DE3435829A1

DE3435829A1 - Sensor fuer die ueberwachung bei der herstellung von schweissnaehten

Info

Publication number: DE3435829A1
Application number: DE19843435829
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 München Mágori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-09-28
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1986-04-10
Also published as: US4650958A; JPS6186078A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT " " Unser Zeichen Berlin und München . &' VPA 04 P j 8 O 8 DE

Sensor für die Überwachung bei der Herstellung von Schweißnähten.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

In zunehmendem Maße werden automatisch arbeitende Schweißgeräte z.B. im Zusammenhang mit Schweiß-Robotern verwendet. Bei solchen Geräten muß sichergestellt sein, daß mit Hilfe einer automatischen Regelung die Schweißelektrode genau entlang desjenigen Weges geführt wird, wo die Schweißnaht herzustellen ist bzw. wo die miteinander zu verschweißenden Teile aneinanderstoßen.

Bisher wurde das vorgenannte Problem dadurch gelöst, daß man den zeitlichen Verlauf des während des Schweißvorgangs fließenden elektrischen Schweißstromes überwacht hat. Man hat dazu der Schweißelektrode in Querrichtung zum Verlauf der Schweißnaht eine oszillierende Bewegung aufgeprägt. Einzelheiten hierzu sind in 'Control Engineering', Band 30 (1983), Seiten 68 ff. angegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfacheres Verfahren zur Überwachung der Schweißnahtführung anzugeben. Insbesondere soll die zu findende Methode so ausgestaltet sein, daß sie einem jedweden automatisch arbeitenden Schweißgerät adaptiert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bts 1 BIa / 20.8.1984

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Der Erfindung liegt ein vergleichsweise zum obengenannten Stand der Technik völlig anderes Prinzip zugrunde, nämlich das akustische Geräusch, das der Schweißlichtbogen direkt und/oder indirekt erzeugt, heranzuziehen und insbesondere dessen hochfrequente Luftschallkomponente mit mehreren Mikrophonen auszuwerten .

Der Schweißlichtbogen erzeugt Schallwellen, und zwar insbesondere auch in hochfrequentem Bereich. Derartiger vom Lichtbogen ausgehender Ultraschall wird an den einander gegenüberstehenden, gerade noch nicht miteinander verschweißten Werkstückkanten der miteinander zu verschweißenden Werkstücke reflektiert. Diese Reflexionen an beiden Kanten führen bei richtiger Position der Schweißelektrode, d.h. bei am richtigen Ort auftretendem Schweißlichtbogen, dazu, daß die an beiden Kanten reflektierten akustischen Signale ohne zeitlichen Versatz einander ähnlich sind. Mit wenigstens je einem Mikrophon nimmt man den von der jeweiligen Werkstückkante reflektierten Ultraschall des Schweißvorgangs auf. Die Kreuzkorrelationsfunktion der elektrischen Signale der zwei Mikrophone au und m-

ΑΊ
^k1,2 ⁼ Tt X "I₁Ct) . m₂ (t-r) dt

hat beim Wert T=O ihr Maximum. In dieser Gleichung ist ^T das Intgrations-Zeitintervall für die variable "Zeit" t und T ist darin der zeitliche Versatz. Ein örtlicher Versatz der Schweißelektrode gegenüber den Werkstückkanten bzw. der Soll-Lage der Schweißnaht würde sich in einem analogen zeitlichen Versatz γ der Empfangssignale der Mikrophone iru und nip äußern, denn die reflektierten Signale sind aufgrund ihres gemeinsamen Ursprungs im Lichtbogen einander ähnlich. Die Empfindlichkeit des Gerätes bzw. der Maßnahme der vorliegenden Erfindung läßt sich dadurch erhöhen, daß man Emp-

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• I-

fang bzw. Auswertung direkt von der Schweißflamme zum jeweiligen Mikrophon gelangender Schallanteile vermeidet. Dies kann durch schalloptische Maßnahmen und/oder durch elektrische Kompensation in der elektronischen Auswertung der Empfangssignale vorgenommen werden.

Nutzbar zu machende, indirekt vom Lichtbogen erzeugte Geräusche beruhen darauf, daß in der Hitze des Lichtbogens plötzlich verdampfende Schmutzpartikel Schallwellen aussenden. Solche Partikel kommen vorwiegend im Bereich der miteinander zu verschweißenden Kanten vor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten Figuren.

Fig.1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Aufbaues,

Fig.2 zeigt eine auch in ihrem Prinzip noch zu beschreibende Alternative und

Fig.3 zeigt eine Geräteanordnung.

Mit 1 und 2 sind die beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücke bezeichnet, die mit ihren Kanten 11 und 12 aneinanderstoßen. Wie dies für Schweißen an sich üblich ist, bilden diese Kanten 11 und 12 eine V-förmige Nut. Mit 3 ist die bereits ausgeführte Schweißnaht, mit 4 die Elektrode und mit 5 der auftretende Schweißlichtbogen bezeichnet. Mit 6 und 7 ist auf die jeweilige Ultraschall-Strahlung hingewiesen, die von der Kante 11 zum Mikrophon nu und die von der Kante 12 zum Mikrophon m-, reflektiert wird.

Fig.2 zeigt eine Weiterbildung, mit deren Hilfe durch eine gleichzeitige Auswertung des zeitlichen Verlaufes bzw. der

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spektralen Verteilung des Schweißgeräusches, d.h. durch Auswertung zusätzlicher akustischer Signale, weitere Kenntnisse über einzelne Schweißparameter gewonnen werden können. Im Spalt zwischen den beiden Werkstücken 1 und 2, d.h. zwischen den Kanten 111 und 112, können außerdem Resonanzerscheinungen infolge mehrfacher Reflexionen vom Schweißlichtbogen 5 ausgehenden Ultraschalles auftreten. Mit Hilfe eines Mikrophones m werden solche auf Mehrfachreflexionen beruhenden akustischen Signale aufgenommen und aus dem Auswerte-Ergebnis kann auf die jeweilige Breite des Spaltes rückgeschlossen werden. Dies kann insbesondere zur Steuerung des Schweißbogenstromes und/oder zur Steuerung des Elektrodenabstandes ausgewertet werden.

Fig.3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines die Erfindung auswertenden Gerätes. Mit 31 ist die Auswerteschaltung bezeichnet, der die Signale der beiden Mikrophone m,. und mzur Auswertung zugeführt 34, 35 werden. Mit 32 ist eine Vorrichtung bezeichnet, in der außer der üblichen mechanischen Vorrichtungen zur Höhen- und Longitudinalbewegung der Schweißelektrode 4 eine Mechanik zur transversalen Bewegung der Schweißelektrode, d.h. quer zur Längsausrichtung der Schweißnaht, auszuführen ist. Diese Transversalbewegungseinrichtung 36 wird durch das von der Auswertung gelieferte Korrektursignal 33 so gesteuert, daß sich die Schweißelektrode 4 stets in der - bezogen auf die transversale Richtung - gewünschten Lage über der durch die Kanten 11 und 12 gebildeten Fuge befindet, in der die Werkstücke 1 und 2 miteinander zu verschweißen sind.

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Claims

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Patentansprüche:

1 . Schweißnahtsensor mit seitlicher Nachsteuerung der Schweißelektrode,
gekennzeichnet dadurch,,

- daß mehrere Mikrophone (πι^,πίρ) vorgesehen sind,

- die im wesentlichen symmetrisch zur herzustellenden Schweißnaht (3) in Querrichtung (36) zu dieser zum Empfang an den Werkstückkanten (11,12) reflektierter und/ oder im Bereich von Lichtbogen (5) und Werkstückkanten (11,12) von verdampfenden Partikeln ausgehender, direkt bzw. indirekt vom Lichtbogen erzeugter Ultraschall-Strahlung angeordnet sind,

- und daß eine Auswerteschaltung (31) vorgesehen ist, der die getrennt empfangenen Signale zugeführt (34,35) werden, aus denen fortlaufend das Steuersignal (33) zur Nachsteuerung (32) der Schweißelektrode (4) erzeugt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen direkte Schalleinstrahlung vom Lichtbogen (5) in die Mikrophone (nu ,m-) unterbunden ist.