DE2736856A1

DE2736856A1 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen gesteuerten aufwaertsschweissen insbesondere kurvenfoermig verlaufender schweissnaehte

Info

Publication number: DE2736856A1
Application number: DE19772736856
Authority: DE
Inventors: Kazunobu Kojyo; Takaaki Ogasawara; Teruyoshi Fujigaoka Sekino; Kenjiro Shibuya
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1976-08-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1978-02-23
Also published as: US4260870A; DE2736856C3; FR2361969B1; FR2361969A1; IT1084153B; DE2736856B2; SE7709193L

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gesteuerten Aufwärtsschweißen insbesondere kurvenförmig verlaufender Schweißnähte, wobei das Elektroschlacke·- oder Elektrogas-· Lichtbogenschweißen angewendet wird. Die Schweißnähte verlaufen dabei vorzugsweise bogenförmig und insbesondere kreisbogenförmig. Außerdem betrifft die Erfindung eine automatische Schweißvorrichtung zum Durchführen dieses Verfalirens.

Reaktionskolonnen und andere Druckkessel oder Druckbehälter werden mit gewölbten Endplatten versehen. Diese Endplatten oder Böden können mittels einer Tiefziehpresse in einem Stück hergestellt werden, wenn die gewünschte Endgröße der Platte nicht zu groß ist. Hingegen lassen sich sehr große Endplatten oder Böden für Behälter aller Art kaum in einem Stück herstellen. Daher stellt man gewöhnlich sehr große Endplatten oder Böden dadurch her, daß man sie aus einer Vielzahl von Abschnitten zusammenschweißt.

Gewöhnlich bestehen diese Abschnitte aus einem die Spitze bildenden Paneelabschnitt und einem halbkugelförmigen Ab schnitt, wobei letzterer in eine Vielzahl von blatt- oder streifenförmigen Stücken, den sogenannten PETALEN, unterteilt ist, die, nachdem sie zusammengeschweißt wurden, den halbkugelförmigen Abschnitt des Bodens bzw. der Endplatte bilden.

üblicherweise werden diese den halbkugelförmigen Abschnitt der Stirnplatten bildenden Teile nach einem in Fig. 1 dargestellten Verfahren zusammengeschweißt. Zu diesem Zweck werden die einzelnen zusammenzuschweißenden Stücke auf

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ORIGINAL INSPECTED

einem einstellbaren Halter 1 angeordnet und in der gewünschten Endlage fixiert. Dann werden zahlreiche Schweißdünen 4 von einer Elektroschlacke-Schweißvorrichtung 3 herangeführt, die sich in einer vorbestimmten Position befindet, so daß die Schweißdüsen die Oberflächen der betreffenden Schweißnut gleichförmig bedecken. Dann v/erden die zusammenzuschweißenden Stücke vom Halter entsprechend dem Fortschritt des Schweißvorganges gedreht bzw. gekippt, so daß sich die geschmolzene Schlacke stets an ein und derselben Stelle trotz fortschreitender Schweißnaht befindet. Auf diese Weise erzielt man eine gleichförmige Schweißung.

Der Grund für das Verdrehen des einstellbaren Halters und damit des Bewegens der zusammenzuschweißenden Stücke bei feststehenden Schweißdüsen liegt darin, daß das Elektroschlacke-Schweißen im allgemeinen als vertikales Schweißen ausgeführt wird.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß ein spezieller Halter erforderlich ist, der um das Zentrum des Bodens des halbkugelförmigen Abschnittes drehbar sein muß. Auch kann dieses Verfahren nicht bei konischen oder sonstwie von der Kugelform abweichenden Gegenständen angewendet werden. Auch muß bei Anwendung dieses bekannten Verfahrens auf Gegenstände der oben erwähnten Form der Halter sehr groß und schwer sein, wenn die Dicke der zu verschweißenden Stücke zunimmt, so daß es notwendig wird, für einen derartigen großen Halter große Betriebsräume bereitzuhalten.

Ein weiterer bedeutender Nachteil des bekannten Verfahrens, bei dem die einzelnen Stücke nur durch vertikales Schweißen bei gleichzeitigem Verdrehen bzw. Bewegen der zu verschweißenden Stücke mittels eines Halters miteinander verschweißt werden, besteht darin, daß gleichzeitig stets nur eine Ver-

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bindung "bzw. eine Schweißnaht hergestellt werden kann, so daß der Wirkungsgrad bzw. Ausstoß dieses bekannten Verfahrens verhältnismäßig gering ist. Dadurch ergeben sich auch große Spannungen im fertigen Werkstück, die nur durch eine mühsame Nachbehandlung behoben werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben und die Möglichkeit zu schaffen, insbesondere kurvenförmig verlaufende Schweißnähte automatisch aufwärts schweißen zu können, ohne daß die miteinander zu verschweißenden Teile bewegt werden müßten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafterweise wird zur Ausführung dieses Verfahrens eine automatische Schweißvorrichtung gemäß Anspruch 2 verwendet.

Durch die Erfindung,wird eine automatische Schweißvorrichtung vorgeschlagen, mit welcher ein verbessertes Schweißverfahren durchgeführt werden kann. Auch wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Steuern dieser Schweißvorrichtung geschaffen.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene automatische Schweißvorrichtung zum Aufwärtsschweißen kurvenförmiger Schweißnähte weist eine Vielzahl von Schweißdüsen auf, die an einem Arm angebracht sind, der tangential und senkrecht zur Schweißnaht frei bewegbar ist und für freie vertikale und horizontale Bewegung von einer Säule getragen wird. Die Schweißvorrichtung weist außerdem einen Steuermechanismus für die Ausrichtung der Schweißdüsen auf, der die Schweißdüsen am Arm verdrehen kann, so daß der von jeder einzelnen Schweißdüse zugeführte Schweißdraht parallel zur Schweißnaht an der jeweiligen Schweißstelle verlaufenden Tangente eingestellt wird, nachdem die Neigung dieser Tangente festgestellt worden ist.

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Das erfindungsgemäße automatische Aufwärtsschweißen zeichnet sich dadurch aus, daß man einen eine Vielzaltf. von Schweißbrennern oder Schweißdüsen aufweisenden und an einer Säule für freie vertikale und horizontale Bewegung gelagerten Arm derart anhebt, daß die Verlängerung des Drahtes des j am nächsten zur Oberfläche des zu schweißenden Gegenstandes j befindlichen Schweißbrenners bzw. der entsprechenden Schweiß-j düse konstant gehalten wird, um die Neigung der Tangente j zur Schweißnaht vom Ende des Armer» ermitteln zu können, woraufhin man die Schweißdüse so verschwenkt, daß der Schweißdraht parallel zur Tangente eingestellt wird, wobei die Breite der Schweißung vnn der Neigung der Tangente im Schweißbereich, dem äußeren Durchmesser des zu schweißenden Gegenstandes und der Diele dieses Gegenstandes berechnet wird, woraufhin man den Abstand zwischen den Schweißdüsen, die Anzahl der Schweißdüsen und die Schwingamplitude einer Vielzahl von Schweißdüsen gemäß einer auf der berechneten Schweißbreite beruhenden Bedingung berechnet und optimiert, j und wobei der Gegenstand geschweißt wird, während die Ver- j längerungen der entsprechenden Schweißbrenner bzw. der von diesen zugeführten Drähten berechnet und optimiert werden. J

Die Erfindung wird weiterhin anhand der Zeichnung erläutert, ; und zwar zeigt

Fig. 1 ein Schema eines bekannten Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung zum Schweißen von kurvenförmig! verlaufenden Schv/eißnähten,

Fig. 2 ein Beispiel für einen zusammenzuschweißenden Gegenstand mit kurvenförmig verlaufenden Schweißnähten, der gemäß der Erfindung zusammengeschweißt werden soll,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zum Erläutern des

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erfindungsgemäßen Schwelßverfahrens,

Fig. 4 eine Seitenansicht einer praktischen Ausführungsfonn der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung in verschiedenen Arbeitsstellungen,

Fig. 5 einon Schnitt nach Linie V-V aus Fig. 4,

Fig. 6 eine Stirnansicht des Verschiebemechanisinus der Vorrichtung aus Fig. 4,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines anderen Schweißverfahrens, das mit der erfindungsgeraäßen Schweißvorrichtung durchgeführt wird, und

Fig. 8 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung.

Während in Fig. 1 ein bekanntes Schweißverfahren und eine dazu verwendete Vorrichtung dargestellt ist, werden nachstehend anhand der Fig. 2 bis 8 bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert.

Fig. 2 zeigt ein zu schweißendes Werkstück 2, das aus stumpf miteinander zu verbindenden blattartigen bzw. petalartigen Stücken besteht und den Boden oder eine Endplatte oder Stirnplatte eines sehr großen Druckkessels bildet. Das Werkstück 2 ist halbkugelig oder konisch ausgebildet und mit seiner Basis auf der horizontal liegenden Oberfläche eines Arbeitsuntersatzes 6 angeordnet und an diesem Arbeitsuntersatz befestigt. Zu Beginn des Schweißvorganges wird in gleicher Weise wie bei bekannten Schweißverfahren geschweißt, so daß die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes einen rechten Winkel zur Oberfläche der Schmelze oder der geschmolzenen Schlacke bildet. Beim vorliegenden 809808/0868

Verfahren ist die Werkstückoberfläche durch eine an diese Oberfläche gelegte Tangente zu ersetzen, v/eil das Werkstück eine sphärische oder konvexe Oberfläche aufweist. Der zwischen der Tangente und der Oberfläche der Schmelze oder geschmolzenen Schlacke gebildete Winkel θ ändert sich jedoch in derselben Weise wie die zentrale Achse beim Fortschritt ι des Schweißvorganges. |

Um dabei eine einwandfreie Form der SchweißnaJit oder Schweiß-;

ί raupe zu erhalten, welche die nötige Festigkeit aufweist, j ist es notwendig, die Tangente L der geschweißten Oberfläche i an der Stelle, an der sich die Oberfläche 8 der geschmol- j zenen Schlacke und die geschweißte Oberfläche 7 des Werkstückes treffen, parallel mit dem Ende jedes Schweißdrahtes 9 zu halten, ebenso wie es notwendig ist, den Abstand Έ zwischen der Schweißdüse 4 und der Oberfläche 8 der geschmolzenen Schlacke, d.h. die Verlängerung Έ, konstant gemäß der Darstellung von Fig. 3 zu halten.

Vergleicht man beispielsweise zwei Schweißdüsen 4a und 4b, wie in Fig. 3 gezeigt, in der Lage, wenn sich die Oberfläche 8 der geschmolzenen Schlacke in Position A (O₀ = 90° Beginn des SchweißVorganges) befindet, mit der Lage, wenn die Schweißung um einen zentralen Winkel CX/ in die Position B fortgeschritten ist (Q₁ = 90° - «P), so ist erkennbar, daß die Schweißdrähte 9 beider Schweißdüsen 4a und 4b nunmehr in einem Winkel OC geneigt liegen und daß die Düsen 4a und 4b praktisch parallel zur Tangente L um eine Strecke d^ ■ b/tg θ bzw. dp = a + b/tg θ angehoben wurden.

Was den Abstand zwsichen den Schweißdüsen 4a und 4b betrifft,! so hat sich dieser beim Fortschreiten des Schweißvorganges aus der Position A in die Position B von a in a/sin θ ver ändert. Auf diese Weise wurde der Abstand doppelt so groß wie ursprünglich, wenn man annimmt, daß in diesem Falle

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der Winkel 9=30° betrug. Um den Schweißvorgang in der Praxis auszuführen, ist es daher notwendig, den Abstand zwischen den Elektroden mit fortschreitendem Schweißen in geeigneter Weise zu korrigieren. Das bedeutet, daß eine Einstellung bzw. Nachstellung sowohl in Richtung praktisch

zur
senkrechtl/an die jeweilige Schweißstelle gelegten Tangente zum Korrigieren des Abstandes zwischen den Elektroden als auch parallel zu dieser Tangente notwendig ist, um die Verlängerung E bzw. die Strecke, um welche die Schweißdrähte aus den betreffenden Schweißdüsen herausragen, stets konstant zu halten.

Gleichzeitig ist ein Verschieben der Position der Schweißdüse notwendig, weil die Breite der Oberfläche der geschmolzenen Schlacke vergrößert würde.

Die vorgeschlagene Schweißvorrichtung kann die vorstehend genannten Bedingungen gut erfüllen, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt.

In Fig. 4 und 5 ist eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung dargestellt, mit der sektorenförmige oder ähnlich wie ein Blumenblatt geformte und gewölbte Metallstücke zu einer Endplatte oder Stirnplatte oder auch zu einem gewölbten Boden zusammengeschweißt werden können, deren bzw. dessen Wandstärke 200 mm, äußerer Radius 2400 mm und Neigungswinkel θ*20° ist. Da die Breite der Oberfläche der geschmolzenen Schlacke am Ende des Schweißvorganges schließlich 600 mm beträgt, ist die Schweißvorrichtung mit insgesamt fünf Elektroden 4 ausgestattet.

In Fig. 4 ist eine Wand 11 der Schweißnut, eine an dem Ende der Schweißnut, an welchem das Schweißen beginnt, befindliche Unterlegplatte 12, eine weitere Unterlegplatte 13 am anderen Ende der Schweißnut und eine zum Fixieren

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an der Rückseite der Schweißnut befindliche Stahlplatte 14 zu erkennen. Die miteinander zu verschweißenden Werkstücke 2 werden auf der horizontalen Oberfläche eines Arbeitsuntersatzes 6 befestigt. Die Schweißdüsen 4 und die diesen zugeordneten Vorschubmechanismen 15 für den Schweißdraht sind mittels Schrauben an Büchsen befestigt und an ersten Verschiebemechanismen 16, die zum Verschieben der Schweiß- j düsen im wesentlichen senkrecht zu der an die Schweißstelle ! gelegten Tangente dienen, und an zweiten Verschiebemecha- j nismen 17» welche die Düsen im wesentlichen parallel zu der Tangente verschieben, gelagert. Die zweiten Verschiebe·-- j mechanismen können, wie in der Zeichnung dargestellt, an j den ersten Verschiebemechanismen gelagert sein, jedoch ist i es alternativ auch möglich, den ersten Verschiebemechanis- | mus am zweiten Verschiebemechanismus zu lagern.

Die Verschiebemechanismen für die Schweißdüsen v/eisen jeweils einen Motor 18 bzw. 19 auf. Diese Teile sind an einem Ausrichtmechanismus 20 für die Schweißdrahtenden angebracht, der dazu dient, die Schweißdrahtenden jeweils praktisch parallel zu der Tangente an der Schweißstelle zu halten. Die Schweißdüse, der Drahtvorschubmechanismus, der erste Verschiebemechanismus und der zweite Verschiebemechanismus sind als ganzes, d.h. rlso als Baueinheit mittels des Ausrichtmechanismus 20 verdrehbar, um die Schweißlage zu steuern. Obwohl der Drahtvorschubmechanismus beim beschriebenen Ausführungsbeispiel am Ausrichtmechanismus 20 für das Drahtende gelagert ist, kann dieser Vorschubmechanismus auch getrennt angebracht werden, um die Größe der ein Kopfstück bildenden Baueinheit zu verringern.

Der Ausrichtmechanismus 20 weist einen Synchron-Geber 21, einen Synchron-Empfanger 22» bei dem es sich um einen synchron arbeitenden Steuerusformer handelt, und einen An-

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triebs-Servomotor 23 auf. Die Anordnung ist so, daß der Statorstromkreis des Steuerumformers bzw. Synchron-Empfängers 22 an den des Synchron-Gebers 21 angeschlossen ist, so daß die Winkeldifferenz zwischen den Statoren als elektrisches Potential, das dem winkelmäßigen Abstand entspricht, aufgezeigt wird. Dieses elektrische Potential wird in einen Verstärker eingespeist und dann zum Betätigen eines Servomotors benutzt.

Alternativ kann der Ausrichtmechanismus für ein Schweißdrahtende so ausgebildet sein, daß der die beiden Verschiebemechanismen zusammenfassende Kopf an einer gebogenen Führung angebracht ist, deren KrUmmungszentrum dort liegt, wo die Oberfläche des geschweißten Werkstückes die Oberfläche der geschmolzenen Schlacke trifft, so daß der Ausrichtmechanismus 20 um diesen Punkt gedreht werden kann. In diesem Falle kann der Ausgangspunkt für die Schwingbewegungen der Schweißdüse auf der Vorrichtung im wesentlichen feststehen, wodurch die Berechnung und Korrektur der Länge der einzelnen Schwingbewegungen oder Schwingamplituden erleichtert wird.

Wie oben erwähnt, ist es zum praktischen Durchführen des Schweißens notwendig, die Schweißdüsen zu verstellen, so daß der zum Ermitteln des Winkels θ vorgesehene Teil von dem die Bewegung herbeiführenden Teil getrennt sein muß.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Synchron-Empfanger 22, welcher der den Winkel θ ermittelnde Teil ist, an einem Rahmen angebracht, an welchem auch ein die Oberfläche des zu schweißenden Werkstückes abfahrendes Kopierrad 24 und ein Mechanismus 25 zum Pressen einer verschiebbaren Stahlplatte auf die Oberfläche des geschweißten Werkstückes gelagert ist. Dieser Rahmen bildet einen äußeren

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Rahmen 28 für einen FUhrungsteil 27 eines Oszillation^- mechanicmus 26, v/ährend der Synchron-Empfanger 22 und sein die Oszillationen hervorrufender Teil einen inneren Rahmen 29 für den Führungsteil 27 des Oszillationsmechanismus 26 bilden.

Am äußeren Rahmen 28 ist ein Antriebsmotor 30 gelagert, der über eine nicht dargestellte Schnecke mit dem inneren Rahmen 29 verbunden ist. Die Drehbewegung der Abtriebswelle des Antriebsmotors 50 wird mittels der Schnecke in eine lineare Bewegung umgesetzt.

Ein zum Pressen oder Drücken des Kopfes dienender Mechanismus 31 wird von einem elektrisch zu betätigenden Zylinder gebildet, der einen unter konstantem Druck stehenden Preßmechanismus umfaßt, wobei der Mechanismus 31 dazu dient, den äußeren Rahmen 28 des oszillierenden Führungsteiles 27 zu drücken, wodurch der die verschiebbare Platte und das Kopierrad 24 pressende Mechanismus diese Teile auf die j Oberfläche der Schweißnaht drückt. Weiterhin dient der ] Mechanismus 31 cteu, einen Träger 32 zu bewegen, welcher · den Kopf trägt und die gesamte Einrichtung entsprechend der Form der Oberfläche des Werkstückes vor- und zurückbewegt.

Der Träger 32 trägt die gesamte Einrichtung einschließlich dem Oszillationsmechanismus und ist Teil einer auf geneigter j Bahn bewegbaren Verschiebeeinrichtung 33, welche mit dem Fortschreiten der Schweißnaht an einer Säule J>k hochsteigt.

Der den elektrisch betätigten Zylinder umfassende Mechanismus 31 bildet nicht die einzige Möglichkeit, den Kopf gegen die Oberfläche des Werkstückes bzw. die gebildete Schweißnaht zu drücken. Hierzu sind auch andere Einrichtungen möglich. Beispielsweise kann das Kopierrad eine magnetische Rolle sein, mit deren Hilfe der Kopf verschiebbar an der

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Oberfläche des Werkstückes bzw . der Schweißnaht angebracht wird. Auch kann dabei die aus Kupfer bestehende verschiebbare Platte mittels einer Feder oder dergleichen auf die Oberfläche des Werkstückes oder der Schweißnaht gedrückt werden.

Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, das Kopierrad und die verschiebbare Platte mittels parallel zur Schweißnut sich erstreckenden Seilen auf die Oberfläche des Werkstückes zu drücken.

Nachstehend wird ein Beispiel für den praktischen Betrieb dieser Ausfuhrungsform der Schweißvorrichtung beschrieben.

In Figur 4 bedeutet I die Lage des Kopfes zu Beginn des

Schweißvorganges, d.h. wenn der Winkel θ 90° beträgt. In

der Position II beträgt der Winkel θ 55° und in der Position III 20°.

Mit Beginn des Schweißens aus der Position I steigt der Spiegel der geschmolzenen Schlacke mit Zufuhr von Schweißdraht und der Träger 32 wandert entsprechend nach oben. Um dieses Ansteigen des Trägers 32 zu erreichen, sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Beispielsweise wird nach einem bekannten Verfahren der Spiegel der Schmelze mittels eines Temperaturfühlers oder einer in die verschiebbare Kupferplatte eingebetteten Elektrode ermittelt. Nach einem anderen bekannten Verfahren werden Änderungen des Schweißstromes, der Schweißspannung oder der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes als repräsentative Werte für die Änderung der Länge, um die der Schweißdraht aus der Schweißdüse herausragt, gemessen, um den Anstieg der Oberfläche der Schmelze zu ermitteln. Nach noch einem anderen Verfahren werden die Umdrehungen der Vorschubrollen für den Schweißdraht gezählt und die gesamte zugefUhrte Schweißmetallmenge

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nach dieser Anzahl der Umdrehungen berechnet. Dann wird das Ansteigen der Schmelzenobernäcbe aus der Änderung des Winkels θ ermittelt.

Diese üblichen Verfahren können beim beschriebenen AusfUhrungsbeispiel angewendet werden.

Für die vorliegende Beschreibung v/ird unterstellt, daß der Träger 32 aufgrund der Anwendung des auf der Ermittlung der Änderungen des Schweißstromes als repräsentativer Viert für die Änderung der Länge des au.o den ,einzelnen Schweiß-

Deruhenden

düsen herausragenden SchweißdrahtesKErmittlungsmethode automatisch angehoben v/ird.

Wenn der Träger 32 entlang der schräggestellten Säule 34 der Verschiebeeinrichtung 33 nach oben wandert, werden das Kopierrad 24 und die verschiebbare Kupferplatte mittels des Mechanismus 31 auf die Oberfläche des Werkstückes gedrückt, so daß beim Hochsteigen des Trägers 32 diese Oberfläche abgetastet wird. Dabei wird, weil der Synchron-Geber 21 die Änderungen des Winkels 0 feststellt, ein elektrisches Potential oder eine elektrische Spannung gemäß der Winkeldifferenz zwisehen dem Stator des Gebers 21 und dem Stator des Synchron-Empfängers 22 erzeugt, weil die Statorstromkreise dieser beiden Teile elektrisch miteinander verbunden sind. Dann schaltet ein mit diesem elektrischen Potential gespeistes Steuergerät den Servomotor 23 ein, um das elektrische Potential auszugleichen, d.h. um die Winkeldifferenz zwischen dem Geber und des.mEmpfänger zu beheben. Dementsprechend werden die Schweißdüsen 4, die Vorschubmechanismen 15» die ersten Verschiebemechanismen 16 und die zweiten Verschiebemechanismen 17 als Einheit um einen Winkel verdreht, welcher der Änderung des Winkels θ entspricht, um dadurch die Enden der Schweißdrähte parallel zur Tangente der Jeweiligen Schweißstellen einzustellen.

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Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren ist nicht die einzige Möglichkeit für die Durchführung des Schweißvorganges. Vielmehr können auch andere Steuerverfahren angewendet werden. Beispielsweise ist eine Kombination eines mit einem Drehteil ausgerüsteten Kodiergerätes und eines Impulsmotors oder eines schrittweise arbeitenden Motors in vorteilhafter Weise anwendbar. Auch kann die Steuerung derart vorgenommen werden, daß der den jeweiligen Winkel θ feststellende Teil nur die Oberfläche des Werkstückes abtastet und die Art der Änderung der Lage dieser Oberfläche in einem Gedächtnis speichert, wobei dann ein getrennter Teil vom Servomotor gesteuert wird, um die richtige Schweißung entsprechend der in das Gedächtnis eingespeicherten Information vorzunehmen.

Da die Enden der Schweißdrähte gesteuert werden, damit sie stets parallel zur betreffenden Tangente liegen, muß Jede Schweißdüse senkrecht und parallel zu dieser Tangente einstellbar sein, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde.

Dieses Einstellen der Schweißdüsen v/ird mittels des ersten Verschiebemechanismus 16 und des zweiten Verschiebemechanismus 17, die am Ausrichtmechanismus 20 angeordnet sind, vorgenommen. Die ersten und zweiten Verschiebemechanismen sind für die einzelnen Schweißdüsen so kombiniert, daß in jeder Kombination der zweite Verschiebemechanismus am ersten Verschiebemechanismus angebracht ist. Die Mechanismen sind so ausgebildet und angeordnet wie in Fig. 6 gezeigt, wobei zwei geradlinie Führungsstangen AO und 41, ein auf den Führungsstangen 40 und 41 verschiebbares Verschiebebett 42, ein Antriebsmotor mit Getriebekopf 43 und ein Antriebszahnrad 44 zu erkennen sind. Eine der Führungsstangen, nämlich die Führungsstange 40, ist mit einer Zahnstange 45

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- 16 versehen, In welche das Antriebszahnrad A4 eingreift.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion ist nicht die einzige Ausführungsmöglichkeit. Vielmehr können der Motor und der Getriebekopf statt an dem Verschiebebett an einem feststehenden Teil befestigt sein, wobei der Motor dann j einen Schneckenzufubrmechanismus wie eine kugelige oder j ballige Schnecke antreibt, um das Spiel zu verringern.

Falls der zweite Verschiebemechanismus 17 am ersten Ver~ schiebemechanismus 16 angeordnet ist, ist es möglich, eine Mehrzahl von Verschiebebetten auf einem einzigen Paar Führungsstangen anzuordnen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, j die Längen der Bewegungsbahnen der einzelnen Verschiebe- ! betten zu berechnen, damit ein ausreichender Abstand zwi- | sehen den aufeinanderfolgenden Schiebebetten vorhanden ist. ,

Falls der erste Verschiebemechanismus am zweiten Verschiebe- j mechanismus angebracht ist, können Verschiebebetten einer ! Mehrzahl von zweiten Verschiebemechanismen ebenfalls auf einem gemeinsamen Paar von Führungsstangen angebracht sein.

Die Steuerung des ersten Verschiebemechanismus wird folgendermaßen durchgeführt.

Zuerst wird die Veränderung des Winkels θ oder des Wertes des Winkels θ von einem Synchron-Geber oder einem Rotations-Kodiergerät des Ausrichtmechanismus 20 ermittelt. Dann wird

den

der Abstand zwischenvaer Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektroden, welcher von der Schweißbedingung zu diesem Augenblick abhängt, als Eingangssignal eingespeist und mit dem Wert sinG multipliziert, um den Abstand zwischen den Elektroden am Ausrichtmechanismus 20 zu berechnen und dadurch die Positionen der Verschiebebetten der entsprechenden Schweißdüsen zu bestimmen.

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Der erste Verschiebemechanismus ist mit einer Skala zum Einstellen der Verschiebebetten versehen. Diese Skala bzw. dieser Maßstab kann durch eine Kombination eines Impulsmotors oder schrittweise arbeitenden Motors, welcher auch als Antriebsmotor dient, und einem Memori-Zählschaltkreis gebildet sein. Auch ist eine Kombination einer Magnetskala und eines Memor.i-Zählers oder eine Kombination eines an die Welle des Antriebszahnrades angeschlossenen Potentiometers und eines Begrenzungsschalters als Skala oder Maßstab zu benutzen.

Gleichzeitig wird der Unterschied zwischen dem Abstand der der Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektroden und der Anzahl der Schweißdüsen und die Breite der Schmelzenoberfläche nach dem Wert des Winkels θ berechnet und durch den Oszillationsmechanismus kompensiert oder korrigiert.

Beim beschiebenen Ausführungsbeispiel werden die Positionen der Verschiebebetten der Schweißdüsen gemäß den Änderungen des Winkels θ verändert, so daß der Abstand zwischen den Verschiebebetten den Elektrodenabständen der der Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektrode entspricht, was den Schweißbedingungen beim nach oben führenden Fortschreiten des Schweißvorganges entspricht.

Andererseits ist auch eine derartige Steuerung möglich, daß der Bereich des Winkels θ in eine Mehrzahl von Zonen unterteilt wird und die Position der Verschiebebetten während der Änderungen des Winkels θ innerhalb einer der Zonen fest bleibt.

Gleichzeitig können die Positionen der Verschiebebetten derart gesteuert werden, daß dieselben verschoben werden, wenn der Abstand der der Schmelzenoberfläche gegenüber-

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liegenden Elektroden einen vorbestimmten zulässigen Maximalwert zu übersteigen beginnt.

Es ist auch möglich, die Positionen der Verschiebebetten derart zu steuern, daß der zum Messen des Winkels θ und der Breite der Schmelzenoberfläche dienende Teil von dem Schweißteil getrennt ist und der getrennte Meßteil die Oberfläche des zu schweißenden Werkstückes vor dem Schvrcißbereich abtastet und kopiert. Dann werden die Positionen der Verschiebebetten beim Schweißen gemäß den von dem Meßteil ermittelten gespeicherten Informationen gesteuert.

Die Steuerung des zweiten Verschiebemechanismus dient, wie in Verbindung mit Fig. 3 erläutert, dazu, die Ausfahrlänge oder Verlängerung E der Schweißdrähte gemäß der Schv/eißbedingung aufrecht zu erhalten.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Änderung des Schweißstromes als Parameter für die Ausfahrlänge oder Verlängerung E der Schweißdrähte ermittelt, um das automatische Anheben des Trägers 32 zu steuern. Ferner v/erden die Positionen der Verschiebebetten der einzelnen Schweißdüsen gesteuert, um die Veränderungen des Schweißstromes auszugleichen.

Die Steuerung der Ausfahrlängen der Schweißdrähte kann in der gleichen Weise wie das vorstehend erläuterte automatische Anheben des Trägers 32 erfolgen.

Es ist auch möglich, die Positionen der Verschiebebetten des zweiten Verschiebemechanismus durch eine Berechnung auf Grundlage des Wertes des Winkels θ vom Jeweiligen Augenblick und der Positionen der Verschiebebetten des ersten Verschiebemechanismus zu berechnen.

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Alternativ kann der zum Messen des Winkels θ und anderer Daten bestimmte Teil die Oberfläche des Werkstückes abtasten und abfahren bzw. kopieren, um die notwendigen Informationen in einem Gedächtnis zu speichern, wobei die Positionen der Verschiebebetten dann entsprechend den gespeicherten Informationen beim Fortgang des Schweißvorganges gesteuert werden.

Die Schweißvorrichtung schweißt somit die Schweißnaht fortschreitend. In der Position II hat die Schweißvorrichtung die Schweißnaht bis zu einer Stelle fertiggestellt, in welcher der Winkel 9^55° beträgt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß man auf den zweiten Verschiebemechanismus verzichten kann, wenn die Schweißvorrichtung nur eine Schweißdüse aufweist, weil in diesem Falle das automatische Anheben des Trägers 32 auch die entsprechende Steuerung bewirkt. In diesem Falle kann der erste Verschiebemechanismus so ausgebildet sein, daß er auch als Oszillationsmechanismus dient. Wenn jedoch die Start- oder Stopp-Position des Oszillationsmechanismus einzustellen ist, ist es notwendig, den ersten Verschiebemechanismus und den Oszillationsmechanismus voneinander zu trennen.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite Verschiebemechanismus derart miteinander kombiniert, daß der zweite Verschiebemechanismus vom ersten Verschiebemechanismus getragen wird, weil dies für die Anordnung einer größeren Anzahl von Schweißdüsen zweckmäßig ist. Wenn die Anzahl der Schweißdüsen jedoch klein ist, kann auch der erste Verschiebemechanismus an dem zweiten Verschiebemechanismus angeordnet sein.

Wenn beispielsweise, wie beim beschriebenen Ausführungs-

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beispicl, ein Ausrichtmechanisinus am zweiten Verschiebemechanismus angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, daß
die Ausrichtung oder Einstellung der einzelnen Schwelß«
düsen sehr genau vorgenommen und durchgeführt v/erden kann,
obwohl einige aufwendige Arbeiten erforderlich sind, um

einen gegenseitigen Kontakt der großen Anzahl von Schweiß- j

düsen zu vermeiden. In einem derartigen Fall ergibt sich j

kein praktischer Nachteil, wenn man den Ausrichtmochanismus j

des ersten Verschiebemechanismus wegläßt. Auch ist es mög- ;

lieh, den Ausrichtmechanismus so anzuordnen, daß er um den I

Schweißbogenpunkt bzw. die Schweißstelle verdreht werden !

kann. In einem derartigen Falle kann die Ausrichtung oder j

Einstellung jeder einzelnen Schweißdüse sehr fein durch- j

geführt und ein gegenseitiger Kontakt zwischen den Schweiß- j

düsen vollständig vermieden werden, obwohl die Vorrichtung i

wegen einer großen Anzahl von gebogenen Führungen oder j

einem Verbindungsmechanismus zum Drehen des Ausrichtmecha- j

nisinus um den Schweißpunkt sehr groß ist. {

Es ist erkennbar, daß durch Drehen des Schweißkopfes als j Einheit um die Stelle, an welcher die Oberfläche des Werk- j Stückes bzw. der Schweißnaht die Oberfläche der Schmelze
schneidet, der Ausgangspunkt der Oszillation festgelegt
und die Berechnung der Korrektur vereinfacht und erleichtert wird.

Fig. 8 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform, welche
um den Schnittpunkt zwischen der Oberfläche des Werkstückes
und der Schmelze gedreht oder verschwenkt werden kann, wobei gebogene Führungen 46 und 47 vorgesehen sind, urn die Tangente zur Schv/eißnaht zu ermitteln und einen Mechanismus zum Steuern der Lage der Schweißdüsen zu bilden.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen be-

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schrieben wurde, die zum Erzeugen von Stumpfschweißungen an halbkugelförmigen oder schalenförmigen Werkstücken bestimmt sind, ist es auch möglich, die Erfindung zum geneigten Aufwärtsschweißen von konischen oder ähnlichen Werkstücken zu verwenden.

Wie beschrieben wurde, wird bei Anwendung der Schweißvorrichtung zum Aufwärtsschweißen eines halbkugeligen oder konischen Werkstückes wie dem Stirnende oder dem Boden eines großen Druckkessels, wobei die Unterseite des Werkstückes, d.h. das den größeren Durchmesser aufweisende Ende j desselben auf der horizontalen Oberfläche eines Untersatzes ! angeordnet ist, automatisch geschweißt, ohne daß eine spezielle Einstelleinrichtung vom Drehen des Werkstückes um das Zentrum aeiner Grundfläche oder eine große Einstelleinrichtung erforderlich wäre.

Außerdem wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung sehr verbessert, weil mehr als zwei Schweißnähte gleichzeitig geschweißt werden können.

Wegen des gleichzeitigen Schweißens an mehr als zwei Stellen werden die im fertig geschweißten Werkstück verbleibenden Restspannungen bedeutend gesenkt, was sehr vorteilhaft ist.

Nachstehend wird ein zweites Ausführungsbeispiel für die Arbeitsweise der Schweißvorrichtung beschrieben.

Fig. 7 erläutert das Schweißen eines gewölbten Bodens oder einer gewölbten Stirnwand eines Kessels aus einzelnen gewölbten Stücken. Das halbkugelförmige oder konische Werkstück wird aus seinen Einzelteilen auf einem üblichen Einstellgerät, einer üblichen Unterlage oder einer speziellen Säule mit seiner den größeren Durchmesser aufweisenden

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Seite bzw. seinem Boden nach unten weinend aufgebaut. Die
einzelnen Teile des Werkstückes haben wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel eine Wandstärke von 200 mm, einen I äußeren Radius von 24ΌΟ mm und einen Neigungswinkel 0
von 20°. Das Schweißen erfolgt aufwärts, wobei die Halbierungslinie des Zentriwinkels der Einzelteile horizontal
gehalten wird. In diesem Falle wird angenommen, daß der
Zentriwinkel 70° beträgt, so daß bei horizontal gehaltener ■ Mittellinie oder Teilungslinie dier.es Zentriwinkels rJ eh ^: beidseits derselben ein V/inke.l von jeweils 35° befindet.
Die maximale Breite der Schmelzenoberfläche beträgt; etwa.
350 ram und ist somit kleiner als beim vorhergehend be- I schriebenen Ausführungsboispiel. Deinimt sprechend kann, die ! Anzahl der verwendeten Schweißdüsen geringer sein. ;

Beim hier beschriebenen Ausführungcbei spiel ist en notwen- j

dig, eine Einstelleinrichtung oder eine spezielle Säule !

zu verwenden, um die Teilungslinie des Zentriwinkels hori- ·

zontal zu halten, wobei die Größe dieser Einrichtung bzw. j

Säule mit der Größe des zu schweißenden Werkstückes zu- j

nimmt. Dieser Nachteil wird jedoch vollständig durch den \

Vorteil aufgewogen, daß der Zentriwinkel auf die Hälfte ;

reduziert wird, weil er durch die horizontale Ebene in ' einen positiven und negativen Winkel aufgeteilt wird, woraus !

sich der v/eitere "orteil ergibt, daß die maximale Breite ;

der Oberfläche der Schmelze auf etwa 3/5 reduziert wird, i

so daß insgesamt gesehen weniger schwere Bauteile für die j

Anzahl von Schweißdüsen, die Schweißbedingungen und die I Steuerungen der Vorrichtung erforderlich v/erden.

Der Aufbau der Schweißvorrichtung dieses Ausführungsbeispieles ist derselbe wie bei dem vorhergehend erläuterten
Ausführungsbeispielen mit der Ausnahme, daß die Anzahl der
Schweißdüsen geringer und die Verstelleinrichtung eine
übliche vertikal zu verstellende Verstelleinrichtung anstelle einer schräg zu verstellenden Einrichtung ist.

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Die Arbeitsweise ist jedoch identisch wie beim ersten Ausführungsbeispiel, soweit der Winkel θ zwischen 90° und 55° liegt. Dienes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch von dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel bezüglich des Hubes des zweiten Verschiebemechenismus und der Anordnung der Verschiebebetten dieses Verschiebemechanicmus. Bei diesem Ausführungsbeispiel beginnt das Schweißen bei einem Winkel 0 von 125° und ist bei einem Winkel θ von 55° beendet, wobei der Winkel θ von 90° durchlaufen wird, so daß der Hub des zweiten Verschiebemechanismus und die Anordnung der Verschiebebetten desselben so gewählt werden müssen, daß der Hub einer Veränderung des Winkels θ zwischen 125° und 90° ebenfalls angepaßt ist.

Fig. 7 zeigt schematise!! zwei Elektroden 4a und 4b. Falls die Halbierungslinie des Zentriwinkels des halbkugelformigcn zu schweißenden Werkstückes horizontal gehalten wird und sich die Schmelzenoberfläche unterhalb der Halbierungslinie befindet, d.h. der Winkel θ kleiner als 90° ist, müssen die j Elektroden Aa und 4b im wesentlichen parallel mit der Tan- ! gente an der Schweißstelle angehoben werden, wobei d^ = b-tg (0 - 90°) und d₄ = (a + b)-tg (0 - 90°).

Daher sind die Verschiebebetten so angeordnet, daß dieselben und die Schweißdüsen selbst noch bei einem Winkel θ = 90° weiter abgesenkt werden können, damit die den Werten d, und d^ gemäß Fig. 7 entsprechende! Hübe in gutem Kontrast zu dem Fall des vorstehenden Ausführungsbeispieles stehen, bei dem die Verschiebebetten des zweiten Verschiebemechanismus so angeordnet sind, daß kein Hub zum Absenken der Verschiebebetten zur Verfügung steht, wenn der Winkel 9=90° wurde.

Der erste Verschiebemechanismus soll den Abstand zwischen den Elektroden einstellen, um die Schweißbedingungen zu

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erfüllen. Um die Position mit einem Winkel 0 von 90° wird ! vom ersten Verschieberoechanismuß eine symmetrische Arbeitsweise ausgeführt, veil a/cos(0 - 90°) gleich ε./siri θ für j symmetrische Pocitj.cnen der Oberfläche der Schmelze \un die j Position von 0 = 90° ist, d.h. wenn die l/inkol <>^ und/»;'ρ j einander gleich sind, wie Fig. 7 zeigt. Deshalb kann der ! ernte Ver-ox-hiebemechanismus bei diesem Ausführungsbeispiel _r ebenso arbeiten wie beim zuer&t beschriebene!· Ausführung^- ί beispiol. j

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Claims

G 51 112 Anmelder: KOBE STEEL, Ltd., 3-18, 1-Chome, Ytakinoharaa-Cho, Fukiai-Ku, Kobe (Japan) Verfahren und Vorrichtung zum automatischen gesteuerten Aufwärtsschweißen insbesondere kurvenförmig verlaufender Schweißnähte Patentansprüche:

1.) Verfahren zum gesteuerten automatischen Aufwärtsschweißen insbesondere kurvenförmig verlaufender Schweißnähte, dadurch gekennzeichnet, daß ein an einer Säule frei vertikal und horizontal bewegbar angebrachter Arm, der an seinem freien Ende eine Mehrzahl von Schweißbrennern oder Schweißdüsen für Elektrogas- oder Elektroschlackeschweißung trägt, so fortlaufend angehoben wird, daß das aus Jeder Schweißdüse herausragende Ende des Schweißdrahtes dicht an der betreffenden Schweißfläche liegt, daß man von dem Arm die Neigung der Tangente zur Schweißnaht an der jeweiligen Schweißstelle ermittelt, woraufhin man die Schweißdüsen so verdreht oder kippt, daß die Schweißdrähte parallel zu dieser Tangente eingestellt werden, wobei man den Abstand zwischen den Schweißdüsen auf der Schweißoberfläche, die Anzahl der Schweißdüsen und die Oszillationsamplituden einer Vielzahl von Schweißdüsen nach auf der Breite der Schweißoberfläche beruhenden Bedingungen berechnet und optimiert, während diese Breite nach der Neigung der Tangente, dem äußeren Radius des zu schweißenden Werkstückes bzw. der Schweißnaht und der Dicke des Werkstückes berechnet wird, und daß man

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die optimalen Werte für da« Herausragen des Schweißdraht es aus den einzelnen Schweißdüsen berechnet und mit diesen optimalen Schweißdrahtlängen den Schveißvorgang ausführt.

2. Automatische Schweißvorrichtung zum Aufv/ärtsschweißen nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Säule (34) mit einem an dieser frei vertikal und horizontal bewegbaren Arm (32) aufweist, wobei an diesem Arm eine Mehrzahl von unabhängig voneinander in Richtungen parallel und senkrecht zur Tangente zur Schweißnaht bewegbaren Schweißdüsen (4) angeordnet ist, Einrichtungen zum Ermitteln der Neigung der Tangente zur Schweißnaht an der jeweiligen Schweißstelle vorgesehen sind und ein Einstellmechanismus für die Schvreiß-düsen vorgesehen ist, der diese Düsen entsprechend der jeweils ermittelten Neigung der Tangente kippt und einstellt, damit die durch die Düsen bzw, von den Düsen zugeführten Schweißdrähte stets parallel zu der an die Schweißnaht an der Schweißstelle gelegten Tangente eingestellt werden.

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