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Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Kontrolle von Schweißverbindungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Kontrolle von
Schweißverbindungen, bei denen ein Nachsetzweg auftritt, insbesondere Warzen- oder
Punktschweißverbindungen, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Beim Warzenschweißen hat eines der beiden miteinander zu verschweißenden
Bauteile einen definierten Vorsprung, der unter dem Einfluß eines vorgegebenen Anpreßdruckes
und eines vorgegebenen Schweißstromes mit dem anderen Bauteil verschweißt wird,
wobei sich die Elektroden während des Schweißvorganges noch um einen Nachsetzweg
relativ zueinander bewegen. Der Vorsprung wird häufig dadurch erzielt, daß das eine
Bauteil in einem vorgeschalteten Präge-Arbeitsgang mit einem Buckel oder einer Warze
versehen wird. Der Vorsprung kann aber auch auf andere Weise gebildet sein, z.B.
bei einem Drehteil durch einen axial vorspringenden Ringwulst.
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Beim Punktschweißen treten ähnliche Verhältnisse auf. Die Schweißzone
wird jedoch nicht durch einen vorgefertigten Vorsprung, sondern dadurch bestimmt,
daß ein Flächenbereich durch Andruck beider Elektroden gegen die Werkstücke unter
erhöhte Flächenpressung gesetzt wird.
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Eine einwandfreie 3schweißung erfordert eine genaue Kontrolle der
Schweißparameter. So ist es bekannt, den Schweißstrom und die Schweißzeit zu kontrollieren
und eine unzulässige Abweichung
als Fehler zu melden. Da es sich
um große Ströme und kurze Zeiten handelt, ist eine solche Überwachungsvorrichtung
aufwendig. Fehlerhafte Schweißungen, die auf anderen Ursachen beruhen, wie unzureichender
Schweißdruck, falsch geformte Warze, falsches Einlegen der Bauteile in die Maschine
u. dgl., können nur durch zusätzliche PrUfverfahren, die in der Regel eine Zerstörung
nach sich ziehen, erkannt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Kontrollevon Schweißverbindungen der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem
auf einfache Weise Fehler bei irgendeinem der Schweißparameter festgestellt werden
können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Schweißvorgang
der Nachsetzweg gemessen und ein Fehler gemeldet wird, wenn der Nachsetzweg kleiner
ist als ein vorgegebener unterer Grenzwert.
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Der Nachsetzweg ist derjenige Hub des Druckstößels der Schweißmaschine,
der während des Schweißvorganges auftritt. Er beruht darauf, daß das Material zwischen
den Elektroden infolge des Schweißstromes erweicht und durch den aufgebrachten Druck
verformt wird. Die Größe des Nachsetzweges hängt vom Einzelfall ab, liegt aber in
der Regel in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern. Ist der Nachsetzweg
zu klein, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Schweißung fehlerhaft ist, wobei
eine der folgenden Ursachen eine Rolle gespielt hat: Zu geringer Schweißstrom, zu
geringe Schweißzeit, zu geringe Höhe der Schweißwarze, zu große Wandstärke der Schweißwarze,
zu geringer Anpreßdruck, Abnutzung der Elektrode, falsch eingelegte Bauteile u.
dgl. . Nur wenn alle Parameter innerhalb enger Grenzen eingehalten worden sind,
ergibt sich eine die fehlerfreie Schweißung kennzeichnende Größe des Nachsetzweges.
Mit einem Meßvorgang werden daher alle möglichen Fehlerursachen erfaßt.
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Obwohl die verschiedensten physikalischen Einflüsse eine Rolle spielen,
darunter auch elektrische Größen, genügt eine einfache mechanische Wegmessung.
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Des weiteren kann ein Fehler auch dann gemeldet werden, wenn der Nachsetzweg
größer ist als ein vorgegebener oberer Grenzwert.
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Auf diese Weise lassen sich unter anderem folgende Fehlerursachen
berücksichtigen: Zu großer Schweißstrom, zu lange Schweißzeit, zu große Höhe der
Schweißwarze, zu geringe Dicke der Schweißwarze, zu hoher Anpreßdruck. Da aber bei
einem zu großen Nachsetzweg die Güte der Schweißverbindung weniger stark beeinträchtigt
ist als bei einem zu kleinen Nachsetzweg, kommt man in der Praxis vielfach ohne
die Fehlermeldung aufgrund eines zu großen Nachsetzweges aus.
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Zweckmäßigerweise wird das kontrollierte Werkstück beim Melden des
Fehlers gegen Entnahme gesichert und erst nach Erzeugung eines Entnahmesignals,
das nur durch einen Bevorrechtigten (Einrichter oder Vorarbeiter) gegeben werden
kann, hergegeben.
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Damit ist sichergestellt, daß das fehlerhafte Werkstück unter Kontrolle
entnommen und aussortiert wird.
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Besonders günstig ist es hierbei, wenn der Fehler durch das Ausbleiben
eines Fehlerfrei-Signals gemeldet wird und die Schweißmaschine am Ende des Schweißvorganges
zum Stillstand kommt, sofern sie nicht das Fehlerfrei-Signal empfängt. Jedes Werkstück
wird daher zunächst auf seine Güte geprüft und in Abhängigkeit vom positiven Ergebnis
freigegeben. Handelt es sich um ein fehlerhaftes Werkstück, wird es automatisch
von der zum Stillstand kommenden Maschine festgehalten.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an einer Schweißmaschine,
bei der ein Druckstößel relativ zum Maschinenständer bewegbar ist und die miteinander
zu verschweißenden Bauteile beim Hindurchschicken des Schweißstromes mit einer vorgegebenen
Kraft belastet, ist gekennzeichnet durch mindestens einen zweiteiligen Näherungsfühler,
dessen
erster Teil mit dem Maschinenständer verbunden und dessen zweiter Teil vom Stössel
mitnehmbar ist.
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Der Nachsetzweg wird daher sehr einfach durch die Relativbewegung
zwischen Druckatössel und Maschinenständer gemessen.
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Insbesondere kann der zweiteilige Näherungsfühler aus einem Mikroschalter
und einem Anschlag für dessen Druckstift bestehen. Statt dessen können aber atch
andere Näherungsftihler, z. B. berührungslos arbeitende elektronische Fühler, verwendet
werden.
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Mit besonderem Vorteil hat der zweite Fühlerteil eine Ruherstellung
mit definiertem Abstand vom ersten Fühierteil und es ist zwischen zweitem Fithlerteil
und Stössel eine zu Beginn des Schweißvorganges einschaltbare Kupplung vorgesehen,
deren erster Teil von dem Stössel mitnehmbar und deren zweiter Teil mit dem zweiten
Ftihlerteil verbunden ist. Bei dieser Konstruktion kann der Hub des Stössels vor
dem Schweißvorgang unberücksichtigt bleiben. Der zweite Fühlerteil wird mittels
der Kupplung nur während des tatsächlichen Schweißvorganges mitgenommen, das heißt
er durchläuft genau den tatsächlichen Nachsetzweg.
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Hierbei kann ein druckabhängiger elektrischer Schalter vorgesehen
sein, der anspricht, wenn der Stössel die zu verschweißenden Bauteile mit der vorgegebenen
Kraft belastet, und die Kupplung kann eine elektromagnetische Kupplung sein, die
mittels des druckabhängigen elektrischen Schalters erregt wird. Da der Schweißstrom
erst ein- -geschaltet wird, wenn der erforderliche Anpreßdruck vorhanden ist, führt
diese Anordnung dazu, daß die Kupplung erst zu Beginn des Schweißvorganges eingeschaltet
wird.
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In weiterer Ausgestaltung ist der erste Kupplungsteil auf einem Schlitten
montiert, der auf einer zur Stösselbewegung
parallelen ersten Führung
verschiebbar durch eine Feder in eine Ruhestellung führbar und von einem mit dem
Stößel verbundenen Mitnehmer mitnehmbar ist. Hierbei kann die erste Führung eine
mit dem Stößel verschiebbare Stange sein, die den Mitnehmer trägt. Außerdem kann
der Mitnehmer relativ zum Stößel verstellbar sein. Auf diese Weise braucht der erste
Kupplungsteil nicht den gesamten Stößelhub mitzumachen. Er kann vom Mitnehmer kurz
vor der Anlage des Stößels an den zu verschweißenden Bauteilen ergriffen werden.
Die Relativbewegung zwischen den beiden Kupplungsteilen ist dann entsprechend klein.
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Der zweite Fühlerteil und der zweite Kupplungsteil sind vorzugsweise
auf einen zweiten Schlitten montiert, der auf einer zur Stößelbewegung parallelen
zweiten Führung verschiebbar und durch eine Feder in die Ruhestellung führbar ist.
Auf diese Weise ergibt sich auf einfache Art eine definierte Ausgangsstellung für
die Messung des Nachsetzweges.
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Des weiteren kann der eine Fühlerteil mittels einer Mikrometerschraube
verstellbar sein. Auf diese Weise läßt sich der Grenzwert des Nachsetzweges genau
einstellen und unterschiedlichen Werkstücken auch genau anpassen.
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Mit besonderem Vorteil sind ein Arbeitskontakt eines ersten Näherungsfühlers,
der anspricht, wenn der Nachsetzwert den unteren Grenzwert überschreitet, und ein
Ruhekontakt eines zweiten Näherungsfühlers, der anspricht, wenn der Nachsetzweg
den oberen Grenzwert überschreitet, in Reihe geschaltet. Der Strompfad ist daher
zur-Abgabe des Fehlerfrei-Signals nur geschlossen, wenn der tatsächliche Nachsetzweg
sich zwischen den beiden Grenzwerten befindet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer Warzenschweißmaschine mit der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch wesentliche Teile der Kontrollvorrichtung,
Fig. 3 einen Stromkreis für: die Weiterschaltung der Schweißmaschine, Fig. 4 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines zu kontrollierenden Werkstücks (a) vor dem Schweißen
und (b) nach dem Schweißen sowie Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Werkstücks
(a) vor dem Schweißen und (b) nach dem Schweißen.
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Eine Schweißmaschine gemäß Fig. 1 weist einen Maschinenständer 1 mit
einem Auflagetisch 2 für ein Werkstück 3 auf, das aus zwei miteinander zu verschweißenden
Bauteilen besteht. Der Maschinenständer trägt einen druckmittelbetätigten Zylinder
4, an dessen Kolbenstange 5 ein Druckstößel 6 befestigt ist. Der Zylinder wird von
einer Steuervorrichtung 7 betrieben, die außer einer Druckmittelquelle Ventile aufweist.
Hierdurch wird der Stößel aus einer oberen Ruhelage nach unten geführt, bis die
Teile des Werkstücks 3 mit einer vorgegebenen Kraft aneinandergepreßt und nach dem
Schweißen wieder in die obere Ruhestellung zurückgeführt werden.
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Ein Schweißstromgenerator 8 ist einerseits mit dem Auflagetisch 2
und andererseits mit dem Stößel 6 verbunden. Ein -am Zylinder 4 angebrachter druckabhängiger
elektrischer Schalter 9 spricht an, sobald der vorgegebene Anpreßdruck
erreicht
ist, wodurch der Schweißstrom eingeschaltet wird, wie es durch die gestrichelte
Steuerleitung 10 angedeutet ist.
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Eine Vorrichtung 11 zur zerstörungsfreien Kontrolle der Warzenschweißverbindung
des Werkstücks 3 besitzt ein mit dem Ständer 1 verbundenes Gehäuse 12, in das eine
mit Stößel 6 über einen Ausleger verbundene Stange 14 ragt.
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Diese in Verbindung mit Fig. 2 noch näher zu erläuternde Vorrichtung
11 gibt über eine gestrichelte Steuerleitung 15 ein Signal an die Steuervorrichtung
7, um den Stößel bei Vorhandensein eines Fehlers in der unteren Stellung zu arretieren.
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Im Gehäuse 12 (Fig. 2) ist ein erster Näherungsfühler 16 angeordnet,
dessen erster Teil 17 über das Gehäuse 12 mit dem Maschinenständer 1 verbunden ist.
Dieser erste Teil 17 wird durch die Meßspindel einer Mikrometerschraube 18 gebildet.
Der zweite Teil 19 des Näherungsfühlers 16 ist ein Mikroschalter, der beim Auftreffen
auf einen Anschlag, dargestellt durch die Meßspindel, betätigt wird. Zwischen diesem
zweiten Fühlerteil 19 und der mit dem Stößel 6 verbundenen Stange 14 ist eine elektromagnetische
Kupplung 20 geschaltet, deren erster Teil 21 eine Magnetspule enthält und deren
zweiter Teil 22 den Anker hierfür bildet, wobei die einander zugewandten Stirnflächen
die Kupplungsflächen darstellen. Der Magnet wird vom druckabhängigen elektrischen
Schalter 9 über eine Steuerleitung 23 erregt, wenn der vorgegebene Anpreßdruck im
Zylinder 4 vorhanden ist. Der erste Kupplungsteil 21 ist an einem ersten Schlitten#
24 befestigt, der auf der Stange 14 geführt ist und durch eine Feder 25 in die veranschaulichte
Ruhelage gedrückt wird. Der Schlitten weist einen Vorsprung 26 auf, gegen den ein
auf der Stange 14 verstellbar montierter Mitnehmer 27 zur Anlage kommen kann, wenn
sich der Stößel 6 nach unten bewegt. Der zweite
Kupplungsteil 22
ist gemeinsam mit dem zweiten Fühlerteil 19 auf einem zweiten Schlitten 28 montiert,
der auf einer Führung 29 parallel zum Schlitten 24 und damit zum Stössel 6 verschiebbar
und durch eine Feder 30 in eine obere Ruhestellung drückbar ist. Der Schlitten 28
trägt seitliche Führungsstangen 31, auf denen der zweite Kupplungsteil 22 verschiebbar
gehalten ist. Er wird durch eine Feder 32 in die veranschaulichte Ruhestellung gezogen.
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Der veranschaulichte Mikroschalter 19 schließt seinen Kontakt, wenn
sein Druckstift auf den Anschlag 17 auftrifft, also wenn der zweite Schlitten 28
einen vorbestimmten Weg zurückgelegt hat. In diesem Fall wird über die Steuerleitung
15 ein Fehlerfrei-Signal an die Steuervorrichtung 7 gegeben, das bewirkt, daß der
Stössel 6 nicht in seiner unteren Endlage verbleibt. Wenn ein zweiter Näherungsfühler
vorgesehen wird, kann dieser, wie der erste Näherungsfühler 16, im Gehäuse 12 montiert
sein, beispielsweise hinter den Teilen 17 und 19. Der Mikroschalter 33 dieses zweiten
Fühlers kann dann einen Ruhekontakt haben, der mit dem Arbeitskontakt eines Mikroschalters
19 in Reihe liegt (Fig. 3).Wenn der erste Mikroschalter 19 nach einem definierten
ersten Weg geschlossen und der zweite Mikroschalter 33 nach einem etwas größeren
Weg geöffnet wird, ergibt sich über die Reihenschaltung nur dann ein die Steuervorrichtung
7 beeinflussendes Fehlerfrei-Signal, wenn der Schlitten 28 zwischen den beiden Änsprechpunkten
zum Stillstand kommt. Ein Entnahmeschalter 34 überbrückt diese Reihenschaltung und
erlaubt es, die Steuervorrichtung 7 auch unabhängig von dem Schalter 19 und 33 zu
betätigen.
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In den Figuren 4a und 4b ist ein#Werkstück#3 veranschaulicht, das
aus den beiden Bauteilen 35 und 36 besteht. Es handelt sich um zwei Bleche, von
denen in das obere eine Warze 37 geprägt worden ist. In der Ausgangsstellung, also
zu Beginn des Schweißvorgangesthaben die beiden Bleche infolge des Warzenvorsprunges
einen Abstand H1 voneinander (Fig. 4a).
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Unter dem Einfluß des Anpreßdruckes und des Schweißstromes sinkt der
Warzenvorsprung etwas in sich zusammen, so daß nach dem Schweißvorgang (Fig. 4b)
nur noch ein Abstand von H2 verbleibt. Damit ergibt sich der Nachsetzweg S - H1
-In den Fig. 5a und 5b ist ein anderes Werkstück 3 veranschaulicht, das aus einem
ersten Bauteil 38 in der Form eines Bolzens und einem zweiten Bauteil 39 in der
Form eines Bleches gebildet wird. Der Bolzen trägt am unteren Ende einen ringwulstartigen
Vorsprung 40, der den Abstand H1 vor dem Schweißen bestimmt und nach dem Schweißvorgang
derart zusammengedrückt ist, daß sich nur noch der Abstand H2 ergibt. Auch hier
ist der Nachsetzweg S - H1 - H2.
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Bei dieser Anordnung ergibt sich folgende Arbeitsweise: Die Bauteile
eines Werkstücks 3 werden auf dem Auflagetisch 2 plaziert und die Steuervorrichtung
7 wird eingeschaltet.
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Daraufhin bewegt sich der Stößel 6 im Schnellgang nach unten, bis
er das Werkstück 3 berührt. Der Mitnehmer 27 ist so eingestellt, daß er kurz vor
dieser Berührung den Schlitten 24 erreicht hat. Nun wird im Zylinder 4 der erforderliche
Anpreßdruck aufgebaut. Sobald dieser Druck erreicht ist, wird über den durckabhängigen
elektrischen Schalter 9 einerseits der Schweißstrom eingeschaltet und andererseits
die elektromagnetische Kupplung 20 erregt.
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Infolgedessen werden die Schlitten 24 und 28 miteinander gekuppelt.
Dies hat zur Folge, daß der zweite Fühlerteil 19 über den Nachsetzweg des Stößels
6 mitgenommen wird. Erreicht der Fühlerteil 19 den Anschlag 17, so wird ein Fehlerfrei-Signal
über die Steuerleitung 15 abgegeben, worauf der Stößel 6 im Schnellgang in die obere
Endlage zurückgeftihrt wird. Gleichzeitig wird die Kupplung 20 erregt und die Federn
25, 30 und 32 führen die zugehörigen Teile'in die veranschaulichte Ruhestellung
zurück.
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Wird nun aufgrund irgendwelcher Mängel der durch den Näherungsfühler
16 definierte untere Grenzwert des Nachsetzweges S
nicht erreicht,
so bleibt das Fehlerfrei-Signal aus. Infolgedessen bleibt der Stößel 6 in der unteren
Endlage stehen, weil die Steuervorrichtung 7 keinen Weiterschaltbefehl erhält. Der
Bedienungsmann kann daher das fehlerhaft geschweißte Werkstück nicht herausnehmen.
Lediglich der Einrichter oder Vorarbeiter kann durch Betätigen des Entnahmeschalters
34 den Stößel nach oben fahren lassen sowie das fehlerhafte Werkstück herausnehmen
und vernichten.
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Wenn auch gemäß Fig. 3 der obere Grenzwert des Nachsetzweges S überwacht
wird, ergeben sich analoge Verhältnisse.
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In ähnlicher Weise wird verfahren, wenn zu Beginn des Arbeitsganges
der eine Teil 35 des Werkstücks 3 von der Elektrode des Stößels 6 und der andere
Teil 36 von der Elektrode des Tisches 2 aufgenommen wird.
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Die Einstellung der Mikrometerschraube 18 hängt vom Jeweiligen Werkstück
ab. Sofern noch keine Erfahrungswerte vorliegen, kann die richtige Einstellung durch
eine zerstörende Qualitätsprüfung ermittelt oder kontrolliert werden.
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Die in Verbindung mit einer Warzenschweißmaschine beschriebene Vorrichtung
kann auch bei einer Punktschweißmaschine verwendet werden.