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Verfahren und Anordnung zum automatischen Auftragsschweißen Anwendungsgebiet
der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Auftrageschweißen,
welches unabhängig vom örtlichen Verschleißgrad eines Werkstückes einen Materialauftrag
bis zu einer vorgewählten Schichtdicke gestattet sowie eine Anordnung zur Aus-Übung
des Verfahrens.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bekannt ist ein
automatisiertes Auftrageschwbißen, bei dem nach einem festen Programm Material auf
das verschlissene Werkstück aufgetragen wird. Die Schweißparameter und die Bewegungen
des Schweißkopf es sind dabei fest vorgegeben, Diese Lösung hat den Nachteil, daß
Bauteiltoleranzen, die bei verschlissenen Werkstücken selbstverständlich sind, nicht
erfaßt werden, Zur Gewährleistung einer vorgegebenen Werkstück dimension muß damit
mehr Meter-lal aufgetragen werden, als unbedingt notwendig ist. Dieser Vorgang ist
zweifach unökonomisch, zum einen werden übermäßige Energie und Zusatzwerkstoffe
beim Auftragsschweißen verbraucht und zm anderen vergrößert sich der Nacharbeitsaufwand.
Aus dem Gebiet der Robotertechnik sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die
vor dem Schweißprozeß die Werkstückgeometrie mit einem Suchprogramm abtasten, (TEACH
IN) um danach die Brennerbewegungen zu berechnen (DE-OS 28 47 169). Wegen der großen
Verschleißunterschiede der einzelnen Bauteile ist bei jedem Teil ein TEACH IN notwendig.
Damit ist der Prozeß insgesamt sehr langsam, Trotz des beträchtlichen Technikeinsatzes,
der hierfür notwendig ist,können keine optimalen Parameter bei Mehr- und Viellagenschweißungen
berechnet werden, Eine Meßwert erfassung während des Schweißprozesses erlaubt die
Sensortechnik. Zur Erfassung der Werkstückgeometrie sind eine Vielzahl von Sensoren
bekannt, die taktil, induktiv, akustisch oder optisch die Oberfläche abtasten. Auf
Grund der extremen thermischen Belastungen, insbesondere bei Mehrlagenschweißungen
sind diejenigen Sensorsysteme ungeeignet, die die Werkstück oberfläche berühren
oder in einem kleinen Abstand abtasten.
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Das ist bei taktilen, akustischen und induktiven Sensoren der Fall.
Optische Sensoren zur Erkennung der Geometrie der Bauteile sind durch einen großen
Steuerungsaufwand gekennzeichnet. Bekannt sind einfache optische Empfängersysteme,
die die Lage des Lichtbogens bezüglich des Werkstückes erkennen (DE-
OS
20 so 182). Diese Empfänger werden dem Schweißbrenner vorangeführt und sind auf
den Lichtbogen gerichtet. Eine änderung der Bewegungsrichtung erfordert eine Schwenkbewegung
um die Schweißbrennerhauptachse. Dies setzt eine aufwendige Mechanik am Schweißbrenner
voraus.
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Ohne zusätzliche mechanische Baugruppen am Schweißbrenner arbeiten
Sensoren, die die elektrischen Größen des Schweißprozesses für Abstendsoteuerungen
ausnutzen. Bekannt sind Lösungen für die Brennerhöhensteuerung . die den Schweißstrom
überwachen (DE-OS 2 754 661). Damit sind diese Steuerungen zugeschnitten auf bestimmte
Schweißverfahren. Die Prozeßregelung erfolgt bei beiden Varianten derart, daß ein
fest vorgegebener Arbeitspunkt angestrebt wird. Dies läßt sich nur realisieren,
wenn die Schweißprozesse eine relative Stabilitat besitzen, z. B, beim WIG oder
Mischgesschweißen, und die Gerätetechnik eine konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit
und stabile Schweißspannung/Stromstär!s garantieren0 Bei CO2-oder UP-Auftrageschweißungen
können diese Forderungen nicht erfüllt werden.
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Durch die DE-AS 2 703 113 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem durch
Messung der Schweißspannung die Naht höhe erfaßt wird, damit der Schweißstrom oder
die Schweißgeschwindigkeit derart gesteuert werden, daß ein Durchbrennen der Naht
vermieden wird.
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Bekannt sind darüberhinaus Lösungen, bei welchen die Schweißparameter
Schweißspannung und Schweißstrom gemessen und zur Regelung des Schweißprozesses
herangezogen werden. Diese Lösungen gewährleisten konstante Schweißbedingungen durch
Kompensation von Netzspannungsschwankungen und thermisch bedingte Unstabilitäten0
Ziel der Erfindung Es ist Ziel der Erfindung, das Auftragsschweißen auf verschlissene
Bauteile
mit automatischen Schweißeinrichtungen derart zu ermöglichen, daß unabhängig vom
angewendeten Lichtbogenschweißverfahren, unabhängig vom jeweiligen Verschleiß~ grad
und unabhängig von der erforderlichen Lagenzahl mit einfachen technischen Mitteln
eine optimale Materialauftragung erfolgt.
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Das Wesen der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
und eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Anordnung zu entwickeln, die die
momentanen Schweißparameter während des Auftragsschweißens derart in Abhängigkeit
des partiellen Verschleißzustawldes des Werkstückes einstellt, daß eine Schweißgutoberfläche
gebildet wird, welche frei von Oberhöhungen ist, während alle verechlissenen Bereiche
homogen aufgefüllt sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem der Schweißbrenner
parallel zur geforderten Werketückoberfläche geführt und die Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißbrenners durch ein Signal gesteuert wird, das der Differenz der Sollhöhe
der Auftragsschweißung und dem erreichten momentanen Wert entspricht, Das Signal
wird aus dem Lichtbogen gewonnen, wobei die Einstellwerte für Schweißstrom und Schweißspannung
während des Schweißens einer Lage nach ihrer Einstellung auf Konstanz nachgeregelt
werden und der momentane Arbeitspunkt durch gleichzeitige Strom/Spannungsmessung
erfaßt wird.
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Die gegensinnigen Veränderungen von Schweißstrom und Schweißspannung
und damit die Abweichung von der vorgegebenen Arbeitsgeraden werden dabei durch
Quotienten- oder Differenzbildung ausgewertet, wonach eine Absolutwertkorrektur
erfolgt.
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Damit steht ein vorzeichenbehaftetes analoges Nutzsignal zur Verfügung,
das als Maß der erreichten Auftragehöhe entspricht
und zur Steuerung
der Vorschubgeschwindigksit des Schweißbrenners in Schweißrichtung verwendet wird.
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Die getrennte elektronische Aufbereitung der Eingangseignale, verbunden
mit fest vorgegebenen Korrekturen, sichert die Prozeßregelung auf natürlichen linearen
Kennlinien der Struktur: Us = U0 + A # I Damit paßt sich das System den allgemeinen
Schweißbedingungen an. Parameterschwankungena von der Gerätetechnik verursacht,
werden im Prozeß durch Anderung des Abstandes ausgeglichen.
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Die Erfassung der Lage des Arbeitspunkt es im Vergleich zur Sollgerade
erlaubt die Auswertung sehr kleiner Abstandeänderungen auch bei relativ instabilen
Schweißprozessen. Dies so gebildete Steuersignal besitzt einen stochastischen Charakter
als Folge vom stochastischen Prozeß des Brenners des Lichtbogens und der Bewegungen
der Schmelzbadoberfläche. Es dient direkt zur Ansteuerung einer elektronischen Verstelleinrichtung.
Der Bewegungemechanismus führt damit ebenfalls stochastische Korrekturbewegungen
in Schweißrichtung aus. Die resultierende Bewegung dieser Korrekturen bildet die
mittlere Schweißgeshwindigkeit. Dadurch wird gewährleistet, daß nur so viel Material
aufgetragen wird, bis die Sollhöhe erreicht ist0 Beim Unterschreiten der geforderten
Badhöhe fährt der Schweißbrenner entsprechend einen kleinen Betrag zurück, um dann
nach der notwendigen Auf füllzeit so weit in Haupt schweißrichtung voranzuführen,
bis die nächste Unterschreitung registriert wird.
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Das System zur Brennerbewegung besitzt Wegmeßeinrichtungen.
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Bef Erreichen einer vorgegebenen Position/Koordinate wird eine Schaltfunktion
ausgelöst0 die den Schweißbrenner um einen festen Betrag senkrecht zur Schweißrichtung
in horizontale/ vertikale Richtung vershiebt und die Seneorausgungssignale umpolt.
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Zur Ausübung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen,
die durch folgende technische Mittel gekennzeichnet ist: Ober einen im Schweißstromkreis
angeordneten Meßshunt sind zwei Integratoren angeordnet, welche eine unterschiedliche
Integrationszeit besitzen. Dem mit einer kleinen Integrationszeit wirkenden Integrator
ist ein Komparator nachgeschaltet, der auf einen im Spannungsmeßzweig einem HF-Filter
mit nachgeschaltetem Integrator und Differenzbildner folgenden Schalter wirkt, wobei
der Spanuungsteiler an einem Eingang eines folgenden Summationsverstärkers dder
Quotientenbildners anliegt, während der zweite Eingang dieses Schaltgliedes durch
den Ausgang eines dem Integrator mit der größeren integrationszeit nachgeschalteten
Verstärker belegt ist, Der Ausgang des Summetionsverstärkers oder Quotientenbildners
ist über ein Richtungsumschaltglied mit einer Lageregelung verbunden, der der Antriebsmotor
für die Brennervorschubbewegung nach*" schaltet ist. Ein auf die Positioniersteuerung
des automatischen Auftragsschweißgerätes wirkendes und von der Richtungsumechaltung
und einem Wegmeßsystem angesteuertes Wegmeßsystem dient der automatischen Unterbrechung
und lagerichtigen Umkehr des Brennervorschubes.
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Durch diese Anordnung tritt folgende Funktion der Auftragsschweißvorrichtung
ein: Das Werkstück bildet die elektrische Masse des Sceißstromkreises, Zwischen
dem Minuspol der Stromquelle und dem Werkstück ist ein Meßshunt angeordnet. Hier
wird das Meßsignal für den fließenden Schweißstrom abgegriffen. An der Stromkontaktdüse
wird die momentane Schweißspannung gemessen, Das Spannungssignal wird zum Schutz
der Elektronik gefiltert, mit einer der mittleren Stabilität des Schweißprozesses
angepaßten Integrationszeit gemittelt und um einen festen Spannungebetrag Uo reduziert.
Das Fließen des Schweißstromes
wird durch einen Komparator überwacht.
Zur Gewährleistung einer eindeutigen Funktionsweise des Komparators ist es not wendig,
das Stromsignal mit einer relativ kleinen Integrationszeit zu glätten. Der Komparatorausgang
schaltet das Spannungssignal über einen Spannungeteiler auf einen Eingang des Summationsverstärkers
bzw. Quotientenbildners. Am zweiten Eingang liegt das integrierte und verstärkte
Stromsignal an.
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Aus diesen beiden Eingangsgrößen wird die Verschiebung des rbeitspunktes
erfaßt und die Abweichung des Istwertes von der Sollgrenden ausgegeben. Der Ausgang
ist über eine Umpoleinrichtung mit einer Lageregelung verbunden. die entsprechend
dem Vorzeichen und der Absolutgröße des Ausgangssignals den Verstellmotor für die
Brennerbewegungr in Schweißrichtung ansteuert. Die von den mechanischen Baugruppen
ausgeführten Bewagungen werden gemessen. Bei Erreichen der vorgegebenen Endposition
wird ein Signal ausgelöst, welches der Positioniersteuerung zugeführt wird zur Verschiebung
des Brenners in vertikaler oder horizontaler Richtung um einen fest vorgegebenden
Betrag und das Ausgangesignal des Abstandesensore umoplt. Die Schweißparameter,
Schweißspannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit t werden fest vorgegeben und während
der Schweißung einer Lage nicht verändert.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungebeispiel
naher erläutert werden. Die dazugehörende Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der
Anordnung zur Ausübung des Verfahrens zum autometischen Auftrageschweißen.
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Im Stromkreis wird zwischen dem Minuspol der Stromquelle i9 und dem
Werkstück 18 der Meßshunt 21 angeordnet, welcher ein dem Schweißstrom Is proportionales
Spannungssignal oi das zwischen O und +60 mV beträgt, abgibt. Das Werkstück
bzw.
der werkstückseitige Abgriff des Meßshunts 21 bildet die zentrale Masse des elektronischen
Steuerungesysteme. Das negative Meßsignal -is wird mit Hilfe zweier Integratoren
1,2 gemittelt. Diese, wie auch die anderen Signalverarbeitungen im Komparator 3,
Verstärker 10, Differenzbildnar 6 usw. werden mit Hilfe der Analogtechnik, d.h.
mit Hilfe bekannter Standardschaltungen der Elektronik mit Operationsverstärkern
realisiert.
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Der Integrator 1 überwacht in Verbindung mit dem Komparator 3 das
Fließen des Schweißstkons Is, Zur Vermeidung von Fehlschaltungen wird eine Integratjnszeit
von 25 me eingestellt.
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Das Ausgangssignal des Komparators 3 betätigt ein Relais 7, welches
die bereits vor dem Schweißprozeß anliegende Spannung den weiterverarbeitenden Baugruppen
zuschaltet. Gwa Integrator 2 ermittelt einen Schweißstrommeßwert mit einer Zeitkonstante
von 250 ms. Dieses mittlere Schweißstromsignal -I8 wird im Vorverstärker 10 verstärkt,
Die Schweißspannung +Us wird zwischen der Stromlcontaktdüse 20 und dem Werkstück
18 bzw dem Massepunkt des Meßshunts 21 gemessen. Die Signalaufbereitung der Schweißspannung
+U5 erfolgt mit Hilfe eines Hochfrequenzfilters 4, eines Integrators 5 mit einer
Zeitkonstante von 250 ms und einem Differenzbildner 6. Durch den Einsatz einer Z-Diodenschaltung
wird vom gebildeten Spannungemittelwert U 5 die Z-Spannung UO subtrahiert. Für das
COs-Schweißverfahren wird diese Spannung UO w 14 V gewählt. Der nachgeschaltete
Spannungsteiler 8 erzeugt einen dynamischen Sollwert entsprechend der linearisierten
Prozeßgleichung für dsp CO2-Schweißen
wobei außer der Neigung der Kennlinie, die durch die Widerstandekonstante A S 0,05
bestimmt ist, der Widerstand des Meßshunts 21 und die Verstärkung des Vorverstärkere
10 zu berücksichtigen sind. Diese Sollwert beziehung wird vorgegeben
oder
durch Versuchsschweißung bestimmt. Für diese zweite Variante benutzt man vorteilhaft
ein Potentiometer als Spannungsteiler 8. Der dynamische Sollwert wird mit dem verstärksten
mittleren Schweißstrom Ia verglichen, d. h. einem elektrischen Summierer 9 zugeführt
und die Differenz verstärke:
Dieses Steuersignal S besitzt die Struktur einer vorzeichenbehaftetn Gleichepannung
mit einem schweißprozeßabhängigen stochastischen Anteil kleiner Frequenz. Dieses
Steuersignal 5 wird direkt der Lageregelung 11 zugeführt, die als 4-uadrantensteller
arbeitet. Der Antriebsmotor 12 führt damit Bewegungen aus, die bezüglich Drehgeschwindigkeit
und Drehrichtung dem Steuereignal S äquivalent sind.
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Die daraus resultierenden Brennerbewegungen werden von einem Wegmeßeyetem
13, gegebenenfalls von einem Endschaltersystem, aufgezeichnet. Die Signale dieses
Wegmeßsystems 13 beim Erreichen einer Werkstückkante veranlassen die Positioniersteuerung
4, vorprogrammierte Wege senkrecht zur Schweißrichtung auszuführen, d. h. den Brenner
seitlich oder in der Höhe zu versetzen. Gleichzeitig wird der Richtungsumschlater
22 aufgerufens Damit erfolgt ein Umpolen des Steuersignales S an der Lageregelung
11. Um eine Rückschaltung zu verhindern, beispielsweise auf Grund der Stockastik
des Steuersignales S, ist die Umpolung für eine bestimmte Zeit, welche von der Schweißnahtlänge
abhängt, zu fixieren. Dies gelingt durch die Ancrdnung einer bekannten Zeitschaltung
im Richtungsumechalter 22. Die Schweißparameter U@ und I@ einer Schweißnaht werden
konetant vorgegeben. Dazu werden bekannte Schweißspannungs programmierungen 16 zur
Ansteuerung der Stromquelle 19 bzw. Drehtvorschubprogrammierungen l5 zur Ansteuerung
des Antriebsmotors 17 für den Drahtvorschub eingesetzt.
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Aufstellung der verwendeten Bezugazeichen 1 Integrator (kleine Integrationszeit)
2 Integrator (größere Integrationszeit) 3 Komparator 4 HF-Filter 5 Integrator 6
Differenzbildner 7 Schalter 8 Spannungsteiler 9 Summationsverstärker/uotientenbildner
10 Vorverstärker 11 Lageregelung 12 Antriebsmotor (Schweißbrennervorschub) 13 Wegmeßsystem
14 Positioniersteuerung 15 Drahtvorschubprogrammierung 16 Schweißspannungsprogrammierung
17 Antriebsmotor Drahtvorschub 18 Werkstück 19 Stromquelle 20 Stromdüse 21 Meßshunt
22 Richtungsumechalter Ue Grundspannung Us Schweißspannung U8 mittlere Schweißspannung
Schweißstrom mittlerer Schweißstrom i Schweißstromsignal -s is mittleres Schweißstromsignal
A Widerstandekonstante n Teilfaktor m Verstärkungsfaktor S Steuerunyssignal