DE3608631A1 - Verfahren zum lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem die Schweißstromstärke und/oder die Schweißspannung gemessen, der gemessene Wert der Schweißstromstärke bzw. der Schweißspannung mit einem vorbestimmten Sollwert für Stromstärke bzw. Spannung verglichen und bei einer Abweichung des gemessenen Wertes vom vorbestimmten Sollwert geändert wird.

Beim automatischen Lichtbogenschweißen ist es schwierig, den Füllgrad der Schweißnaht konstant zu halten, wenn sich der Querschnitt der Nahtfuge, d.h. die Spaltbreite und/oder -tiefe ändert. Eine maßgenaue Vorbereitung der Werkstückkanten ist in der Praxis oft unmöglich oder mit zu hohen Fertigungskosten verbunden.

Es ist schon vorgeschlagen worden, beim Lichtbogenschweißen den Füllgrad der Nahtfuge optisch zu erfassen und an Hand der daraus ermittelten Daten die Schweißparameter so zu ändern, daß ein konstanter Füllgrad der Nahtfuge erreicht wird. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der bei der optischen Erfassung des Füllgrades auftretenden Schwierigkeiten noch zu keiner praktischen Anwendung gelangt.

Weiters ist es aus der AT-PS 3 62 976 und der DE-OS 26 45 788 bekannt, zur Steuerung von Schweißanlagen den Schweißstrom zu messen und Änderungen des Schweißstromes bzw. Abweichungen desselben von einem vorgegebenen Sollwert zum Verfolgen von Schweißnähten heranzuziehen. Irgendwelche Hinweise aufgrund der Messung des Schweißstromes Schweißanlagen so zu steuern, daß der Füllgrad von Nahtfugen konstant gehalten wird, sind bislang nicht beschrieben worden.

Bei dem in der US-PS 43 02 655 beschriebenen Lichtbogenschweißverfahren wird die Elektrode quer zur Nahtfuge zwischen den Werkstücken hin- und herbewegt (oszilliert), wobei der Schweißstrom und/oder die Schweißspannung an zwei verschiedenen Stellen der Hin- und Herbewegung gemessen und wobei diese Werte mit einem vorberechneten Wert, der dem gewünschten Füllgrad entspricht, verglichen werden. In der US-PS 43 02 655 wird überdies erwähnt, daß es üblich ist, die Schweißparameter an die Nut anzupassen oder in anderen Worten die Schweißparameter adaptierend zu regeln. Diese Schweißparameter sind für gewöhnlich die Elektrodengeschwindigkeit, die Stromstärke, die Drahtzufuhrgeschwindigkeit, die Spannung und im Falle der Oszillation die Amplitude. In der US-PS 43 02 655 ist kein Hinweis darauf enthalten, den Abstand der Schweißpistole vom Werkstück konstant zu halten.

In der GB-OS 20 05 049 ist ein Verfahren beschrieben, die mechanischen Eigenschaften, wie die Krümmung und/oder die Form einer Schweißnaht zu erfassen und zu optimieren. Dabei wird u.a. der Abstand zwischen der Schweißpistole und dem Werkstück u. dgl. bestimmt und optimiert. Bei der GB-OS 20 05 049 werden diese mechanischen Größen durch Sensoren erfaßt. Die durch die Sensoren erfaßten Größen werden in elektrische Signale umgewandelt, welche über mehrere Zwischenstufen zur Steuerung der Schweißparameter herangezogen werden, indem sie optimierte Absolutwerte für die Steuerung des Schweißverfahrens bilden.

In der GB-OS 20 05 049 wird vorgeschlagen, der Schweißpistole einen Fühler zuzuordnen (siehe Fig. 2 links). Durch diesen Fühler wird u. a. die Höhe der Werkstücke gemessen. Da der Fühler lediglich zum Erfassen der tatsächlichen Höhe der Werkstücke W und W 1 bestimmt ist, sind in der GB-OS 20 05 049 auch keine Hinweise darauf enthalten, daß die Schweißpistole (B ^r in Fig. 2 rechts gezeichnet) einen konstanten Abstand von den Werkstücken haben soll. Überdies hat der Vorschlag der GB-OS 20 05 049 den Nachteil, daß der Fühler im Abstand von der Schweißpistole angeordnet ist, so daß er nicht dort messen kann, wo sich die Schweißpistole gerade befindet.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, das einfach durchzuführen ist und mit beim Lichtbogenschweißen in der Regel ohnedies erfaßten Werten das Auslangen findet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Abstand der Schweißpistole vom Werkstück konstant gehalten wird und daß die Schweißleistung erhöht und/ oder die Schweißgeschwindigkeit verkleinert wird, wenn der gemessene Wert der Stromstärke bzw. der Spannung unter einem dem gewünschten Füllgrad der Nahtfuge entsprechend vorbestimmten Sollwert liegt und umgekehrt mit der Maßgabe, daß bei einer Änderung der Schweißleistung auch der Sollwert für den Schweißstrom entsprechend geändert wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei konstantem Abstand der Schweißpistole bzw. der Stromdüse derselben vom Werkstück der Schweißstrom in einem unmittelbaren Verhältnis zum Füllgrad der Nahtfuge steht. Dies gilt sowohl für den Fall, bei dem eine Nahtfuge in einem Schweißvorgang vollständig mit Schweißmaterial gefüllt wird als auch für jene Fälle, wo beispielsweise größere Nahtfugen in zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Schweißvorgängen mit Schweißmaterial gefüllt werden. Der wesentliche Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die Physik des Lichtbogens selbst zur Steuerung herangezogen wird. Dadurch sind einerseits zusätzliche Vorrichtungen wie sie die bekannten Verfahren benötigen entbehrlich und anderseits wird unmittelbar dort gemessen wo sich die Schweißpistole gerade befindet.

Im Rahmen der Erfindung wird man für gewöhnlich so vorgehen, daß als charakteristische Größe für den Füllgrad der Nahtfuge die Schweißspannung gemessen und mit einem entsprechend den gewählten Schweißparametern vorgegebenen Sollwert verglichen wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die in die Nahtfuge abgegebene Materialmenge durch Vergrößern oder Verkleinern der Geschwindigkeit, mit der sich die Schweißpistole längs der Naht bewegt, ebenso verändert werden wie durch Ändern der Schweißleistung (z.B. durch Ändern der Drahtvorschubgeschwindigkeit), wobei aber gleichzeitig eine entsprechende Korrektur der vorgegebenen Sollwerte erfolgen muß. Es versteht sich, daß die beiden vorbeschriebenen Maßnahmen auch gleichzeitig ausgeführt werden können.

Um den Abstand der Schweißpistole vom Werkstück konstant zu halten, kann es erforderlich sein, der Schweißpistole charakteristische Kanten oder Flächen des zu bearbeitenden Werkstückes erfassende Tastrollen oder Initiatoren (Annäherungsschalter u. dgl.) zuzuordnen, die entsprechende Bewegungen der beispielsweise von einem Industrieroboter getragenen Schweißpistole ansteuern.

In der Zeichnung ist schematisch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Die miteinander zu verschweißenden Werkstücke 1, 2 und 3 begrenzen eine Nahtfuge 4, die mit Schweißmaterial 5 gefüllt wird, wobei im gezeigten Beispiel die Füllung der Nahtfuge 4 mit Schweißmaterial in mehr als einem Schweißvorgang erfolgt.

Zur Ausführung des Schweißens ist eine Schweißpistole 6 vorgesehen, die im gezeigten Beispiel über eine Halterung 7 an einem Roboterarm 8 befestigt ist und von diesem bewegt wird. Aus der Stromdüse 9 der Schweißpistole 6 ragt der Schweißdraht 10, der um die Strecke Y vorsteht. Diese freie Drahtlänge Y wird auch als "stick out" bezeichnet.

Weiters ist ein Initiator 11 oder eine nicht gezeigte Tastrolle vorgesehen, welche eine charakteristische Fläche oder Kante eines der Werkstücke 1, 2 oder 3 - in der Zeichnung die Fläche 12 des Werkstückes 1 - erfaßt. Über den Initiator 11, der z.B. ein kapazitativer oder induktiver Annäherungsschalter sein kann, wird über eine Steuerung 13 der Roboter und damit der Roboterarm 8 entsprechend gesteuert.

Bei konstantem Abstand X der Schweißpistole 6 von der Nahtfuge 4 ist die Schweißleistung ohne Änderung der Parameter für Schweißspannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit vom stick-out Y abhängig. Durch Messen der Schweißstromstärke oder der Schweißspannung und Vergleichen des gemessenen Wertes mit einem in Abhängigkeit vom gewünschten Füllgrad der Nahtfuge 4 vorher festgelegten Sollwert der Spannung oder der Stromstärke kann festgestellt werden, ob bei der gewählten Schweißleistung und Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißpistole 6 entlang der Nahtfuge 4 der gewünschte Füllgrad der Nahtfuge unabhängig von ihrer Querschnittsform und/oder Größe erreicht wird.

Bei Abweichungen des Füllgrades vom gewünschten Wert wird die Bewegungsgeschwindigkeit herabgesetzt (der angestrebte Füllgrad wird nicht erreicht) oder erhöht (der angestrebte Füllgrad wird überschritten) und so der Füllgrad konstant gehalten.

Alternativ oder zusätzlich zur Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißpistole 6 ist es auch möglich, die Schweißleistung z.B. durch Ändern der Schweißspannung (oder des Schweißstromes) und der Geschwindigkeit des Schweißdrahtvorschubes je nach Bedarf zu erhöhen oder zu erniedrigen, wobei gleichzeitig eine sinngemäße Änderung des vorgegebenen Sollwertes (z.B. für die Spannung) erfolgen muß.

Die theoretischen Grundlagen für das erfindungsgemäße Verfahren, welches ohne großen Aufwand das Lichtbogenschweißen mit konstanter Füllung der Nahtfuge erlaubt, können wie folgt wiedergeben werden.

Die in einer Schweißfuge mit der Nahtlänge ln eingebrachte Materialmenge M ist proportional der geleisteten Abschmelzarbeit Wa.

Die Abschmelzarbeit Wa ist das Produkt aus der von der Schweißstromquelle gelieferten Abschmelzleistung Pa und der Schweißzeit ts.

Die Abschmelzleistung ergibt sich als das Produkt von Schweißstrom I und Schweißspannung U.

Die Schweißzeit ts ist der Quotient aus der Nahtlänge ln und der Vorschubgeschwindigkeit vs der Schweißpistole

Aus den Formeln 1, 2, 3 und 4 ergibt sich nach Einsetzen folgender Zusammenhang:

Da die betrachtete Nahtlänge ln konstant ist, kann sie durch einen Faktor k2 berücksichtigt werden. Es wird dann:

Für den Schweißstrom I gilt unter der Voraussetzung, daß die Schweißspannung U konstant ist, folgende Abhängigkeit:

Hierbei ist vd die Drahtvorschubgeschwindigkeit und der Faktor k3 enthält sowohl den Drahtdurchmesser dd als auch die freie Drahtlänge ld (stick-out, in der Figur mit Y bezeichnet)

Aus (6) und (7) kann man folgende, von der Erfindung ausgenützte Abhängigkeit ableiten:

Der Zusammenhang nach (8) läßt erkennen, daß die eingebrachte Materialmenge M durch Veränderung der Werte für die Schweißspannung U, die Drahtvorschubgeschwindigkeit vd und die Schweißgeschwindigkeit vs in weiten Grenzen variiert werden kann.

Zur meßtechnischen Erfassung des Füllgrades kann nun unter der Voraussetzung einer zur Werkstückoberfläche parallelen Schweißpistolenbewegung der Zusammenhang (7) herangezogen werden.

Setzt man für k 3 die Werte für Drahtdurchmesser dd und freie Drahtlänge ld ein, so erhält man:

Da der Drahtdurchmesser dd konstant ist, kann man bei einer konstanten Drahtvorschubgeschwindigkeit vd auch schreiben:

Aus (10) erkennt man, daß der gemessene Strom I bei konstanter Schweißspannung U, konstantem Drahtdurchmesser dd und konstanter Drahtvorschubgeschwindigkeit vd ausschließlich vom Kehrwert der freien Drahtlänge abhängig ist.

Da die freie Drahtlänge ld (stick-out Y) dem Abstand der Schweißpistole von der Oberfläche des Schweißbades direkt proportional ist (ein kleinerer Abstand hat wegen des verstärkten Abbrandes eine kleineren stick-out, ein größerer Abstand hingegen einen größeren stick-out zur Folge), kann der gemessene Wert des Schweißstromes unter diesen Voraussetzungen (konstanter Abstand x) als Maß für die Höhe des schweißbades und damit auch für die Füllung der Nahtfuge herangezogen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem die Schweißstromstärke und/oder die Schweißspannung gemessen, der gemessene Wert der Schweißstromstärke bzw. der Schweißspannung mit einem vorbestimmten Sollwert für Stromstärke bzw. Spannung verglichen und bei einer Abweichung des gemessenen Wertes vom vorbestimmten Sollwert geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Schweißpistole vom Werkstück konstant gehalten wird und daß die Schweißleistung erhöht und/oder die Schweißgeschwindigkeit verkleinert wird, wenn der gemessene Wert der Stromstärke bzw. der Spannung unter einem dem gewünschten Füllgrad der Nahtfuge entsprechend vorbestimmten Sollwert liegt und umgekehrt, mit der Maßgabe, daß bei einer Änderung der Schweißleistung auch der Sollwert für den Schweißstrom entsprechend geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Größe für den Füllgrad der Nahtfuge die Schweißspannung gemessen und mit einem entsprechend den gewählten Schweißparametern vorgegebenen Sollwert verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißspannung konstant gehalten wird und als charakteristische Größe für den Füllgrad der Nahtfuge die Stromstärke gemessen und mit einem entsprechend den gewählten Schweißparametern vorgegebenen Sollwert verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schweißleistung durch Ändern der Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder der Geschwindigkeit der Bewegung der Schweißpistole entlang der Nahtfuge ändert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Abstand der Schweißpistole vom Werkstück, vorzugsweise kontinuierlich durch vom Schweißstrom unabhängige Mittel erfaßt und die so erfaßte Meßgröße der Steuerung für die Bewegungen der Schweißpistole zum Konstanthalten ihres Abstandes vom Werkstück zuführt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Abstand der Schweißpistole vom Werkstück mittels eines Initiators oder einer Tastrolle erfaßt, der mit der Schweißpistole wenigstens mittelbar verbunden ist.