DE3344683A1 - Verfahren und einrichtung zum ueberwachen oder steuern des schweissvorgangs beim verschweissen von werkstuecken im lichtbogenschweissverfahren - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum ueberwachen oder steuern des schweissvorgangs beim verschweissen von werkstuecken im lichtbogenschweissverfahren

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Description

Reg.-Nr.
Sa 152
bitte angeben
KÖLN, den 9.12.1983 vo/kr
Anm.: Gustav Stähler GmbH & Co. KG Maschinenfabrik 5909 Burbach-Würgendorf
Titel: Verfahren und Einrichtung zum Überwachen oder Steuern des Schweißvorgangs beim Verschweißen von Werkstücken im Lichtbogenschweißverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Überwachen oder Steuern des Schweißvorgangs beim Verschweißen von Werkstücken, insbesondere solchen, die in zumindest einem Stoffbestandteil unterschiedlich sind, beim automatischen Lichtbogenschweißen.
Zu den gefährlichsten Fehlern einer Schweißnaht gehört bekanntlich die mangelhafte Durchschweißung der zu verbindenden Werkstoffe, da hierdurch die Festigkeit der Schweißverbindung stark herabgesetzt wird. Die Ursache für die mangelhafte Durchschweißung ist vielfach in der ungenauen Schweißbrenner- oder Elektrodenführung in ihrer Lage zum Schweißstoß zu finden, die dazu führt, daß an der Schweißstelle der eine Werkstoff nur ungenügend, d.h. mit unzureichender Einbrandtiefe zur Aufschmelzung gebracht wird.
Aus den vorgenannten Gründen ist es in vielen Fällen erforderlich, die Schweißverbindung nach Beendigung des Schweißvorgangs einer Prüfung zu unterziehen, was u.a. mit einer Durchstrahlungsprüfung mittels Röntgenstrahlen oder Ultraschall geschieht.
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Es versteht sich, daß die Qualitätsprüfung einer Schweißverbindung nach Fertigstellung der Schweißnaht im Grunde nur eine Behelfsmaßnahme darstellt, da sie lediglich dazu führen kann, Werkstücke mit mangelhaften Schweißverbindungen als Ausschuß zu erkennen, nicht aber dazu, den eigentlichen Grund für die mangelhafte Schweißverbindung zu beseitigen.
In der Vergangenheit hat man erhebliche Bemühungen darauf gerichtet, beim automatischen Schweißvorgang mit und ohne Schweißrobotern die Qualität der Schweißnähte durch genauere Nahtführung zu verbessern und damit die Produktion von Ausschuß zu unterbinden. Diesen Bemühungen war aber bisher kein durchschlagender Erfolg beschieden. Dies gilt insbesondere für den Dünnblechbereich, wo die Verwendung von Sensoren zur Verbesserung der Nahtführung während des Schweißbetriebs bisher mit befriedigendem Erfolg nicht möglich war.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein auch für den Dünnblechbereich geeignetes Verfahren zu schaffen, mit dem es zuverlässig möglich ist, während des Schweißbetriebs die Schweiß nahtführung erheblich zu verbessern, d.h. eine einwandfreie Schweißung der zu verbindenden Werkstoffe zu erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für das automatische elektrische Lichtbogenschweißen mit oder ohne Robotereinsatz bestimmt. Ferner bezweckt die Erfindung eine geeignete Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß während des Schweißvorgangs die emittierte Strahlung der Schweißzone mittels eines Emissionsspektrometers spektralanalytisch bestimmt und zur Lieferung eines Überwachungssignals und/oder eines den Schweiß vorgang korrigierenden Signals ausgewertet wird.
Nach der Erfindung wird also als Sensor zur Abtastung der Schweißstelle ein an sich bekanntes Spektrometer verwendet, welches zur spektralanalytischen Bestimmung der Zusammensetzung von Metallegierungen u.dgl. benutzt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient das Spektrometer in seiner Funktion als ein den Verfahrensablauf überwachender Sensor zur laufenden Überwachung des von der Schweißstelle bzw. dem Lichtbogen ausgehenden Lichtes. Wenn zu verschweißende Werkstücke zumindest in einem Stoffbestandteil voneinander abweichen, läßt sich durch spektroskopische Auswertung des Lichtbogens zuverlässig feststellen, ob die Grundwerkstoffe beider zu verbindenden Werkstücke aufgeschmolzen werden. Damit ist die Möglichkeit einer ständigen Aussage darüber gegeben, ob bei der Nahtführung eine einwandfreie Materialverbindung erreicht wird. Die Abweichung der zu verschweißenden Werkstücke in mindestens einem Stoffbestandteil ist bei Schweißarbeiten im Dünnblechbereich u.dgl. in vielen Fällen gegeben oder kann in der Fertigung oder Konstruktion so gewählt werden. Am einfachsten läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn die beiden Werkstoffe wechselseitig jeweils mindestens einen Legierungsbestandteil enthalten, der in dem anderen Werkstoff nicht vorhanden ist. Andererseits kann die Unterschiedlichkeit der Stoffbestandteile aber auch in ihren jeweiligen Mengenanteilen innerhalb der Legierung bestehen. Da es sich auf spektrometrischem Wege nicht nur eine qualitative Aussage, sondern über die Intensität der Spektrallinien und der photoelektrisch erhaltenen Meßwerte auch eine quantitative Aussage über Mengenanteile bestimmter Komponenten gewinnen lassen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dort zur Anwendung kommen, wo die Werkstoffe der zu verschweißenden Werkstücke sich entweder in ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder in ihren mengenmäßigen Zusammensetzungen unterscheiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich selbst dann anwenden, wenn die zu verschweißenden Werkstücke gleich sind. In diesem Fall werden die Nahtkanten der beiden zu verbindenden Werkstücke, deren Aufschmelzen kontrolliert werden soll, jeweils gesondert spektrometrisch überwacht.
Bei der automatischen Auswertung mittels eines Emissionsspektrometers lassen sich auch obere und untere Toleranzwerte berücksichtigen, so daß auch die Überwachung des Schweißprozesses bezüglich der oberen und/oder unteren Toleranzwerte bestimmter Legierungsbestandteile möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann nur zur Überwachung des Schweißvorgangs dienen oder aber auch in bevorzugter Ausführung zugleich zur Verfahrenssteuerung oder -regelung verwendet werden. Da, wie erwähnt, über die Intensität des ausgesandten Lichtes auch eine Aussage über die Menge des aufgeschmolzenen Materials erhalten wird, läßt sich über ab- und zunehmende Intensitäten eine Aussage über die Lage der Schweißnaht auf dem Grundmaterial der beiden Werkstücke machen. Die Auswertung der Meßergebnisse des Emissionsspektrometers kann mit Hilfe einer elektronischen Ausrüstung durchgeführt werden, z.B. derart, daß an_hand der zu- und abnehmenden Intensitäten der Spektrallinien eine automatische Korrektur der Lage der Schweißnaht durchgeführt wird.
Die Übertragung der Strahlung zu dem Emissionsspektrometer, welches stationär aufgestellt werden kann, erfolgt zweckmäßig mit Hilfe eines Lichtleiters, insbesondere einer Faseroptik. Besonders geeignet sind Quarzfasern. Dadurch liegen die durch etwaige Schweißspritzer gefährdeten Erfassungs- und Steuergeräte außerhalb des gefährdeten Bereichs.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich vor allem dadurch, daß am Schweiß-
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kopf oder Schweißbrenner eine Halterung für eine auf die Schweißzone gerichtete Faseroptik angeordnet ist. Vorzugs weise ist aber die Faseroptik in ihrer Winkellage zur Schweißzone verstellbar angeordnet, so daß sie sich unmittelbar auf die Schweißstelle bzw. auf den Lichtbogen ausrichten läßt. Vorzugsweise besteht die Halterung aus einem am Schweißkopf oder Brenner beweglichen Schwenkglied, z.B. einem Schwenkarm od.dgl., welches die Faseroptik trägt und sich auf den gewünschten Abstand zur Schweißstelle bzw. zum Lichtbogen einstellen läßt. Das Emissionsspektrometer wird vorteilhafterweise an einen Mikroprozessor mit Auswerteelektronik angeschlossen, der zugleich mit einer Steuerelektronik für die Nachregelung versehen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Einrichtung mit am Schweiß- bzw. Brennerkopf angeordneter Faseroptik;
Fig. 3 in der Darstellung der Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform der Erfindung.
In der Zeichnung sind mit 1 und 2 zwei z.B. aus Dünnblechen bestehende metallische Werkstücke bezeichnet, die mittels einer Schweißverbindung 3 verbunden werden. Mit 4 ist in Fig. 1 ein Schweißbrenner oder Schweißkopf einer automatischen Schweißeinrichtung oder eines Schweißroboters bezeichnet. Die Verbindung der Werkstücke 1 und
2 erfolgt vorzugsweise im automatischen Lichtbogenschweißverfahren.
Um beim Schweißvorgang eine einwandfreie Verbindung bzw. einen ausreichend tiefen Einbrand an den Stoßkanten der Werkstücke 1 und 2 zu erzielen, wird die Schweißstelle bzw. der Lichtbogen während des Schweißprozesses abgetastet. Hierbei findet als Sensor ein Emissionsspektrometer 5 mit einer Faseroptik 6, 7 Verwendung, deren Teil 6 von einem Kopfstück gebildet ist, in dem ein Lichtleiter in Gestalt einer Faser/oder eines Faserbündels, vorzugsweise aus Quarz, mit seinem Ende gehalten ist. Der Lichtleiter ist am anderen Ende am Eintrittsspalt 8 des Emissionsspektrometers 5 befestigt, welches stationär angeordnet werden kann.
Am Schweißkopf bzw. Schweißbrenner 4 ist in einer Halte-1 rung 9 das Kopfstück 6 der Faseroptik so befestigt, daß es genau auf die Schweißstelle bzw. den Lichtbogen ausgerichtet ist und das emittierte Licht über den Faserleiter 7 dem Emissionsspektrometer zugeleitet wird.
Das Emissionsspektrometer 5 ist von bekannter Ausführung; es besteht aus einem Spektralapparat, in welchem die Strahlung des Lichtbogens bzw. der Schweißstelle in die einzelnen Spektrallinien zerlegt wird, wobei jeweils die Intensität einer ausgewählten Spektrallinie photoelektrisch gemessen wird. Dabei kann auch das Verhältnis der Intensitäten bestimmter Spektrallinien, welche bestimmte Legierungsbestandteile der Werkstücke 1 und 2 repräsentieren, photoelektrisch gemessen werden, wobei das gemessene Verhältnis ein Maß für die Menge dieser Bestandteile im Schweißbad ist. Die Austrittsspalten 10 und 11 des Emissionsspektrometers 5 sind auf die ausgewählten Spektrallinien eingestellt. Hinter diesen Spalten sind photoelektrische Empfänger 12 angeordnet, deren elektrische Signale
einem Mikroprozessor 13 zugeführt werden, der mit einer Auswerteelektronik und mit einer Steuerelektronik für die automatische Nachregelung des Schweißkopfes oder Schweißbrenners 4 versehen ist. Bei der Nachregelung wird der Schweißkopf bzw. Schweißbrenner 4 in die Sollage eingestellt, in der die gewünschte einwandfreie Durchschweißung des Werkstoffs der beiden Werkstücke 1 und 2 gegeben ist. In Fig. 1 sind durch die vier Pfeile die Richtungen der Einstellbewegungen angegeben.
Fig. 2 zeigt einen gebogenen Maschinenbrenner mit der Halterung 9 für das Kopfstück 6 der Faseroptik. Das Kopfstück
6 ist am freien Ende eines Schwenkarmes 14, mittels einer Schraubvorrichtung 15 in Richtung der Längsachse des Schwenkarmes verstellbar gelagert. Der Schwenkarm 14 ist mit seinem anderen Ende bei 16 um eine Querachse schwenkbeweglich gelagert, wobei er in den verschiedenen Schwenk-Positionen mit seiner Feststellschraube od.dgl. festgelegt werden kann. Das Gelenk 16 befindet sich an einer Schelle 17 od.dgl. des Brenners oder Schweißkopfes 41. Mit Hilfe der vorgenannten Einstellmöglichkeiten läßt sich das Kopfstück 6 der Faseroptik in den vorgesehenen Abstand zu der Schweißstelle bringen und auf diese bzw. auf den Lichtbogen ausrichten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Faseroptik 6,
7 mit ihrem Halter an einem geraden Maschinenbrenner 4" verstellbar gelagert. Letzterer weist an einer Manschette 17 od. dgl. ein kurzes Schwenkglied 14'/auf, an welchem das Kopfstück 6 der Faseroptik mittels der Gewindeeinstellvorrichtung 15 verstellbar gelagert angeordnet ist. Mit 18 ist ein Gasrohr für die Schutzgaszuführung bezeichnet.
Während des Schweißbetriebs wird die an der Schweißzone bzw. durch den Lichtbogen emittierte und über die Faseroptik 6, 7 dem Emissionsspektrometer 5 zugeleitete Strahlung von
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letzterem in der genannten Weise bestimmt und zur Lieferung eines Überwachungs- und/oder eines den Schweißvorgang korrigierenden Steuer- oder Regelsignals ausgewertet. Die Auswertung der Meßergebnisse erfolgt durch die Auswerteelektro nik des Mikroprozessors 13. Falls die optimalen Schweißbedingungen nicht gegeben sind, kann ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgelöst werden. Vorzugsweise ist die Anordnung aber so getroffen, daß eine automatische Nach regelung mit Hilfe der Steuerelektronik des Mikroprozessors 13 durchgeführt wird, bei welcher die Lage des Schweißbrenners bzw. Schweißkopfes gegenüber der Lage der Schweißstelle im Sinne der Erzielung der gewünschten Durchschweißung bzw. des gewünschten Einbrandes an den Stoßstellen der Werkstücke 1 und 2 nachgeregelt wird. Damit ist eine Überwachung und genaue Steuerung des Aufschmelzens des Werkstoffs der zu verbindenden Teile 1 und 2 möglich und dem-1 gemäß eine Kontrolle der Lage der Schweißnaht 3 zu der vorgegebenen Fügestelle der beiden Teile 1 und 2 im Sinne der Erzielung des ordnungsgemäßen Verbindungs- und Durchschweißens erreichbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ein richtung sind mit besonderem Vorteil zur Überwachung und/ oder zur Steuerung von Schweißmaschinen mit oder auch ohne Schweißroboter verwendbar. Eine im Programm vorgegebene Schweißnahtlage kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schweißbetrieb ständig kontrolliert und ggf. auch korrigiert werden, um optimale Schweißergebnisse zu erzielen.
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Claims (11)

  1. 33U683
    Ansprüche
    Verfahren zum Überwachen oder Steuern des Schweißvorgangs beim Verschweißen von Werkstücken, insbesondere solchen, die in zumindest einem Stoffbestandteil unterschiedlich sind, beim automatischen Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißvorgangs die emittierte Strahlung der Schweißzone mittels eines Emxssionsspektrometers spektralanalytisch bestimmt und zur Lieferung eines Überwachungssignals und/oder eines den Schweißvorgang korrigierenden Signals ausgewertet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragung der Strahlung zu dem Emissionsspektrometer mittels eines Lichtleiters, insbesondere einer Faser oder eines Faserbündels, wie vorzugsweise einer Quarzfaser, erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den jeweiligen Meßergebnissen des Emxssionsspektrometers die Lage der Schweißstelle zur Lage des Brenners bzw. des Schweißkopfes im Sinne einer Korrektur der Durchschweißung bzw. der Schweißung nachgeregelt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Werkstücken, von denen das eine einen Stoffbestandteil (z.B. als Legierungsbestandteil) enthält, der im Werkstoff des anderen Werkstücks nicht enthalten ist, während des Schweißvorgangs das Vorhandensein dieses Stoffbestandteils spektrometrisch ermittelt und zur Überwachung des
    Schweißvorgangs und/oder als Regelgröße zur Korrektur des Schweißvorgangs herangezogen wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißvorgangs die Intensität einer oder mehrerer Spektrallinien als Maß für bestimmte Stoffkonzentrationen gemessen und zur Überwachung und/oder Regelung des Schweißvorgangs ausgenutzt werden.
  6. 6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Schweißbrenner (4, 41, 4") eine Halterung (9) für eine auf die Schweißzone bzw. den Lichtbogen gerichtete Faseroptik (6, 7) angeordnet ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück (6) der Faseroptik in seiner Winkellage zur Schweißzone verstellbar angeordnet ist.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (9) ein am Schweißbrenner bewegliches Schwenkglied (14, 14') od.dgl. aufweist, welches das Kopfstück (6) der Faseroptik trägt.
  9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsspektrometer (5) an einen Mikroprozessor (13) mit Auswerteelektronik angeschlossen ist.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (13) mit Auswerteelektronik zugleich mit einer Steuerelektronik für die Nachregelung versehen ist.
  11. 11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Durchführung einer spektrometrxschen Verwechslungsprüfung mit Signalgabe bei Werkstückverwechslung.
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