DE2236786A1

DE2236786A1 - Vorrichtung zum automatischen auftragen einer schweissraupe entlang einer im raum verlaufenden windschiefen bahn

Info

Publication number: DE2236786A1
Application number: DE19722236786
Authority: DE
Inventors: Serge Paulange
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-07-30
Filing date: 1972-07-26
Publication date: 1973-02-15
Also published as: IT976424B; SU655290A3; FR2148844A5; DE2236786C2

Description

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526-19.110Ρ(19·111Η) 26. 7· 1972

Serse_PAULANGE_i__N_a_n_t_e_s (Frankreich)

Vorrichtung zum automatischen Auftragen einer Schweißraupe entlang einer im Raum verlaufenden windschiefen Bahn

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatischen Bogenschweißen mit einem TIG-Kopf, d. h. mit einer unschmelzbaren Elektrode (Wolfram) und einem in automatischer Weise gesteuert zugeführten Schweißdraht. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Anordnung von Mitteln, die ein Schweißwerkzeug einer nachzufahrenden Bahn in zwei oder drei Dimensionen zu folgen gestatten, und zwar auf einem durch Schweißen zu verbindenden Profil oder auf einer Form einer durch Auftragsschweißen fortlaufend durch eine stetige Schweißraupe aufzufüllenden Oberfläche.

Um eine korrekte Schweißung durchzuführen, besteht eine bestimmte Relation zwischen der Spannung U des Schweißstromes und seiner Stromstärke I in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Metalle und deren Dicken. Die Fig. 1 zeigt der beigefügten Zeichnung den allgemeinen Verlauf dieser Kurve (U in Abhängigkeit von I). Die Zone AB entspricht der TIG-¹'Schweißmethode und die Zone CD der MIG-I)Schweißmethode (schmelzbare

1) vgl. Betriebshütte 6. Aufl., Bd. 1, S. 385 526-(50 65L)-ZjF

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Elektrode). Man sieht, daß in dem Teil ΛΒ (TIG) die Stromstärke I sich nur wenig in Abhängigkeit von bedeutenden Änderungen der Spannung U verändert, wobei diese beiden Parameter untereinander nach der durch die Kurve dargestellten Beziehung gesteuert werden können. Anders ausgedrückt bewirkt eine starke Änderung der Spannung keine große Veränderung der Stromstärke. Die Länge des Lichtbogens, d. h. die Entfernung zwischen der Oberfläche, auf der der Auftrag erfolgt und dem Ende der nicht schmelzbaren Elektrode hat einen direkten Einfluß auf die Spannung. Um die Spannung U auf einem bestimmten Wert zu halten, gestatten die bereits bekannten Einrichtungen diese Länge des Lichtbogens durch eine äußere Steuerung zu regeln. Beispielsweise wirkt ein Gleichstrommotor oder ein kleiner hydraulischer Zylinder mit Kolben auf die Halterung des Schweißwerkzeuges senkrecht zu der zu schweißenden Oberfläche. Aber es handelt sich bei den laufenden Fällen nur darum, die besagte Entfernung zu korrigieren, um besser einen dieser Parameter beherrschen und stabilisieren zu können, das heißt die Spannung. Diese Korrektur ist nur bei relativ kleinen Längen bzw. Abweichungen ausgehend von einer vorbestimmten mittleren und am Schweißkopf eingegebenen Bahn möglich. Die Führung des letzteren (im allgemeinen durch mechanische Teile erhalten) erfolgt im Raum annähernd parallel zu der aufzubringenden Schweißraupe. Dies ist beispielsweise bei

kreis,
Schweißköpfen der Fall, die sichrbahnförmig um Rohre drehen.

Diese Verfahren erfordern daher beijdrei Dimensionen,daß der Weg des Kopfes durch starre mechanische Führungsmittel außerhalb des zu schweißenden Werkstückes sichergestellt wird (nur um in einfacher Weise die Lage des Werkstückes in Abhängigkeit von Unregelmäßigkeiten in der Form dieses Werkstückes zu korrigieren). Anders ausgedrückt, wenn man irgendeinen

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Punkt dieses Kopfes auf drei.rechtwinklige Achsen .X, Y, Z im Raum mit den Werten x, y, ζ projiziert, so werden letztere immer nach dem gleichen durch den Weg der mechanischen Führung vorgegebenen Gesetz geändert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die kostspieligen 2wangsführungsmittel zu vermeiden, die komplizierte und auf» wendige außenliegende Konstruktionen erfordern, insbesondere wenn Schweißraupen auf einem komplizierten Profil in drei Dimensionen aufgebracht werden sollen (oder selbst nur in einer Ebene). Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung gestattet es, eine oder zwei der Zwangsführungse„ inrichtungen, entsprechend X, Y oder Z) ohne den auto·? matischen Ablauf der Einrichtung zu beeinflussen, wegzulassen. Dies führt zu beträchtlichen Vereinfachungen des Führungssystems des Schweißkopfes. Verschiedene Schweißverbindungen auf windschiefen Oberflächen können praktisch nur mittels des Schweißverfahrens nach der vorliegenden Erfindung in einer wiederholenden Weise durchgeführt werden. Zwei Freiheitsgrade (beispielsweise in X- und Y-Richtung) des Trägers gestatten eine automatische Einstellung des Schweißfingers in bezug auf zwei Bezugsflächen, die im Schnittpunkt zwischen sich die Schweißstelle aufweisen. In Z-Richtung (gemäß dem gewählten Beispiel) wird der Schweißfinger in seiner Vorwärtsbewegung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit geführt und angeregt. Es ergibt sich hieraus eine große Präzision für die zu schweißende Schweißnaht trotz ihrer verwickelten Profile, wodurch es möglich ist, ohne Eingriff in einem Durchgang mit spiralförmiger Bahn feststehende rotationsförmige Werkstücke entweder innen (Auftrag%chweißung bei einer Bohrung)oder außen mit einer Auftragsschweißung zu versehen.

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Diese Ergebnisse werden erhalten, indem eine Drehung des Schweißfingers umjsich selbst zugelassen ist (genauer um eine senkrecht zu der zuschweißenden Oberfläche stehenden Achse). Diese Besonderheit gestattet es immer eine gute Ausrichtung der Elektrode und des Schweißdrahtes in bezug auf die Schweißfläche zu haben.

Die Vorrichtung gestattetees, die an sich bekannten Regeleinrichtungen für den Schweißfinger und die Schweißparameter (Vorschub des Schweißdrahtes, Stromfrequenz oder Vorschub, Neigung der Elektrode usw.) beizubehalten, wobei diese Einrichtungen in perfekter Weise programmiert sein können, um eine Schweißung mit entwicklungsfähigen Merkmalen durchzuführen, die bestimmt und gesteuert sind, entsprechend an sich bekannten Verfahren.

Die Bahn wird nach zwei möglichen Arten bestimmt:

- Entweder eine zwangsweise mechanische Führung entlang zweier Koordinaten (beispielsweise X und Y) und eine völlig freie Regelung entlang der dritten Koordinate (Z), wobei diese Regelung stattfindet in Abhängigkeit von der in Richtung der dritten Koordinate (z) aufgebrachten Schweißraupe. Die Vorschubgeschwindigkeit ist bestimmt durch die Motorisierung in der Ebene XY.

- oder eine zwangsweise mechanische Führung nur in Richtung einer Koordinate (beispielsweise X) und eine völlige freie Regelbarkeit in Richtung der beiden anderen Koordinaten (Y und Z) Ebenso wie vorher findet die Regelung in Abhängigkeit von y und z, d. h. von den Auftragungen der Schweißraupe auf Y und Z Je nach dem motorisierten Vorschub des Schweißfingers entlang Y statt (programmierter Vorschub oder nicht).

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Diejenigen Hilfsmittel, die notwendig sind, um die Schweißverbindung in drei Dimensionen zu kopieren, sind weiter unten dargelegt. Sie erfassen die Veränderung der Spannung zwischen der nichtschmelzbaren Elektrode und der Bezugsfläche, wobei diese Veränderungen eine Punktion der Lichtbogenlänge sind (die Veränderungen der Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung sind bei TIG gering).

Aus dem Vohergehenden ergibt sich, daß das wesentliche Punktionsprinzip nach der Erfindung auf der Übertragung der Differenzen des Abstandes zwischen der nichtschmelzbaren Elektrode und der oder den Bezugsflächen zu den Regeleinrichtungen des Schweißfingers beruht, wobei die Bezugsflächen als Führungen auf dem zu schweißenden Werkstück dienen. Diese' Differenzen werden aufgrund der Veränderungen der Spannung, du festgestellt, durch die diese hervorgerufen werden.. Die Spannungsdifferenzen dU werden zurückübertragen auf die Motoren der Regeleinrichtungen, um eine wirkliche Regelung des Abstandes oder der Abstände zu erhalten. Der Schweißfinger folgt somit der Bezugsfläche oder den Bezugsflächen entlang seiner ganzen Bahn.

Die Vorrichtung umfaßt im wesentlichen·

- Eine Einrichtung zum Peststellen der Spannung an der Elektrode kann in bestimmten Fällen verbunden sein mit der Steuerung der Schweißspannung*

- ein Verstärker für die Differenzen der Spannung und folglich der Entfernung zwischen der Elektrode und der Bezugsfläche bzw. den Bezugsflächen;

- eine Übertragungseinrichtung für die verstärkten Differenzen zu einem Stellmotor odermehreren Stellmotoren des Schweißkopfesj

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- gegebenenfalls Schablonen, die als Hilfsbezugsflachen dienen und auf dem zu schweißenden Werkstück anzubringen sind;

- der Schweißfinger TIG und sein Träger, der entsprechend den Arbeitsgängen verschieden sein kann, wobei der Träger die Stellmotoren umfaßt, ist an einem festen Teil derart angelenkt, daß die Bewegung durch die Spannung U entlang einer oder beider der drei rechtwinkligen Achsen X,Y und Z geregelt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die verschiedene Anwendungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen,näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Kurve der Spannung U in Abhängigkeit von der Stromstärke I, die das Verhältnis dieser beiden Parameter für das richtige Schweißen nach TIG darstellen (von A bis B);

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Rohr oder eine Bohrung in dem oder der mittels eines durch die Spannung U in Richtung Z, Z¹ gesteuerten Kopfträgers kontinuierlich Schweißraupen in Spiralform aufgebracht werden;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch ein Rohr oder einen Zylinder,bei dem an der Außenseite in der gleichen Weise ein Schweißauftrag erfolgt;

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch die Elektrode und den Schweißauftrag entsprechend Fig. 3;

Fig. 5 eine Ansicht einer Schweißeinrichtung beim Schweißen eines ungleichmäßig geformten Rotationskörpers mittels eines auf einer Kreisbahn geführten

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Schweißkopfes (die Bezugsfläche ist das Werkstück selbst und das Stellwerk arbeitet Polarkoordinaten); das Merkstück kann aufgedreht werden; "

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht zweier miteinander zu verschweißender Teile, wobei die Schweißnaht eine irreguläre Form aufweist und eine Schablone die Bezugsfläche bildet*

Fig. 7 einen vergrößerten Schnitt durch die in Fig. β dargestellte Schweißstelle mit einer schematischen Darstellung der Stellwerke;

Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform mit zwei Führungsschablonenj

Fig. 9 eine Ansicht von unten auf die Anordnung nach. Fig. 2 (Schwenkarme), wobei eine Steuerkulisse dargestellt ist, die das Schweißwerkzeug in zwei Dimensionen führt;

Fig. 10 eine Ansicht in Richtung der Schnittlinie A in Fig." 2;
und .

Fig. 11 eine Ansicht der in Fig. 2 dargestellten ■Vorrichtung beim Ausführen einer Schweißverbindung auf einer sehr schiefen Fläche.

Wenn ein Rohr 1 im Inneren eine Auftragsschweißung erhalten soll, so ergeben die klassischen Methoden der automatischen Schweißung keine gleichmäßigen Ergebnisse. Die Fig.2 zeigt, daß ein Schweißwerkzeug bzw. Schweißfinger zwei mit seinem zugeführten Schweißdraht 5 sich gemäß dem Pfeil F um eine Achse ZZ' dreht. Dieser Schweißfinger ist durch

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seinen Träger 4 geführt, um einen Kreisbogen mit dem Radius R um die Achse ZZ' mit einer bestimmten Neigung in bezug auf die horizontale Ebene zu beschreiben. Mit anderen Worten, die Bahn der Teile 2 und 3 ist bestimmt in der Ebene XY. Ein Schlitten 5, der das Gelenk 4 trägt, an dem der Schweißfinger gelenkig angeordnet ist, ist in senkrechter Richtungjentsprechend dem Pfeil G parallel zur Achse ZZ' bewegbar. Um eine Verschiebung in dieser Richtung durchzuführen, ist eine durch eine Mutter 7# die mit dem Schlitten 5 verbunden ist, hindurchgeführte Spindel 6 durch einen Motor 8 antreibbar, der vorzugsweise als Gleichstrommotor ausgebildet ist, um eine ausreichende Geschwindigkeitsveränderung zu erhalten. Unter Bezugnahme auf Fig.4 wird festgestellt, daß eine Veränderung der Entfernung j eine Veränderung der Spannung des Lichtbogens zur Folge hat, welche ihrerseits sowohl auf die Richtung als auch auf die Geschwindigkeit der Bewegung des Motors 8 einwirkt.

Die drehbare Anordnung des Halters des Schweißkopfes kann in der konzentrischen Lage in bezug auf das Rohr 1 herbeigeführt werden mit Hilfe eines Gelenkauslegers,der bereits Gegenstand einer anderen Anmeldung ist (französische Patentanmeldung Nr. 70 15 509). Nach der Einregulierung wird der Gelenkausleger 10 auf der oberen Führung 11 durch eine Arretiereinrichtung 12 festgelegt.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung,um ein Rohr bei 13 von außen mit einer Auftragsschweißung zu versehen. Die Gelenke 14 und 15 gestatten die Einstellung der lage des Schweißfingers 2. Der Arm l6 schwenkt um die Achse ZZ¹ aufgrund eines Zahnrades 17 und einem Motor 18. Letzterer bestimmt die Vorschubgeschwindigkeit. Der Motor|L9 ermöglicht

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das Anheben und Absenken des Trägers 20 an der Säule 21, die beispielsweise als Zahnstange ausgebildet ist. Der Motor 19 spricht in Funktion auf die Abstände j (Fig, 3) an und verändert die Höhe in bezug auf die Achse Z,-

Die Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Träger des Kopfes eine in der Ebene XY bestimmte Bahn beschreibt, d. h. einem Kreis 0. Eine äußere fest angeordnete kreisförmige Führungsbahn 22 ist durchsetzt von einem ebenfalls kreisförmigen Werkzeughalter 23,. Sowohl der Werkzeughalter als auch die feste Bahn 23 bzw, 22 sind mit einem Sektorausschnitt versehen, um diese Anordnung um ein Rohr 24 vorsehen zu können. Das Rohr ist deformiert, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Lage des Schweißfingers 2 in bezug auf die Achse Z ist frei und hinsichtlich der Entfernung j durch den Motor 25 gesteuert, der eine Mutter 26 und eine Spindel 27 antreibt, wobei der Motor auf die Spannungsdifferenz zwischen der festen Elektrode und dem Werkstück 24 anspricht. Es ist klar, daß der Schweißfinger dem Profil des Werkstückes 24 exakt folgt.

Die Schweißverbindung 28 (Fig.6) weist ein stark irreguläres Profil auf. Die Werkstücke 29 und 30 sind schief. Der Schweißfinger 2 ist in Richtung der X-Achse durch den Schlitten 31 zwangsweise angetrieben und geführt, der in den Führungen 32 geführt ist. In den anderen Richtungen (Y und Z) ist die Steuerung frei. Parallel zur Sehweißverbindung 28 ist eine Bezugsfläche 33 vorgesehen, die durch ein Band 34 gegenüber dem Werkstück 30 isoliert ist und mit einem Potentiometer in Kontakt steht,daß die Spannung zwischen der Elektrode des Schweißfingers 2 und dieser Metalloberfläche feststellt. In verschiedenen Fällen kann ein Suchbogen (oder

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- ίο -

Sekundärbogen) mit sehr schwacher Intensität hervorgerufen werden zwischen einer Sekundärelektrode und der Bezugsfläche, Die gemessenen Spannungsdifferenzen stellen die Entfernung K durch den Motor 35 ein (Zahnstange und Ritzel sind auf dem Schlitten 31 angeordnet),der den Schlitten 36 in Richtung der Y-Achse antreibt. Auf diesem Schlitten 36 ist eine Mutter 37 vorgesehen und durch ein Ritzel und einen Motor 38 antreibbar. Letzterer regelt die Entfernung j entlang der Z-Achse, die gemessen wird, durch die Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode des Schweißfingers und den Werkstücken 29 oder 30.

Der Schweißfinger kann auch einem durch zwei Bezugsflächen 39 und 40 bestimmten Weg folgen, die isoliert und geneigt sind und zur festen Elektrode des Schweißfingers die Entfernungen Kl und K2 aufweisen.

Um dies durchzuführen, kann man bei Bedarf einen oder zwei Suchbögen mit schwacher Intensität verwenden. Der Träger mit dem in Fig.2 dargestellten Gelenkausleger (französisches Patent Nr. 70 13 509) kann auch zur Herstellung einer Mehrfachschweißung mit ungleichmäßiger Form auf den schiefen Oberflächen verwendet werden. Hierzu wird eine Steuerkurve 41 verwendet, die einen durch das Gelenk hindurchgehenden Zapfen 42 führt. Die anderen Arme 43 und an der festen Säule 45 sind gegeneinander schwenkbar.

Das Gelenk 12 verschiebt sich in den Längsschlitz 46 auf der oberen Führung 11, die an der Säule 45 schwenkbar gehalten ist. Die Schwenkachse 9 verschiebt sich deshalb parallel zu sich selbst in einer schräg verlaufenden Vertikalen Ebene, die durch das Profil der Steuerkurve 41 geht. Diese letztere ist in der Ebene XY vorgesehen, die

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parallel zur Projektion der Ebene verläuft, auf der die Schweißraupe 47 aufgebracht werden soll. Der Schweißfinger ist wie vorher bei 4 angelenkt. Ein Motor 48 stellt jedoch die Gelenkverbindung ein.Die Spind©! 6 und der Schlitten 7 werden durch den vorher beschriebenen Motor eingestellt. Der Motor 49 dreht die -Gelenkverbindung 9 um die Achse ZZ'. Ein Progranmiergerät gibt der durch die Motoren 48 und 49 gesteuerten Bewegung die gewünschte Neigung. Der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück bleibt trotz der unregelmäßigen Form des Werkstückes aufgrund der Steuerung durch den Motor 8 konstant, der auf die zwischen der Elektrode und dem zu schweißenden Werkstück gemessenen Spannungsdifferenzen anspricht.

Aus dem vorher Beschriebenen ergibt sich, daß die Erfindung nicht aufidie beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Sie umfaßt vielmehr alle möglichen Varianten, die sich im Rahmen der Ansprüche ergeben.

Die Erfindung bietet eine Anwendungsmöglichkeit für die automatische TIG-Schweißung auf windschiefen Oberflächen. Sie dient auch zur Auftragsschweißung in Bohrungen und Zylindern.. Sie dient ebenfalls zum Schneiden von windschiefen Blechen nach einer unregelmäßigen Bahn oder als Schneidbrenner oder ein anderes Schneidwerkzeug.

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Claims

- 12 Patentansprüche

Vorrichtung zum automatischen Auftragen einer Schweißraupe entlang einer im Raum verlaufenden windschiefen Bahn, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegbarer Träger (4, 5) eines Schweißfingers (2) durch äußere feste mechanische Führungen zwangsweise in zwei Richtungen (z. B. X und Y) geführt ist und daß der Träger in einer dritten Richtung (Z) frei ist, wobei die Steuerung in der dritten Richtung durch einen Motor (8) erfolgt, der seinerseits durch ein Potentiometer gesteuert ist, das die Spannungsdifferenzen aufgrund der Entfernungen zwischen der Elektrode des Schweißfingers (2) und der Schweißraupe (oder dem zu schweißenden Werkstück) feststellt, und der den Schweißfinger entlang der Z-Achse mit gleichem Abstand zu den unregelmäßigen Flächen der zu schweißenden Werkstücke verschiebt.
2. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Träger des Schweißfingers nur in einer Richtung (z. B. X) geführt ist, während die anderen beiden Richtungen (Y und Z) frei regelbar sind, wofür zwei Motoren (]J5, 38), jeweils einer für eine Richtung, dienen, die den Träger des Schweißfingers (2) entsprechend den Spannungsdifferenzen zwischen der Elektrode und der Schweißraupe oder dem Werkstück einerseits und der Elektrode und einer Bezugsfläche (33) andererseits, steuern, die auf einem der zu schweißenden Werkstücke parallel zu der Schweißverbindung elektrisch isoliert angeordnet ist und mit einem Potentiometer in Verbindung steht, das die Spannungsdifferenzen zu der Hauptelektrode oder einer Sekundärelektrode feststellt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei isolierte Bezugsflächen (39, 40) vorgesehen sind, um den Träger des Schweißfingers (2) in der Y- oder Z-Riehtung oder in beiden Richtungen durch die beiden Verschiebemotoren (35, 38) zu steuern.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißfinger (2) in bezug auf die Z-Achse geneigt ist und um diese beim Schweißvorgang entlang der Abschrägung (oder der zu schweißenden Oberfläche) drehbar ist, wobei die Drehbewegung in Abhängigkeit von der Projektion der Bahn des Schweißfingers auf die X- oder Y-Achse oder auf beide Achsen programmiert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ' der Schweißfinger (2) auf einem um die Z-Achse drehbaren Gelenkausleger (10) getragen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auftragsschweißung in einer Bohrung oder an der Außenseite eines Zylinders in einem Durchgang in Form einer schraubenförmigen Bahn erfolgt, daß der Abstand der Elektrode von der Schweißraupe konstant gehalten wird und daß der Schweißfinger um die Z-Achse gedreht wird.
7. Vorrichtung nach einem deijAnsprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung,der Entfernung des Abstandes der Elektrode von der Schweißraupe durch Messen der Spannung eines Suchbogens oder Sekundärbogens schwacher Intensität in bezug auf eine oder mehrere Bezugsflächen (33, 39, 40) oder in bezug auf die zu schweißenden Werkstücke erfolgt.

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