DE2362520C2

DE2362520C2 - Verfahren für die Gütekontrolle beim Punkt-, Buckel- und Rollennahtschweißen

Info

Publication number: DE2362520C2
Application number: DE19732362520
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr.-Ing. 1000 Berlin Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-12-15
Filing date: 1973-12-15
Publication date: 1982-10-21
Also published as: DE2362520A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Gütekontrolle beim Punkt-, Buckel- und Rollennahtschweißen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist durch die Veröffentlichung Krause, H.-J.: Widerstandsschweißen als Fertigungssystem unter besonderer Berücksichtigung der Gütesicherung beim Punktschweißen, Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 62, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf, 1973, S. 12/41, bekannt. Solche Schweißverfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß

a) beim Punktschweißen mit Hilfe von stiftförmigen Elektroden,

b) beim Rollennahtschweißen mit Hilfe von Rollenelektroden sowie

c) beim Buckelschweißen mit Hilfe von plattenförmigen Elektroden

in die vorbereiteten Fügeteile der Schweißstrom l_s und die Elektrodenkraft F eingeleitet werden. Nach dem Jouleschen Gesetz entsteht durch die Übergangs- und Durchgangswiderstände die Wärme

R/t)dt,

die zum Aufschmelzen des Werkstoffs an der Bindestelle führt. Dabei ist I, der Effektivwert des Schweißstromes, Rg der Gesamtwiderstand an der Schweißstelle, c das elektrische Wärmeäquivalent und t die Stromzeit. Beim Erkalten der Schmelze wachsen die Kristallite über die ursprünglichen Trennflächen hinweg, und es entsteht die Schweißlinse, die die Fügeteile stoffschlüssig verbindet.

Bedingt durch die Eigenschaften der Verfahren und die Eigenschaften der zu fügenden Teile, iassen sich die Schweißbedingungen — besonders auch bei der Anwendung in der Massenfabrikation — nicht konstant halten. Die Folge sind Widerstandsschweißungen mit Eigenschaften, die außerhalb der gewünschten Toleranzbereiche für die Gütemerkmale liegen können.

Nun ist zu beachten, daß nur etwa 10 bis 20% der zugeführten Energie als Nutzwärmemenge für das Aufschmelzen der Schweißlinse nachgewiesen werden kann. Bild 1. Das bedeutet, daß nicht nur die zugeführte, sondern besonders auch die abgeführte Verlustwärmemenge die Schweißlinsenbildung beeinflußt. Dabei fließt der größere Anteil der Verlustwärmemenge über die Elektroden ab; kleine Anteile gehen durch Wärmeleitung in die Fügeteile und durch Strahlung verloren. Weil heute fast ausschließlich die Größe des Schweißstromes durch eine Phasenanschnittsteuerung eingestellt wird, entstehen zwischen den einzelnen Stromhalbwellen verschieden große Lücken, die sich bei der Wärmeabfuhr aus der Schweißstelle zusätzlich bemerkbar machen können. Diesem Vorgang der Wärmeerzeugung und der Wärmeabfuhr ist eine Temperaturänderung an der Schweißstelle zugeordnet, die zu einer Volumenänderung und damit also auch zu einer Dickenänderung der Fügeteile an dieser Stelle führt. Weil die obere Elektrode, bedingt durch die Art der Elektrodenkrafterzeugung mit Hilfe eines Zylinders, beweglich ist, führt diese Elektrode entsprechend den Dickenänderungen Bewegungen aus. Diesen Dickenänderungen ist zusätzlich ein geringes Eindrücken der Elektrodenspitzen in den Werkstoff überlagert. Abhängig von den gewählten Schweißeinstellwerten (z. B. Schweißstrom, Elektrodenkraft, Stromzeit) und den zugehörigen anderen Einflußgrößen (z. B. Blechdicke, chemische Zusammensetzung des Werkstoffs, Stromflußwinkel, Spannungsschwankung, Oberflächenzustand der zu schweißenden Teile, Kantenabstand, Neben-Schluß, Elektrodenverschleiß), sind die Größe und der zeitliche Verlauf von Nutz- und Verlustwärmemenge und damit auch die Elektrodenbewegungen unterschiedlich und für die jeweils gerade vorhandenen Bedingungen charakteristisch.

Bei zu kleiner Nutzwärmemenge oder ihrer veränderten zeitlichen Entstehung wird der Schweißlinsendurchmesser und/oder die Linsendicke kleinen Die Folge sind Änderungen der Gütemerkmale, z. B. eine geringere Tragfähigkeit der Schweißung. Bei zu großer Nutzwärmemenge können dagegen die Linsenabmessungen so stark wachsen, daß Werkstoff aus der Linse spritzt. Durch die beim Erstarren fehlende Werkstoffmenge — und damit auch Wärmemenge — werden wieder die Gütemerkmale unerwünscht beeinflußt: z. B. geringe Tragfähigkeit, Fehler.

Für ein Messen der Einflußgrößen im Sinne einer Gütekontrolle wären eine große Anzahl von einzelnen Meßgeräten und ein entsprechender personeller Aufwand erforderlich. Deshalb ist es wünschenswert, Verfahren für die Gütekontrolle zu erfinden, die eine umfassende integrale Aussage über die komplexen Wirkungen möglichst vieler Einflußgrößen geben. Bei dem Verfahren nach der oben genannten

Druckschrift werden die Meßwerte dazu benutzt, um die Geschwindigkeitsänderungen der einzelnen Elektrodenbewegungen zu erfassen. Dabei ergibt sich nur in einem sehr schmalen Punktdurchmesserbereich ein brauchbares Ergebnis.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art zu schaffen, das über einen möglichst großen Punktdurchmesserbereich brauchbare Ergebnisse liefert. Diese Aufgabe w^:rd durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben;*) Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-7 beschrieben.

Weil alle wesentlichen, die Güte beeinflussenden Faktoren die momentane Wärmebilanz an der Schweißstelle zeitabhängig beeinflussen, werden bei nicht konstanten Einflußgrößen die einzelnen Amplituden innerhalb einer Schweißung und außerdem auch von Schweißung zu Schweißung unterschiedlich sein. Da während der gesamten Stromzeit gemessen ,vird, lassen sich Störungen des Prozeßablaufs, z. B. durch Anzeigeabweichungen, erkennen.

Anhand der Bilder 2 bis 7 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Die Einrichtung nach Bild 2 ist so aufgebaut, daß· an der beweglichen Elektrode der Schweißmaschine ein seismischer Geber oder ein in seiner Wirkung vergleichbarer Geber mit einem Freiheitsgrad angebracht wird. Beim seismischen Geber trägt das mit der beweglichen Elektrode verbundene Gebergehäuse einen Magnet. Gleichzeitig ist eine Spule an Federn beweglich in Meßrichtung im Magnetfeld dieses Magnets aufgehängt und ein Dämpfungssystem eingebaut. Nur Bewegungen des Elektrodenarms in Meßrichtung bewirken Veränderungen des Gehäuses und damit Schwingungen der federnd aufgehängten Masse, Bild 2. Hierdurch werden Spannungen induziert, die proportional sind den Geschwindigkeitsamplituden der Bewegungen zwischen Spule und Aufnehmergehäusc. Die Frequenzen der Spannungen entsprechen den Frequenzen der Bewegungen.

Durch die Benutzung dieses Meßprinzips erhält man, abhängig von der nachgeschalteten elektronischen Verarbeitung, stets Signale proportional den Absolutwerten für Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsamplituden. Das heißt jeder einzelnen positiven oder negativen Bewegung der Elektrode ist ein Signal bestimmter Größe und Frequenz zugeordnet. Weil in jeder Halbwelle des Stroms Nutzenergic in der Schweißlinse entsprechend der Wärmebilanz wirksam wird, gibt auch dieses Meßverfahren für jede Halbwelle ein Meßsignal, wie Bild 3 mit der Gegenüberstellung von Elektrodenkraft, Schweißstrom, Geschwindigkeitsund Wegamplituden anhand eines Oszillogramms erkennen läßt. Aus diesem Bild läßt sich außerdem ableiten, daß durch das Messen der absoluten Beträge für die Weg-, die Geschwindigkeits- und entsprechend für die nicht im Bild enthaltenen Beschleunigungsamplituden der Elektroden während der gesamten Stromzeit eine ganz andere physikalische Größe ermittelt wird und auch entsprechend ein ganz anderer Kurvenverlauf als es bisher bekannt ist.

Ein solcher Geber kann sehr klein gebaut werden. Deshalb und wegen seiner Wirkungsweise läßt er sich leicht und schnell an jeder Schweißmaschine anbringen. Da die Größe der Geberempfindlichkeit nur von dem Magnetfeld und den Eigenschaften der Spule abhängt, braucht ein solches System nur ein einziges Mal bei der Herstellung kalibriert zu werden. Die den Bewegungen zugeordneten Amplituden für die Wege, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen oder ^;hre über eine bestimmte Zeit aufsummierten Beträge lassen sich leicht mit Hilfe der Proportionalitätsfaktoren ermitteln. Das ist ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber den bisher bekannten Systemen bei der praktischen Anwendung.

Damit die Einrichtung nur während der Stromzeit mißt und alle anderen Bewegungen, z. E. während des ίο Vorhubs, der Vorpreßzeit und der Nachpreßzeit sowie der Offenhaltezeit unberücksichtigt bleiben, wird aus der Steuerung der Schweißmaschine über eine Leitung ein Signal in die Einrichtung geführt. Bild 2. Dieses Signal betätigt einen ausreichend schnellen elektronisehen Schalter, z. B. einen Transistor, in der Weise, daß unmittelbar bevor der Schweißstrom fließt, der Stromkreis zwischen dem seismischen Geber und der nachgeschalteten Integriereinrichtung geschlossen wird. Hierdurch wird erreicht, daß tatsächlich nur die Bewegungen während der Stromzeit berücksichtigt werden. Das Steuersignal kann aus der Steuerung für die Schweißmaschine unmittelbar aus dem Zündkreis für die Ignitrons bzw. für die Thyristoren abgeleitet werden. Da diese Zündströme nur während der Stromzeit fließen, wird damit auch sofort mit Stromzeitende der elektronische Schalter im Meßstromkreis geöffnet und der Meßvorgang beendet. Die Meßsignale werden. Bild 4, wenn die Absolutwerte der Geschwindigkeitsamplituden zu verarbeiten sind, unmittelbar in die nächste Stufe weitergeleitet, sonst bei Weiterverarbeitung von Wegamplituden integriert und bei Weiterverarbeitung von Beschleunigungsamplituden differenziert.

Als nächstes werden im einfachsten Fall die positiven und negativen Impulse gleichgerichtet, integriert und angezeigt, wie es Bild 2 z. B. für die Meßgröße Geschwindigkeitsamplituden zeigt.

Eine kleinere Unsicherheit der Aussage läßt sich erreichen, wenn man die Impulse nicht gleichrichtet, sondern die positiven und negativen Impulse trennt. Das nachfolgende Integrieren und Anzeigen der Werte erfolgt für die positiven und negativen Impulse getrennt.

Die in Bild 2 dargestellte Integrier- und Anzeigeneinheit muß dafür also nach dem Trennen der Impulse doppelt Vorhandensein.

Die Anzeigen können mit Hilfe eines vorgegebenen Toleranzbereiches für die Sollwerte eines oder mehrerer Gütemerkmale, die durch einfache mechanische Versuche zu ermitteln sind, verglichen werden. Um das Erreichen bzw. Überschreiten der Toleranzgrenzen durch akustische oder optische Signale anzuzeigen, kann der Anzeigeeinrichtung ein Toleriergerät nachgeschaltet werden. Außerdem läßt sich mit diesem Gerät mit Hilfe einer zusätzlichen Schaltung die Schweißmaschine abstellen, Bild 4.

Bei hohen Anforderungen an die Aussageunsicherheit der Geräteanzeigen oder bei besonders schwierigen Schweißproblemen können die Verfahren dadurch erweitert werden, daß über zusätzliche Schaltungen, z. B. Bild 5, mehrfach während der Stromzeit Ist-/Sollwert-Vergleiche durchgeführt werden. Hierfür sind dann zusätzlich die Toleranzgrenzen für die Sollwerte bezogen auf die einzelnen Vergleichszeitpunkte ίο bis t„ zu ermitteln. Die einzelnen Istwerte lassen sich anzeigen. Es kann aber auch hierfür ein erweitertes Toleriergerät eingesetzt werden.

Da bei dem Meßverfahren jede Änderung der Nutzwärmemenge bzw. sogar ihres zeitlichen Verlaufs

als Anzeigewert gewonnen wird, eignen sich alle Verfahren und die Meßeinrichtungen auch besonders für das Einrichten von Schweißmaschinen für neue Schweißaufgaben. Da nur ein einziges Signal aus der Steuerung der Maschine benötigt wird und außerdem die Einrichtung einfach und schnell an verschiedene Maschinen angeschlossen werden können, bieten diese Einrichtungen zusätzlich den Vorteil, daß sie sich für vorübergehende Überwachungsaufgaben an verschiedenen Maschinen einsetzen lassen.

In einer erweiterten Form der Einrichtungen können jetzt die Ausgangssignale des seismischen Gebers mit einer Soll-Ist-Vergleichsstufe für einen Stell-, Bild 6, bzw. auch für einen Regelvorgang des Schweißprozesses, Bild 7, benutzt werden. In diesem Fall werden die Ausgangssignale des Gebers einem Regelkreis zugeführt. Dieser Regelkreis kann dazu benutzt werden, den Schweißprozeß, z. B. über die Stromzeit oder über die Größe des Schweißstromes, mit Hilfe des Phasenanschnittes zu steuern. Dabei ist die Regelung des Schweißstromes vorzuziehen, da der Schweißstrom am intensivsten die Wärmebilanz am Schweißpunkt bestimmt. Das Regeln kann so erfolgen, daß bei konstanter Stromzeit der Phasenanschnitt des Schweißstroms elektronisch so nachgestellt wird, bis der vorgegebene Sollwert bzw. die Sollwerte erreicht worden sind. Sollwerte können abhängig von der Schweißaufgabe die gleichgerichteten Geschwindigkeits-, Beschleunigungsoder Wegamplituden oder die getrennt verarbeiteten positiven oder negativen Amplituden sein. Der Regelprozeß wird dabei nach einer vorgegebenen Regelkurve ausgeführt. In einer erweiterten Form dieser Einrichtung erfolgt ein mehrfacher Soll-/Istwert-Vergleich an vorgewählten Zeitpunkten für den Regelprozeß. Bei manchen Schweißaufgaben werden die Gütemerkmale durch schwankende Elektrodenkräfte beeinflußt, ohne daß sich dies in der Wärmebilanz, also auch in der Anzeige oder dem Regelprozeß, bemerkbar macht. Für diese Überwachungs- bzw. Regelaufgaben ist es notwendig, zusätzlich die Elektrodenkraft durch einen SolN/Istwert-Vergleich zu berücksichtigen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren für die Gütekontrolle beim Punkt-, Buckel- und Rollennahtschweißen, bei dem den einzelnen während der Schweißzeit erfolgenden Elektrodenbewegungen entsprechende elektrische Werte gemessen, integriert und erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Werte gemessen werden, die den absoluten Werten der positiven und negativen Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- oder Wegamplituden der einzelnen Elektrodenbewegungen entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Meßwerte vor dem Integrieren gleichgerichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß die elektrischen Meßwerte in positive und negative Impulse getrennt integriert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Meßwerte jeweils innerhalb vorgewählter Abschnitte der Stromzeit integriert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Integrieren gewonnenen Signale mit Hilfe eines Ist-/Soll-Wertvergleichs für einen Stell- oder RegeU prozeß benutzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Elektrodenkraft und ihr zeitlicher Verlauf mit überwacht werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Elektrodenbewegungen entsprechenden elektrischen Werte mittels eines Gebers gewonnen werden, der nach dem seismischen Verfahren od. dgl. arbeitet.