DE3511707C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 31 50 813 be­ kannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden ständig zwei Parameter gemessen, nämlich die Pendelbreite der Elektrode und die von der Elektrode beschriebene Fläche: Die gemesse­ nen Werte werden zur Steuerung der Elektrodenbewegung heran­ gezogen. Das Verfahren ist nur für verhältnismäßig kleine Schweißströme anwendbar, da bei größeren Schweißströmen sei­ ne Vorbedingungen nicht eingehalten werden können.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren dieser Art derart verbessert werden, daß es einfacher durchzuführen und auch bei höheren Schweißströmen einwandfrei anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacher durchzuführen, da nur mehr ein einziger Parameter, nämlich die Pendelbreite der Elektrode, gemessen und zur Steuerung der Elektrodenbe­ wegung herangezogen wird. Für eine exakte Durchführung des Verfahrens besteht keine Beschränkung auf kleine Schweißströ­ me. Es bestehen darüber hinaus auch keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Einhaltung eines bestimmten Schweißwe­ ges oder Abstandes der Elektrode sowie der Lage der Schweiß­ raupe. Es ist somit auf beliebige Lagen der Schweißraupe an­ wendbar.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Grundschaltung für die Steuerung einer konstanten Lichtbogenlänge durch den Motor für die Y-Achse in der Schweißvorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung für den Mo­ tor der X-Achse in der Schweißvorrichtung von Fig. 1,

Fig. 4A und 4B Diagramme zur Erklärung einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 5 und 6 Diagramme zur Erklärung verschiedener Fugenformen, bei denen das Verfahren gemäß der Erfindung anwendbar ist,

Fig. 7 ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für den Steuervor­ gang bei einer Ausführungsform der Erfindung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Schweißmaschine zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung derart ausgelegt, daß ein Schweißschlitten 3 längs einer Schweißfu­ ge 2 des zu verschweißenden Grundmetalls 1 verschiebbar ist und eine vom Schweißschlitten 3 gehaltene Schweißelektrode 5 durch Antriebsmechanismen 4Y und 4X für die Vertikalrichtung (Y-Achse) und für die Richtung der Fugenbreite (X-Achse) in Richtung der Fugenlinien verschoben und dabei innerhalb der Fuge in Richtung der Fugenbreite pendelt. Gleichzeitig mißt eine Wegmeßeinrichtung 6Y, bestehend aus einem Potentiometer oder dergleichen, die Bewegung der Elektrode 5 in Richtung der Y-Achse, die dergestalt gesteuert wird, daß die Länge des Lichtbogens konstant gehalten wird. Desgleichen mißt eine aus dem Potentiometer oder dergleichen bestehende Weg­ meßeinrichtung 6X die Bewegung der Elektrode 5 in Richtung der X-Achse bei ihrer Pendelbewegung in Richtung der Fugen­ breite. Die Elektrode 5 kann entweder eine Abschmelzelek­ trode oder eine nichtabschmelzende Elektrode sein. Eine Schweiß-Energiequelle 7 ist zwischen der Elektrode 5 und dem Grundmetall 1 angeschlossen, und die Energiequelle 7 enthält eine konstante Stromquelle oder eine konstante Spannungs­ quelle, je nach dem Schweiß-Anwendungsfall. Bezugszahl 8 be­ zeichnet eine Lichtbogen-Spannungsmeßeinrichtung, und Be­ zugszahl 9 eine Lichtbogen-Strommeßeinrichtung. Diese Meß­ einrichtungen sind nur dann vorgesehen, wenn sie vom Stand­ punkt der Steuerung aus erforderlich sind.

Die Grundlage des Steuerverfahrens gemäß der Erfindung be­ steht in einer konstanten Lichtbogenlänge, welche die pen­ delnde Schweißbewegung steuert, die dadurch entsteht, daß die Elektrode 5 in Richtung der Breite (X-Achse) innerhalb der Fuge 2 hin- und herbewegt wird, wobei die Elektrode 5 gleichzeitig in Richtung der Höhe (Y-Achse) derart verschoben wird, daß die Länge des Lichtbogens stets konstant bleibt. Die Elektrode 5 wird in Richtung der X-Achse durch den Antriebsmechanis­ mus 4X hin- und herbewegt, welcher durch einen X-Achsen-Mo­ tor 10X getrieben wird, und die Bewegung der Elektrode 5 in Richtung der Y-Achse erfolgt durch den Antriebsmecha­ nismus 4Y, der durch einen Y-Achsen-Motor 10Y getrieben wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der An­ triebsmechanismus 4X, der die Elektrode 5 zur Bewegung in Richtung der X-Achse trägt, auf dem Antriebsmechanismus 4Y dergestalt befestigt, daß es in Richtung der Y-Achse verschiebbar ist, und der Antriebsmechanismus 4Y am Schlitten 3 befestigt ist, jedoch beschränkt sich die Erfindung in keiner Weise auf die beschriebene Befestigungsreihenfolge. Eine Grundschaltung für die Steuerung einer konstanten Lichtbogenlänge ist, wie in Fig. 2 dargestellt, derart aufgebaut, daß ein Differenzialverstärker 11 mit der Lichtbogenspannung von der Lichtbogen-Spannungsmeßein­ richtung 8 gespeist wird, wenn die Energiequelle 7 eine konstante Stromquelle ist; wenn die Energiequelle eine konstante Spannungsquelle ist, wird er mit dem Lichtbogen­ strom von der Lichtbogen-Strommeßeinrichtung 9 gespeist. Somit erzeugt der Verstärker 11 die Differenz zwischen dem Eingangswert und dem Bezugswert, der an einer Einstell­ einrichtung 12 vorgewählt, die den Y-Achsen-Motor 10Y mit der Drehzahl antreibt, welche dem Differenzausgang entspricht. Diese Schaltung hält die Lichtbogenspannung (bzw. den Lichtbogenstrom) konstant, wodurch auch die Lichtbogenlänge konstant gehalten wird, und das vordere Ende der Elektrode 5 wird bei deren Bewegung in Richtung der X-Achse längs der Fugenwand bewegt.

Diese Elektrodenbewegung in Richtung der X-Achse wird durch die in Fig. 3 gezeigte Antriebssteuerschaltung gesteuert. Insbesondere ist der in Fig. 3 dargestellte X-Achsen-Motor 10X derart ausgelegt, daß er durch eine Steuerung 15 mit einer durch eine Einstelleinrichtung 14 vorgewählten konstanten Drehzahl betrieben wird, und die Drehrichtung des X-Achsen-Motors 10X wird jedesmal umgekehrt, wenn die Steuerung 15 ein Signal vom Umschalt- Impulsgenerator 16 erhält. Die von der Wegmeßeinrichtung 6Y gemessene Y-Achsen-Verschiebung e_y der Elektrode 5 wird mit einem vorgewählten und in einem Speicher 17 gespeicherten Endstellungs-Sollwert e_o durch eine Vergleichs­ schaltung 18 verglichen, so daß jedesmal, wenn die Gleich­ heit zwischen e_y und e_o festgestellt wird, ein Umschalt- Steuersignal vom Umschalt-Impulsgenerator 16 als Folge eines von der Vergleichsschaltung 18 erzeugten Signals an die Steuerung 15 angelegt wird.

Fig. 4A zeigt die Art, wie die Elektrode 5 durch die Vor­ richtung von Fig. 1 mit der Steuereinrichtung von Fig. 2 und 3 bewegt wird, und Fig. 4B zeigt als Beispiel ein Lageverhältnis zwischen dem entstehenden Schmelzpunkt und dem vorderen Ende der Elektrode. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugszahl 5a den Weg des vorderen Endes der Elektrode, 1a die Oberfläche des Grundmetalls, 2a den Grund der Schweißfuge und 30 das Schmelzgut.

In Fig. 4A wird die Elektrode 5 z. B. zunächst an ein Ende (a) der Fuge angesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Y-Achsen-Verschiebung als e_o gespeichert. Wenn ein Lichtbogen entsteht und die Bewegung der Elektrode 5 in Richtung der X-Achse beginnt, wird durch die oben erwähnte Steuerung für eine konstante Lichtbogenlänge das vordere Ende der Elektrode praktisch längs den Wänden der Fuge durch die Punkte (a), (b) und (c) in der Figur bewegt, und es ergibt sich für das vordere Ende der Elek­ trode der Weg 5a. Wenn das andere Ende (c) erreicht ist, wird der Ausgang e_y der Wegmeßeinrichtung 6Y wiederum zu e_o, und daher wird die Richtung der X-Achsen-Bewegung durch die Steuerschaltung von Fig. 3 umgekehrt. Dieser Vorgang wiederholt sich anschließend in der gleichen Weise.

Die Laufzeit von einer Endlage (a; c) zur entgegengesetzten Endlage (c; a) der Hin- und Herbewegung wird als eine Schwingungsperiode bezeichnet. Durch dieses Steuerverfahren wird selbst dann, wenn der Mittelpunkt der Fuge von der Bewegungsrichtung des Schweißschlittens abweicht, erreicht, daß das vordere Ende der Elektrode stets seine Hin- und Herbewegung innerhalb der Fugenbreite wiederholt und dabei einen vorgewählten Abstand von der Oberfläche des Grundme­ talls oder des Fugengrunds einhält.

Während jeder Schwingungsperiode wird die Schwingungs­ breite Ww, die von der X-Achsen-Wegmeßeinrichtung gemessen werden kann, auf eine Fugenbreite B am Schwingungs-Umkehr­ punkt (dem Punkt e_o) bezogen, wie durch folgende Glei­ chung dargestellt:

B=Ww+2ΔW (1)

In der Gleichung (1) ist ΔW der Abstand zwischen dem vordere Ende der Elektrode und der Fugenwand am End­ punkt der Hin- und Herbewegung; dies ist im wesentlichen eine Konstante, welche durch die einzuhaltende Licht­ bogenlänge bestimmt wird. Somit ändert sich dieser Wert nicht bei Änderungen der Fugenbreite, wenn der Augenblicks­ wert des Schweißstroms und der Lichtbogenspannung konstant gehalten wird, was durch Versuche bestätigt wurde.

Wenn andererseits Vf die Zuführgeschwindigkeit des Schweiß­ drahts darstellt, V die Schweißgeschwindigkeit und A die Querschnittsfläche des im Verlaufe einer Schwingungs­ periode entstehenden Schmelzguts 30, so gilt folgende Beziehung:

Vf=A · V (2)

Wenn Δh (Δh=e_o-h) den Abstand zwischen der Oberfläche der Schweißraupe und dem Schwingungs-Umkehrpunkt, h die Raupenbreite und R den Fugenwinkel darstellt, so gilt folgende Beziehung:

A={(Ww+2ΔW)- 2Δh · tan R-h · tan R)} h (3)

Die Gleichung (3) zeigt, daß dann, wenn die Tiefe der Schweißfuge (oder die Plattendicke) und der Fugenwinkel R konstant ist, die gewünschte Querschnittsfläche A des Schmelzguts, welche stets eine vorbestimmte Raupenhöhe trotz Schwankungen der Fugenbreite sicherstellt, durch Berechnung in Abhängigkeit vom Wert der gemessenen Schwin­ gungsbreite Ww erzielt werden kann.

Somit kann durch vorherige Eingabe eines Fugenwinkels R, einer gewünschten Raupenhöhe h, einer durch den Schweiß­ strom bestimmten Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißdrahts Vf und der Konstanten ΔW in eine Rechnereinheit, z. B. einen Mikrocomputer vor Beginn der Schweißung, die geeig­ nete Schweißgeschwindigkeit V in Abhängigkeit von der während jeder Schwingungsperiode gemessenen Schwingungs­ breite Ww erzielt werden.

Es wird nunmehr eine vereinfachte Ausführungsform für die Berechnung der geeigneten Schweißgeschwindigkeit beschrie­ ben. Im allgemeinen, und ohne Beschränkung auf die in Fig. 4A und 4B beschriebenen Schweißfugen, werden die Schweißbedingungen einschließlich Schweißgeschwindigkeit Schweißstrom, Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißdrahts etc. als Eingangswerte in Abhängigkeit von der Fugenform vorbestimmt, und anschließend werden die Schweißbedingungen in Abhängigkeit von Schwankungen der Fugenbreite geändert. Wenn gemäß diesem Verfahren die Eingangswerte oder die Zuführungsgeschwindigkeit des Schweißdrahts bzw. die Schweiß­ geschwindigkeit mit Vfo und Vo bezeichnet werden, und wenn die Schweißung unter diesen Bedingung eingeleitet wird, ergibt sich nach einer Schwingungsperiode die Quer­ schnittsfläche Ao des entstehenden Schmelzguts durch folgende Gleichung:

Die Schwingungsbreite unter diesen Verhältnissen wird mit Wwo bezeichnet. Nehmen wir nun an, daß die Fugen­ breite sich während der folgende Schwingungsperiode verändert, so daß sich die Fugenbreite z. B. erhöht und zu Ww wird. In diesem Fall muß, um eine vorbestimmte Raupenhöhe h sicherzustellen, die Querschnittsfläche des Schmelzguts um einen Betrag ΔA=A-A_o erhöht werden. Das bedeutet, daß in der Gleichung (3) alle Parameter außer Ww konstant sind, und es gilt daher folgende Gleichung:

ΔA=A-Ao=(Ww-Wwo)h (5)

Daher ist die Schweißgeschwindigkeit V, die erforderlich ist, um die vorbestimmte Raupenhöhe h sicherzustellen, durch folgende Gleichung in Übereinstimmung mit den Gleichungen (4) und (5) gegeben.

Wenn Gleichung (6) verwendet wird, ist es durch Voraus­ bestimung einer gewünschten Raupenhöhe h für eine Schweißfuge mit veränderlicher Fugenbreite möglich, die geeignete Schweißgeschwindigkeit V für dei nächstfolgen­ de Schwingungsperiode in Abhängigkeit von der ursprüng­ lichen Schweißgeschwindigkeit Vo und der vor der Schwei­ ßung festgesetzten Zuführungsgeschwindigkeit für den Schweiß­ draht Vfo sowie die Änderung des Meßwerts der Schwingungs­ breite während jeder Periode bzw. des Wertes von Ww-Wwo zu berechnen.

Da dieses Verfahren unabhängig von dem vorgewählten Wert des Fugenwinkels anwendbar ist, wenn nur die Fugenwinkel konstant ist oder sich nicht beträchtlich ändert, be­ schränkt sich das Verfahren nicht auf die Fugenformen von Fig. 4A und 4B, und es ist auch z. B. auf unsymmetri­ sche Fugen wie in Fig. 5 dargestellt anwendbar. Auch wenn die Schweißung in Teilstücken erfolgt, wie in Fig. 6 dargestellt, läßt sich das Verfahren durch vorherige Festlegung der Lage der X-Achse auf einen Endpunkt a der Hin- und Herbewegung anwenden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Ablaufdiagramms für den durchgeführten Steuervorgang, wenn die Steuerung der Schweißgeschwindigkeit durch einen Mikrocomputer gemäß Gleichung (6) erfolgt. Bei Schritt 1 wird zunächst eine gewünschte Schweißraupenhöhe h, ein Ausgangswert Vo der Schweißgeschwindigkeit und ein Vorgabewert Vfo der Zuführ­ geschwindigkeit des Schweißdrahts eingegeben und gespei­ chert. Im Schritt 2 wird der Wert von Ao=Vfo/Vo berech­ net und gespeichert. Bei Schritt 3 wird die Schweißung eingeleitet. In diesem Fall erfolgt die erforderliche Steuerung der Hin- und Herbewegung in Abhängigkeit von den Bewegungsmechanismen und den Steuerschaltungen von Fig. 1-3. Nach Abschluß einer Schwingungsperiode bei Schritt 4 wird die sich ergebende Schwingungsbreite Wwo in Schritt 5 gemessen. Nachdem die darauffolgende Schwingung in gleicher Weise eingeleitet und bei Schritt 6 abge­ schlossen wurde, wird in Schritt 7 die sich ergebende Schwingungsbreite Ww gemessen. Es ist zu beachten, daß die Schweißgeschwindigkeit bis zu diesem Zeitpunkt Vo beträgt. Sodann wird der Wert von (Ww-Wwo)h in Schritt 8 berechnet,woraufhin die geeignete Schweißgeschwindig­ keit V gemäß Gleichung (6) in einem Schritt 9 berechnet wird. In einem Schritt 10 wird die geeignete Schweißge­ schwindigkeit V zum ersten Mal verwendet, und die nächste Schwingungsperiode wird eingeleitet. Anschließend werden die Abläufe von Schritt 7 bis 10 wiederholt und die Schwei­ ßung dann in Schritt 11 abgeschlossen.

Claims (4)

1. Verfahren zur automatischen Steuerung der Höhe einer Schweißraupe unter pendelnder Hin- und Herbewegung einer Schweißelektrode in Richtung der Breite innerhalb einer Schweißfuge von zwei miteinander zu verschweißenden Metallteilen, wobei in einem Steuervorgang der Höhenab­ stand zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und der Oberfläche der zu verschweißenden Metallteile durch eine Einrichtung zum Antrieb der Schweißelektrode in axialer Richtung (Y-Achse) verändert wird, um einen Schweiß­ strom- oder einen Lichtbogenspannung-Sollwert aufrecht­ zuerhalten und dadurch stets die Lichtbogenlänge kon­ stant zu halten, und gleichzeitig die Elektrode in Richtung der Breite der Schweißfuge (X-Achse) bewegt und die Bewegungsrichtung in der X-Achse umgekehrt wird, wenn die Schweißelektrode um einen festgelegten Hubsoll­ wert längs der Y-Achse verschoben worden ist, und sodann der Vorgang dergestalt wiederholt wird, daß der Lichtbo­ gen am vorderen Ende der Elektrode veranlaßt wird, genau der Schweißfuge zu folgen, wenn er über die Breite der Schweißfuge pendelt, wobei der Höhenabstand von der Oberfläche der zu verschweißenden Metallteile oder vom Grund der Schweißfuge zu jedem Endpunkt der Pendelbewe­ gung konstant gehalten wird, wobei die Laufzeit von einem Endpunkt zum anderen Endpunkt der Pendelbewegung als Periode, die Schweißdraht-Zuführgeschwindigkeit Vfo und die ursprünglich eingestellte Schweißgeschwindigkeit Vo festgelegt werden, die Breite Ww in Richtung der X-Achse der Pendelbewegung während der Dauer der Periode gemessen wird und die Schweißgeschwindigkeit V in Abhän­ gigkeit von der Breite Ww, von einer von der Schweißung abhängigen Querschnittsfläche und von der Zuführge­ schwindigkeit Vf des Schweißdrahts bestimmt wird, diese Schweißgeschwindigkeit V während der folgenden Periode der Pendelbewegung ausgeführt wird, und dieser Steuer­ vorgang wiederholt wird, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die gewünschte Schweißraupenhöhe h, die Fugenwin­ kel R und der Abstand ΔW in Richtung der X-Achse zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einer Wand der Schweißfuge an einem Umkehrpunkt der Pendel­ bewegung festgelegt wird,
• b) daß die Querschnittsfläche als Querschnittsfläche A des Schmelzguts in Abhängigkeit von der Breite Ww und Wwo der Pendelbewegung in Richtung der X-Achse wäh­ rend der gegenwärtigen bzw. der vorangehenden Perio­ de, der gewünschten Höhe h der Schweißraupe, dem Abstand Δh zwischen der Oberfläche der Schweißraupe der Höhe h und einem Umkehrpunkt der Pendelbewegung, den Fugenwinkeln R und dem Abstand ΔW zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einer Wand der Schweißfuge an einem der Umkehrpunkte der Pendelbewe­ gung in Richtung der X-Achse ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Fugenwinkel R dem anderen Fugenwinekl R gleich ist, und daß diese Fugenwinkel R in Richtung der Schweißlinie konstant sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fugenwinkel R vom anderen Fugenwinkel R verschieden ist, und daß die Fugenwinkel R in Richtung der Schweiß­ linie konstant sind.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schweißgeschwindigkeit V mit Hilfe der folgenden Gleichung ermittelt wird: