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Verfahren und Anordnung zum Stabilisieren des Abbrennvorganges
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beim Zusammenschweißen von Werkstückteilen auf dem Wege des Abbrennstumpfschweißens"
Abbrennstumpfschweißens" Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zum Stabilisieren des Abbrennvorganges beim Zusammenschweißen von Werkstückteilen
auf dem Wege des Abbrennstumpfschweißens, bei dem die Werkstückteile mit sich ändernder
Geschwindigkeit einander genähert werden und zur Regelung des Abbrennvorganges die
elektrische Wirkleistung oder der Effektivwert des Schweißstromes der Schweißmaschine
als Regelgröße verwendet wird.
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Für das Abbrennstumpfschweißen ist charakteristisch, daß die zwei
Werkstfickhälften mit Hilfe eines Schlittens oder dgl. Vorschubeinrichtung stumpf
gegeneinander gefahren werden, wobei ein durch die Stoßstelle fließender elektrischer
Strom die Erwärmung des Kontaktbereiches auf Schweißtemperatur bewirkt. Nach dem
in mehreren Reversierspielen durchgeführten Vorwärmen erfolgt ein Abbrennen des
Materials an den sich bereits berührenden Stellen, bis schließlich die gesamte vorgesehene
Verbindungsfläche oder - Grenzfläche entsprechend erwärmt ist. Die Verschweißung
erfolgt durch Zusammenstauchen der erwärmten Stoßstelle.
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Um einen zufriedenstellenden Abbrennvorgang vor dem eigentlichen Stauchen
zu erzielen, müssen die sekundäre Leerlaufspannung des Schweißtransformators sowie
die Vorschubgeschwindigkeit der gegeneinanderbewegten Werkstflckhälften oder -teile
aufeinander abgestimmt werden. Bei dieser Abstimmung ist zu beachten, daß die Vorschubgeschwindigkeit
oder Annäherungsgeschwindigkeit zum Ende des Abbrennvorganges hin ansteigen muß.
Außerdem soll die Leerlaufspannung so gering wie möglich sein.
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Die in den beiden Werkzeugteilen erzeugte elektrische Wirkleistung
kann als Kontroll- und Regelgröße verwendet werden.
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Die elektrische Wirkleistung läßt sich durch Variieren der Leerlaufspannung
beeinflussen.
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Es ist möglich, die Annäherungsgeschwindigkeit. oder Schlittengeschwindigkeit
während des Abbrennvorganges in Abhängigkeit von der Schweißleistung zu regeln (vgl.
DT-PS 1 929 494).
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Bei einer Abbrennstumpfschweißmaschine liegt der Arbeitspunkt in dem
ansteigenden Bereich der Wirkleistungskennlinie der Schweißmaschine. Da der Belastungswiderstand
beim Abbrennvorgang Schwankungen unterliegt, wandert der Arbeitspunkt der Schweißmaschine
auf dem ansteigenden Bereich der Wirkleistungskennlinie hin und her (vgl. K. Kleß
Elektrische Betriebskennlinien von Widerstandsschweißmaschinen Schweißen und Schneiden
28 (1976) 5. 9-13).
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Aufgrund eines Selbstregeleffektes stellt sich nach geringfügigen
Störungen ein stabiler Arbeitspunkt schließlich wieder ein.
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Berücksichtigt man die steigende Annäherungsgeschwindigkeit zum Ende
des Abbrennvorganges hin, so wandert der Arbeitspunkt auf der Wirkleistungskennlinie
der Schweißmaschine in Richtung auf deren größten Wert hin. Solange dieser höchste
Punkt der Wirkleistungskennlinie nicht erreicht wird, erfolgt der Abbrennvorgang
stabil. Wandert jedoch der Arbeitspunkt über den höchsten Punkt hinaus in den abfallenden
Bereich der Wirkleistungskennlinie hinein, so kann der Abbrennvorgang durch einen
Kurzschluß zwischen den beiden Werkstückteilen zum Ersticken kommen.
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Sorgt man dafür, daß die Leerlaufspannung des Schweißtransformators
möglichst gering bleibt, so muß man in Kauf nehmen, daß der für die Bewegungen des
Arbeitspunktes auf der Wirkleistungskennlinie zur Verfügung stehende Spielraum stark
eingeengt wird. Dies ergibt sich daraus, daß der Arbeitspunkt und der höchste Punkt
de; Wirkleistungskennlinie um so dichter beieinanderliegen, je niedriger die Leerlaufspannung
ist. Bei Verringerung der Leerlaufspannung vergrößert sich also die Gefahr, daß
der Abbrennvorgang durch einen Kurzschluß gestört wird. In der Praxis wird daher
sicherheitshalber mit erhöhter Leerlaufspannung oder mit übermäßiger Wärmeeinbringung
gearbeitet, wobei man eine Verringerung der Schweißnahtgüte in Kauf nimmt.
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Die bekannte Regelung der Annäherungsgeschwindigkeit der Werksteckteile
ist
geeignet, das Auftreten von Kurzschlüssen beim Abbrennen zu verhindern. Die Regelung
der Annäherungsgeschwindigkeit erfolgt jedoch unter wesentlich stärkerem Trägheitseinfluß
als die Regelung einer elektrischen Größe. Dies liegt einmal daran, daß mechanische
Reibungen überwunden und Massen beschleunigt und abgebremst werden müssen. Außerdem
erfordert eine solche Regelung der Annäherungs- oder Schlittengeschwindigkeit einen
erheblichen konstruktiven Aufwand.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren
und eine Anordnung der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß das
Auftreten von Kurzschlüssen zuverlässit verhindert wird und dennoch bei geringem
konstruktivem Aufwand eine praktisch trägneitsiose Regelung des Abbrennvorganges
auch bei relativ niedriger Leerlaufspannung erreicht wird.
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Gemäß dem neuen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man
die Werkstückteile nach einer festen Weg/Zeitkurve einander nähert, und daß der
Ist-Wert der Regelgröße mit wenigstens zwei verschiedenen voreinstellbaren Leistungspegelwerten
verglichen und bei Erreichen kritischer Werte die elektrische Wirkleistung der Schweißmaschine
selbsttätig geändert wird. Die Weg/Zeitkurve des Annäherungsvorganges läßt sich
an allen Abbrennstumpfschweißmaschinen einstellen und festlegen, so daß kein Z'1-sätzlicher
konstruktiver und steuerungsmäßiger Aufwand erforderlich ist. Auch der elektrische
Regelkreis, der trägheitslos arbeitet, ist einfach und läßt sich ohne Schwierigkeit
und
ohne großen Aufwand bei Abbrennstumpfschweißmaschinen ohne weiteres
einrichten, die zwei oder mehr als zwei Leistungsstufen besitzen.
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Zur Ausführung des neuen Verfahrens wird von einer Anordnung für eine
Abbrennstumpfschweißmaschine ausgegangen, die eine zum Zusammenführen der Werkstückteile
mit variabler Geschwindigkeit dienende Vorrichtung, eine Einrichtung zur laufenden
Messung der elektrischen Wirkleistung oder des Effektivwertes des Schweißstromes
als Regelgröße sowie eine Einrichtung zur laufenden Abstimmung von Annäherungsgeschwindigkeit
der Werkstückteile und der Regelgröße aufweist.
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Eine solche Anordnung wird gemäß der Erfindung so weitergebildet,
daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung in einem Leistungs-oder Stromvergleichskreis
mit zwei unterschiedlichen, jeweils einstellbaren Grenzwerten oder Leistungspegeln
vergleichbar ist, und daß eine Leistungsumschalteinrichtung der Abbrennstumpfschweißmaschine
bei Ansprechen des Vergleichskreises durch diesen steuerbar ist. Durch die Vergleichseinrichtung
ist ein Ignitronschütz mit wenigstens zwei unterschiedlichen Leistungsstufen umschaltbar.
Dies kann über die allgemeine Maschinensteuerung erfolgen, und zwar so, daß weder
Kurzschlüsse noch Strompausen beim Abbrennen auftreten. Als Regelgröße kann die
elektrische Wirkleistung oder der Effektivwert des Schweißstromes verwendet werden.
Von Bedeutung ist dabei, daß die elektrische Leistung nicht durch den Phasenanschnitt
des Schweißstromes, sondern durch
die Sekundärspannung des Schweißtransformators
beeinflußt wird.
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Die Regelung der Wirkleistung läßt sich auch durch mehr als zwei Leistungsstufen
oder auch durch eine kontinuierliche Einstellung der Leistung nach dem neuen Verfahren
vornehmen.
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Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung haben den weiteren
Vorteil, daß mit diesen Maßnahmen die Häufigkeit der Umschaltungen der Leistungsstufen
der Abbrennstumpfschweißmaschine registriert werden kann. Dadurch erhält man einmal
eine Aussage über die Gefahr des Auftretens von Kurzschlüssen, zum anderen aber
erhält man eine Aussage darüber, wie weit die Einstellwerte für die Zeitkurve der
Annäherungsgeschwindigkeit von den optimalen Werten entfernt sind. Damit lassen
sich die neuen Maßnahmen auch gleichzeitig als Kontrollinstrument und als Optimierungshilre
verwenden. So ist es möglich, in Abhängigkeit von der registrierten Häufigkeit der
Umschaltungen der Leistungsstufen die Voreinstellung der Weg/Zeitkurve bei zu großer
Abweichung von den optimalen Werten nachzustellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in einem Diagramm die Bewegung des Arbeitspunktes
der Schweißmaschine in Abhängigkeit von Wirkleistung und Schweißstrom und Belastung,
Fig.
2 ein Blockdiagramm einer Anordnung zum Ausführen des neuen Verfahrens und Fig.
3 ein weiteres Diagramm ähnlich dem nach Fig. 1, anhand dessen das neue Verfahren
näher erläutert wird.
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In dem Diagramm nach Fig. 1 sind die allgemeinen und bekannten Verhältnisse
bei einer Abbrennstumpfschweißmaschine dargestellt.
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Auf der Abszisse ist der Schweißstrom I und auf der Ordinate die Wirkleistung
P aufgetragen. Die Kurve 1 gibt die Wirkleistungskennlinie der Schweißmaschine wieder,
während die Kurve 2 die Wirkleistungskennlinie des Belastungswiderstandes RB wiedergibt.
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Der Arbeitspunkt 3 der Maschine wird durch den Schnittpunkt der beiden
Kennlinien wiedergegeben. Wie oben schon ausgeführt, hat der Arbeitspunkt 3 dann,
wenn man die Annäherungsgeschwindigkeit zum Ende des Abbrennvorganges hin steigert,
die Tendenz, auf der Wirkleistungskennlinie der Schweißmaschine zu dem maximalen
Wert 5 hin zu wandern. Überschreitet der Arbeitspunkt 3 den höchsten Punkt 5, so
kann der Abbrennvorgang durch einen Kurzschluß zwischen den Werkstückteilen erstickt
werden. Solange der Arbeitspunkt 3 im Abstand von dem maximalen Wert 5 auf dem ansteigenden
Ast der Wirkleistungskennlinie der Schweißmaschine gemäß dem Doppelpfeil 4 verbleibt,
liegt ein stabiler Abbrennvorgang vor.
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Wie oben ausgeführt, hat eine an sich gewünschte Verringerung der
Leerlaufspannung die Folge, daß der Punkt 3 näher an den Punkt 5
heranrückt,
so daß der Spielraum für einen stabilen Abbrennvorgang wesentlich verringert wird.
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Hier setzt die Erfindung ein, welche die aufgezeigten Schwierigkeiten
auf sehr einfache Weise überwindet. Eine Voraussetzung für/diFrindung besteht dabei
darin, die Vorrichtung, durch die die Annäherungsgeschwindigkeit der Werkstückteile
bestimmt wird, z.B.
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eine Schlittenvorschubeinrichtung, so zu steuern, daß die Annäherungsbewegung
nach einer vorgegebenen Weg/Zeitkurve erfolgt, bei der berücksichtigt ist, daß die
Werkstückteile am Ende des Abbrennvorganges mit zunehmender Geschwindigkeit einander
angenähert werden.
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Unter dieser Voraussetzung erfolgt die Regelung der Leistung der Maschine
nach dem in Fig. 2 gezeigten Blockdiagramm. In diesem ist mit 10 die Abbrennstumpfschweißmaschine
wiedergegeben, der ein Meßwertaufnehmer 11 und eine Meßanordnung 12 für die elekt
trische Wirkleistung bzw. für den Effektivwert des Schweißstromes zugeordnet sind.
Die Meßeinrichtung 12 erzeugt ein dem Ist-Wert der elektrischen Wirkleistung oder
des Effektivwertes des Schweißstromes proportionales Ausgangssignal, das über die
Leitung 13 als Ist-Wert einem Vergleichskreis 14 als Eingangsgröße zugeführt wird.
Dem Vergleichskreis 14 werden als weitere Eingangsgrößen zwei einstellbare Leistungspegel
PI bzw. PII für die elektrische Wirkleistung bzw. für den Effektivwert des Schweißstromes
II bzw. III über die Eingänge 15 und 16 zugeführt.
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Der Ist-Wert wird mit diesen beiden Leistungspegeln verglichen.
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Wenn bei diesem Vergleich die vorgegebenen Grenzwerte überschritten
werden, löst die Vergleichseinrichtung 14 einen Umsteuerimpuls aus, der über die
Maschinensteuerung 18 einer die Leistung der Abbrennstumpfschweißmaschine 10 ändernden
Einrichtung 20 zugeführt wird. Bei der die Leistung ändernden Einrichtung 20 kann
es sich z.B. um ein Ignitronschütz mit zwei oder mehr als zwei Leistungsstufen handeln.
Die Einrichtung 20 kann aber auch so ausgebildet sein, daß sie eine stufenlose änderung
der Leistung der Abbrennstumpfschweißmaschine 10 gestattet. Im dargestellten Beispiel
erfolgt also die Regelung so, daß weder Kurzschlüsse noch Strompausen beim Abbrennvorgang
auftreten. Dabei wird die elektrische Leistung nicht durch den Phasenanschnitt des
Schweißstromes, sondern durch die Sekundärspannung des Schwei. S-transformators
beeinflußt.
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Der Ablauf der neuen Regelung wird anhand des Diagrammes nach Fig.
3 nachfolgend erläutert. Dabei wird angenommen, daß es sich bei der Einrichtung
20 um ein Ignitronschütz zur Umschaltung zwischen zwei verschiedenen Leistungsstufen
handelt.
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Ausgegangen wird von einer Lage des Arbeitspunktes 3 auf dem ansteigenden
Ast der Wirkleistungskennlinie 22, die der Leistungsstufe II entspricht. Wenn während
des Abbrennvorganges die Annäherungsgeschwindigkeit der Werkstückteile beschleunigt
wird, steigt die Wirkleistung an, so daß der Arbeitspunkt 3 in Richtung auf den
Punkt 25 auf dem ansteigenden Ast nach
oben wandert. Bei Erreichen
des Punktes 25 besteht die Gefahr, daß zwischen den Werkstückteilen ein Kurzschluß
auftritt.
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Die Lage des Punktes 25 ist durch die Voreinstellung des Leistungspegels
Pl vorherbestimmbar. Wenn also der Ist-Wert der elektrischen Wirkleistung den vorgegebenen
Vergleichspegel PI erreicht, löst die Vergleichseinrichtung 14, die als einstellbarer
Trigger ausgebildet sein kann,eine Umschaltung auf die Leistungstufe I aus. Damit
erfolgt eine sofortige Bereitstellung einer höheren Wirkleistung, d.h. der Arbeitspunkt
wandert vom Punkt 25 auf den Punkt 26 der Wirkleistungskennlinie 21 der Leistungsstufe
I. Unter Freibrennen des Schweißspaltes wandert der Arbeitspunkt auf dem absteigenden
Ast der Kennlinie 21 nach unten, d.h. in Richtung auf den Punkt 27. Bei Erreichen
des Punktes 27 besteht die Gefahr, daß Strompausen auftreten und der Abbrennvorgang
beeinträchtigt wird. Der Punkt 27 ist durch den voreinstellbaren Leistungspegel
PII frei wählbar.
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Sobald der Punkt 27 erreicht wird, wird über den Vergleichskreis 14
die Leistungseinstelleinrichtung 20 auf die Leistungsstufe II zurückgeschaltet.
Dadurch wird die zur VerfUgung stehende Wirkleistung sofort verringert, so daß der
Arbeitspunkt auf der Grenzwirkleistungskennlinie 23b des Belastungswiderstandes
RB nach unten in Richtung auf den Arbeitspunkt 28 wandert und sich von dort aus
entlang dem ansteigenden Ast der Wirkleistungskennlinie 22 in Richtung auf den ursprünglichen
Ausgangspunkt 3 bewegt. Auf diese Weise erfolgt schließlich ein Einpendeln auf eine
stabile Arbeitspunktlage.
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Die Regelung läßt sich durch eine größere Anzahl von Leistungsstufen
oder durch eine kontinuierliche Einstellung der Leistung in Abhängigkeit von der
Spannung gegenüber der beschriebenen Ausführungsform noch verfeinern.
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Der Vergleichseinrichtung 14 oder der Leistungseinstelleinrichtang
20 kann eine zeitabhängige Registriereinrichtung zugeordnet sein, über welche die
Häufigkeit der Umschaltungen fetgehalten werden kann. Damit erhält man zugleich
ein Kontrollinstrument und eine Optimierungshilfe, aufgrund derer bei zu großen
Abweichungen von den gewünschten Werten die Voreinstellung der Weg/Zeitkurve für
die Annäherungsgeschwindigkeit verändert werden kann. Dies kann auch automatisch
erfolgen.
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