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"Verfahren zum Steuern des Schweißvorganges bei der Her-
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stellung von Längsnahtrohren" Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Steuern dos Schweißvorganges bei der Herstellung von Längsnahtrohren durch Hochfrequenzschweißung
eines kontinuierlich zu einem Schlitzrohr geformten Bandes.
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Es ist ein Verfahren zum Steuern des Schweißvorganges bei der Herstellung
von Längsnahtrohren durch induktive oder konduktive Hochfrequenzschweißung aus einem
kontinuierlich zum SchTitzrohr geformten Band bekannt, dessen Bandkanten V-förmig
sufeinander zulaufen und sich im Schweißpunkt treffen, wobei zur Aufrechterhaltung
der vorgegebenen Schweißtemperatur einerseits nuf den Bandvorschub Und damit auf
die Schweißgeschwindigkeit und/oder andererseits auf die Erwärmungastromstärke steuernd
eingewirkt wird (DT-OS 1690599). Bei diesem Verfahren wird die Banddicke und der
Einlaufwinkel der sich im Schweißpunkt treffenden Bandkanten ständig gemessen und
aus den erzielten Ergebnissen der Messung ein Ist-Wert für die Steuerung gebi.det,
wobei durch eine Vergrößerung des Einlaufwinkels und der Banddicke eine Verringerung
der Schweißgeschwindigkeit und/oder eine Ver-
Freßerung der Erwärmungsstromstärke
bzw. umgekehrt bewirkt wird.
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.acht.eilig bei deiser Steuerung ist, daß die Steuerungsparameter,
7. 5, der Einlaufwinkel, schwer zu erfassen und nicht alle Schweißparameter den
Einlaufwinkel verändern bzw, Veränderungen für die Schweißtemperatur nicht relevant
sind, so daß verwendbare Meßergebnisse nur unzureichend zu erzielen sind.
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Es ist ferner bekannt, die Temperatur in, vor oder hinter dem Schweißpunkt
zu messen und den Schweißvorgang den Meßergebnissen entsprechend zu regeln.
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Bei den bekannten Temperaturmeßverfahren wirken sich Wasserdampf unit
andere Umwelteinflüsse nachteilig aus. Außerdem wird der Quoti Pnt aust T in 0C
/ o P in KW im oberen Schweißtemperaturbereich immer geringer. Beide Einflüsse wirken
ungünstig auf die Verfahrensregelung.
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Bei dem durch die US-PS 24 47 973 bekannten Verfahren zur Regelung
dpr Schweißtemperatur wird versucht, die Temperaturmessung durch Messung der Parameter
Hochfrequenzstrom, Wanddicke und Vorschubgeschwindigkeit zu umgehen.
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Die bei diesem Verfahren berücksichtgten Einflußgrößen beinhalten
iPdoch nicht alle wesentlichen Parameter, insbesondere verteilt sich die an der
Stromeinleitungsstelle gemessene Schweißenergie (I2xR) die Leistung im Schweißpunkt
und in die übrigen Anteile (Bvnässe), in zeitlich wechselnd ungleiche Anteile.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung des Schweißvorganges
bei der Herstellung von mit Hochfrequenz längsnahtgeschweißten Rohren zu schaffen,
mit der die Qualität der Schweißnaht verbessert und reproduzierbar gesichert wird,
wobei die Nachteile der obigen Verfahren vermieden werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen,
wie es in den Patentansprüchen beschrieben ist.
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Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zum Steuern des
Schweißvorganges bei der Herstellung von l,ängsnahtrohren mit dicker Wand durch
Hochfrequenzscbweißen eines kontinuierlich zu einem Schlitzrohr geformten Bandes
wird garantiert, daß die Schweißtemperatur und der Schweißdruck bei Veränderungen
durch f iche Toleranzen, zum Beispiel der Blechdicke, der Schweißgeschwindigkeit,
der Formungstoleranzen, der Materialeigenschaften usw. reproduzierbar einzustellen
sind und in engen Toleranzgrenzen geführt werden.
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Die erfindungsgemäße Steuerung wirkt sich auf die Qualität des Erzeugnisses
aus und verbessert die Verfahrenssicherlmg.
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In den beigefügten Zeichnungen sind mögliche Ausbildungsformen einer
Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung zur Breltenmessung und -regelung
über die Schweißleistung, Fig. 1 Schaubilder zur Darstellung der Verfahrenszusammenhänge
a + b von Schweißtemperatur, Reduktion und Nahtbreite, Fig. 2 eine Schweißnahtbreitenmessung
zur Bestimmung und Regelung des Schweißdrucles, mit einem vorgeschalteten Temperaturleistungsregelkreis,
Fig. 2 a, b+c Schaubilder über funktionale Abhängigkeit von Schweißtemperatur, Schweißdruck
und Nahtbreite - Darstellung des Temperaturprofils im Schweißquerschnitt und - Temperaturprofil
des Flüssigkeitsauswurfs (Naht), Fig. 3 eine Anordnung zur Lageregelung des Schweißpunktes,
Fig.
3 Darstellung der Abhängigkeit von Schweißpunktlage und Schweißtemperatur \T.ip
Figur 1 zeigt, wird das Rohr (1) von Druckrollen (2) erfaßt. @ Über der Schweißnaht
(3), deren Breite mit "B" bezeichnet ist, befindet sich ein berührungslos wirkendes
Breitenmeßsystem (4). Zudem Breitenmeßsvstem (4) gehören ferner der automatische
Regler (7) und der Handregler (8), die mit dem Steuerteil des HF-Generators (6)
verbunden sind.
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Figur 1s zeigt in einer grafischen Darstellung die funktionale Abhängigkeit
der Schweißnahtbreite "B" von der Schweißtemperatur T bei konstanter Reduktion "R"
in den Druckrollen (2).
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Figur Ib zeigt das Temperatur-Breitenprofil der Schweißnaht bei verschiedenen
Schweißleistungen "P".
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In Figur 2 wird über ein bekanntes Temperaturmeßsystem (5) die e Schweißtemperatur
T gemessen und über den Regler (7) und den Steuerteil des Generators (6) konstant
gehalten.
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Über der qchweißnaht (3) befindet sich außerdem ein Meßsystem (4)
zur Breitenmessung, dessen Meßwert dem Regler (4a) und dem Stellglied (4b) zugeführt
wird.
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In Figur 2a ist die funktionale Abhängigkeit von Schweißnahtbreite
"B" und dem Schweißdruck "F" bei konstanter Schweißtemperatur In," dargestellt.
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Figur 2b zeigt das Temperaturprofil im Schweißquerschnitt.
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Figur 2c zeigt, daß bei konstanter Oberflächenschweißtempe--ntllr
"T" die Auswurfbreite "B" abhängig ist von dem Schweißdruck "F".
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In Figur 3 ist ein Schweißpunktlage-Regelkreis dargeste1 lt.
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iiber dqs Schweißpunktlage-Meßgerät (9) wird die Schweißpunkt-Längsposition
"W" gemessen, der Meßwert dem Regler (7) und dem Generator (6) zugeführt und über
den Sollwert "W Soll" konstant gehalten. Zur reproduzierbaren Bestimmung der Schweißtemperatur
"T"
wird ein Schweißtemperaturmeßgerät (5) eingesetzt. Des weiteren ist am Regler (7)
eine Handeinstellung üblicher Art zur Temperaturvorwahl vorgesehen.
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Figur 3a zeigt die Schweißpunktlagen "W" in Äbhängigkeit von verschiedenen
Temperaturen.
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Bei konstantem Einformungsumfang und konstantem Umfang des Schweißkalibers
und damit gegebener konstanter Reduktion im Schweißkaliber wird über die Nahtbreite
B die Schweißqualität festgelegt. Entsprechend den funktionalen Zusammenhängen im
Diagramm der Figur 1a wird über die vorgegebene Breite B und Reduktion "R" die Schweißtemperatur
"T" und damit die Schweißleistung P bestimmt.
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In Figur Ib sind die Oberflächentemneraturen T der Schweißnaht aufgezeigt.
Der sehr steile Temperaturgradient der Naht ermöglicht es, über eine Isotherme mit
einem geeigneten Breitenmeßgerät die Schweißnahtbreite "B" zu bestimmen.
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Zur Messung der Schweißnahtbreite "B" wird eine Diodenzeilenkamera
als Breitenmeßsystem (4) unmittelbar hinter dem Schweißpunkt 3a eingesetzt, deren
Ausgangssignsl iiber den Regler (7) mit vorgegebenem Breitensollwert (Bs) den HF-Generator
(6) entsprechend steuert und damit die Schweißnahtbreite B und damit die Schweißtemperatur
T entsprechend Figur 1a regelt.
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Die Schweißparameter R (Reduktion) und "B" (Schweißnahtbreite) werden
in der Einfahrphase wie folgt ermittelt: Mit einer bestimmten Reduktion R wird über
eine empirisch ermittelte Leistung (Regler 8) geschweißt, die Nahtbreite 8 gemessen
und über entsprechende Prüfungen die Schweißaualität der Naht festgestellt. Die
so gefundene Nahtbreite " (in Verbindung mit R") ist Einstellwert für die automatische
Breitenregelung (7,Bs).
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Mit diesem Verfahren werden Geschwindigkeitsänderungen, Wanddickenänderungen
im normalen Toleranzbereich, Leistungsschwankunden im Schweißpunkt 3a (hervorgerufen
durch geometrische Veränderungen des Schlitzrohres, wie Abstand Schwelßpunkt/ pl,
Schweißwinkel und Kopplungsabstand Band/Spule) durch den Regler (7) ausreichend
genau geregelt.
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A!e n Figur 2 dargestellt, ergibt sich bei konstanter Oberflächenschweißtemperatur
"T" und einer bestimmten Reduktion "R" im Schweißkaliber (2) eine davon abhängige
Nahtbreite "B" (siehe Figur 2a). Da die Reduktion R proportional dem Schweißdruck
"F" ist, kann über die Nahtbreite "B" der Schweißdruck ermittelt werden.
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In Figur 2b ist das Temperaturprofil im Schweißquerschnitt dargestellt.
Es ist zu erkennen, daß in der Banddickenmitte sich kältere Temperaturbereiche berühren,
während an der Oberfläche immer noch Schmelztemperaturen (T = konstant) vorhanden
sind.
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Versuchsmessungen haben ergeben, daß über den Volumenauswurf 5. s.
Fig. 2b) Proportionalität zwischen Schweißdruck "F" und Nahtbreite "B" nach Figur
2a gegeben ist.
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Die beschriebenen Zusammenhänge ergeben einen Temperaturverlauf des
Flüssigkeitsauswurfs der Naht entsprechend Figur 2c innerhalb des Arbeitsbereichs
"A" (s. Fig. 2a).
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In Figur 2 wird über einen Temperaturregelkreis Temperaturmeßgerät
5, Regler 7, Hochfrequenzschweißgenerator 6 die Schweißnahtoberflächentemperatur
konstant gehalten. Änderungen des Schweißdruckes "F" (Figur 2c) beeinflussen die
Schweißnahtbreite B. Der Schweißnahtbreiten-Regelkreis (Breitenmeßgerät 4, Regler
4a, Stellglied 4b und Druckrollen 2) regelt Änderungen von l'B " aus.
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Damit ist gegenüber dem üblichen Verfahren der Druckmessung (z.B.
Druckmeßdosen in den Zustelleinrichtungen der Rollen) eine wesentliche Verbesserung
erzielt. Die Auswurfbreite repräsertiert
den Schweißdruck "F"
im Schweißpunkt, w@@@@@@ @@@ übliche Druckmessung sich aus einer Reihe von Einze@drü@@@
deren Verhältnis untereinander nicht konstant ist, zusammensetzt.
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Die Schweißpunktlage "W" wird wie Figur 3 zeigt von folgenden @influßgrößen
bestimmt (siehe Figur 3a): Formungstoleranzen B@ndgeschwindigkeitsänderungen #V
Bapddickentoleranzen #S Schweißleistungsschwankungen #P Diese Einflußgrößen wirken
sich auf die Schweißtemperatur aus.
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Die Erfindung nach Figur 3 umgeht die Schwierigkeiten der Temperaturmessung
(z.B. Wasserdampfeinfluß usw.) dadurch, daß die Änderung der Lage des Schweißpunktes
mit einem geeigneten Meßgerät (g) gemessen wird (z.B. Diodenmatrix).
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Beim HF-Schweißen ist es übllich, daß der Schweißer die Schweißtemperatur
iiber ein Stellglied visuell einstellt und den Prozeß von Hand weiterführt.
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In der Verfahrensweise nach Figur 3 übernimmt der Schweißpunktlageregelkreis
(W-Meßgerät 9, Regler 7, HF-Generator 6) nach der visuelle Ermittlung der Schweißtemperatur
die weitere Prozeßführung. Alle subjektiven Fehler des Schweißers bsi dsr Temperaturvorwahl
sind vermeidbar, wenn die Vorwahl iiber ein geeigpetes Temneraturmeßgerät (5) vorgenommen
wird.
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Be; einer Auswanderung des Schweißpunktes entgegen der Schweißrichtung
wird die Schweißenergie verringert, bei Auswanderung des Schweißpunktes in Schweißrichtung
wird sie erhöht.
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- Patentansprüche -