DE102020131466A1

DE102020131466A1 - Verfahren zum Betrieb einer Schweißanlage

Info

Publication number: DE102020131466A1
Application number: DE102020131466.3A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lippemeyer
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum qualitätssicheren Betrieb einer Schweißanlage (1), mit einem Schweißwerkzeug (2) zur Herstellung mindestens einer Schweißverbindung an mindestens einem Werkstück (3), einer Kühleinrichtung (10) zur Kühlung des Schweißwerkzeugs (2) mittels eines Kühlmittels sowie einer Steuereinheit (20) zur Steuerung des Schweiß- und Kühlvorgangs,wobei die Kühleinrichtung (10) ein Durchflussmessmessgerät (13) sowie einen ersten und einen zweiten Temperaturfühler (11, 12) umfasst, mittels des ersten Temperaturfühlers (11) die Temperatur TVordes im Vorlauf des Schweißwerkzeugs (2) fließenden Kühlmittels und mittels des zweiten Temperaturfühler (12) die Temperatur TRückdes im Rücklauf des Schweißwerkzeugs (2) fließenden Kühlmittels erfasst wird und mittels der Messsignale des Durchflussmessgeräts (13) sowie des ersten und zweiten Temperaturfühlers (11, 12) die Kühlleistung PKühl, berechnet wird,wobei das Kühlmittel im Rücklauf einen Temperaturverlauf aufweist mit einer Ausgangstemperatur T0vor einem Schweißvorgang und durch den Schweißvorgang eine Maximaltemperatur Tmax erreicht wird,wobei für die Rücklauftemperatur TRückdes Kühlmittels eine die Ausgangstemperatur T0sowie die Maximaltemperatur Tmax umfassende Hüllkurve vorgegeben ist,wobei im laufenden Betrieb der Verlauf der Rücklauftemperaturen TRückmit der vorgegebenen Hüllkurve verglichen wird und bei Überschreiten der Vorgabewerte von Ausgangstemperatur T0und/oder Maximaltemperatur Tmax die Durchflussmenge an Kühlmittel und damit die Kühlleistung PKühlerhöht wird bzw. bei Unterschreiten der Vorgabewerte von Ausgangstemperatur T0und/oder Maximaltemperatur Tmax die Durchflussmenge an Kühlmittel und damit die Kühlleistung PKühlverringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum qualitätssicheren Betrieb einer Schweißanlage.
Schweißanlagen werden in der industriellen Fertigung dafür eingesetzt, um mittels eines Schweißwerkzeugs, wie beispielsweise einer Schweißzange, Werkstücke mit einer Schweißverbindung zu verbinden. Im Betrieb der Anlage entsteht durch den Schweißprozess selbst an der Schweißzange naturgemäß Wärme, wobei diese entstehende Wärme wiederrum einen starken Einfluss auf die Qualität der Schweißverbindung hat. Dementsprechend ist ein Kühlkreislauf vorzusehen, bei dem als Kühlmittel typischerweise Wasser verwendet wird.
Das Maß der entstehenden Wärme ist dabei vor allem von durch den Prozess vorgegebenen Kriterien abhängig, die sich fortwährend ändern können. Hier sind z.B. die Dauer des Schweißvorgangs oder die Anzahl an Schweißvorgängen je Zeiteinheit zu nennen. Das bedeutet dann, dass sich der Kühlbedarf auch während des Prozesses sehr dynamisch verhalten kann.
Stand der Technik ist aktuell, dass bei Kühl- oder Heizkreisläufen der Durchfluss fest eingestellt ist und nicht an die aktuellen Gegebenheiten angepasst werden kann. Oft wird eine zu hohe Durchflussmenge eingestellt, um eine Überhitzung in jedem Fall zu vermeiden. Dadurch wird jedoch durch erhöhte Pumpleistung, Aufbereitung des Kühlmittels usw. Energie verschwendet.
Eine mögliche Lösung, ein Differenzdruck-gesteuertes mechanisches Regelventil einzusetzen, hat den Nachteil, dass im Idealfall nur die Strömung konstant bleibt, jedoch nicht auf den aktuellen Zustand eingegangen wird. Außerdem ist keine Dämpfungsmöglichkeit gegeben und bei kurzen Störungen kann es zum Schwingen der Regelstrecken kommen.
Eine reine Überwachung der Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur ist zumeist auch nicht aussagekräftig bzw. zuverlässig genug, da sich bei stetiger Erhöhung der Vorlauftemperatur das Niveau insgesamt erhöhen und damit kritische Maximaltemperaturen im Rücklauf überschritten werden können, ohne dass die Temperaturdifferenz selbst einen Grenzwert übersteigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schweißanlage so zu betreiben, dass die Kühlung des Schweißwerkzeugs auch bei sich dynamisch ändernden Kühlbedarf einerseits wirtschaftlich optimal eingestellt und andererseits eine zufriedenstellende Qualität der Schweißverbindungen sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird mittels jeweils eines Temperaturfühlers die Temperatur des Kühlmittels im Vorlauf und im Rücklauf des Schweißwerkzeugs erfasst. Der Temperaturfühler im Vorlauf misst die Ausgangstemperatur des Kühlmittels, der Temperaturfühler im Rücklauf erfasst die Temperaturschwankungen im Prozess, d.h. die Temperaturerhöhung im Schweißmoment. Aus diesen Messwerten wird zusammen mit den Messwerten eines vorzugsweise im Vorlauf angeordneten Durchflussmessgeräts die Wärmemenge, d.h. die Kühlleistung berechnet.
Hintergrund dieses Vorgehens ist, dass durch Einstellung einer minimal benötigten Durchflussmenge für die ermittelte Kühlleistung der Wasser- bzw. Energieverbrauch optimiert werden kann. Dieser Mindestwert wird durch das Durchflussmessgerät überwacht. Sollten sich die Strömungsverhältnisse verändern, wird bspw. ein entsprechendes Einstellventil, typischerweise ein Strangregulierventil, aktiv angesteuert und so der gewünschte Durchfluss- bzw. Strömungswert konstant gehalten. Dies kann durch einen externen Regler erreicht werden oder durch einen Regler im Durchflussmessgerät. So wird aber zunächst nur der zuvor ermittelte Durchflusswert konstant gehalten.
Diese Lösung kann verbessert werden, indem die berechnete Kühlleistung betrachtet wird. Diese wird beeinflusst, weil sich zum Beispiel die Vorlauftemperatur verändert oder einzelne Prozessparameter (bspw. bei einer Änderung des Werkstücks oder eine andere Schweißzange mit anderem Durchflusswerten verwendet wird und sich dadurch die Schweißparameter und/oder Anzahl der Schweißpunkte und damit der Wärmeeintrag ändert). Verlässt berechnete Kühlleistung die Vorgabe gibt die Steuereinheit einen höheren Mindestströmungswert an das Durchflussmessgerät weiter und verändert so die Durchflussmenge solange, bis die geforderte Kühlleistung wiedereingestellt ist.
Dies hat auch den Vorteil, dass in Pausenzeiten der Durchfluss automatisch runtergeregelt werden kann und so Einsparungen realisiert werden. Auch bei sich ändernden Durchfluss-Sollwerten im Prozess durch sich ändernde Werkstücke oder durch Wechseln der Schweißzange können andere Vorgabewerte für den Durchfluss eingestellt werden.
Wird eine Hüllkurve über das Temperatursignal im Rücklauf gelegt, kann auf Abweichungen, bspw. beim Überschreiten von Grenzwerten, sofort reagiert und die Aufzeichnungen zur Sicherstellung der Prozessqualität ausgewertet werden.
Aus dem Temperatursignal können im Übrigen auch Rückschlüsse über Schweißstrom und Anpressdruck gezogen werden oder auch zu einem Fehler im Prozess.
Vorteilhafterweise wird mittels eines Druckmessgeräts der Rücklaufdruck überwacht. Etwaige Druckverluste deuten auf Leckagen hin, die auf diese Weise schnell erkannte werden können und ein entsprechend schnelles Abschalten des Vor- und/oder Rücklaufstranges möglich machen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäß zu betreibenden Schweißanlage und
2 einen möglichen Signalverlauf der für den Prozess relevanten physikalischen Größen.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
In 1 ist der stark schematisierte Aufbau der erfindungsgemäß zu betreibenden Schweißanlage 1 abgebildet. Im Wesentlichen umfasst die Schweißanlage 1 ein Schweißwerkzeug 2, welches vorliegend als Schweißzange abgebildet ist, einem Werkstück 3, einer Kühleinrichtung 10 zur Kühlung des Schweißwerkzeugs 2 sowie einer Steuerung 20 zur Steuerung des Schweiß- und Kühlvorgangs. Aus Darstellungsgründen soll vorliegend die Steuerung 20 auch die Kühlmittelversorgungseinheit mit umfassen. Als Kühlmittel wird typischerweise Wasser verwendet. Das Kühlmittel wird in einem ersten Strang mit einer Vorlauftemperatur T_Vor zu dem Schweißwerkzeug 2 geführt, nimmt einen Teil der dort während des Schweißvorgangs entstehenden Wärme auf, wodurch eine Rücklauftemperatur T_Rück erreicht wird, und wird in einem zweiten Strang wieder zu der Steuer-/Versorgungseinheit 20 zurückgeführt.
Der untere Strang der Kühleinrichtung 10 stellt den Vorlauf des Kühlmittels dar und umfasst einen ersten Temperaturfühler 11 zur Erfassung der Vorlauftemperatur Tvor, ein Durchflussmessgerät 13 sowie ein Ventil 15, welches dafür vorgesehen ist, um im Fehlerfall, bspw. bei Leckage, den Vorlaufstrang abzuschalten. Das Durchflussmessgerät 13 könnte bspw. als magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ausgeführt sein, in welchem ohnehin bereits ein Temperaturfühler integriert ist, so dass dieser dann als der genannte erste Temperaturfühler 11 verwendet werden kann.
Der obere Strang der Kühleinrichtung 10 stellt den Rücklauf des Kühlmittels dar und umfasst einen zweiten Temperaturfühler 12 zur Erfassung der Rücklauftemperatur T_Rück, ein Druckmessgerät 16 zur Überwachung des Rücklaufdrucks, wodurch beim Erfassen von Druckverlusten Leckagen schnell erkannt werden können und ein entsprechend schnelles Abschalten möglich ist, und schließlich ein Einstellventil 14, welches typischerweise als Strangregulierventil ausgeführt ist und zur Regelung des Durchflusses vorgesehen ist.
Aus der Vorlauftemperatur T_Vor, der Rücklauftemperatur T_Rück sowie den Strömungs- bzw. Durchflussmesswerten wird die Wärmemenge, d.h. die Kühlleistung berechnet. Durch die Berechnung der Wärmemenge ist der Kühlungsprozess, d.h. die Ermittlung des Kühlungsbedarfs unabhängig von der Höhe der Vorlauftemperatur T_Vor.
Einen möglichen Signalverlauf der für den Prozess relevanten physikalischen Größen, wie er im Idealfall aussehen könnte, zeigt 2. Die Vorlauftemperatur T_Vor sowie der Durchfluss Q des Kühlmittels ist vorliegend jeweils konstant. Die Rücklauftemperatur T_Rück und die berechnete Wärmemenge bzw. Kühlleistung P_Kühl hingegen weisen einen sägezahnartigen Verlauf auf. Mit jedem Schweißvorgang erhöht sich naturgemäß die Rücklauftemperatur T_Rück von einer Ausgangstemperatur T₀ auf eine Maximaltemperatur Tmax und kühlt dann nach Beendigung des Schweißvorgangs wieder ab, idealerweise auf die Ausgangstemperatur T₀. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Schweißvorgängen (Schweißpunkten) muss also so bemessen werden, dass vor einem neuen Schweißvorgang wieder die Ausgangstemperatur T₀ erreicht worden ist, da sich ansonsten der Wert für die Maximaltemperatur Tmax immer weiter erhöhen würde, was sich in der Qualität der Schweißverbindungen niederschlagen könnte. Dementsprechend ist die Zufuhr an Kühlmittel, erfasst mit Hilfe des Durchflussmessgeräts 13, anzupassen.
Die Berechnung sowie die Steuerung des Kühlmitteldurchflusses erfolgt jeweils in der Steuereinheit 20.
Für die Rücklauftemperatur T_Rück des Kühlmittels ist eine die Ausgangstemperatur T₀ sowie die Maximaltemperatur Tmax umfassende Hüllkurve vorgegeben, die den für eine optimale Qualität der Schweißverbindung darstellenden Temperaturverlauf beinhaltet. Im laufenden Betrieb wird der Verlauf der Rücklauftemperaturen T_Rück mit der vorgegebenen Hüllkurve verglichen. Bei Überschreiten der Vorgabewerte von Ausgangstemperatur T₀ und/oder Maximaltemperatur Tmax wird die Durchflussmenge an Kühlmittel und damit die Kühlleistung P_Kühl erhöht wird bzw. bei Unterschreiten der Vorgabewerte von Ausgangstemperatur T₀ und/oder Maximaltemperatur Tmax die Durchflussmenge an Kühlmittel und damit die Kühlleistung P_Kühl verringert. Das Erhöhen oder Verringern der Durchflussmenge an Kühlmittel wird solange durchgeführt, bis die Vorgabewerte wieder erreicht worden sind.
Auf diese Weise können kann sehr schnell sowohl auf eine Verkürzung der Zeitabstände zwischen zwei Schweißvorgängen als auch bei einem Wechsel des Schweißwerkzeugs 2 reagiert werden und die jeweils notwendige Kühlung individuell ausgeregelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Schweißanlage
2: Schweißwerkzeug
3: Werkstück
10: Kühleinrichtung
11: erster Temperaturfühler im Vorlauf
12: zweiter Temperaturfühler im Rücklauf
13: Durchflussmessgerät
14: Ventil im Rücklauf
15: Ventil im Vorlauf
16: Druckmessgerät
20: Steuereinheit
TVor: Vorlauftemperatur
TRück: Rücklauftemperatur
PKühl: Kühlleistung
Q: Durchfluss

Claims

Verfahren zum qualitätssicheren Betrieb einer Schweißanlage (1), mit einem Schweißwerkzeug (2) zur Herstellung mindestens einer Schweißverbindung an mindestens einem Werkstück (3), einer Kühleinrichtung (10) zur Kühlung des Schweißwerkzeugs (2) mittels eines Kühlmittels sowie einer Steuereinheit (20) zur Steuerung des Schweiß- und Kühlvorgangs, wobei die Kühleinrichtung (10) ein Durchflussmessmessgerät (13) sowie einen ersten und einen zweiten Temperaturfühler (11, 12) umfasst, mittels des ersten Temperaturfühlers (11) die Temperatur T_Vor des im Vorlauf des Schweißwerkzeugs (2) fließenden Kühlmittels und mittels des zweiten Temperaturfühler (12) die Temperatur T_Rück des im Rücklauf des Schweißwerkzeugs (2) fließenden Kühlmittels erfasst wird und mittels der Messsignale des Durchflussmessgeräts (13) sowie des ersten und zweiten Temperaturfühlers (11, 12) die Kühlleistung P_Kühl, berechnet wird, wobei das Kühlmittel im Rücklauf einen Temperaturverlauf aufweist mit einer Ausgangstemperatur T₀ vor einem Schweißvorgang und durch den Schweißvorgang eine Maximaltemperatur Tmax erreicht wird, wobei für die Rücklauftemperatur T_Rück des Kühlmittels eine die Ausgangstemperatur T₀ sowie die Maximaltemperatur Tmax umfassende Hüllkurve vorgegeben ist, wobei im laufenden Betrieb der Verlauf der Rücklauftemperaturen T_Rück mit der vorgegebenen Hüllkurve verglichen wird und bei Überschreiten der Vorgabewerte von Ausgangstemperatur T₀ und/oder Maximaltemperatur Tmax die Durchflussmenge an Kühlmittel und damit die Kühlleistung P_Kühl, erhöht wird bzw. bei Unterschreiten der Vorgabewerte von Ausgangstemperatur T₀ und/oder Maximaltemperatur Tmax die Durchflussmenge an Kühlmittel und damit die Kühlleistung P_Kühl verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schweißanlage (1) ein Einstellventil (14) umfasst, welches über die Steuereinheit (20) zur Beeinflussung der Durchflussmenge an Kühlmittel angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Durchflussmessgerät (16) im Vorlauf des Schweißwerkzeugs (3) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels eines Druckmessgeräts (16) zur Leckageerkennung der Rücklaufdruck erfasst wird.