DE2445132A1

DE2445132A1 - Verfahren und anordnung zur schweissguetepruefung

Info

Publication number: DE2445132A1
Application number: DE19742445132
Authority: DE
Inventors: Bernard Taeschler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-09-20
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1975-03-27
Also published as: ES430181A1; FR2244987A1; JPS5078380A; FR2244987B1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. E. Eder

Dlpl.-lng. K. Schieschke 24Λ ζ 1 3?

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Bernard TISCHLER Vevey/ Schweiz

VERFAHREN UlTO ANORDIiUFG ZUR SCHWEISSGÜTEPRÜMJNG

Die Erfindung betrifft im allgemeinen die Kontroll der einem Werkstück während seiner Erwärmung zugeführten Wärmeenergie und insbesondere die Schweißgüteprüfung anhand der von den zu verschweißenden Werkstücken während des Schx-jeißens absorbierten Wärmeenergie.

Obwohl die nachfolgende Beschreibung in erster Linie die Punktschweißgüteprüfung behandelt, läßt sich die Erfindung auf alle möglichen Schweißverfahren anwenden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur'Schweißgüteprüfung,z.B. mittelbare, zerstörende Prüfverfahren, mit welchen eine konstante Prüfung einer bestimmten Anzahl nacheinander erfolgender Schweißüngen nicht möglich ist, da nur periodisch geprüft werden kann. Außerdem ist mit diesen Verfahren eine teilweise oder völlige Zerstörung der Probestücke verbunden.

Es gibt aber auch zerstörungsfreie Prüfverfahren für Punktschweißungen, wobei heute hauptsächlich die zwei nachstehend beschriebenen Verfahren Anwendung finden:

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1. Die Ultraschallprüfung: dieses Verfahren eignet sich praktisch nur für sehr dicke Werkstücke und erfordert eine Kopplungsflüssigkeit, in welche die Ultraschallsonde und die geschweißten Werkstücke eingetaucht werden müssen. Das Verfahren ist umständlich, erschwert die konstante Prüfung einer Reihe von Werkstücken und verteuert die Schweißkosten. Die Prüfung läßt sich dabei nur an einer "beschränkten Anzahl Schweißstellen durchführen, und nicht an Schweißpunkten mit Spitzen oder anderen Unebenheiten, da diese die Ultraschallsonde "beschädigen würden.

2. Die Dilatationsprüfung: dieses Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise eine konstante Prüfung und gestattet eine unmittelbare Prüfung jeden Punktes während der Schweißarbeit. Da aber die Dehnung angesichts der Abmessungen der Schweißelektroden im allgemeinen sehr gering ist, ist dieses Verfahren kompliziert in der Durchführung. Insbesondere bedarf es hierzu Schweißelektroden geringer Trägheit, die von einem Präzisionsmechanismus betätigt werden, der mit der übrigen Schweißmaschine nicht vereinbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Anordnung zur Schweißgüteprüfung zu schaffen, die die Nachteile bekannter Verfahren ausschließen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle der einem Werkstück zugeführten Wärmeenergie vor, insbesondere zur Bchweißgüteprüfung, gekennzeichnet durch Erfassung der vom Werkstück während seiner Erwärmung abgegebenen Infrarotstrahlung, Erzeugung eines zur Intensität der Infrarotstrahlung proportionalen Meßsignals, Erzeugung eines von der Sollzufuhr an Wärmeenergie abhängigen Bezugssignals, Vergleichen des Meßsignals mit dem Bezugssignal und Anzeige eines KontidlsLgnals, sobald das Meßsignal dasBezugssignal übersteigt.

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Weiter sieht die Erfindung eine Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens vor, mit einem auf eine bestimmte Zone des erhitzten Werkstückes ausrichtbaren Infrarotdetektor und einen an den Detektor angesclibssenen Meßkreis, gekennzeichnet durch eine Kaskadenschaltung einer ersten Verstärkerstufe, welche ein zu der vom Detektor empfangenen Infrarotstrahlung proportionales elektrisches Signal liefert, einer zx^eiten Verstärkerstufe zur Umformung· des von der ersten Verstärkerstufe erhaltenen Signals, und einer dritten, mit einer Bezugsspannungsquelle verbundenen Verstärkerstufe zum Vergleichen des von der zweiten Verstärkerstufe erhaltenen Signals mit dem Signal der Bezugsspannungsquelle.

Die Erfindung schafft somit ein leicht anzuwendendes Prüfverfahren, welches eine unmittelbare Schweißgüteprüfung mit einfachen und daher wenig kostspieligen Mitteln gesbattet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

^Die Erfindung wird nachfolgend anhand öines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufriß einer Punkt-

schweißmaschine mit einer Prüfvorrich-. tung nach der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt durch einen an der Punktschweißmaschine nach Fig. 1 zu verwendenden Detektor;

Fig. 5 eine mit dem Detektor nach Fig. 2 zusammenwirkende Schaltanordnung;

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Fig. M-A

bis 4-C zeitbezogene Spannungskurven zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3»

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer aus einer Anzahl der erfindungsgemäßen '■Prüfvorrichtungen bestehenden Prüfeinrichtung für das Mehrstellenschweißen;

Fig. 6 ein Kurvenbild zur VeranschaüLichung der Arbeitsweise der Einrichtung nach Fig. 5·

Fig. 1 zeigt schematised, eine Punktschweißmaschine mrt einem Ständer B, einer Ausladung P und Schweißelektroden E. und Ep zwischen welchen zwei zu verschweißende Werkstücke S_x, undS

undS„

angeordnet sind, wobei die obere Elektrode E. gegenüber der unteren Elektrode Ep bewegbar ist.

Während der Schweißung wird bekanntlich der den eigentlichen Schweißpunkt umgebende Bereich a sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Die zugeführte Wärmeenergie führt zu einer gewissen, von den zu schweißenden Werkstücken abgegebenen 'Strahlung, insbesondere Infrarotstrailing. Die Intensität dieser Strahlung gibt erwiesenermaßen Aufschluß über die Schweißgüte. Nach der Erfindung wird die Intensität der Infrarotstrahlung gemessen und der erhaltene Meßwert zur Schweißgüteprüfung verwendet.

Zu diesem Zweck ist an der Ausladung P ein Haltebügel 1 vorgesehen, an -welchem ein .Infrarot-Detektor 2 beweglich befestigt ist. Dieser ist z.B. über die in der Zeichnung dargestellten Mittel präzise auf einen bestimmten Bereich der Zone a der Schweißstelle ausrichtbar. An den Detektor 2 ist über ein Kabel 4· ein Meßkreis 5 angeschlossen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist

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der Detektor ein vorzugsweise zylindrisches Metallgehäuse 5 auf, in dessen unterem Bereich eine Ausnehmung 6 für einen Montageblock 7 vorgesehen ist. Dieser dient zur Aufnahme einer Fotozelle 8, eines Infrarotfilters 9 und einer Sammellinse 10, wobei all diese Teile in dem Block 7 mittels eines aufschraubbaren Rings Ungehalten werden. Die Fotozelle 8 ist über eine im Gehäuse 5 vorgesehene Anschlußklemme 12 mit dem Kabel 4-· "verbunden.

Im oberen Bereich des Gehäuses sind seitlich zwei fluchtende Gewindezapfen 13 vorgesehen, die zur Befestigung am Haltebügel 1 dienen.

Die Fotozelle besitzt z.B. eine spektrale Empfindlichkeit von 10.000 bis 36.000 S, eine Empfindlichkeit s. von 0,4-, wobei s das Verhältnis

darstellt. Hierbei ist

I-, der Wider stand bei Licht und

I-, der Widerstand bei Dunkelheit;

der Verhältniswert von Signal/Bauschen bei 20.000 S. ist

Vorzugsweise hat das Infrarotfilter 9 die gleichen spektralen Eigenschaften wie die Fotozelle 8;die Verwendung dieses Filters ist erforderlich um durch Fremdlicht auftretende Schwankungen auszuschließen.

Die Sammellinse 10 ermöglicht ein genaues Ausrichten auf einen ganz bestimmten Bereich der Schweißzone a (Fig. 1) und schützt die Fotozelle 8 vor z.B. durch etwaige Funken verursachten Störstrahlen.

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Pig. 3 zeigt eine mögliche Ausbildung des an den ■beschriebenen Detektor angeschlossenen Meßkreises 3· Dieser schließt einen ersten Punktionsverstärker 14 ein, dessen erster Eingang I mit dem Detektor 2 über eine Eingangsklemme 16 und das Kabel 4 verbunden ist. Der andere Pol des Detektors 2 ist über eine Eingangsklemme 15 mifc dem Ausgang III des Funktionsversiärkers 14 verbunden. Somit ist der Detektor als Blindwiderstand des Punktionsverstärkers 14 geschaltet. Über ein Widerstandsnetzwerk 17, das über eine positive Spannung führende Leitung 18 an eine stabilisierte Spannungsquelle 19 angeschlossen ist, lassen sich die entsprechenden Spannungen an die Eingänge I und II legen. Aufgrund dieser Anordnung ist die am Ausgang des Verstärkers anliegende Spannung direkt proportional dem Widerstand der Fotozelle 8.

Der Ausgang III des Verstärkers 14 ist über einen Widerstand 20 mit dem Eingang I eines Differentialverstärkers 21 verbunden, an dessem zweiten Eingang II eine Bezugsspannung anliegt, die von einem mit der Leitung 18 verbundenen Widerstandsnetzwerk 22 geliefert wird. Zur Anpassung des Meßkreises an die Intensität der erfaßten Strahlung ist dem Verstärker 21 ein Regelxtfiderstand 23 parallelgeschaltet. Der Ausgang III des Verstärkers 21 ist über einen Widerstand 24 mit dem Eigang I eines Vergleichsverstärkers 25 verbunden, dessen Eingang I über eine Zenerdiode 26, welche den Eingangssignalwert auf eine akzeptable Größe begrenzt, an Masse gelegt ist. Der zweite Eingang II des Verstärkers 25 ist an ein Bezugsnetzwerk 27 angeschlossen, welches zur Einstellung des Vergleichspegels ITC (Pig. 4C) des Verstärken 25 dient.

Pig. 4A und Pig. 4B zeigen die an den Punkten A und B des Meßkreises 3 auftretenden Signalformen. Pig. 4C zeigt für drei unterschiedliche Strahlungssignale am Punkt C der Schaltung erhältliche Sechteckimpulse. Wie ersichtlich, ist die Länge der Rechteckimpulse direkt proportional zu der vom Detektor 2 erfaßten Strahlungsintensität.

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_ π

Da das Signal in Form eines Rechteckimpulses unterschiedlicher Längen am Ausgang 28 des Meßkreises 3 erscheint, läßt es sich auf einer (in Slg. 3 nicht dargestellten) -Anzeigevorrichtung entweder analog über einen an sich "bekannten Integrator oder numerisch mittels einer entsprechenden logischen Schaltung darstellen. Das erhältliche Signal kann somit Aufschluß über die Güte der durchgeführten Schweißung geben.

Bisher hat man die Güteprüfung ^ieils nur an einer einzigen Schweißstele durchgeführt. Diese Prüfung läßt sich aber auch an vielen Punkten gleichzeitig vornehmen, wobei ebenso viele Meßkreise 3 und Detektoren 2 vorgesehen werden müssen wie Schweißstellen vorhanden sind.

In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild, einer solchen Prüfeinrichtung für ein Mehrstellen-Punktschweißaggregat dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird in einem Arbeitsgang der Maschine an mehreren Punkten, z.B. an ca. zwölf, gleichzeitig geschweißt.

Die dargestellte Einrichtung schließt daher 'zwölf Detektoren 2-1 bis 2-12 ein, welche mit zwölf Meßkreisen verbunden sind, die alle wie vorstehend beschrieben aufgebaut sind. Die Ausgänge 28 der Meßkreise 3-1 bis 3-12 sind zu den jeweiligen Eingängen der beiden Gatterreihen 29 und 30 parallelgeschaltet. Die Reihe 29 besteht aus UND-Gattern 29a, 29b und 29c, die andere Reihe 30 aus TOTD-Gattern 30a,30b und 30c.

Die Ausgänge der TJHD-Gatter 29 sind an einem Knotenpunkt 31 zusammengeschlossen, der mit einem Eingang eines UHD-Gatters 32 verbunden ist.

Die Ausgänge der UUD-Gatter 30 sind in einem Knotenpunkt 33 · zusammengeschlossen, der mit einem Eigang eines ODER-Gatters 3^ verbunden ist.

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Zur Anzeige der aus den zwölf Meßkreisen 3-1 "bis 3-12 erhaltenen längsten und kürzesten Rechteckimpulse und zur Beurteilung der im Laufe eines einzigen Zyklus erhaltenen Gesamtschweißgüte, ist eine logische Steuerschaltung vorgesehen, welche aufgrund der gelieferten Meßwerte den Wechselstrom des Schweißzyklus beeinflußt.

Zu diesem Zweck geht vom Schalt-Steuerschrank 35, über welchen den Elektroden der Schweißmaschine der Hauptschweißstrom zugeführt wird, ein Befehlskanal 36 ab, auf welchem ein Rechtecksignal (Welle A in Fig. 6) erscheint,und während der Dauer des Hauptstroms (d.h. während der ersten Phase des Schweißzyklus ·, vor der Preßphase) bestehen bleibt.

Der Kanal 36 ist mit einem lulldurchgang-Detektor 37 gekoppelt, welcher jeweils beim Kulidurchgang des aus dem Kanal 36 erhaltenen Signals einen Impuls erzeugt (Welle B, Fig.6). Diese Impulse werden einem programmierbaren Teilerkreis 38 zugeführt, welcher zur Regulierung des Teilungsfaktors von einem Regelkreis 39 gesteuert wird. Der Teilerkreis 38 liefert bei Vorgabe einer bestimmten Impulsanzahl ein Signal (Welle C, Fig. 6), welches den beiden Efppkreisen 40 und 41 paallel zugeführt xvird. Diese liefern jexveils zwei Befehlsausgänge, die den UND-Gattern 32 und34 über die Leitungen und 43 und den UND-Gattern 44 und 45 über die Leitungen 46 und 47 zugeführt werden.

Die Gatter 44 und 45 haben jeweils drei Eingänge, wovon der erste jeweils mit dem zugehörigen Kppkreis verbunden ist, der zweite mit einem gemeinsamen Oszillator 48, welcher Impulse einer bestimmten .Frequenz liefert, und der dritte mit dem j'eweiligen Ausgang der Gatter 32 und 34.

Die Gatter 44 und 45 sind an ihren Ausgängen mit Zählers 49 und 50 gekoppelt, welche ihrerseits über Umsetzer 51 unä 52 verbunden sind, die numerisch den aus den Meßkreisen 3-1 bis 3-12 erhaltenen kürzesten und längsten Rechteckimpuls darstellen. Dabei kann ein elektronischer Schalter zwischengeschaltet

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werden, welcher wechselweise von dein den längsten Impuls fuhrenden -Kanal auf den den kürzesten Impuls führenden Kanal schaltet, um eine einzige Anzeige zu erhalten, welche beide Informationen auf einmal darstellt.

Eine analoge Anzeige ist mittels eines Integrators 55 möglich, welcher zwischen die Ausgänge der UND-Gatter '32^ und 3^- und ein Analog-Sichtgerät 56 geschaltet ist.

Die Wellen D,E und P in Pig. 6 stelen jeweils die von den UND-Gattern 29a,29b und 29c erhaltenen Signal dar, aus denen das UND-Gatter 32 das kürzeste (Welle H) und das ODEE-Gatter 34· das längste (Welle G) Signal auswählt.

Das UND-Gatter 44-liefert somit eine Impulsfolge, deren Anfang zeitlich durch die Erzeugung eines Ausgangssignals durch den Teilerkreis 38 ausgelöst und deren Ende durch das Ende des kürzestens Rechteckimpulses (Welle J) bestimmt wird. Das UND-Gatter 45 liefert eine Impulsfolge, deren Dauer von demselben Signal des Teilerkrenses 38 ausgelöst wird, deren Ende aber dem Ende des längsten Rechteckimpulses (Welle I) entspricht.

Während die vorstehend beschriebene numerische Messung im Laufe der Schweißung ab einem durch den programmierbaren Teilerkreis 38 bestimmten Zeitpunkt erfolgt, wird die analoge Messung vorzugsweise am Ende der Schweißung über den. Sehalt-Sfcßuerschrank 35 gesteuert vorgenommen.

Die Wellen K und L stellen die vom Integrator 55 gelieferten Signale dar, die der Anzeigevorrichtung 56, z.B. einem Galvonameter, zugeführt werden.

Patentanwälte

Dfpl.-Jng. E. Eder

DIpl.-Ing. K. Schieschke

8 ftflnchen 13, Elisabethstraße 34

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Claims

Patentanwälte

"'>^r - F- ^Eder *) / / E 1 Q ^

g- K. Scr.ieächko 4 4 4 0 I J /C

β München 13,

Patentansprüche

Verfahren zur Kontrolle der einen Werkstück während seiner Erwärmung zugeführten Wärmeenergie, insbesondere zur Schweißgüteprüfung unter Erfassung der von dem Werkstück infolge seiner Erxijärmung abgegebenen Infrarotstrahlung und Erzeugung eines zur Intensität der Strahlung proportionalen Meßsignals, gekennzeichnet durch Vergleichen des Meßsignals mit einem Bezugssignal und Erzeugung eines Impulses, dessen Dauer ein Maß für die zugeführte Wärmeenergie darstellt, wobei mindestens eine Impulsflanke erzeugt wird, wenn Meßsignal und Bezugssignal gleich sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erzeugung eines Befehlsimpulses, dessen Beginn im Erwärmungszyklus zeitlich vom Beginn der Zufuhr von Wärmeenergie an das Werkstück abhängig ist, wobei man die andere Flanke des Meßimpulses mit dem Beginn des Befehlsimpulses zusammenfallen läßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch Erzeugung von Zählimpulsen, durch Zählung der Impulse während der Dauer des Meßimpulses und durch Anzeige des Zählergebnisses als numerische Ablesung der zugeführten Wärmeenergie.
4-, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßte Infrarotstrahlung in einem Bereich von ca. 10.000 - 36.000 2. liegt.·

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5. Schaltanordnung zur Ihirchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, mit mhdestens einem auf mindestens eine Zone des erhitzten Werkstückes ausrichtbaren Infrarotdetektor, mindestens einem an den Detektor angeschlossenen Meßkreis und einer Verstärkerstufe, welche ein zu der vom Detektor empfangenen Infrarotstrahlung proportionales elektrisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis (3) einem mit einer Bezugsspannungsquelle gekoppelten Vergleüier (25) zum Vergleich des proportionalen Signals mit dem von der Bezugsspannungsquelle (27) erhaltenen Signal aufweist, wobei die Prüfvorrichtung eine logische Schaltung (44;45) zur Erzeugung eines Meßimpulses aufweist, dessen Dauer ein Maß für die dem Werkstück (S^, S^) zugeführte Wärmeenergie darstellt, wobei eine Planke des Impulses zeitlich mit dem Moment zusammenfällt, an dem der Vergleicher (25) Gleichheit des Bezugssignals und des vom Verstärker (14,17,21,22) erhaltenen Signals feststellt.
6. Schaltanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle (27) Regelelemente zur Einstellung des Vergleichspegels (ITC) des Vergleichers (25) abhängig von der zugeführten Wärmeenergie aufweist.
7. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch Steuerelemente (36bis 39) zur Bestimmung der zweiten Flanke des Meßimpulses abhängig vom Zeitpunkt der Zufuhr von Wärmeenergie an das Werkstück (S_x., Sp).
8. Schaltanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung mindestens ein UITD-Gatter (44·; 45) einschließt, dessen Eingänge jeweils mit dem Vergleicher (25) und den Steuerelementen (36 bis 39) verbunden sind.
9. Schaltanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Zählimpulsgeber (48), der mit dem dritten Eingang des UND- ' · Gatters (44;45) verbunden ist, wobei der Ausgang des UUD-Gatters über einen Zähler (49;50) mit einer Anzeigevorrichtung (51,52; 53,54) gekoppelt ist.

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10. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 5 "bis 9 zur Kontrolle der an mehreren Stellen eines Werkstückes während eines Erwärmungszyklus zugeführten Wärmeenergie, insbesondere zur gleichzeitigen Schweißgüteprüfung an mehreren Stellen eines Werkstückes, gekennzeichnet durch eine Anzahl Detektoren (2-1,"... 2-12) und eine Anzahl Meßkreise (3-1,..- 3-12), wobei die Meßkreise mit der logischen Schaltung (4-4-,4-5) über logische Auswahl elemente (29,30»32,34-) zur Auswahl der Meßimpulse mit der längsten und/oder mit der kürzesten Dauer verbunden sind.
11. Schaltanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlelemente mindestens eine Reihe (29,30) UND-Gatter (29a,29b,29c; 30a,3Ob/,30c) einschließen, deren Eingänge jeweils mit den Ausgängen (28) der Meßkreise (341,...·. 3-12) und deren Ausgänge entweder mit einem UND-Gatter (32) oder einem ODER-Gatter (4-3) gekoppelt sind, dessen Ausgang mit der logischen Schaltung (4-4-,4-5) verbunden ist.
12. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch^gekennzeichnet,

daß die logische Schaltung zwei UND-Gatter (4-4-,4-5) einschließt, zur Verarbeitung des längsten und des kürzesten Meßimpulses, wobei jedes UND-Gatter mit einer getrennten Zähl- und Anzeigeschaltung (49,5153; 50,52,54) verbunden ist.

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