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Kennwort: NahtsteuerungfDra#ttemperatur
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Verfahren und Vorrichtung zum Nachführen eines SchweißBrenners mi:t
abschmeSzen'der Elektrode längs einer Schweiß'fuge Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachführen eines Schweißbrenners mit abschinelzender
Elektrode längs einer Schweißfuge.
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Beim maschinellen Schutzgasschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode
entlang einer z.B. numerisch vorgegebenen Kontur (Schweißfuge), wobei der Schweißbrenner
z.B.
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an einer Koordinatenführungsmaschine befestigt ist, treten Probleme
hinsichtlich der richtigen Lagepositionierung der Schweißnaht auf.
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Die Probleme stellen sich beispielsweise dadurch, daß die einzelnen
zu verschweißenden Einzelteile toleranzenbehaftet sind, daß manuell ausgeführte
Heftungen Toleranzen aufweisen, daß geheftete Einzelteile nicht lagegerecht unter
der Koordinatenführungsmaschine positioniert werden,
und daß ferner
beispielsweise geheftete Bauteile durch freiwerdende Schweißspannungen sich verziehen.
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Diese Einflüsse bewirken in ungünstiger Weise eine Lagever-Schiebung
der vorgesehenen Schweißfuge gegenüber einer gewünschten Soll-Lage, die beispielsweise
in einer numerischen Steuerung für die Koordinaten-Führungsmaschine gespeichert
ist. Dies hat zur Folge, daß bei einem Führen des Schweißbrenners entsprechend der
vorgegebenen Soll-Lage die Schweißung nicht vollständig in der gewünschten Schweißfuge
ausgeführt wird und somit Schweißfehler auftreten. Dies hat zur Folge, daß kostenverursachende
Nacharbeiten erforderlich sind, durch die je nach Bauteil, Konfiguration, u.U. auch
die Gesamtqualität des geschweißten Bauteiles ungünstig beeinflußt wird.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Nachführen eines Schweißbrenners mit
abschmelzender Elektrode längs einer Schweißfuge sind, wie der umfangreiche Stand
der Technik auf diesem Gebiet zeigt, Sn den verschiedensten Ausführungen bzw. Ausführungsformen
bekanntgeworden. So ist es beispielsweise aus der DT-OS 25 33 448 bekanntgeworden,
zur Schweißbrennersteuerung einen pendelnden Lichtbogen als Meßfu~hle'r einzusetzen,
wobei die Pendelung bevorzugt durch Magnetfelder erreicht wird. Dabei sind zusätzliche
Einrichtungen, die den Lichtbogen magnetisch auslenken, um so gegenüber einer vorgegebenen
Soll-Lage zu Meßwerten zu gelangen, die verglichen mit dem Wert der Soll-Lage zu
Differenzwerten führen, die zur Regelung herangezogen werden, Bestandteile der entsprechenden
Nachführeinrichtungen. Nachteilig ist in der Regel hierbei jedoch der konstruktive
Auf- und Anbau von z.B.
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Elektromagneten zur tichtbogenauslenkung. Der Raumbedarf solcher Einrichtungen
läßt u av das Schweißen von ebenen Kehlnähten ohne Wånnenlage nicht zu, wenn z.B.höher
aufstrebende Bauteile (Wände, Aussteifungen usw.) mit einer Grundplatte verschweißt
werden müssen. Eckenschweißungen an solchen Bauteilen sind mit derartigen Einrichtungen
überhaupt nicht ausführbar, wenn beispielsweise in vertikaler Richtung nur wenige
Millimeter
Grundmaterial zur Verfügung stehen#s.Maß A in Fig.1) Neben den Verfahren und Vorrichtungen
mit pendelnden Lichtbogen sind auch Einrichtungen bekanntgeworden (z.B. US-PS-31
71 012) bei denen in der Schweißfuge ein mechaninischer#Fühler eingreift, der mit
dem Schweißbrenner in entsprechender mechanischer Verbindung steht. Bei einer Auslenkung
des Fühlers wird dann der Schweißbrenner entsprechend nachgesteuert. Auch bei diesen
Einrichtungen ist der erforderliche Platzbedarf von Nachteil, so daß wiederum die
oben erwähnten Eckenschweißungen mit derartigen Einrichtungen nicht ausführbar sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Nachführen eines Schweißbrenners mit abschmelzender
Elektrode längs einer Schweißfuge zu schaffen, welches die obengenannten Nachteile
nicht aufweist und bei welchem ohne zusätzliche Einrichtun-#gen und in unmittelbarer
Nähe der Schweißstelle eine Abweichung der Schweißbrennersteuerung von der gewünschten
Schweißfuge in kürzestmöglicher Zeit erfaßbar und ausregelbar ist. Ferner ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß zum Nachführen eines Schweißbrenners mit abschmelzender Elektrode längs einer
Schweißfuge die Ist-Temperatur der abschmelzenden Elektrode erfaßt und mit einem
vorgegebenen Soll-Wert verglichen wird und daß ferner die Differenz zwischen Ist-Temperatur
und Soll-Wert als Schweißbrennernachführ-Signal verwendet wird Dabei wird bevorzugt
im Schweißkopf die Temperatur des Schweißdrahtes gemessen,und zwar innerhalb der
Drahtstrecke, die zwischen dem Lichtbogenansatzpunkt und der Kontaktstelle zur Schweißstromzuführung
zur Drahteiektrode dient. Bei einer Abweichung des Schweißbrenners
und
damit der abschmelzenden Drahtelektrode von der Schweißfugenmitte ändert sich die
Länge dieser Drahtstrecke und somit der Strom (bei konstanter Spannung) und somit
auch die Temperatur innerhalb der genannten Drahtstrecke. Die auftretende Temperaturdifferenz
gegenüber der Temperatur, die sich bei der gewünschten Soll-Lage einstellt, wird
in ein Schweißbrenner-Nachführsignal umgewandelt. Dazu wird bevorzugt die gemessene
Ist-Temperatur in eine elektrische Größe umgesetzt und auch der Soll-Wert als elektrische
Größe vorgegeben.
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Das gewonnene Schweißbrenner-Nachführsignal wird gemäß einem weiteren
Vorschlag der Erfindung zur Korrektur des Schweißbrenners sowohl einer horizontalen
als auch einer vertikalen Abweichung von der Schweißfuge verwendet. Dabei wird in
vorteilhafter Weiterbildung das Ist-Temperatur-Signal abwechselnd mit einem Horizontal-Soll-Wert
und einem Vertikal-Soll-Wert verglichen. Die jeweils entstehende Differenz wird
den entsprechenden Vertikal-- bzw. Horizontal-Verstellmotoren zugeführt.
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Bei einer Verfahrensweise, bei welcher der Schweißbrenner mittels
einer numerischen Steuerung und entsprechenden Führungseinrichtung entlang einer
numerisch vorgegebenen Schweißkontur bewegt wird, wird in vorteilhafter Weiterbildung
hierzu vorgeschlagen, daß zur Ist-Temperatur-Messung der Schweißbrenner abwechselnd
für eine vorgegebene Strecke und vorgegebene Zeit eine sich kontinuierlich, wechselweise
wiederholende, horizontale und vertikale Bewegung ausführt. Dabei wird nach jeder
Zwengszustellung der sich einstellende Differenzwert gegenüber dem vorgegebenen
Soll-Wert automatisch im Wechsel an eine diesen Differenzwert verarbeitende elektronische
Regeleinheit gegeben und über die Stellglieder für horizontale und vertikale Bewegung
bewirkt, daß der Differenzwert durch Verstellen des Schweißbrenners abgearbeitet
wird. Ein nach dieser Verfahrensweise arbeitendes System erkennt somit,
ob
horizontale oder vertikale Abweichungen von der vorgegebenen Soll-Lage vorliegen
und kann dadurch erforderlich werdende Korrekturen zur Beibehaltung der Soll-Lage
des Schweißbrenners in der horizontalen oder vertikalen Ebene vornehmen.
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Der wechselseitige Rhythmus der horizontalen und vertikalen kann Bewegung
des Schweißbrenners ferner vorteilhaft zeitlich symmetrisch wechselnd, also beispielsweise
zuerst horizontal mit automatischer Rückstellung und dann vertikal mit automatischer
Rückstellung und dann wieder horizontal usw. erfolgen.
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Horizontale und vertikale Bewegung können selbstverständlich aber
auch je nach Schweißaufgabe zeitlich asymmetrisch oder in der Folge asymmetrisch,
z.B. zweimal hintereinander horizontal, dann erst vertikal usw. erfolgen. Auch ist
das zeitweise Ausklammern einer Zustellbewegung z.B. kurz vor oder nach einer Eckenschweißung,
z.B. einer Kehlnaht in der Ebene möglich. Hierzu wird bei senkrechten, z.B. steigenden
Nähten Vorgeschlagen, daß nur noch in der Sorizontalen eine Bewegung ausgeführt
wird.
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Bei den oben beschriebenen Verfahrens arten hatte sich im Hinblick
auf das Regelverhalten der gesamten Einrichtung als günstig erwiesen, wenn die Ist-Temperatur
nicht direkt von der Elektrode sondern indirekt abgenommen wird.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird anhand von Zeichnungen sowie
unter Hinweis auf weitere vorteilhafte Merkmale eine Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben.
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Es veranschaulicht Fig. 1 - eine Einrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung Fig. 2 - eine Steuervorrichtung
für die erfindungsgemäße Einrichtung.
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Die Einrichtung nach Fig. 1 weist einen Schweißbrenner 10 mit abschmelzender
Elektrode11auf, der ein Temperaturmeßfühler 12 zugeordnet ist. Ferner weist die
Einrichtung eine Schweißbrenneraufnahme 13 auf, die vertikaS 14 und horizontale
Stellglieder 15 enthält. Die Schweißbrenneraufnahme 13 ist an einer an sich bekannten,
nicht näher dargestellten Koordinatenführungsmaschine so angebaut, daß sie unabhängig
von den Hauptachsen dieser Koordinatenführungsmaschine zusätzlich in mindestens
drei weiteren Achsen verstellbar ist. Diese drei Achsen sind die Drehachse 16, die
Höhenachse 17 und die Horizontalachse 18.
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Durch die Drehachse 16 ist der unter einem Winkel von z.B.
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450 zur Waagerechten geneigte Schweißbrenner 10 in gedachter Verlängerung
dieses Winkels zu einem Wurzelpunktl9 einer Kehlnaht um diesen-Wurzelpunkt um 3600
drehbar. Dabei behält der Wurzelpunkt 19 seine Position bei jeder Drehbewegung bei.
Die Drehbewegung erfolgt über den Drehmotor 20.
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Diese Achse gestattet eine tangentiale Schweißkopfführung, aber auch
stechendes oder schleppendes Schweißen und zusatzlich bei Steignähten, die gleichzeitig
als Ecknähte ausgebildet sind, eine Drehpendelbewegung.
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Das Bewegen des Schweißbrenners 10 in Richtung der Vertikalachse 17
erlaubt eine Korrektur von Höhenunterschieden und ferner um bei Steignähten den
Schweißvorschub für den Schweißprozeß vornehmen zu können. Die entsprechende Auf-
und Ab-Bewegung entlang dieser Vertikalachse 17 erfolgt mittels des Vertikal-Stellgliedes
14.
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Aufgrund der vorgesehenen Horizontal-Achse 18 kann der Schweißbrenner
zur Korrektur von horizontalen Abweich ungen gegenüber einer vorgegebenen Soll-Lage
korrigiert werden.
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Die entsprechende Bewegung in dieser Achse erfolgt mittels des Horizontal-Stellgliedes
15.
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Wie ferner Fig. 1 zeigt, ist der Schweißbrenner 10 mit einer an sich
bekannten Schweißstromquelle 21 verbunden, wobei der Schweißstrom den Brenner über
Leitung 22 und Brennerkontaktstück 23 der abschmelzenden Elektrode 11 zuführt. Der
andere Pol der Stromquelle ist über Leitung 24 mit dem Werkstück 25 verbunden. Der
zwischen Drahtelektrodenende 26 und Werkstück 25 sich ausbildende Lichtbogen ist
mit 27 bezeichnet. Elektrodendrahtzufuhr und Schutzgaszufuhr für den Schutzgasschweißbrenner
10 sind an sich bekannt und aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
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Der im Schweißbrenner 10 vorgesehene Temperaturmeßfühler 12 ist, wie
auch Fig. 1 veranschaulicht, im Bereich der Drahtstrecke 28 vorgesehen, die zwischen
Stromkontaktstück 23 Der und Elektroden-Ende 2'6 liegt. Temperaturmeßfühler 12 ist
mit einer Steuervorrichtung 29 verbunden, die anhand von Fig. 2 näher erläutert
wird.
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Die Steuervorrichtung 29 weist einen Sollwertgeber 30, einen Istwertgeber
31, einen Vergleicher 32 sowie eine Vorrichtung 33 zur Erzielung einer horizontalen
bzw. vertikalen Bewegung des Schweißbrenners um eine vorgegebene Strecke und für
eine auf.
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vorbestimmte Zeit. Dabei ist der Temperaturfühler 12 über eine Leitung
34 mit dem Sollwertgeber 30 und über Leitungen 35, 36 mit den Istwertgebern 37 für
die Vertikelbewegung und dem Istwertgeber 38 für die Horizontalbewegung. verbunden.
Der Ausgang des Sollwertgebers 30 ist über Leitungen 39, 40 mit dem Vergleicher
32 verbunden, dem ferner über Leitungen 41, 42 Signale des Istwertgebers für die
jeweilige Vertikal- bzw. Horizontalachse zugeführt werden. Über eine Leitung 43
ist der Ausgang des Vergleichers mit dem Motor 14 für die 'Ver stellung in Richtung
der Vertikalachse verbunden. Eine Leitung 44 verbindet den Ausgang des Vergleiches
32 mit dem Motor 15 zur Verstellung einer Bewegung in der Horizontal-Achse. Ferner
sind die Motoren 14 und 15 über Leitungen 45
bzw. 46 mit der Einrichtung
33 verbunden, wodurch zusätzlich eine Bewegung in Horizontal- bzw. Vertikalachse
um eine vorgegebene Strecke und für eine bestimmte Zeitdauer erzielbar ist.
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Der Schweißvorgang einschließlich Temperaturwerterfassung und Verarbeitung
läuft folgendermaßen ab: 1. Manuelles In-S tartposition-B ringen des Schweißkopfes
CSo ll-Lage) 2. Schweißparameter eingeben {z.B. über Lochstreifen oder manuell an
der Stromquelle 21) und Steuereinrichtung 29 aktivieren. Ferner Daten der zu 50
schweißenden Schweißfuge, beispielsweise in Form eines Lochstreifens in eine numerische
Steuerung für die Koordinatenführungsmaschine des Schweißkopfes eingeben.
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3. Start der Schweißung 4. Nach kurzer Schweißdauer Erfassung und
Speicherung (elektronisch) der Bezugstemperatur im Sollwertgeber 30 als Sollwert.
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5. Über eine horizontale Zustellung des Schweißkopfes über die Vorrichtung
33 (diese Zustellung ist ihrer Größe und der Zeit nach fixierbar) wird der anstehende
Temperaturistwert ermittelt und nach Umformung tm Istwertgeber 38 über Leitung 42
dem Vergleicher 32 zugeführt. Bei einer Differenzwertermittlung wird diese Differenz
über die Leitung 44 dem Motor 15 zugeführt und entsprechend die horizontale Position
korrigiert. Danach erfolgt derselbe Zyklus in der vertikalen Achse, wobei dann die
Zustellung über die Vorrichtung 33 in Richtung der vertikalen Achse 17 erfolgt.
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Über Mikroprozessorschaltungen in dem Vergleicher 32 sowie
der
Vorrichtung 33 können Entscheidungskriterien vorprogrammiert werden, mittels deren,
falls notwendig, auch ein mehrmaliges Zustellen in einer der Achsen, Meßwerterfassung
und Korrektur ermöglicht werden.
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Ausgehend von der Startposition erkennt ein nach den Schritten 1 bis
5 arbeitendes System Abweichungen der Schweißfuge gegenüber dem Schweißbrenner und
der Brennerelektrode mit eindeutiger Zuordnung. Dabei kann es bei Schweißbeginn
vorteilhaft sein, wenn kurzzeitig mit erhöhtem Schweißstrom und entsprechend zugeordneten
Schweißparametern gearbeitet wird, um den Temperaturanstieg im Schweißdraht auf
den durch die Schweißparameter für das nachfolgende Schweißen bedingten festen Bezugswert
in möglichst kürzester Zeit zu erreichen, wobei während dieser Anlaufphase die Vertikal-
und Horizontal-Verstelleinrichtungen inaktiv bleiben.
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Bevorzugt sind der Schweißkopf und die Kontaktdüse 23 zwangsgekühlt.
Durch diese Zwangskühlung wird der Schweißkopf und die Kontaktdüse temperaturkonstant
gehalten, und zwar in einem der Temperaturmeßwertaufnahme und -verarbeitung angepaßten
Bereich, unabhängig von der Temperatur der den Schweißkopf umgebenden Atmosphäre
und unabhängig von der durch den Schweißprozeß auftretenden Strahlungswärme.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, daß bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Wärmeleitung im Schweißdraht, sei es durch Abschmelzen desselben oder
durch Strahlung des Lichtbogens aufgrund der ständig nachgeschobenen Drahtelektrode
keine Meßwertbeeinflussung hervorruft.