DE3738540C2 - Einrichtung und Verfahren zum Überwachen der Einbrandtiefe beim Lichtbogenschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen und Verfahren zum Überwachen der Einbrandtiefe beim Lichtbogenschweißen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 8 bzw. 14. Derartige Einrichtungen und Verfahren sind aus der US-PS 45 95 820 bekannt.

Um eine angemessene Festigkeit und Zuverlässigkeit einer Schweißver­ bindung zu erhalten, muß ein richtiger Einbrand er­ reicht werden, so daß bei einer Wiedererstarrung des geschmol­ zenen Metalls des Schweißbades eine gute Verbindung zwischen den Metallteilen erreicht ist. Ein zu kleiner Einbrand hat eine unvollständige Verbindung zwischen den Metallteilen über der Dicke der Schweißnaht zur Folge, und ein zu großer Einbrand oder ein Durchbrennen kann eine Schwächung des Basismaterials der die Schweißverbin­ dung umgebenden Teile erzeugen.

Die Qualität einer Schweißverbindung wird weit­ gehend bestimmt durch die Schweißbadgeometrie während des Schweißprozesses zusammen mit den metallurgischen Eigenschaften des Schweißmetalls und der Wärmewirkung auf das Basismetall. Da Änderungen in der lokalen Metalldicke und -zusammensetzung, der Schweißnahtbreite, der Wärmesenke- und Erdungsgeometrie Änderungen bzw. Abweichungen hervorrufen können in der Badbreite, dem Einbrand und der entstehenden Nahtgeometrie, besteht ein Bedürfnis, insbesondere in automatischen Schweißprozessen, an berührungslosen Sensoren, die zuverlässig den Schweißeinbrand in Realzeit von der Brennerseite der Schweißung messen kön­ nen. Zu diesem Zweck sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden. Diese Techniken leiden jedoch an einem oder mehreren Nachteilen oder haben sich auf andere Weise als nicht zufrieden­ stellend erwiesen.

Eine derartige Technik beinhaltet die Messung der geometrischen Charakteristiken der ebenen Oberfläche der Schweißbäder während des Lichtbogenschweißprozesses durch optisches Abtasten des Schweißbades mit einer Fernsehkamera, um die Badbreite und -fläche zu messen. Bei gewissen Materialien, wie insbesondere Nickelbasis-Superlegierungen, können jedoch kleine Änderungen in Nebenbestandsteilelementen zu großen Änderungen in der Schweiß­ badtiefe, d. h. dem Einbrand, führen, selbst wenn das bren­ nerseitige Aussehen des Schweißbades unverändert bleibt. Der Einbrand kann selbstverständlich erfaßt werden, wenn ein optischer Zugang zur Unterseite des Werkstückes besteht, und diese Technik ist in manchen Fällen verwendet wor­ den, aber sie ist gewöhnlich nicht durchführbar bei den meisten industriellen Schweißeinsätzen.

Es ist bekanntlich möglich, das Querschnittsprofil eines Schweiß­ bades zu ermitteln, wenn die Oberflächengeometrie des Schweiß­ bades, insbesondere seine Breite, und die Eigenschwingungsfre­ quenz des geschmolzenen Metalls bekannt sind. Es ist ferner be­ kannt, daß die Eigenschwingungsfrequenz des Schweißbades ab­ fällt, wenn ein voller Einbrand des Werkstückes erreicht ist. Dementsprechend besteht eine andere Lösung, die auch ange­ wendet worden ist, darin, eine Schwingung des Schweißbades zu erregen, beispielsweise durch Zuführen eines Stromimpulses zu der Elektrode des Lichtbogenschweißbrenners, und die Bogenspan­ nung zu überwachen und die Spannungsänderungen zu analysieren, um die Schwingungsfrequenzen des Schweißbades abzuleiten. Die Bogenspannung, die durch die Gaszusammensetzung, Elektrodenab­ nutzung, Oberflächenverunreinigungen des Schweißbades und eine Menge anderer Effekte neben der Bogenlänge beeinflußt wird, ist kein idealer Parameter zum Abtasten von Schweißbadschwingungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine einfache, sichere und genaue Messung des Einbrandes in einem Lichtbogen­ schweißverfahren gestatten.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8 bzw. 14 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in Realzeit die Abtastung des Übergangs von einem teilweisen auf einen vollen Einbrand der Schweißung ermöglicht wird. Sie kann, wenn sie in Verbindung mit Mitteln verwendet wird, die zur Messung der brennerseitigen, geometrischen Schweißbadparameter, wie beispielsweise der Oberflächenbreite und -größe, geeignet sind, verwendet werden, um die mittlere Tiefe des Schweißbades zu ermitteln.

Die Erfindung kann ent­ weder mit dem Umgebungslicht, das durch den Lichtbogen, der zwi­ schen der Elektrode des Schweißkopfes und dem Werkstück gebil­ det wird, erzeugt wird, arbeiten oder sie kann mit einer getrennten mono­ chromatischen (einfarbigen) Lichtquelle, wie beispielsweise ei­ nem Laser, arbeiten, die das Schweißbad mit diffusem gleich­ förmigem Licht einer vorbestimmten Wellenlänge bestrahlt. Im letztgenannten Fall kann ein monochromatisches Lichtfilter, das an die Wellenlänge der Belichtungsquelle angepaßt ist, verwendet werden, um das den Lichtsensor erreichende Licht auf die vorbe­ stimmte Wellenlänge der Beleuchtungsquelle zu begrenzen. Das Filter verhindert, daß der größte Teil des Hintergrundlichtes des Lichtbogens den Lichtsensor erreicht. Der Lichtsensor kann einen einfachen photoelektrischen Detektor aufweisen, wie bei­ spielsweise eine Silizium-Photodiode oder ähnliches, oder er kann einen zweidimensionalen Sensor, wie beispielsweise eine Kamera, aufweisen, der ermöglicht, daß sowohl die Menge des von dem Schweißbad reflektierten Lichts als auch die geometrischen Oberflächeneigenschaften des Schweißbades gemessen werden. In einem Zustand ohne Resonanz ist das Oberflächenprofil des Schweißbades genügend eben, so daß die Lichtmenge, die in der nicht-spiegelnden Richtung, in der das Schweißbad betrachtet wird, reflektiert wird, auf einem Minimum ist. Wenn das Schweiß­ bad erregt wird, reflektieren Oberflächenwellen auf dem Bad mehr Licht zurück zum Lichtsensor, wodurch dessen Ausgangsgröße vergrößert wird. Bei Resonanz wird die Menge des Lichtes, das in der nicht-spiegelnden Richtung reflektiert wird, wesentlich vergrößert, und der Lichtsensor erzeugt seine maximale Ausgangs­ größe.

Durch das kontinuierliche Überwachen der Eigenfrequenz der Schwin­ gung des Schweißbades kann der Über­ gang von dem teilweisen zum vollständigen Einbrand leicht erfaßt werden. Typisch fällt die Eigenfrequenz um etwa die Hälf­ te ab, wenn der vollständige Einbrand auftritt, und diese Frequenz-Information kann einer Steuereinrichtung zugeführt werden zum Steuern des Schweißprozesses, um den richtigen Einbrand beizubehalten. Weiterhin kann durch Zusammenfassen der Frequenz-Information mit den geometrischen Oberflächenparametern des Schweißbades, wie beispielsweise des­ sen Breite und Fläche, der Grad des Einbrands bestimmt werden für einen weniger als vollständigen Einbrand. Die geometrischen Oberflächenparameter können auch unter Verwendung eines zweidimensio­ nalen optischen Sensors gemessen werden.

Die Erfindung wird nun an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung.

Fig. 2 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein typisches Frequenzspektrum des Yon einem Schweißbad reflektierten Lichtes.

Fig. 4 A-C zeigen auf entsprechende Weise eine Amplituden- Zeit-Kurve, die eine Wobbel­ frequenzsteuerung darstellt, eine Frequenz-Zeit- Kurve, die die Änderung der Frequenz mit der Zeit der Wobbelfrequenz darstellt, und eine typische Amplituden-Zeit-Kurve eines Licht­ detektors.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Wolfram-Inertgas-Lichtbogenschweißkopf 10 verwendet wird. Der Schweißkopf, der schematisch dargestellt ist, kann ein Gehäuse 12 mit einer zentral darin gehalterten Elektrode 14 aufweisen, die von einem Ende des Gehäuses neben einem Werk­ stück 16 vorsteht. Wenn ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück gezogen wird, schmilzt das Ba­ sismaterial des Werkstückes, um ein Schweißbad 18 unterhalb des Schweißbrenners zu bilden. Wenn der Schweißbrenner entlang dem Werkstück bewegt wird, beispielsweise in Fig. 1 nach links, kühlt sich das geschmolzene Metall hinter dem Schweißkopf ab und erstarrt. Wenn zwei Werkstücke aneinander angrenzend ange­ ordnet werden und der Brenner entlang der Naht zwischen den Werkstücken bewegt wird, werden die aneinandergrenzenden Ränder der Werkstücke durch den Brenner geschmolzen, und die Werkstücke werden miteinander verbunden, wenn das geschmolzene Metall wie­ der erstarrt. Auf Wunsch kann ein Füllmetalldraht dem elektri­ schen Lichtbogen zugeführt und zusammen mit dem Basis- bzw. Grundmetall der Werkstücke geschmolzen werden. Ein inertes Schutzgas, wie beispielsweise Argon, wird unter Druck dem Inne­ ren des Brennergehäuses über eine Einlaßöffnung 20 zugeführt. Das Inertgas strömt aus dem Ende des Brennerkopfes aus, wie es beispielsweise durch die Pfeile angedeutet ist, und es um­ hüllt und ummantelt den Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Werkstück gebildet ist.

Es ist ein richtiger Einbrand notwendig, um eine gute Verbindung zwischen den Werkstückteilen mit einer angemessenen Festigkeit und Qualität sicherzustellen. Wenn der Einbrand d. h. die Tiefe des geschmolzenen Schweißbades in einem Werk­ stück, zu flach ist, kann eine unvollständige Verbindung entstehen. Wenn der Einbrand zu groß ist, kann ein Durchbren­ nen auftreten und eine Schwächung des Basis­ metalls entstehen. Der Einbrand wird durch eine Anzahl unterschiedlicher Faktoren beeinflußt, zu denen die metallurgischen Eigenschaften des Schweißmetalls und die Wärme­ wirkung auf das Basismetall gehören. Änderungen in der lokalen Metalldicke und -zusammensetzung, der Schweißnahtbreite, der Wärmesenken- und Erdungsgeometrie können zu unzulässigen Ände­ rungen in der Schweißbadbreite, dem Einbrand und der dabei entstehenden Nahtgeometrie führen. Zwar steht der Einbrand zu den geometrischen Eigenschaften der ebenen Ober­ fläche des Schweißbades in Beziehung, aber die Kenntnis derar­ tiger Eigenschaften allein reicht nicht aus, um den Einbrand zu ermitteln. Bei gewissen Materialien, wie ins­ besondere Nickelbasis-Superlegierungen, können kleine Änderun­ gen in Nebenbestandteilelementen der Materialien große Ände­ rungen in der Badtiefe, d. h. dem Einbrand, bewirken, ob­ wohl das brennerseitige Aussehen des Schweißbades unverändert bleibt.

Wie nachfolgend näher erläutert wird, wird bei den Ausführungsbeispielen der Einbrand gemessen durch Überwachen bzw. Erfassen der Eigenschwingungsfrequenz des Schweißbades von der Brenner­ seite der Schweißung und in Realzeit. Die Eigenfrequenz der Schwingung nimmt abrupt ab, wenn ein voller Einbrand auf­ tritt, und dies kann verwendet werden, um den Übergang von einem teilweisen zu einem vollen Einbrand zu erfassen und den Schweißprozeß zu steuern.

Üblicherweise liegt die Eigenfrequenz der Schwingung von Schweißbädern in dem Frequenzbereich von 300 Hz oder weniger, und bei vollem Einbrand kann die Eigenfrequenz der Schwingung um die Hälf­ te absinken. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung messen den Einbrand durch optisches Überwachen des von dem Schweißbad reflektierten Lich­ tes, um dessen Eigenschwingungsfrequenz zu ermitteln. Gemäß Fig. 1 geschieht dies durch ein optisches Schweißbad Betrachtungssystem, das eine in dem Brennergehäuse 12 angebrachte Linse 22 aufweist, um so die Oberfläche des Schweißbades unter einem nicht­ spiegelnden Reflexionswinkel zu betrachten. Das die Lin­ se 22 empfangene Licht wird auf das Ende eines Lichtleiterkabels 24 fokussiert, das in das Brennergehäuse eintritt. Das Lichtfaserkabel überträgt das empfangene Licht zu einem Licht­ sensor 26, der beispielsweise die Intensität des empfangenen Lichtes mißt und ein entsprechendes elektrisches Signal an einen Prozessor 28 liefert. Der Prozessor analysiert das elektrische Signal von dem Lichtsensor, um die Eigenfre­ quenz der Schwingung des Schweißbades zu ermitteln, und gibt ein formatiertes Signal ab, das dieser Eigenfrequenz entspricht. Das spezielle Format des Ausgangssignals ist auf die Vorrichtung zugeschnitten, der es zugeführt wird.

Das Lichtleiterkabel 24 kann entweder ein Lichtleiterkabel sein, das kein Bild überträgt, oder es kann ein Bild-übertragendes Lichtleiterbündel sein. Zwar zeigt Fig. 1 die Linse 22 und das Lichtleiterkabel 24, die physikalisch mit dem Brennergehäuse integriert sind, aber diese Vorrichtungen können auch in einem getrennten Gehäuse untergebracht sein, das an dem Brenner be­ festigt ist. Lichtbogenschweißköpfe mit integralen optischen Systemen zum Betrachten von Schweißbädern, die bei den Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung verwendet werden können, sind beispielsweise in den US-Pa­ tentschriften 4 532 405, 4 578 567 und 4 488 032 beschrieben. Der Lichtsensor 26, der das durch das Lichtleiterkabel übertra­ gene Licht mißt, kann einfach einen Lichtdetektor 30, wie bei­ spielsweise eine Silizium-Photodiode, aufweisen, der in einem Gehäuse mit einer Linse 32 untergebracht ist, die so angeordnet ist, daß sie das Licht von dem Lichtleiterkabel auf den Licht­ detektor richtet. Bei dieser Anordnung integriert der Lichtde­ tektor das empfangene Licht und liefert ein Ausgangssignal mit einer Größe, die der Menge des empfangenen Lichts entspricht. Alternativ kann der Lichtsensor 26 eine zweidimensionale Vor­ richtung, wie beispielsweise eine Video-Kamera oder ähnliches, aufweisen, die ein Bild des Schweißbades formt und ein ent­ sprechendes Ausgangssignal liefert. Bei Verwendung eines zwei­ dimensionalen Detektors kann der Prozessor 28 so angeordnet sein, daß er nicht nur die Eigenfrequenz der Schwingung des Schweißbades sondern auch dessen geometrische Oberflächencha­ rakteristiken mißt, und er würde duch eine Nachführung des Schweißkopfes entlang der Nut zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ermöglichen.

Da die das Schweißbad abbildende Optik das Schweißbad in einem nicht-spiegelnden Reflexionswinkel betrachtet, wenn das Schweißbad, das eine spiegelnde Oberfläche aufweist, in einem nicht erregten Zustand ist, ist dessen Oberfläche im wesentlichen eben und der größte Teil des von der Schweißbadoberfläche reflektierten Lichtes ist von der Be­ trachtungsoptik weggerichtet. Somit ist das Ausgangssignal aus dem Lichtdetektor entsprechend klein. Normalerweise hat das Werkstück eine relativ rauhe Oberfläche und reflektiert das Licht diffus. Wenn also das Betrachtungsfeld der Abbil­ dungsoptik genügend groß ist, um sowohl das Schweißbad als auch einen Teil des das Schweißbad umgebenden Werkstück zu umschlie­ ßen, wird mehr Licht von dem Werkstück auf die Schweißbad-Betrach­ tungsoptik reflektiert als von dem Schweißbad, und wenn ein zweidimensionaler Lichtsensor verwendet wird, erscheint das Schweißbad dunkel in Relation zu der Fläche, die es umgibt. Wenn das Schweißbad erregt ist, erfährt das ge­ schmolzene Material des Schweißbades räumliche Schwingungen, und Oberflächenwellen reflektieren temporär Licht zu der Abbil­ dungsoptik in einem zeitveränderlichen Muster, wodurch das Aus­ gangssignal aus dem Lichtsensor sich zeitlich in einer ähnlichen Weise verändert. Wenn das Schweißbad bei einer Eigen- oder Re­ sonanzfrequenz der Schwingung erregt wird, vergrößern sich die Oberflächenwellen auf dem Schweißbad und bewirken, daß die Men­ ge des zu der Abbildungsoptik reflektierten Lichts vergrößert wird, wodurch eine entsprechende Vergrößerung in dem Ausgangs­ signal aus dem Lichtdetektor erzeugt wird. Diese Erscheinung wird ausgenutzt, um die Eigenfrequenz der Schwingung des Schweißbades in einer Weise zu ermitteln, die nachfolgend be­ schrieben wird.

Das Umgebungslicht, das durch den elektrischen Lichtbogen zwi­ schen der Elektrode 14 und dem Werkstück 16 erzeugt wird, sicht aus, um die Resonanzfrequenz des Schweißbades zu ermit­ teln. Jedoch kann ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis in dem Ausgangssignal aus dem Lichtsensor erhalten werden, indem das Schweißbad von einer intensiven monochromatischen Lichtquelle, wie beispielsweise von einem Laser, bestrahlt wird und das den Detektor erreichende Licht auf ein schmales Spektralband um die Wellenlänge des monochromatischen Lichts begrenzt wird. Dies wird gemäß Fig. 1 dadurch erreicht, daß das Licht von einer monochromatischen Lichtquelle 38, wie beispielsweise einem Laser, über ein Lichtleiterkabel 40 zu einem optischen Flutlicht-Projektorsystem übertragen wird, das das Lichtbündel vergrößert und das Schweißbad und dessen Umgebungsfläche mit monochromatischem Licht bestrahlt. Der Laser 38 kann eine Be­ triebs-Wellenlänge von beispielsweise 6328 Å aufweisen, das Flutlicht-Projektorsystem kann in dem Brennergehäuse einge­ schlossen sein und kann eine erste Linse 42 aufweisen, die das Licht von dem Lichtleiterkabel 40 empfängt, den Lichtstrahl aufweist und zu einer zweiten prismenförmigen Linse 44 leitet, die das Lichtbündel projiziert, um für eine diffuse gleichförmige Be­ leuchtung des Schweißbades zu sorgen. Das reflektierte mono­ chromatische Licht, das von der Linse 22 empfangen wird, wird durch das Lichtleiterkabel 24, wie es vorstehend beschrieben ist, zum Lichtsensor 26 übertragen. Damit kein Hintergrundlicht des Lichtbogens den Lichtdetektor 30 erreicht, weist der Licht­ sensor ein Spektralbandfilter 50 auf, das an die Wellen­ länge des monochromatischen Lichts angepaßt und zwischen der Linse 32 und dem Lichtdetektor 30 angeordnet ist. Das Spektral­ filter 50 läßt das monochromatische Licht zum Detektor 30 durch, verhindert aber, daß der größte Teil des Hintergrundlichtes, das von der Linse 22 empfangen wird, den Detektor erreicht. Dies verkleinert das Hintergrundrauschen in dem Signal, das durch den Lichtdetektor 30 an den Prozessor 28 geliefert wird, und verbessert das Signal/Rausch-Verhältnis. Zwar ist in Fig. 1 dargestellt, daß das optische Flutlicht-Projektionssystem mit den Linsen 42 und 44 in das Schweißkopfgehäuse zusammen mit der Betrachtungsoptik integriert ist, aber dieses optische System kann auch in einem getrennten Gehäuse unterge­ bracht sein, das an dem Schweißkopf befestigt ist. In den, vorgenannten US-Patentschriften 4 532 405 und 4 578561 sind Lichtbogenschweißköpfe beschrieben, die Beleuchtungs- und Ab­ tastsysteme verwenden, die in Verbindung mit der Erfindung ver­ wendet werden können.

Das Schweißbad 18 kann auf mehreren verschiedenen Wegen erregt werden. Eine bevorzugte Art, um dies zu erreichen, besteht in einer Modulation der Schutzgasströmmung, die dem Schweißbrenner zugeführt wird. Fig. 1 zeigt ein erstes Aus­ führungsbeispiel einer Erregungseinrichtung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Modulieren der Schutz­ gasströmungsgeschwindigkeit. Wie dort gezeigt ist, gelangt das durch eine Leitung 62 zum Schweißbrenner strömende Schutzgas in eine Steuerkammer 64, die strom­ aufwärts von dem Gaseinlaß 20 in dem Brennergehäuse angeordnet ist. Das Schutzgas verläßt die Kammer über eine andere Leitung 66, die mit der Einlaßöffnung 20 in dem Brennergehäuse verbunden ist. In­ nerhalb der Steuerkammer ist ein Gasströmungsmodulator 68 an­ geordnet, der durch einen Frequenzgenerator 70 angetrieben wird. Der Gasströmungsmodulator 68 kann irgendeine Vorrichtung sein, die die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Kammer 64 strömenden Gases in Abhängigkeit von dem Signal des Frequenzgenerators 70 modulieren bzw. steuern kann. Der Modulator 68 kann beispielsweise eine elektromagnetische Vorrichtung, wie beispielsweise ein Lautsprecher, ein piezo­ elektrischer Treiber oder ein anderer Schallwandler sein, der ein elektrisches Signal aus dem Frequenzgenerator 70 in ein akustisches Signal umwandeln kann. Das akustische Signal ver­ ändert den Gasdruck innerhalb der Steuerkammer 64 und verän­ dert seinerseits die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Kammer strömenden Gases, das dem Schweißbrenner zugeführt wird. Die Änderungen in der Gasströmung bewirken, daß sich die auf das Schweißbad ausgeübte Kraft verändert, wodurch räumliche Schwingungen der Oberfläche des Schweißbades, hervorgerufen werden. Der Modulator 68 kann so angeordnet sein, daß er die Gasströmung mit einem vorbestimmten Prozentsatz der durchschnittlichen Gasströmunggeschwindigkeit, beispiels­ weise 10%, steuert bzw. moduliert. Die Modulation sollte nicht so groß sein, daß die Gasströmung vollständig abgeschaltet wird oder daß die Strömungsgeschwindigkeit sich zu stark än­ dert, da dies den Lichtbogen möglicherweise löschen könnte. Die Gasströmung braucht nur groß genug zu sein, damit die räumli­ chen Schwingungen, die dem Schweißbad hervorgerufen werden, genügend Licht zu der Schweißbad-Abbildungsoptik reflektieren, da­ mit die Eigenfrequenz der Schwingung des Schweißbades sicher abgetastet werden kann. Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungs­ beispiel einer Erregungseinrichtung 60 zum Modulieren der Gasströmung zum Brenner. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das primäre Schutzgas, das durch die Leitung 62 strömt, mit der sekundären Gasströmung in einer Leitung 72 kombiniert, indem die Leitungen 62 und 72 durch ein T-Verbindungstück 74 miteinander verbunden werden, so daß die vereinigte Gasströmung in die Leitung 66 eintritt, die dem Brenner Schutzgas zu­ führt. Die sekundäre Gasströmung in der Leitung 72 wird durch eine elektrisch betätigte Vorrichtung 76, wie beispielsweise ein Ventil, gesteuert, die durch den Frequenzgenera­ tor 70 gesteuert wird. Das Ventil 76 bewirkt, daß die sekundäre Gasströmung in der Leitung 72 sich gemäß dem elektrischen Sig­ nal aus dem Frequenzgenerator 70 ändert und dadurch sich die vereinigte Gasströmung in der Leitung 66 in ähn­ licher Weise ändert.

Um räumliche Schwingungen in dem Schweißbad bei dessen Eigen­ schwingungsfrequenz hervorzurufen, muß das Schweißbad bei die­ ser Frequenz erregt werden, die typisch in dem Bereich von 300 Hz oder weniger liegt, wie es vorstehend bereits erwähnt wurde. Dies erfordert, daß die Erregungseinrichtung 60 und der Frequenzgenerator 70 die Gasströmung bei dieser Frequenz modulieren. Jedoch ist die Eigenschwingungsfrequenz die Größe, die gemessen wird und deshalb unbekannt ist, und in jedem Fall ändert sich die Frequenz mit dem Einbrand, und diese Änderung muß über­ wacht werden. Darüber hinaus schwingen Schweißbäder nicht nur bei ihrer Resonanzgrundfrequenz, sondern auch bei Harmonischen dieser Frequenz, und wenn die Schweißbäder nicht kreisförmig sind (was normalerweise bei sich bewegenden Schweißbrennern der Fall ist, da das Schweißbad langgezogen wird), können die Schweißbäder bei einer Anzahl unterschiedlicher Ei­ genfrequenzen schwingen. Dementsprechend ist es notwendig, daß die Erregungseinrichtung 60 und der Frequenzgenerator 70 das Schweißbad bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen und in der Weise erregen, daß Änderungen in der zu messenden Eigen­ schwingungsfrequenz möglich sind. Um dies zu erreichen, sind mehrere Wege möglich, die im folgenden beschrieben werden, und der gewählte Weg wird die Art und Weise bestimmen, in der das Signal von dem Lichtsensor 26 verarbeitet wird.

Ein Weg zur Ermittlung und Überwachung von Änderungen in der Eigenschwingungsfrequenz eines Schweißbades besteht darin, das Schweißbad bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen gleichzei­ tig zu erregen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Frequenz­ generator 70 als ein Pulsgenerator auf­ gebaut und die Gasströmung mit Impulsen moduliert wird. Da das Frequenzspektrum eines Impulses breit ist, ist dies äquivalent zu einer gleichzeitigen Erregung des Schweißba­ des bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen. Dementsprechend wird das entstehende zeitveränderliche Signal aus dem Licht­ sensor 26 die Eigenfrequenz des Schweißbades und auch Harmoni­ sche dieser Frequenz enthalten. Diese Frequenzen können ermit­ telt werden durch Ausführen einer Fourier-Spektralanalyse die­ ses zeitveränderlichen Signals, und der Prozessor 28 kann einen üblichen Spektrumanalysierer zur Durchführung dieser Analyse aufweisen. Fig. 3 zeigt ein typisches Frequenzspektrum des zeitveränderlichen Signals aus dem Lichtsensor bei einer Impuls- Erregung des Schweißbades. Die Amplitudenspitzen, die aus dem Hintergrundrauschen herausragen, entsprechen den Schwingungs­ frequenzen des Schweißbades, wobei die kleinste Frequenzspitze f₀ die Eigengrundfrequenz der Schwingung und die übrigen Spitzen Harmonische dieser Frequenz sind. Der Prozessor 28 ermittelt die Frequenz dieser Spitze in Realzeit und gibt ein entspre­ chendes Signal, das diese Frequenz anzeigt, ab.

Der Frequenzgenerator 70 kann so angeordnet sein, daß er auf Be­ fehl einen einzelnen Impuls oder vorzugsweise selbsttätig eine Kette von Impulsen an den Modulator 68 abgibt, wobei der zeit­ liche Abstand zwischen den Impulsen so gewählt ist, daß er mit der Zeit übereinstimmt, die zum Verarbeiten des zeitveränderli­ chen Signals aus dem Lichtsensor erforderlich ist, um eine kon­ tinuierliche Überwachung der Eigenfrequenz herbeizuführen. Der Frequenzgenerator 70 kann auch ein Synchronisierungssignal über eine Leitung 80 an den Prozessor 28 jedesmal dann abgeben, wenn ein Impuls erzeugt wird, um den Prozessor mit der Modula­ tion bzw. Steuerung zu synchronisieren.

Ein anderer Weg zum Erregen des Schweißbades bei mehreren unter­ schiedlichen Frequenzen besteht darin, die Gasströmung mit einer Wobbelfrequenz konstanter Amplitude zu modulieren, wie es in Fig. 4A dargestellt ist. In diesem Fall kann der Frequenzgenerator 70 einen Oszillator vari­ abler Frequenz aufweisen, der ein Signal konstanter Amplitude erzeugt, das kontinuierlich nach oben oder unten über ein vor­ bestimmtes Frequenzband über ein Zeitintervall t₂ bis t₁ ge­ wobbelt wird. Das den Schweißbadschwingungen zugeordnete Fre­ quenzband beträgt nominal 0 bis 300 Hz, und die veränderliche Frequenz aus dem Oszillator kann zwischen Frequenzen f₁ und f₂ innerhalb dieses Frequenzbandes gewobbelt werden. Die Wobbel­ frequenzmodulation, die auf die Gasströmung ausgeübt wird, be­ wirkt, daß das Schweißbad kurz schwingt, wenn die Wobbelfre­ quenz an die Grundfrequenz des Schweißbades (oder Frequenzen, wenn das Bad nicht kreisförmig ist) oder eine Harmonische die­ ser Frequenzen angepaßt ist, und das zeitveränderliche Signal aus dem Lichtsensor 26 wird sich in seiner Amplitude mit der Zeit in einer ähnlichen Weise ändern, wie es in Fig. 4C darge­ stellt ist. Somit kann ein Resonanzzu­ stand des Schweißbades abgetastet werden, indem eine wesentli­ che Vergrößerung in der Ausgangsgröße aus dem Lichtsensor abge­ tastet und die Zeit, zu der dieses auftritt, mit der Frequenz aus dem Frequenzgenerator 70 korreliert wird. Wenn, wie in den Fig. 4B und 4C dargestellt ist, die Frequenz aus dem Frequenzge­ nerator 70 linear aufwärts zwischen Frequenzen f₁ und f₂, der Eigenschwingungsfrequenz des Schweißbades, die die kleinste Frequenz oder der erste Spitzenwert in dem abgetasteten Zeit­ intervall t₁ bis t₂ ist, gewobbelt wird, kann die Schwingungs­ frequenz auf einfache Weise dadurch ermittelt werden, daß das Zeitintervall t₀ bis t₁ gemessen und zwischen den Frequenzen f₁ und f₂ interpoliert wird. Demzufolge kann der Prozessor 28 einfach einen Zeitgeber (Timer) aufweisen, der dieses Zeit­ intervall mißt und ein Signal abgibt, das der Frequenz f₀ ent­ spricht. Das Synchronisierungssignal auf der Leitung 80 aus dem Frequenzgenerator 70 würde selbstverständlich den Timer am Start von jedem Wobbelfrequenzzyklus zurücksetzen. Der Frequenzgenera­ tor 70 kann so aufgebaut sein, daß er ein Frequenzwobbelsignal entweder in regelmäßigen Intervallen oder immer dann abgibt, wenn eine Frequenzmessung gewünscht wird. Die Verwendung einer Wobbelfrequenz zum Erregen des Schweißbades, wie es gerade be­ schrieben wurde, hat den Vorteil, daß die Analyse des zeitver­ änderlichen Signals aus dem Lichtsensor über der Spektralanaly­ se, die durch Modulieren der Gasströmung mit Impulsen erforder­ lich ist, etwas vereinfacht ist.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine andere Methode zum Erregen des Schweißbades verwendet. Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich demje­ nigen gemäß Fig. 1, außer daß in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 das Schweißbad dadurch erregt wird, daß der Schweißstrom gesteuert bzw. moduliert wird, der der Elektrode 14 von einer Schweißenergie-Einspeisung 82 über eine Leitung 84 zugeführt wird. Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, ist die Leitung 84 durch eine Schutzgasleitung 66 und den Gaseinlaß 20 in dem Brennergehäuse hindurchgeführt und mit der Elektrode verbunden. Das Signal aus dem Frequenzgenerator 70 wird der Schweißenergie-Quelle 82 zugeführt um den Schweißstrom zur Elektrode zu steuern. Der Frequenzgenerator 70 kann entweder ein Puls- oder Wobbelfre­ quenzgenerator sein, wie es vorstehend beschrieben ist, und das Modulationssignal aus dem Generator bewirkt, daß sich der Schweißstrom in bezug auf einen im voraus festgesetzten Wert gemäß der Modulation verändert. Diese Stromänderungen bewirken, daß das Schweißbad bei der Frequenz schwingt, mit der der Strom moduliert wird. Die Eigenschwingungsfrequenz des Schweiß­ bades wird in ähnlicher Weise, wie es zuvor in Verbindung mit der Steuerung bzw. Modulation des Schutzgases beschrieben wurde, ermittelt und verarbeitet.

Claims (17)

1. Einrichtung zum Überwachen der Einbrandtiefe beim Lichtbogenschweißen, bei dem ein elektrischer Strom einen Lichtbogen zwischen einer Elektrode eines Schweißbrenners und einem Werkstück zur Erzeugung eines Schweißbades ausbildet, mit einer Einrichtung zum Erregen räumlicher Schwingungen im Schweißbad, einer Einrichtung zum Ermitteln der Eigenfrequenz der Schweißbadschwingungen und einer Steuereinrichtung für den Schweißprozeß, gekennzeichnet durch:

• a) Mittel der Erregungseinrichtung (60) für das Erzeu­ gen mehrerer unterschiedlicher Frequenzen,
• b) eine optische Abtasteinrichtung (26) zur Ermittlung der Eigenfrequenz, die Licht unter einem solchen Winkel auf die Schweißbadoberfläche richtet, daß bei nichterregtem Schweißbad kein Licht auf einen Lichtdetektor (30) reflektiert wird,
• c) einen Prozessor (28), der aus dem Ausgangssignal des Lichtdetektors (30) die jeweilige Eigenfrequenz und aus dem Eigenfrequenzverlauf den Übergang vom unvollständigen zum vollständigen Einbrand ermit­ telt, wobei die von dem Übergang herrührende Fre­ quenzinformation an die Steuereinrichtung für den Schweißprozeß gelangt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erregungseinrichtung (60) zum Ausüben einer variablen Kraft auf das Schweißbad einen Frequenzgenerator (70) zum Steuern des von der Schweißenergiequelle (82) abgegebenen Schweißstroms aufweist, damit die Erregungsmittel bei den mehreren unterschiedlichen Frequenzen arbeiten.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenzgenerator (70) einen Pulsgenerator aufweist und daß Mittel zum Durchführen einer Spektralanalyse des Detektorsignals vorhanden sind, um die Frequenz zu ermit­ teln, bei der das Signal einen Spitzenwert hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frequenzgenerator (70) einen Wobbel­ frequenzgenerator aufweist und Mittel vorhanden sind zum Ermit­ teln der Frequenz des Generators, bei der das Detektorsignal einen Spitzenwert hat.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zum Messen eines Zeitintervalls zwischen dem Beginn eines Wobbelfrequenzzyklus aus dem Frequenzgenerator und der Zeit des Auftretens des Spitzenwertes und Mittel vor­ handen sind zum Korrelieren des Zeitintervalls mit der Frequenz des Frequenzgenerators zu der Zeit des Auftretens.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zum Bestrahlen des Schweißbades mit mono­ chromatischem Licht vorgesehen sind, das eine vorbestimmte Wel­ lenlänge aufweist, wobei die optische Abtasteinrichtung (26) Mittel aufweist zum Abtasten von reflektiertem Licht in einem schmalen Wellenlängenband um die vorbestimmte Wellenlänge herum.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abtastmittel ein Schmalband-Spektralfilter (50) und Mittel (22, 24, 32) aufweist zum Übertragen des re­ flektierten Lichtes von dem Schweißbad zu dem Lichtdetektor durch das Filter hindurch.

8. Einrichtung zum Überwachen der Einbrandtiefe beim Lichtbogenschweißen, bei dem ein elektrischer Strom einen Lichtbogen zwischen einer Elektrode eines Schweißbrenners und einem Werkstück zur Erzeugung eines Schweißbades ausbildet, mit einer Einrichtung zum Erregen räumlicher Schwingungen im Schweißbad, einer Einrichtung zum Ermitteln der Eigenfrequenz der Schweißbadschwingungen und einer Steuereinrichtung für den Schweißprozeß, gekennzeichnet durch:

• a) eine optische Abtasteinrichtung (26) zur Ermitt­ lung der Eigenfrequenz, die Licht unter einem solchen Winkel auf die Schweißbadoberfläche richtet, daß bei nichterregtem Schweißbad kein Licht auf einen Lichtdetektor (30) reflektiert wird,
• b) einen Prozessor (28), der aus dem Ausgangssignal des Lichtdetektors (30) die jeweilige Eigenfrequenz ermittelt,
• c) Mittel (68, 76) der Erregungseinrichtung (60) zum Ausüben einer variablen Kraft auf das Schweißbad und einen Frequenzgenerator (70) zum Antreiben der Mittel (68) zur Kraft­ ausübung bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen und
• d) eine Einrichtung zum Führen einer Schutzgasströ­ mung zum Schweißbrenner für die Abschirmung des Lichtbogens.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch:
eine Steuerkammer (64), durch die das Schutzgas hin­ durchströmt und in der die Mittel (68) der Erregungseinrichtung (60) angeordnet sind, die durch Verändern des Gasdruckes in der Kammer die variable Kraft auf das Schweißbad ausüben.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den Gasdruck verändernde Einrichtung einen elektrisch gesteuerten, akustischen Wandler (68) aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der akustische Wandler (68) ein Lautsprecher ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (76) der Erregungseinrichtung (60) an der Zuführung (72) für eine weitere Schutzgasströmung zum Brenner angeordnet sind und auf den Frequenzgenerator (70) ansprechen.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (70) als ein elektrisch gesteuertes Ventil zum Verändern der weiteren Schutzgasströmung ausgebildet sind.

14. Verfahren zum Überwachen der Einbrandtiefe beim Lichtbogenschweißen, bei dem ein elektrischer Strom einen Lichtbogen zwischen einer Elektrode eines Schweißbrenners und einem Werkstück zur Erregung eines Schweißbades ausbildet, bei dem im Schweißbad räumliche Schwingungen erzeugt, die Eigenfre­ quenz der Schweißbadschwingungen ermittelt und die Ergebnisse einer Steuereinrichtung zur Führung des Schweißprozesses zuge­ leitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Licht unter einem solchen Winkel auf die Schweißbadoberfläche gerichtet wird, daß bei nichterregtem Schweißbad kein Licht auf einen Lichtdetektor reflektiert wird, daß das Schweißbad bei mehreren unterschied­ lichen Frequenzen erregt wird, um räumliche Schwingungen in dem Schweißbad hervorzurufen, indem die Strömung eines Schutzgases gesteuert wird, das zu dem Schweißbrenner strömt, und daß das von dem Lichtdetektor gelieferte Signal analysiert wird, um die Eigenfrequenz der Schwingung des Schweißbades zu ermitteln.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit gepulst und eine Spek­ tralanalyse des Signals durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases mit Hilfe einer Wobbelfrequenz verändert wird und beim Analysieren der Zeit des Auftretens eines Spitzenwertes des Detektorsignals gemessen und die Zeit mit einer Wobbelfrequenz korreliert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schweißbad mit monochromatischem Licht vorbestimm­ ter Wellenlänge bestrahlt und das reflektierte Licht in einem schmalen Band von Wellenlängen um die vorbestimmte Wellenlänge herum zur Ermittlung der Eigenfrequenz herangezogen wird.