DE2611171A1

DE2611171A1 - Regelung von schweissprozessen durch temperaturmessung

Info

Publication number: DE2611171A1
Application number: DE19762611171
Authority: DE
Inventors: Bernd Hermanns
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1976-03-17
Filing date: 1976-03-17
Publication date: 1977-09-22
Also published as: NL7702839A; ATA148077A; AT352835B; DE2611171C2; FR2344370A1; BE852415A; FR2344370B1

Description

INTERATOM

Internationale Atoiiireaktorbau GmbH 506 Bensberg

Regelung von Schweißprozessen durch Temperaturmessung

üie vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißprozessen durch Temperaturmessung, insbesondere von elektrischen Schweißgeraten mit nicnt abschmelzender Elektrode. Die bisher bekannten, regeltechnisch oft sehr komplizierten Programmgesteuerten Sciiweißprozesse werden erheblich vereinfacht.

In der deutschen Auslegeschrift 15 15 284 wird eine komplizierte Schaltung zur fotoelektrischen Lichtbogen-Längenregelung an Schweißmascninen beschrieben, bei der die Intensität des Lichtbogens direkt über mehrere zu einem Bündel vereinigte Glas- bzw. Quarzfasern gemessen wird. Dabei sind drei verschiedene fotoelektrische Dioden jeweils zur Erfassung der sichtbaren, der infraroten und der ultravioletten Strahlungsanteile des Lichtbogens vorgesehen. Tatsächlich ist aber nicht so sehr die Temperatur des Lichtbogens sondern die Temperatur des Werkstückes an der momentanen Schweißstelle von Bedeutung für die Regelung der Schweißmaschine. Außerdem sind diese, dem Lichtbogen direkt ausgesetzte Meßgeräte immer der Gefaar ausgesetzt, daß sie besciiädigt oder verschmutzt werden und daher ungenau messen.

In der deutschen Üffenlegungsschrift 19 00 509 wird ein Verfahren zum einseitigen Lichtbogenschweißen beschrieben,

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bei deiftauf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite des Werkstückes eine gut wärmeleitende Schiene vorgesehen ist, deren Temperatur gemessen und zur Steuerung verschiedener Schweißbedingungen benutzt wird, "wobei unter Schweißbedingungen der Schweißstrom, die Spannung, die Schweißgeschwindigkeit und die Lage sowie die Vorschubrichtung der Elektrode zu verstehen sind." Die vorgeschlagene Schiene verhindert zwar den direkten Kontakt der Thermoelemente mit dem Schweißlichtbogen, aber auch diese Schiene selbst kann verschmutzen und uneben werden, so daß die gewünschte Temperaturmessung am Werkstück doch sehr von der Oberfläche dieser Schiene und damit vom Wärmeübergang zwischen Werkstück und Schiene p.bnängig wird. In welciit-x './eise die dort aufgezäülten Schweißbedingungen geregelt werden sollen, wird niciit näher beschrieben.

In dem Bericht: "Mechanisiertes Schweißen \^ron Aluniniumronren", deutscher Verband für Schweißtechnik 1971, Band 22, Seite 113 bis Seite 123 wird von Iversen und Schellong beschrieben, wie man in einem ganz speziellen Anwendungsfall, nämlich beim Schweißen von sehr dünnwandigen Aluminiumrohren eine große Anzahl gleichartiger Schweißnähte automatisch verschweißt. Dort wird wörtlich gesagt: "Die konstante Energiebilanz erfordert insbesondere beim Schweißen mit umlaufenden Brenner die Änderung des Schweißstromes und/oder der Schweißgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Schweißposition und der voreilenden Vorwärmung. - Gelöst wurde das Problem durch die Entwicklung einer programmierten Impulssteuerung, die den Rohrumfang in beliebig kleine Abschnitte unabhängig vom Rohrdurchmesser einteilt, an denen jeweils eine Änderung der Schweißdaten vorgenommen werden kann usw. die Temperaturen wurden mit einem Thermoelement an der Rohrinnenwand bei konstanter Meßposition vor dem Brenner gemessen." Für diese vorgeschlagene Programm-Steuerung ist ein erheblicher regeltechnischer Aufwand notwendig, der sich nur lohnt, wenn eine sehr große Anzahl von gleichartigen

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Schweißnähten hergestellt werden soll. Wenn auch nur geringfügig unterschiedliche Schweißbedingungen vorliegen, also in der Nähe der Schweißnaht beispielsweise unterschiedliche Werkstückdicken vorliegen, die eine ungleichmäßige Wärmeabfuhr verursachen, dann ist diese Programm-Steuerung nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine regeltechnisch einfache, schnell zu montierende, zuverlässige und beim Schweißen schnell ansprechende Vorrichtung zur Regelung von Schweißprozessen durch Temperaturmessung des Werkstückes, die keine Programm-Steuerung erfordert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite des Werkstückes mit Abstand vo» Werkstück mindestens eine außerhalb der Schweißspaltebene angeordnete Fotodiode vorhanden ist, deren reziproke Spannung direkt zur Regelung des Schweißstroms benutzt wird. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Schweißstrom nur innerhalb technisch vernünftiger Grenzen also zwischen einem einstellbaren Minimal- und Maximalwert regelbar ist. Alle übrigen Schweißdaten wie z.B. Gasstrom und Schweißgeschwindigkeit werden unter normalen Umständen innerhalb technisch vernünftiger Grenzen konstant gehalten. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Fotodioden außerhalb der Schweißspaltebene tvird vermieden, der der elektrische Lichtbogen durch den praktisch immer vorhandenen Spalt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken hindurch direkt die Fotodioden beeinflussen kann. Durch die Temperaturmessung auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite des Werkstückes wird erreicht, daß nicht die Temperatur des elektrischen Lichtbogens sondern die Temperatur des zu schweißenden Werkstückes zur Regelung benutzt wird. Durch die Verwendung von Fotozellen kann man gegenüber den bekannten Thermoelementen berührungslos und verzögerungsfrei

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messen und vermeidet damit den direkten Kontakt zwischen den empfindlichen Meßgeräten und der Werkstückoberfläche. Unabhängig von der Frage, ob nun Brenner und Fotodioden stillstehen und das Werkstück, beispielsweise ein Rohr, rotierend am Brenner vorbeibewegt wird oder das Werkstück stillsteht und der Brenner zusammen mit den gegenüberliegenden Fotodioden bewegt wird, wird der Motor für die Relativbewegung zwischen Brenner und Werkstück erst eingeschaltet, wenn eine Fotodiode anzeigt, daß das Werkstück eine ausreichende Temperatur aufweist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Schweißnaht von Anfang an mit der richtigen Stromstärke gescmveißt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine Kette von mehreren parallel geschalteten Fotodioden vorhanden ist, die alle mit etwa gleichem Abstand von der Scnweißnaht angeordnet sind. Durch die Anordnung mehrerer parallel geschalteter Fotodioden erreicht man, daß nur die jeweils höchste Temperatur des Werkstückes gemessen wird. Damit wird praktisch immer an der Stelle gemessen, an der sich der Brenner gerade befindet, so daß man auf komplizierte Mechanismen zur Koordination der Bewegung von Brenner und Meßgerät verzichten kann. Die hier vorgeschlagenen Fotodioden haben die Eigenschaft, daß die von allen parallel geschalteten Fotodioden gemeinsam abgegebene höchste Spannung nur immer von der einen Fotodiode beeinflußt wird, die gerade die höchste Temperatur mißt. Die nur geringere Spannung abgebenden benachbarten Fotodioden sowie die übrigen, gar nicht beaufschlagten Fotodioden verändern weder in positiver noch in negativer Hinsicht die abgebene Spannung. Wenn alle Fotodioden etwa den gleichen Abstand von der Scnweißnaht aufweisen, ist gewährleistet, daß alle unter gleichen Bedingungen messen. Theoretisch ändert sich die Meßspanuung natürlich, wenn sich der Brenner

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gerade zwischen zwei Fotodioden befindet. Dieser Einfluß kann aber bei genügend geringem Abstand benachbarter Fotodioden voneinander vernachlässigt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Kette von Fotodioden auf der Innenseite von U-förmigen Kästen angeordnet ist. Diese U-förmigen Kästen werden durch an sich bekannte Spannvorrichtungen auf die dem Brenner gegenüberliegende Seite des Werkstückes gepreßt. Einerseits schützen sie die Fotozellen vor Beschädigungen und vor unerwünschter Licht- bzw. Wärmestrahlung von außen, andererseits sorgen sie für ständig konstanten Abstand der Fotozellen von der Schweiß.iaht uud verhindern, daß in unkontrollierbarer Weise die Wärmestrahlung der Schweißnaht an die Umgebung abgegeben wird. Selbstverständlich können diese Kästen gleichzeitig zur Führung eines Schutzgases dienen.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß mehrerer dieser Kästen flexibel miteinander verbunden sind. Bei unebenen oder gekrümmten Werkstücken wird auf diese Weise erreicht, daß die Fotodioden immer einen annähernd konstanten Abstand von der Schweißnaht haben. Wenn zwei Rohre mit gleicher Längsachse von innen miteinander verschweißt werden sollen, ist es zweckmäßig, die Kette von Fotodioden auf der Innenseite von zwei oder mehr kreisbogenförmig gekrümmten Kästen anzuordnen, die flexibel miteinander verbunden sind und mit einer an sich bekannten Spannvorrichtung um die beiden miteinander zu verschweißenden Rohre herumgelegt wird.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung zum Schweißen von Stumpfnähten an Rohren in der Nähe eines Rohrbodens oder einer Rohrplatte, beispielweise bei Wärmetauschern, wird vorgeschlagen, daß die Kette von Fotodioden auf der Innenseite eines aus mehreren Sektoren zusammengesetzten

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hohlen Kegels angeordnet ist, wobei diese Sektoren flexibel miteinander verbunden sind. Diese Vorrichtung, die allerdings für jeden Rohrdurchmesser und für jeden Abstand der Schweißnaht vom Rohrboden unterschiedlich angefertigt werden muß, ist besonders zweckmäßig, wenn der Abstand zwischen benachbarten Rohren gering ist.

Die vorliegende Erfindung ist geeignet zum Schweißen von Austeniten, Stahl oder Aluminium. Gegenüber den bekannten Programm-Steuerungen ist der regeltechnische Aufwand wesentlich geringer. Schweißgeschwindigkeit und Gasstrom werden konstant gehalten und nur der Schweißstrom wird geregelt. Aufgrand der genauen und schnell ansprechenden Regelung kann man die übliche Schweißgeschwindigkeit um ca. 201 erhöhen, außerdem ist weniger Schweißnahtvorbereitung notwendig, da Wandstärkenunterschiede durch die Regelung ausgeglichen werden, und es ist auch keine Nachbearbeitung der Schweißnaht erforderlich, da der Nahteinfall geringer wird.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen mögliche Beispiele der Erfindung. Figur 1 zeigt die Schweißung einer Stumpfnaht von zwei ebenen waagerechten Blechen, an deren Oberseite ein Schweißbrenner mit nicht abschmelzender Elektrode entlang fährt und an deren Unterseite eine U-förmige Schiene angebracht ist, die eine Kette von mehreren parallel geschalteten Fotodioden enthält.

Figur 2 zeigt in einem senkrechten Längsschnitt die Schweißverbindung zweier stumpf aneinander stoßender Rohre, bei denen der Schweißbrenner auf der Innenseite dieser Rohre rotiert, und die Fotodioden in einem außen angebrachten, aus mehreren kreisbogenförmigen Segmenten bestehenden und flexibel miteinander verbundenen Kästen angeordnet sind. Figur 3 zeigt den waagerechten Schnitt A-A durch Figur 2. Figur 4 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine waagerechte Rohrplatte, an deren Unterseite ein Rohr angeschweißt werden soll.

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Figur 5 zeigt den waagerechten Schnitt B-B durch Figur 4.

In Figur 1 wird die Elektrode 1 geradlinig und parallel zum Schweißspalt 2 über die beiden aneinander stoßenden Bleche 3 und 4 geführt. Unterhalb dieser beiden Bleche ist ein U-förmiger Kasten 5 angeordnet, der an seiner inneren Unterseite, aber außerhalb der Schweißspaltebene eine Reihe von parallel geschalteten Fotodioden 6 enthält, die durch je zwei Kabel 7 und 8 verbunden sind und die auf die Schweißnaht gerichtet sind. Diese Fotodioden sind, bewußt außerhalb der Schweißspaltebene angeordnet, damit sie auf keinen Fall von dem elektrischen Lichtbogen beeinflußt werden. Sie sollen auf die ivanitemperatur der Werkstücke in unmittelbarer Nähe der Schweißnaht ansprechen und zwar annähernd gleichmäßig innerhalb eines Kegels mit einem Kegelwinkel von ca. 100°. Dadurch wird sichergestellt, daß der Schweißstrom sich nicht ändert, weil sich der Brenner gerade in der Mitte zwischen zwei Fotodioden befindet.

In Figur 2 und 3 ist die waagerechte Elektrode 1 an einer senkrechten, rotierenden Säule 20 befestigt, die mit einer geeigneten Haltevorrichtung 21 auf dem Rohr 22 zentriert ist und mit einer Antriebseinheit 23 in gleichmäßige Bewegung versetzt wird. Das Rohr 22 sowie das damit zu verschweißende Rohr 24 sind im Bereich der Schweißnaht von einem aus mehreren Segmenten 25 bestehenden Kasten 26 umgeben, der wiederum von einem Band 27 umgeben ist, das wiederum von einer Klammer 28 gespannt wird. Innerhalb des Kastens 26 sind wiederum eine Reihe von Fotodioden 6 angeordnet, die durch zwei Kabel 7 und 8 verbunden sind und die wie in Figur 1 außerhalb der Ebene des Schweißspaltes 29 angeordnet sind. In stark vereinfachter Form ist dargestellt, wie die Spannung der Fotodioden 6 über einen Ist-Wert-Regler 30 und einen regelbaren Verstärker 31 auf die Stromquelle 32 einwirkt. Von dieser Stromquelle führt in an sich bekannter Weise eine Stromzuführung zur Elektrode 1.

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In den Figuren 4 und 5 ist die Elektrode 1 ähnlich wie in den Figuren 2 und 3 rotierend angeordnet. Auch die Schaltung der Fotodioden 6 in bezug auf Verstärker 31 und Stromquelle 32 ist genauso wie in Figur 2 und 3. Da in Figur 4 ein Rohr 40 mit einem Rohrboden 41 verschweißt werden soll, sind hier die Fotodioden auf der Innenseite eines aus mehreren Sektoren 42 von besonderer Form zusammengesetzten hohlen Kegels angeordnet. Auch diese Sektoren werden von einem flexiblen Band 43 und mittels einer Spannvorrichtung 28 zusammengehalten.

Im Folgenden wird ein gemäß der Erfindung erprobtes aber noch nicht optimiertes Beispiel beschrieben. Zwei fluchtende Austenit-Rohre von 100 mm Durchmesser und 2 mm 'Wandstärke wurden in waagerechter Lage rotierend von innen verschweißt. Der gepulste Schweißstrom war regelbar von 20-60 A, die gepulste Schweißspannung betrug 12-16 V, die Relativgeschwindigkeit zwischen Elektrode und Werkstück betrug ca. 400 miu/min.

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Claims

24.328.+

16.3.1976

SCHUTZANSPROCIIE

.J Vorrichtung zur Regelung von Schweißprozessen, insbesondere von elektrischen Schweißgeräten mit nicht abschmelzender Elektrode durch Temperaturmessung auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite des Werkstückes, dadurch gekennzeichnet,

daß auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite des Werkstückes mit Abstand vom Werkstück mindestens eine außerhalb der Scinveißspaltebene angeordnete Fotodiode vorhanden ist, deren reziproke Spannung direkt zur Regelung des Schweißstroms benutzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine Kette von mehreren parallel geschalteten Fotodioden vorhanden ist, die alle mit etwa gleichem Abstand von der Schweißnaht angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Kette von Fotodioden auf der Innenseite von U-förmigen Kästen angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere dieser Kästen flexibel miteinander verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Schweißen von Stumpfnähten an Rohren in der Nähe eines Rohrbodens, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kette von Fotodioden auf der Innenseite eines aus mehreren Sektoren zusammengesetzten hohlen Kegels angeordnet ist.

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ORiGlNAL INSPECTED