DE2010878B2 - Verfahren zur Überwachung eines Widers tandspunkischweilivorganges - Google Patents
Verfahren zur Überwachung eines Widers tandspunkischweilivorgangesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.
Bekanntlich wird die Güte einer Punktschweißverbindung einerseits von den schweißtechnischen Parametern
Stromstärke, Schweißzeit sowie Elektrodenanpreßkraft und andererseits von den geometrischen
Verhältnissen, wie Elektrodendurchmesser und Stärke der durch die Schweißung zu verbindenden Teile,
bestimmt. Bekannt ist, die Güte einer Punktschweißverbindung durch an der fertigen Schweißverbindung
angestellte Untersuchungen zu prüfen, die eine Zerstörung der Schweißverbindung und damit des Werkstücks
zur Folge haben. Solche Untersuchungen bestehen beispielsweise im Torsionsversuch, Scherzugversuch,
Abrollversuch oder auch in der Anfertigung eines metallographischen Schliffes zur Ermittlung der
Schweißlinsengröße. Derartige Untersuchungen haben natürlich den grundlegenden Nachteil, daß durch die
Qualitätskontrolle das Werkstück selbst zerstört wird. Außerdem schließt eine solche nach der Hertellung der
Schweißverbindung erfolgende Qualitätskontrolle einen derart rechtzeitigen Eingriff in den Produktionsablauf
aus, daß durch Änderung beispielsweise der schweißtechnischen Parameter noch eine Verbesserung
der gerade untersuchten Schweißverbidung erzielt werden kann.
Man ist daher bestrebt, Punktschweißverbindungen bereits während des Schweißprozesses zu kontrollieren
und damit eine nachträgliche Prüfung, gegebenenfalls auch eine zerstörungsfreie Prüfung nach Beendigung
des Schweißverfahrens, durch diese Überwachung des Schweißprozesses überflüssig zu machen. In diesem
Zusammenhang sind insbesondere Punktschweißverfahren zu nennen, die die Elektrodenbewegung während
des Schweißprozesses ausnutzen, eine Ultraschallprüfung beinhalten oder aber den Verlauf des elektrischen
Widerstandes zwischen den Schweißelektroden in Abhängigkeit von der Zeit zur Gewinnung eines
Kriteriums für die Güte der Schweißverbindung heranziehen.
Von dem letztgenannten Prinzip macht die Erfindung Gebrauch. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
nach diesem Prinzip zu schaffen, dessen Anwendung nicht auf das Schweißen von Stahlblech beschränkt ist.
Sie betrifft demgemäß ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Während jedoch ein
aus der DE-AS 10 61 921 bekanntes Verfahren dieser Art aus der Widerstandsänderung bei Eintritt des
Schmelzzustandes sowie ein aus der DE-OS 15 40 706 bekanntes Verfahren dem Spannungseinbruch beim
Einsinken der Elektroden und damit aus dem abfallenden Bereich des Widerstandsverlaufs ein Signal
gewinnen, ist die Erfindung gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ergänzend zum Stand der Technik sei bezüglich der DE-OS 15 15 544 darauf hingewiesen, daß sich diese
speziell auf ein elektrisches Schweißverfahren zur Herstellung von Thermistoren bezieht, wobei die
besondere Schwierigkeit auftritt, daß derartige Bauelemente eine Temperaturabhängigkeit hrer Eigenschaften
besitzen. Die Herstellung erfolgt in der Weise, daß zunächst mittels besonderer Heizspulen über die
Schweißelektroden eine Erwärmung des Bauelements bis zu einem vorgegebenen Temperaturwert, der durch
einen vorgegebenen Widerstandswert angedeutet wird, vorgenommen und dann bei diesem definierten, durch
Erwärmung erzielten Temperaturwert der Schweißstrom eingeschaltet wird, bis er einen bestimmten Wert
erreicht; dann erfolgt eine Abschaltung. Eine derartige Vorwärmung hat verständlicherweise nichts mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren zu tun.
Zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren ist es erforderlich, auf die
in den F i g. 1 und 2 wiedergegebenen Diagramme für den Verlauf des elektrischen Widerstandes R zwischen
den Schweißelektroden in Abhängigkeit von der Zeit t einzugehen.
Betrachtet man zunächst den Widerstandsverlauf gemäß Fig. 1, wie er beim Punktschweißen von
Stahlblech auftritt, so hat man einen Bereich a, in dem der Widerstand von einem in erster Linie durch die
Kontaktwiderstände gegebenen sehr hohen Widerstandswert absinkt auf einen Minimalwert, während der
Widerstand nach anschließendem erneuten Ansteigen einen Maximalwert A erreicht, nach dem er wiederum
abfällt. Ein hier interessierender Punkt im Bereich des abfallenden Astes der Kurve ist mit B bezeichnt. Das
bekannte, den Widerstandsverlauf ausnützende Schweißverfahren zeichnet sich nun dadurch aus, daß
nur der zwischen den Punkten A und S liegende Bereich, d. h. ein Teil des abfallenden Kurvenastes, als Meßbe-
reich b ausgenutzt wird.
Diese Wahl des Meßbereichs b kann auf Schwierigkeiten stoßen, wenn die zu verschweißenden Teile einen
anderen Verlauf des elektrischen Widerstandes R über der Zeit t ergeben, wie dies in F i g. 2 für den Fall eines
beschichteten Blechs dargestellt ist. Wie unmittelbar aus der Kurve ersichtlich, hat man nach dem Maximum A
während der Schweißzeit praktisch keinen abfallenden Ast mehr, der zur Durchführung der Messung
ausgenutzt werden kann. Das bekannte Verfahren verlangt also einen charakteristischen Widerstandsverlauf
gemäß Fig. 1; außerdem muß die eigentliche Schweißzeit größer sein als der in F i g. 1 mit a
bezeichnete Zeitraum, in dem keine Messung erfolgen kann, da dort der Kurvenverlauf durch äußere Größen,
wie den Kontaktwiderstand, überwiegend bestimmt ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man den genannten Nachteil des Verfahrens — Beschränkung
auf Materialien mit bestimmtem Widerstandsverlauf — dadurch vermeiden kann, daß man speziell den
Gradienten des ansteigenden Bereichs des Widerstandsverlaufs, also in F i g. 2 den dem Abzissenbereich
m zugeordneten ansteigenden Ast der Kurve, zur Gewinnung eines Steuer- oder Regelsignals heranzieht.
Dieser Gradient ist nämlich durch die Größe der der Schweißlinse zugeführten Energie, die die Güte der
Punktschweißung bestimmt, gegeben.
Der Widerstandsverlauf kann, wie an sich bekannt, als Verlauf der Spannung zwischen den Schweißelektroden
bei bekannter Stromstärke ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, daß auch ein Verschleiß der Elektroden mit
zunehmender Anzahl der hergestellten Schweißverbindungen bei der Steuerung oder Regelung der zugeführten
Energie berücksichtigt wird. Dies wirkt sich nicht nur hinsichtlich der gleichbleibenden Güte der Schweißverbindungen
aus, sondern auch hinsichtlich der Verlängerung der Lebensdauer der Schweißelektroden,
und zwar insbesondere beim Verschweißen beschichteter Bleche.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit impulsförmigem Schweißstrom arbeitet, werden
zur Gradientbildung zwei vorgegebene, durch Impulse des Schweißstromes hervorgerufene Widerstandsimpulse
amplitudenmäßig miteinander verglichen. Um Einflüsse infolge zufälliger Schwankungen im Widerstandsverlauf
von einer Schweißung zur anderen aus dem Meßergebnis zu eliminieren, kann eine dadurch
gekennzeichnete Weiterbildung der eben erläuterten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft sein, daß zur
Gradientbildung die Mittelwerte der Amplituden von zwei Mengen von vorgegebenen, durch Impulse des
Schweißstromes hervorgerufenen Widerstandsimpulsen miteinander verglichen werden.
Man kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch eine fortlaufende Bestimmung des
Gradienten in der Weise vornehmen, daß man jeden Widerstandsimpuls amplitudenmäßig mit dem jeweils
vorhergehenden vergleicht. Dann erhält man die Möglichkeit eines besonders raschen Eingriffs in den
Schweißprozeß bei Störungen.
Wie an sich bekannt, wird man in der Regel die zugeführte elektrische Energie durch Änderung des
Phasenanschnitts des Schweißstromes beeinflussen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine reine Stromamplitudenregelung
oder -steuerung möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand des in F i g. 3 wiedergegebenen Blockschemas
für eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Anordnung erläutert. Ein besonderer Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist daran zu sehen, daß an sich bekannte Baugruppen im Rahmen von
Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens Anwendung finden können, so daß auf schaltungstechnische
Einzelheiten hier nicht eingegangen zu werden braucht.
In Fig.3 sind mit 1 und 2 die beiden durch
Punktschweißung miteinander zu verbindenden Bleche
ίο bezeichnet. In der üblichen Anordnung liegen sie
zwischen den beiden Schweißelektroden 3 und 4, die über den Schweißtransformator 5 mit Energie gespeist
werden.
Zur Ermittlung es Gradienten des Widerstandsverlaufs
zwischen den Elektroden 3 und 4 wird mittels der Meßteitungen 6 und 7 er Spannungsabfall an der
eigentlichen Schweißstrecke erfaßt und der Meßeinrichtung 8 zugeführt. Die Messung erfolgt zu ganz
bestimmten Zeiten. Da sich nämlich an der Meßstrecke dem Spannungsabfall, der dem zu ermittelnden Widerstand
entspricht, ein durch die Induktion infolge der Stromimpulse erzeugte Induktionsspannung zu gewissen
Zeiten überlagert, muß die Spannungsmessung während derjenigen Zeiten durchgeführt werden, in
denen die Stromimpulse im Schweißstromkreis ihr Maximum haben, da dann der Absolutwert der
Induktion gerade sein Minimum besitzt. Zu diesem Zweck wird über die induktive Einrichtung 9, der
praktisch einen Rogowski-Gürtel darstellt, der Meßimpulserzeuger angesteuert, der die Spannungsmeßeinrichtung
8 so triggert, daß sie nur den während der induktionsfreien Zeiten aufretenden Spannungsabfall
mißt.
Der Ausgang der Spannungsmeßeirichtung 8 ist mit dem Impulszählglied 11 verbunden. Bei dieser Einrichtung
wird nämlich nicht unter Verwendung eines einzelnen Spannungsimpulses ein Widerstandswert
gewonnen, sondern zwecks Ausschaltung von Störeinflüssen auf statistischem Wege der Mittelwert aus einer
vorgegebenen, durch das Impulszählglied 11 bestimmten Menge von Impulsen gebildet.
Um den Gradienten im Bereich des ansteigenden Kurvenverlaufs bilden zu könnn, ist es erforderlich,
innerhalb des in Fig. 2 mit m bezeichneten Meßbereichs
zu zwei Zeitpunkten in dieser Weise eine Spannugsmessung durchzuführen. Man erhält dann zwei
Mengen von Impulsen, die über jeweils eine der Leitungen 12 und 13 einem er Integrationsglieder 14 und
15 zugeführt werden. In diesen Integrationsgliedern
so wird der Mittelwert jeweils einer der Impulsmengen gebildet; in der differenzbildenden Einrichtung 6
werden diese beiden Mittelwerte miteinander verglichen, und die Differenz wird ihrerseits in der
Einrichtung 17 mit dem Sollwert s für den Gradienten des Widerstandsverlaufs verglichen. Entsprechend der
in der Einrichtung 17 ermittelten Differenz wird über den Verstärker 18 das Motorpotentiometer 19 zur
Betätigung eines Stellgliedes angesteuert, das in disem Ausführungsbeispiel das Strompotentiometer 20 zur
Bestimmung des Phasenanschnitts des Schweißstromes so verstellt, daß die mit der Einrichtung 17 festgestellte
Regelabweichung zum Verschwinden gebracht wird.
Grundsätzlich wäre es verständlicherweise auch möglich, statt einer Verstellung eines Strompotentiometers
in anderer Weise auf Elemente einzuwirken, die den Phasenanschnitt elektrisch bestimmen.
Wie aus der Beschreibung der Anlage nach Fig.3 ersichtlich, müssen die Integrationseinrichtungen 14 und
15 eine Speicherung der Mittelwerte vornehmen, bis die Differenzbildung in der Einrichtung 16 erfolgt ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß es infolge Erfassung des
Widerstandsanstieges auch bei Kurzzeitschweißungen, bei denen durch hohe Stromstärke während kurzer
Schweißzeiten eine ausreichende Schweißlinie erzeugt wird, Anwendung finden kann.
Da der Verlauf des elektrischen Widerstandes auch bei miteinander zu verschweißenden Teilen aus
demselben Material statistischen Schwankungen unterliegt, ist es zweckmäßig, in der Vergleichseinrichtung 17
nicht einen Vergleich mit einem konkreten Sollwert s vorzunehmen, sondern einen begrenzten Sollwertbereich
vorzusehen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Überwachung eines Widerstandspunktschweißvorganges
mittels Messung des zeitlichen Verlaufes des elektrischen Widerstandes zwischen den Schweißelektroden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gradient des ansteigenden Bereiches des Widerstandsverlaufes als Kriterium
für die Güte der Schweißverbindung ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 mit einem Soll-Istwert-Vergleich und mit Beeinflussung der
zugeführten elektrischen Energie bei konstant gehaltener Schweißzeit, dadurch gekennzeichnet,
daß eine dem genannten Gradienten entsprechende Regelgröße gebildet und mit einem Sollwert
verglichen wird, und daß in Abhängigkeit von der so gewonnenen Regelabweichung die der Schweißlinse
zugevührte elektrische Energie beeinflußt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsverlauf als
Verlauf der Spannung zwischen den Schweißelektroden ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 mit impulsförmigem Schweißstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Gradientbildung zwei vorgegebene, durch Impulse des Schweißstromes hervorgerufene Widerstandsimpulse
amplitudenmäßig miteinander verglichen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 mit impulsförmigem Schweißstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Gradientbildung die Mittelwerte der Amplituden von zwei Mengen von vorgegebenen, durch Impulse
des Schweißstromes hervorgerufenen Widerstandsimpulsen miteinander verglichen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte elektrische
Energie durch Änderung des Phasenanschnitts des Schweißstromes beeinflußt wird.
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