DE2560157C2

DE2560157C2 - Process for the automatic guidance of an arc welding torch

Info

Publication number: DE2560157C2
Application number: DE2560157A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 5100 Aachen Puschner
Original assignee: Individual
Current assignee: PUSCHNER, PETER, DR.-ING., 52074 AACHEN, DE
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1986-08-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Führung eines Lichtbogen-Schweißbrenners entlang einer Schweißfuge entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for automatically guiding an arc welding torch along a Weld joint according to the preamble of claim 1.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-PS 32 04 081) wird der Lichtbogen — bei gleichbleibender Position des Schweißbrenners bzw. Lichtbogenansatzpunktes relativ zum Fugenquerschnitt — zu Meßzwekken durch äußere Krafteinwirkung, z. B. mittels eines Magnetfeldes, zwangsweise aus seiner natürlichen Schweißlage mit einem fest vorgegebenen Bewegungsablauf ständig quer zur Schweißstoßachse hinausbewegt. Der Querschnitt der Schweißfuge muß dabei, bezogen auf ihre Geometrie, eine ausgeprägte Unstetigkeitsstelle, z. B. einen Luftspalt, besitzen, der bei der kontinuierlichen Pendelbewegung des Lichtbogens darüber hinweg dessen elektrische Betriebsgrößen (Schweißspannung und/oder Schweißstrom) im Sinne einer Betriebsgrößenstörung verändert. Die zeitliche Aufeinanderfolge der Betriebsgrößenstörungen im Verhältnis zum vorgegebenen Bewegungsablauf ist hierbei ein Maß für die mittlere Lage des Schweißbrenners zur Schweißfuge bzw. Stoßstelle.In a known method of this type (US-PS 32 04 081) the arc - with the same Position of the welding torch or arc attachment point relative to the joint cross-section - for measuring purposes by external force, e.g. B. by means of a magnetic field, compulsorily out of its natural Welding layer constantly moved out transversely to the welding joint axis with a fixed, predetermined sequence of movements. The cross-section of the weld joint must, in relation to its geometry, have a pronounced point of discontinuity, z. B. have an air gap, which in the continuous pendulum movement of the arc over it away from its electrical operating parameters (welding voltage and / or welding current) in the sense an operating size disorder changed. The chronological sequence of the disturbances in the size of the company in relation to each other For the given sequence of movements, this is a measure of the middle position of the welding torch Weld joint or joint.

Nachteilig bei diesem vorbekannten Verfahren ist vor allem, daß sich der Lichtbogen zur Lagebestimmung notwendigerweise im wesentlichen außerhalb der Schweißfuge befinden muß und somit die Stoßstelle nur vorübergehend erfaßt. Um die Stoßstelle als Störung sicher zu erfassen, muß sich der Lichtbogen vorher jeweils möglichst weit entfernt von der Stoßstelle befinden. Dazu ist eine große Querbewegung des Lichtbogens erforderlich. Dies bleibt nicht ohne Einfluß auf den Schweißprozeß, der sich nachteilig in der Einbrandform und der Schweißleistung überall dort zeigt, wo technologisch eine Pendelbewegung durchaus überflüssig ist. Außerdem kann bei diesem bekannten Verfahren eine Interferenz zwischen dem Störsignal und einer vorhandenen Welligkeit des Schweißstromes auftreten, was mit der Gefahr einer Störung der Einstellung auf die Schweißfugenmitte verbunden ist Schließlich ist eine Abhängigkeit der Form des Störsignals von der jeweiligen besonderen Gestalt der Schweißfuge zu erwarten, was die Genauigkeit der Einstellung beeinträchtigen kann.The main disadvantage of this previously known method is that the arc is used to determine the position must necessarily be located essentially outside the weld joint and thus the joint only temporarily recorded. In order to reliably detect the joint as a malfunction, the arc must be in each case beforehand as far away from the joint as possible. In addition, there is a large transverse movement of the arc necessary. This does not remain without influence on the welding process, which is disadvantageous in the form of penetration and shows the welding performance wherever a pendulum movement is technologically superfluous. In addition, in this known method, interference between the interference signal and an existing one Ripple of the welding current occur, which with the risk of disturbing the setting on the The center of the weld joint is connected. Finally, the form of the interference signal depends on the respective special shape of the weld joint to be expected, which affect the accuracy of the setting can.

Ein nicht vorveröffentlichter, hinsichtlich einer Teilpriorität formal älterer Vorschlag (DE-PS 26 31 250) sieht ein Verfahren vor, bei dem der Lichtbogen zu einer speziellen Niederlegung der Naht (Pendelschweißung) durch eine dem Schweißkopf mechanisch erteilte Bewegung zu einer Pendelbewegung veranlaßt wird und bei dem in zeitlich aufeinanderfolgenden, örtlich einander gegenüberliegenden Umkehrbereichen der Lichtbogen-Pendelbewegung die Schweißstromwerte gemessen und deren Differenzen zur Führung des Schweißbrenners ausgewertet werden. Wenngleich bei dem Verfahren nach diesem älteren Vorschlag der Lichtbogen nicht mehr al? Störstellendetektor arbeitet, wie beim vorerwähnten Verfahren nach der US-PS 32 04 081, so haften auch ihm technologische Nachteile in bezug auf den Schweißprozeß an. Insbesondere ergibt sich eine quer zur eigentlichen Fugenrichtung erfolgende Niederlegung des Schweißgutes. Die für die Nachführung des Brenners herangezogenen Größen entstehen durch unterschiedliche Drahtausfahrlängen an den Umkehrbereichen, die sich aufgrund der langsamen Auslenkung beim Pendelschweißen ergeben. Dieses Verfahren ist damit nur dann einsetzbar, wenn die sich durch die langsame Pendelbewegung ergebende Nahtausbildung erwünscht ist. Bei vielen Schweißungen soll aber eine schmale Nahtausbildung (Strichraupe) erreicht werden, was sich mit diesem Verfahren nicht verwirklichen läßt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur selbsttätigen Führung eines Lichtbogen-Schweißbrenners entlang einer Schweißfuge zu schaffen, durch das bei geringem apparativen Aufwand und unabhängig von Form und Material der Schweißfuge eine sehr präzise und störunanfällige Steuerung des Schweißbrenners erreicht wird, ohne daß sich nennenswerte technologisch abträgliche Einflüsse auf den Schweißprozeß und/oder auf die Ausbildung der niederlegten Schweißnaht ergeben.A proposal that has not been published in advance and is formally older with regard to a partial priority (DE-PS 26 31 250) provides a process in which the arc leads to a special laying down of the seam (pendulum welding) is caused to oscillate by a movement given mechanically to the welding head and at that in temporally successive, locally opposite reversal areas of the arc pendulum movement the welding current values are measured and their differences for guiding the welding torch be evaluated. Even if the method according to this older proposal does not use the arc more than? Defect detector works, as in the aforementioned method according to US-PS 32 04 081, so stick also to him technological disadvantages in relation to the welding process. In particular, there is a transverse depositing of the weld metal in relation to the actual joint direction. The one for tracking the Brenner's used sizes arise from different wire extension lengths at the reversal areas, which result from the slow deflection during pendulum welding. This procedure is This means that it can only be used if the seam formation resulting from the slow pendulum movement is desired is. With many welds, however, a narrow seam formation (line bead) should be achieved, which cannot be achieved with this method. The invention is based on the object of a method to automatically guide an arc welding torch along a welding joint, thanks to this with little equipment and regardless of the shape and material of the weld joint a very precise and failure-prone control of the welding torch is achieved without any significant technologically detrimental influences on the welding process and / or on the formation of the deposited Result in weld seam.

Das hierzu nach der Erfindung vorgesehene Verfahren zeichnet sich aus durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren tastet somit der Lichtbogen als analoger Meßwandler jeweils eine Flanke der Schweißfuge ab. Die Auslenkung zu den Fugenflanken erfolgt nur kurzzeitig zu Meßzwecken. Gemessen wird jeweils bei der kurzzeitigen Auslenkung des Lichtbogens, und zwar die sich durch jeweils unterschiedliche Lichtbogenlängen ergebenden Spannungs- und/oder Stromwerte, die ein Maß für die Lage des Lichtbogenfußpunktes innerhalb der Schweißfuge und relativ zu einer durch die Fugenmitte verlaufenden Linie sind. Diese beim kurzzeitigen Ausschwenken erzeugten Strom- und Spannungswerte werden in einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Führung des Brenners herangezogen.
Wann jeweils ein kurzzeitiges Ausschwenken desThe method provided for this purpose according to the invention is characterized by the features specified in the characterizing part of claim 1. Various embodiments of the method according to the invention are specified in claims 2 and 3.
In the method according to the invention, the arc, as an analog transducer, scans one flank of the weld joint. The deflection to the joint flanks occurs only briefly for measuring purposes. In each case, the short-term deflection of the arc is measured, namely the voltage and / or current values resulting from different arc lengths, which are a measure of the position of the arc base within the weld joint and relative to a line running through the center of the joint. These current and voltage values generated during brief pivoting are used in an electronic circuit arrangement to guide the burner.
When a brief swiveling out of the

Lichtbogens zu einer Fugenflanke hin erfolgt, ist wählbar; das hängt nur davon ab, wie oft man für eine bestimmte Schweißlänge unter Berücksichtigung der jeweiligen technologischen Gegebenheiten eine Korrektur der Brennerführung für notwenig hältArcing occurs towards a joint flank can be selected; that just depends on how often you look for a particular one Welding length, taking into account the respective technological conditions, a correction the burner guide considers necessary

Infolge der beim erfindungsgemäßeri Verfahren angewandten kurzzeitigen Auslenkung des Lichtbogens zu den Fugenflanken hin mit der während der kurzzeitigen Auslenkung stattfindenden Messung läßt sich eine sehr große Fährungsgenauigkeit des Schweißbrenners ohne abträgliche technologische Einflüsse hinsichtlich des Schweißvorgangs und der niedergelegten Schweißnaht erreichen. Es gibt insbesondere keine sinus- oder zickzackförmige Schweißgutniederlegung oder unerwünschte Nahtverbreiterung. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in einfacher Weise eine Anpassung an unterschiedliche Formen von Schweißfugen und wird weder durch die Art und Form der Schweißfugen noch durch Inhomogenitäten in der Fuge sowie durch Heftstellen gestört oder nachteilig beeinflußt.As a result of the applied in the method according to the invention short-term deflection of the arc towards the joint flanks with that during the short-term The deflection taking place measurement allows a very high accuracy of the welding torch without detrimental technological influences with regard to the welding process and the weld seam reach. In particular, there is no sinusoidal or zigzag weld deposit deposition or undesirable Broadened seams. The method according to the invention enables an adaptation in a simple manner to different shapes of welding seams and is not influenced by the type and shape of the welding seams still disturbed or adversely affected by inhomogeneities in the joint and by stitching.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert, und zwar am Beispiel der Verschweißung zweier gleicher Bleche mit V-Fuge mit zu beiden Fugenflanken hin erfolgenden Auslenkphasen. In der Zeichnung zeigtDetails of the method according to the invention are explained in more detail below with reference to a drawing, using the example of the welding of two identical sheets with a V-joint with both joint flanks outward deflection phases. In the drawing shows

F i g. 1 ein i///-Diagramm für einen ungestört arbeitenden mechanisierten Lichtbogen-Schweißprozeß,F i g. 1 an i /// diagram for an undisturbed working mechanized arc welding process,

Fig.2 eine Darstellung der Positionen des Lichtbogens beim erfindungsgemäßen Verfahren,Fig. 2 shows the positions of the arc in the method according to the invention,

Fig.3 ein ^///-Diagramm mit den sich für die Licb*- bogen-Positionen nach F i g. 2 ergebenden Arbeitspunkten, Fig. 3 a ^ /// - diagram with which the Licb * - bow positions according to FIG. 2 resulting working points,

F i g. 4 eine Darstellung ähnlich der F i g. 2, jedoch für einen nicht auf Fugenmitte, sondern außermittig entlang einer Fugenflanke geführten Schweißbrenner.F i g. 4 shows a representation similar to FIG. 2, but for a welding torch not guided in the middle of the joint, but eccentrically along a joint flank.

Beim ungestört arbeitenden mechanisierten Lichtbogenschweißprozeß stellen sich stationäre Werte für die Lichibogenspannung (U\) und den Lichtbogenstrom (I\) ein (Fig. 1), die durch den Schnittpunkt von statischer Quellen- und statischer Lichtbogenkennlinie (k) im U-I-Diagramm bestimmt sind. Der Schnittpunkt stellt den stationären Arbeitspunkt dar und wird mit Aa bezeichnet. Es sei angenommen, der Schweißbrenner befinde sich nicht exakt in Fugenmitte (F i g. 4). Durch eine kurzzeitige Auslenkung des Lichtbogens aus der Fugenmitte zur Nahtflanke des Werkstückes A (Fig.2b) wird der stationäre Arbeitspunkt Ao dynamisch verschoben und bewegt sich nach Aa (F i g. 3). Die Verschiebung des Arbeitspunktes wird bewirkt sowohl durch die Veränderung der Lichtbogenlänge als auch durch die veränderten Entladungsbedingungen infolge des verschobenen werkstückseitigen Lichtbogenansatzpunktes, wobei sich insbesondere die Form des Temperaturfeldes im Blech in der Nähe der Fuge auswirkt.With the mechanized arc welding process working undisturbed, steady values for the arc voltage (U \) and the arc current (I \) are established (Fig. 1), which are determined by the intersection of the static source and static arc characteristic (k) in the UI diagram . The point of intersection represents the stationary working point and is denoted by Aa. It is assumed that the welding torch is not exactly in the middle of the joint (FIG. 4). By briefly deflecting the arc from the center of the joint to the seam flank of workpiece A (FIG. 2b), the stationary working point Ao is dynamically shifted and moves to Aa (FIG. 3). The shift in the working point is caused both by the change in the arc length and by the changed discharge conditions as a result of the shifted workpiece-side arc attachment point, with the shape of the temperature field in the sheet metal in the vicinity of the joint having an effect.

Je nach dynamischem Verhalten der benutzten Schweißenergiequelle und des technischen Lichtbogens vollzieht sich die Arbeitspunktbewegung von Ao nach Aa nicht unbedingt entlang statischer quellen- und stationärer Lichtbogenkennlinien. Von den dadurch veränderten Größen Ua und Ia werden eine oder beide oder der analoge Wert einer mathematischen Verknüpfung beider während der Auslenkphase zu Blech A gespeichert. Sodann wird die Auslenkung zurückgenommen, so daß sich der Lichtbogenfußpunkt wieder auf die ursprüngliche Stelle bewegt und der vorherige stationäre Arbeitspunkt Ao wieder einschwingt. Anschließend erfolgt eine kurzzeitige Auslenkung des Lichtbogens aus der Fugenmitte zur Nahtflanke des Werkstücks B (F i g. 2c). Es vollzieht sich jetzt eine Verschiebung des Arbeitspunktes von Ao nach Ab (F i g. 3). Von den dadurch veränderten Größen Ub und Ib werden eine oder beide oder eine mathematische Verknüpfung beider während der Auslenkphase zu Blech B gespeichert Sodann wird die Auslenkung zurückgenommen. Der Vorgang beginnt erneut mit der Auslenkung des Lichtbogens zur Nahtflanke des Blechs A usw.Depending on the dynamic behavior of the welding energy source used and the technical arc, the working point movement from Ao to Aa does not necessarily take place along static source and stationary arc characteristics. One or both or the analog value of a mathematical combination of both of the variables Ua and Ia changed as a result are stored during the deflection phase for sheet A. The deflection is then reduced, so that the arc base moves back to the original position and the previous stationary working point Ao settles again. This is followed by a brief deflection of the arc from the center of the joint to the seam flank of workpiece B (FIG. 2c). The operating point is now shifted from Ao to Ab (FIG. 3). One or both or a mathematical combination of both of the variables Ub and Ib changed as a result are stored during the deflection phase for sheet metal B. The deflection is then withdrawn. The process begins again with the deflection of the arc to the seam flank of sheet A , etc.

Nur bei exakt in der Mitte befindlichem Schweißbrenner sind, die Arbeitspunktverschiebungen bei g'eichen Blechen A und B identisch. Die Differenz der Spannungswerte und/oder der Stromwerte aus den Phasen während der Auslenkung nach Blech A und Blech B ist dann Null.Only when the welding torch is located exactly in the middle are the shifts in the operating point for the same sheets A and B identical. The difference between the voltage values and / or the current values from the phases during the deflection towards sheet A and sheet B is then zero.

Diese Differenz wird von Null verschieden, sobald sich der drahtseitige Lichtbogenansatzpunkt nicht mehr über der Fugenmitte befindet Die Differenz oder andere mathematische Verknüpfungen der Spannungs- oder der Stromwerte oder einer mathematischen Verknüpfung der Spannungs- und Stromwerte aus den Phasen A und B ist ein Maß für die Lage des Schweißbrenners innerhalb der Schweißfuge und relativ zu einer durch die Fugenmitte verlaufenden Linie L (Fig.4). Ihr Vorzeichen kennzeichnet die Seite einer Ebene, die durch die Linie L und die Richtung der Fuge definiert ist, auf der sich der elektrodenseitige Lichtbogenansatzpunkt befindet. Differenz und Vorzeichen werden zur Nachführung des Brenners und zur Ermittlung des Fugenquerschnittes herangezogen.This difference becomes different from zero as soon as the wire-side arc starting point is no longer above the center of the joint.The difference or other mathematical links between the voltage or current values or a mathematical link between the voltage and current values from phases A and B is a measure of the Position of the welding torch within the welding joint and relative to a line L running through the center of the joint (Fig. 4). Their algebraic sign identifies the side of a plane which is defined by the line L and the direction of the joint on which the electrode-side arc attachment point is located. The difference and sign are used to track the burner and to determine the joint cross-section.

Die Versteürichtung des Brenners kann variiert werden, was der Anpassung des Prozesses bei der Verschweißung von Blechen unterschiedlicher Blechdicken oder Blechanordnungen und Fugenformen dient.The control direction of the burner can be varied, what about adapting the process when welding sheets of different sheet thicknesses or sheet metal arrangements and joint shapes.

Die Ermittlung und die Verarbeitung der maßgeblichen Größen und der erforderlichen Synchronisierungsgrößen bis zur Ermittlung und Ausgabe der Stell- bzw. Steuergrößen kann auch durch eine elektronische Datenverarbeitungsanlage, d. h. durch einen Prozeßrechner mit Prozeßdatenperipherie oder durch einen konventionellen elektronischen Apparat erfolgen.The identification and processing of the relevant Variables and the necessary synchronization variables up to the determination and output of the manipulated or Control variables can also be controlled by an electronic data processing system, i. H. by a process computer with process data peripherals or by a conventional electronic device.

Die sich aus der mathematischen Verknüpfung der Meßwerte ergebende Folge von Stellgrößen zur seitlichen Führung des Brenners kann gleichzeitig auch zur Korrektur der Lage der mechanischen Vorrichtung zur Auslenkung des Lichtbogens relativ zur Fugenrichtung herangezogen werden.The sequence of manipulated variables resulting from the mathematical combination of the measured values for the lateral Guiding the burner can also be used to correct the position of the mechanical device Deflection of the arc can be used relative to the direction of the joint.

Die über die Lichtbogen-Längenänderungen erfaßten Positionen des Lichtbogenfußpunktes zur Ermittlung des Fugenquerschnitts durch mathematische Verknüpfungen können auch noch zur an sich bekannten Steuerung von Schweißgeschwindigkeit und/oder stromführenden oder stromlosen Schweißzusatzdrähten herangezogen werden. — Die Auslenkungen des Lichtbogens bezüglich ihrer Stärke können in diskreten Schritten oder kontinuierlich erfolgen.The positions of the arc base detected via the arc length changes for determination the joint cross-section through mathematical links can also be used to control the known per se of welding speed and / or live or dead weld filler wires will. - The deflections of the arc with regard to their strength can be done in discrete steps or take place continuously.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for automatically guiding an arc welding torch along a Weld joint, using a for measuring purposes by external force forced off moved out of its natural sweat position in opposite directions transversely to the weld joint axis Arc, with measured values generated by the arc for tracking the welding torch are used, characterized in that the arc is swiveled out briefly mechanically at selectable time intervals and the generated current and / or voltage values are recorded, stored and after a mathematical link with the help of an electronic circuit arrangement to guide the burner can be used.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pivoting of the arc takes place alternately to one and the other joint flank and that with each swiveling out resulting variables are fed to the electronic circuit arrangement.

3. The method according to claim 1, characterized in that that the pivoting of the arc takes place only to one joint flank and the as a result, missing sizes of the electronic circuit arrangement are given as constant sizes will.