DE2817474A1

DE2817474A1 - Vorrichtung fuer die feststellung und ortung von fehlern in schweissnaehten vor ort

Info

Publication number: DE2817474A1
Application number: DE19782817474
Authority: DE
Inventors: Allen E Wehrmeister
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1977-05-02
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1978-11-16
Also published as: ATA290078A; DE2817474C2; CH635683A5; BE866446A; NL7804089A; US4144766A; IL54482A0; CA1105126A; IL54482A; SE7804721L; LU79523A1; GB1601386A; FR2389890B1; IT1095053B; JPS53135850A; FR2389890A1; ES469264A1; IT7822771A0; AT374927B

Description

Anw.-Akte: 27.147 19.4.1978

PATENTANMELDUNG

Anmelder; The Babcock & Wileox Coatpany I6l East 42nd Street, New York, N.Y. 10017 USA

Titel; Vorrichtung itir die Feststellung und Ortung von Fehlern in Schweißnähten vor Ort

Die Erfindung Detrifft die Yor-Ort-Feststellung von Schweißnahtfehlern nach dem Echtzeitprinzip, instesondere auf die Feststellung lind Ortung von Fehlern in Hehrlagen-Schweißnähten, wie sie erforderlich sind, um dicke Werkstücke, z.B. Abschnitte von Druckbehältern oder Bohren, zu verbinden. Beim Zusammenschweißen solcher Abschnitte können oder mehr Schweißlagen erforderlich werden.

Ein bekanntes Verfahren, das bei der Herstellung solcher Schweißnähte eingesetzt wird, ist das Unterpulververfahren, bei dem der Lichtbogen, der zwischen der Schweißelektrode oder, wie man manchmal auch sagt, dem Schweißdraht und den Werkstücken erzeugt wird, in ein geeignetes Pulver eingetaucht wird. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung in gleicher Weise auch auf andere Schweißverfahren anwendbar ist, wie z. B. auf das Wolfram-Inertgas-Verfahren (WIG)·

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Anw.-Akte: 27.147

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Für die Verbindung der Werkstücke ist es von entscheidender Bedeutung^ daß die Fertige Schweißnaht frei von Fehlern ist, wie sie z.B₀ durch Schlackeminschlüsse oder durch Bindefehler verursacht werden, die während des Schweißvorgangs optisch nicht festgestellt werden können. Infolgedessen werden solche Fehler z„Zt. durch an einer anderen als der Schweißstelle abzuwickelnde zerstörungsfreie Prüfverfahren erst festgestellt, nachdem die Schweißnaht fertiggestellt ist. Dabei ist es kostenaufwendig und zeitraubend, Fehler, die bei einer solchen Prüfung festgestellt werden, zu beseitigen, da es erforderlich sein kann, mehrere gute Schweißlagen zu entfernen, bevor der Fehler freigelegt ist und Reparaturen durchgeführt werden können.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die ein Fehler bei seiner Bildung festgestellt und geortet werden kann, so daß der SchweißVorgang sofort dort unterbrochen werden kann und Reparaturen vor Ort durchgeführt werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung zu schaffen, welche die Schallsignale benutzt, die aus der Schweißzone stammen und die durch das Werkstück wandern, um dadurch Fehler festzustellen. Dabei sollen nur diejenigen Schallsignale, die in ein vorher festgelegtes Frequenzband fallen, als Zeichen eines Fehlers anerkannt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

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Fig. 1 ein Schema eines Schweißwächters, und

Fig. 2 ein Seitenaufriß einer Unterpulver-Schweißvorrichtung in ihrem elementaren Aufhau.

Figur i zeigt einen Schweißwächter, wie er für die Vor-Ort-Feststellung und Lokalisierung von Fehlern in einer Schweißnaht eingesetzt wird, welche die Werkstücke 1 und 2 verbindet. Solche Werkstücke können irgendeine Form haben, wie z.B. flach, gekrümmt oder kreisförmig. In einigen Fällen hat der Schweißer eine Elektrode 3 (Fig. 2), die bewegt wird, während die zu verbindenden Werkstücke festgehalten werden. In dem dargestellten Fall wird die Elektrode 3 festgehalten, während die Werkstücke 1 und 2, z. B. Teile eines dickwandigen Rohrs, in Richtung des Pfeiles (Fig. l) mit einer gewählten Geschwindigkeit entlang der Elektrode bewegt werden. In beiden Fällen kann man davon ausgehen, daß die typische Bewegung der Werkstücke gegenüber der Elektrode in der Größenordnung von 30 cm pro Minute liegt. Wie man der Figur 2 entnehmen kann, ist der an der Elektrode 3 erzeugte Lichtbogen während des gesamten Schweißvorgangs in einem Pulver 3A eingetaucht.

Bei dem derzeitigen Stand der Technik wird die Fehlerlosigkeit der Schweißnaht erst nach deren Fertigstellung festgestellt; die verbundenen Werkstücke gelangen zu einer Prüfstation, um zerstörungsfreien Prüfverfahren unterzogen zu werden, wie z. B. Ultraschall oder Durchstrahlung. Wenn ein Fehler festgestellt wird, ist es erforderlich, einen beträchtlichen Teil der Schweißnaht zu entfernen, um den Fehler freizulegen. Da bis zu 75 oder mehr Lagen erforderlich sein können, um eine Schweißnaht fertigzustellen, ist dieser Vorgang in Verbindung mit der Notwendigkeit, den gesamten entfernten Schweißnahtteil neu zu schweißen, äußerst kostspielig und zeitraubend.

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Anw.-Akte: 27.1A7

Erfindungsgemäß -werden Fehler sofort bei Bildung festgestellt und lokalisiert, so daß der Schweißvorgang in einem solchen Fall sofort unterbrochen werden kann, woraufhin das fehlerhafte Stück der Schweißnaht entfernt wird, Reparaturen durchgeführt werden und der SchweißVorgang fortgesetzt wird, so daß der Zeit- und Kostenaufwand für die Beseitigung einer fehlerhaften Schweißlage wesentlich vermindert werden kann, Wie es die Zeichnung zeigt, werden Schallsignale, die durch das eine oder das andere der Werkstücke, z. B. das Werkstück 2, wandern, von einem vorgeschalteten Schallwandler 4 und einem nachgeschalteten Schallwandler 5 wahrgenommen, die in irgendeiner geeigneten Ausführung sein können, wie z. B. piezoelektrisch oder elektromagnetisch. Die Wandler h und 5 werden in einer festen Lage gegenüber der Elektrode 3 gehalten und befinden sich neben der Schweißfuge auf einer Linie, die parallel zur Schweißfuge verläuft. Den einen Wandler 4 nennt man vorgeschalteten Wandler, weil er sich vor der Elektrode 3 befindet, und zwar unmittelbar vor der Stelle, an der die Aufschmelzung stattfindet. Den anderen Wandler 5 nennt man nachgeschalteten Wandler, weil er nach der Elektrode 3 und unmittelbar nach der Erstarrungszone angeordnet ist. Gewöhnlich ist es so, daß ein Fehler, wie z.B. eingeschlossene Schlacke, ein Schallsignal erzeugt, wenn er sich in der Erstarrungszone befindet. Man muß jedoch wissen, daß unter gewissen Bedingungen, vielleicht unter dem Einfluß der Materialstärke und der Schweißbedingungen, ein zuvor gebildeter Fehler ein Schallsignal in anschließenden Lagen erzeugt, wenn er sich der Hochtemperaturzone nähert, die den Lichtbogen umgibt.

Die Schallwandler 4 und 5 nehmen zwar die Fehler-Schallsignale wahr, jedoch auch sonstige Schallsignale, die durch die Werkstücke wandern und mit dem Sammelbegriff "Hintergrund-

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geräusch" bezeichnet werden. Fehlerschallsignale erreichen innerhalb eines feststellbaren Frequenzbereichs ihre Spitze. Das durchschnittliche Hintergrundgeräusch hat einen verhältnismäßig kleinen Ausschlag. Dementsprechend kann ein solches Hintergrundgeräusch, wie es durch die Wandler 4 und 5 wahrgenommen wird, im wesentlichen dadurch ausgeschaltet werden, daß man in Verstärker 6 und 7, die die in den Wandlern 4 und 5 erzeugten Signale erhalten, Bandpaßfilter 8 und 9 einbaut, die nur Schallsignale mit einem oberhalb eines vorher festgelegten Schwellenwerts liegenden Ausschlag und nur das Frequenzband durchlassen, welches die von einem Fehler erzeugten Freuquenzen einschließt. An den Ausgängen der Bandpaßfilter 8 und 9 stehen also Signale zur Verfügung, deren Ausschlag größer ist als ein zuvor festgelegter Schwellenwert und die in ein zuvor festgelegtes Frequenzband fallen, so daß sie das Vorhandensein eines Fehlers anzeigen.

Um die Lage eines festgestellten Fehlers zu ermitteln, treten die Ausgangssignale aus den Verstärkern 6 und 7 in einen Zähler 10 ein. Der Zähler 10 wird eingeschaltet, wenn er ein Signale von einem Verstärker erhält, und abgeschaltet, wenn er ein Signal von dem anderen Verstärker erhält und gleichzeitig ein Ausgangssignal erzeugt, das zu einem Speicher 11 gesendet wird. Der Zähler zählt aufwärts oder abwärts von einer anfänglichen Einstellung aus, je nachdem, ob er durch ein Signal vom Verstärker 6 oder von Verstärker 7 eingeschaltet wird. Wenn die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der Signale Null ist, dann gilt dies als falsch und dann wird kein Ausgangssignal erzeugt, da gleichzeitig an den Wandlern 4 und 5 eintreffende Schallsignale typisch für Hintergrundgeräusche sind, das von anderen Orten als von der Schweißzone stammt. Zählungen unterhalb einer vorher festgelegten Minimums und oberhalb eines vorher festgelegten Maximums werden ebenfalls zurückgewiesen, da sie von einer

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Quelle außerhalb der Überwachungszone stammen, die zwischen den Wandlern 4 und 5 liegt, oder da ein Schallsignal von einem Wandler und nicht vom anderen empfangen wurde. Nach Abschluß eines jeden Vorgangs schaltet der Zähler 10 auf die anfängliche Einstellung zurück.

Es ist zu erkennen, daß der Betrieb durch Nebensignale im wesentlichen dadurch ausgeschaltet wird, daß die Signalquelle zwischen den Wandlern 4 und 5 liegen muß, daß das Signal von beiden Wandlern empfangen werden muß, daß die Frequenz innerhalb eines vorher festgelegten Frequenzbands liegen und daß der Ausschlag oberhalb eines eingestellten Schwellenwerts liegen muß. Um weiterhin den Betrieb durch Nebensignale zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Anzahl gültiger Signale aus vorausgewählten Segmenten der Schweißraupe zwischen den Wandlern 4 und 5 stammen muß. Zur Erläuterung ist der Überwachungsbereich zwischen den Wandlern 4 und 5 in sieben Segmenten unterteilt dargestellt worden· Es ist klar, daß dieser Bereich in mehr oder weniger Segmente gleicher oder ungleicher Längen unterteilt werden kann, je nach den Erfordernissen eines jeweiligen Falles. Von dem Zähler 10 erfaßte Fehlerstellen, die innerhalb eines jeden gewählten Segments liegen, werden an einen Ortungsspeicher 11 weitergeleitet, der, wenn eine vorausgewählte Anzahl Fehlersignale von innerhalb eines bestimmten Segments empfangen wurde, eine Fehlerortmarkierungsvorrichtung 12 auslöst, um auf dem Werkstück 1 das Segment zu bezeichnen, aus welchem die gewählte Anzahl Fehlersignale stammt. Gleichzeitig kann das Ausgangssignal zu einer Alarm- und Ortanzeigevorrichtung 13 geleitet werden.

Eine solche Vorrichtung kann eine Vielzahl Formen annehmen, um den Fehlerort anzuzeigen. Für die Zwecke der Erläuterung

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ist die Vorrichtung 13 als Streifenschreibe dargestellt, der mit einem Schreibelement für jedes der Segmente 1-7 ausgestattet ist. Im normalen Betrieb sind die Linien, die von solchen Elementen auf dem mitwirkenden, beweglichen Streifendiagramm 13B gezeichnet werden, mehr oder weniger wellenförmig. An der Stelle 13A werden jedoch ausgeprägte Linien gezeichnet, wenn ein Signal von dem Speicher 11 empfangen wird.

Der Schreiber 13 schließt auch eine Schweißlagen-Markiervorrichtung 14 ein, die eine Markierung 14A zu Beginn einer jeden Schweißlage vornimmt. Die Markiervorrichtung 14 wird zu Beginn einer jeden Lage von einem Schalter 15 an Spannung gelegt, der momentan von einem Auslöser 15A geschlossen wird, welcher entfernbar an dem Werkstück 2 befestigt ist. Durch die Wechselbeziehung der Koordinaten des Diagramms 13B mit der Länge der Schweißsegmente, die zuvor beschrieben worden sind, sowie durch die Wechselbeziehung der Abszissen des Diagramms 13B mit der Verlagerung der Werkstücke 1 und 2 gegenüber der Elektrode 3 kann die Oberflächenlage eines Fehlers auf der Schweißraupe aus der Diagrammlage einer Markierung, wie bei 13A gezeigt, ermittelt werden. Die Tiefe eines Fehlers von der Oberfläche der Werkstücke kann dadurch ermittelt werden, daß man mittels Schreiber 14 die Anzahl der Schweißlagen ab der ersten oder Wurzellage zählt, da jede Lage im wesentlichen die gleiche Schweißraupenmenge ablegt»

Eine Lesevorrichtung 17_f wie z.B. ein Elektronenstrahlröhren-Sichtgerät, kann vorgesehen werden, um darzustellen, daß die Wandler 4 und 5 Schallsignale empfangen haben, die innerhalb des vorher festgelegten Frequenzbands liegen und deren Ausschlag oberhalb des vorher festgelegten Schwellenwerts liegt.

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Eventuell erforderliche konventionelle Schaltungsteile, wie z. B. Vorverstärker, Abschirmung, Erdung und dergleichen, sind in den Zeichnungen und in der Beschreibung fortgelassen worden, da es klar ist, daß solche Teile eingeschlossen werden können, wenn und wo sie erforderlich sind.

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Claims

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PATENTANWALT

19. 4. 1978

Anw.-Akte: 27ο

PATENTANSPRÜCHE:

ί 1.J Vorrichtung für die Vor-Ort-FeststeXlung und Ortung von Fehlern in Schweißnähten, wobei das Werkstück gegenüber einer Schweißelektrode bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster Schallwandler (4) vorgesehen ist, der um eine erste vorgewählte Entfernung vor der Elektrode (3) angeordnet ist, sowie ein zweiter Schallwandler (5)» der um eine zweite vorgewählte Entfernung hinter der Elektrode (3) angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Wandler je die Schallsignale empfangen, die von einem Fehler innerhalb der Schweißraupe erzeugt werden, und selbst ein Ausgangssignal erzeugen, das in Ausschlag und Frequenz dem Ausschlag und der Frequenz der Schallsignale entspricht, sowie Mittel, die auf die Ausgangssignale der Wandler (4, 5) ansprechen und ein Signal erzeugen, welches die Lage des Fehlers in der Raupe anzeigt, einschließlich Mittel, welche die Differenz zwischen den zeiten ermitteln, die erforderlich sind, damit Signale von dem Fehler zu dem ersten und dem zweiten Wandler wandern können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Signale speichern, welche die Lage eines Fehlers anzeigen, und die ein Ausgangssignal erzeugen, wenn eine vorher festgelegte Anzahl von FehlerSignalen gespeichert ist, die von einem vorher festgelegten Segment der Schweißraupe stammen«

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ORIGINAL INSPECTED

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3ο Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die auf das Ausgangssignal der Speichermittel ansprechen und auf dem Werkstück das Schwexßraupensegment markieren, aus welchem die vorher festgelegte Anzahl Fehlersignale stammte

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel, welches ein Signal erzeugt, das die Lage des Fehlers in der Raupe anzeigt, einen Zähler umfaßt, der eingeschaltet wird, wenn das zuerst einzutreffende Signal von einem Wandler empfangen wird, und der abgeschaltet wird und gleichzeitig ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das als zweites einzutreffende Signal von dem anderen Wandler empfangen wird«

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichn e t , daß der Zähler Mittel einschließt, die seinen Betrieb auf Fehlerstellen innerhalb des Linearen Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler begrenzen,

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeich net, daß Mittel vorgesehen sind, die die Erzeugung eines Ausgangssignals verhindern, wenn der Zähler gleichzeitig Signale von dem ersten und dem zweiten Wandler empfängt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß Mittel vorgesehen sind, die den Zähler daran hindern, ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn ein Wandler ein Fehlersignal empfängt und der andere Wandler das Fehlersignal nicht empfängt.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die auf das Ausgangssignal der Speichermittel ansprechen und das Schweißraupensegment darstellen, aus welchem die vorher festgelegte Anzahl Fehlersignale stammt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Darstellungsmittel ein Markiermittel einschließt, das auf das Ausgangssignal anspricht, und ein mitwirkendes Diagramm, das mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die in einem vorher festgelegten Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Werkstücks gegenüber der Elektrode steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl Elektrodenlagen gegenüber dem Werkstück erforderlich ist, um die Schweißnaht fertigzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die jede Schweißlage darstellen mit der Maßgabe, daß die Lage, in der ein Fehler vorhanden ist, feststellbar ist.

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