DE19724986C2

DE19724986C2 - Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken und Vorrichtung zu dessen Durchführung

Info

Publication number: DE19724986C2
Application number: DE19724986A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Ing Dietz; Markus Koegel-Hollacher
Original assignee: Jurca Optoelektronik GmbH
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2017-06-14
Also published as: FR2764536A1; DE19724986A1; FR2764536B1; US6084223A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken, zwischen denen zumindest abschnittsweise ein Spalt vorhanden ist, bei welchem

a) zur Überwachung und Steuerung des Schweißvorganges mindestens ein Signal erzeugt wird, welches einer von den Werkstücken beim Schweißvorgang ausgehenden Strahl ung entspricht;
b) in einem Vorversuch derjenige Grenzwert MAX(B₀), MIN(B₀) des Strahlungssignals ermittelt wird, welcher bei Spaltbreite Null zur Einhaltung einer Schweißung vorgegebener Mindestqualität nicht über- oder unter schritten werden darf;
c) das Signal zur Qualitätsprüfung des Schweißvorgangs mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert MAX(B), MIN(B) verglichen wird und bei einem Über- bzw. Unterschreiten dieses Grenzwerts ein Fehlersignal erzeugt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 52 72 312 bekannt. Bei diesem Verfahren wird Strahlung, die von den Werkstücken durch einen Bearbeitungslaserstrahl erzeugt wird, zur Überwachung und Regelung des Bearbeitungsvor ganges eingesetzt. Bei dieser Strahlung handelt es sich üblicherweise einerseits um UV-Licht, welches von der durch den Bearbeitungslaserstrahl in den Werkstücken erzeugten Dampfkapillare ausgeht. Andererseits handelt es sich um IR-Strahlung, welche von dem aufgeschmolzenen Bereich, welcher der Dampfkapillare in Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes gesehen nacheilt, aber auch von dem hinter dem Schweißpunkt liegenden, bereits konsoli dierten Bereich abgestrahlt wird. Mit Hilfe der IR-Strahl ung lassen sich insbesondere Löcher oder offene Poren ermitteln und dokumentieren, welche durch das Heraus spritzen von Material aus der Schweißnaht entstehen.

Die für einen Fehler typischen Signale können erst erfaßt werden, wenn der Fehler schon entstanden ist. Daher sind diese Signale für eine Ausregelung der Schweißfehlerursache nicht verwendbar. Allerdings ist mit Hilfe dieser Signale eine Dokumentation der Qualität des Schweißvorganges möglich: Bis zu einem gewissen Maß können nämlich Löcher oder offene Poren und somit auch die durch diese bewirkten Signale toleriert werden. Aus diesem Grund werden z. B. in Vorversuchen Grenzwerte für die der IR- oder/und UV- Strahlung entsprechenden Signale festgelegt, welche eine be stimmte Schweißqualität sicherstellen, wenn die Signale innerhalb dieser Grenzwerte liegen. Werden die Grenzwerte während des Schweißvorgangs über- bzw. unterschritten, wird ein Fehlersignal erzeugt. Die Echtzeit-Auswertung der Fehlersignale während des Schweißvorgangs mündet schließlich in eine Berechnung der Wahrscheinlichkeit, daß ein bedeutender Schweißfehler entstanden ist.

Insbesondere beim Verschweißen von Blechen oder von Rohren, bei dem zwischen den Werkstücken ein Spalt vorhanden ist, ist die Überwachbarkeit und Qualitätskontrolle des Schweiß prozesses bei der aus der US-PS 52 72 312 bekannten Vorrichtung jedoch schwierig. An sich sollte der Spalt zwischen den Werkstücken eine möglichst geringe Breite aufweisen, um den Schweißprozeß möglichst effektiv zu gestalten. In der Praxis variiert die Spaltbreite aller dings und liegt üblicherweise zwischen 0 und 100 µm. Bei einem typischen Durchmesser des Schweißpunkts von ca. 250 µm (über Spiegel fokussierter Laserstrahl eines CO₂- Lasers) führt eine Spaltbreite von 100 µm zu einem be trächtlichen, bis zu 50%igen Verlust an Laserleistung, welche in die Werkstücke eingekoppelt werden kann.

Dadurch, daß die Spaltbreite die für das Metallschmelzen in die Werkstücke einkoppelbare Leistung moduliert, werden auch die von der Schweißüberwachung erfaßten, der von den Werkstücken ausgehenden Strahlung entsprechenden Signale von der Spaltbreite moduliert. Nun bedeutet aber das Zurückgehen der in die Werkstücke einkoppelbaren Leistung und das damit zusammenhängende Schwächerwerden der ent sprechenden Strahlungssignale nicht zwangsläufig das Vorhandensein eines Schweißfehlers. Damit beim Verschweißen von Werkstücken, zwischen denen ein Spalt vorhanden ist, durch die zur Qualitätsprüfung verwendete Schweißüber wachung nicht laufend Schweißfehler angezeigt werden, muß das durch die Grenzwerte für die erfaßten Signale begrenzte Fenster breiter eingestellt werden, als dies bei einer spaltfreien Schweißung notwendig wäre. Der Nachteil dabei ist jedoch, daß es in manchen Fällen nicht mehr möglich ist, tatsächlich auftretende Fehler einer derartigen stumpfen Verschweißung, z. B. aufgrund von Löchern oder offenen Poren, zuverlässig zu detektieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver fahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auch beim Verschweißen von Werkstücken, zwischen denen ein Spalt vorhanden ist, tatsächlich auftretende kleine Fehler zuverlässig erfaßt werden können.

Die oben geschilderte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß
in einem Vorversuch

a) eine Korrekturbeziehung erstellt wird, welche die Abhängigkeit des Strahlungssignals von der Spalt breite im Schweißpunkt bei einer vorgegebenen Mindest qualität der Schweißung darstellt, wozu für unter schiedliche Spaltbreiten die in einem experimentellen Aufbau realisiert werden, jeweils das Strahlungssignal gemessen wird;

und bei dem eigentlichen Schweißvorgang

1. die Breite des Spaltes im Schweißpunkt bestimmt wird; und
2. die aktuellen Grenzwerte auf der Basis der Korrektur beziehung gegenüber den in Vorversuchen ermittelten Grenzwerten MAX(B₀), MIN(B₀) um einen der aktuellen Spaltbreite im Schweißpunkt entsprechenden Betrag verschoben werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit für das zulässige Signalfenster statt starrer Grenzen von der Breite des Spaltes im Schweißpunkt abhängige Grenzwerte verwendet. Die Abhängigkeit der Strahlungssignale von der Spaltbreite bei einer bestimmten Qualität der Schweißung kann z. B. in einem Vorversuch ermittelt werden. Auf diese Weise wird berücksichtigt, daß eine sich verändernde Stärke der Überwachungssignale nicht notwendig einen Schweißfehler bedeuten muß, sondern auf eine tolerierbare Veränderung der Spaltbreite zurückgehen kann. Statt dessen wird die einer bestimmten Qualität der Schweißung ent sprechende minimal und maximal zulässige Strahlungssignal größe kontinuierlich so angepaßt, daß einerseits unnötige Fehlermeldungen vermieden, andererseits der Toleranzbereich jedoch so ausreichend eng ist, daß tatsächlich auftretende Schweißfehler, auch wenn sie klein sind, durch das Über wachungsverfahren erfaßt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, eine Vorrichtung zur Durchführung des o. g. Verfahrens zu schaf fen, mit

a) einer Vorrichtung, die einen Schweißpunkt erzeugt;
b) mindestens einem Sensor, dem zur Überwachung und Steuerung des Schweißvorganges von den Werkstücken ausgehende Strahlung zugeführt wird und welcher ein dieser Strahlung entsprechendes Signal an eine Auswerte- und Überwachungseinheit weiterleitet; wobei
c) die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Speicher umfaßt, in dem mindestens ein in einem Vorversuch ermittelter Grenzwert MAX(B₀), MIN(B₀) abspeicherbar ist, welcher bei Spaltbreite Null bei einer Schweißung vorgegebener Mindestqualität nicht über- oder unter schritten werden darf;
d) die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Komparator umfaßt, welcher die aktuellen Strahlungssignale mit dem abgespeicherten Grenzwert vergleicht und bei einem Über- oder Unterschreiten der Grenzwerte ein Fehlersignal erzeugt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

a) die Vorrichtung mindestens einen Sensor umfaßt, mit dessen Hilfe die Spaltbreite im Schweißpunkt bestimmbar ist;
b) die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Speicher umfaßt, in dem eine Korrekturbeziehung speicherbar ist, welche die Abhängigkeit des Signals von der Spaltbreite im Schweißpunkt bei einer vorgegebenen Mindestqualität der Schweißung wiedergibt;
c) die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Rechenkreis umfaßt, welcher die Grenzwerte während des Schweiß vorganges um einen Betrag verschiebt, welcher der momentanen Spaltbreite im Schweißpunkt entsprechend der abgespeicherten Korrekturbeziehung entspricht.

Die Vorteile dieser Vorrichtung sind zunächst einmal die selben wie die des o. a. erfindungsgemäßen Verfahrens. Zudem sind nur wenige zusätzliche Komponenten notwendig (Sensor, Rechenkreis), um die erfindungsgemäße Vorrich tung zu bilden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter ansprüchen wiedergegeben.

Gemäß Anspruch 3 umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung des Schweißpunktes einen Laser. Diese Weiterbildung empfiehlt sich besonders beim Verschweißen von Platten und Blechen.

Nach Anspruch 4 umfaßt die Vorrichtung zum Erzeugen des Schweißpunktes eine Hochfrequenz-Induktionsschweiß vorrichtung, welche sich besonders zum Verschweißen von Rohren eignet.

Gemäß Anspruch 5 ist der die Spaltbreite erfassende Sensor so eingerichtet, daß er dem Schweißpunkt in konstantem Abstand vorauseilt. Weiterhin ist ein die beim Schweiß vorgang auftretende relative Verschiebung zwischen dem ersten Sensor und den Werkstücken erfassender zweiter Sensor vorgesehen. Außerdem umfaßt die Auswerte- und Überwachungseinheit gemäß Anspruch 5 einen Speicher, in welchem die Breite des Spaltes beim Passieren des ersten Sensors abspeicherbar ist, und einen Komparator, welcher die abgespeicherte Breite abruft, wenn der Schweißpunkt die Stelle mit der abgespeicherten Breite passiert. Durch diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den Sensor zur Bestimmung der Spaltbreite im Schweißpunkt von der den Schweißpunkt erzeugenden Vorrichtung räumlich zu trennen. Hierdurch wird der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht und die Zugänglichkeit und die Wartungsmöglichkeiten werden verbessert.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 6 ist der erste Sensor eine elektronische Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera. Diese Vorrichtung ist handelsüblich erhältlich. In Form z. B. einer Schnittbildtriangulationskamera ist mit ihr eine besonders genaue Erfassung der Spaltbreite möglich.

Bei dem zweiten Sensor, welcher die relative Verschiebung zwischen erstem Sensor und den Werkstücken erfaßt, kann es sich gemäß Anspruch 7 um einen Inkrementalgeber handeln, welcher oftmals bereits vorhanden oder preisgünstig zu beschaffen ist und über die für eine Schweißanlage erfor derliche Robustheit verfügt.

Die Vorrichtung nach Anspruch 8 zeichnet sich dadurch aus, daß die Auswerte- und Überwachungseinheit so einge richtet ist, daß bei mindestens einem Vorversuch der einer vorgegebenen Qualität entsprechende Grenzwert für das Strahlungssignal durch die Auswerte- und Überwachungs einheit selbstlernend bestimmbar und in einem Speicher abspeicherbar ist. Durch diese Weiterbildung werden anlagenspezifische Charakteristika, die Charakteristika der Werkstücke und deren Geometrien auf besonders zuver lässige Weise erfaßt und berücksichtigt. Ein derartiger Vorversuch kann zudem halbautomatisch durchgeführt werden, indem z. B. während des Vorversuchs laufend Schweißfugen bilder aufgenommen und gemittelt werden und die der hierdurch festgestellten Schweißqualität entsprechenden Maxima und Minima der Strahlungssignale festgehalten werden. Durch diese Vorgehensweise wird zudem ein evtl. Versatz zwischen dem Nullpunkt des Koordinatensystems der Kamera und der Lage des Schweißpunktes innerhalb des Koordinatensystems des Fokussierkopfes berücksichtigt.

In ähnlicher Weise ist gemäß Anspruch 9 die Auswerte- und Überwachungseinheit so eingerichtet, daß die Abhängigkeit der Signale von der Spaltbreite im Schweißpunkt bei einem Vorversuch bei einer vorgegebenen Mindestqualität der Schweißung durch die Auswerte- und Überwachungseinheit selbstlernend bestimmbar und eine entsprechende Korrektur beziehung in einem Speicher abspeicherbar ist.

Umfaßt die Vorrichtung nach Anspruch 10 einen Sensor, wel cher die im wesentlichen aus der Dampfkapillare im Schweiß punkt stammende UV-Strahlung erfaßt und die entsprechenden Signale an die Auswerte- und Überwachungseinheit weiter leitet, können unter bestimmten Umständen, die hier nicht weiter erläutert werden, insbesondere Informationen über die Schweißtiefe gewonnen werden.

Wenn die Vorrichtung gemäß Anspruch 11 einen Sensor umfaßt, welcher die im wesentlichen aus der Schmelze im Bereich des Schweißpunktes und aus dem dahinterliegenden, bereits konsolidierten Bereich stammende IR-Strahlung erfaßt und die entsprechenden Signale an die Auswerte- und Überwach ungseinheit weiterleitet, werden insbesondere offene Poren, Löcher und Spritzer detektiert.

Überschreitet die Spaltbreite einen bestimmten Wert, kann oftmals von vornherein von einem Fehler bzw. einer fehler haften Verschweißung ausgegangen werden. Für diesen Fall umfaßt die Auswerte- und Überwachungseinheit gemäß Anspruch 12 einen Komparator, der die erfaßte Spaltbreite mit einer gespeicherten, maximal zulässigen Spaltbreite vergleicht und bei einem Überschreiten ein Fehlersignal abgibt.

Besonders vorteilhaft insbesondere bei breiten Spalten ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13, bei welcher die Auswerte- und Überwachungseinheit mit einer Vorrichtung verbunden ist, welche dem Spalt im Schweißpunkt Zusatzmaterial zuführen kann. Durch diese Zusatzmaterial- Zuführvorrichtung kann ggf. eine Materialsenke im Spalt verhindert und die Qualität der Schweißung entscheidend verbessert werden.

Dabei kann die Menge des dem Spalt zugeführten Zusatz materials gemäß Anspruch 14 den durch die Spaltbreite vorgegebenen Erfordernissen angepaßt werden. Bei dieser Weiterbildung ist nämlich in einem Speicher der Auswerte- und Überwachungseinheit eine Referenzbeziehung abspeicher bar, welche die Abhängigkeit der notwendigen Menge an Zusatzmaterial von der Spaltbreite im Schweißpunkt bei einer vorgegebenen Mindestqualität der Schweißung wieder gibt, und bei der die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Rechenkreis umfaßt, der aus dem der Spaltbreite entsprechenden Signal auf der Basis der Referenzbeziehung die notwendige Menge an Zusatzmaterial berechnen und ein entsprechendes Steuersignal an die Zusatzmaterial-Zuführ vorrichtung abgeben kann.

Schließlich ist nach Anspruch 15 vorgesehen, daß die Vorrichtung, welche den Schweißpunkt erzeugt, gemein sam mit den die Strahlung erfassenden Sensoren quer zur Spalt-Längskoordinate verschwenkbar und so dem Spalt nachführbar ist. Diese Weiterbildung ist dann bevorzugt, wenn der Spalt zwischen den Werkstücken Knicke aufweist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er läutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Verschweißen von zwei Werkstücken, zwischen denen ein Spalt vorhanden ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungselek tronik der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 drei Diagramme a, b und c, wobei in Fig. 3a die obere und die untere Signalgrenze MAX(B₀) bzw. MIN(B₀) über der Spalt-Längskoordinate X bei einer theoretischen Spaltbreite Null, in Fig. 3b die tatsächliche Spaltbreite B in Abhängigkeit von der Spalt-Längskoordinate X und in Fig. 3c die von der Spaltbreite B abhängige Signalkorrektur S(B) aufgetragen ist;

Fig. 4 ein Diagramm, welches die entsprechend der Spaltbreite korrigierten oberen und unteren Grenzwerte MAX(B) und MIN(B) des Strahlungs signals über der Spalt-Längskoordinate X angibt;

Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches die Signalverarbei tungselektronik eines Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung mit Über wachung der zulässigen Spaltbreite darstellt;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit Zusatzmaterial-Zuführvorrichtung; und

Fig. 7 ein Blockschaltbild, welches die wesentlichen Komponenten der Signalverarbeitungselektronik für die Zusatzmaterial-Zuführvorrichtung von Fig. 6 darstellt.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von zwei plattenförmigen Werkstücken insgesamt mit dem Bezugs zeichen 10 versehen. Sie umfaßt einen Laser 12, welcher über eine Optik (nicht dargestellt) einen Schweißlaser strahl 16 erzeugt. Im Bereich des Lasers 12 ist ein Sensor 18 angeordnet, welcher über eine Optik (nicht sichtbar) die von einem Schweißpunkt 20 bzw. einem diesem nacheilenden Bereich der Schweißnaht ausgehende Strahlung 22 empfängt. Der Sensor 18 kann ein IR- oder/und ein UV-Sensor sein. Der Schweißpunkt 20 wird im Bereich eines Spaltes 24 zwischen den stumpf aufeinanderstoßenden Kanten 26 der plattenförmigen Werkstücke 27 von dem Schweißlaserstrahl 16 erzeugt. Die Werkstückkanten 26 sind hinter dem Schweiß punkt 20 durch eine Schweißnaht 25 verbunden.

Die Vorrichtung, welche den Schweißpunkt erzeugt, kann anstelle des Lasers 12 auch jede andere Anlage sein, die geeignet ist, einen entsprechenden Schweißpunkt zu erzeugen. Eine derartige Anlage ist z. B. eine Hochfrequenz-Induk tionsschweißvorrichtung.

Der Laser 12 ist über einen Halter 30 an einem Gerüst 28 befestigt. An dem Halter 30 ist ein Winkelstück (ohne Bezugszeichen) angebracht, das den Sensor 18 trägt.

Am Gerüst 28 ist ferner eine CCD-Kamera 32 mit einer Optik 34 anmontiert. Die CCD-Kamera 32 ist mit der Optik 34 auf eine Stelle des Spaltes 24 ausgerichtet, welche sich in einem konstanten Abstand X₀ vom Schweißpunkt 20 befindet.

Das Gerüst mit dem Laser 12, dem Sensor 18 und der CCD- Kamera 32 wird von einer nicht dargestellten Mechanik relativ zum Spalt 24 in Richtung des Pfeils 36 bewegt. Somit wird eine Stelle des Spaltes 24 zuerst von der CCD- Kamera 32 erfaßt und dann, wenn das Gerüst 28 sich um die Entfernung X₀ voranbewegt hat, von dem Laser 12 bearbeitet. Der Verschiebungsweg des Gerüsts 28 in Richtung der Spalt-Längskoordinate X wird von einem als Weggeber ausge bildeten Inkrementalgeber 38 erfaßt, der in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist.

Der Halter 30 mit dem Laser 12 und dem Sensor 18 kann von einer nicht dargestellten Mechanik quer zum Spalt 24 verschwenkt werden, so daß auch ein z. B. durch einen Knick seitlich versetzter Spalt bearbeitet werden kann.

Der Sensor 18, die CCD-Kamera 32 und der Inkrementalgeber 38 sind mit einer Auswerte- und Überwachungseinheit 40 verbunden, durch welche der Schweißvorgang überwacht wird. Auf die Signalverarbeitung in der Auswerte- und Überwach ungseinheit 40 wird nun im Zusammenhang mit den Fig. 2 bis 4 im Detail eingegangen.

Vom Schweißpunkt 20 und seiner Umgebung, insbesondere dem in Schweißrichtung gesehen nacheilenden Bereich ausgehende Strahlung 22 einer bestimmten Wellenlänge mit der Intensi tät S wird von dem Sensor 18 erfaßt und von einem Ver stärker 44 verstärkt. Bei dieser Strahlung kann es sich sowohl um Infrarot- als auch Ultraviolettstrahlung handeln, deren Bedeutung in der oben erwähnten US-PS 52 72 312 erläutert ist. Der Verstärker 44 leitet das Signal an ein Filter 46 weiter, welches ggf. störendes Umgebungslicht ausfiltert. Von dort gelangt das Signal zu einem Komparator 48, der das Signal S mit einem oberen Grenzwert MAX(B) und einem unteren Grenzwert MIN(B) vergleicht und bei einem Überschreiten dieser Grenzwerte an der Schnitt stelle 50 ein Fehlersignal F erzeugt. In anderen Fällen können auch mehrere obere Grenzen MAX_n(B) und mehrere untere Grenzen MIN_n(B) vorgesehen sein, die unterschied liche Fehlersignale F_n bewirken.

Die Grenzen MIN(B) und MAX(B) sind variabel und hängen von der Breite B im Schweißpunkt 20 ab. Die variablen Grenzen MIN(B) und MAX(B) werden folgendermaßen bestimmt:

Von der dem Schweißpunkt 20 um die Entfernung X₀ voraus gehenden CCD-Kamera 32 wird eine lokale Spaltbreite B erfaßt und in einer an sich bekannten Bildauswertschaltung 52 verarbeitet. Die Verschiebung ΔX des Gerüsts 28 in Richtung des Pfeils 36 wird betragsmäßig von dem Inkremen talgeber 38 erfaßt. Das der lokalen Spaltbreite B ent sprechende Signal wird gemeinsam mit der Variablen X₀- ΔX in einem Speicher 54 abgelegt.

Erreicht die Variable den Wert 0, was dann der Fall ist, wenn der Laser 12 bzw. der Schweißpunkt 20 sich an der Stelle des Spaltes 24 mit der abgespeicherten Breite B befinden, wird dies von einem Komparator 60 festgestellt und dieser der aktuellen Spaltbreite B im Schweißpunkt 20 entsprechende Wert an einen Rechenkreis 62 weitergegeben.

Alternativ kann der Wert B auch nach einer Zeit ausgelesen werden, in der das Gerüst 28 die Entfernung X₀ zwischen CCD-Kamera und Schweißpunkt zurücklegt.

Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist statt der CCD-Kamera und des Inkrementalgebers im wesent lichen direkt unterhalb des Schweißpunktes ein einfacher Lichtsensor angeordnet, welcher die Spaltbreite im Schweiß punkt über die von ihm empfangene, durch den Spalt nach unten hindurchtretende sichtbare Lichtmenge erfaßt.

Der Rechenkreis 62 verarbeitet die aktuelle Spaltbreite folgendermaßen:

In einem Speicher 64 sind die einer Spaltbreite Null und einer guten Schweißqualität entsprechenden oberen und unteren Grenzen MAX(B₀) und MIN(B₀) (vgl. Fig. 3a) des Strahlungssignals S abgespeichert. Diese Grenzen sind in einem Vorversuch ermittelt worden. In dem Speicher 64 ist außerdem eine Korrekturbeziehung ΔS(B) (vgl. Fig. 3c) abgespeichert, welche den Anteil des Strahlungssignals S, der auf das Vorhandensein eines Spaltes 24 mit der Breite B im Schweißpunkt 20 zurückgeht, bei einer guten Qualität der Schweißung wiedergibt. Der Rechenkreis 62 entnimmt dem Speicher 64 den zur gemessenen Spaltbreite B gehörenden Korrekturwert ΔS(B) und errechnet daraus durch Addieren zu den Grenzen MAX(B₀) und MIN(B₀) die korrigierten, den im Schweißpunkt 20 vorhandenen Spaltbreiten entsprech enden Grenzen MIN(B) und MAX(B) (vgl. Fig. 4) für das Signal S nach folgenden Formeln:

MIN(B) = MIN(B₀) + ΔS(B);

MAX(B) = MAX (B₀) + ΔS(B).

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß sich die Intensität S des Strahlungssignals 22 durch das Vorhandensein des Spaltes 24 verringert, was zu dem in Fig. 3c dargestellten negativen Korrekturwert ΔS(B) führt. Die Intensität der Strahlung kann sich allerdings abhängig vom Werkstückmaterial und der Spaltgeometrie auch erhöhen, wenn die Breite des Spaltes größer wird.

Die einer Schweißung ohne Spalt entsprechenden Grenzwerte MIN(B₀) und MAX(B₀) können entweder von Hand in den Speicher 64 eingegeben oder bei einem Vorversuch automa tisch unter überwachter Einhaltung einer guten Schweiß qualität bestimmt und abgespeichert werden. Diese zweite Möglichkeit hat den Vorteil, daß bei der Erstellung der Grenzwerte auch anlagenspezifische und materialspezifische Faktoren berücksichtigt werden können. Gleiches gilt für die Korrekturbeziehung ΔS(B), welche entweder von Hand in den Speicher (64) eingegeben werden kann oder bei einem Vorversuch automatisch ermittelt werden kann.

Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, werden durch die oben beschrieben Vorgehensweise die einem Spalt der Breite Null entsprechenden starren Grenzen MAX(B₀) und MIN(B₀) durch der lokalen Spaltbreite B entsprechende variable Grenzen MAX(B) und MIN(B) ersetzt, so daß durch die Spaltbreite keine unnötigen Fehlermeldungen verursacht werden. Das durch die variablen Grenzen MAX(B) und MIN(B) begrenzte Toleranzband ist dabei dennoch so ausreichend eng, daß tatsächlich auftretende Schweißfehler zuverlässig erfaßt werden.

In Fig. 5 ist ein Teil der Signalverarbeitung bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ver schweißen von Werkstücken dargestellt. Elemente, welche dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen zzgl. 100 versehen und hier nicht nochmals im Detail beschrieben.

Der in Fig. 5 dargestellte Teil der Signalverarbeitungs elektronik macht es möglich, die erfaßte Spaltbreite mit einer gespeicherten, maximal zulässigen Spaltbreite zu vergleichen. Die Spaltbreite B wird von der CCD-Kamera 132 erfaßt und in einer Bildauswerteschaltung 152 verarbeitet. Das dort ermittelte, für die Spaltbreite B stehende Signal wird einerseits an den Speicher 154 weiter geleitet, an den sich die Verarbeitungsschritte gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel anschließen. Von der Elektronikeinheit 152 wird das Breitensignal S andererseits zu einem Kompa rator 166 geleitet, der die erfaßte Breite B mit einem vorgegebenen Grenzwert 168 für eine maximale Spaltbreite vergleicht. Bei einem Überschreiten des Grenzwertes 168 wird über eine Schnittstelle 170 ein Fehlersignal F abgegeben. Auf diese Weise kann frühzeitig ein Spalt erkannt werden, welcher durch den Laserstrahl nicht mehr verschweißt werden kann.

In den Fig. 6 und 7 ist ein Teil eines dritten Aus führungsbeispieles einer Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken dargestellt. Teile, die dem ersten Aus führungsbeispiel entsprechen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen zzgl. 200 versehen. Auf sie wird im Zusam menhang mit den Fig. 7 und 8 nicht nochmals im Detail eingegangen. Im Unterschied zu den vorhergehenden Aus führungsbeispielen weist diese Vorrichtung eine Vorrichtung 272 auf, welche dem Spalt im Schweißpunkt 220 über eine Düse 276 Zusatzmaterial in Pulver- oder Drahtform zuführen kann. Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Teil der Vorrichtung 210 betrifft insbesondere diese Zusatzmaterial- Zuführvorrichtung 272.

Die Zusatzmaterial-Zuführvorrichtung 272 ist an einem Gerüst 228 befestigt, an dem auch ein Laser 212 und ein Sensor 218 angebracht sind. An der Zusatzmaterial-Zuführ vorrichtung 272 ist über einen Halter 230 eine CCD-Kamera 232 befestigt. Die Zusatzmaterial-Zuführvorrichtung 272, die CCD-Kamera 232 und der Inkrementalgeber 238 sind mit einer Auswerte- und Überwachungseinheit 240 verbunden.

Auf die Signalverarbeitung in der Auswerte- und Überwach ungseinheit 240 wird nun im Zusammenhang mit Fig. 7 im Detail eingegangen:

Die Bestimmung der Breite B des Spaltes im Schweißpunkt 220 erfolgt analog zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2. Zusätzlich umfaßt die Auswerte- und Überwachungseinheit 240 einen Speicher 278, in dem eine Referenzkurve M(B) abspeicherbar ist. Die Referenzkurve M(B) gibt die Ab hängigkeit der notwendigen Menge an Zusatzmaterial von der Spaltbreite B im Schweißpunkt 220 bei einer vorgege benen Mindestqualität der Schweißung an. Ein Rechenkreis 280 erhält von dem Komparator 260 den Wert der aktuellen Breite B im Schweißpunkt 220, berechnet auf der Basis der im Speicher 278 gespeicherten Kurve M(B) die notwendige Menge M(B) an Zusatzmaterial und gibt ein entsprechendes Steuersignal an die Zusatzmaterial-Zuführvorrichtung 272 ab.

Auf diese Weise können auch große Spalte zwischen den Werkstücken 227 mit Material aufgefüllt und dann ver schweißt werden.

Es sei zum Schluß darauf hingewiesen, daß die in den Blockschaltbildern dargestellten Komponenten nur als logische Bausteine zu verstehen sind und bei einer modernen Schweißanlage in einer programmierbaren CPU zusammengefaßt und verwirklicht sind.

Claims

1. Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken, zwischen denen zumindest abschnittsweise ein Spalt vorhanden ist, bei welchem

a) zur Überwachung und Steuerung des Schweißvorganges mindestens ein Signal erzeugt wird, welches einer von den Werkstücken beim Schweißvorgang ausgehenden Strahlung entspricht;
b) in einem Vorversuch derjenige Grenzwert MAX(B₀), MIN(B₀) des Strahlungssignals ermittelt wird, welcher bei Spaltbreite Null zur Einhaltung einer Schweißung vorgegebener Mindestqualität nicht über- oder unter schritten werden darf;
c) das Signal zur Qualitätsprüfung des Schweißvorgangs mit mindestens einem vorgegebenen Grenzwert MAX(B), MIN(B) verglichen wird und bei einem Über- bzw. Unterschreiten dieses Grenzwerts ein Fehlersignal erzeugt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vorversuch

a) eine Korrekturbeziehung (ΔS(B)) erstellt wird, welche die Abhängigkeit des Strahlungssignals von der Spalt breite (B) im Schweißpunkt (20) bei einer vorgegebenen Mindestqualität der Schweißung darstellt, wozu für un terschiedliche Spaltbreitem die in einem experimen tellen Aufbau realisiert werden, jeweils das Strah lungssignal gemessen wird;

und bei dem eigentlichen Schweißvorgang

a) die Breite (B) des Spaltes (24) im Schweißpunkt (20; 220) bestimmt wird; und
b) die aktuellen Grenzwerte (MIN(B), MAX(B)) auf der Basis der Korrekturbeziehung (ΔS(B)) gegenüber den in Vorversuchen ermittelten Grenzwerten (MAX(B₀), MIN(B₀)) um einen der aktuellen Spaltbreite (B) im Schweißpunkt (20; 220) entsprechenden Betrag (S(B)) verschoben werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

a) einer Vorrichtung, die einen Schweißpunkt erzeugt;
b) mindestens einem Sensor, dem zur Überwachung und Steuerung des Schweißvorganges eine von den Werkstücken ausgehende Strahlung zugeführt wird und welcher ein dieser Strahlung entsprechendes Signal an eine Auswerte- und Überwachungseinheit weiterleitet; wobei
c) die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Speicher umfaßt, in dem mindestens ein in einem Vorversuch ermittelter Grenzwert MAX(B₀), MIN(B₀) abspeicherbar ist, welcher bei Spaltbreite Null bei einer Schweißung vorgegebener Mindestqualität nicht über- oder unter schritten werden darf;
d) die Auswerte- und Überwachungseinheit einen Komparator umfaßt, welcher die aktuellen Strahlungssignale mit dem abgespeicherten Grenzwert vergleicht und bei einem Über- oder Unterschreiten dieses Grenzwerts ein Fehlersignal erzeugt;

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Vorrichtung (10; 210) mindestens einen Sensor (32, 38; 132; 232, 238) umfaßt, mit dessen Hilfe die Spaltbreite (B) im Schweißpunkt (20; 220) bestimmbar ist;
b) die Auswerte- und Überwachungseinheit (40; 240) einen Speicher (64) umfaßt, in dem eine Korrekturbeziehung (ΔS(B)) speicherbar ist, welche die Abhängigkeit des Signals (S) von der Spaltbreite (B) im Schweißpunkt (20; 220) bei einer vorgegebenen Mindestqualität der Schweißung wiedergibt;
c) die Auswerte- und Überwachungseinheit (40; 240) einen Rechenkreis umfaßt, welcher die Grenzwerte (MIN(B₀), MAX(B₀)) während des Schweißvorganges um einen Betrag (ΔS(B)) verschiebt, welcher der momentanen Spaltbreite (B) im Schweißpunkt (20; 220) entsprechend der abge speicherten Korrekturbeziehung (ΔS(B)) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung des Schweißpunktes einen Laser (12) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung des Schweißpunktes eine Hochfrequenz-Induktionsschweißvorrichtung umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spaltbreite (B) erfassende Sensor (32; 132; 232) so eingerichtet ist, daß er dem Schweißpunkt (20; 220) in konstantem Abstand (X₀) voraus eilt, daß ein die beim Schweißvorgang auftretende Rela tivverschiebung (ΔX) zwischen dem ersten Sensor (32; 132; 232) und den Werkstücken (27; 227) erfassender zweiter Sensor (38; 238) vorgesehen ist, daß die Auswerte und Überwachungseinheit (40; 240) einen Speicher (54; 254) umfaßt, in welchem die Breite (B) des Spaltes (24) beim Passieren des ersten Sensors (32; 232) abspeicherbar ist, und daß die Auswerte- und Überwachungseinheit (40; 240) einen Komparator (60) aufweist, welcher die abgespeicherte Breite (B) abruft, wenn der Schweißpunkt (20; 220) die Stelle mit der Breite B passiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sensor eine elektronische Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera (32; 132; 232) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor ein Inkremental geber (38; 238) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Überwachungsein heit (40; 240) so eingerichtet ist, daß bei mindestens einem Vorversuch der einer vorgegebenen Qualität entsprech ende Grenzwert (MIN(B₀), MAX(B₀)) für Spaltbreite Null für das Strahlungssignal (S) durch die Auswerte- und Überwachungseinheit (40; 240) selbstlernend bestimmbar und in einem Speicher (64) abspeicherbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Überwachungsein heit (40; 240) so eingerichtet ist, daß bei einem Vorver such bei einer vorgegebenen Mindestqualität die Abhängig keit der Signale (S) von der Spaltbreite (B) im Schweiß punkt (20; 220) durch die Auswerte- und Überwachungseinheit (40; 240) selbstlernend bestimmbar und als entsprechende Korrektur-Beziehung (ΔS(B)) in einem Speicher (64) ab speicherbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensor umfaßt, welcher die im wesentlichen aus der Dampfkapillare im Schweiß punkt stammende UV-Strahlung erfaßt und die entsprechen den Signale an die Auswerte- und Überwachungseinheit (40; 240) weiterleitet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensor umfaßt, welcher die im wesentlichen aus der Schmelze im Bereich des Schweißpunkts und aus dem dahinterliegenden bereits konso lidierten Bereich stammende IR-Strahlung erfaßt und die ent sprechenden Signale an die Auswerteinheit weiterleitet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Überwachungs einheit (140) einen Komparator (166) umfaßt, der die erfaßte Spaltbreite (B) mit einer gespeicherten, maximal zulässigen Spaltbreite (168) vergleicht und bei einem Überschreiten ein Fehlersignal (F) abgibt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Überwachungsein heit (240) mit einer Vorrichtung (272) verbunden ist, mit der dem Spalt im Schweißpunkt (220) Zusatzmaterial zuführbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Überwachungseinheit (240) einen Speicher (278) umfaßt, in dem eine Referenzbeziehung (M(B)) abspeicherbar ist, welche die Abhängigkeit der notwendigen Menge an Zusatzmaterial von der Spaltbreite (B) im Schweiß punkt (220) bei einer vorgegebenen Mindestqualität der Schweißung wiedergibt, und daß die Auswerte- und Überwach ungseinheit (240) einen Rechenkreis (280) umfaßt, der aus dem der aktuellen Spaltbreite (B) entsprechenden Signal auf der Basis der Referenzbeziehung (M(B)) die notwendige Menge (M(B)) an Zusatzmaterial berechnen und ein entsprech endes Steuersignal an die Zusatzmaterial-Zuführvorrichtung (272) abgeben kann.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (12), welche den Schweißpunkt (20; 220) erzeugt, gemeinsam mit den die Strahlung erfassenden Sensoren (18; 218) quer zur Spalt- Längskoordinate X verschwenkbar ist.