DE3010422A1

DE3010422A1 - Verfahren fuer die brennerfuehrung mechanisierter schweissanlagen

Info

Publication number: DE3010422A1
Application number: DE19803010422
Authority: DE
Inventors: Erwin Cloos; Peter Dr.-Ing. Hirsch; Johannes Dipl.-Ing. 5100 Aachen Platz; M. Ing.(grad.) 6342 Haiger Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-19
Filing date: 1980-03-19
Publication date: 1981-09-24
Also published as: FR2478508A1; SE456972B; NL8101214A; SE8101660L; FR2478508B1; DE3010422C2

Description

6300 Lahn-Gies8en 1 , 17. 3.198(

Dipl.-Ing. Richard Schlee -3- Bi»marcketraeee 43

_ , , . ,, , Telefon: (0641) 71019

Dipl.-Ing. Arne M is sling

Mi/V 13.900

Prof. Dr.-Ing. Friedrich Eichhorn Fichthang 2, 5100 Aachen

Verfahren für die Brennerführung mechanisierter Schweißanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung von Schweißköpfen von Schweißbrennern mechanisierter Schweißanlagen, bei denen der Schweißkopf senkrecht zur Schweißnaht während des Schweißens sich über die Schweißnahtbreite erstreckende Querbewegungen ausführt und in der Höhe relativ zur Schweißnaht verstellbar ist, wobei zur Höhen- und Seitenabtastung der Istwert des Schweißstromes bzw. -spannung jeweils mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und in Abhängigkeit der ermittelten Differenz der Schweißbrenner entsprechend in der Höhe bzw. relativ zur Schweißnaht verschoben wird.

In der schweißtechnischen Fertigung tritt häufig der Fall ein, daß eine vorbereitete Fuge für die Verbindung zweier Bauteile aufgrund besonderer geometrischer Voraus-Setzungen durch das Anschweißen einer Vielzahl von parallelen Strichraupen nicht optimal mit Schweißgut gefüllt werden kann. Es ist bei Anwendung eines Lichtbogenschweißverfahrens mit einer abschmelzenden

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Drahtelektrode auf sehr breite Fugen daher sinnvoll, den Brenner quer zur Schweißrichtung von Flanke zu Flanke zu bewegen und dabei den Transport in Schweißrichtung schrittweise oder auch kontinuierlich erfolgen zu lassen.

Es wäre wünschenswert, bei der Ausübung des Verfahrens den Brenner automatisch so zu führen, daß die eingebrachte Schweißgutlage Abweichungen vom geradlinigen Fugenverlauf und Fugenvorbereitungstoleranzen angepaßt ist. Das erfordert sowohl eine Kontrolle des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück als auch eine selbsttätige Richtungsumsteuerung der Brenner-Querbewegung, wozu das automatische Auffinden der Fugenflanken notwendig ist.

So wird in des Patentanmeldung P 2 611 377.9 ein System beschrieben, das es erlaubt, eine Führung des Brenners in konstantem Abstand zum Werkstück durchzuführen, indem die Schweißstromstärke mit einem vorzugebenden, konstanten Stromwert verglichen wird und bei Abweichungen vom Sollwert der Brenner automatisch solange in vertikaler Richtung verfahren wird, bis sich der vorgegebene Schweißstromwert wieder einstellt. Das Meßprinzip beruht darauf, daß durch Abstandsänderung zwischen Kontaktröhrchen des Brenners und Werkstück eine Arbeitspunktverschiebung im Stromkreis Quelle-Lichtbogen stattfindet, die zu einer Veränderung der Lichtbogenlänge und des freien Drahtendes .führt und eine bleibende Stromänderung mit sich bringt.

Es hat sich in der Praxis aber gezeigt, daß der Schweißstromverlauf durch Tropfenablösungen und Lichtbogenbewegungen häufig sehr unruhig ist, was bei der Auswertung der Arbeitspunktbewegungen zu Störungen führen kann.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Störungen soweit auszuschalten, daß neben einer einwandfreien Höhensteuerung des Brenners ein sicheres Erkennen der Fugenflanken erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Höhenabtastung und die Erfassung der Fugenflanke zeitlich voneinander getrennt erfolgen, daß im Nahtmittenbereich ausschließlich die Höhenerfassung und Korrektur erfolgt und daß im Fugenflankenbereich die Höhenpositionierung des Schweißbrenners konstant gehalten wird und ein vorgegebenes Maß der Soll-Istwert-Abweichung des Schweißstromes bzw. -spannung zur Richtungsumsteuerung des Schweißbrenners benutzt wird.

Der Bereich, in dem ausschließlich die Höhenabtastung und -korrektur des Schweißbrenners erfolgt, wird so gewählt, daß diese durch die Flanken nicht beeinflußt werden. Im Bereich der Flanken hingegen wird die zuletzt eingestellte Höhe des Schweißbrenners relativ zur Schweißnaht beibehalten, so daß eine Schweißstrom- bzw. -spannungsänderung ausschließlich durch Annäherung des Schweißbrenners an die Fugenflanke bewirkt wird.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Schweißanlage in an sich bekannter Weise in der Impulslichtbogentechnik betrieben, wobei die Erfassung der Istwerte des Schweißstromes sowohl im Nahtmitten- als auch im Fugenflankenbereich in der Grundstromphase erfolgt, die frei von Tropfenübergängen und Turbulenzen ist. Der Vorteil besteht darin, daß in der Grundstromphase die Schweißstrommessung bei günstigem Signalstörabstand

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erfolgen kann. Tropfenübergänge finden ausschließlich in der Pulsstromphase statt, für die die Strommessung unterbrochen wird. Hierbei muß die Schweißstrompulsfolge mit dem periodischen Meßablauf zur Höhensteuerung ** des Brenners synchronisiert sein. Im unterschied zu dem in der DE-OS 2 611 377.9 beschriebenen Verfahren wird kein kontinuierlicher, sondern ein periodisch wiederholter Soll-Istwert-Vergleich durchgeführt.

Die der Erfindung zugrunde liegende automatische Rich- ^ tungsumsteuerung der Brenner-Querbewegung wird durch Fig.l erläutert. Darin liegt die Koordinate χ quer zur Längsrichtung des Fugenverlaufs, die Koordinate y steht senkrecht dazu in vertikaler Richtung und ζ liegt in Hauptschweißrichtung. Bei Erreichen der Punkte χ = a und χ = b muß die Umsteuerung des Brenners 1 erfolgen. Im Bereich χ <; χ -«se X₁ arbeitet die Höhensteuerung in beschriebener

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Weise, überschreitet der Brenner 1, ausgehend von x=0, bei seiner Querbewegung den Punkt x., wird der periodische Höhenmeßablauf gestoppt und die y-Position des Brenners 1 beibehalten. Eine hier neu einsetzende periodische Strommessung dient der Erkennung der Fugenflanke am Werkstück 2: ein ständiger Vergleich des Ergebnisses der aktuellen Messung (Integral des Stromes über einen bestimmten Zeitabschnitt) mit einem ebenfalls vorzugebenden

" Sollwert liefert das Signal zum Umsteuern, da am Punkt χ = a eine wie oben bereits erläuterte Arbeitspunktbewedurch LichtbogenVerkürzung stattfindet. Die Erkennung

der Fugenflanke kann im Bereich x> x, auch dadurch erfolgen, daß der Schweißstrom bzw. -spannung nach Mittelwertbildung kontinuierlich differenziert wird und bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes die Umsteuerung des Brenners ausgelöst wird.

Es ist vorgesehen, den Brenner 1 am Umkehrpunkt für eine einstellbare Zeitspanne anzuhalten, um einen genügenden Einbrand an der Fugenflanke zu gewährleisten.

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Zu Beginn des Brennerrücklaufs (in negativer x-Richtung) wird die Höhensteuerung wieder eingeschaltet. Der bei Erreichen der Punkte χ = x„ bzw. χ = b einsetzende Meßablauf erfolgt analog zu dem der Gegenseite.

Der Abstand A=/a -X₁Z = Zb-X₃/ ist konstant; die Vorgabe der Werte X₁ und x₂ erfolgt durch eine Steuer-Elektronik, die in Fig. 2 schematisch dargestellt wird. Darin ist 3 eine Energiequelle, die den Lichtbogenprozeß (Brenner 1 mit konstant vorgeschobenem Draht, Werkstück 2) speist. De:. Schweißstrom wird an einem Meßshunt abgegriffen und der zentralen Steuer-Elektronik 5 zugeführt. Ein Impuls-Generator 6 gibt seine Signale an die Quelle 3 und die Steuer-Elektronik 5 ab und erzeugt auf diese Weise den synchronisierten Impulslichtbogenprozeß.

Mit den Potentiometern 7 und 8 werden die Sollstromwerte für die Höhensteuerung und die Richtungsumsteuerung vorgegeben. Der von der Zentral-Elektronik 5 angesteuerte Motor 9 bewegt den Brenner 1 in Querrichtung, während eine Positionsrückmeldung der x-Koordinate Über den Positionsgeber 10 erfolgt. Der Motor 11, ebenfalls von der Zentral-Elektronik angesteuert, hält den Abstand zwischen Brenner 1 und Werkstück 2 konstant.

Das oben beschriebene Verfahren arbeitet zuverlässig, solange ein gewisser Mindestabstand m (in Fig. 3) zwischen letzter Schweißgutlage und Werkstückoberseite nicht unterschritten ist. Ein solches Mindestmaß ist notwendig (1 bis 2 mm), damit eine sichere Flankenerkennung durch den Lichtbogen möglich bleibt. Dieser Umstand verhindert jedoch den Einsatz der automatischen Brennerführung beim Schweißen der Decklage nach bekannter Methode.

Die Praxis zeigt, daß selbst bei sehr ungenauer Nahtvorbereitung (d.h. große Toleranzen im Flankenöffnungswinkel

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und ggf. im Stegabstand bei Y-Fugen) vom Verlauf des Randes der letzten Lage (Punkt c in Fig. 4) auf den Verlauf der Blechkante (Punkt k in Fig. 4) geschlossen werden darf, da bei genügend kleinem Maß m¹ die Linien durch alle Punkte c und k in z-Richtung ausreichend parallel sind (vgl. Fig. 4).

Erfindungsgemäß wird diese Tatsache ausgenutzt, um auch beim Schweißen der Decklage mit automatischer Brennerführung arbeiten zu können. Dazu werden die x-Koordinaten c bzw. d (siehe Fig. 3) zum Zeitpunkt der Bewegungsumsteuerung des Brenners sukzessive in einen elektronischen Speicher bekannter Art eingelesen, während in der Fuge die letzte Lage (L in Fig. 3) bei ausreichendem Maß m abgeschweißt wird. Das Aufnehmen der x-Koordinaten erfolgt über den Positionsgeber 10 und die Abspeicherung durch einen entsprechenden Zusatz in der Zentral-Elektronik 5 (Fig. 2). Nach Beendigung der Schweißung wird der Brenner exakt an seinen Startpunkt (z„) zurückgeführt; dort beginnt die Decklagenschweißung unter Ausnutzung der abgespeicherten Koordinaten.

Hierbei fährt der Brenner wie vorher quer über den Nahtverlauf, während die abgespeicherten Daten in ursprünglicher Reihenfolge wieder abgerufen und nach Weiterverarbeitung zur Umsteuerung des Brenners an den Punkten e bzw. f (Fig. 3) herangezogen werden. Die Puntke e bzw. f ergeben sich folgendermaßen:

e = c + g ■·

f = d - q mit q > 0/q = const.

Die Größe q ist der Zentral-Elektronik 5 (Fig. 2) vorzu-ο geben.

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Darüberhinaus ist die Anwendung der Abspeicherung von Koordinaten in ähnlicher Weise auch auf ein anderes Prinzip der Schweißkopfführung durchführbar.

In der Patentanmeldung P 2 645 788.5 wird ein Verfahren beschrieben, nach dem bei periodisch gependeltem Schweißkopf der gesamte Schweißstrom in den beiden Umkehrpunkten der Pendelbewegung gemessen wird und durch Vergleich miteinander der Schweißkopf auf bekannte Weise in Fugenmitte geführt wird.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, in V- oder Y-Fugen sowie Kehlnähten Strichraupen mit selbsttätiger Brennerführung zu schweißen. Als Voraussetzung gilt dabei, daß der Lichtbogen während der Pendelbewegung beide Nahtflanken erreichen kann, was bei einer Fuge an dickeren Tierkstücken gemäß Fig. 5 über eine gewisse Anzahl von Lagen hinaus nicht mehr zutrifft. Dann ist das Verfahren der genannten Patentanmeldung nicht mehr anwendbar.

Erfindungsgemäß werden die x-Koordinaten (d.h. die Position des Brenners relativ zur Fugenmitte) in oben beschriebener Weise in einen Speicher eingelesen, und zwar an diskreten Stellen ζ (mit ζ ... = Z +ΔΖ) während

η n+i η

der Abschweißung der Wurzel oder einer höheren Lage, wobei der Schweißkopf auf bekannte Weise in Fugenmitte geführt wird.

Hierauf wird der Brenner exakt an seinen Startpunkt (z,) zurückgeführt und beginnt die Abschweißung: einer weiteren Raupe (R in Fig. 5), indem die gespeicherten Daten sukzessive abgerufen werden und nach Addition einer konstanten, von Hand vorzugebenden Größe ν (Seitenversatz) zur Schweißkopfführung herangezogen werden. Eine Pendelbewegung

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des Brenners ist hierbei möglich, ist aber für die Brennerführung nicht erforderlich. Auf diese Weise läßt sich die Schweißkopfführung bei der Strichraupenschweissung sämtlicher weiterer Füllagen verwirklichen, wenn jeweils ein entsprechender Wert ν vorgegeben wird.

Das Schweißen der letzten Lage der Schweißnaht kann dann problematisch werden, wenn die Fuge bereits fast vollständig durch die vorhergehende Schweißnaht ausgefüllt ist. Um auch bei Nichterkennung der Fugenflanke ein überschießen des Schweißbrenners mit Sicherheit zu vermeiden, wird der Schweißbrenner bei überschreiten eines vorgegebenen Betrages (q) zwangsweise umgesteuert.

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Claims

Ansprüche:

f 1.!Verfahren zur Führung von Schweißköpfen von Schweißbrennern mechanisierter Schweißanlagen, bei denen der SchweiBkopf senkrecht zur Schweißnaht während des Schweißens sich über die Schweißnahtbreite erstrekkende Querbewegungen ausführt und in der Höhe relativ zur Schweißnaht verstellbar ist, wobei zur Höhen- und Seitenabtastung der Istwert des Schweißstromes bzw. -spannung jeweils mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und in Abhängigkeit der ermittelten Differenz der Schweißbrenner entsprechend in der Höhe bzw. relativ zur Schweißnaht verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenabtastung und die Erfassung der Fugenflanke zeitlich voneinander getrennt erfolgen, daß im Nahtmittenbereich ausschließlich die Höhenerfassung und Korrektur erfolgt und daß im Fugenflankenbereich die Höhenpositionierung des Schweißbrenners konstant gehalten wird und ein vorgegebenes Maß der Soll-Istwert-Abweichung des Schweißstromes bzw. -spannung zur Richtungsumsteuerung des Schweißbrenners benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner im Bewegungsumkehrpunkt für einen vorbestimmten Zeitraum festgehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Schweißanlage in an sich bekannter Weise in der Impulslichtbogentechnik betrieben wird und daß die Erfassung des Schweißstrom- bzw. -spannungs-Istwertes in der Grundstromphase erfolgt.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umsteuerung des Schweißkopfes entweder periodisch das Integral des Ist-Stromes bzw. der Ist-Spannung in einem vorgegebenen Zeitabschnitt erfaßt wird oder der Mittelwert des Ist-Stromes bzw. der Ist-Spannung nach der Zeit differenziert wird und daß jeweils dieser Wert mit einem vorgegebenen Soll-Wert verglichen wird.

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5. Verfahren zur Schweißung der Decklage einer mehrlagigen Schweißnaht nach einem der Ansprüche 1 bis 3/ dadurch gekennzeichnet, daß die Randkoordinaten der vorhergehenden Schweißlage bei der Schweißbrennerumsteuerung erfaßt und gespeichert werden, daß die

₁,_ Breite der Querbewegung des Schweißbrenners bei der Aufbringung der Decklage um einen vorbestimmten Betrag (q) größer ist als die jeweilige Schweißnahtbreite der vorhergehenden Schweißlage.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner bei überschreiten des vorgegebenen Betrages (q) zwangsweise umgesteuert wird.

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