DE3344683C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nahtmittenführung
der Elektrode beim automatischen Schweißprozeß, insbesonde
re beim Lichtbogenschweißen, mit optischer Abtastung der
Schweißzone mittels eines Lichtleiters, wie vor allem ei
nes Quarzfaserleiters, und mit automatischer Korrektur der
Elektrodenposition relativ zur Schweißfuge bei Positions
abweichungen mittels Soll-Ist-Wertvergleich und Steuer
elektronik. Ferner ist die Erfindung auf eine zweckdien
liche Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gerich
tet.
In der Vergangenheit hat man zur Vermeidung einer Ausschuß
produktion erhebliche Bemühungen darauf gerichtet, beim
automatischen Schweißprozeß mit oder ohne Schweißrobotern
die Qualität der Schweißnähte durch genaue Nahtführung zu
verbessern. Diesen Bemühungen war aber insbesondere für
Schweißarbeiten im Dünnblechbereich bisher kein umfassen
der Erfolg beschieden, obwohl für die Nahtmittenführung der
Elektrode beim automatischen Lichtbogenschweißen Sensor
systeme in zahlreichen Ausführungen bekannt sind, die mit
mechanischen Sensoren, z.B. Tastrollen, Taststiften od. dgl.,
oder auch mit optischen oder induktiven Sensoren arbeiten
(Zeitschrift "Schweißen - Schneiden" 1980, S. 89 bis 93).
Bei bekannten optischen Systemen zur Regelung der Lage des
Lichtbogens wird z. B. die Lichtbogenlänge optisch durch
Fotozellen überwacht, mit einem Sollwert verglichen und
bei Längenabweichungen zur Schweißbrenner-Nachregelung aus
gewertet. Auch ist eine Überwachung des Schweißprozesses
mittels Fernsehkameras oder Fotodioden bekannt, um die Re
flexion eines einfallenden Lichtstrahles vom Werkstück zu
messen. Für die Beleuchtung werden hierbei Glasfaser-Licht
leiter eingesetzt.
Es ist auch bekannt, zur Überwachung des Schweißprozesses
tragbare Spektrometer einzusetzen, um sauerstoff- und was
serstoffhaltige Verunreinigungen beim Wolfram-Inertgas
schweißen zu ermitteln, wobei zur Übertragung des Licht
bogenlichtes ein optischer Tastkopf am Brenner angebracht
und über einen Glasfaserleiter mit dem Spektrometer verbun
den wird (US-Zeitschrift "Wedding Research Supplement",
1970, S. 538-s bis 544-s).
Schließlich ist ein Verfahren zum Plasmaschweißen bekannt,
bei dem die Überwachung und Steuerung des Schweißprozesses
dadurch vorgenommen wird, daß die von dem zu schweißenden
Werkstück während des Schweißvorgangs ausgesandte Strahlung
über einen Lichtleiter einem Emissionsspektrometer zugelei
tet wird, wobei etwaige Abweichungen der empfangenen Inten
sität einer kennzeichnenden Spektrallinie aus dieser Strah
lung von einem Sollwert festgestellt und zur Steuerung des
Schweißprozesses ausgenutzt werden (SU-PS 7 42 065).
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges
und einfach zu beherrschendes Verfahren anzugeben, das vor
allem auch im Dünnblechbereich gute Ergebnisse liefert und
sich auch für den Einsatz von Schweißrobotern eignet. Fer
ner bezweckt die Erfindung eine zweckdienliche Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende
Merkmale gelöst:
- - als zu verschweißende Werkstücke werden solche Werkstücke eingesetzt, die zumindest in einem spektralanalytisch erfaßbaren Stoffbestandteil, vorzugsweise jeweils in einem Legierungsbestand teil, der in dem anderen Werkstück nicht enthal ten ist, voneinander abweichen;
- - während des Schweißvorgangs wird die von der Schweißzone emittierte und über den Lichtlei ter übertragene Strahlung mittels eines Emissions spektrometers auf den bzw. die abweichenden Stoff bestandteile hin spektralanalytisch überwacht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgemäß ein Sensor
system mit einem bekannten Emissionsspektrometer verwendet,
das die von der Schweißzone bzw. dem Lichtbogen emittierte
und über den Lichtleiter übertragene Strahlung spektral
analytisch überwacht, wobei etwaige Abweichungen von den
Sollbedingungen zur automatischen Korrektur der Elektroden
position im Sinne einer genauen Nahtmittenführung der Elek
trode nutzbar gemacht werden. Dabei ist es von Bedeutung,
daß sich die zu verschweißenden Werkstücke zumindest in ei
nem spektralanalytisch erfaßbaren Stoffbestandteil voneinander
unterscheiden. Damit läßt sich durch spektroskopische Aus
wertung des empfangenen Lichtes zuverlässig feststellen, ob
die Grundwerkstoffe beider zu verbindenden Werkstücke in der
gewünschten Weise aufgeschmolzen werden. Eine besonders zuver
lässige Verfahrensdurchführung läßt sich erreichen, wenn die
beiden zu verschweißenden Werkstücke jeweils einen das Be
gleit- bzw. Kennelement bildenden spektralanalytisch erfaß
baren Stoff- bzw. Legierungsbestandteil aufweisen, der im
anderen Werkstück nicht enthalten ist.
Die Abweichung der zu verschweißenden Werkstücke in mindestens
einem Stoff- bzw. Legierungsbestandteil ist bei Schweißarbei
ten im Dünnblechbereich in vielen Fällen gegeben und kann
außerdem in der Fertigung oder Konstruktion entsprechend vor
gegeben werden.
Die Unterschiedlichkeit der Stoffbestandteile der beiden zu
verschweißenden Werkstücke kann aber auch in den jeweiligen
Mengenanteilen dieser Stoffbestandteile innerhalb der Legie
rungen bestehen. Da sich auf spektrometrischem Wege nicht
nur eine qualitative Aussage, sondern über die Intensität
der Spektrallinien und der photoelektrisch erhaltenen Meß
werte auch eine quantitative Aussage über Mengenanteile be
stimmter Komponenten gewinnen lassen, kann das erfindungs
gemäße Verfahren auch dort zur Anwendung kommen, wo die Werk
stoffe der zu verschweißenden Werkstücke sich entweder in
ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder in ihren mengen
mäßigen Zusammensetzungen unterscheiden.
Bei der automatischen Auswertung mittels eines Emissions
spektrometers lassen sich auch obere und untere Toleranz
werte berücksichtigen, so daß die Überwachung des Schweiß
prozesses bezüglich der oberen und/oder unteren Toleranz
werte bestimmter Legierungsbestandteile möglich ist. Die
Auswertung der Meßergebnisse des Emissionsspektrometers kann
mit herkömmlichen Mitteln auf dem Wege des Soll-Ist-Wertver
gleiches und unter Verwendung einer Steuerelektronik erfol
gen.
Es empfiehlt sich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu
gleich eine spektrometrische Verwechslungsprüfung der zu ver
schweißenden Werkstücke durchzuführen, derart, daß bei einer
Werkstückverwechslung eine entsprechende Signalgabe erfolgt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich
eine Einrichtung mit einem optischen Abtastsystem mit von
einer Faseroptik gebildeter Lichtleiterübertragung, die mit
ihrem auf die Schweißzone gerichteten Ende an einer Halterung
des Schweißbrenners gehalten ist, und mit einer Auswerte
und Steuerelektronik zur Schweißbrennernachregelung verwen
den. Dabei weist das optische Abtastsystem der Einrichtung
ein Emissionsspektrometer auf, das an einen Mikroprozessor
mit Auswerte- und Steuerelektronik für die Schweißbrenner
nachregelung angeschlossen ist. Vorzugsweise ist das Kopf
stück der Faseroptik in seiner Winkellage zur Schweißzone
verstellbar angeordnet, so daß es sich genau auf die Schweiß
stelle bzw. auf den Lichtbogen ausrichten läßt. Die Halterung
kann ein Schwenkglied aufweisen, das am Schweißbrenner ange
ordnet ist und mit dessen Hilfe sich das Kopfstück der Fa
seroptik auf den gewünschten Abstand zur Schweißstelle bzw.
zum Lichtbogen einstellen läßt.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine
Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens;
Fig. 2 in Seitenansicht das
am Schweißbrenner angeordnete Kopf
stück der Faseroptik;
Fig. 3 in der Darstellung der Fig. 2 eine geänderte
Ausführungsform der Lagerung des Kopfstückes
der Faseroptik am Schweißbrenner.
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 einer automatischen Schweißein
richtung oder eines Schweißroboters bezeichnet. Die Verbin
dung der Werkstücke 1 und 2 erfolgt vorzugsweise im auto
matischen Lichtbogenschweißverfahren.
Für die zu verschweißenden Werkstücke 1 und 2 werden solche
Werkstücke eingesetzt, die zumindest in einem spektral
analytisch erfaßbaren Stoff- bzw. Legierungsbestandteil
voneinander abweichen. Dieser oder diese Stoffbestandtei
le dienen als "Begleitelemente", die während des auto
matischen Schweißprozesses spektralanalytisch erfaßt und
zur Regelung des Schweißprozesses im Sinne einer Nahtmit
tenführung der Elektrode nutzbar gemacht werden. Eine be
sonders zuverlässige Verfahrensdurchführung ergibt sich vor
allem dann, wenn jedes der beiden Werkstücke 1 und 2 einen
Stoff- bzw. Legierungsbestandteil als Begleitelement auf
weist, der in dem anderen nicht vorhanden ist.
Um beim Schweißprozeß durch genaue Nahtmittenführung der
Elektrode eine einwandfreie Schweißverbindung mit ausrei
chend tiefem Einbrand an den Stoßkanten der Werkstücke 1
und 2 zu erzielen, wird die Schweißzone bzw. der Lichtbogen
während des Schweißprozesses mit Hilfe eines optischen Ab
tastsystems abgetastet. Hierbei findet ein Emissionsspektro
meter 5 mit einer Faseroptik Verwendung, deren Kopfstück 6
am Schweißbrenner 4 angeordnet ist. Im Kopfstück 6 ist ein
Lichtleiter 7 in Gestalt eines Quarzfaserleiters mit seinem
Ende gehalten. Der Lichtleiter 7 ist am anderen Ende am Ein
trittsspalt 8 des Emissionsspektrometers 5 angeschlossen,
welches stationär angeordnet werden kann. Das Kopfstück 6
der Faseroptik ist am Schweißbrenner 4 in einer Halterung 9
so befestigt, daß es genau auf die Schweißzone bzw. den
Lichtbogen ausgerichtet ist und das von der Schweißzone
emittierte Licht über den Lichtleiter 7 dem Emissionsspektro
meter 5 zuleitet.
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
der ausgewählten Spektrallinie (n) des bzw. der oben erwähn
ten Begleitelemente der Werkstücke 1 und 2 photoelektrisch
erfaßt wird bzw. werden. Falls der spektralanalytisch über
wachte Stoff- bzw. Legierungsbestandteil in beiden Werkstücken
1 und 2 in unterschiedlichen Mengenanteilen enthalten ist,
kann das Verhältnis der Intensitäten der betreffenden Spek
trallinien photoelektrisch gemessen werden, wobei das ge
messene Verhältnis ein Maß für die Menge dieser Stoffbestand
teile im Schweißbad ist. Die Austrittsspalte 10 und 11 des
Emissionsspektrometers 5 sind auf die ausgewählten Spektral
linien eingestellt. Hinter diesen Austrittsspalten 10 und 11
sind photoelektrische Empfänger 12 angeordnet, deren elek
trische Signale einem Mikroprozessor 13 zugeführt werden,
der mit einer Auswerteelektronik und mit einer Steuerelek
tronik für die automatische Nachregelung des Schweißkopfes 4
auf die Schweißfugenmitte versehen ist. Bei Positionsabwei
chungen, die auf dem Wege eines Soll-Ist-Wertvergleiches er
mittelt werden, erfolgt eine automatische Korrektur der
Elektrodenposition relativ zur Schweißfuge. Bei der Nach
regelung wird demgemäß der Schweißbrenner 4 in die Sollage
zurückgestellt.
Fig. 2 zeigt einen bogenförmigen Schweißbrenner 4′ mit der
Halterung 9 für das Kopfstück 6 der Faseroptik. Das Kopf
stück 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 schwenk
beweglich gelagert, wobei er in den verschiedenen Schwenk-
Positionen mit seiner Feststellschraube od. dgl. festgestellt
werden kann. Das Gelenk 16 befindet sich an einer Schelle 17
des Schweißbrenners 4′. Mit Hilfe der vorgenannten Einstell
möglichkeiten 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 mit
ihrem Kopfstück 6 an einem geraden Schweißbrenner 4′′ ver
stellbar gelagert. Letzterer weist an einer Manschette 17
ein kurzes Schwenkglied 14′ auf, an welchem das Kopfstück 6
der Faseroptik mittels einer Gewindeeinstellvorrichtung 15
verstellbar gelagert angeordnet ist. Mit 18 ist ein Gasrohr
für die Schutzgaszuführung bezeichnet.
Wie oben erwähnt, wird während des Schweißprozesses die von
der Schweißzone emittierte Strahlung über die Faseroptik 6, 7
dem Emissionsspektrometer 5 zugeleitet und von letzterem bei
Positionsabweichungen der Elektrode zur Lieferung eines den
Schweißprozeß im Sinne einer Nahtmittenführung der Elektrode
korrigierenden Regelsignals ausgewertet. Die Auswertung der
Meßergebnisse erfolgt durch die Auswerteelektronik des Mikro
prozessors 13, wobei über die Steuerelektronik die automa
tische Schweißbrennernachregelung bewirkt wird.
Claims (5)
1. Verfahren zur Nahtmittenführung der Elektrode beim auto
matischen Schweißprozeß, insbesondere beim Lichtbogen
schweißen, mit optischer Abtastung der Schweißzone mit
tels eines Lichtleiters, wie vor allem eines Quarzfaser
leiters, und mit automatischer Korrektur der Elektroden
position relativ zur Schweißfuge bei Positionsabweichun
gen mittels Soll-Ist-Wertvergleich und Steuerelektronik,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - als zu verschweißende Werkstücke werden sol che Werkstücke (1, 2) eingesetzt, die zumin dest in einem spektralanalytisch erfaßbaren Stoffbestandteil, vorzugsweise jeweils in ei nem Legierungsbestandteil, der in dem anderen Werkstück nicht enthalten ist, voneinander ab weichen;
- - während des Schweißvorgangs wird die von der Schweißzone emittierte und über den Lichtlei ter übertragene Strahlung mittels eines Emissions spektrometers auf den bzw. die abweichenden Stoffbestandteile hin spektralanalytisch über wacht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zugleich eine spektrometrische Verwechslungsprüfung mit
Signalgabe bei Werkstückverwechslung durchgeführt wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1 oder 2, mit einem optischen Abtastsystem mit
von einer Faseroptik gebildeter Lichtleiterübertragung,
die mit ihrem auf die Schweißzone gerichteten Ende an
einer Halterung (9) des Schweißbrenners (4, 4′, 4′′) ge
halten ist, und einer Auswerte- und Steuerelektronik
zur Schweißbrennernachregelung, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Abtastsystem ein Emissionsspektro
meter (5) aufweist, das an einen Mikroprozessor (13)
mit Auswerte- und Steuerelektronik für die Schweiß
brennernachregelung angeschlossen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kopfstück (6) der Faseroptik (6, 7) in seiner Win
kellage zur Schweißzone verstellbar angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Halterung (9) ein Schwenkglied (14,
14′) aufweist.
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