DE3223530C2 - Vorrichtung zum Auftragsschweißen eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwirklichung eines neuen Verfahrens zum Aufschmelzen von Materialien auf Werkstücke beliebiger Form und Abmessungen, insbesondere auf Bauteile der Brennstoff- und Kernelemente von Kernreaktoren, sowie die Vorrichtung zur Durchführung desselben. Das Verfahren gestattet es, vollständig selbsttätig die Aufträge nach einem bestimmten Programm in Abhängigkeit von der Geometrie des Stückes, der Art des Grundmaterials und der Stärke des Auftragsmaterials durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftragsschweißen eines Werkstücks beliebiger Form und Abmessung mit einer Schweißbrennergruppe, die auf einem längs wenigstens zweier zueinander orthogonaler Richtungen verschiebbaren Schlitten angeordnet ist und mit einer Zufuhreinrichtung für das Auftragsmaterial sowie einem um zwei Achsen drehbaren Spannfutter für das Werkstück, auf welchem der Auftrag anzubringen ist

Ein solches Auftragsschweißen ist beispielsweise bekannt ausTechn. Mitt Krupp Forschungsberichte 1971, Band 29, und zwar insbesondere für den Kernreaktorbau. Zwar ist dort zum Auftragsschweißen eines Stutzens der Schweißautomat längs verschiebbar auf einem Automatenträger angeordnet, wobei der Stutzen an einer rohrförmigen drehbaren Aufnahmevorrichtung gehalten ist. Die Steuerung des Schweißautomaten erfolgt über ein Schablonenblech und eine entsprechende Abtastvorrichtung. Eine solche Vorrichtung eignet sich nicht dazu, Auftragsschweißen in schwierigen Situationen, beispielsweise an radioaktiven Teilen, durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher Werkstücke vollautomatisch durch Auftragsschweißen mit einer Material-Schicht versehen werden können, wobei die Überwachung und Steuerung von einer entfernten Stelle aus erfolgen kann.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art der Schlitten mit dem Schweißbrenner in Vertikal-, Längssowie Querrichtung verschiebbar ist, das Spannfutter um zwei orthogonale Achsen drehbar ist, die Einrichtung zur Zufuhr des Auftragsmaterials zu dem Werkstück aus einem Gleichstrommotor mit Untersetzungsgetriebe und einer Reihe von in Abhängigkeit vom Aiiftragsmaterial in ihre Lage einstellbaren Führungsrollcn besteht und eine Einrichtung zur Programmierung, Speicherung und Steuerung der Bewegungen von Schweißbrenner und Werkstückträger sowie der Schweißparameter vorgesehen ist.

Es können bis zu fünf Bewegungen programmiert, gespeichert und für einen Arbeitsvorgang abgerufen werden. Bei diesen Bewegungen handelt es sich zum einen um Bewegungen des mit einem Schweißbrenner versehenen Schlittens längs dreier orthogonaler Achsen oder um Bewegungen des Werkstückträgers und damit

b5 des Werkstücks um zwei ortohogonale Achsen.

Die Bewegungen können unabhängig voneinander einprogrammiert und entsprechend abgerufen werden, so daß eine große Anzahl von Bewegungskombinalio-

ncn möglich ist Die Vorrichtung erhält eine so große Beweglichkeit, daß alle denkbaren Bearbeitungen möglich werden. Da die Bewegungen programmiert und eingespeichert werden, sind die Arbeitsvorgänge jeder/eil reproduzierbar. Es ist von besonderem Vorteil, daß keine direkte Handhabung und Überwachung der Maschine erfolgen muß, sondern daß diese Tätigkeiten über die Fernsteuerung vorgenommen werden, so daß auch radioaktive Teile ohne Gefährdung des Betriebspersonals bearbeitet werden können. Hierzu konnte eine Maßnahme, wie sie beispielsweise aus CH-PS 3 79 888 bekannt ist, keine Anregung geben, wo bei einem Auftragsschweißen von Hartmetall nur die Art der Ausbildung und Anordnung der Schweißraupen angegeben ist. Das Werkstück wird dort auf einer Drehbank eingespannt. Es ist möglich, das Programm abhängig von der Geometrie des Werkstücks, der Art des Auftragsmaterials, der Art des Grundmaterials und der geforderten Stärke des aufgetragenen Materials abzuwickeln. Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich anv^nden sowohl auf beispielsweise das TIG (Tungsteninertgas), das Plasma- oder das Mikroplasmaverfahren sowie deren Abwandlungen. In der Anwendung können Materialien wie Stellit, Inconel etc. in Form von Drähten oder Stäben auf zylindrischen, hohlen, ebenen Materialien oder auf Werkstücken vieleckiger Geometrie aus Eisen- oder Nichteisenmaterialien verwendet werden. Durch die Materialabscheidung wird die Abrieb- und Korrosionsfestigkeit der Werkstücke erheblich erhöht, insbesondere bei Bauteilen auf dem Gebiet des Maschinenbaus, der Chemie oder bei flugzeugtechnischen oder atomtechnischen Anwendungen.

Eine typische Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Ausführung von Hartwerkstoffaufträgcn. z. B. Stellit, auf Baukomponenten der Brennstoff- und Kernelemente von schnellen Kernreaktoren mit Natriumkühlung sowie auf einigen Teilen des Reaktors selbst.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet man beispielsweise wie folgt:

1. unabhängige Programmierung der fünf folgenden Bewegungen: Vertikal-, Horizontal- und Orthogonalverschiebung des Schweißbrenners und des Auftragmaterials; Drehung des zu beschichtenden Körpers um die Horizontal- und die Vertikalachse;

2. Kombination von zwei oder mehreren der möglichen 5 Bewegungen, beispielsweise Horizontaldrehung des Werkstückes und Orthogonalverschiebung des Schweißbrenners und des Auftragmaterials, Vertikaldrehung des Werkstückes und Orthogonalverschiebung des Schweißbrenners und des Auftragmaterials usw. nach einem einzigen Programm;

3. Programmierung des gesamten Auftragzyklus, zum Beispiel Vorerwärmung, Auftrag der ersten Schicht, Auftrag weiterer Schichten bis zur geforderten Stärke, Abkühlen bis auf die geforderte Temperatur;

4. Zufuhr des Auftragmaterials mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit, wie sie in das Programm gemäß Stufe 2. eingegeben ist;

5. Verbindung mit Registrierung der Parameter des Auftragens (Geschwindigkeit, Schweißstrom, Lichtbogenspannung., gegenseitige Lage des Schweißbrenners und des Werkstückes);

6. Speicherung der Lage- und Schweißdaten, die es gestattet, von der Reichen Lage bzw. von einer bezüglich der Zone, in welcher ein Unfall stattgefunden hat, vorbestimmten Lage neuerlich auszugehen.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, die in den Zeichnungsfiguren 1,2,3 und 4 dargestellt ist. Die F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße selbstätige und programmierte Materialauftragevorrichtung in perspektivischer Ansicht. In dieser Figur ist der Schweißbrenner (Type TIG oder Plasma oder Mikroplasma) bzw. eine beliebige Wärmequelle mit 1 bezeichnet, der bzw. die es gestattet, das Auftragmaterial 2 und das Grundmaterial 4 (Körper auf dem der Auftrag erfolgt) zu schmelzen.

Die Bezugsziffer 3 bezeichnet den dreidimensionalen Schlitten (der die drei Schlitten 17 der Fig.4 umfaßt), welcher es gestattet, den Schweißbrenner 1 und das Auftragmateria! 2 gemäß drei orthogonalen Achsen (Vertikalverschiebung 6, Horizontalverschiebung 7 und Orthogonalverschiebung 8) zu verschieben.

Mit 5 ist das Spannfutter bezeichnet, das die Drehung des Körpers 4 um eine waagerechte Achse 10 und/oder um eine lotrechte Achse 9 bezüglich der Ebene des Schlitten 3 gestattet

In Fig.2A ist ein Blockschema wiedergegeben, das eine Einrichtung betrifft, um die Vertikal-, Horizontal-, und Orthogonalverschiebung des fest mit dem Schweißbrenner verbundenen Schlittens herbeizuführen. Der über den Regler 12 gespeiste Gleichstrom- bzw. Permanentmagnet-Motor 11 betätigt den Schlitten 17 mittels der Untersetzungsgetriebe 15 und 16 über die, durch die Vorrichtung 13 gesteuerte elektromagnetische Kupplung 14. Die Vorrichtung 13 dient zur Vorwahl der niedrigen (15) und hohen (16) Verschiebegeschwindigkeit.

Die elektromagnetische Kupplung 14 gertattet es, die günstigste Schweißgeschwindigkeit bzw. Annäherungsgeschwindigkeit des Auftragmaterials an die Zone, in wehher der Auftrag erfolgt, zu erzielen.

Die F i g. 2B zeigt die Mittel zur Steuerung der Drehung des Spannfutters 5 um die waagerecht und/oder die lotrechte Achse.

Der über den Regler 19 gespeiste und gesteuerte Gleichstrommotor 18 betätigt über das Untersetzungsgetriebe 20 das Spannfutter 5.

Die F i g. 2C zeigt ein Blockschema, das die Zufuhr des Auftragmaterials betrifft.

Der über den Regler 22 gesteuerte Gleichstrommotor 21 betätigt über das Untersetzungsgetriebe 23 die Rollenbahn 24.

In Pi g. 3 ist ein Blockschema dargestellt, welches die Programmierung, die Einstellung und die Speicherung des Materialauftragverfahrens nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

In dieser F i g. 3 bezeichnen die Bezugsziffern 25, 26 und 27 die Speiseregler der linearen Verschiebungswandler bezüglich der Verschiebeachsen des Schlittens, 28 bezeichnet den Speiseregler des Kreiswandlers des Spannfutters, 29 bezeichnet den Speiseregler d;r Auftragsmaterialzufuhrvorrichtung und mit 30 ist ein beliebiger Schweißstromgenerator (für TIG-, Plasma-, Mikroplasmaschweißung usw.) bezeichnet.

Die genannten Mittel (die verschiedenen Bewegungen und der Generator) werden mittels einer digitalen elektronischen Einrichtung 31 programmiert, die auch die Speicherung jeder beliebiger Kombination der genannten Miitel gestattet.
Diese digitale elektronische Einrichtung umfaßt einen

Gegenkopplungskreis, der die Wiederholbarkeit des eingestellten Programmes gewährleistet.

Die Vorrichtung gestattet die Einstellung der Verschiebungen und Drehungen mittels des Moduls 35 der X, Kund Z Achsen des Schlittens und der Spannfutterdrehung; mittels des Moduls 36 lassen sich die linearen und die Winkelgeschwindigkeit der drei Achsen des Schlittens bzw. des Spannfutters und die Vorschubgeschwindigkeiten des Auftragmaterials einstellen; mittels des Moduls 37 lassen sich die Geschwindigkeitsänderungen sowohl des Schlittens, als auch des Spannfutters und des Auftragmaterial-(Draht)-Vorschubes einstellen, die seitens des eingegebenen Programmes gefordert werden.

Der Modul 32 gestattet die Einstellung der Schweißparameter (zum Beispiel Anfangsstrom, Nennstrom, modulierter Strom, Endstrom). Der Modul 33 gestattet es, den Abstand zwischen Schweißbrenner und dem Werkstück während der Durchführung des Austrages konstant zu halten.

Der Modul 34 gestattet die Einstellung des Schweißzyklus. Der Modul 38 gestattet die Kombination der Verschiebungen, der Drehungen, der Geschwindigkeiten, der Geschwindigkeitsänderungen, der Schweißparameter und des Schweißzyklus in Abhängigkeit vom Auftragmaterial und vom Werkstück, auf dem der Auftrr.g zu erfolgen hat Dieses Auftragprogramm (38) wird im Modul 31 gespeichert, der die Durchführung der eingestellten Arbeitsgänge steuert und gewährleistet.

Eine perspektivische Gesamtansicht einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt.

Die Bezugsziffer 1 bezeichnet den Schweißbrenner, 2 das Auftragmaterial, 3 den dreidimensionalen Schlitten (der die drei Schlitten 17 umfaßt) und 4 den Körper, auf dem der Auftrag ausgeführt wird.

5 bezeichnet das Spannfutter, 6, 7 und 8 bezeichnen die Vertikal- bzw. die Horizontal-, bzw. die Orthogonalverschiebungsrichtungen des dreidimensionalen Schlittens und des Auftragmaterials. Mit 9 und 10 sind die Vertikal-, bzw. die Horizontalachsen bezeichnet, um die sich der Körper 4 drehen kann. Mit 11 ist der elektrische Gleichstrom- bzw. Permanentmagnet-Motor bezeichnet, der über den Regler 12 gespeist und gesteuert wird.

Mit 39 ist der Träger der verschiedenen Einrichtungen und mit 40 der Schrank bezeichnet, welcher alle Programmier-, Einstell- und Kontrolleinrichtungen enthält. Die Vorrichtung 13 steuert die elektromagnetische Kupplung 14.

Mit 15 und 16 jind die Untersetzungsgetriebe für niedere bzw. hohe Geschwindigkeit bezeichnet, mit 17 der Schlitten, mit 18 der Elektromotor welcher das Spannfutter antreibt, der durch den Regler 19 über das Untersetzungsgetriebe 20 gespeist und gesteuert wird; mit 21 ist der Elektromotor bezeichnet, der durch den Regler 22 gesteuert, über das Untersetzungsgetriebe 23 die Rollenbahn 24 antreibt.

Mit 25, 26, 27 sind die Speiseregler der linearen Wandler der Verschiebungen längs der Verschiebeachsen des Schlittens bezeichnet, mit 28 ist der Speiseregler des Kreiswandlers des Spannfutters bezeichnet, 29 ist der Speiseregler der Auftragmaterialzufuhrvorrichtung. 30 bezeichnet einen beliebigen Schweißstromgenerator (TIG usw.l 31 die digitale elektronische Einrichtung. Mit 32 ist der Modul bezeichnet, der die Einstellung der Schweißparameter gestattet, mit 33 der Modul, der die Konstanhaltung des Abstandes Schweißbrenner-Werkstück gestattet, mit 34 der Modul, der die Einstellung des Schweißzyklus gestattet. Mittels der Moduls 35,36, 37, 38 werden die Verschiebungen und Drehungen bezüglich der Achsen X, Y, Z des Schlittens, die Drehung des Spannfutters und sämtliche bereits unter Bezugnahme auf das Blockschema der F i g. 3 beschriebenen Operationen eingestellt.

Es sei nun angenommen, daß auf einem zylindrischen Körper 4 ein gleichförmiger Materialauftrag 2 mit einer genau vorgegebenen Stärke ausgeführt werden soll.

to Während in diesem Fall der Körper 4 um die beiden erwähnten orthogonalen Achsen in Drehung versetzt wird, wird der Schweißbrenner 1 mit dem am Schlitten 3 angebrachten Auftragmaterial 2 in der Nähe der Körperoberfläche angeordnet. Der Schlitten kann für eine vorbestimmte, genau definierte Zeit stehen bleiben, um den Auftrag der gewünschten ersten Materialschicht am Körper 4 zu gestatten. Durch Kombination der Drehbewegung des Körpers 4 und der Verschiebung des Schweißbrenners 1 wird der Niederschlag der ersten Auftragmaterialschicht erreicht.

Soll die Stärke des Auftragmaterials vergrößert werden, dann wird der Schlitten in Richtung der Vertikalachse 6 verschoben. Zur Durchführung eines Materialauftrages auf einem anderen Ringbereich des Körpers 4 bezüglich demjenigen, der vorher beschichtet wurde, werden der Schlitten 3 mit dem Schweißbrenner 1 und dem A' '/tragmaterial 2 in Richtung der Achse 9 verschoben. Sofern dies zufolge der Gestalt bzw. Oberfläche des Körpers 4 notwendig ist, kann der Schlitten mit dem Schweißbrenner im Sinn der Achse 8 verschoben werden. Die erwähnten Bewegungsn brauchen nicht notwendigerweise in der beschriebenen Aufeinanderfolge durchgeführt werden, da zum Beispiel der Körper 4 allein um seine eigene Längsachse rotieren kann, während der Schlitten 3 die erwähnten Bewegungen ausführt Alle genannten Bewegungen werden unter dem Antrieb der Motoren 11, 18, 21 mit den zugehörigen Organen ausgeführt

Nachdem versuchsweise die günstigste Art und Weise der Ausführung des Materialauftrages auf dem Körper 4 festgelegt wurde, ist die in F i g. 3 gezeigte Schaltung, nachdem in ihr sämtliche Bewegungen der beweglichen Organe gespeichert wurden, in der Lage, selbsttätig die Wiederholung aller Bewegungen zu steuern, die zur einwandfreien Auftragbeschichtung des Körpers 4 notwendig sind, sofern dessen Abmessungen und Form gleich denjenigen des Körpers sind, der versuchsweise in der günstigsten Weise beschichtet wurde.

Die in den Fig. 1—4 schematisch dargestellte Vorrichtung ist in der Lage, den gesamten Auftragz>idus zu programmieren, das heißt sämtliche Parameter in den Phasen der Vorwärmung, des Auftrages einer ersten Materialschicht des Auftrages weiterer Schichten, der Abkühlung usw. zu kontrollieren.

Die Vorrichtung ist ferner mit einer Schweißprogrammiereinrichtung versehen, die es ermöglicht, das Auftragmaterial sowohl mit Gleichstrom als auch mit pulsierendem Strom, je nach dem verwendeten Schweißgenerator, zu schmelzen.

Ferner ist die Anlage mit logischen Schaltungen und mit Sicherheitsvorrichtungen und Anzeige etwaiger Störungen versehen.

Die Winkelgeschwindigkeit des Spannfutters ist in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des Werkstückes veränderlich, auf dem der Auftrag durchgeführt wird, so daß keinerlei Eingriffe von Hand erforderlich sind, um die gleiche Auftragegeschwindigkeit oder eine unterschiedliche (programmierte) Geschwindigkeit zu haben.

in Abhängigkeit von dem auszuführenden Auftrag.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann radioaktive Materialien bearbeiten, nachdem sämtliche Arbeitsgänge fernsteuerbar sind. Sie wird in der Tat mit Erfolg innerhalb von Warmzellen beispielsweise angewandt, um ReDaraturen an Komponenten von Brennstoff- oder Kcrrn^ementen oder an Komponenten eines Kernreaktores auszuführen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufträgsschweißen eines Werkstücks beliebiger Form und Abmessung mit einer Schweißbrennergruppe, die auf einem längs wenigstens zwei zueinander orthogonaler Richtungen verschiebbaren Schlitten angeordnet ist und mit einer Zufuhreinrichtung für das Auftragsmaterial sowie einem um zwei Achsen drehbaren Spannfutter für das Werkstück, auf welchem der Auftrag anzubringen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (3) mit dem Schweißbrenner (1) in Vertikal-, Längs- sowie Querrichtung verschiebbar ist, daß das Spannfutter (5) um zwei orthogonale Achsen drehbar ist, daß die Einrichtung zur Zufuhr des Auftragsmaterials (2) zu dem Werkstück (4) aus einem Gleichstrommotor mit Untersetzungsgetriebe und einer Reihe von in Abhängigkeit vom Auftragsmaterial in ihrer Lage einstellbaren Führungsroüen besteht und daß eine Einrichtung zur Programmierung, Speicherung und Steuerung der Bewegungen von Schweißbrenner (1) und Werkstückträger (5) sowie der Schweißparametsr vorgesehen ist

2. Vorrichtung zum selbsttätigen und programmierten Materialauftrag durch Aufschmelzen des Materials auf Werkstücke beliebiger Form und Abmessungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Programmierung, Kombination und Speicherung der Vertikal-, Horizontal- sowie Orthogonalverschiebungen des Schweißbrenners, die Drehung des Spannfutters um zwei orthogonale Achsen, die Zufahr des Auftragsmaterials während des Auftragsschweibens und Niederschlags auf dem Grundmaterial vermittels Speisereglern für Wandler linearer Verschiebungen und Drehungen sowie über eine digitate elektronische Einrichtung, Modulen zur Einstellung der Verschiebungsgeschwindigkeiten und der Schweißparameter sowie einen Gegenkopplungskreis, der die Wiederholbarkeit des eingestellten Programms gewährleistet erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Vertikal-, Horizontal- und Orthogonalverschiebungen des Schweißbrenners für jede dieser Verschiebungen aus einem Gleichstrommotor mit Untersetzungsgetriebe bestehen, der mittels einer elektromagnetischen Kupplung mit Organen zur Verwandlung der Drehbewegung des Motors in eine Verschiebebewegung des Schlittens verbunden ist, wobei die Kupplung und der Motor seitens der Programmsteuereinrichtung gesteuert werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Drehung des Spannfutters um die orthogonalen Achsen aus einem durch die Programmsteuereinrichtung gesteuerten Gleichstrommotor bestehen, der über ein Untersetzungsgetriebe mit der Spannfutterwelle verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Programmsteuerung in der Reihenfolge:
Vorerwärmung des Werkstücks; Auftrag einer ersten Materialschicht; Auftrag weiterer Materialschichten und Abkühlung.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Warmzel-

len vorgesehen sind, in denen eine Aktivierung der zu bearbeitenden Werkstücke erfolgt

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kupplung (14) zwischen Gleichstrommotor (11) und Untersetzungsgetriebe (15; 16) bzw. Schlitten (17), wobei diese Kupplung über eine eigene Regeleinrichtung (13) steuerbar ist

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen über Regler (22) gesteuerten Gleichstrommotor (21), der über das Untersetzungsgetriebe (23) die Rollenbahn (24) für den Auftragsmaterialvorschub steuert