DE2500182A1 - Verfahren zur optischen ermittlung und optischen messung der signifikanten merkmale aus dem bild der schweisstelle beim lichtbogen-schutzgasschweissen und deren umsetzung in einer regeleinrichtung zur regelung des schweissprozesses - Google Patents

Description

• Verfahren zur optischen Ermittlung und optischen Messung der signifikanten Merkmale aus dem Bild der Schweißstelle beim Lichtbogen-Schutzgasschweißen und deren Umsetzung in einer Regeleinrichtung zur Regelung des Schweißprozesses.
• Die Erfinstung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Schweißvorganges beim Schmelzschweißen von Stößen, insbesondere Stumpfstöße durch Auswertung der optischen Bilder von Schweißbad und angrenzenden Zonen.
• Diese Aufgabenstellung liegt in der metallverarbeitenden Industrie vor, wo lange Stumpfnähte unter Schweißdrahtzugabe geschweißt werden müssen und eine gleichbleibend hohe Qualität haben müssen, z.B. im Großröhrenbau, im Schiffbau und im Behälterbau.
• Bisherige Lösungen gehen von unterschiedlichen Verfahren aus.
• Eine Möglichkeit ist das Schweißen von Hand, welches keine hohen Anforderungen an die Nahtvorbereitung stellt und vor allem Heftstellen zuläßt, wodurch teure und schwierig anzuwendende Hilfsmittel zum Fixieren der zu fügenden Werkstücke entfallen. Demgegenüber steht die mangelnde Gleichmäßigkeit der Naht und die Tatsache, daß die Wahrscheinlichkeit für Nahtfehler für viele Anforderungen zu hoch ist.
• Andere Verfahren vermeiden diesen Nachteil durch Automatisierung, d.h. durch Steuerung aller Parameter nach einem vorgegebenen Programm. Gute Ergebnisse erhält man aber nur, wenn die Nahtvorbereitung sehr exakt ist und die zu fügenden Teile sehr gut fixiert sind ohne Heftstellen. Ein Brennschnitt als Vorbereitung für eine V-Naht reicht im allgemeinen nicht aus. Weitere Verfahren benutzen Hilfsmittel, die den Verlauf des Schweißvorgangs selber unkritischer gegen Störungen werden lassen. Speziell beim Wurzelechweißen werden sogenannte Badsicherungen benutzt, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben und die Naht von unten auffangen, so daß mit räumlich wesentlich ausgedehnterer Schmelze gearbeitet werden kann und alle Unregelmäßigkeiten in den Bereich des flüssigen Materials fallen und mit öberschweißt werden.
• Ein weiteres bekanntes Verfahren geht von der Tatsache aus, daß sich beim Schmelzschweißen von Stumpfnähten in der Wurzel eine ellipsenähnliche Erweiterung des Spaltes (Stegabstandes) durch Aufschmelzen des Grundwerkstoffes, die in der Literatur gelegentlich "Schweißöse" genannt wird, ausbildet und das Abtasten dieser Schweißöse an zwei oder drei Punkten eine genügende Information über die Qualität der Schweißstelle ermöglicht. In der Praxis ist dieses Verfahren, das nur wenige Punkte der Schweißöse vermißtßbisher nicht angewendet worden, weil durch die erforderliche pendelnde Bewegung des Schweißbrenners und magnetische Wirkungen auf den Lichtbogen die Schweißöse auch bei guten Ergebnissen stark variiert und die Vermessung weniger Punkte keine genügende Information ergibt.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schweißbad auf der lichtempfindlichen Schicht eines ein- oder zweidimensionalen Rezeptorarrays oder vorzugsweise einer Fernsehkamera abgebildet und durch den Abtastvorgang des Fernsehsystems in eine bestimmte Zeitfunktion transformiert wird, die sich elektronisch auswerten läßt. Durch an sich bekannte elektronische Schaltungen können Linien konstanter Helligkeit bzw.
• Linien senkrecht zu starken Helligkeitsgradienten festgelegt werden. Diese Schaltungen werden benutzt, um die Grenze zwischen flüssigem und festem Material oder zwischen Spalt und Schmelze festzustellen. Durch Verfahren der Mustererkennung oder geometisches Vermessen dieser Figuren und eine Vorverarbeitung der gemessenen Werte sowie nachfolgende Korrelation mit vorgegebenen Werten ergeben sich Größen, die unmittelbar auf Stellglieder zur Einstellung der Schweißparameter (Vorschub, Zusatzzugabe, Schweißgeschwindigkeit) wirken, so daß die Schweißnaht bei variablen Streckenparametern immer optimal ausgeführt wird.
• Weitere Einzelheiten ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel: Figur 1 zeigt eine Anordnung zum WiG-WurzeischweiBen bestehend aus einer an sich bekannten mechanischen Vorrichtung zur Führung des WiG-Brennere und des Zusatzdrahtes, die im freien Winkel zwischen dem Brenner und dem Zusatzdraht eine Fernsehkamera trägt, die mit einem Auswertegerät verbunden ist, das über Steuerleitungen den Drahtvorschub, den Schweißstrom und den Vorschub des Brenners regelt: Zwei zu fügende Platten 1 sind an der linken Seite durch eine Wurzelnaht 10 verbunden. Am rechten Ende der Wurzelnaht befindet sich die Schweißstelle 9, rechts davon der offene Luftspalt 11. Unmittelbar über dem Schweißbad 9 endet die nicht abechmelzende Elektrode 2 geführt von der Vorschubeinrichtung 4 und versorgt über ein Schlauchpaket von der Schweißstromquelle 8.
• Unmittelbar über der SchweiBstelle 9 befindet sich ebenfalls das Ende des Zusatzdrahtes 3, der von der Vorschubeinrichtung 5 impulsfõrmig in das Schweißbad getaucht und wieder zurückgezogen wird. Zwischen den Vorschubeinrichtungen 4 und 5 befindet sich das Bildaufnahmegerät 6. 4, 5 und 6 sind mechanisch miteinander gekoppelt und bewegen sich mit der SchweiBgeschwindigkeit über die Naht. Das Bildsignal aus dem Bildaufnahmegerät 6 wird verarbeitet von dem Auswertegerät 7, das die Schweißstromquelle 8. die Schweißgeschwindigkeit und die Schweißdrahtzugabe steuert.
• Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung bestehend aus einer Fernsehkamera 1, einem Empfänger und Separator für Synchron- und Helligksitssignale Z, einem Schwellendiskriminator mit einer oder mehreren Stufen 3, einem Erkenner 4, einem Regler 5 und den Stellgliedern für den Schweißstrom 6, die Schweißgeschwindigkeit 7 und den Drahtvorschub 8 sowie dem Monitor 9.
• Die handelsübliche Kamera 1 nimmt das Bild des Schweißbades auf und wandelt es in eine zeitliche Funktion aus Synchron- und Helligkeitssignalen um. Der Empfänger und Separator empfängt diese Signale und trennt das Helligks'ttasignal von den Synchronimpulsen. Der Schwsllendiskriminator 3 teilt die Helligkeit in wenige Stufen auf und meldet das Ober- und Unterschreiten dieser Stufen als digitale Signale dem Erkenner 4. Der Erkenner wertet die Synchronsignale und die Signale aus 3 so aus, daß zunächst Linien des übergangs von einer Helligkeit zur anderen entstehen, die den Umriß des Schmelzbaches wiedergeben und auf dem Monitor 9 sichtbar gemacht werden.
• Weiterhin werden die Umrisse in 4 vermessen, mit Sollwerten korreliert und dann umgesetzt in Größen, die ein Maß für den momentanen Zustand des Schweißbades sind. Diese werden dem Regler 5 zugeführt, der die Stellglieder#6, 7 und 8 ansteuert.
• Figur 3 zeigt als Beispiel eine Wurzelnaht in einem V-förmigen Spalt.
• Zunächst befindet sich zwischen zwei an den Kanten abgeschrägten dicken Blechen 1, ein Luftspalt 2. Am oberen Ende ist dieser Spalt durch eine Wurzelnaht 3 geschlossen. An der eigentlichen Schweißstelle entsteht durch Anschmelzen der Kanten 4 eine sogenannte Schweißöse 5, die zur Wurzelnaht hin durch das Schweißbad 6 begrenzt ist.
• Figur 4 zeigt die Konturen von Schweißöse, Schweißbad und Luftspalt.
• Die Schweißrichtung verläuft von links nach rechts. Die Begrenzung des Schweißbades 1 umfaßt die Kontur der Schweißöse 2.
• Beide liegen asymmetrisch zum Luftspalt 3 und sind in ihrer Form abhängig von der mechanischen Brennerführung.
• Figur 5 zeigt durch eine im Erkenner durchgeführte Vorverarbeitung von Verzerrungen durch die Brennerbewegung quer zur Schweißrichtung befreite Konturlinien des SchweiBbades, der Schweißöse und des Luftspaltes.
• Die Kontur des Schweißbades 1 und der Schweißöse 2 zeigen nun in guter Näherung eine Ellipsenform bzw. eine Kreisform. Diese entsteht aus der asymmetrischen Form (siehe Figur 4) durch Ausmessen der Sehnen längen 5 quer zur Schweißrichtung und Auftragen der halben Sehnen länge symmetrisch nach beiden Seiten der Mittellinie des Schweißspaltes.
• In der Praxis ergibt sich eine sehr gute Annäherung an diese einfachen geometrischen Formen, die sich nunmehr durch drei Maßzahlen (Lage, Halbachsen) beschreiben lassen, so daß sich der Sollwertvergleich, der zur Erkennung des Gut- oder Schlecht-Zustandes führt, auf den Vergleich dreier gemessener Größen mit den entsprechenden Sollwerten reduziert.
• Sehr störend bei der Aufnahme des Bildes des Schweißbades und der Schweißöse ist die Leuchterscheinung des Lichtbogens.
• Dieser Einfluß läßt sich beseitigen durch Anwendung einer gepulsten Schweißstromquelle. Bei dieser Variante wird der Schweißstrom periodisch abgesenkt oder ganz unterbrochen, so daß der Lichtbogen verloscht. Das Objektiv der Fernsehkamera wird nur dann freigegeben, wenn der Lichtbogen stark verkleinert oder ganz unterdrückt ist. Auf der Fernsehkamera entsteht ein stroboskopisches Bild, auf dem der Lichtbogen überhaupt fehlt. Als weitere Maßnahme zur Verbesserung der Auswertemöglichkeiten ist der Zusatzdraht nicht kontinuierlich in das Schweißbad vorzuschieben, sondern durch eine an sich bekannte Anordnung in einer Vor- und Rückwärtsbewegung zu "takten", so daß in dem Schweißbad ein Stück abschmilzt, der Draht sodann zurückgezogen wird und das Bild der Schweißöse freigibt und dann wieder vorgeschoben wird.
• Das Verfahren kann auch mit einem Bildaufnahmegerät ausgeführt werden, das von einer handelsüblichen Fernsehkamera erheblich abweicht. Stattdessen können zweidimensionale Fotorezeptorarrays benutzt werden, bei denen die Helligkeit des Bildes zeilenweise herausgelesen wird. Es kann auch ein eindimensionales Fotorezeptorarray benutzt werden, über das das Bild hinweggeschoben wird, so daß die ganze Bildinformation ausgewertet werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung eines Lichtbogen-Schutzgas-Schweißprozesses dadurch gekennzeichnet, daß das zweidimensionale Bild des Schweißbades und der umgebenden Zonen einer Bildverarbeitung unterworfen und mit Verfahren der Korrelation und der Mustererkennung nach der Qualität der Schweißstelle klassifiziert wird und daraus Größen zur Regelung der Schweißparameter abgeleitet werden.

2. Verfahren nach 1 dadurch gekennzeichnet., daß die Helligkeit des Lichtbogens periodisch gesenkt oder ganz gelöscht wird und die Bildaufnahme nur in diesen Zeitintervallen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein vorhandener Zusatzdraht durch eine an sich bekannte Anordnung nach dem taktweisen Abschmelzen kleiner Materialmengen zurückgezogen wird und die übergangszone zwischen Schweißbad und Schweißöse bis zum Anfang des kalten Luftspaltes mit zur optischen Auswertung herangezogen wird.

4. Verfahren nach 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zweidimensionalen Bild nur geeignete Konturen zur Auswertung herangezogen werden.

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