da der Vorteil von Cobots gegenüber konventionellen Robotern vor allem darin liegt, dass sie sehr einfach und schnell programmiert werden können, ist im Gegensatz zu Roboterprogrammierungen bei herkömmlichen Robotern die Berührung des Cobots bzw. der Komponenten explizit vorgesehen und geschieht sehr häufig. Hierbei ist der Vorgang des Teaching von dem späteren industriellen Schweißprozess zu unterscheiden.
Bei schweißtechnischen Anwendungen besteht die Herausforderung nun darin, sicherzustellen, dass der in der Regel ungeschützte Bediener bzw. Programmierer zur Vermeidung von Verletzungen die schweißtechnischen Komponenten nicht bereits berührt, wenn diese heiß sind.
Bei manuellen Schweißbrennern sind in der Regel keine Warnhinweise am Brenner selbst angebracht, sondern werden oft lediglich nur in Bedienungsanleitungen für den Brenner erwähnt. Dies ist insbesondere deshalb akzeptabel, da Schweißer aufgrund der hohen Prozesstemperatur und Strahlungsintensität Handschuhe tragen, die auch bei Berührung heißer Bauteile schützt.
Bei Roboterprogrammierern wiederum ist ein Hinweis ebenfalls nicht notwendig, da eine Berührung des Roboters bzw. des Schweißbrenners nicht vorgesehen ist.
Werden Warnhinweise vor heißen Oberflächen angebracht, so erfolgt dies in der Regel durch bildliche Gefahrenhinweise in der Nähe und sehr allgemein dargestellt, d. h. die Hinweise warnen unabhängig von der aktuell vorliegenden Temperatur.
Der Mensch hat daher keine gefahrlose Möglichkeit zu erkennen, ob Komponenten der Cobots bei Schweißprozess-Anwendungen berührt werden können und ob die Temperaturen, insbesondere an griffsensitiven Bauteilen des Cobots so hoch sind, dass sie zu Verletzungen führen können. Dies ist kritisch, wenn der Bediener bzw. das Wartungspersonal im Gegensatz zu Schweißern keine persönliche Schutzkleidung trägt.
Ausgehend von den zuvor beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner derart weiter abzusichern, dass Verletzungen, insbesondere Verbrennungen, bei dem Bediener der Vorrichtung weitestgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner nach Anspruch 1 und mit einem Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches des Schweißbrenners nach Anspruch 12.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer Einrichtung zur Bestimmung und Ausgabe der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches des Schweißbrenners.
Wie erwähnt, kommt es aufgrund der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) zu einem Kontakt zwischen den sogenannten kollaborierenden Leichtbauroboter, den Cobots, und dem Mensch. Insbesondere ist ein manuelles Einlernen der Cobots, das Teaching, durch den Mensch notwendig. Der eigentliche Schweißvorgang geschieht dagegen nicht manuell sondern durch den Cobot.
Bei manuellen Brennern, welche nicht an einem Roboter angeordnet sind, sondern von einem Bediener geführt werden, ist aufgrund von bestehenden Normen eine Temperatur von lediglich 50°C am Griffstück des Schweißbrenners zugelassen. Bei den Cobots kommt diese Norm dagegen nicht zum Tragen. Aus diesem Grund ist die Temperaturbestimmung und - Überwachung entsprechend der Erfindung vorgesehen. Darüber hinaus wird in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur ein Warnsignal an den Bediener ausgegeben.
Mittels der Einrichtung zur Bestimmung und Ausgabe der Oberflächentemperatur, welche beispielsweise einen Sensor aufweist, wird die Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches des Schweißbrenners bestimmt und/oder überwacht. Dabei kann der Sensor in diesem zu analysierenden Bereich an der Oberfläche des Schweißbrenners angeordnet sein, d.h. der Sensor kann die zu analysierende Oberfläche berühren. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Oberflächentemperatur des Schweißbrenners berührungslos, beispielsweise mittels Infrarotmessung, bestimmt wird. Der zu messende Temperaturbereich kann beispielsweise zwischen 0° C und 150° C liegen.
Denkbar wäre auch die Messung des elektrischen Widerstandes zur Bestimmung der Oberflächentemperatur, beispielsweise mittels sogenannter PT-100 Sensoren. Ein PT-100 ist ein Platin-Widerstand mit einem in IEC 751 (EN 60751) definiertem Nennwiderstand von 100 Ω bei einer Temperatur von 0°C. PT-100 Widerstandsfühler werden für Temperaturmessungen eingesetzt. Dadurch, dass PT-100 Sensoren robust und weitgehend unempfindlich gegen elektrische Störungen und bieten gegenüber Thermoelementen einige Vorteile, wie etwa einen großen Temperaturbereich von -200°C bis 850°C sowie eine fast lineare Kennlinie und eine gute Genauigkeit.
Auf diese Weise wird die Oberflächentemperatur an präferierten Manipulationsstellen des Brenners, insbesondere dem Brennerhals, genau bestimmt.
Neben dem Einsatz bei Cobots ist auch der Einsatz bei konventionellen industriellen Robotern denkbar, um auch dort das Wartungspersonal bei Verschleißteil- oder Brennerwechseln vor heißen Bauteilen zu schützen bzw. zu warnen. Auf diese Weise sind gefahrenlose Programmier- und Wartungsarbeiten auch am konventionellen Roboter möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ausgabe in Abhängigkeit der bestimmten bzw. gemessenen Oberflächentemperatur über ein optisches und/oder akustisches Signal. Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, die Ausgabe mittels einer Vibration des Schweißbrennerhalses zu ermöglichen, um damit dem Benutzer auf eine Gefahr aufgrund zu hoher Temperatur hinzuweisen.
Die vom Sensor gemessenen Signale können mittels einer Übermittlungseinrichtung, beispielsweise mittels eines Kabels oder berührungslos an die Ausgabe mittels optischen und/oder akustischen Signals weitergeleitet werden.
Insbesondere bei nicht eingehausten, d.h. in einer Zelle angeordneter Roboter-Anlagen kann eine optische Warnung in Form einer Temperaturvisualisierung am Schweißbrenner erfolgen, damit der Bediener vor heißen Teilen am Roboter gewarnt ist und Verletzungen aufgrund Verbrennung weitestgehend vermieden werden.
Denkbar ist insbesondere, dass die Temperaturvisualisierung mittels am Schweißbrenner angebrachtem thermochromatischen Materials erfolgt.
Thermochromatische Materialien sind beispielsweise aus der DE 102012018813 A1 bekannt. Thermochromie beinhaltet die Eigenschaft eines Materials, in Abhängigkeit der Temperatur reversibel oder irreversibel seine Farbe zu ändern. Dies kann sowohl durch Änderung der Intensität und/oder des Wellenlängenmaximums erfolgen. Grund für diese Farbveränderungen sind Änderungen der Molekül- oder Kristallstruktur. Bekannt ist dieses Verhalten unter anderem bei den anorganischen Verbindungen Rutil und Zinkoxid, die ihre Farbe bei starkem Erhitzen von Weiß nach Gelb ändern.
Repräsentativ werden Beispiele und theoretische Hintergründe zum Mechanismus der temperaturgesteuerten Farbe beschrieben in Chromic Phenomena von P. Bamfield and M. I Hutchings (The Royal Society of Chemistry, 2010) und in Thermochromic Phenomena in Polymers von A. Seeboth and D. Lötzsch (Smithers Rapra Technology, 2008).
Thermochrome Farben können zum einen mittels Temperaturmessfarbstiften und andererseits über Lackierung mittels Streich-, Sprüh- oder Tauchverfahren aufgetragen werden. Der Messbereich thermochromer Farben kann sich auf bis zu etwa 1300°C erstrecken.
Es ist also denkbar, thermochromatisches Material, beispielsweise eine Lackierung auf den Schweißbrenner, insbesondere den Brennerhals aufzubringen. Auf diese Weise wird der Bediener des Brenners optisch gewarnt, wenn eine bestimmte Temperatur, beispielsweise 50°C überschritten wird. Denn dann verfärbt sich das thermochromatische Material, beispielsweise zu einer Signalfarbe.
Es könnte auch ein durch das thermochromatische Material zunächst verdeckter Warnhinweis, wie etwa „Vorsicht heiß“, „hot“ oder dergleichen ab einer bestimmten Temperatur sichtbar werden. Denkbar ist auch, dass der Bediener einen bestimmen Hinweis, etwa „kalt“ oder „cold“, erkennt, so lange die Temperatur einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich die Ausgabe mittels eines akustischen Signals durch einen von einem, vorzugsweise am Schweißbrenner oder der Halterung angeordneten, Lautsprecher ausgegebenen Warnton gebildet sein, wenn eine bestimmte Temperatur am Brenner oder am Roboter erreicht oder überschritten wird. Da einige Cobots auch in der Lage sind, über Sprache mit dem Bediener zu kommunizieren, kann alternativ oder zusätzlich auch ein Lautsprecher des Cobots genutzt werden, um auf diese Weise den Bediener der Vorrichtung zu warnen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausgabe mittels optischen Signals an und/oder in einer Halterung, insbesondere zum Anordnen des Schweißbrenners an einem Roboter, vorzugsweise einem kollaborierenden Roboter (Cobot), und/oder am Brennerhals und/oder am Roboter und/oder an der den Roboter einhausenden Zelle ausgebbar.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Ausgabe mittels optischen Signals als Statusanzeige mit wenigstens zwei LEDs oder einer sogenannten Multicolor-LED zur Visualisierung der Oberflächentemperatur des Schweißbrenners ausgebildet ist.
In der Regel ist der automatisierte Schweißbrenner mittels einer Halterung an einem Roboterarm angeordnet. Diese Halterung kann den Brenner mittels entsprechender Befestigungsmittel aufnehmen. Beispielsweise kann der Brenner an die Halterung angeschraubt werden. Die Halterung kann dann mitsamt dem Brenner an dem Roboterarm befestigt werden. Hierbei kann es sich um einen Cobot oder einen konventionellen Roboter handeln.
Wie erwähnt, kann die Statusanzeige zur Visualisierung der Temperatur beispielsweise an der Halterung vorgesehen, insbesondere auf diese aufgesetzt sein. Auf diese Weise ist eine einfache Nachrüstung bestehender Vorrichtungen möglich. Denkbar ist auch, dass die Visualisierung in die Halterung integriert ist, wodurch ein besserer Schutz der Visualisierung gegeben ist.
Die Halterung kann einen sogenannten Multifunktionsflansch aufweisen, welcher sich dadurch auszeichnet, dass er eine Doppelfunktion erfüllt. Denn der Multifunktionsflansch dient neben der Befestigung des Brenners auch zur Steuerung der Bewegung des Schweißbrenners. Insbesondere können am Multifunktionsflansch Taster für die Programmierung der Roboterbewegungen und/oder Bedientasten, u.a. auch für die Schweißstromquelle, vorgesehen sein. Die Taster können beispielsweise eine Kommunikation mit dem Roboter bzw. dem Cobot ermöglichen und/oder sogenannte übergeordnete SPS-Wegpunkte setzten setzen sowie den Schweißvorgang ein- oder ausschalten. Weiterhin kann der oben erwähnte Modus, in welchem der Bediener an den Cobot angreift und diesen zu einer bestimmten Position bewegt, durch einen der Taster ausgelöst werden, wodurch ein manuelles Teaching durch den Mensch vereinfacht möglich ist. Darüber hinaus ist es mittels der Bedientasten möglich, die Drahtförderung zu steuern und/oder einen Gastest durchzuführen.
Vorliegend kann der Multifunktionsflansch im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, wobei erste Befestigungsmittel an einer Grundfläche der Flansches zur Anordnung an den Roboterarm des Roboters vorgesehen sind. Zur Aufnahme des Schweißbrenners an den Multifunktionsflansch können zweite Befestigungsmittel an der Deckfläche des Flansches vorgesehen sein. Der Flansch ist also im montierten Zustand zwischen dem Roboterarm und dem Schweißbrenner angeordnet.
Die Temperaturvisualisierung kann durch eine Anzeige und/oder durch einen Lautsprecher zur Ausgabe eines Warntons auf der Mantel- bzw. Zylinderfläche des Multifunktionsflansches umgesetzt sein, so dass diese von einem Bediener des Roboters einfach wahrnehmbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Sensor im Bereich des Brennerhalses und/oder der Gasdüse zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt der Gasdüse des Schweißbrenners angeordnet. Auf diese Weise findet die Messung der Temperatur an den Stellen des Brenners statt, welche besonders bevorzugt von einem Bediener berührt werden könnten. Diese präferierten Manipulationsstellen sind im Wesentlichen der Brennhals bei Cobots und der Bereich der Gasdüse bei konventionellen Robotern. Aus diesem Grund kann der Sensor am Brennerhals, insbesondere in griffsensitiven Bereichen des Brennerhalses sitzen.
Nach einen eigenständigen Gedanken der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches eines Schweißbrenners zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten vorgesehen, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen Schweißvorrichtung, wobei in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur ein optisches und/oder akustisches Signal oder ein durch Vibration erzeugtes Signal ausgegeben wird.
Dadurch wird sowohl ein risikofreies Berühren des Schweißbrenners ermöglicht, als auch vor möglichen Schäden durch zu hohe Oberflächentemperaturen am Schweißbrenner gewarnt.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberflächentemperatur im Bereich des Brennerhalses und/oder im Bereich der Gasdüse des Schweißbrenners bestimmt und/oder überwacht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberflächentemperatur in Echtzeit, insbesondere innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als 1/10 Sekunde bestimmt und optisch oder akustisch ausgegeben wird.
Unter Echtzeit ist ein Zeitintervall von weniger als 1/10 Sekunde zur Bestimmung der Oberflächentemperatur zu verstehen. Die Temperatur und damit das akut vorherrschende Gefahrenpotential werden in Echtzeit durch eine optische Statusanzeige dem Bediener dargestellt. Es ist auch denkbar, dass in dieser kurzen Zeitspanne der Zugang zum Roboter, bei eingehausten Anlagen, verwehrt wird. Auf diese Weise wird der Bediener situationsabhängig geschützt bzw. in Echtzeit gewarnt, dass das Berühren von heißen Komponenten am Schweißbrenner zu Verletzungen führt. Auf der anderen Seite wird dem Bediener optisch angezeigt, ob beispielsweise Wartungs- oder Programmierarbeiten am Roboter oder am Schweißbrenner ohne Gefahrenpotential möglich sind.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Dabei zeigen zum Teil schematisch:

1 eine an einem Roboterarm eines Roboters angeordnete Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner und mit einem Sensor zur Messung der Temperatur,
2 eine Detailansicht des Schweißbrenners mit Brennerhals, Halterung und Sensor,
3 eine Detailansicht einer Halterung mit optischer Signalausgabe und
4 eine Detailansicht der am Roboterarm angeordneten Halterung.

Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand einer Ausführungsform mit Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.
Aus 1 geht eine Schweißvorrichtung 20 mit einem Schweißbrenner 10 zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten hervor.
Die Schweißvorrichtung 20 weist eine Einrichtung 4 zur Bestimmung und Angabe der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches des Schweißbrenners 10 auf.
Die Einrichtung 4 des Schweißbrenners 10 weist wenigstens einen an einem Brennerhals 6 des Brenners 10 angeordneten Sensor 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Oberflächentemperatur eines Bereiches 3 des Schweißbrenners 10 auf.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schweißvorrichtung 20 mit dem Schweißbrenner 10 an einem Roboter 13, insbesondere an einem Roboterarm, angeordnet, wie 1 und 2 zeigen.
Insbesondere ist die Schweißvorrichtung 20 mittels einer Halterung 2 am Roboter 13 befestigt. Die Halterung 2 ist vorliegend als sogenannter Multifunktionsflansch 12 ausgestaltet, welcher eine Doppelfunktion erfüllt. Denn der Multifunktionsflansch 12 dient einerseits zum Befestigen der Schweißvorrichtung 20 am Roboter 13 und andererseits zur Steuerung der Bewegung des Schweißbrenners 10. Insbesondere können am Multifunktionsflansch 12 Taster 9 für die Programmierung der Roboterbewegungen und/oder Bedientasten vorgesehen sein. Die in 3 dargestellten Taster 9 können beispielsweise eine Kommunikation mit dem Roboter bzw. dem Cobot ermöglichen und/oder sogenannte übergeordnete SPS-Wegpunkte setzten setzen sowie den Schweißvorgang ein- oder ausschalten. Weiterhin kann der oben erwähnte Modus, in welchem der Bediener an den Cobot angreift und diesen zu einer bestimmten Position bewegt, durch einen der Taster 9 ausgelöst werden, wodurch ein manuelles Teaching durch den Mensch vereinfacht möglich ist. Darüber hinaus ist es mittels der Bedientasten möglich, die Drahtförderung zu steuern und/oder einen Gastest durchzuführen.
Vorliegend ist der Multifunktionsflansch 12 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei erste Befestigungsmittel an einer Grundfläche der Flansches zur Anordnung an den Roboterarm des Roboters vorgesehen sind. Zur Aufnahme des Schweißbrenners an den Multifunktionsflansch sind zweite Befestigungsmittel an der Deckfläche des Flansches vorgesehen. Der Flansch ist also im montierten Zustand zwischen dem Roboterarm und dem Schweißbrenner 10 angeordnet.
Die Temperaturvisualisierung kann durch eine Anzeige und/oder durch einen Lautsprecher zur Ausgabe eines Warntons auf der Mantel- bzw. Zylinderfläche des Multifunktionsflansches umgesetzt sein, so dass diese von einem Bediener des Roboters einfach wahrnehmbar ist.
Die vom Sensor 1 gemessenen Daten zur Bestimmung und Überwachung der Oberflächentemperatur werden mittels einer Übermittlungseinrichtung an eine Signalausgabeeinrichtung 5 weitergeleitet.
Die Übermittlungseinrichtung ist vorgesehen, um die vom Sensor 1 gemessenen Rohdaten in Signale umzuwandeln, welche zum einen als Temperaturwerte weitergegeben werden können und zum anderen als Eingangssignal für die Signalausgabeeinrichtung 5 dienen.
Diese Signalausgabeeinrichtung 5 kann eine optische 8 und/oder akustische Signalausgabe aufweisen. Denkbar ist auch die Ausgabe durch eine Vibration eines Teils der Schweißvorrichtung 20.
Die optische Signalausgabe 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Statusanzeige 11 zur Visualisierung der Temperatur an und/oder in der Halterung 2, insbesondere an/oder im Multifunktionsflansch 12 gebildet.
Es kann aber auch eine Temperaturvisualisierung an anderen Teilen am Schweißbrenner 10 vorgesehen sein.
Wie aus 3 hervorgeht, weist der Multifunktionsflansch 12 vorliegend eine optische Signalausgabe 8 auf, welche als Statusanzeige 11 ausgebildet ist. Insoweit wird je nach vom Sensor 1 gemessener und an die Signalausgabeeinrichtung 5 weitergeleiteter Temperatur eine entsprechende, mittels LED umgesetzte optische Signalausgabe an den Bediener ausgegeben. Bei den LED kann es sich um mehrere einfarbige LEDs oder um sogenannte Multicolor-LEDs handeln, welche beispielsweise in Art einer Ampel, also in den Farben rot, gelb und grün, eine bestimmte Temperatur symbolisieren und den Benutzer vor zu hoher Temperatur warnen.
Gemäß der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich auch eine akustische Signalausgabe vorgesehen sein, beispielsweise mittels eines Warnsignals, so dass der Bediener akustisch vor insbesondere zu hohen Temperaturen gewarnt wird. Beispielsweise kann ein Lautsprecher zur Ausgabe des akustischen Warnsignals vorgesehen sein, welcher am Brennerhals oder am Multifunktionsflansch angeordnet sein kann.
Es kann auch vorgesehen sein, dass bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur bei eingehausten Robotern dem Bedienpersonal der Zugang in die Zelle mit dem Roboter verwehrt wird.
Wie aus 2 weiter hervorgeht, ist der Sensor 1 im Bereich eines Brennerhalses 6 des Schweißbrenners 10 vorgesehen. Denn der Bediener des Roboters 13 hat keine gefahrlose Möglichkeit zu erkennen, ob Roboterkomponenten gefahrlos berührt werden können und ob die Temperaturen, insbesondere an griffsensitiven Bauteilen des Roboters 13 so hoch sind, dass sie zu Verletzungen führen können. Daher findet die Überwachung der Oberflächentemperatur an präferierten Manipulationstellen, insbesondere dem Brennerhals statt und es erfolgt die Informationsweitergabe an den Bediener.
Darüber hinaus kann ein alternativer oder zusätzlicher Sensor 1 im Bereich einer Gasdüse zum Ausströmen eines Schutzgasstroms aus einem Gasaustritt 14 der Gasdüse 7 des Schweißbrenners 10 angeordnet sein. Denn neben dem Einsatz bei den sogenannten Cobots ist auch der Einsatz bei konventionellen Robotern denkbar. Aus diesem Grund ist das Wartungspersonal bei Verschleißteil- oder Brennerwechselvorgängen vor heißen Bauteilen des Roboters zu schützen bzw. zu warnen.
Die vom Sensor 1 gemessene Oberflächentemperatur wird in Echtzeit, das heißt unter 1/10 Sekunde, verarbeitet und als optisches und/oder akustisches Signal ausgegeben.
Aus 4 geht der am Roboter 13 angeordnete Multifunktionsflansch 12 hervor, an welchem die Schweißvorrichtung 20 mit Schweißbrenner 10 mittels eines Halteelements 15 angeordnet ist.
Neben der im vorliegenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Temperaturvisualisierung ist es auch denkbar, dass die Temperaturvisualisierung mittels am Schweißbrenner angebrachtem thermochromatischen Materials erfolgt.
Wie erwähnt, beinhaltet Thermochromie die Eigenschaft eines Materials, in Abhängigkeit der Temperatur reversibel oder irreversibel seine Farbe zu ändern. Dies kann sowohl durch Änderung der Intensität und/oder des Wellenlängenmaximums erfolgen. Thermochrome Farben können zum einen mittels Temperaturmessfarbstiften und zum anderen über Lackierung mittels Streich-, Sprüh- oder Tauchverfahren aufgetragen werden. Der Messbereich thermochromer Farben kann sich auf bis zu etwa 1300°C erstrecken.
Es ist also denkbar, thermochromatisches Material, beispielsweise eine Lackierung auf den Schweißbrenner 10, insbesondere den Brennerhals aufzubringen. Auf diese Weise wird der Bediener des Brenners 10 optisch gewarnt, wenn eine bestimmte Temperatur, beispielsweise 50°C überschritten wird. Denn dann verfärbt sich das thermochromatische Material, beispielsweise zu einer Signalfarbe.
Es könnte auch ein durch das thermochromatische Material zunächst verdeckter Warnhinweis, wie etwa „Vorsicht heiß“, „hot“ oder dergleichen ab einer bestimmten Temperatur sichtbar werden. Denkbar ist auch, dass der Bediener einen bestimmen Hinweis, etwa „kalt“ oder „cold“, erkennt, so lange die Temperatur einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Halterung
3: Bereich des Schweißbrenners
4: Einrichtung
5: Signalausgabeeinrichtung
6: Brennerhals
7: Gasdüse
8: optische Signalausgabe
9: Taster
10: Schweißbrenner
11: Statusanzeige
12: Multifunktionsflansch
13: Roboter
14: Gasaustritt
15: Halteelement
20: Schweißvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012018813 A1 [0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Normen ANSI/RIA R15.06-2012 [0019]
ISO 10218 [0019]
ISO/TS 15066 [0019]
Chromic Phenomena von P. Bamfield and M. I Hutchings (The Royal Society of Chemistry, 2010 [0041]
Thermochromic Phenomena in Polymers von A. Seeboth and D. Lötzsch (Smithers Rapra Technology, 2008) [0041]

Claims

Schweißvorrichtung (20) mit einem Schweißbrenner (10) zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer Einrichtung (4) zur Bestimmung und Ausgabe der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches (3) des Schweißbrenners (10).
Schweißvorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Oberflächentemperatur mittels eines Sensors (1) erfolgt.
Schweißvorrichtung (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) am Schweißbrenner (10) angeordnet ist.
Schweißvorrichtung (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) die Oberflächentemperatur des Schweißbrenners (10) berührungslos, insbesondere mittels Infrarotmessung, bestimmt.
Schweißvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe in Abhängigkeit der gemessenen Oberflächentemperatur über ein optisches (8) und/oder akustisches Signal und/oder durch Vibration eines Teils des Schweißbrenners erfolgt.
Schweißvorrichtung (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe des optischen Signals (8) durch eine Temperaturvisualisierung am Schweißbrenner (10), insbesondere mittels am Schweißbrenner (10) angebrachtem thermochromatischen Materials, erfolgt.
Schweißvorrichtung (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe mittels optischen Signals (8) an und/oder in einer Halterung (2), insbesondere zum Anordnen des Schweißbrenners (10) an einem Roboter (13), vorzugsweise einem kollaborierenden Roboter (Cobot), und/oder am Brennerhals (6) und/oder am Roboter (13) und/oder an einer den Roboter (13) einhausenden Zelle ausgebbar ist.
Schweißvorrichtung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe mittels optischen Signals (8) als Statusanzeige (11) mit wenigstens zwei LEDs zur Visualisierung der Oberflächentemperatur des Schweißbrenners ausgebildet ist.
Schweißvorrichtung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitergabe der vom Sensor (1) gemessenen Daten zur Ausgabe berührungslos oder mittels Kabel erfolgt.
Schweißvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens ein Sensor (1) im Bereich des Brennerhalses (6) und/oder der Gasdüse (7) des Schweißbrenners (10) angeordnet ist.
Schweißvorrichtung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe mittels akustischen Signals durch einen von einem, vorzugsweise am Schweißbrenner (10) oder der Halterung (2) angeordneten, Lautsprecher ausgegebenen Warnton gebildet ist.
Verfahren zur Bestimmung der Oberflächentemperatur wenigstens eines Bereiches (3) eines Schweißbrenners (10) zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, insbesondere mit einer Schweißvorrichtung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur ein optisches und/oder akustisches Signal und/oder ein Signal mittels Vibration ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur im Bereich des Brennerhalses (6) und/oder im Bereich der Gasdüse (7) des Schweißbrenners (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur in Echtzeit, insbesondere innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als 1/10 Sekunde bestimmt und optisch oder akustisch ausgegeben wird.