DE2601251B2

DE2601251B2 - Verfahren zum Messen der Schutzwirkung einer Lichtbogen-Schutzgashülle sowie Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2601251B2
Application number: DE2601251A
Authority: DE
Inventors: Fumio Nara Ueyama; Takao Tarumiku Kobe Yoshimitsu
Original assignee: OSAKA DENKI CO Ltd OSAKA (JAPAN)
Current assignee: OSAKA DENKI CO Ltd OSAKA (JAPAN)
Priority date: 1976-01-15
Filing date: 1976-01-15
Publication date: 1979-05-23
Also published as: DE2601251A1; DE2601251C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Veri. hren zum Messen der Schutzwirkung einer Lichtbogen-Schutzgashülle durch Bestimmung ihres Stickstoffgehaltes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim Lichtbogenschweißen in der Atmosphäre befindet sich im Lichtbogen eine große Menge von Stickstoffoxid, das durch die vom Lichtbogen erzeugte, hohe Temperatur dissoziiert. Dabei nimmt das durch den Schweißvorgang abgelagerte Metall Sauerstoff und Stickstoff in größeren Mengen auf. Es ist daher allgemein üblich, den Lichtbogen und die Schweißstelle durch ein Schutzgas von der umgebenden Außenatmosphäre abzuschirmen. Hierzu wird beispielsweise Argon oder Helium verwendet.

Bisher ist noch kein sicher arbeitendes Verfahren entwickelt worden, um das Ausmaß und die Schutzwirkung der Schutzgashülle quantitativ zu bestimmen. Im allgemeinen wurde beim Lichtbogenschweißen mit Schutzgas die ausströmende Menge des Schutzgases vom Schweißer nach dessen Erfahrung eingestellt, oder die Einstellung beruhte auf Angaben in einer Gebrauchsanweisung, um eine ausreichend wirksame Schutzgashülle für die Schweißstelle zu schaffen.

Das Ausmaß, in dem ein Lichtbogen und der geschmolzene Metallbereich von der Außenatmosphäre abgeschirmt werden, ändert sich in Abhängigkeit von der ausströmenden Schutzgasmenge und der Art und Weise, wie und in welcher Form das Schutzgas ausströmt. Wenn beispielsweise die Form eines metallischen Werkstücks, die Art und die Ausbildung der Schweißverbindung, die Größe eines eingeschlossenen Winkels oder der Abstand zwischen der Schutzgasdüse und dem Werkstück geändert werden, ändert sich auch der Strömungszustand des Schutzgases, was dazu führt, daß sich auch das Ausmaß und die Wirkung der den Lichtbogen umgebenden Schutzgashülle entsprechend ändern. Aus diesem Grunde weicht beim Schweißen die Schutzwirkung der Schutzgashülle häufig vom richtigen und erforderlichen Wert ab, so daß sich auch der Zustand des aufgeschweißten Metalls, die Lichtbogensonde und der Schmelzzustand der Elektrode ändern und die Entstehung von Schweißspritzern und Poren begünstigt wird. Beim Lichtbogenschweißen

ίο mit einem halbautomatischen Schweißgerät können derartige Veränderungen in der Nähe des Lichtbogens beobachtet werden.

Selbst wenn es möglich ist, die Lichtbogen-Schutzgashülle so einzustellen, daß die richtige Abschirmwirkung

"* erzielt wird, treten in der Schweißzone trotzdem Schweißfehler auf, bis die Einstellung abgeschlossen ist Beim automatischen Lichtbogenschweißen wird der Schweißvorgang durch die Überwachung des Schweißstromes, der Lichtbogenspannung usw. mittels entspre- chender Anzeigeeinrichtungen von einer entfernten Stelle gesteuert

In diesem Fall ist es daher nicht möglich, Abweichungen der Schutzgashülle vom optimalen Zustand festzustellen. Der Schweißvorgang wird daher trotz fehlerhafter Einstellung der Schutzgashülle fortgesetzt, was dazu führt daß Schweißfehler auftreten.

Beim Lichtbogenschweißen entwickeln sich außerdem Schweißdämpfe und Rauch, die den Schweißvorgang behindern. Daher sind meistens Rauchabzugsein- richtungen vorgesehen, die den Rauch und die Schweißdämpfe durch eine in der Nähe des Lichtbogens angeordnete Absaugdüse absaugen. Dabei ist es unvermeidlich, daß zusammen mit dem Rauch auch wenigstens ein Teil der Schutzgashülle abgesaugt wird,

i) wodurch die Schutzwirkung beeinträchtigt wird. Wenn daher eine Abzugseinrichtung verwendet wird, muß bei der Zufuhr des Schutzgases berücksichtigt werden, daß eine bestimmte Menge von Schutzgas mit abgesaugt wird und dadurch verloren geht

Wenn an der Schutzgasdüse Metallspritzer oder dergleichen haften bleiben, werden die Durchflußmenge und die Strömungsform des Schutzgases verändert, wodurch die Abschirmwirkung der Schutzgashülle beeinträchtigt wird und Schweißfehler auftreten.

« Aus »DVS-Berichte«, Band 30, 1974, Seiten 157 bis 168 ist es bekannt daß ab einem kritischen Stickstoff anteil im Schutzgas im Schweißgut Poren auftreten. Außerdem ist es bekannt (»Welding journal«, 1964, Seiten 282 s bis 287 s sowie 1970, Seiten 528 s bis 544 s),

■->o die Verunreinigung der Schutzgashülle durch Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff mit Hilfe spezieller spektrographischer Methoden zu überwachen. Aus diesen Literaturstellen geht auch hervor, daß die Konzentration der genannten gasförmigen Verunreini gungen von der Durchflußmenge des Schutzgases abhiingt. Gemessen werden bei der herkömmlichen Methode die Spektren der Atome, die durch Dissoziation der in den Plasmabereich eindringenden Gasmoleküle entstehen. Dies bedeutet jedoch, daß eine Messung

fco erst erfolgen kann, wenn sich im Inneren des Lichtbogenplasmas bereits ein hoher Anteil von verunreinigendem Gas befindet Wenn dieser Zustand eingetreten ist, ist aber ein befriedigendes Schweißen nicht mehr möglich. Bei den bekannten Meßmethoden muß außerdem die Meßvorrichtung unmittelbar an der Schweißsteile vorgesehen sein, was einen erheblichen Aufwand bei der Ausgestaltung der Vorrichtung, eine starke Behinderung des Schweißens und eine ständige

Wartung und Reinigung der Vorrichtung bedeuten. Dadurch, daß für die Messung das Ionenspektrum benutzt wird, welches nur im Plasma selbst im angeregten Zustand vorhanden ist wird ein extrem instabiler Zustand ermittelt der einen geringen Aussagewert hat

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Schutzwirkung einer Lichtbogen-Schutzgashülle durch Bestimmung ihres Stickstoffgehaltes zur Verfugung zu stellen, das eine quantitative Bestimmung der von der Umgebungsluft stammenden, in der Nachbarschaft des Lichtbogens befindlichen, gasförmigen Verunreinigungen und damit eine gezielte Regelung der Durchflußmenge des Schutzgases ermöglicht welche eine zufriedenstellende Schweißung sicherstellt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß man der Schutzgashülle einen Volumenanteil entnimmt und darin den Stickoxidgehalt bestimmt

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Stickoxidmcßeinrichtung enthält welche einen Ozongcnerator, eine Reaktionskammer, in der das abgesaugte Gas mit dem vom Ozongenerator bereitgestellten Ozon reagiert eine photoelektrische Lichtmeßeinrichtung und einen Signalverstärker aufweist

Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung hat den Vorteil, daß Verunreinigungen im Schutzgas meßtechnisch durch die Bestimmung eines stabilen Reaktionsproduktes verfolgt werden und die Auswertung abseits der Arbeitsstelle vorgenommen werden kann.

NO_x in den Abgasen von Kraftfahrzeugen tragen erheblich zur Umwelt- und Luftverschmutzung bei, so daß bereits Stickstoffoxid-Meßeinrichtungen entwickelt wurden, um die Konzentration von NO, in den Abgasen zu messen. Es liegen daher schon Meßgeräte vor, die sehr kompakt aufgebaut leicht zu bedienen und sehr zuverlässig sind.

Mit den bekannten Meßgeräten könnte jedoch nur im Lichtbogi η bereits gebildetes NO, gemessen werden, was erst dann der Fall ist wenn die störende Außenatmosphäre bereits bis zur Schweißstelle vorgedrungen ist Die erfindungsgemäße Vorrichtung hingegen ist den Erfordernissen des Verfahrens der Erfindung in vorteilhafter Weise angepaßt Durch den Einbau eines G2ongenei ators und einer Reaktionskammer, in der Stickstoffanteile der Außenatmosphäre mit Sauerstoff zu NO, umgesetzt werden, zeigt diese Vorrichtung das Vordringen der Außenatmosphäre bereits dann an, wenn letztere den Lichtbogen noch nicht erreicht hat und daher auch noch keine Störungrn verursacht hat. Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung kann die Abschirmwirkung der Lichtbogen-Gashülle während des Schweißvorganges aufzeichnen und ermöglicht eine Bewertung des Schweißvorganges und der Schweißverbindung bzw. der Qualität des aufgeschweißten Materials nach Abschluß der Schweißung. Mit der Vorrichtung ist es auch möglich, den Schweißer von dem Zustand zu unterrichten, bei dem oder kurz vor dem die Lichtbogen-Abschirmwirkung in einem Maße verringert ist, daß das aufgeschweißte Metall Fehler aufweist Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann automatisch die Schutzwirkung einer Schutzgashülle bei einem richtigen Wert halten.

Die Erfindung sowie deren Vorteil und weitere ι Ausgestaltungen werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt Fig. 1 ein Diagramm, das die Änderung der Stickstoffoxid-Konzentration in einer Schutzgashülle wiedergibt wenn die Austrittsmenge des Schulzgases während des Schweißvorganges verändert wird,

Fig.2 ein Diagramm, das eine Änderung der Stickstoffoxid-Konzentration in einer Schutzgashülle wiedergibt wenn die Menge des Drahtaustrittes während des Schweißvorganges verändert wird,

Fig.3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Stickstoffoxid-Konzentration einer Schutzgashülle von ίο der Änderung der Ausflußmenge des Schutzgases sowie von an der Gasdüse anhaftenden Spritzern wiedergibt

Fig.4 ein Diagramm, das die Änderung der Stickstoffoxid-Konzentration in einer Schutzgashülle

bei Änderung der mittels einer Absaugeinrichtung abgesaugten Menge von beim Schweißvorgang sich

bildendem Rauch wiedergibt

Fig.5 und 6 die schematische Darstellung einer

erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung, die eine

Information und eine Anzeige der Schutzwirkung der Schutzgashülle ermöglicht uiv' das Ausmaß der Schutzwirkung der Gashüüc aufzeichnet

F i g. 7 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, die in Abhängigkeit von der Schutzwirkung der Schutzgashülle den Schweißvorgang automatisch unterbricht

Fig.8 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, die die Ausströmmenge des Schutzgases in Abhängigkeit vom Ausmaß der Abschirmwirkung einer Schutzgashülle automatisch steuert und J(I Fig.9 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, die die Menge des abgesaugten Rauches in Abhängigkeit von der Abschirmwirkung einer Schutzgashülle automatisch steuert

Mit Bezug auf die F i g. 1 bis 4 werden im folgenden verschiedene Untersuchungen erläutert, die im Zusammenhang mit Lichtbogenschweißen mit Schutzgas durchgeführt worden sind.

Experiment 1

Die Tatsache, daß die Abschirmwirkung der Schutzöashülle abnimmt wenn sich an der Gasdüse Spritzer absetzen, wurde künstlich dadurch erzeugt daß die Zufuhr des Schutzgases geändert wurde. Es wurde die Konzentration von NO₁ in der Schutzgashülle gemessen und aufgezeichnet und gleichzeitig wurde auch die Schweißnaht untersucht. Es wurde eine Drahtelektrode (12 mm 0) mit einer Seele verwendet. Der Schweißstrom betrug 300 A, die Schweißspannung 28 V und die Schweißgeschwindigkeit betrug 25 cm/min. Die Schützen gas-Zuleitung wurde in einem Bereich von 0 bis 30 l/min, verändert. In Fig. I ist das Untersuchungsergebnis aufgezeichnet. Daraus geht hervor, daß dann, wenn die Schutzgas-Ausströmmenge über einem Wert Q„ liegt, die NOx-Konzentration einen kleinen Wert M, ₍ ■ -. aufweist und pnktisch konstant bleibt. Das bedeutet, daß die Außenatmosphäre praktisch nicht in den Zentralbereich der Lichtbogen-Schutzgashülle und damit auch nicht bis zu dem hohe Temperaturen aufweisenden B.reich eindringt, der den Zentralbereich so der Schutzgashülle umgibt. Wenn Schutzgas mit einer Ausströmmenge in einem Bereich zwischen dem Wert Q. und dem Wert Q_c bereitgestellt wird, nimmt die NO,-Konzentration von Wert M, ι zum Wert M_c\ hin allmählich zu, wenn der Zustrom an Schutzgas abnimmt. >5 Dabei konnte ma*i jedoch ein gutes Schweißergebnis erzielen. Das bedeutet, daß die Abschirmwirkung der Lichtbogen-Gashülle abnahm, so daß ein Teil der umgebenden Luft verstärkt in den hohe Temperaturen

aufweisenden Bereich der Lichtbogen-Schutzgashülle eindrang, wobei die Abschirmwirkung der Lichtbogen-Gashülle jedoch bis zu einem gewissen Grad aufrechterhalten wurde, so daß das aufgeschweißte Metall keine Fehler, wie Einschlüsse, Poren usw., aufwies. Wenn die Ausflußmenge des Schutzgases jedoch unter den Wert Q₁ absinkt, steigt die NO₁-Konzentration schnell über den Wert M_cl an, und es treten Fehler beim aufgeschweißten Metall auf. Das bedeutet, daß die Abschirmwirkung der Lichtbogen-Gashülle wesentlich verringert ist und Außenluft durch den hohe Temperaturen aufweisenden Bereich der Lichtbogen-Schutzgashülle, in der NO, erzeugt wird, in den Zentralbereich der Lichtbogen-Schutzgashülle eindringt, so daß das aufgeschweißte Metall Schweißfehler bekommt. Als Schutzgas wurde CXVGas verwendet.

F.xnrrimpnt ?

Die Tatsache, daß die Abschirmwirkung der Schutzgashülle auf Grund einer Änderung der Form des Werstückes und des eingeschlossenen Winkels sowie aufgrund einer Änedrung im Abstand zwischen der Gasdüse und dem Werkstück verringert werden, wurde künstlich dadurch hervorgerufen, daß der Abstand zwischen der Gasdüse und dem Werkstück verändert wurden. In diesem Falle wurde die Stickstoffoxid-Konzentration in der Gashülle gemessen und aufgezeichnet, und gleichzeitig wurde die Schweißnaht bzw. die Schweißverbindung untersucht. Dieses Experiment wurde unter den gleichen, im Experiment 2 vorhandenen Bedingungen durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Ausströmmenge des Schutzgases auf 20 l/min eingestellt und die Länge des Drahtaustrittes in einem Bereich von 0 bis 50 mm verändert wurde. Die Länge des Drahtaustrittes wurde auf diese Weise verändert, weil ein Schweißapparat verwendet wurde, bei dem eine Gasdüse koaxial zum Elektrodenteil angeordnet ist. Das Ergebnis der Untersuchung ist in Fig. 2 dargestellt. Wenn die Länge des Drahtaustrittes unterhalb eines Wertes L₁ ist, ist die ΝΟ,-Konzentration gering und liegt unter einem Wert M₃ 2 mit im wesentlichen konstantem Verlauf, wobei die Schweißung gut ist. Das bedeutet, daß die Außenluft wirksam daran gehindert wird, sowohl in den Zentralbereich der Schutzgashülle als auch in den hohe Temperaturen aufweisenden Bereich, der den Zentralbereich der Schutzgashülle umgibt, einzudringen. Wenn die Länge des Drahtaustrittes über dem Wert L₃, jedoch unter dem Wert L_c liegt, erhöht sich die NO_t-Konzentration allmählich vom Wert M₃ 2 bis zum Wert M₀ 2. wenn die Länge des Drahtaustrittes vergrößert wird. In diesem Falle war das Schweißergebnis gut. Das bedeutet, daß die Abschirmwirkung der Schutzgashülle bei zunehmender Länge des Drahtaustrittes größer wird, die Abschirmwirkung der Schutzgashülle jedoch noch so gut bleibt, daß das aufgeschweißte Material keine Fehler wie Einschlüsse, Klunker usw., aufweist, auch wenn Außenluft in den hohe Temperaturen aufweisenden Bereich der Schutzgashülle eindringt Wenn die Länge des Drahtaustrittes jedoch den Wert Lc übersteigt, so steigt auch die NO,- Konzentration schnell über den Wert Af_c2 an, und es treten Schweißfehler auf. Das bedeutet, daß die Abschirmwirkung der Schutzgashüüe wesentlich verringert wird, da Außenluft sowohl in den Zentraibereich der Schutzgashülle als auch in den hohe Temperaturen aufweisenden Bereich um den Zentralbereich der Schutzgashülle herum eindringt

Experiment 3

Der Vorgang, bei dem die Abschirmwirkung einer Schutzgashülle auf Grund eines Spritzers oder eines Splitters, der sich auf der Gasdüse absetzt, verringert wird, wurde künstlich durch Anbringen eines Splitters an der Düse und durch Ändern der Ausströmmenge des Schutzgases wie beim Experiment 1 hervorgerufen. Die ΝΟ,-Kontentration der Schutzgashülle wurde gemessen und aufgezeichnet, und gleichzeitig wurde das Schweißergebnis geprüft. Das Ergebnis dieses Experiments wurde, wie in Fig. 3 dargestellt ist, mit dem Ergebnis des Experimentes I verglichen. In F i g. 3 zeigt die ausgezogene Linie I das Ergebnis des Experimentes 1 und die ausgezogene Linie Il das Ergebnis des Experimentes 3. Wenn ein Spritzer oder ein Splitter an der Gasdüse anhaftet, so ist auch dann, wenn die Ausflußmenge des Schutzgases gleich ist, die Abschirmwirkung der Lichtbogen-Gashülle im Vergleich zu dem Falle wesentlich verringert, bei dem kein Splitter oder Spritzer an der Gasdüse anhaftet. Obgleich sich die Ausflußmenge des Schutzgases wesentlich unterscheidet, wenn Schweißfehler auftreten bzw. wenn das aufgeschweißte Metall Fehler aufweist, so hat sich hergestellt, daß die ΝΟ,-Konzentration in der Schutzgashülle im wesentlichen den gleichen Wert aufweist, wenn das aufgeschweißte Metall Schweißfehler aufweist.

Experiment 4

Der Vorgang, bei dem die Schutzgaswirkung der Schutzgashülle durch Absaugen des Schweißrauches bzw. -dampfes mit einer Abzugseinrichtung verringert wird, wurde künstlich durch Ändern der Absaugmenge des Schweißrauches hervorgerufen. Die ΝΟ,-Konzentration in der Schutzgashülle wurde gemessen und aufgezeichnet, und gleichzeitig wurde das Ergebnis des Schweißvorgangs untersucht. In diesem Falle wurde die Ausflußmenge des Schutzgases schrittweise verändert.

Die Ergebnisse des Experimentes sind in F i g. 4 durch die ausgezogenen Kurven A, B und C dargestellt. Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist verringert sich die Abschirmwirkung einer Lichtbogen-Gashülle entsprechend, wenn die von der Rauchabzugseinrichtung abgezogene Menge des Schweißrauches ansteigt, wodurch am aufgeschweißten Metall Fehler, das heißt also Schweißfehler, auftreten. Es hat sich herausgestellt, daß Schweißfehler bei geringerer Absaugmenge des Schweißrauches auftreten, wenn die Austrittmenge des Schutzgases geringer ist Wenn die Abschirmwirkung der Lichtbogen-Schutzgashülle unabhängig von der Menge des Schutzgases in einem Maße verringert wird, daß Schweißfehler auftreten, so hat sich dabei gezeigt daß die NOr-Konzentration in der Lichtbogen-Schutzgashülle im wesentlichen den gleichen Wert aufweist

Im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Untersuchungen und Experimenten wurden folgende Schlußforderungen gezogen. Die Schutz- bzw. Abschirmwirkung einer Lichtbogen-Gashülle kann z.B durch Ändern der Ausflußmenge des Schutzgases oder durch Ändern der Länge des Drahtaustrittes nicht gemessen werden. Die NO^-Konzentration in der Lichtbogen-Schutzgashülle steht jedoch in Beziehung zu der Abschirmwirkung der Lichtbogen-Gashülle.

In Fig.5 ist ein Schweißapparat 11 über einem Metallwerkstück 10 in der Außenatmosphäre angeordnet Am vorderen Ende des Schweißapparates 11 ist ein elektrisches Energieversorgungsteil 12, welches zum

Metallwerkstück 10 hin gerichtet ist, vorgesehen. Die Drahtelektrode 13 wird mit einer Drahtzuführungseinrichtung 14 durch den Schweißapparat 11 zum Werkstück 10 hin geführt. Der Masseanschluß der Lichtbogen-Versorgungsquelle 15 ist über ein Massekabei 17 mit dem Werkstück 10 verbunden, und der Anschluß der Lichtbogen-Versorgungsqueile 15 für die elektrische Stromversorgung steht über ein Stromversorgungskabel 16 und über das elektrische Energieversorgungsteil 12 des Schweißapparates U mit der Drahielekirode 13 in Verbindung. Eine zylindrische Gasdüsc 18 ist am vorderen linde des Schweißapparates 11 und um den Außenumfang des Elcktrodenteils 12 angeordnet, wobei die Gasauslaßöffnung der Gasdüse 18 zum Werkstück 10 hin gerichtet ist. Die Gasdüse 18 steht über eine Leitung 19 und über eine nicht dargestellte, von Hand zu bedienende Gasfluß-Einstellvorrichlung mit einer nicht dargestellten Gasquelle, beispielsweise mil einer das Schutzgas enthaltenden Druckgasflaschc, in Verbindung.

Das Lichtbogenschweißen unter Schutzgas wird in bekannter Weise durchgeführt, so daß eine nähere Erläuterung entbehrlich ist.

Das aus der Gasdüse 18 ausströmende Schutzgas 20 bildet um den Lichtbogen 21 herum eine Schutzgashülle. Die auf diese Weise geschaffene Gasatmosphäre wird von einer Gasabsaugeinrichtung 22 abgesaugt und einer Stickstoffoxid-Meßvorrichtung 23 zugeführt. Das Ausgangssignal der Meßvorrichtung 23 wird einem Anzeigegerät 24 und einem Aufzeichnungsgerät 25 zugeleitet.

Die Gasabsaugeinrichtung 22 ist so ausgebildet, daß eine Gasabsaugdüse 27 über eine Leitung 28 mit einer Ansaugöffnung einer Saugpumpe 29 und eine Auslaßöffnung der Saugpumpe 29 über eine Leitung 30 mit einer Gaseinlaßöffnung der Meßeinrichtung 23 verbunden ist. Die Gasansaugdüse 27 ist zylindcrförmig und besitzt in der Außenwandung mehrere Ansauglöcher31. Die Gasansaugdüse 27 ist um den Außenumfang der Gasdüse 18 herum koaxial zur Gasdüse 18 angebracht, «o wobei ein Gasansaugloch zum Werkstück 10 hin gerichtet ist.

Die Meßvorrichtung 23 enthält eine Reaktionskammer 32, einen Ozon-Generator 33, eine photoelektrische Lichtmeßeinrichtung 34 und einen Verstärker 35. Der Ozcn-Generator 33 steht über die Einlaßöffnung 37 mit der Außenatmosphäre in Verbindung und erzeugt Ozon. Die Reaktionskammer 32 ist so ausgebildet, daß in ihr ein abgesaugtes Gas, das von der Gasabsaugeinrichtung 22 kommt, unter verringertem Druck mit dem vom Ozongenerator 33 bereitgestellten Ozon reagiert. Die photoelektrische Lichtmeßeinrichtung 34 detektiert durch ein eingebautes optisches Filter mittels eines Photomultipliers eine Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von 600 bis 2500 μπι. Diese Infrarot-Strahlung wird mit einer Lichtintensität emittiert, die proportional der Massen-Flußmenge von NO ist, wenn das im abgesaugten Gas enthaltene NO in der Reaktionskammer 32 mit dem Ozon reagiert. Auf diese Weise wird die Massen-Flußmenge von NO in ein elektrisches Signal umgesetzt Der Verstärker 35 verstärkt das Ausgangssignal des Photovervielfachers in der photoelektrischen Lichtmeßeinrichtung 34. Die Anzeigeeinrichtung 24 zeigt dem Schweißer ein elektrisches Signal an, das von der Meßeinrichtung 23 erzeugt wird. Die Aufzeichnungseinrichtung 25 zeichnet ein von der Meßeinrichtung 23 erzeugtes elektrisches Signal auf einem Aufzeichnungsmedium, beispielsweise auf einem Aufzeichnungspapier, auf.

Bei Betrieb des mit Schutzgas arbeitenden Lichtbogen-Schweißgerätes wird das eine Schutzgasatmosphäre bildende Schutzgas 20 bei eingeschalteter Gasabsaugeinrichtung 22 und eingeschalteter Meßeinrichtung 23 durch die Gasansaugdüse 27 hindurch abgesaugt, wenn das Schutzgas 20 um den Lichtbogen 21 herum vorbeiströmt. Infolgedessen wird die Lichtbogenatmosphäre ständig von der Gasabsaugeinrichtung 22 abgesaugt und der Meßeinrichtung 23 zugeleitet, die die Dichte des Stickstoffoxids (NO) in der Lichtbogenatmosphäre mißt und den gemessenen Wert in Form eines elektrischen Signals bereitstellt. Das von der Meßeinrichtung erzeugte elektrische Signal wird zur Information des Schweißers einer Anzeigevorrichtung 24 und weiterhin einer Aufzeichnungseinrichtung 25 zugeführt.

Während des Schweißvorganges wird der Schweißer durch die Anzeigevorrichtung 24 über die Dichte des SilCkiiufiOAiuS üi'ld dci eil Änderung in der LiCnibogenatmosphäre unierrichtet und kann die Dichte und deren Änderung überwachen. Da die Dichte des StickstoffoxidsinderLichtbogenatmosphäre mit dem Ausmaß der Schutzfunktion der Lichtbogenatmosphäre in Beziehung steht und da auf diese Weise das Ausmaß der Schutzfunktion der Lichtbogenatmosphäre angezeigt wird, kann der Schweißer durch Beobachten der Anzeigevorrichtung 24 das Ausmaß der Schutzfunktion der Lichtbogenatmosphäre sowie deren Änderung überwachen. Wenn beispielsweise die Gasfluß-Einstellvorrichtung beim Schweißvorgang entsprechend der Anzeige an der Anzeigevorrichtung 24 so eingestellt wird, daß das Ausmaß der Schutzfunktion der Lichtbogenatmosphäre auf einem richtigen Wert gehalten wird, ist es möglich, sowohl einen falschen, fehlerhaften Schweißvorgang, der eine fehlerhafte Schweißnaht bzw. ein fehlerhaftes Verschweißen des Metalls verursacht, als auch einen zu großen Verbrauch an Schutzgas zu vermeiden. Bei der Untersuchung und Prüfung der gemessenen, auf dem Aufzeichnungsmedium aufgezeichneten Werte stellt sich heraus, ob das Ausmaß der Schutzfunktion der Lichtbogenatmosphäre auf einem richtigen Wert gehalten wird, und die Untersuchung dieser aufgezeichneten Meßwerte gibt dem Schweißer sowohl eine Grundlage für die Bewertung der Schweißnaht und der Schweißverbindung als auch für die Bewertung der Qualität der Schweißverbindung.

In Fig.6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Am vorderen Ende des Schweißapparates 41 ist ein elektrischer Energieversorgungsteil 42 vorgesehen, der zum Metallwerkstück 40 hin gerichtet ist. Eine Drahtelektrode 43 wird mit einer Drahtzuführungseinrichtung 44 durch den Schweißapparat 4i zum Werkstück 40 hin vorgeschoben. Der Masseanschluß einer Lichtbogen-Versorgungsquelle 45 ist über ein Massekabel 47 mit dem Werkstück 40 und der Stromversorgungs-Anschluß der Lichtbogen-Versorgungsquelle 45 ist über ein Stromversorgungskabel 46 und über das Energieversorgungsteil 42 des Schweißapparates 41 mit der Drahtelektrode 43 verbunden. Am vorderen Ende des Schweißapparates 41 ist eine zylindcrförmige Gasdüse 48 koaxial zu dem Elektrodenteil 42 angeordnet, wobei die Gasauslaßöffnung zum Werkstück hin gerichtet ist Die Gasdüse 48 ist mit einer Drahtführung 49 des Schweißgerätes 41 sowie über einen Bedienungsabschnitt 50, eine Leitung 51 und eine von Hand betätigbare Gasfluß-Einstellvorrichtung 52 mit einer nicht dargestellten Gasquelle, beispielsweise

einer Gasdruckflasche, verbunden. Eine zylinderförmige Rauchabzugsdüse 54 mit mehreren Rauchabzugslöchern 53 am Außenumfang ist an der Gasdüse 48 koaxial zu deren Außenumfang angebracht. Die Rauchabzugsdüse 54 ist über den Bedienungsabschnitt 50, durch den eine Leitung 55 hindurchgeht, mit der Ansaugöffnung einer Rauchabsaugpumpe 56 verbunden. Ein Ende einer Leitung 57 stfiht mit der Ausiaßöffnung der Absaugpumpe 56 in Verbindung. Das andere Ende der Leitung 57 führt aus dem Raum, in dem das Schweißen vorgenommen wird, nach außen. Die Rauchabsaugpumpe 56 besitzt an der Absaugseite ein Rauchsammeifilter. Die Absang-Einlaßöffnung einer Saugpumpe 58 für das Sammeln von Gas ist über eine Leitung 59 mit einer Abzweigung der Leitung 57 verbunden. Die Auslaßöffnung der Säugpumpe 58 steht über eine Leitung 60 mit der Gaseinlaßöffnung der Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 61 in Verbindung. Das Ausgangssignal der ivicucii'ii'iCi'iiüüg Gi wifu einer rtfiZcigccifif iCniüng Ua und einer Aufzeichnungseinrichtung 63 zugeführt. Die Meßeinrichtung 61 entspricht der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung und enthält eine Reaktionskammer 64, einen Ozon-Generator 65, eine photoelektrische Lichtmeß-Einrichtung 66 und einen Verstärker 67.

Beim Absaugen des Rauches durch die Pumpe 56 wird durch die Leitung 57 ein Gasstrom gesaugt und der Meßeinrichtung 61 zugeführt. Da durch die Rauchabzugsdüse 54 sowohl der beim Schweißen entstehende Rauch um den Lichtbogen herum als auch das Schutzgas 58 abgesaugt werden, wird das durch die Leitung 57 strömende Gas in der Pumpe 56 gesammelt und zur Wiederverwendung als Lichtbogenatmosphäre gereinigt. Wenn die Lichtbogenatmosphäre der Meßeinrichtung 61 zugeleitet wird, kann diese die Dichte des Stickstoffoxids in der Lichtbogenatmosphäre messen und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugen. Die Stickstoffoxid-Dichte, die das Ausmaß der Abschirmfunktion der Lichtbogenatmosphäre wiedergibt, wird von der Anzeigeeinrichtung 62 angezeigt und auf ein Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet. In diesem Falle ist keine besondere oder zusätzliche Gasabsaug- oder Sammeleinrichtuiig vorgesehen, stattdessen wird zu diesem Zwecke die Rauchabzugsvorrichtung verwendet, so daß das Lichtbogen-Schweißgerät einen einfachen Aufbau aufweisen kann.

Die in den F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen ähneln in ihrem Grundaufbau der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform, wogegen die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform in ihrem Grundaufbau der in Fig. 6 dargestellten ähnlich ist. Bei den in den F i g. 7, 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen sind entsprechende Teile und Elemente, die denen von F i g. 5 und 6 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen; eine nochmalige Erläuterung der Einrichtungen ist nicht mehr erforderlich.

Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Bezugs-Ausgangssignal von einer Bezugsdichte-Einstellvorrichtung 80 und ein Ausgangssignal einer Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 23 an einen Differenzverstärker 81 gelegt, der dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Ausgangssignal der Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 23 das Bezugs-Ausgangssignal übersteigt Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Alarmeinrichtung, beispielsweise ein Summer 82 oder ein sonstiger akustischer Alarmgeber, vorgesehen, der vom Ausgangssignal des Differenzverstärkers ;n Funktion gesetzt wird. Eine Lichtbogen-Versorgungsquelle 15 und eine Elektrodendraht-Zuführungseinrichtung 14 werden vom Ausgangssignal des Differenzverstärkers 81 gesteuert und dadurch außer Funktion gesetzt Dies ist auf einfache Weise beispielsweise dadurch möglich, daß am Netzteil der Versorgungsquelle 15 und der Drahtzuführungseinrichtung 14 ein Unterbrecher vorgesehen ist, der vom Ausgangssignal des Differenzverstärkers 81 erregt und in den nicht leitenden Zustand versetzt werden kann. Wenn die Dichte des Stickstoffoxids in der Lichtbogenatmosphäre den Bezug-Dichtewert, der durch die Einstellvorrichtung 80 eingestellt worden ist, übersteigt, wird vom Differenzverstärker 81 ein Ausgangssignal erzeugt, wodurch eine Alarmeinrichtung in Tätigkeit gesetzt wird. Gleichzeitig werden die Versorgungsquelle 15 und die Drahtzuführungseinrichtung 14 ausgeschaltet, so daß der Schweißvorgang automatisch unterbrochen wird. Wenn der Bezugs vert auf eine Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre eingestellt wird, die dem Dichtezustand ent-

atmosphäre so weit verringert ist, daß Schweißfehler auftreten können, wird der Schweißvorgang sofort gestoppt, so daß eine fehlerhafte Schweißung von vornherein verhindert wird. Der Schweißer wird von der Unterbrechung des Schweißvorganges sofort informiert, da die Alarmvorrichtung gleichzeitig in Funktion tritt. Auf diese Weise läßt sich die Ausfallzeit bei der Schweißung, nämlich die Zeit, die zwischen dem Einstellen der Abschirmfunktion der Lichtbogenatmosphäre und dem Wiederbeginn des Schweißvorganges verrinnt, verkürzen. Weiterhin ist es möglich, lediglich die Alarmeinrichtung durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers in Funktion zu setzen, ohne daß die Lichtbogen-Versorgungsquelle 15 und die Drahtzuführungseinrichtung 14 außer Funktion gesetzt werden.

In diesem Falle kann die Bedienungsperson kurz vor dem Zeitpunkt in Kenntnis gesetzt werden, bei dem die Abschirmfunktion der Lichtbogenatmosphäre so weit zurückgegangen ist, daß Schweißfehler auftreten. Wenn daher entweder der Schweißvorgang bei Auftreten

*o eines Alarmzeichens von der Alarmeinrichtung von Hand gestoppt wird oder wenn der S«:^kweißvorgang nicht unterbrochen, jedoch die Abschirmfunktion der Lichtbogenatmosphäre neu eingestellt wird, ist es bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel mög-

«5 lieh, Schweißfehler zu verhindern.

Bei dem in Fig.8 dargestellten Ausführungsbeispiel werden das Bezugs-Ausgangssignal einer Bezugsdichte-Einstcllvorrichtung 90 und das Ausgangssignal einer Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 23 einem Differenzverstärker 91 zugeführt. Eine automatische Gasfluß-Einstellvorrichtung 92 ist zwischen einer Gasdüse 27 und einer Gasversorgungsquelle 14 angeordnet und steuert den Gasfluß gemäß der Änderung eines Steuersignals, das dann angelegt wird, wenn der Gasfluß unter einen kleinsten Wert eines voreingestellten Gasdruckes abfällt Als automatische Gasfluß-Einstellvorrichtung 92 kann beispielsweise ein Durchfluß-Einstellventil verwendet werden, das mittels eines Servomotors, welcher sich in Abhängigkeit vom Steuersigna! dreht, betätigt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 91 wird als Steuersignal der automatischen Gasfluß-Einstellvorrichtung 92 zugeführt Wenn als Bezugsdichte ein Dichtewert genommen wird, der die Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre kurz vor Eintreten

"5 des Zustandes wiedergibt bei dem die Abschirmfunktion der Lichtbogenatmosphäre bis zu einem Maße absinkt bei dem Schweißfehler auftreten, so kann die Bezugsdichte-Einstelleinrichtung 90 so ausgelegt sein.

daß sie ein Ausgangssignal erzeugt, das dieser Dicht·; entspricht Wenn die Abschirmwirkung der Lichtbogenatmosphäre auf Grund eines an der Düse 18 haftenden Spritzers oder Splitters in diesem Falle so weit absinkt, daß Schweißfehler auftreten, erhöht sich dabei die Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre. Wenn die Bezugsdichte die Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre übersteigt, wenn also das Ausgangssignal der Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 23 das Bezugssignal übersteigt, erzeugt der Differenzverstärker 91 ein Stcucrausgangssignal, das der Differenz des Ausgangssignals von der Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 23 und dem Bezugssignal proportional ist. Das Steuerausgangssignal wird der automatischen Gasfluß-Einstellvorrichtung 92 zugeleitet. Demzufolge wird der Durchfluß des Schutzgases durch die Leitung 19 entsprechend dem Steuerausgangssignal automalisch erhöht. Dadurch strömt auch mehr Schutzgas durch die Abschirmwirkung der Lichtbogenatmosphäre absinkt, erhöht sich die Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre. Wenn die Abschirmwirkung der Lichtbogenatmosphäre einen Zustand erreicht, kura bevor Schweißfehler auftreten, übersteigt die Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre die Bezugsdichte. Infolgedessen übersteigt das Ausgangssignal der Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 61 das Bezugsausgangssignal der Bezugsdichte-Einstelleinrichtung, so daß der Differenzverstärker 101 ein Ausgangssignal bereitstellt, das als Steuersignal der Durchfluß-Einstellvorrichtung 102 zugeleitet wird. Demzufolge wird der Durchfluß des abgesaugten Gases durch die Pumpe in Abhängigkeit eines Steuersignals gesteuert, das das Eingangssignal an der Durchfluß-Einstellvorrichtung 102 anlegt und das bewirkt, daß der Durchfluß des Abgases durch die Rauchabgaseinrichtung 70 verringert wird. Auf diese Weise wird die Abschirmwirkung der Lichtbogenatmo-

Lichtbogen-itmosphäre automatisch auf den richtigen Wert eingestellt werden kann. Das heißt, das Ausmaß der Abschirmwirkung der Lichtbogenatmosphäre wird durch die Stickstoffoxiddichte in der Lichtbogenatmosphäre festgestellt und das Ausströmen des Schutzgases gesteuert, so daß die Abschirmwirkung der Schutzgasat- w mosphäre immer auf dem richtigen Wert gehalten werden kann. Demzufolge kann automatisches Lichtbogenschwei!3en durchgeführt werden, ohne daß Schweißfehler auftreten, und es ist gleichzeitig möglich, einen zu großen Verbrauch an Schutzgas zu verhindern.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Bezugsausgangssignal einer Bezugsdichte-Einstellvorrichtung 100 und das Ausgangssignal einer Stickstoffoxid-Meßeinrichtung 61 einem Differenzverstärker 101 zugeführt. Eine Durchfluß-Einstellvorrichtung 102 iiit an der Saugpumpe 56 einer Rauchabsaugeinrichtunji 70 vorgesehen, so daß die Menge des abgesaugten Gases gesteuert wird. Die Durchfluß-Einstellvorrichtung 102 bewirkt, daß die Saugpumpe 56 bei nicht vorhandenem Steuersignal eine maximale Sauglei- *o stung aufweist. Wenn vom Differenzverstärker 101 jedoch ein Ausgangssignal, das als Steuersignal dient, bereitgestellt wird, so verringert sich die Menge des von der Pumpe 56 abgesaugten Gases entsprechend den Steuersignal-Änderungen. Als Durchfluß-Einstellvorrichtung 102 kann beispielsweise eine Vorrichtung verwendet werden, die die Drehzahl eines Antriebsmotors für die Saugpumpe 56 in Abhängigkeit des Steuersignals steuert. Eine Bezugsdichte-Einstellvorrichtung ICO erzeugt ein Bezugsausgangssignal entsprechend einer Bezugsdichte, die die Stickstoffoxid-Dichte in der Lic'itbogenatmosphäre kurz vor dem Zustand wiedergibt, bei dem die Abschirmwirkung der Lichtbogenatmosphäre auf einen Wert absinkt, bei dem Schweißfehler auftreten. Wenn in diesem Falle beispielsweise während des Schweißvorganges ein Spritzer an die Gasdüse 48 geschleudert wird und an ihr anhaftet und dadurch das Gleichgewicht zwischen dem Durchfluß des Schutzgases durch die Gasdüse 48 und dem Durchfluß des Gases gestört wird, das durch die Rauchabzugsdüse 54 abgesaugt wird, wodurch die die Lichtbogenatmosphäre dadurch gestört wird, daß Rauch durch die Rauchabzugseinrichtung 70 so stark abgesaugt wird, daß die Abschirmwirkung der Lichtbogenatmosphäre absinkt, wird der Absaugvorgang der Rauchabsaugvorrichtung 70 automatisch unterbrochen, wodurch die Abschirmwirkung immer gleich bleibt. Obgleich in diesem Falle das Absaugen des beim Schweißvorgang entstehenden Rauches während des Schweißens selbst verringert werden kann, läßt sich der Schweißvorgang dennoch ohne Schweißfehler durchführen.

Bei den in den F i g. 5 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen beruht die Stickstoffoxid-Meßvorrichtung auf einem chemischen Lichtemissionsverfahren.Stattdessen können jedoch auch andere Stickstoffoxid-Meßeinrichtungen verwendet werden, die beispielsweise auf einem NO-Analyseverfahren, einem NOvDichtemeßverfahren, einem NO- + NOrAnalyseverfahren oder einem Stickstoff-Gesamtanalyseverfahren beruhen. Das NO-Analyseverfahren umfaßt ein Gasanalyseverfahren mil Infrarotstrahlung und ein Korrelations-Analyseverfahren; das NO2-Dichtemeßverfahren umfaßt ein Infrarotabsorptionsverfahren, ein Korrelations-Analyseverfahren und ein Konstantspannungs-Elektrolyseverfahren; das NO- + NO₂-Analyseverfahren umfaßt tin Naphthyläthylamin-Verfahren (ein absorptiometrisches Verfahren), ein Konstantspannungs-Elektrolyseverfahren, ein Ozonoxid-Wärmeanalyseverfahren und ein Sauerstoffoxidationsverfahren; und das Stickstoff-Gesamtanalyseverfahren umfaßt ein Phenoldisulfonsäure-Verfahren (ein absorptiometrisches Verfahren) und ein Ozon-Oxidationsionen-Elektrodenverfahren.

Bei dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Lichtbogen-Schweiüvorgang auch automatisch unterbrochen und, wie bei dem in Fig.7 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben, diese Unterbrechung durch eine Alarmvorrichtung angezeigt werden, und der Durchfluß des Schutzgases kann automatisch gesteuert werden, wie dies bei dem in Fig.8 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Schutzwirkung einer Lichtbogen-Schutzgashülle durch Bestimmung ihres Stickstoffgehaltes, dadurch gekennzeichnet, daß man der Schutzgashülle einen Volumenanteil entnimmt und darin den Stickoxidgehalt bestimmt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil durch Absaugen entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abgesaugte Volumen durch eine Stickoxidmeßvorrichtung geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Rauchabzugvorrichtung abgesaugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgas-DurchfluOmonge in Abhängigkeit von dem gemessenen Stickoxidgehalt gesteueiJ-wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Stickoxidmeßeinrichtung (23,61) enthält, die einen Ozongenerator (33, 65), eine Reaktionskammer (32, 64), in der das abgesaugte Gas mit dem vom Ozongenerator (33, 6S) bereitgestellten Ozon reagiert, eine photoelektrische Lichtmeßeinrichtung (34, 66) und einen Signal verstärker (35,67) aufweist