DE3606069A1 - Verfahren und anordnung zur opto-elektronischen steuerung der nahtausbildung bei der automatisierten rohr-laengsnahtschweissung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur opto-elektronischen Steuerung der Nahtausbildung bei der automatisierten Rohr-Längsnahtschweißung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.

Bei dem automatisierten Längsnahtschweißen von Rohren aus Stahl oder Nichteisenmetallen unter Verwendung von einem oder mehreren hintereinander angeordneten Licht­ bogen-Brennern, die üblicherweise an der Außenseite des Schlitzrohres angeordnet sind, kommt der vollständigen Auschmelzung beider Blechkanten des Rohrspaltes des Schlitzrohres und der ausreichenden Durchschweißung große Bedeutung im Hinblick auf die Rohrqualität zu, weswegen die Beurteilung der entstandenen Schweißnaht ein wichtiges Instrument zur Qualitätssicherung ist.

Ein Verfahren zur Steuerung des Schweißvorganges bei der Herstellung von Längsnahtrohren ist aus der gattungsbildenden DE-PS 28 50 978.6-09 bekannt. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, mit der bei der kontinuierlichen Hochfrequenzschweißung erzeugten Breite des Schweißwulstes als eine die Qualität der Schweißnaht widerspiegelnde Größe die zugeführte elektrische Energie zu regeln bzw. die elektrische Energie in Abhängigkeit von der gemessenen Schweißtemperatur sowie den Schweißdruck in Abhängigkeit von der gemessenen Schweißwulstbreite zu regeln. Dabei wird die Schweißwulstbreite mittels einer Dioden-Zeilenkamera als Breitenmeßgerät an der Außenseite des längsgeschweißten Rohres ermittelt.

Eingehende Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß die Breitenmessung des Schweißwulstes von der Außenseite des Rohres her nur bedingt tauglich für die Beurteilung der Nahtqualität ist. Dies gilt in noch stärkerem Maße, wenn ein Schmelzschweißverfahren zur Anwendung kommen soll. Hierbei kann aus der Außennahtbreite nicht auf die Durchschweißung der Naht geschlossen werden.

Es wurde daher nach Möglichkeiten einer Breitenmessung von Schweißnähten von der den Brennern abgewandten Seite des zu verschweißenden Materials gesucht. In der Veröffentlichung "A Review of Optical Methods for Adaptive Control in Arc Welding", The Welding Institute, Abington Hall, Cambridge (1982), Seite 6 und 7 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch zwei über dem durch zwei über dem Schweißspalt auf gegenüberliegenden Seiten im Abstand vor dem Schweiß­ brenner angeordnete Fotozellen, die an den Stoßflächen des Schweißspaltes reflektierte Lichtstrahlung des Lichtbogens vergleichend gemessen und zur Steuerung der Schweißbrennerposition benutzt wird. Außerdem wird hierbei mittels einer Reihe von weiteren Fotozellen, die unterhalb der Schweißnaht die Lichtstrahlung des glühenden Schweißgutes messen, die Breite der Schweißnaht ermittelt und zur Regelung des Schweißstromes benutzt.

Die Erfassung des Schweißspaltes ist bei diesem Verfahren jedoch insbesondere durch die direkte Licht­ abstrahlung häufig gestört und erfordert zur Sicherung aufwendige Sondermaßnahmen (z.B. Einsatz von Laser-Lichtquellen und Lichtleitern). Nachteilig hierbei ist auch, daß die Position des Schweißbrenners nur in Abhängigkeit von der Geometrie des Schweißspal­ tes gesteuert werden kann, d. h., der Brenner wird stets nur in der Mitte des Schweißspaltes gehalten. Störein­ flüsse wie Blaswirkung, die zu einer Ablenkung des Lichtbogens führen und die Nahtqualität beeinflussen, bleiben dabei immer unberücksichtigt. Die Veränderung der Brennerposition erfolgt hierbei lediglich im Sinne einer Steuerung und nicht im engeren Sinne einer Regelung, da die "richtige" Brennerposition von der Sensoreinrichtung nicht direkt erfaßt wird. Die Sensoreinrichtung folgt lediglich dem tatsächlichen Nahtverlauf. Der Erfolg dieser Steuerung hängt daher stets davon ab, ob Schweißbrenner und Sensoreinrichtung richtig zueinander justiert sind. Weiterhin nachteilig ist, daß die bekannten Vorrichtungen nicht geeignet sind für einen Einsatz bei der Herstellung längsnaht­ geschweißter Rohre mit kleinem Durchmesser (ab ca. l0 mm).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art in der Weise weiterzubilden, daß es mit möglichst einfachen Mitteln die Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren in gesicherter, gleich­ bleibend hoher Schweißqualität ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. durch die Anordnung zur Durchführung desselben nach Patentanspruch 5 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Das Verfahren und die entsprechende Anordnung stellen eine gleichmäßige Durchschweißung bei gleichbleibender Nahtbreite und korrekter Stellung des/der Schweißbrenner(s) über dem Schweißspalt sicher. Der wesentliche Fortschritt für die Qualitätssicherung beim automatisierten Längsnahtschweißen besteht darin, nicht nur direkt während des Schweißvorganges die Innennaht­ breite zu messen und gleichzeitig die Stellung des/der Schweißbrenner(s) über dem Schweißspalt zu erfassen, sondern auch sicherzustellen, daß die Schweißnaht und der Schweißspalt stets mittig zueinander liegen, daß also die Aufschmelzung der Stoßflächen im Schweißspalt immer gleichmäßig erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Regelung nicht eine losgelöste Verfolgung und Korrektur des Nahtbreiten- und des Schweißspaltlagesignals vorsieht, sondern beide Signale miteinander verknüpft und daraus die Stellsignale für die Schweißbrennerposition ableitet. Die Stellung des Schweißbrenners ist damit direkt vom Ergebnis der Schweißung beeinflußt, d. h., es handelt sich hierbei nicht um eine Steuerung, sondern um eine Regelung im strengen Sinne.

Die Meßgrößen werden mit Hilfe opto-elektrischer Bauelemente erfaßt. Die elektronische Verarbeitung der so erhaltenen Meßdaten und ein Soll-Istwert-Vergleich mit vorgegebenen Daten gestatten die Regelung von Schweißparametern, beispielsweise der Schweißstromstär­ ke zur Einhaltung einer vorgesehenen Innennahtbreite.

Die Erfassung der Meßgrößen mit opto-elektronischen Bauelementen beruht auf der Tatsache, daß beim Schweißen der Längsnaht das schmelzflüssige oder gerade erstarrte Schweißgut eine Lichtstrahlung hoher Intensität ausstrahlt.

Zur Messung der Innennahtbreite während des Schweißens, die z.B. mit Hilfe einer quer zur Nahtrichtung angeordneten Diodenzeile erfolgen kann, wird vorzugsweise ein lichtempfindlicher Halbleiter (z.B. eine lichtempfindliche Diode) an der glühenden Innennaht in einer Radialebene des Rohres oszillierend oder rotierend vorbeigeführt. Durch das Erfassen der zeitlichen und somit wegabhängigen Veränderung der elektrischen Eigenschaften des lichtempfindlichen Halbleiters während des Passierens des Bereichs starker Lichtintensität kann die Innennahtbreite ermittelt werden. In ähnlicher Weise wird die Lage des Schweißspaltes phasengleich bestimmt. Die Brennerstellung, genauer gesagt, die Position des Lichtbogens, relativ zum Schweißspalt ergibt sich indirekt aus einem Vergleich der Lage der beiden zeitlichen Signalverläufe zueinander.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwen­ dung opto-elektronischer Bauelemente,

Fig. 2 die Anordnung eines in einem Schutzgasrohr, das in das Schlitzrohr eingeführt ist, rotierenden lichtempfindlichen Halbleiters sowie den damit erzielten Verlauf des entsprechenden Meßsignals vor der Schweißstelle,

Fig. 3 die Anordnung eines weiteren im Schutzgasrohr rotierenden lichtempfindlichen Halbleiters sowie den damit erzielten Verlauf des entsprechenden Meßsignals hinter der Schweißstelle und

Fig. 4 ein Beispiel eines Vergleichs zwischen den Meß­ signalverläufen aus Fig. 2 und 3 mit Soll-Sig­ nalverläufen zur Regelung der Brennerstellung.

Opto-elektronische Bauelemente 1, 2 sind im Bereich der Schweißstelle der Längsnaht des Schlitzrohres 11 in dessen Innerem so angeordnet, daß das Bauelement 2 dicht vor der Schweißstelle und Bauelement 1 dicht hinter der Schweißstelle in bezug auf die Rohrbewegungsrichtung, angedeutet durch den Pfeil in Fig. 1, liegen.

Beide lichtempfindlichen Bauelemente 1 und 2 werden während des Schweißvorganges phasengleich durch einen entsprechenden Antrieb 3 in jeweils einer Radialebene des Rohres 11 rotierend oder oszillierend an der Innen­ naht 13 (Fig. 3) bzw. dem Schweißspalt 12 (Fig. 2) des eingeformten Rohres vorbeigeführt. Dabei können die Bauelemente 1, 2 von einem Schutzgaszuführrohr 14, welches ein im Bereich des Lichteinfalles auf die Bauelemente 1, 2 offenes Segment aufweist, umgeben sein.

Die Schweißung erfolgt mittels eines Lichtbogen-Schweißbrenners 8, wobei der Anpreßdruck der miteinander zu verschweißenden Blechkanten über Anpreßrollen 9 einstellbar ist. Der Brenner 8 erhält seine Energie aus einer Schweißstromquelle 6.

Die Meßsignale von den Bauelementen 1, 2 werden in einem Verstärker 10 verstärkt und optional einem 2-Kanal-Meßschreiber 4 zugeführt. Die verstärkten Signale führen gleichzeitig zu einer elektronischen Regeleinheit 5, in der Soll-Istwert-Vergleiche zwischen den anliegenden Meßsignalen und vorgegebenen Werten durchgeführt werden.

In Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Vergleiche wird der Schweißstromquelle 6 ein Signal zur Erhöhung bzw. Verkleinerung des Schweißstromes und/oder einem Stell­ glied 7 ein Signal zur Korrektur der Brennerstellung zugeführt, wodurch Schweißnaht und Schweißspalt mittig zueinander ausgerichtet werden.

Die Prinzipanordnungen der Bauelemente 1, 2 im Inneren des Rohres 11 sowie die gewonnenen Signale zeigen Fig. 2 und Fig. 3, wobei die gezeigte Ausführungsform von in jeweils einer Radialebene des Rohres 11 rotierenden Bauelementen 1, 2 ausgeht.

Die opto-elektronische Bestimmung der Stellung des Brenners 8 nutzt den Effekt aus, daß der Lichtbogen 15 (Fig. 3) im Bereich dicht vor der Schweißstelle durch den noch leicht geöffneten Schweißspalt 12 des Schlitzrohres 11 eine außerordentlich intensitätsstarke Lichtstrahlung in das Rohrinnere sendet, wie dies in Fig. 2 durch das Pfeilbündel 16 angedeutet ist. Ferner können außen zusätzliche Lichtquellen angeordnet werden. Das auf diese Weise gewonnene elektrische Meßsignal am Ausgang des Bauelementes 2 ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt.

Zu der opto-elektronischen Bestimmung der Breite der Innennaht 13 erfaßt das lichtempfindliche Bauelement 1 dicht hinter der Schweißstelle die von der noch glühenden, flüssigen Innennaht 13 ausgehende Lichtstrahlung. Bei bekannter Rotations- bzw. Oszillationsgeschwindigkeit des Bauelementes läßt sich die Innennahtbreite ohne weiteres aus der Zeitdauer des Meßsignals errechnen, welches ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Regelung der Schweißstromstärke kann nach der so mit der Impulsbreite erfaßten Innennahtbreite in der elektronischen Regeleinheit 5 dergestalt erfolgen, daß bei einem sich ergebenden Unterschied zwischen der Ist-Impulsbreite und einer vorgegebenen Soll-Impulsbreite ein entsprechendes Signal zur Erhöhung oder Verkleinerung der Schweißstromstärke zur Schweißstromquelle 6 geleitet wird. Dabei erfolgt eine Erhöhung der Stromstärke bei zu schmalem Impuls bzw. zu schmaler Innennahtbreite und entsprechend eine Verkleinerung der Stromstärke bei zu großer Nahtbreite.

Das Regelungsprinzip für die Brennerstellung wird anhand Fig. 4 erläutert. Hierfür werden die Verläufe der Meßsignale von den Bauelementen 1 und 2 synchronisiert. Hierzu läßt man beide Bauelemente phasengleich rotieren bzw. oszillieren. Die Überlagerung beider Signalverläufe ergeben den Ist-Signalverlauf, der im unteren Diagramm der Fig. 4 beispielhaft gezeigt ist.

Deckt sich die Mitte des Ist-Signalverlaufes nicht mit der des Soll-Signalverlaufes, dann schmilzt der Lichtbogen 15 eine der Blechkanten verstärkt auf, womit ein Brennerversatz vorliegt. In einem solchen Fall gibt die Regeleinheit 5 Signale an das Stellglied 7, welche die Korrektur der Brennerstellung vornimmt. Je nach Abweichung des schmalen Rohrspaltimpulses von der Innennaht-Breitenimpulsmitte nach rechts oder links wird der Brenner 8 in die eine oder andere Richtung verfahren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei auf einer Welle rotierend angeordneten Sensoren hat den großen Vorteil, daß sie sehr klein ausgeführt und daher bereits bei Rohren mit einem Innendurchmesser ab 10 mm eingesetzt werden kann. Das hierbei angewandte erfordert in keinem Fall irgendwelche Anpaßbewegungen der Sensoren im Hinblick auf einen sich während der Schweißung möglicherweise stärker verlagernden Schweißspalt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Längsnahtschweißen von Rohren aus Stahllegierungen oder NE-Metallen, bei dem durch fortschreitendes Runden eines Metallbandes ein Schlitzrohr geformt wird, dessen Längskanten an der Schweißstelle gegeneinandergedrückt und mit einem oder mehreren Lichtbogenschweißbrennern mit abschmelzenden oder nichtabschmelzenden Elektroden, mit oder ohne Zusatzwerkstoff unter Schutzgas von außen verschweißt werden, und bei dem die von dem glühenden Schweißgut ausgehende Lichtstrahlung opto­ elektronisch gemessen wird zur Ermittlung der Schweißnahtbreite und durch Sollwertvergleich daraus abgeleiteten Regelung des Schweißstromes und bei dem die Position des/der Schweißbrenner während des Vorschubs des Schlitzrohres aufgrund ebenfalls opto-elektronisch erfaßter Meßsignale an die Lage des Schweiß­ spaltes angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung beider Meßsignale (Signal zur Bestimmung der Nahtbreite und Signal zur Bestimmung der Lage des Schweißspaltes) wegabhängig durch phasengleiche, fortlaufende Abtastung quer zur Schweißnaht bzw. zum Schweiß­ spalt über die Breite von Schweißnaht bzw. -spalt hinaus erfolgt, wobei die Sensoreinrichtungen für die Signalerfassung relativ zueinander ortsfest gehalten werden, daß die Signalver­ läufe wegentsprechend miteinander verglichen werden, und daß, sobald beide Signalverläufe nicht mittig zueinander liegen, die Position des/der Schweißbrenner quer zur Richtung des Schweiß­ spaltes in der Weise verschoben wird, daß die Mittigkeit der Signalverläufe wieder erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Signale von der Rohrinnenseite her ermittelt werden, wobei für das Schweißspaltlagesignal die von dem/den Schweiß­ brennerlichtbögen oder einer rohraußenseitigen Fremdlichtquelle ausgehende und unmittelbar vor der Schweißstelle durch den noch offenen Schweißspalt in das Rohrinnere gelangende Lichtstrahlung erfaßt wird.

3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoreinrichtungen zwei feststehende Zeilen lichtempfindlicher Bauelemente verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung zeitabhängig durch quer zur Schweißspalt- bzw. -nahtrichtung bewegte Einzelsensoren erfolgt.

5. Anordnung in einer Rohrschweißanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß für die Erfassung der Breite der Schweißnaht (13) im Inneren des Rohres (11) ein erstes lichtempfindliches Bauelement angeordnet ist, das auf das noch glühende Schweißgut der Schweißnaht gerichtet ist, daß für die Erfassung der Stellung des Lichtbogenschweißbrenners (8) ein zweites lichtempfindliches Bauelement (2) im Inneren des Rohres (11) dicht vor der Schweißstelle angeordnet ist, das auf die durch den Schweißspalt (12) in das Rohrinnere strahlenden Lichtstrahlen (16) vom Lichtbogenschweißbrenner (8) gerichtet ist, daß ein Antrieb (3) die lichtempfindlichen Bauelemente (1, 2) in jeweils einer Radialebene des Rohres (11) oszillierend oder rotierend quer über die Innennaht (13) bzw. den Schweißspalt (12) des eingeformten Rohres phasengleich hinwegbewegt, daß beide lichtempfindlichen Bauelemente (1, 2) über einen Verstärker (10) an eine elektronische Regeleinrichtung (5) für den Vergleich eines vorgegebenen Sollwertes der Breite der Schweißnaht (13) mit dem über das lichtempfindliche Bauelement (1) gemessenen Istwert einerseits und für den Vergleich der Phasenlage der gemessenen Signalverläufe zur Feststellung der tatsächlichen Lage der Schweißnaht (13) in Bezug auf den Schweißspalt (12) andererseits angeschlossen sind und daß in Abhängigkeit von dem Ergebnis der beiden Vergleiche in der Regeleinrichtung (5) Signale an der Schweißstromquelle (6) zur Veränderung der Schweißstromstärke und damit der Nahtbreite sowie an einem Stellglied (7) zur Veränderung der Brennerstellung liegen.