DE2511915B2

DE2511915B2 - Verfahren und vorrichtung zum teilautomatisierten lichtbogenschweissen mit fugengesteuertem schweissguteinbringen

Info

Publication number: DE2511915B2
Application number: DE19752511915
Authority: DE
Inventors: Ola Dipl -Ing Nardos letta Thorbjornsen Tore Torstein Dipl Ing Skollenborg Westby, (Norwegen)
Original assignee: Kongsberg Vapenfabrikk AS
Current assignee: Kongsberg Gruppen ASA
Priority date: 1974-03-21
Filing date: 1975-03-19
Publication date: 1977-09-15
Also published as: GB1506621A; NL7503424A; JPS50158549A; DE2511915A1; SE7503147L; IT1032376B; FR2264618A1; DE2511915C3; NO132983B; NO741011L; SE406285B; NO132983C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum teilautomatischen Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode, mit einer Steuerung von Schweißparametern durch eine dem Schweißkopf voranlaufende Meßeinrichtung zum Erfassen wenigstens einer Di-Andererseits ist es bei Verfahren anderer Gattung

J5 bekannt (vgl. DT-AS 1152208), beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode einen gleichfalls abschmelzenden Zusatzdraht einzusetzen, dessen Zuführung nach Maßgabe einer oszillatorischen Bewegung der Elektroden über der Werkstückoberfläche zeitlich variiert. Eine Steuerung ist damit aber nicht verbunden. Bei einem weiteren Verfahren anderer Gattung (vgl. US-PS 2681401) ist es bekannt, beim Lichtbogenschweißen einen stromlosen, abschmelzenden Zusatzdraht, der nach Höhe und Winkel einstellbar ist, in den Lichtbogen zu bringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung so auszugestalten und weiterzubilden, daß eine einfache

und zuverlässige Steuerung des Schweißvorgangs auch beim Vorliegen von Unregelmäßigkeiten der zu schweißenden Werkstücke ermöglicht wird. Aufgabe der Erfindung ist weiter, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise ein stromloser Zusatzdraht, der aus der Richtung der Nahtachse dem Mittelteil des Lichtbogens zugeführt wird, verwendet wird und daß dessen Abstand von der Werkstückoberfläche und/oder dessen Winkel zur Werkstückoberfläche in Abhängigkeit von den von der Meßeinrichtung abgegebenen Signalen gesteuert wird. - Wie eingangs erläutert, bezieht die Erfindung sich sowohl auf das Verbindungsschweißen, wobei die Steuerung des Zusatzdrahtes beispielsweise nach Breite oder Tiefe der Schweißfuge erfolgt, als auch auf das Auftragsschweißen, wobei der Zusatzdraht beispielsweise gemäß einer bereits aufgetragenen Schweißraupe oder nach dem Verlauf einer Werkstückkante gesteuert wird. In jedem Fall führt die Steuerung des Zusatzdrahtes zu einer Beeinflussung von Querschnitt und/oder Form des Lichtbogens dahingehend, daß selbst bei erheblichen Werkstückvariationen eine Schweißnaht von vorgegebener Beschaffenheit gelegt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß außerdem der Zusatzdraht mit steuerbarer Geschwin-

(f

digkeit dem Lichtbogen zugeführt wird. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, die zu legende Schweißnaht hinsichtlich mindestens einer weiteren Dimension zu beeinflussen. Eine weitere vorteilhafte Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß für die über die ganze Fugenlänge bestimmte Dimension des Fugenquerschnitts eine Kenngröße bestimmt wird und daß der Zusatzdraht nach Maßgabe der Kenngröße auf der ganzen Fugenlänge in konstantem Abstand von der Werkstückoberfläche und/oder unter konstantem Winkel zur Werkstückoberfläche gehalten wird. Bei der Kenngröße, die für den Verlauf der zu schweißenden Fuge bzw. Schweißraupe insgesamt eine charakteristische Bezugsdimension darstellt, kann es sich beispielsweise um den Durchschnittswert der erfaßten Dimension des Fugenquerschnitts handeln.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die einen Schweißkopf zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück sowie zum Führen des Lichtbogens längs einer Schweißfuge, ferner eine Meßeinrichtung aufweist, die längs der Schweißfuge in einem gewissen Abstand vor dem Schweißkopf geführt ist, wobei die Meßeinrichtung beständig wenigstens eine Dimension des Querschnitts der Schweißfuge erfaßt und mindestens einen der erfaßten Dimension bzw. den erfaßten Dimensionen entsprechenden Meßwert einer Steuereinrichtung zur Steuerung von mindestens einem Schweißparameter zuleitet. Der Ausdruck »Schweißfuge« bezieht sich auch hier einerseits auf eine Fuge im eigentlichen Sinn beim Verbindungsschweißen sowie auf eine bereits gelegte Schweißraupe oder Werkstückkante beim Auftragsschweißen. In vorrichtungsmäßiger Hinsicht lehrt die Erfindung, daß der Schweißkopf zur Zuführung eines stromlosen Zusatzdrahtes in den Lichtbogen eingerichtet ist, und daß die Steuereinrichtung zur Steuerung des Abstandes des Zusatzdrahtes von der Werkstückoberfläche und/oder des Winkels des Zusatzdrahtes gegenüber der Werkstückoberfläche nach Maßgabe des von der Meßeinrichtung abgegebenen Meßwertes bzw. der von der Meßeinrichtung abgegebenen Meßwerte eingerichtet ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außerdem die Zuführgeschwindigkeit des stromlosen Zusatzdrahtes nach Maßgabe eines oder mehrerer von der Meßeinrichtung abgegebener Meßwerte steuerbar.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Beispiel für die Anordnung des Zusatzdrahtes im Lichtbogen,

Fig. 2 als Beispiel eine Schweißfuge in Form einer unsymmetrischen X-förmigen Hohlkehle, und

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum teilautomatischen Lichtbogenschweißen.

Gemäß Fig. 1 wird ein Lichtbogen 4 zwischen einem Werkstück 1 und einer abschmelzenden Schweißelektrode 5, welche ständig dem Werkstück zugeführt wird, gezogen. Die hierbei entstehende Schweißraupe 2 ist mit einer Schlackenschicht 3 bedeckt. Dem Lichtbogen 4 wird in einer festgelegten Höhe u über dem Werkstück 1 ständig ein abschmelzender, stromloser Zusatzdraht 6 zugeführt. Die Höhe u und eventuell auch die Zuführgeschwindigkeit dieses Zusatzdrahtes wird durch eine schematich dargestellte Steuereinrichtung 7 gesteuert. Außerdem kann auch der Winkel α zwischen dem Zusatzdraht 6 und dem Werkstück 1 einstellbar sein, um das Schweißverfahren in gewünschter Weise steuern zu können.

Um zu zeigen, wie der stromlose Zusatzdraht 6 zum Steuern des Schweißvorgangs verwendet werden kann, sollen nachstehend einige Versuche beschrieben

ίο werden, bei denen 25 mm dicke Schiffsbleche stumpfverschweißt wurden. Dabei wurde nach dem UnterPulver-Verfahren gearbeitet und zunächst eine Schweißnaht an der Oberseite und dann nach Umdrehen der Bleche eine weitere Schweißnaht an der anderen Seite ausgeführt.

Um die erzielten Resultate genau vergleichen und auswerten zu können, ist darauf hinzuweisen, daß beim doppelseitigen Verschweißen zweier Bleche nach einem herkömmlichen Verfahren diese beiden

»° Bleche derart gegeneinander geschoben werden müssen, daß der Spalt d(Fig. 2)zwischen den Stoßkanten an keiner Stelle breiter ist als 0,8 mm. Nur unter derartigen Bedingungen läßt sich ein unbeabsichtigtes Durchbrennen durch genaue Einstellung der üblichen

^a5 Schweißparameter hinreichend zuverlässig vermeiden. Dabei können die Blechkanten entsprechend Fig. 2 auf beiden Seiten abgeschrägt sein, so daß eine X-förmige Hohlkehle entsteht. Meistens wird allerdings eine Y-förmige Hohlkehle verwendet, d. h. die beiden Bleche werden an ihren Stoßkanten nur jeweils auf einer Seite abgeschrägt, da dies einen besseren Schutz gegenüber einem Durchbrennen beim Legen der ersten Schweißnaht oder Schweißraupe ergibt. Andererseits bedingt eine derartige Form der Hohlkehle jedoch eine Mehrarbeit an der Rück- oder Unterseite, da nach dem Legen der Schweißnaht an der Vorder- oder Oberseite eine entsprechende Hohlkehle an der Rück- oder Unterseite ausgebrannt werden muß. Bei den nach dem erfindungsgemäßen Ver-

4c fahren durchgeführten Versuchen wurde eine X-förmige Hohlkehle ausgebildet, deren mm-Abmessungenin Fig. 2 angegeben sind. Die Hauptschwierigkeit bei einem derartigen Schweißverfahren besteht darin, die Tiefe der Schweißzone während der Ausbildung der ersten Schweißlage genau zu steuern. Diese Tiefe muß klein genug sein, um jegliches Durchbrennen zu verhindern, sie muß jedoch groß genug sein, um sicherzustellen, daß beim anschließenden Schweißen von der Rück- oder Unterseite eine durchgehende saubere Schweißnaht erzielt wird. Außerdem muß die Hohlkehle vollkommen gefüllt sein, die Oberfläche der Schweißraupe muß sauber sein und der Querschnitt soll eine derartige Form haben, daß während oder nach dem Schweißen keinerlei Fehlstellen entstehen können.

Bei Durchführung der Versuche wurde festgestellt, daß die Tiefe der Schmelze bzw. der Schweißzone weitgehend durch die Position des Steuerdrahtes beeinflußbar ist. Bei günstiger Einstellung der anderen Parameter konnte die Einbrandtiefe von 11 mm (u = 10 mm) auf etwa 16 mm (u « 0) eingestellt werden.

Dieses Resultat läßt sich selbst dann erreichen, wenn die Abstände d zwischen den Stoßkanten der beiden miteinander zu verschweißenden Bleche wesentlich größer sind als 0,8 mm. Beim Stumpfschweißen ist es daher bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr erforderlich, daß die

beiden Stoßkanten der miteinander zu verschweißenden Bleche sehr dicht beieinander liegen, was einen bedeutenden Vorteil darstellt.

Wenn die Höhe u über dem Werkstück entsprechend einem vorgegebenen Bezugswert, der nach Sichtkontrolle des Abstandes d über die gesamte Fugenlänge von diesem abgeleitet wurde, auf einem konstanten Wert von etwa 6 mm gehalten wird, zeigte sich, daß die erste Schweißlage ohne Gefahr des Durchbrennens einwandfrei ausgeführt werden kann, selbst wenn der Abstand d zwischen 0 und 3 mm schwankt. Bei Durchführung einer derartigen Schweißung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ergab sich eine einwandfreie, durchgehende und porenfreie Schweißung mit sauberer Oberfläche und günstigem Querschnitt bei einer hohen Schweißgeschwindigkeit von etwa 40 cm/min.

Wenn allerdings alle Schweißparameter einschließlich des Wertes u konstant gehalten werden, kann die Tiefe der Schweißzone unter anderem bei großen Schwankungen des Abstandes d schwanken. Falls an einigen Stellen die Schweißnaht an der Oberseite nicht tief genug durchgegangen ist, muß die Schweißnaht an der Unterseite tiefer in das Blech hineingehen, was nur schwierig zu erreichen ist. Hierbei wäre es vorteilhaft, das Schweißverfahren während der Herstellung der ersten Schweißnaht derart einzustellen, daß unabhängig von der Form und vom Querschnitt der Hohlkehle eine im großen und ganzen konstante Schweißtiefe erzielt wird.

Dies läßt sich durch fortlaufendes Regeln oder Steuern der Höhe u während des Schweißens erreichen, was nachstehend erläutert wird, oder indem der Wert u auf einem günstigen Wert konstant gehalten wird, entsprechend der vom Stoßkantenabstand d über die gesamte Fugenlänge abgeleiteten Kenngröße, während die Zuführgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes 6 entsprechend der Abweichung des Stoßkantenabstandes von dieser Kenngröße verändert wird, wobei es sich beispielsweise um die durchschnittliche Breite des Stoßkantenspaltes handeln kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann naturgemäß mit der üblichen Regelung des Schweißstromes, der Laufgeschwindigkeit der Elektrode, dem elektrischen Potential oder dem Stromdurchgang durch den Steuerdraht usw. kombiniert werden.

Die gesteuerte oder geregelte Zuführgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes 6 kann, falls erforderlich, dadurch erhöht werden, daß ein Heizstrom durch den Draht geleitet wird.

Durch die erfindungsgemäße Steuerung des Zusatzdrahtes 6 kann ein wesentlich höherer Schweißstrom als beim üblichen Schweißen ohne Zusatzdraht unter allen Schweißbedingungen verwendet werden, ohne daß die Gefahr des Durchbrennens entsteht. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden außerdem folgende weitere Vorteile erreicht:

a) es entfällt das bisher erforderliche genaue Anpassen, da gegenüber dem bisher üblichen Stoßkantenabstand von 0,8 mm dieser Abstand bis zu 3 mm betragen kann,

b) die Schweißtiefe und in gewissem Umfange auch die Breite der Schweißraupe ist einstellbar,

c) die abgelagerte Schweißgutmenge kann stark vergrößert werden, und zwar beispielsweise um 40%, was kostengünstiges Schweißen bedeutet,

d) die Temperatur in der Schweißzone kann verhältnismäßig niedrig gehalten werden, was ein« größere Zuverlässigkeit der Schweißnaht infolg« günstigerer metallurgischer Bedingungen be deutet, und

e) mit Hilfe des Zusatzdrahtes lassen sich Legie rungselemente in die Schweißnaht einbringen was billig ist und gegenüber dem durchaus schwierigen Übertragen derartiger Elemente vor der Schweißelektrode in die Schweißung wesentlieh günstiger ist.

Fig. 3 zeigt schematisch eine vollständige Vorrichtung zum teilautomatischen Lichtbogenschweißer nach dem beschriebenen Verfahren. Die Vorrichtung wird hierbei zusammen mit einem automatischer

¹S Schweißkopf 8 verwendet, welcher einen Lichtbogen 4 zwischen seiner Elektrode S und einem Werkstück 1 aufrechterhält und den Lichtbogen längs einei Hohlkehle im Werkstück führt und diese Hohlkehle mit einer Schweißnaht 2 füllt, die mit Schlacke 3 ab-

ao gedeckt ist. Um den Schweißvorgang in der vorbeschriebenen Weise steuern zu können, wird längs dei Hohlkehle in einem gewissen Abstand vor dem Schweißkopf 8 eine Meßeinrichtung 13 geführt, welche ständig den Stoßkantenspalt d als Dimension des

^a5 Fugenquerschnitts an dieser Stelle mißt. Diese Meßeinrichtung 13 gibt entsprechend den gemessenen Werten des Stoßkantenspaltes Meßwerte ab, welche nach entsprechender Verarbeitung einer Steuervorrichtung 7 zugeleitet werden, welche die Höhe μ eines

3« stromlosen Zusatzdrahtes 6 im Mittelbereich des Lichtbogens über dem Werkstück und/oder dessen Winkelstellung α zum Werkstück 1 steuert.

Diese Steuereinrichtung kann auch derart ausgebildet sein, daß sie die Zuführgeschwindigkeit des Steuerdrahtes oder/und sein elektrisches Potential oder/ und seinen elektrischen Strom steuert, wie dies schematisch in Fig. 3 angedeutet ist. Die Meßeinrichtung kann aus irgendeiner bekannten Vorrichtung bestehen, welche den genannten Zweck erfüllt, beispielsweise kann es sich um eine Fernsehkamera handeln, welche auf die Hohlkehle gerichtet ist.

Während des Schweißvorganges weiden die Ausgangssignale der Meßeinrichtung 13 ständig in einem datenverarbeitenden Gerät 12 und einem Computer 11 verarbeitet und über ein Anschlußgerät 10 der Steuereinrichtung 7 übermittelt. Diese Geräte 10,11 und 12 sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und sollen daher hier auch nicht im einzelnen erläutert werden.

Wie Fig. 3 zeigt, können die Steuersignale auch in der üblichen Weise über ein Anschlußgerät 9 dem Schweißkopf eingespeist werden, um bekannte Schweißparameter weiter zu steuern.

Das einen Zusatzdraht verwendende erfindungsge-

mäße Steuerverfahren kann für alle Schweißverfahren mit abschmelzenden Elektroden eingesetzt werden, d. h. beim Unter-Pulver-Verfahren, beim MIG-Schweißen (metal inert gas), beim MAG-Schweißen (metal active gas) und beim Schweißen mit Hohlelektrode.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Lichtbogenschweißens kann in gleicher Weise auch beim Auftragsschweißen angewendet werden, wobei die Meßeinrichtung 13 vor dem Schweißaggre-

gat 8 längs der Kante einer vorher aufgetragenen Schweißrampe oder längs einer natürlichen Kante des Werkstückes geführt wird, wobei sie den tatsächlichen Verlauf der Kante abtastet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum teilautomatischen Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode, mit einer Steuerung von Schweißparametern durch eine dem Schweißkopf voranlaufende Meßeinrichtung zum Erfassen wenigstens einer Dimension des Fugenquerschnittes, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein stromloser Zusatzdraht (6), der aus der Richtung der Nahtachse dem Mittelteil des Lichtbogens (4) zugeführt wird, verwendet wird, und daß dessen Abstand («) von der Werkstückoberfläche und/ oder dessen Winkel (α) zur Werkstückoberfläche in Abhängigkeit von den von der Meßeinrichtung (13) abgegebenen Signalen gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzdraht (6) mit steuerbarer Geschwindigkeit dem Lichtbogen (4) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die über die ganze Fugenlänge bestimmte Dimension des Fugenquerschnitts eine Kenngröße bestimmt wird und daß der Zusatzdraht (6) nach Maßgabe der Kenngröße auf der ganzen Fugenlänge in konstantem Abstand (u) von der Werkstückoberfläche und/oder unter konstantem Winkel («) zur Werkstückoberfläche gehalten wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Schweißkopf zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück sowie zum Führen des Lichtbogens längs einer Schweißfuge, sowie mit einer Meßeinrichtung, die längs der Schweißfuge in einem gewissen Abstand vor dem Schweißkopf geführt ist, wobei die Meßeinrichtung beständig wenigstens eine Dimension des Querschnitts der Schweißfuge erfaßt und mindestens einen der erfaßten Dimension bzw. den erfaßten Dimensionen entsprechenden Meßwert einer Steuereinrichtung zur Steuerung von mindestens einem Schweißparameter zuleitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (8) zur Zuführung eines stromlosen Zusatzdrahtes (6) in den Lichtbogen (4) eingerichtet ist und daß die Steuereinrichtung (7) zur Steuerung des Abstandes (m) des Zusatzdrahtes von der Werkstückoberfläche und/oder des Winkels (α) des Zusatzdrahtes (6) gegenüber der Werkstückoberfläche nach Maßgabe des von der Meßeinrichtung (13) abgegebenen Meßwertes bzw. der von der Meßeinrichtung (13) abgegebenen Meßwerte eingerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführgeschwindigkeit des stromlosen Zusatzdrahtes (6) nach Maßgabe eines oder mehrerer von der Meßeinrichtung (13) abgegebener Meßwerte steuerbar ist.

mension des Fugenquerschnitts. Im Rahmen der Erfindung bezieht das Lichtbogenschweißen sich nicht allein auf das Verbindungsschweißen, sondern ebenso auch auf das Auftragsschweißen, wobei an Stelle einer

Dimension des Fugenquerschnitts entsprechend eine auf eine vorher aufgetragene Schweißraupe oder eine Werkstückkante bezügliche Dimension erfaßt wird. Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

ίο Nach einem bekannten Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung (vgl. DT-OS 2 100594) läuft einem Schweißbrenner eine Meßeinrichtung voraus, die Tiefe und/oder Breite der Schweißfuge erfaßt, und deren Meßwerte in eine Steuerung der Schweißguteinbringung umgesetzt werden. Dabei wird mit einer einzigen, zugleich den Lichtbogen führenden Schweißelektrode gearbeitet, deren Arbeitsparameter (beispielsweise die Schweißgeschwindigkeit) nach Maßgabe der erfaßten Meßwerte gesteuert werden.

Das ist einerseits aufwendig und läßt außerdem eine einwandfreie Steuerung nur bei einem verhältnismäßig engen Variationsbereich der Arbeitsbedingungen

zu.