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Verfahren zur Vermeidung von Fehlschweißungen bei längsnahtgeschweißten
Rohren Das Verfahren befaßt sich mit einer Serie von gemeinsam wirkenden Methoden,
die zur Steuerung eines großen Teiles aller für die Längsnahtschweißung entscheidender
Faktoren dienen.
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Der Stand der Technik wird heute sowohl beim Widerstandsstumpfschweißen,
wie auch beim Argon-Ärc-Schweißen und EF-S-chweißen von längsnahtgeschweißten Rohren
dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Faktoren einzeln vorgegeben werden, in
der Annahme, daß diese genügend konstant sind, um über längere Zeit hinweg Rohre
mit gleichen Eigenschaften zu produzieren.
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Nur in vereinzelten Fällen werden die, die Güte der Schweißung bestimmenden
Faktoren relativ konstant gehalten. Es wird z.B. beim Argon-Arc-Schweißverfahren
mitunter darauf hingewirkt, daß der Lichtbogenstrom konstant bleibt, dabei wird
davon aufgegangen, daß die vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit des zu verschweißenden
Materials ebenfalls konstant bleibt.
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Bei widerstandsstumpfgeschweißten Rohren sieht man sich der nichtbeeinflutbaren
Verteilung-des Gesamtstromes in reinen Schweißstrom und Rückenstrom gegenübergestellt.
Die Konstanthaltung des Schweißstromes bei wechzelndem Rückenstrom ist völlig unmöglich,
da selbst diese Konstanthaltung die Schweißgüte nicht garantieren kann. Der bei
der Schweißung auftretende Stauchdruck spielt eine sehr bedeutende Rolle für die
Temperaturentfaltung in der Schweißzone, so daß er auch in eine Messung einbezogen
werden müßte.
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Schließlich spielt bei allen Schweißprozessen die entstehende Temperatur
eine entscheidende Rolle, da nur sie letztenendes die Verschweißung bewirkt. Aber
gerade die entstehende Temperatur kann heute von dem, die Maschinen bedienendem
Personal nicht objektiv gesteuert werden, da eine objektive Tempera-turerfassung
auf optischem Wege nahezu unmöglich ist.
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Zwar wird in den Patentanmeldungen P 17 90 205.5, P 18 08 074.5 und
P 18 Og 287.0 jeweils ein Verfahren angegeben, welches einen oder zwei, die Schweißgüte
bestimmende Faktoren zu erfassen und zu regeln erlaubt.
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Es zeigt sich nun aber, daß eine wesentlich grbßere Anzahl von Faktoren
beeinflußt und überwacht werden müßten, Um in jedem Fall perfekte Schweißungen zu
erzwingen.
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Um die Mängel der heutigen Schweißverfahren zu beheben, wird erfindungsgemaß
eine serie von Vorgängen und physikalischen Erscheinungen gemessen, zueinander ins
Verhältnis gesetzt und permanent nachgeregelt. Hierbei
wird sowohl
die der Schweißung zufließende Strommenge mit der Rohrvors chubgeschwindigkeit verglichen,
bzw. ins Verhältnis gesetzt, wie auch die Stromverteilung des Gesamtstromes in Schweißstrom
und Rückenstrom gemessen, wobei die entstehende Stauchdruckwirkung auf das Demperaturgeschehen
berücksichtigt wird, so daß aus dem Verhältnis Schweißstrom/Stauchdruck ein Wert
gewonnen wird, der zur Regelung einer der Größen benutzt wird. -Letzt lich wird
gleichzeitig zu den vorher beschriebenen Messungen eine direkte Temperaturmessung
berührungslos und nicht optisch durchgeführt, -so daß auch dieses Ergebnis zur Beeinflussung
der, die Güte der Schweißnaht kennzeichnenden Größen herangezogen wird. Die Ergebnisse
der 3 von einander unabhängigen Verfahren werden sodann einem gemeinsamen Rechner
oder einer geeigneten Brückenanordnung zugeführt und erfindungsgemäß so miteinander
verknüpft, daß in gewollter, vorgegebener Reihenfolge der Schweißstrom, die Schweißtemperatur
und der Stauchdruck beeinflußt werden, so däß das Ergebnis hieraus entweder ein
geschweißtes Rohr mit konstanten Eigenschaften über der Länge desselben ist, oder
aber daß ein Rohr entsteht, weldh-es bei geringster Entkohlung der Schweißzone stets
gleiche Festigkeigenschaften aufweist.
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Im einzelnen gliedert sich die Erfindung in 3 voneinander unabhängige
Einzelverfahren, die allein angewendet, die Güte der Schweißnaht zwar verbessern,
wobei jedoch bei Einzelanwendung nur Teilerfolge erzielt werden, da noch nicht alle,
die Schweißung beeinflussenden Faktoren in jedem Einzelverfahren berücksichtigt
werden. Erst die logische Verflechtung der 3 Einzelverfahren gewährleistet die absolute
Konstantheit einer einmal als gut befundenen Einstellung der Schweißmaschine.
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Erfindungsgemäß kann die Gravität der Einwirkung der einzelnen Verfahren
auf die Regelgrößen variiert werden, so daß jedes Einzelverfahren mit einer vorgegebe-nen,
in Prozenten ausdrückb?ren Bedeutung, das gesamte Regelergebnis beeinflußt Nachfolgend
seien die 3 Einzelverfahren beschrieben und dargelegte welche einzelnen Kenngrößen
hierdurch erfaßt werden. Darauf wird besqhrieberl, auf welche Weise die erfaßten
Kenngrößen miteinander verknüpft werden, um Regel- und Steuerfanktionen auszuüben.
Letztlich sei anhand eines einfachen Beispieles die Funktionsweise und das Zusammeuwirken-
der gesam-ten Erfindung näher erläutert - 1 2 Zuers-t- werden mit Hilfe an sich
bekannter Mittel de.-r der Schweißzone zur geführte Strom und die Vorschubgeschwindigkeit
des zu verschweißenden Bandes gemessen. Hierbei ist es gleichgültig, ob es sich
um Argon-Arc,
Widerstandsstumpfschweißung oder um Hochfrequenzschweißung
handelt.
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Die elektrischen Werte aus Geschwindigkeit V und zugeführter elektrischer
Energie I werden miteinander ins Verhältnis gesetzt; also der Quotient V/I gebildet.
Diese Größe Q1 ist ein die Güte der Schweißnaht bestimmender Teilfaktor.
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Zum zweiten wird die Verteilung der elektrischen Arbeit in reine Schweißarbeit
und Rückenarbeit gemessen. Hierbei gelangt man zu der reinen Schweißarbeit dadurch,
indem man die volle Rückenarbeit von der gesamten zugeführtenArbeit elektronisch
subtrahiert. Die Messung der elektrischen Gesamtarbeit und der elektrischen Rückenarbeit
erfolgt dabei mit Hilfe magnetfeldempfindlicher Mittel.
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Aus der genannten Subtraktion von AgeS- Arück = Schweiß ergibt sich
die reine Schweißarbeit. Gleichzeitig erfolgt eine Stauchdruckmessung mit Hilfe
bekannter Verfahren, worauf aus-Stauchdruck und elektrischer Schweißarbeit der Quotient
A = Q2 gebildet wird. Zum Dritten erfolgt eine unmittelbare st Temperaturmessung
mit Hilfe eines induktiven Systems, wobei in dem verschweißten Rohr Wirbelströme
erzeugt werden, deren Dichte von der Leitfähigkeit der Schweißzone abhängt und somit
über die Veränderung der Leitfähigkeit infolge des Temperaturzuwachses eine Be stimmung
der Temperatur zulassen. Der durch dieses induktive System ermittelte Nennwert für
die Schweißnahttemperatur wird als weitere Kenngröße herangezogen und mit Q3 bezeichnet.
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Die mit den Buchstaben Q1, Q2 und Q3 bezeichneten Größen beinhalten
somit als jeweils ein einziger Meßwert die Daten folgender Eine zlgrö ßen.
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1. Gesamtstrom 2. Bandgeschwindigkeit 3. Fehl- oder Rückenstrom, bzw.
Rückenarbeit 4. Gesamtarbeit 5. reine Schweißarbeit 6. Stauchdruck 7. Schweßtemperatur
Durch die Zusammenfassung dieser Größen zu den abgeleiteten Quotienten Qi - Q3 vermag
man, nunmehr diese selber zueinander ins Verhältnis zu bringen.
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Erfindungsgemäß wird die am wenigsten Ieichtbeeinflußbare Größe als
sogenannte-"Taktgröße" herangezogen. Das ist in der Regel die Vorschubgeschwindigkeit-oder
Bandgeschwindigkeit Vb
In jedem Fall wird erfindungsgemäß die am
langsamsten reagierende Größe als Taktgröße angenommen. Als Regelgröße wird demgegenüber
die am leichtesten beeinflußbare Größe, einmal der Gesamtstrom oder die Gesamtarbeit
herangezogen. Erfindungsgemäß wird in an sich bekannten Meßbrücken die Bandgeschwindigkeit
mit den weiter oben beschriebenen Größen 1ges' AS/Pst und Temperatur verglichen
und durch Veränderung der Brückenzweigebei einer einmal als gut befundenen Einstellung
der Wert Null in jeder Brückendiagonalen eingestellt. Je nachdem nun, ob der Quotient
V oder V oder V aus Iges 8/Pst T dem einmal eingestellten Nullwert abweicht, wird
in jeder der 3 Erückenanordnungen eine Gleichspannung erzeugt, die zur direkten
Regelung der Stromzufuhr herangezogen wird. Dabei handelt es sich bei den angegebenen
Gleichspannungen um Größen, die Ihre Polarität vertauschen können (also auch nach
+ und - wandern können), so daß der Schweißstrom nach oben oder unten geregelt werden
kann. Durch Serienschaltung der von den 3 Quotienten abgegebenen Spannungen gelangt
man zu einer gesamten, von allen 3 Quotienten beeinflußten Gleichspannung, welche
ihrerseits nach + und - gehen kann, wobei sich ihre Höhe aus der Bedeutung der Einzelepannungen
zusammensetzt und somit den Einfluß der Einzelgröße steuerbar einzustellen gestattet.
Erfindungsgemäß wird der schnellen Regelung des Stromes, unter Bezugnahme auf Bandgeschwindigkeit
und Stauchdruck, der Vorzug gegeben.
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Ohne die vielfältigen Ausführungsmöglichkeiten einer solchen integralen
Regelungssteuereinrichtung zur Erzeugung guter Schweißnähte zu begrenzen, sei anhand
eines einfachen Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert.
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In der beigefügten Figur 1 ist mit 1 der Quotienteiibildner für Qt
mit 2 der Quotientenbildner für Q2 und mit 3 der Quotientenbildner für Q3 bezeichnet.
Dabei wird der Quotientenbildner 1 durch elektrische Größen aus 4 und 5 gespeist,
wobei 4 ein mechanischer Geber für einen Repräsentativwert der Geschwindigkeit und
5 ein Analoggeber für die Höhe des Gesamtstromes darstellt. Der Quotientenbildner
2 erhält aus 5 die Messung des Gesamtstroines zugeführt, aus 6 die Messung der Elektrodenspannung
bei Widerstandsstumpfschweißmaschinen, aus 7 einen Meßwert des Stauchdruckes aus
einem Dehnungsmeßstreifen und aus 8 einen Meßwert, der dem Rückenstrom bei Widerstandsstumpfschweißmaschinen
entspricht, wobei die Spannung für 8 aus einem Hallgenerator entnommen wird, welcher
sich
unmittelbar auf der Rohrrückseite des geschweißten Rohres befindet,
so daß der Hallgenerator für 8 stets ein Magnetfeld mißt, das durch den wahren Rückenstrom
hervorgerufen wurde. Der Quotientenbildner Q2 besteht im Prinziep aus einer Brückenanordnung,
welcher zum Vergleich die Spannungaus 7 und der subtrahierte Wert der Spannung aus
5 und 8 zugeführt wird. Gleichermaßen kann Q2 aber unter Hinzuziehung der Spannung
aus 6, nämlich der Elektrodenspannung, aus dem Vergleich der reinen Schweißarbeit
mit dem Stauchdruck erfolgen, wobei in 2 ein Multiplikator 9 untergebracht ist,
in welchem die Spannung aus 6 mit den Strömen aus 8 und 5 multipliziert wird, so
daß in 10 eine Subtraktion der Arbeiten - - A Arück erfolgen kanne so daß die aus
10 resultierende Spannung. die Schweißarbeit As darstellt, welche,verglichen mit
der Spannung aus 7 Q2 ergibt.
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Q3, in 3 dargestellt, wird gebildet aus dem Spannungswert, abgegeben
von 4 und aus einem Spannungswert, abgegeben von 11, wobei 11 eine Temperaturmeßeinrichtung
darstellt, welche in Bild 2 näher beschrieben ist. Die Meßwerte aus 1, 2 und 3 werden
der Additionseinrichtung 12, 13 und 14 zugeführt, die in Serie geschaltet den gesamten,
für die Regelung notwendigen Wert bereitstellen. Dabei ist mit 15,. 16 und t7 jeweils
ein Regler angedeutet, welcher die Bedeutung der Einzeispannung auf die gesamte
abgegebene Spannung zu regeln gestattet. Mit 18 ist ein Endverstärker dargestellt,
der den Stellmotor 19 nach beiden Richtungen anz-utreiben vermag, wobei das Potentiometer
20 direkt in den Hauptregelkreis der Stromversorgung eingreift.
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In Figur 2 wird anhand eines einfachen Beispieles der Temperaturmesser
beschrieben, welcher zur Bildung des Quotient,en Q3 herangezogen wird. Dabei bedeuten
in Figur 2, 1 das Rohr, welches im Punkt 2 verschweißt wird Die Wicklung 3 ungibt
das gerade geachweißte Rohr in einer Zone, die noch heiß ist. Die Spule 3 wird aus
dem Sender 4 beschickt, so daß in der Spule 3 ein kräftiges Magnetfeld entsteht.
In der Spale 5, als Empfängerspule ausgebild-et und mit der Spule 3 in einem Körper
untergebracht, wird eine Spannu'ng induziert, deren Höhe von der Dichte der Wirbe-Iströme
abhängt, welche die Spule 3 hervoruft. Die Wirbelstrondichte ihrerseit hängt von
der temperatur der S-chwe'ißnaht' ab, da diese den einzig nennenswerten Widerstand
den Wirbelströmen entgegensetzt im Verstärker 6 werden. die aus - 5. gewonnenen
Spannungen verstärkt und gleichgerichtet und in 7 einem Anzeigeinstrument zugeführt.
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Die aus 7 gewonnene Spannung wird mit dem Spannungswert des Geschwindigkeitsgebers
4 aus Figur 1 verglichen, so daß auf diese Weise Q3 gebildet wird.