DE2829601A1 - Verfahren und einrichtung zum energiestrahlschweissen mit zusatzmaterial - Google Patents

Description

3. Juli 1978 Dr.v.B/Hd P 89-DE

Steigerwald Strahltechnik GmbH Haderunstraße la, 8000 München 70

Verfahren und Einrichtung zum Energiestrahlschweißen mit
Zusatzmaterial

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Aus der DE-AS 1270708 ist bereits ein Elektronenstrahlschweißverfahren bekannt, bei welchem ein Spalt unregelmäßiger Breite durch einen Elektronenstrahl unter Zufuhr von Zusatzmaterial zur Ausfüllung des Spaltes verschweißt wird. Um der unregelmäßigen Breite des Spaltes Rechnung zu tragen, wird die Breite des Spaltes vor dem Verschweißen gemessen und die Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzmaterials (worunter hier immer die pro Zeiteinheit eingeführte Menge des Zusatzmaterial zu verstehen ist) wird entsprechend der an der Werkstückoberfläche gemessenen Spaltbreite gesteuert.

Da die Breite des Spaltes an der Werkstückoberfläche gemessen wird, stellt das Meßergebnis kein exaktes Maß für das auszufüllende Spaltvolumen dar, da sich die Breite des Spaltes nicht nur längs der Schweißnaht, sondern auch in Dickenrichtung des Werkstücks, also in der Richtung des Strahls, ändern kann. Im bekannten Falle kann also trotz einer Regelung der Zuführungsgeschwindigkeit des Zusatzmaterial in Abhängigkeit von der an der Oberfläche des Werkstücks gemessenen Breite des zu verschweißenden Spaltes eine zu starke Erhöhung oder ein zu starkes Einsinken der den erstarrten Schweißnahtbereich begrenzenden Schweißraupe oder Schweißraupen eintreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die eine Schweißnaht mit relativ gleichmäßiger Schweißraupe liefern, auch wenn sich die Breite des Spaltes im nneren des

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Werkstücks anders ändert als an der Werkstückoberfläche. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken größerer Dicke, z.B. 50 mm und mehr, mittels eines Elektronenstrahls, es ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Dadurch, daß auch größere Unregelmäßigkeiten im Spalt ausgeglichen werden können, lassen sich die Kosten für die Vorbereitung der zu verschweißenden Werkstückränder herabsetzen. Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung eine Rückwärtsregelung darstellt, liefert es in der Praxis zufriedenstellende Ergebnisse, da sich die Breite, d.h. der Flächeninhalt der zu verschweißenden Trennfuge in der Praxis nicht abrupt ändert.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung wird praktisch das ganze Volumen des Spaltes erfaßt, ohne daß hierfür komplizierte Meßvorrichtungen erforderlich sind. In der Praxis ist im allgemeinen keine exakt konstante Höhe oder Größe der Schweißraupe erforderlich, sondern nur daß diese innerhalb gewisser Grenzen gehalten wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Meßsystems für eine Einrichtung gemäß der Erfindung und eine Querschnittsansicht einer Schweißnaht und

Figur 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Regelvorrichtung für eine Einrichtung gemäß der Erfindung.

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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 und 2 wird als Regelgröße die Querschnittsfläche einer durch den Schweißprozess erzeugten Schweißraupe 30 verwendet. Die Querschnitts fläche wird dabei auf eine in Figur 1 gestrichelt gezeichnete Bezugslinie bezogen welche in der Ebene einer benachbarten Werkstückoberfläche 20 liegt. Zur Messung der Querschnittsfläche der Schweißraupe 30 dient ein Meßsystem 10 , welches die Höhe h der Schweißraupe 30 an verschiedenen Stellen quer zu einer in Figur 1 im Querschnitt dargestellten Schweißnaht 58 mißt. In Figur 1 ist ein mechanisches Meßsystem dargestellt, auf das noch genauer eingegangen wird, stattdessen können jedoch auch andere Meßsysteme, z.B. optische oder elektrische Meßsysteme, z.B. induktive Meßsysteme Verwendung finden. Für die Bestimmung der Querschnitts fläche ist es lediglich erforderlich, daß das Meßsystem in einer quer zur Schweißraupe verlaufenden Richtung χ definiert über die Schweißraupe bewegt werden und die Höhe der Schweißraupe an verschiedenen definierten Stellen messen kann, so daß das Integral h · dx ermittelt oder angenähert werden kann.

Das in Figur 1 beispielsweise dargestellte Meßsystem enthält eine hebelartige, mechanische Sonde 40 , die um eine Achse 44 drehbar gelagert ist und am freien Ende eine kugelförmige Spitze 42 aufweist. Die Sonde 40 betätigt den Schleifer 46 eines Potentiometers 48 (Figur 2), an dessen Widerstandselement eine Betriebsspannung V liegt. Auf einer mit dem Schleifer 46 verbundenen Ausgangsleitung 50 tritt daher ein Signal auf, das im wesentlichen proportional zur abgetasteten Höhe h der Schweißraupe 30 ist. (Eine Linearisierung kann durch ein entsprechendes Widerstandsprofil des Potentiometers ohne Schwierigkeiten erreicht werden). Das Potentiometer 48 ist an einem beweglichen Support 52 befestigt, der auf einem als Zahnstange ausgebildeten auskragenden Träger 54 verschiebbar ist. Der Träger 54 ist an einem Maschinenelement 56 angebracht, das eine feste Lage bezüglich eines nicht dargestellten Strahlerzeugungssystems hat, das einen die Schweißnaht erzeugenden Energiestrahl 60 ,z.B. einen Elektronenstrahl liefert. Die Anordnung ist so gewählt, daß sich der Träger 54 quer zur Richtung der Schweißnaht 58 erstreckt und die mechanische Sonde 40 die Schweißraupe 30 möglichst bald nach ihrer Erstarrung abtasten kann. Für die folgende Beschreibung kann angenommen werden, daß der Träger 54 und der Strahl 60 ruhen während das Werkstück 62 sich bei der Bildung der Schweißnaht senkrecht zur Zeichenebene aus dieser heraus bewegt.

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Die kugelförmige Spitze 42 der Sonde 40 wird über die Schweißraupe 30 gezogen, indem der Support 52 längs des Trägers 54 in Figur 1 nach rechts (x-Richtung) bewegt wird. Für diesen Zweck ist auf dem Support 52 ein Schrittmotor 64 vorgesehen, der über ein Ritzel 66 mit der Zahnung des Trägers 54 gekoppelt ist.

Am Support 52 ist ferner ein Hubmagnet 68 angebracht, der mit der Sonde 40 gekoppelt ist, um diese bei der Rückwärtsbewegung des Supports 52 vom Werkstück abzuheben, so daß ein Verklemmen verhindert wird. Schließlich trägt der Support 52 noch Endschalter 70 und 72, die zur Anzeige der Endstellungen des Supports mit Anschlägen 74 bzw. 76 zusammenwirken.

Der Aufbau der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 geht aus der folgenden Funktionsbeschreibung hervor. Es sei angenommen, daß sich der Support 52 (Figur 1) in einer Meßzyklus- Ausgangsstellung befinde, in der das Betätigungsglied des Endschalters 70 am Anschlag 74 anliegt. In dieser Stellung erzeugt der Endschalter 70 auf einer Leitung 78 ein Ausgangssignal, das ein Steuerflipflop 80 setzt. Im gesetzten Zustand hat ein Q-Ausgangssignal des Flipflops 80 einen hohen Wert und macht ein erstes Und-Glied 82 durchlaßbereit, das dadurch Schrittschaltimpulse durchläßt, die ihm kontinuierlich über eine Leitung 86 von einem Impulsgenerator 84 zugeführt werden. Die Schrittschaltimpulse gelängen vom Ausgang des Und-Gliedes 82 durch ein Oder-Glied 88 zum Schrittschaltmotor 64, der beim Eintreffen jedes Impulses den Support 52 um ein Streckern'nkrement dx in der x-Richtung weiterbewegt. Die Schrittschaltimpulse vom Ausgang des Und-Gliedes 82 werden ferner einer Impulsformungsschaltung 90 zugeführt, die Ausgangsimpulse 92 konstanter Breite erzeugt, welche jeweils einem Streckern'nkrement dx entsprechen. Die Impulse 92 werden einem Steuereingang einer Torschaltung 94 zugeführt, mit deren Signaleingang die Leitung 50 verbunden ist, die das "Höhe"-Signal führt. An einer Ausgangsleitung 96 der Torschaltung 94 treten also Impulse auf, deren Breite konstant ist und deren Amplitude proportional zu h ist. Die Impulse auf der Leitung 96 haben also einen Flächeninhalt der proportional dem Produkt h · dx ist. Die Impulse auf der Leitung 96 werden einer Integrierschaltung 98 zugeführt, die die Impulse integriert und auf einer Ausgangsleitung 100 ein Signal erzeugt, das im wesentlichen proportional der Fläche der Schweißraupe 30 (Figur 1) ist. Dieses Fläche-Istwert-Signal wird den Eingängen von Schwellwertschaltungen 102 und 104 für einen oberen bzw.

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unteren Schwellwerk zugeführt. Die Schwellwertschaltungen können z.B. Schmitt-Trigger-Schaltungen sein. Die Schwellwertschaltung 102 liefert ein Ausgangssignal, wenn das Fläche-Signal auf der Leitung 100 einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet während die Schwellwertschaltung 104 ein Ausgangssignal liefert, wenn das Signal auf der Leitung 100 unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert abfällt. Die Ausgangssignale der Schwellwerschaltungen 102 und 104 werden jeweils einem Eingang eines zugehörigen Und-Gliedes 106 bzw. 108 zugeführt. Den anderen Eingängen der Und-Glieder 106 und 108 wird während jedes Meßzyklus ein Tastimpuls P zugeführt. Der Tastimpuls P kann z.B. vom Ausgangssignal des Endschalters 72 abgeleitet werden, das auftritt, wenn das Meßsystem 10 einen Meßdurchgang ausgeführt hat und der Endschalter 72 durch den Anschlag 76 betätigt wird.

Wenn der Tastimpuls P auftritt, wird ein etwaiges Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 102 oder 104 zu einer Klemme SL bzw. AV eines Schrittmotors 110 durchgelassen. Der Schrittmotor 110 betätigt eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung 112 für einen Antriebsmotor 114 einer Zusatzmaterial Zuführungsvorrichtung 116, die ein als Draht dargestelltes Zusatzmaterial 118 in die Schweißzone einführt. Die Zusatzmaterial Zuführungsvorrichtung kann in bekannter Weise konstruiert sein und braucht nicht näher erläutert zu werden. Das Zusatzmaterial kann auch in anderer als Drahtform zugeführt werden, z.B. in Form eines Streifens, eines blechartigen Gebildes oder in Form von Teilchen.

Wenn der Schrittmotor 110 einen Eingangsimpuls an der Klemme SL erhält, schaltet er die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 112 um einen Schritt zurück, so daß die Zuführungsgeschwindigkeit für das Zusatzmaterial um einen vorgegebenen Betrag herabgesetzt wird. Wenn dem Schrittmotor 110 an-der Eingangsklemme AV ein Impuls zugeführt wird, wird die Zuführungsgeschwindigkeit in entsprechender Weise um einen Schritt erhöht.

Das vom Endschalter 72 erzeugte Signal wird ferner einer Rückstellklemme R des Flipflops SO zugeführt. Das Flipflop 80 schaltet dann in den rückgesetzten Zustand, in dem das Üj-Ausgangssignal einen hohen Wert annimmt, während das Q-Ausgangssignal auf einen niedrigen Wert absinkt. Das Und-GHed 82 wird dadurch gesperrt. Das Q-Signal wird einem ersten Eingang eines Und-Gliedes 120 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit der Ausgangsleitung 86 des Impuls-

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generators 84 verbunden ist. Die Schrittschaltimpulse treten nun am Ausgang des Und-Gliedes 120 auf, werden durch einen Inverter 122 invertiert und über das Oder-Glied 88 dem Schrittmotor 64 zugeführt, der nun in der entgegengesetzten Richtung zu laufen beginnt und den Support 52 wieder in die Meßzyklusausgangssteliung zurückfährt. Das Signal 0 wird ferner dem Hubmagneten 68 und einer Rückstell klemme RS der Integrierschaltung 98 zugeführt. Der Hubmagnet hebt die Sonde 40 während der Rückstellung des Supports 52 vom Werkstück 62 ab, um ein Verklemmen zu vermeiden, und das Signal an der Klemme RS der Integrierschaltung 98 stellt diese auf 0 zurück.

Wenn der Endschalter 70 am Anschlag 74 anschlägt, wird das Flipflop 80 erneut gesetzt und ein neuer Meßzyklus der beschriebenen Art beginnt.

Anstelle des mechanischen Tasters 40-42 kann selbstverständlich auch eine andere Meßvorrichtung verwendet werden, z.B. eine induktive Sonde oder ein optischer Fühler und dergleichen.

In manchen Fällen genügt es, wenn als Regelgröße die maximale Höhe der Schweißraupe 30 verwendet wird. In einem solchen Falle können die Impulsformungsschaitung 90 und die Torschaltung 94 entfallen und an die Stelle des Integrators 98 tritt ein Spitzenwertdetektor, dem das Höhe-Signal von der Leitung 50 zugeführt wird. Eine derart abgewandelte Schaltung hält die maximale Höhe der Schweißraupe zwischen den vorgegebenen Grenzen.

Das Zusatzmaterial kann die gleiche Zusammensetzung haben wie das Werkstückmaterial oder es kann andere Materialien enthalten oder aus anderen Materialien bestehen, um die Eigenschaften des Schweißbereiches zu ändern-

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE

   I)) Energiestrahl schweißverfahren, bei welchem zwei Werkstückränder, die einen Spalt unregelmäßiger Breite bilden, durch einen Energiestrahl verschweißt werden und in eine durch den Energiestrahl dabei gebildete Schweißzone ein Zusatzmaterial eingeführt wird, um den Spalt auszufüllen, wobei eine Schweißnaht mit mindestens einer Schweißraupe entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Schweißraupe in der Nähe der Schweißzone bestimmt und die Zuführungsgeschwindigkeit des Zusatzmaterials so gesteuert wird, daß die Größe der Schweißrauße innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten wird.

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   ORIGINAL INSPECTED
2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsgeschwindigkeit des Zusatzmaterials in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche der Schweißraupe geregelt wird.
3. 3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsgeschwindigkeit des Zusatzmaterials in Abhängigkeit von der maximalen Höhe der Schweißraupe geregelt wird.
4. 4) Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Schweißraupe kurz nach ihrer Erstarrung bestimmt wird.
5. 5) Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Schweißraupe dadurch bestimmt wird, daß eine mechanische Sonde wiederholt über die erstarrte Schweißraupe geführt wird.
6. 6) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Strahlerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Energiestrahles, einer Vorschubvorrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Energiestrahl und einem Werkstück entlang einer Schweißnaht, und einer Vorrichtung zum Zuführen von Zusatzmaterial in eine durch den Energiestrahl im Werkstück erzeugte Schweißzone, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (40) zur Bestimmung der Größe einer im Verlauf des Schweißprozesses entstehenden erstarrten Schweißraupe (30) und einer Regelvorrichtung (94, 98, 102, 104, 106, 108, 110, 112) die die Zusatzmaterialzuführungsvorrichtung (114, 116) derart steuert, daß die Größe der Schweißraupe innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt.
7. 7) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Sonde (40, 42) enthält, die durch eine Antriebsvorrichtung (54, 64, 66) wiederholt über die Schweißraupe (30) bewegbar ist.
8. 8) Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung mit einer Schaltungsanordnung (84, 90, 94, 98) zum Erzeugen eines der Querschnittsfläche der Schweißraupe entsprechenden Signales verbunden ist, das der Regelvorrichtung als Istwertsignal zugeführt ist.

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9. 9) Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine mechanische Sonde (40, 42) enthält, die die Schweißraupe (30) durch körperliche Berührung abtastet.

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