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Schweiß- oder thermische Trennvorrichtung
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mit geräuschabhängiger Prozeßregelung Die Erfindung betrifft eine
Schweiß- oder Trennvorrichtung Init einem Schallaufnehmer zur Aufnahme des Geräusches
und einer Steuervorrichtung, in der aus dem gewonnenen Geräuschsignal charakteristische
Größen gebildet werden, die untereinander und/ oder mit vorgegebenen Grenzwerten
verglichen werden, wobei, abhängig von den Vergleichen, Qualitäts- oder Alarmsignale
ausgegeben werden und/oder Sollwerte von Prozeßparametern erzeugt werden, und diese
für die nächsten Schweißvorgänge der Prozeßstellvorrichtung zugeführt werden.
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Es ist bekannt, im Zusammenhang mit Bolzenschweißungen, das Schweiß
geräusch jeweils eines Schweißvorganges in verschiedenen Frequenzbereichen zu integrieren
und die gewonnenen Werte telativ und absolut zu prüfen und aufgrund der Vergleiche
ein Alarmsignal anzugeben oder die Schweißenergiezufuhr bei einem folgenden Schweißvorgang
zu verändern.
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Bei diesem bekannten Prozeß des Bolzenschweißens wird das Schweißgeräusch
entscheidend durch die Oberflächen der zu verbindenden Teile (Bolzen und Blech)
bestimmt. Der Ablauf des Prozesses selbst, der durch den zeitlichen Druck- und Stromverlauf
in der Schweißstelle bestimmt ist, hat nur geringeren Einfluß auf die Art und Intensität
des Geräusches. Eine unmittelbare Regelung des Prozeßablaufes ist, wegen des sprunghaften
diskontinuierlichen Verlaufs des Bolzenschweißvorganges sowie wegen der im allgemeinen
kurzen Prozeßzeit, kaum möglich.
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Es ist weiterhin bekannt, kontinuierliche oder quasikontinuierliche
Schweißprozesse durch Auswertung des mit einem Lichtsensor gegewonnenen Strahlungssignales
der Schweiß- oder Trennstelle oder ggf. des elektrischen Meßsignales der Schweißspannung
oder des Schweißstromes zu regeln. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß einerseits
die Lichtsensoren relativ schnell durch Schweißdämpfe, die Metalldämpfe und -oxide
enthalten, verdunkelt werden und die elektrischen Signale, soweit sie vorhanden
sind, über die Prozesse im Schweißbad und die Geometrie der Schweißnaht, z. B. Grat-
und Schlackebildung, wenig oder keine Informationen liefern.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu
deren Betrieb zu offenbaren, mit denen kontinuierliche und quasikontinuierliche
Schweiß- oder Schneidprozesse fortlaufend geregelt werden können, wobei eine Beeinträchtigung
durch Schweißdämpfe nicht auftritt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß während eines Schweiß-oder
Schneidvorganges fortlaufend periodisch, vorzugsweise synchronisiert, zu insbesondere
periodischen Änderungen der Pwzeßsignale aus dem Geräuschsignal die charakteristischen
Größen, ggf. abhängig
von den periodischen Änderungen, jeweils
gebildet werden, und dementsprechende Vergleiche durchgeführt und dementsprechende
Qualitäts- oder Alarrn- und/oder Sollwerte erzeugt und Stellgliedern bzw. ggf. über
Prozeßregler den Prozeßstelleinrichtungen laufend zugeführt werden.
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Die Geräusche setzen sich, abhängig vom Schweiß- oder Schneidverfahren,
jeweils aus einer Anzahl von Komponenten zusammen, die durch die Geometrie der Schweißnaht
oder Trennfuge, der Schweißzone, der Schweißflamme oder des Lichtbogens und die
dynamischen Prozesse in den Gasen und ggf. Hilfsstoffen und dem Schweißbad sowie
die physikalische und chemische Interaktion zwischen diesen, bestimmt sind.
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Vorteilhaft werden die gewonnenen Geräuschsignale spektral analysiert,
und die einzelnen Spektren einer Merkrnalsanalyse unterzogen, wodurch Merkmalssätze
als verdichtete Informationen aus den Spektren entstehen.
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Durch Vergleich von Merkmalssätzen, die unter variierten Bedingungen
ermittelt werden, werden jeweils die sensitiven und invarianten Merkmale bestimmt
und ein Maß für deren Abhängigkeit sowie Grenzwerte für deren Größe, bestimmt.
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Die Signale der sensitiven Merkmale lassen sich somit jeweils zusammenfassen
und zur Regelung der abhängigen Prozeßgröße verwenden. Vorteilhaft wird die Erkenntnis
genutzt, daß die wichtigsten sensitiven Geräuschkomponenten im allgemeinen im oberen
Schall- und Ultraschallbereich liegen, in dem zu deren Erfassung sehr kleine Aufnehmer
und Schalleitungen enger Querschnitte verwendet werden. Eine Ortung der Schallquellen
ist wegen der kurzen Wellenlänge der hohen Frequenzen in der Schweißstelle möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist es, mehrere Schallaufnehmer um
die Schweißstelle zu positionieren und deren Signale oder vorzugsweise deren Spektren
oder Merkmalssätze zu überlagern oder zu differenzieren, so daß spezifische Informationen
gewonnen werden wie z. 13. seitliche Lage der Flamme zur Fuge, Neigung der Flamme
zur Schweißnaht, Gratbildung an der Schweißnaht, Riefenbildung im Schweißspalt.
Die Überlagerung oder Korrelation der Spektren oder der Merkinalssätze hat gegenüber
einer Überlagerung der Signale den Vorteil, daß sich die unterschiedliche Laufzeit
von Schallereignissen auf dem Weg zu den verschiedenen Schallaufnehmern nicht auswirkt,
jedoch die Dämpfungsverhältnisse gemäß der unterschiedlichen Entfernung und Abschirmung
durch den Schweiß- oder Trennkopf zur Wirkung kommen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist die Anordnung eines oder
eines weiteren Schallaufnehrners in oder mit Verbindung zum Inneren der Schweißpistole
oder des Schneidrohres. Die Auswertung des davon gewonnenen Signals, ggf. in Korrelation
zu den Signalen der äußeren Schallaufnehmer, gestattet weiterhin die Erhöhung der
Selektivität und Sensivität der Merkmale, da die Schallereignisse der Lage der Schallquellen
und damit der dort spezifischen Prozesse und Geometrie noch genauer zugeordnet werden
können und weiterhin Schallereignisse, die durch die Gasströmung und insbesondere
durch den Gasaustritt entstehen, bestimmt werden können.
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Um Fehlauswertungen zu vermeiden und unter Umständen die Aussagekraft
der Auswertung der Signale zu steigern, wird diese vorteilhaft abhängig von dem
Prozeßverlauf vorgenommen. So wird z. B., abhängig vom Positionssignal einer Positioniereinrichtung
einer auto -matischen
Schweiß- oder Schneideanlage der Anlauf
oder Auslauf unterschiedlich ausgewertet. Weiterhin sind die Anstellung oder vorgesehene
Pendelbewegungen des Trenn- oder Schweißkopfes gemäß den Positionssignalen zu berücksichtigen.
Die korrespondierend auftretenden Schallsignale, z. B. jeweils in der Mittelstellung
der Pendelbewegung, dienen dann der Überprüfung der Symmetrie, und ebenso kann ein
spiegelbildlicher Vergleich der Signale, die in den seitlichen Extremstellungen
auftreten, zur Prüfung der Symmetrie dienen.
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Weiterhin ermöglicht die getrennte Auswertung der Schallereignisse,
z. B. korreliert zu dem Strom- oder Spannungsverlauf bei einer Elektroschweißanlage,
die getrennte Charakterisierung der Prozesse im Lichtbogen und in der Schmelze,
da bei hohem Strom der Lichtbogen, bedingt durch die Reaktionsabläufe im Lichtbogen,
und bei geringem Strom die Schmelze mit ihrer Schwingung, Blasenbildung und eventuell
chemischen Aktivität verstärkt hervortritt. Diese Prozeßaktivitäten sind weitgehend
getrermt z. B. durch die Energiezufuhr und Elektrodenzufuhr und andererseics den
Vorschub und die Gaszufuhr, ursächlich bestimmt.
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Ein weiteres Problem der Schweißtechnik ist es, daß Aussagen über
die Qualität einer Schweißverbindung nur nachträglich durch indirekte Methoden,
wie Ultraschallanalysen, und indirekt durch Überwachung der Prozeßparameter, gewonnen
werden können. Fehler in der Schweißnaht. z. B. als Folge von Einschlüssen im Werkstück,
fghlerhafter Prozeßführung, z. B. durch Fehlsteuerung der Schweißpistolenlage im
Verhältnis zur für die Schweißnaht vorbeieiteten Fuge, da übelicherweise mangels
einer echten Rückmeldung keine Regelung der SchweißpistoLenlage vorhanden ist, oder
die Wahl ungeeigneter Prozeßparameter, ist nicht auszuschließen. Die fortlaufende
Geräuschüber -wachung und -auswertung und der ständige Vergleich der Geräusche mit
dem bei qualitativ guten Schweißungen entsprechender Art gewonnenen gemittelten
Merkmalssatz und der fortlaufende Vergleich
aufeinanderfolgender
eventuell gemittelter Merkmalssätze während eines Schweißvorganges auf Abweichungen
über bestimmte Toleranzgrenzen oder schnelle Änderungen bietet die Möglichkeit unmittelbar
Störungen beim Fertigen zu erkennen und durch eine Prozeßanpassung ihnen entgegenzuwirken,
so daß entweder ein einwandfreies Produkt entsteht oder ein Abbruch des Vorganges
erfolgt und so ein späteres offenen der Schweißnaht zur Beseitigung von Störstellen
vermieden wird. Die fortlaufende Registrierung der Merkmalssätze oder der Verläufe
der Merkmale oder eine Ausgabe von größeren relativen Änderungen der Merkmale ergibt
urlmittelbar ein aussagekräftiges Qualitätszeugnis.
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In den Ausführungsbeispielen ist gezeigt, daß das Verfahren der geräuschabhängigen
Prozeßsteueruni für verschiedene Schweißprozesse, jeweils an die entsprechend notwendigen
Vorrichtungen angepaßt, eingesetzt werden kann. Dies# :beispiele können jeweils
auch miteinander kombiniert oder auf andere Arten des Schweißens oder Schneidens
übertragen werden. Es ist eine Verwendung mit Schweißautomaten und mit Mandschwlriggeräten
möglich.
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Die Anordnung des Schallaufnehmers in der Nähe der Schweißstelle
ist vorteilhaft" er kann aber auch, im allgemeinen allerdings mit geringerer auflösung
der Merkmale und stärkerer Störung durch Nebengßräusche und Echos, im Abstand von
z. B. einem Meter von der Schweißstelle positioniert werden. Auch kann in einzelnen
Fällen die' Anordnung weiterer Schallaufnehmer, z. B. beim Brennschneiden hunter
dem Werkstück, vorgesehen werden, deren Meßsignale wiederum mit den anderen korreliert
werden und den Gegebenheiten gemäß jeweils bewertet werden. Die Verwendung von Schallaufnehmern
mit enger Richtcharakteristik empfiehlt sich insbesondere bei der Anordnung in größerem
Abstand.
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Die Signalauswertevorrichtung zur Merkmalsextraktion kann universell
und von der Art der Schweißanlage unabhängig aufgebaut werden. Die dargestellte
Ausführung kann allerdings durch unterschiedliche Komponenten und unterschiedliche
Verwirklichung in Hard-und Softwarekomponenten aufgebaut sein. Spezifisch für den
einzelnen Prozeß und die zugehörige Schweißvorrichtung werden auf Grund der jeweiligen
Analyse in Probeläufen die Mittelwerte oder Normwerte der Merkmale und die Zuordnung
der Merkmale zu den Prozeßparametern ermittelt und daraus unter Umständen die Sollwerthestimlnung
für die Regelung der Prozeßparameter vorgenommen. Die Gewinnung der Mittel- und
Norm werte, sowie die Darstellung der Merkmalssensitivität wird automatisch durchgeführt,
wenn die Steuervorrichtung in den entsprechenden Betriebszustand gebracht wird,
indem bei geöffneten Regelkreisen die Betriebsparameter, ausgehend von vorbekannten
optimalen Ausgangsbedingungen, systematisch variiert werden. Weiterhin können Grenzwerte
durch die Geräuschmessung bei Einbringung von Störquellen und Fehlern, wie Schlackenansammlungen,
SeigerungenGrat, Blasen usw. ermittelt und eingespeichert werden. Die Adaption der
universellen Steuervorrichtung an den einzelnen Prozeß ist somit auch dem Nichtfachmann
oder, soweit alle Parameter automatisch steuerbar sind, vollautomatisch möglich.
Nur die Normeinstellung muß vorgegeben werden.
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Für Spezialschweißanlagen, die zur Ausführung von Schweißungen unter
vorbekannten Bedingungen dienen, können die Merkmalsanalysatoren entsprechend speziell
und eventuell vereinfacht aufgebaut werden. Insbesondere wenn nur wenige oder ein
Parameter, z. B.
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die Seitenlage der Schweißpistole zur Fuge oder die Stromstärke, regelbar
ist oder geregelt werden soll, genügt es, das entsprechende Merkmal zu bilden und
auszuwerten. Hierzu werden zweckmäßig einzelne Bandfilter, z. B. digitale Filter,
eingesetzt. Auch lassen
sich die Aufnehmeranordnungen in diesem
Fall einfacher gestalten, da sie im allgemeinen nicht universell breitbandig gestaltet
werden müssen, sondern schmalbandig und damit als Filter wirkend aufgebaut sein
können. Dies vereinfacht folglich auch die Korrelationsbildung, die z. B. durch
Subtraktion oder Verhältnisbildung der Schalldruckint eg rale in den ausgewerteten
Frequenzbereichen mit einfachen elektronischen Schaltungen erfolgt, deren Ausgangssignal
direkt dem Steuersignal als Regelsignal hinzugefügt wird.
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Im folgenden werden, in Verbindung mit den Zeichnungen, Ausführungsbeispiele
und die zugehörigen Signalauswerteverfahren beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine universelle Steuervorrichtung mit Lichtbogen
-Schweißvorricht ung und Versorgungsvorrichtung; Fig. 2 zeigt eine Abbrennstumpfschweißvorrichtung
mit Schallaufnehmern; Fig. 3 zeigt einen Gleichdruckbrenner mit Schallaufnehmern;
Fig. 4 zeigt einen Plasmaschweißkopf mit Schallaufnehmern; Fig. 5 zeigt einen Schneidbrenner
mit Schallaufnehmern; Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Schweißtropfenzahl von der
Schweißst romstärke; Fig. 7 zeigt Strom- und Spannungsverlauf eines Lichtbogenzyklus
und Schallauswertezeiträume; Fig. 8 zeigt Stromverlauf beim Impulsschweißen und
Schallauswertezeiträume; Fig. 9 zeigt Schallspektren beim Brennschneiden; bis 11
Fig. 12 zeigt Auswerteschaltungen; bis 13 Fig. 14 zeigt Elekt roschlackeschweißvo
r richtung; Fig. 15 zeigt Unterpulverschweißvorrichtung.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Versorgungsvorrichtung 1, die durch
die Kontrolisignalleitungen Ski mit einer Steuervorrichtung 2 verbunden ist und
die mit dieser zusammen Teil einer Schweiß- oder Trennvorrichtung verschiedenster
Art ist, wobei eine Lichtbogen-Metall-lnertgasschweißvorrichtung 3 mit automatischer
Positionierung Mx,My,Ma mit ihren verfahrensmäßig wesentlichen Elementen und Wirkzusammenhängen
gezeigt ist.
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Die Versorgungsvolrichtung 1 enthält z. B. Schweißpulver, Sauerstoff
O2 - Aktivgas CO2, Schutzgas Ar, - Heizgas C2H2, Kühlwasser KW - und Stromquellen
Ul für die verschiedenen Verwendungen. Die Gase können einzeln durch steuerbare
Reduzierventile R und steuerbare Ventile V von der Steuervorrichtung 2 über die
Signale auf den Steuerleitungen SR, SV kontrolliert geliefert werden, wobei der
jeweilige Druck durch Druckmelder P der Steuervorrichtung über die Signalleitungen
SP gemeldet wird. Weiterhin wird über ein Ventil gesteuert Kühlwasser KW, z. B.
an Lichtbogenbrenner oder Stromzuführungen geliefert.
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Für Elektroschlaclce-, Unterpulver-, Lichtbogen-, Plasma- oder Abbrennschweißen
ist eine steuerbare Spannungs- oder Stromquelle vorgesehen, die auch eine im Zeitverhalten
steuerbare Impulsstromquelle sein kann. Strom und Spannung werden durch den Spannungs-
bzw.
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Stromabgriff U,l über die Signalleitungen SU, SI der Steuervorrichtung
zugeführt.
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Die Steuervorrichtung 2 ist weiterhin in bekannter Weise über die
Posit ionssignalleitungen SPos mit einer Positioniervorrichtung der SchweiSpistole
3 verbunden, deren Stellmotore und Positionsmelder Mx,My,Ma für die Koordinaten
- x,y und Anstellungsverstellung symbolisch dargestellt sind. Weiterhin ist der
Vorschubantrieb
MZ des Schweißzusatzes Z bzw. der Schweißelektrode
über die Signalleitung SZ steuerbar.
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Die Schweißelektrode Z ist in Schweißstellung in Richtung längs und
quer zur Schweißnaht 5,52, die in eine Nut in das Werkstück 4 eingebracht wird,
dargestellt.
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Die Stromversorgung UI ist an die Elektrode Z und das Werkstück 4
angeschlossen, zwischen denen der Lichtbogen 80 brennt, der von einem Schutzgasmantel
83 umgeben ist, der durch ein sich konisch verjüngendes Rohr der Schweißstelle zugeführt
wird.
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Die Pistole 3 ist von einem Haltering 62 umgeben, der die Schallaufnehmer
M1 bis M4 trägt, die längs und quer zur Schweißnaht angeordnet sind und über rohrförmige
Schalleiter 61 mit auf die Schweißstelle gerichteten Öffnungen den Schall richtungsorientiert
aufnehmen. Die Schallaufnehmer M1 und M3 sind an den Seiten angeordnet, wodurch
von ihnen vorzugsweise die Signale für die Regelung der seitlichen Lage der Elektrode
Z zur Nut bzw. deren Seitenflächen 42a,b gewonnen werden können, wie weiter unten
erläutert wird.
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Auf der Seite der Nut befindet sich weiterhin der Schallaufnehmer
M2 und über der fertigen Schweißnaht 52 der Schallaufnehmer M4 (nicht dargestellt);
somit nimmt ersterer bevorzugt Geräusche auf, die durch die Geometrie der Nut und
die Interaktion des Gasstromes und des Lichtbogens mit dieser bestimmt sind, und
letzterer nimmt bevorzugt Geräusche aus der Schmelze 53 auf, in der, angeregt durch
die flogenenergie eine Wellenbildung und eventuell durch leicht flüchtige Bestandteile
blasenbildung auftritt. Weiterhin erzeugt der Gasstrom an eventuell vorhandenem
Grat ein Geräusch.
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Ist die Schweißstelle nicht vollständig durch Schutzgas abgedeckt
oder wird ein Aktivgas oder Schweißpulver zugeführt, so treten außerdem charakteristische
Reaktionsgeräusche auf. Mit den Signalen der Schallaufnehmer M2,M4 kann somit eine
Regelung des Anstellwinkels, des Gasstromes bzw. der Gasströme und des Abstandes
der Pistole 3 in vorgegebenen Grenzen vorgenommen werden, so daß unzulässige Reaktionen
durch unvollständige Abdeckung des Schweißbades mit Schutzgas vermieden werden,
wobei andererseits aber der Gasstrom so schwach wie möglich gehalten wird, um den
Gasverbrauch gering zu halten. Die Grenzen für die Verstellung des Anstellwinkels
und des Abstandes werden einerseits aus der Beurteilung guter Schweißnähte entsprechender
Breite durch den Fachmann vorgegeben, wobei andererseits berücksichtigt wird, daß
die Gasaustrittsöffnung möglichst nicht oder selten mit Schweißperlen o. ä. verschmutzt.
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Um letzteren Fall zu erkennen, ist im Rohr, d.h. im Strom des Schutzgases
Ar, ein weiterer Schallaufnehmer M5 positioniert, der sowohl das Geräusch von der
Schweißstelle selbst, als auch von der Interaktion des Gases an der Rohrmündung
und somit auch an verschmutzenden Ansätzen aufnimmt. Die Verschmutzungsgeräusche
werden als Störungsmeldungen ausgewertet, und sie führen, gemäß oben Gesagtem, zur
Erhöhung der unteren Abstandsgrenze.
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Die Signale, die mit den dargestellten fünf Schallaufnehmern M1 -M5
relativ unabhängig voneinander gewonnen werden, lassen sich auch durch geeignete
Überlagerung bzw. Differenzbildung der Spektren aus drei Schallaufnehmern gewinnen,
wobei diese vorzugsweise umfangsmälSig gleich verteilt werden und einer davon in
Richtung des Schweißnahtverlaufs orientiert ist.
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Die Geräusche im Lichtbogen 80 werden hauptsächlich durch die Stromstärke
I des Lichtbogens in ihrer Stärke und Art und die dadurch bewirkten Reaktionen in
der Bogenstrecke bestimmt.
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Die Bogenenergie bringt die Elektrode Z zum Schmelzen, und bei hohen
Stromstärken wird ein Tropfenübergang mit hoher Tropfenfrequenz und kleinem Tropfenvolumen
in die Schmelze 53 bewirkt, wodurch periodische Schwankungen geringer Größe entstehen
(Fig. 6). Unterhalb einer kritischen mittleren Stromstärke Im dagegen erfolgt der
Werkstoffübergang mit einer kleinen Tropfenfrequenz, wobei der Lichtbogen periodisch
verlöscht, wobei dann die Elektrode Z durch Widerstandsheizung erwärmt wird.
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Dementsprechend treten je nach dem Innenwiderstand der Spannungsversorgung
periodisch Strom- und Spannungsschwankungen auf (Fig. 7). Diesen entsprechend ändert
sich die Schallabstrahlung, und die Schallsignale werden diesen zugeordnet ausgewertet.
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Im Zeitraum t11 - t12, wenn eine intensive Widerstandsheizung während
des Eintauchens der Elektrode in die Schmelze auftritt, entstehen die Geräusche
durch die Prozesse im Bad und eventuell durch schlechte Badabdeckung sowie durch
die Gasströmung.
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Im Zeitraum t21 - t22, wenn der Bogen bereits einige Zeit brennt,
treten die Lichtbogengeräusche, insbesondere abhängig von der Lage des Lichtbogens,
auf, die somit zur Lagesteuerung ausgewertet werden können.
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Die Wahl des Schweißmodus bzw. einer Stromstärke unterhalb oder oberhalb
der kritischen Stromstärke Im trifft der Fachmann, vorzugsweise nach Art und Lage
der Schweißnaht. Um eine maximale Schweißleistung zu erreichen, ist es zweckmäßig,
in dem gewählten Modus jeweils mit möglichst hoher Stromstärke zu arbeiten.
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Zur besseren Beeinflussung des Schweißprozesses ist es bekannt, statt
mit Wechselstrom mit Gleichstrom oder Impulsstrom (Fig. 8) zu arbeiten, wobei ein
Grundstrom Ig und ein Impulsstrom Ip unterschiedlicher Stärke oder relativer Puls-Pausendauer
der Schweißstelle zugeführt wird. Auch in dieser Betriebsart, wie auch bei Bestromung
mit Wechselstrom, wird die Geräuschbildung bei niedrigem und hohem Strom jeweils
von unterschiedlichen Teilprozessen verursacht, so daß die Auswertung im Zeitraum
t31 -32 vor Ende des Grundstromes Ig die Gasströmung und Schweißbadreaktion und
im Zeitraum t41 -42 vor Ende des Impulsstromes Ip der Lichtbogen dominiert. Die
Auswertschaltung wird demgemäß mit den Perioden Tdes Wechsel- oder Impulsstromes
oder dem Tauchzeitpunkt tt und Bogenzünden tb synchronisiert. Bei Wechselstrom verlöscht
der Lichtbogen bei jedem Stromnulldurchgang, und bei jeder anschließenden Neuzündung
tritt ein explosionsartiger Verdampfungsprozeß auf.
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Das Verfahren der Signalanalyse von Schweißgeräuschen kann analog
auch beim Lichtbogenschweißen mit Wolframelektrode und beim Plasmaschweißen oder
-schneiden angewendet werden.
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In Fig. 4 ist ein bekannter Plasmabrenner dargestellt, der von einem
Haltering mit Schallaufnehmern M1 - M4 wie vor umgeben ist und der einen weiteren
Schallaufnehmer M6 trägt, der durch eine Schalldurchtrittsöffnung durch das Mantelrohr
32a mit dem Schutzgas strom, z. B. CO2, verbunden ist. Dies zeigt somit eine einfachere
Anordnung als die getrennte Unterbringung des Schallaufnehmers M5 in Fig. 1.
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Die Plasmaflamme 82 im Inertgas Ar und die Schutzgasströmung CO, in
der Rohrmündung 32c und im Schutzgasmantel 84 sowie die Schmelze geben unterschiedliche
Geräusche ab, die zur Regelung der beiden Gasströme, des Abstandes des Brenners
vom Werkstück 4, der Stromstärke oder des Vorschubes entsprechend dienen.
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Auch für das Gasschmelzschweißen ist eine entsprechende Anordnung
von Schallaufnehmern M1-M4,M6 einsetzbar, wie in Fig. 3 in Verbindung mit einem
Gleichdruckbrenner gezeigt ist. Um das Mischrohr 31a ist der Haltering für die Schallaufnehmer
leicht auswechselbar gelegt, so daß das Mischrohr 31a leicht gewechselt werden kann.
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Das Schweißgeräusch dient hierbei sowohl zur Positionierungsregelung,
soweit diese automatisch geschieht, als auch zur Dosierung des Sauerstoffs und des
Brenngases. Die Vorabeinstellung der Schweißflamme erfolgt mit den Reduzierventilen
R, solange die Flamme noch nicht mit dem Werkstück zusammentrifft. Während des Schweißvorganges
erfolgt nur eine Nachregelung in einem vorgegebenen engen Bereich von der Anfangsstellung
ausgehend insbesondere dann, wenn Verbrennungsgeräusche oder Geräusche zerplatzender
Blasen auftreten, die auf eine Überhitzung hinweisen.
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In entsprechender Weise ist in Fig. S ein Schneidbrenner 33 bekannter
Art mit einer Schallaufnehmeranordnung Ml, M2 dargestellt, die auf den Schneidspalt
56 bzw. in Schneidrichrung auf das Werkstück 4 orientiert sind. Dem Schneidkopf
33a werden Sauerstoff und ein Brenngas-Sauerstoffgemisch über die Rohre 33b,c zugeführt,
wobei die drei Gasströme durch automatisch steuerbare Ventile VB1 bis VB3 kontrolliert
werden.
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Die Voreinstellung der Gasströme an den Reduzierventilen R erfolgt
wiederum solange die Flamme frei brennt. Ein gemessenes Spektrum ist in Fig. 9 mit
Pb bezeichnet dargestellt. Der freie Sauerstoffstrahl erzeugt ein noch wesentlich
stärkeres Geräusch, das durch Zerfall des mit Überschall austretenden Gases entsteht.
Wird die Heizflamme durch
Öffnen der Ventile VB1 ,VB2 und Zündung
hinzugeschaltet, entsteht das gezeigte Spektrum, das insbesondere bei hohen Frequenzen
stark abgesenkt ist. Bei zu geringer Heizgaszufuhr steigt das Geräusch stark an.
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Während des Schneidprozesses tritt die Flamme 86 vorwiegend mit dem
Schneidspalt 56 und der Sauerstoffstrahl 85 mit der Werkstückoberfläche 43 und insbesondere
der schmelzenden Fläche 54 in Wechselwirkung, und es tritt das Geräuschspektrum
Pb, abhängig von der Spaltweite, den an der Spaltwand ausgebildeten Riefen 55, eventuell
vorhandenem Grat, Schlackenansatz oder unvollständigen Trennstellen, auf. Da eine
Riefenbildung mit einem bestimmten mittleren Abstand ein Qualitätsmaß für den Schneidprozeß
darstellt, wird der Vorschub in Bezug auf diesen Spektralanteil geregelt. Tritt
ein anderes Geräusch durch Schlacken-oder Brückenansatz auf, so wird die Zufuhr
des Schmelzmittels, des Schneidsauerstoffs oder z. B. von Eisenpulver (nicht dargestellt)
erhöhe, bis die Trennung vollständig ist und das Geräusch verschwindet.
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Die Geräuschänderungen beim Ein- und Auslauf werden durch Vergleich
der Signale der beiden Schalldruckmelder M1,M2 erkannt und demgemäß zur Vermeidung
von Instabilitäten der Regelungen gesondert ausgewertet; d. h, es erfolgt dann im
wesentlichen eine Steuerung ohne Nachregelung.
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Eine Ergänzung der Vorrichtung kann durch die Anordnung eines weiteren
Schallaufnehmers (nicht dargestellt) unterhalb des Werkstücks vorgenommen werden.
Das Geräusch dort ist im wesentlichen durch den aus der Schnittfuge austretenden
Sauerstoffstrahl 85 bestimmt, und es ändert sich demgemäß stark bei einer Brückenbildung.
Somit kann es gut zur Regelung der Sauerstoffzufuhr dienen.
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Ein weiterer Schweißprozeß, bei dem die geräuschabhängige Steuerung
und Regelung vorteilhaft anzuwenden ist, ist das Abbrennstumpfschweißen, wofür in
Fig. 2 schematisch die Schweißvorrichtung gezeigt ist, die mit der Versorgungs-
und Steuervorrichtung entsprechend abgeändert betrieben wird. Die Werkstücke 41a,41b
werden mit Klemmbacken 7a,b durch die Antriebe Ms eingespannt und durch den axialen
Antrieb Mx gesteuert zur Berührung gebracht. Die Schweißstromversorgung UI ist über
einen Transformator 71 an die mit Kühlwasser KW durchflossenen Klemmbacken 7a,b
geführt, so daß bei der Berührung der Werkstückendflächen 41c,d eine Widerstandsaufheizung
und beim Abschmelzen der Berührungsstellen oder beim Auseinanderbewegen der Werkstücke
ein Lichtbogen entsteht.
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Die auftretenden Geräusche werden durch Schallaufnehmer M1,M2, die
an einer der Klemmbacken 7a angeordnet und auf den Spalt 57 ausgerichtet sind, erfaßt.
Die Steuerung des Prozesses erfolgt einerseits mit dein Vorschubantrieb Mx und weiterhin
durch Beeinflussung des Schweißstromes mit dem Ziel, die Flächen 41c,d bei möglichst
geringer Mate rialänderung gleichmäßig zu verflüssigen. Ungleichmäßig und übermäßig
erhitztes Material tropft dabei,häufig unter Bildung von Kurzschlüssen, aus dem
Spalt, und beim abschließenden Zusammenpressen der Flächen wird das verflüssigte
Material zum Teil seitlich herausgepreßt. Die Geräusche werden durch die Spaltgeometrie,
die Lichtbogenintensität bzw. deren Änderung in Folge der Kurzschlüsse und die Aktivität
der Schmelze bestimmt. Da die Zufuhr der elektrischen Energie die Aktivität bestimmt,
dient dieser Geräuschanteil der Regelung der Stromversorgung. Die Ungleichmäßigkeit
einer Schmelzung läßt sich durch Vergleich der Signale der verschiedenen Schallaufnehmer
M1,M2 feststellen, so daß frühestens, wenn die Differenz unterhalb eines vorgegebenen
Schwellwertes liegt, das Zusammenpressen erfolgt.
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In Fig. 12 sind die Einzelheiten der Steuervorrichtung 2 dargestellt.
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Die Schallaufnehmer M1 bis M5 sind über Verstärker 90 auf einen Multiplexer
91 geführt, dessen Ausgang zu einem Frequenzanalysator P(f), 92 führt. Von dem Mikroprozessor
MP wird der Multiplexer aufeinanderfolgend über Steuersignale S91 an die einzelnen
Schallaufnehmer Ml # M5 geschaltet. Dann wird, jeweils erregt über Steuersignal
S92, eine zeitliche Signalfolge, die der Frequenzfolge entspricht (Fig. 9), erzeugt.
Diese Signalfolge wird über Multiplexer 94 durch das Steuersignal S94 auf den Analog-/Digitalwandler
93 gegeben und in einem vorgegebenen Zeitraster als digitale Datenfolge, die das
jeweilige Spektrum darstellt, vom Mikroprozessor MP aufgenommen, gespeichert und
ausgewertet. Weitere Signale, die den Strom SI, die Spannung Spund die Gasdrücke
SPx angeben, werden ebenfalls vom Mikroprozessor gesteuert über den Multiplexer
94 dem Analog-/Digitalwandler und dem Mikroprozessor zugeführt. Außerdem werden
für die Zeitsteuerung das Signal einer Uhr Cl und Start- und Anfangsbedingungen
sowie Betriebs-, Alarm- und Qualitätsmeldungen vom Mikroprozessor aufgenommen bzw.
abgegeben. Weiterhin sind die KontrolleitungenSK zum Stromversorgungsteil 95 über
die die Umsetzung der Versorgungsspannung Uv in die Schweißstromversorgung Ul, z.
B. vgl. Fig. 8, nach Grundstromhöhe Ig, Impulsstromhöhe Ip, Periodendauer T und
Impulsdauer te-ta, gesteuert werden, dargestellt.
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Über die gezeigten Meßweg für Strom und Spannung ist der Regelkreis
der Stromversorgung durch den Mikroprozessor geschlossen. Die Ergebnisse der Auswertung
der Geräuschsignale werden im Mikroprozessor entweder durch Veränderung der vorgegebenen
Anfangs-oder Sollwerte oder direkte Einspeisung einer abgeleiteten Korrekturgröße
in den Regelkreis berücksichtigt.
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In gleicher Weise werden die die Position oder den Gasdruck betreffenden
Auswertungsergebnisse bei der jeweiligen Regelung berücksichtigt.
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Funktional ist in Fig. 13 die seitliche Positionsregelung in analoger
Schaltkreissymbolik dargestellt, die eine symmetrische Führung des Schweißbrenners
in Fig. 1, auch bei Lageabweichung der Nut von der Sollposition, vornimmt. Die Signale
der Schallaufnehmer M1,M3 werden nacheinander über den Multiplexer 911 dem Spektralanalysator
921 oder einem entsprechenden Filter zugeführt und in einem vorgegebenen Frequenzbereich
im Integrator I integriert. Über den Dernultiplexer 97 werden die Integralwerte
in den Halteschaltungen H1 ,H 3 gespeichert und dem Vergleicher 99 des Reglers,
der den Antrieb My der seitlichen Brennerpositionierung speist, zusätzlich zugeführt.
Die Schaltvorgänge werden durch Zeitsteuersignale St jeweils ausgelöst, die z. B.
von einem Taktgenerator oder Steuerprozessor geliefert werden. In ähnlicher Weise
können auch die anderen Antriebe, Strom, Spannung, Druck usw. geregelt werden. Ob
eine Lösung mit Mikroprozessor oder anderer digitaler Schaltkreistechnik oder in
der gezeigten Analogschaltkreistechnik jeweils ausgeführt wird, istsim allgemeinen
dadurch bestimmt, ob eine große bzw. kleine Anzahl von Regelkreisen vorliegt und
ob es sich um eine universell einsetzbare oder spezielle Anordnung handelt. Die
Verwendung eines Mikroprozessors erlaubt eine einfachere Adaption an verschiedene
Verhältnisse und eine automatische Analyse neuer Prozesse, wie bereits beschrieben.
Eine vorteilhafte Kombination stellt die gleichzeitige Verwendung einer Schaltung
zur Analyse gesamter Spektren nach Fig. 12 und der Einsatz von Regelschaltungen
mit Frequenzfiltern nach Fig. 13 dar. Für die Auffindung von Besonderheiten im Spektrum,
z. B. intensiv hervortretender oder absorbierter Frequenzanteile wird das Spektrum
im Mikroprozessor jeweils mit relativ größerem Zeitaufwand nach dem jeweiligen Energieanteil
in den einzelnen Frequenzbereichen klassifiziert, und dann werden demgemäß
die
am stärksten gegenüber dem normalen Spektrum abweichenden Frequenzbereiche bestimmt.
Auf einen solchen Frequenzbereich wird dann das Filter 921 durch das Signal Sf eingestellt.
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Die Regelung arbeitet dann in einem schnelleren Zeitraster, das nur
noch von der Zeitkonstanten des Filters und der Integrationszeitkonstanten abhängig
ist, oder kontinuierlich, falls mit mehreren Filtern ohne Umschaltung gearbeitet
wird. Werden mehrere Regelungen parallel ausgeführt, z. B. für den Antrieb der Neigung
Ma, die Stromstärke, die Elektrodenzufuhr MZ usw., so können weitere Schaltungen
Fig. 13 eingesetzt werden. Die Frequenzen der Filter und die Taktung wird dabei
jeweils vom Mikroprozessor vorgegeben.
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Die in Fig. 9 gezeigten Spektren können, z. 13. im Bereich zwischen
8 und 12 kHz, zur Einstellung des Schneidbrenners vor Beginn des Schneidvorganges
dienen, da der Energiegehalt in diesem gesamten Bereich über 10 DBR absinkt, wenn
die Flamme richtig im Verhältnis zum Schneidsavuerstoff eingestellt ist.
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Die in Fig. 10 dargestellten Spektren sind beim Schneiden von Stählen
mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt bei sonst gleichen Verhältnissen aufgezeichnet,
wobei die durchgezogene Linie Pd mit hohem Kohlenstoffgehalt und die gestrichelte
Linie Pc mit üblichem Stahl erzeugt wurde. Die mittleren Intensitäten sind nur wenig
voneinander verschieden; aber bei höherem Kohlenstoffgehalt tritt eine stärkere
Differenzierung auf und einige Frequenzen L21, L22,L23 zeigen hohe Intensitäten
und andere, jeweils benachbarte Frequenzen L11,L12,L13, nur sehr geringe.
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Um diese zu einer kontinuierlichen Steuerung zu nutzen, werden vorzugsweise
jeweils die beiden benachbarten Frequenzbereiche L11, L21;L12,L22;L13,L23, die als
charakteristisch ermittelt sind, miteinander verglichen und mit der Differenz die
Regelung ausgeführt.
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In diesem Fall wird, zur Erreichung einer glatten Trennung, die Zufuhr
des Schneidsauerstoffs, abhängig von der Differenz der Energie in den Bereichen
L11 - L21, erhöht.
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In Fig. 11 sind zwei weitere Schneidspektren Pf,Pe dargestellt, wovon
die gestrichelte Linie einen durchgehenden Trennschnitt und die durchgehende Linie
bei gleicher Einstellung einen nicht durchgehenden Trennschnitt an einer Materialverstärkung
betrifft. Man erkennt, daß dann im Frequenzbereich ab 5 kHz eine geringere Schallabstrahlung
auftritt. Außerdem sind, wie in Fig. 10, insbesondere die Frequenzbereiche L13,L23
stark unterschiedlich. Um ein vollständiges, glattes Durchtrennen zu bewirken, muß
der Vorschub verlangsamt werden. Die Vorschubsteuerung wird deshalb, abhängig von
der Differenz der Energien in den Frequenzbereichen L13,L23, geregelt, wobei eine
größere Differenz einen geringeren Vorschub bewirkt. Statt mit dem Differenzsignal
kann vereinfacht selbstverständlich auch mit dem einen oder anderen Signal L13,L23
im Vergleich zum Mittelwert der Energie der gesamten Schallabstrahlung oder eines
weiteren benachbarten Bereiches geregelt werden, wobei das Vorzeichen entsprechend
zu berücksichtigen ist.
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In Fig. 14 und 15 sind weitere Schweißvorrichtungen dargestellt, bei
denen eine Schallauswertung zur Qualitätsbeurteilung der Schweißung und zur Regelung
vorgesehen ist, wobei die Schallabstahlung bei Störungen im Prozeßablauf im allgemeinen
deutlich zunimmt, da die ungestörte Schweißung unter einer Abdeckung aus Schlacke
73 und/oder Pulver PS stattfindet. Das Elektroschlackeschweißen (Fig. 14) dient
insbesondere zur Verbindung von Platten oder Rohren großer Wandstärke, wobei unter
Umständen mehrere Elektroden parallel zugeführt werden. Es ist wichtig dabei, daß
die Schweißung im gesamten Bereich ohne Fehlstellen erfolgt.
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Die Schmelze 53 wird seitlich durch wassergekühlte Kupferbacken 72a,72b
am Austreten gehindert, und die Backen 72a,b werden mit dem fortlaufenden Erkalten
der Schmelze 53 und dem Hochwachsen der Schweißnaht 52 durch den Antrieb Mb nach
oben verschoben bzw. werden in anderen Anordnungen das Werkstück 4 relativ zu den
Backen nach unten bewegt. Die Schlacke 73 schwimmt dabei durch den Stromfluß erwärmt
und verflüssigt auf der Metallschmelze 53. Zu einem normalen Prozeßablauf, der eine
hochwertige Verbindung garantiert, müssen der Elektrodenvorschub, der Kühlbackenvorschub,
die Energiezufuhr, die Kühlung und die Schlackenmenge jeweils zueinander ausgewogen
sein. Abweichungen davon führen zur Veränderung des Geräuschspektrums, die entsprechend
ausgewertet werden.
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Der Schallaufnehmer M1 ist zweckmäßig auf einer Backe 72a oberhalb
der Schlackenabdeckung plaziert. Bei einer breiten Schweißnaht und Rohrschweißnaht,
insbesondere mit mehreren Elektrodenzuführungen, empfiehlt sich die Anordnung mehrerer
Schallaufnehmer, z. B. je auf einer Backe und unter anderem die Auswertung der Schallsignale
durch Vergleich, wie analog für den Vorschub zu Fig. 13 bereits beschrieben.
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Bei dem in Fig. 15 gezeigten Unterpulverschweißen wird durch die trichterförmige
Mündung 74 der Schweißstelle Pulver PS als Schutzmittel zugeführt, so daß der Lichtbogen
80 und die Schmelze 53 gegen die umgebende Luft abgeschirmt sind, wodurch über der
Schmelze 53 eine Pulverschlackenschicht 73 entsteht, die ein langsames Erstarren
der Schmelze bewirkt. Diese Schlackenschicht 73 und das darüberliegende Pulver PS'
dämpfen das austretende Schweißgeräusch charakteristisch. Störungen im Prozeßablauf,
insbesondere solche, die eine zu geringe Abdeckung bewirken, werden deshalb an den
erhöhten Geräuschen mit dem Schallaufnehmer Ml, der vorzugsweise in Richtung der
Schweißnaht am Schweißkopf angeordnet ist, erkannt. Es können dadurch der Vorschub
des Schweißkopfes und der Elektrode Z, die Dosierung D des Pulvers PS und die Schweißstromversorgung
geregelt und überwacht werden.
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Zur Verhinderung von Regelschwingungen, insbesondere als Folge von
ungleichmäßigem Prozeßverlauf in der Schweiß- oder Trennstelle, z. B. durch Explosion
von Blasen oder Schlackenbildung, werden die Meßsignale, abhängig von Kriterien,
die vorzugsweise durch zeitliche Mittelung mehrerer Meßwefle und Toleranzvergleich
mit diesen gebildet werden, ausgewertet oder als sporadisch fehlerhaft eliminiert.
Auch kann das Signal eines Lichtsensors LS oder ein vom Stromsignal abgeleitetes
Kriterium dazu benutzt werden. Die Toleranzgrenzen werden auf Grund von Versuchen
und fachmännischer Qualitätsbeu rteilung der Prozesse vorgegeben.
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Die dargestellte Positioniervorrichtung kann auch mit gesteuerten
und nicht rückgekoppelten Schrittantrieben ausgeführt sein. Die Korrektursignale
werden dann als zusätzliche Schrittimpulse in bekannter Weise durch Änderung der
Sollpositionsvorgabe ausgegeben.
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Die Steuerung wird dadurch mit einem übergeordneten Regelkreis ergänzt.
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Die Bezeichnungen der Leitungen und der darauf geführten Signale oder
Daten sind in der Beschreibung und den Ansprüchen wie in den Zeichnungen einheitlich
mit "S" beginnend gefolgt von Angaben über die Signalquelle bzw. -senke, je nachdem,
ob es sich um einen Signalgeber oder ein Stell- oder Regelorgan handelt. Die Bezeichnungen
SPos,SZ,SVB beziehen sich sowohl auf die Steuersignale für die Antriebsmotore oder
Stellglieder als auf Meldesignale von zugehörigen Positions- oder Stellungsmeldern.
In Einzelfällen sind diese entsprechend zusätzlich indiziert, soweit dies zum Verständnis
erforderlich ist.
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