DE3010422C2

DE3010422C2 - Verfahren für die Brennerführung mechanisierter Lichtbogen-Schweißanlagen

Info

Publication number: DE3010422C2
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: 1982-09-02
Also published as: FR2478508A1; DE3010422A1; SE456972B; NL8101214A; SE8101660L; FR2478508B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung von Lichtbogen-Schweißköpfen mechanisierter Schweißanlagen, bei denen der Schweißkopf während des Schweißens sich über die Schweißnahtbreite erstrekkende Querbewegungen ausführt und in der Höhe relativ zur Schweißnaht einstellbar ist, wobei zur Höhenabtastung der Istwert des Schweißstromes oder der Schweißspannung mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und der Schweißbrenner in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz in der Höhe verschoben wird.

In der schweißtechnischen Fertigung tritt häufig der Fall ein, daß eine vorbereitete Fuge für die Verbindung zweier Bauteile aufgrund besonderer geometrischer Voraussetzungen durch das Abschweißen einer Vielzahl von parallen Strichraupen nicht optimal mit Schweißgut gefüllt werden kann. Es ist bei Anwendung eines Lichtbogenschweißverfahrens mit einer abschmelzenden 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, die eingebrachte Schweißgutlage Abweichungen vom geradlinigen Fugenverlauf und Fugenvorbereitungstoleranzen angepaßt ist. Das erfordert sowohl eine ίο 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 der DE-OS 2611 377 ein System beschrieben, das es erlaubt, eine Führung des Brenners in konstantem Abstand zum Werkstück durchzuführen, indem die Schweißstromstärke mit einem vorzugebenden, konstanten Strornwert verglichen wird und bei Abweichungen vom Sollwert der Brenner automatisch so lange 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

jo Schweißstromverlauf durch Tropfenablösungen und Lichtbogenbewegungen häufig sehr unruhig ist, was bei der Auswertung der Arbeitspunktbewegungen zu

Störungen führen kann. ,

Aus der DE-OS 26 45 788 ist ein Verfahren zur

J5 Führung des Schweißbrenners bekannt, bei dem die Höhenabtastung und die Erfassung der Fugenflanke zeitlich voneinander getrennt erfolgt. Allerdings arbeitet dieses Verfahren mit einer fest eingestellten Pendelamplitude, wobei aus dem Vergleich der Stromwerte an einander gegenüberliegenden Umkehrpunkten die Seitenführung des Brenners errechnet wird.

Des weiteren ist es aus der DE-OS 20 10 192 bekannt, die Pendelbewegung eines Schweißbrenners dadurch zu steuern, daß mit diesem verbundene Taster die Fugenflanken abtasten und bei Erfassen derselben die Umkehrbewegung des Pendelvorgangs einleiten. Diese Art der Abtastung hat den Nachteil, daß die Fuge in einer gewissen Entfernung vor dem Schweißbrenner abgetastet werden muß, was entweder zu Ungenauigkeiten führt oder aber eine Gedächtnisschaltung zur Speicherung der Werte erforderlich macht.

Aus der US-PS 41 58 124 ist ein Verfahren für die Steuerung des Schweißkopfes von Schweißbrennern bekannt, bei dem zur Bestimmung des Umkehrpunktes der Pendelbewegung der Schweißstrom von der vorhergehenden Umkehrbewegung an integriert und bei Erreichen eines bestimmten vorgegebenen Maximalwertes zur Umsteuerung benutzt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine Fugenflankenerkennung hierdurch nicht zu erreichen ist und dieses Verfahren nur für im wesentlichen geradlinig verlaufende Fugen eingesetzt werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß überdies eine Höhenregulierung bei diesem Verfahren nicht vorge-

M nommen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spezielles Verfahren für die Erfassung der Fugenflanke und für die Signalauswertung vorzuschlagen, das ein

sicheres Erkennen der Fugenflanken gewährleistet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Fugenflankenbereich die Höhenposition des Schweißbrenners konstant gehalten wird und daß zur Bestimmung des Zeitpunktes der Umsteuerung des Schweißkopfes der Mittelwert des Ist-Stromes bzw. der Ist-Spannung nach der Zeit differenziert wird, wobei dieser Wert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird.

Der Bereich, in dem ausschließlich die Höhenaötastung und -korrektur des Schweißbrenners erfolgt, wird so gewähk, üaß 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 einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Schweißanlage in an sich bekannter Weise in der Impulslichtbogentechnik betrieben, wobei die Erfassung der Ist-Werte 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 Grundstrom phase die Schweißstrommessung bei günstigem Signalstörabstand 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 der.i in der DE-OS 26 11 377 beschriebenen Verfahren wird kein kontinuierlicher, sondern ein periodisch wiederholter Soll-Istwert-Vergleich durchgeführt.

Die der Erfindung zugrunde liegende automatische Richtungsumsteuerung der Brenner-Querbewegung wird durch F i g. 1 erläutert. Darin liegt die Koordinate χ quer zur Längsrichtung des Fugenverlaufs, die Koordinate y steht rechtwinklig dazu in vertikaler Richtung und ζ liegt in Hauptschweißrichtung. Bei Erreichen der Punkte x=a und x=ö muß die Umsteuerung des Brenners 1 erfolgen. Im Bereich X2<x<X\ arbeitet die Höhensteuerung in beschriebener Weise. Überschreitet der Brenner 1, ausgehend von Af=O, bei seiner Querbewegung den Punkt xu 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 x=a eine wie oben bereits erläuterte Arbeitspunklbewegung durch Lichtbogenverkürzung stattfindet. Die Erkennung der Fugenflanke kann im Bereich x> x\ auch dadurch erfolgen, daß der Schweißstrom bzw. die Schweißspannung 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.

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

Der Abstand A = \a — xi| = |Z>—xj| ist konstant; die Vorgabe der Werte X\ und xj rfolgt durch eine Steuer-Elektronik, die in Fi g. 2 schematisch dargestellt wird. Darin ist 3 eine Energiequelle, die den Lichtbogenprozeß (Brenner 1 mit konstant vorgeschobenem Draht, Werkstück 2) speist. Der Schweißstrom wird an einem

in Meßshunt 4 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 de; Zentral-Elektronik 5 angesteuerte Motor 9 bewegt den Brenner 1 in Querrichtung, während eine Positionsrückmeldung der Α-Koordinate über den Positionsgeber 10 erfolgt. Der Motor 11, ebenfalls von der Zentral-Elektronik angesteuert, hält den Absland zwischen Brenner 1 und Werkstück 2 konstant.

Das oben beschriebene Verfahren arbeitet zuverlässig, solange ein gewisser Mindestabstand m (in Fi g. 3)

2> 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 automati-

!<> sehen Brennerführung beim Schweißen der Decklage nach bekannter Methode.

Die Praxis zeigt, daß selbst bei sehr ungenauer Nahtvorbereitung (d. h. große Toleranzen im Flankenöffnungswinkel und ggf. im Stegabstand bei V-Fugen)

υ 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 m'd\e Linien durch alle Punkte cund k in ^-Richtung ausreichend parallel sind (vgl. F i g. 4).

-ίο 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 ^-Koordinaten erfolgt über den Positionsgeber 10 und die Speicherung durch einen entsprechenden Zusatz in der Zentral-Elektronik 5 (Fig. 2). Nach Beendigung der Schweißung wird der Brenner exakt an seinen Startpunkt (zq) zurückgeführt; dort beginnt die Decklagenschweißung unter Ausnutzung der gespeicherten Koordinaten.

is Hierbei fährt der Brenner wie vorher quer über den Nahtverlauf, während die gespeicherten Daten in ursprünglicher Reihenfolge wieder abgerufen und nach Weiterverarbeitung zur Umsteuerung des Brenners an den Punkten e bzw. /"(Fig. 3) herangezogen werden.

bo Die Punkte ebzw. /ergeben sich folgendermaßen:

e = c+q

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

to Die Größe q ist der Zentral-Elektronik 5 (Fig. 2) vorzugeben.

Darüber hinaus ist die Speicherung von Koordinaten in ähnlicher Weise auch auf ein anderes Prinzip der

Schweißkopf führung durchführbar.

In der DE-OS 26 45 788 wird ein Verfahren beschrieben, nach dem bei periodisch gependeltem Schweißkopf der gesamte Schweißstrom in den beiden Umkehrpunkten der Pendelbewegung gemessen wird ■> und durch Vergleich mit einander der Schweißkopf auf bekannte Weise in Fugenmitte geführt wird.

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

ErfindungsgemäS werden die Λ-Koordinaien (d. h. die Position des Brenners relativ zur Fugenmitte) in oben beschriebener Weise in einen Speicher eingelesen, und zwar an diskreten Stellen Z_n (mit z„+i-Z„+AZ) während 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 (zu) 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 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. Urn auch bei Nichterkennung der Fugenflanke ein Überschießen des Schweißbrenners mit Sicherheit zu vermeiden, wird der Schweißbrenner bei Überschreiten eines vorgegebenen Betrages (q) zwangsweise umgesteuert.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Führung von Lichtbogen-Schweißköpfen mechanisierter Schweißanlagen, bei denen der Schweißkopf während des Schweißens sich über die Schweißnahtbreite erstreckende Querbewegungen ausführt und in der Höhe relativ zur Schweißnaht einstellbar ist, wobei zur Höhenabtastung der Istwert des Schweißstromes oder der Schweißspannung mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und der Schweißbrenner in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz in der Höhe verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Fugenflankenbereich die Höhenposition des Schweißbrenners konstant gehalten wird und daß zur Bestimmung des Zeitpunktes der Umsteuerung des Schweißkopfes der Mittelwert des Ist-Stromes bzw. der Ist-Spannung nach der Zeit differenziert wird, wobei dieser Wert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen 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 gekennzeichnet, daß die Schweißanlage in an sich bekannter Weise in der Impulslichtbogentechnik betrieben wird und daß die Erfassung des Schweißstrom- bzw. -spannungs-lstwertes in der Grundstromphase erfolgt.

4. 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 und daß die Breite der Querbewegung des Schweißbrenners bei der Aufbringung der Decklage um einen vorbestimmten Betrag (q) größer ist als die jeweilige Schweißnahtbreite der vorhergehenden Schweißlage.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner bei Überschreiten des vorgegebenen Betrages (q) zwangsweise umgesteuert wird.