DE3833188A1 - Verfahren zum bestimmen der schweissbarkeit eines werkstueckes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Lichtbogenschweißverfahren, und sie betrifft mehr im besonderen ein Verfahren zum Bestimmen der Schweißbarkeit eines Teiles bzw. Werkstückes.

Die Luftfahrtindustrie benutzt unter anderem häufig "Super"- oder "exotische" Legierungen zum Herstellen von Teilen und Kom­ ponenten, was das Schweißen solcher Materialien zur Folge hat. Solche Superlegierungen schließen Legierungen auf Nickel-, Kobalt- und Eisenbasis ein, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweisen. So ist zum Beispiel Inconel 718 eine Superlegierung auf Nickelbasis. Diese Legierungen sind übli­ cherweise durch eine ziemlich geringe Konzentration von Spuren­ elementen oder Verunreinigungen charakterisiert, wie Schwefel oder Sauerstoff. Die Spezifikationen für eine besondere Legie­ rung setzen üblicherweise Maximalgrenzen für Verunreinigungs­ konzentrationen fest, und die Verunreinigungskonzentrationen können zwischen verschiedenen Chargen oder Güssen der gleichen Legierung variieren. Diese Variationen in den Verunreinigungs­ konzentrationen von Guß zu Guß können dazu führen, daß sich verschiedene Chargen der gleichen Legierung hinsichtlich der Schweißbarkeit beträchtlich unterscheiden.

Innerhalb gewisser Grenzen der Spurenelementkonzentrationen mag die Schweißbarkeit einer Legierung nicht merklich beein­ flußt werden. Bei geringen Verunreinigungskonzentrationen können jedoch geringe Variationen bei den Konzentrationen ei­ niger Spurenelemente zu beträchtlichen Variationen beim Ein­ brand führen. Bei gewissen Legierungen, wie Inconel 718, oder korrosionsbeständigen Stählen vom Typ 300, bestimmen die Ver­ unreinigungskonzentrationen in der Legierung, insbesondere Schwefel, die Schweißbarkeit. Bei Schwefelkonzentrationen ober­ halb etwa 100 bis 150 ppm (Teile pro Million) haben Variatio­ nen in der Schwefelkonzentration wenig Wirkung auf die Schweiß­ barkeit. Bei Schwefelkonzentrationen unterhalb von etwa 50 bis 60 ppm können geringe Variationen in der Konzentration jedoch zu beträchlichen Variationen im Einbrand für die gleichen Schweißparameter führen. Ein verringerter Einbrand kann sich aus einer zu geringen Konzentration ergeben, und Unterschiede im Einbrand mögen für den menschlichen oder Maschinenschweißer nicht augenscheinlich sein, da Änderungen in den Merkmalen der Seitenflächen des Schweiß- bzw. Schmelzbades nicht einfach wahrnehmbar sind. Dies hat Probleme beim Schweißen von Teilen aus solchen Legierungen verursacht. Das übliche Herangehen besteht darin, die Teile zu schweißen und sie danach zu unter­ suchen. Die Nachteile dieses Herangehens sind augenscheinlich. Die Teile mögen als Abfall zu verwerfen oder die geschweißte Verbindung mag nachzubearbeiten sein, um einen spezifischen Einbrand zu erhalten. Es mag auch erforderlich sein, chemi­ sche Analysen der Teile vor dem Schweißen durchzuführen, wenn Probleme wiederholt aufgetreten sind.

Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zum Bestimmen der Schweißbarkeit eines Teiles vor dem Schweißen zu schaffen, das die vorgenannten Schwierigkeiten vermeidet, indem die Möglich­ keit geschaffen wird, geeignete Änderungen der Schweißparameter vor dem Schweißen vorzunehmen, so daß eine Schweißverbindung mit den gewünschten Eigenschaften erhalten wird. Hierauf ist die vorliegende Erfindung hauptsächlich gerichtet.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestimmen durch direkte Messung der Schweißbarkeit eines Werkstückes oder Teiles, das aus einem gegebenen Material besteht, wie z. B. einer Super­ legierung oder ähnlichem. Die Erfindung schafft ein relativ einfaches und leicht ausführbares Meßverfahren, das in Echt­ zeit an einem tatsächlichen Teil unmittelbar vor dem Schweißen ausgeführt werden kann, wobei ein ziemlich einfacher Sensor benutzt wird, um die Schweißbarkeit des Teiles zu bestimmen. Dies gestattet geeignete Einstellungen bei den Schweißparame­ tern, sollten sich solche als erforderlich erweisen, um eine Schweißverbindung mit erwünschten Eigenschaften herzustellen. Der gleiche Sensor kann auch für die direkte Bestimmung des Schweißbad-Einbrandes während des Schweißens in Echtzeit be­ nutzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Begriff Schweißbarkeit auf das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißraupe, das in Beziehung steht zur dreidimensionalen Geometrie des geschmolzenen Schweißbades. Große Verhältnisse von Tiefe zu Breite stehen in Beziehung zu einer engen durch Hitze beeinflußten Zone (HAZ) und einem guten Einbrand. Sowohl ein guter Einbrand als auch eine enge HAZ sind beim Wolfram- Inertgas (WIG)-Lichtbogenschweißen erwünscht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Verhältnis von Tiefe zu Breite einer Schweißverbindung durch die dreidimensionale Geometrie des geschmolzenen Schweißbades bestimmt wird und daß die Schweißbarkeit durch Messen der natürlichen, das heißt, Resonanzfrequenz der Oszillation des geschmolzenen Schweiß­ bades bestimmt werden kann, da die natürliche Frequenz in Be­ ziehung steht zur dreidimensionalen Geometrie. Die dreidimen­ sionale Geometrie des Schweißbades und somit auch die natür­ liche Frequenz hängt wiederum von der Oberflächenspannung des Materials ab, die durch die Konzentration der Spurenelemente im Material beeinflußt wird. Die Oberflächenspannung beein­ flußt die Strömungsdynamik der Schmelze im Schmelzbad sowie die damit in Beziehung stehenden Wärmeübertragungsprozesse, und sie beeinflußt auf diese Weise die dreidimensionale Geo­ metrie des Schweißbades.

Allgemein schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Schweißbarkeit eines Materials, das das Initiieren eines Lichtbogens zwischen einem stationären Schweißbrenner und einem Werkstück umfaßt, das aus dem Material besteht, wobei ein vorbestimmter Satz von Schweißparametern benutzt wird, um ein geschmolzenes Schweißbad in dem Werkstück zu erzeugen. Zu ei­ nem vorbestimmten Zeitpunkt nach der Initiierung des Lichtbo­ gens wird die natürliche Oszillationsfrequenz des geschmolze­ nen Schweißbades gemessen, und diese gemessene Frequenz wird mit empirisch ermittelten Daten für das Material verglichen, um die Schweißbarkeit des Werkstückes zu bestimmen.

Gemäß einem anderen Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Verhältnisses von Tiefe zu Breite eines Schweißbades in einem Teil, das aus einer Legierung besteht, um die Schweißbarkeit des Teiles zu bestimmen, wobei das Ver­ fahren das Initiieren eines Lichtbogens zwischen einem Schweißbrenner und dem Teil umfaßt, wobei ein vorbestimmter Satz von Schweißparametern benutzt wird, um ein geschmolzenes Schweißbad in dem Teil zu erzeugen, man die natürliche Oszilla­ tionsfrequenz des geschmolzenes Schweißbades zu einem vorbe­ stimmten Zeitpunkt nach der Initiierung des Lichtbogens mißt und die gemessene Oszillationsfrequenz mit einem Satz von natürlichen Frequenzwerten für verschiedene Chargen der Legie­ rung vergleicht, wobei diese natürlichen Frequenzwerte in Beziehung stehen zu verschiedenen Verhältnissen von Tiefe zu Breite, um die Schweißbarkeit des Teiles zu bestimmen.

Vorzugsweise werden die Schweißparameter ausgewählt, um ein teilweise einbrennendes Schweißbad in dem Werkstück zu erzeu­ gen, und die natürliche Frequenz wird zwei bis vier Sekunden nach dem Initiieren des Lichtbogens gemessen. Durch Verglei­ chen der gemessenen natürlichen Frequenz mit empirisch be­ stimmten Daten, die natürliche Frequenzwerte in Beziehung setzen zur Schweißbarkeit für verschiedene Chargen des glei­ chen Materials, kann die Schweißbarkeit des untersuchten Werkstückes leicht bestimmt werden und, falls erforderlich, kann man geeignete Einstellungen an den Schweißparametern vornehmen, um eine Schweißverbindung mit erwünschten Charakte­ ristika zu erhalten. Die natürliche Oszillationsfrequenz des Schweißbades kann bestimmt werden, indem man das Schweißbad mit einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen anregt, um räumliche Oszillationen bzw. Schwingungen im Schweißbad zu erzeugen, man das vom Schweißbad reflektierte Licht empfängt und das empfangene Licht analysiert, um die natürliche Oszilla­ tionsfrequenz bzw. Eigenfrequenzschwingung zu bestimmen. Die Sensorvorrichtung zum Bestimmen der Eigenfrequenz kann zu­ mindest teilweise in den Schweißbrenner selbst eingebaut sein und während des tatsächlichen Schweißens dazu benutzt werden, eine kontinuierliche Echtzeitanzeige des Grades des Einbrandes zu liefern. Ein deutlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besteht darin, daß es in das Schweißverfahren selbst eingefügt werden kann. Dies gestattet die Bestimmung der Schweißbarkeit eines tatsächlichen Teiles durch Direktmessung auf dem Teil sowie die Einstellung der Schweißparameter auf die spezifischen Charakteristika des Teiles.

Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A und 1B eine Kurve, die eine beispielhafte Ober­ flächenspannung γ in Abhängigkeit von der Temperatur T einer ersten Charge einer be­ stimmten Legierung und ein Querschnittsdia­ gramm eines Schweißbades in einem aus der Legierung bestehenden Teil und

Fig. 2A und 2B ähnlich den Fig. 1A und 1B die Abhängig­ keit der Oberflächenspannung von der Tempera­ tur einer anderen Charge der gleichen Legie­ rung sowie den entsprechenden Querschnitt des Schweißbades.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut geeignet zum Bestimmen der Schweißbarkeit von Superlegierungen, wie Inconel 718 und korrosionsbeständigen Stählen vom Typ 300, und sie wird daher in Zusammenhang mit diesen Legierungen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Metalle und Legierun­ gen anwendbar.

Wie bereits angedeutet, wurde festgestellt, daß geringe Varia­ tionen in den Konzentrationen von Spurenelementen zwischen ver­ schiedenen Chargen gewisser Materialien, wie Legierungen mit ge­ ringem Verunreinigungsgehalt, eine deutliche Auswirkung auf deren Schweißbarkeit haben können. Die Spurenelemente, die das größte Problem zu verursachen scheinen, sind solche, die als oberflächenaktive Mittel wirken, insbesondere Schwefel oder solche Elemente, die sich mit oberflächenaktiven Mitteln kom­ binieren, um deren Wirkung zu beeinträchtigen. Es wurde gezeigt, daß bei geringen Konzentrationen Variationen in der Konzentra­ tion des oberflächenaktiven Mittels Variationen in der Abhän­ gigkeit der Oberflächenspannung von der Temperatur verursachen kann, was wiederum die Strömungsdynamik des flüssigen Schmelz­ bades sowie die damit in Beziehung stehenden Wärmeübertra­ gungsprozesse beeinflußt, was zu Variationen in der dreidimen­ sionalen Geometrie des Schweißbades führt. Die Fig. 1A-B und 2A-B sind zur Veranschaulichung dieser Wirkungen brauchbar.

Fig. 1B gibt eine Querschnittsansicht wieder, die das Profil eines Schweißbades 10 zeigt, das mit einem angenommenen Satz von Schweißparametern in einer Legierung 12 mit geringem Ver­ unreinigungsgehalt erzeugt wird. Die Fig. 2B gibt eine Quer­ schnittsansicht wieder, die das Profil eines anderen Schweiß­ bades 10′ zeigt, das mit den gleichen Schweißparametern in einer anderen Charge 12′ der gleichen Legierung mit unterschiedlichen Konzentrationen an Spurenelementen erzeugt wird.

Die Fig. 1A und 2A zeigen die entsprechenden Kurven der Ab­ hängigkeit der Oberflächenspannung γ von der Temperatur T bei diesen beiden Legierungen. Wie in den Figuren gezeigt, wurde festgestellt, daß die Konzentration der oberflächenaktiven Elemente, wie Schwefel, die Temperaturabhängigkeit der Ober­ flächenspannung (d γ/dT) beeinflussen kann und bei geringen Konzentrationen das d γ/dT von einem positiven zu einem negati­ ven Wert verändern und folglich auch die Richtung der Strömung der Schmelze im Schmelzbad. Die Strömung im Schmelzbad wird üblicherweise von einer durch Oberflächenspannung angetriebenen Strömung (Marangoni-Konvektion) dominiert, wobei die Richtung von einem Bereich geringer Oberflächenspannung zu einem hoher Oberflächenspannung verläuft. Die Fig. 1A-B sind z. B. charakteristisch für einen korrosionsbeständigen Stahl vom Typ 300 mit einer Schwefelkonzentration in der Größenordnung von 50 ppm oder weniger und die Fig. 2A-B sind charakteri­ stisch für den gleichen korrosionsbeständigen Stahl mit einer Schwefelkonzentration in der Größenordnung von 100 ppm. Für Schwefelkonzentrationen oberhalb von etwa 100 bis 150 ppm sättigt das oberflächenaktive Mittel die Oberfläche des Mate­ rials, so daß Variationen in seiner Konzentration die Schweiß­ barkeit nicht deutlich beeinflussen.

Wie in Fig. 1A gezeigt, wo die Konzentration an oberflächen­ aktivem Mittel ausreichend gering ist, ist die Neigung der Kurve, die die Abhängigkeit der Oberflächenspannung von der Temperatur wiedergibt, negativ. Wie oben erwähnt, neigen Flüssigkeiten dazu von einem Bereich geringer Oberflächen­ spannung zu einem hoher Oberflächenspannung zu strömen. Da die Temperatur im Zentrum 14 der Oberfläche des Schweißbades 10 höher als die Temperatur an der Peripherie 16 des Schweiß­ bades ist, wird die Oberflächenspannung an der Peripherie größer sein und die Schmelze des Schmelzbades fließt vom Zentrum 14 (Bereich geringer Oberflächenspannung) zu den Kan­ ten 16 (Bereiche hoher Oberflächenspannung) des Schweißbades, wie durch die Pfeile in Fig. 1B angedeutet. Es findet auch ein Strömen von den Kanten 16 zur Basis 18 des Schweißbades statt, wie in Fig. 1B dargestellt. Die von der Flüssigkeit mitgeführte Wärme verursacht daher ein weiteres Schmelzen des Materials an den Kanten des Bades und man erhält ein breites flaches Bad. Ist andererseits die Konzentration des oberflä­ chenaktiven Mittels ausreichend hoch, um eine Abhängigkeit der Oberflächenspannung von der Temperatur mit positiver Nei­ gung zu erzeugen, wie in Fig. 2A gezeigt, dann strömt das flüssige Metall von den Kanten 20 des Schweißbades 10′ (Be­ reiche geringerer Oberflächenspannung) zum Zentrum 22 des Schweißbades (Bereich hoher Oberflächenspannung) und auch zur Basis 24 des Schweißbades nach unten, wie durch die Pfeile in Fig. 2B veranschaulicht. Diese Strömung nach innen und unten verursacht ein weiteres Schmelzen von Festkörper an der Basis 24 des Schweißbades 10′ und führt zur Erzeugung eines engeren tieferen Schweißbades. Das Verhältnis von Tiefe zu Breite des Schweißbades 10′ ist daher größer als das Ver­ hältnis von Tiefe zu Breite beim Schweißbad 10. Große Verhält­ nisse von Tiefe zu Breite sind verbunden mit einer engen wärmebeeinflußten Zone (HAZ) und einem guten Einbrand, die beim WIG-Schweißen erwünscht sind. Das Material der Fig. 2B hat daher eine bessere Schweißbarkeit als das Material der Fig. 1B.

Die Figuren veranschaulichen, daß Unterschiede in der Schweiß­ barkeit eines Materials in Beziehung stehen zu Unterschieden in der dreidimensionalen Geometrie seines Schweißbades. Die Erfindung mißt einen Parameter, der in Beziehung steht zur drei­ dimensionalen Geometrie und damit zum Verhältnis von Tiefe zu Breite des Schmelzbades, um die Schweißbarkeit zu bestimmen. Die­ ser Parameter ist vorzugsweise die Eigenfrequenzschwingung des Schweißbades, den die Erfindung als Grundlage für die Bestimmung der Schweißbarkeit benutzt.

Ein äußeres Anregen eines geschmolzenen Schweißbades induziert räumliche Schwingungen im Schweißbad. Bei richtiger Anregung schwingt das Schweißbad bei seiner Eigen- oder Resonanzfrequenz der Schwingung. Die Eigenfrequenz eines stationären Schweißbades wird durch seine Oberflächenspannung, seine Masse und seine dreidimensionale Geometrie bestimmt. Die Unterschiedlichen Geo­ metrien der Schweißbäder 10 und 10′ der Fig. 1B und 2B führen zu unterschiedlichen Eigenfrequenzschwingungen.

Gemäß der Erfindung können die Eigenfrequenzschwingungen von Proben verschiedener Chargen einer Legierung mit bekannten un­ terschiedlichen Spurenelementkonzentrationen unter spezifischen Bedingungen gemessen werden, um empirische Daten für die Legie­ rung zu erhalten. Die gemessenen Werte der Eigenfrequenz können dann in Beziehung gesetzt werden zur Schweißbarkeit, indem man die Proben mit üblichen Techniken testet oder unter­ sucht. Die Verhältnisse von Tiefe zu Breite können zum Beispiel aus Messungen von Querschnitten der Proben durch die Schweiß­ raupe bestimmt werden. Die Schweißbarkeit eines Teiles aus die­ ser Legierung kann daher bestimmt werden, indem man die Eigen­ frequenzschwingung eines Schweißbades mißt, das unter den glei­ chen spezifischen Bedingungen in dem Teil hergestellt worden ist, wie die, die für den Erhalt der empirischen Daten benutzt wurden und indem man die gemessene Eigenfrequenzschwingung mit den empirisch ermittelten Werten vergleicht. Es ist erwünscht, daß die Schweißbarkeit eines Teiles unter den gleichen Bedingun­ gen bestimmt wird, wie denen, die beim Schweißen tatsächlich benutzt werden. So können zum Beispiel einige Oberflächenver­ unreinigungen und Oxide Einbrennprobleme verursachen. Werden die Oberflächen tatsächlicher Teile, die verschweißt werden sollen, zuerst mechanisch gereinigt, um Oberflächenoxide und andere Verunreinigungen zu entfernen, dann würde man dies auch bei einem auf Schweißbarkeit untersuchten Teil tun sowie bei den Teilen, von denen man die empirischen Daten ermittelt hat. Außerdem sollte das auf Schweißbarkeit untersuchte Teil die gleiche Größe und Konfiguration haben, wie die Teile, die zur Aufnahme der empirischen Daten benutzt worden sind, und auch die Befestigung und die anderen Bedingungen sollten gleich sein.

Eine bevorzugte Art der Bestimmung der Schweißbarkeit gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, zuerst das zu untersuchen­ de Teil zu reinigen, wenn das tatsächliche Schweißen an einem sauberen Teil ausgeführt werden soll, und dies ist auch die Art, in der die empirischen Daten gewonnen wurden. Anderenfalls würde man kein Reinigen ausführen. Dann wird ein Lichtbogen zwischen einem stationären Schweißbrenner und dem Teil unter Anwendung eines vorbestimmten Satzes von Schweißparametern initiiert, die vorzugsweise so ausgewählt sind, daß in dem Teil ein teilweise einbrennendes geschmolzenes Schweißbad ent­ steht. Dann mißt man die Eigenfrequenzschwingung des stationä­ ren Schweißbades (in einer gleich zu beschreibenden Weise) eine vorbestimmte Zeit, z. B. 2 bis 4 Sekunden, nach der Initiierung des Lichtbogens. Vorzugsweise wird die Schweißbarkeit auf ei­ nem tatsächlichen Teil als Stufe des Schweißprozesses vor dem Beginnen des tatsächlichen Schweißens des Teiles bestimmt. Die gemessene Eigenfrequenzschwingung des Schweißbades wird dann mit den empirischen Daten verglichen, um die Schweißbar­ keit des Teiles zu bestimmen. Liegt die gemessene Eigenfrequenz innerhalb annehmbarer Grenzen, kann man das Schweißen beginnen. Liegt die gemessene Eigenfrequenz außerhalb der annehmbaren Grenzen, dann kann man das Schweißen abbrechen oder man modifi­ ziert die Schweißbedingungen, um den Unterschieden im Material Rechnung zu tragen. Eine Modifikation der Schweißbedingungen kann das Ändern der Schweißparameter einschließen, wie das Er­ höhen der Leistung, um einen besseren Einbrand zu erhalten oder man kann die Bestandteile der Legierung modifizieren, um ihre Schweißbarkeit zu verbessern. Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter Anwendung einer programmierbaren Schweißvorrichtung automatisch ausgeführt werden oder unter der manuellen Kontrolle einer Betriebsperson.

Die Eigenfrequenzschwingung des geschmolzenen Schweißbades kann in verschiedener Weise gemessen werden. Vorzugsweise erfolgt dies durch Anregen des Schweißbades mit einer Vielzahl verschie­ dener Frequenzen, um räumliche Schwingungen im Schweißbad zu induzieren, Aufnehmen des in einem nicht-spiegelnden Winkel vom Schweißbad reflektierten Lichtes und Bestimmen der Anregungs­ frequenz, die die größte Menge an reflektiertem Licht erzeugt. Diese Anregungsfrequenz entspricht der Eigenfrequenzschwingung des Schweißbades. Ein Verfahren und eine Vorrichtung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, um die Eigenfrequenzschwingung des geschmolzenen Schweißbades zu be­ stimmen, sind in der DE-OS 37 38 540 beschrieben.

In dieser DE-OS ist ein Schweißbrenner offenbart, der ein das Schweißbad abbildendes optisches System einschließt, umfassend eine im Brennergehäuse montierte Linse, um das geschmolzene Schweißbad aus einem nicht-spiegelnden Reflexionswinkel zu be­ trachten. Das von der Linse empfangene Licht wird auf das Ende eines Faseroptikkabels fokussiert, das das empfangene Licht zu einem Lichtsensor überträgt. Der Lichtsensor mißt die Menge des empfangenen Lichtes und erzeugt ein entsprechendes elektri­ sches Signal, das zu einem Prozessor geht, der das elektrische Signal zur Bestimmung der Eigenfrequenzschwingung analysiert. Das Schweißbad kann zu Schwingungen angeregt werden, indem man entweder die Strömungsgeschwindigkeit eines Abschirmgases, das dem Brenner zugeführt wird und vom Brenner zum Werkstück strömt, um den Lichtbogen einzuhüllen, moduliert oder indem man den Lichtbogenstrom moduliert. Die Modulation zur Anregung des Schweißbades kann entweder eine Impulsmodulation sein, die das Bad gleichzeitig mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Fre­ quenzen anregt oder es kann eine Wobbelfrequenzmodulation sein. Im Falle der Impulsmodulation kann der Prozessor eine spektrale Analyse des vom Lichtsensor erzeugten Signales ausführen, um die Frequenzkomponente des Signales zu bestimmen, die die größ­ te Amplitude hat. Im Falle einer Wobbelfrequenzmodulation kann der Prozessor den Zeitpunkt feststellen, bei dem innerhalb ei­ nes Wobbelfrequenzzyklus das größte Signal auftritt, und er kann diese Zeit mit der entsprechenden Frequenz des Wobbelfre­ quenzmodulators in Beziehung setzen.

Befindet sich das Schweißbad im nichtgestörten oder nichtreso­ nanten Zustand, dann ist seine Oberfläche im wesentlichen flach und der größte Teil des von der Oberfläche des Schweiß­ bades reflektierten Lichtes bleibt außerhalb der das Bad abbil­ denden Optik, die es aus einem nichtspiegelnden Reflexionswin­ kel betrachtet. Das Ausgangssignal des Lichtsensors wird ent­ sprechend gering sein. Ist das Schweißbad dagegen gestört oder angeregt, dann finden räumliche Schwingungen im Material statt und Oberflächenwellen reflektieren das Licht in einem mit der Zeit sich ändernden Muster, was dazu führt, daß sich das Aus­ gangssignal des Lichtsensors in einer ähnlichen Weise mit der Zeit ändert. Bei der Resonanz führen die Oberflächenwellen auf dem Schweißbad zu einer Menge des zur abbildenden Optik reflek­ tierten Lichtes, das einen Maximalwert hat, so daß das Signal des Lichtsensors ebenfalls seinen Maximalwert erreicht. Setzt man die Anregungsfrequenz mit der Spitze des Signals vom Lichtsensor in Beziehung, dann kann die Eigenfrequenzschwin­ gung leicht bestimmt werden.

Verfahren und Vorrichtung der DE-OS 37 38 540 können auch wäh­ rend des tatsächlichen Schweißens mit einem bewegten Schweiß­ brenner benutzt werden, um den vollständigen Einbrand des ge­ schweißten Teiles zu bestimmen. Bei vollständigem Einbrand bzw. völligem Eindringen nimmt die Resonanzfrequenz des ge­ schmolzenen Schweißbades abrupt ab, und diese Abnahme in der Eigenfrequenzschwingung kann benutzt werden, das Schweißver­ fahren zu kontrollieren, um einen vollständigen Einbrand zu erhalten. Indem man Verfahren und Vorrichtung der DE-OS 37 38 540 in der vorliegenden Erfindung benutzt, um die Eigen­ frequenzschwingung zu messen, kann das erfindungsgemäße Ver­ fahren in das Schweißverfahren selbst einbezogen und vor dem Beginn des tatsächlichen Schweißens ausgeführt werden, um die Schweißbarkeit zu bestimmen. Danach kann die gleiche Vorrich­ tung benutzt werden, den Einbrand während des tatsächlichen Schweißprozesses zu überwachen. In einigen Fällen ist es erwünscht, weniger als den völligen Einbrand in einer Schweiß­ stelle zu haben. Nachdem die Schweißbarkeit eines geschweißten Teiles bestimmt worden ist, kann diese Information benutzt werden, die Schweißparameter einzustellen, um einen erwünschten Grad an Einbrand zu erzeugen, und man kann den Einbrand wäh­ rend des tatsächlichen Schweißens überwachen, indem man die Resonanzfrequenz des Schweißbades überwacht. Wie oben erwähnt, kann dies in geeigneter Weise in ein automatisches Kontroll­ system zum Kontrollieren des Schweißprozesses einbezogen wer­ den.

Claims (18)

1. Verfahren zum Bestimmen der Schweißbarkeit eines Werk­ stückes, gekennzeichnet durch
Initiieren eines Lichtbogens zwischen einem stationären Schweißbrenner und dem Werkstück unter Anwendung eines vor­ bestimmten Satzes von Schweißparametern, um ein geschmolzenes Schweißbad im Werkstück zu erzeugen;
Messen einer Eigenfrequenz-Schwingung des ge­ schmolzenen Schweißbades zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Initiierendes Lichtbogens und
Vergleichen der gemessenen Eigenfrequenz-Schwingung mit empirisch bestimmten Daten für das genannte Material, um die Schweißbarkeit des Werkstückes zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Satz von Schweißparametern ausgewählt ist, um einen partiellen Ein­ brand des Werkstückes zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die vorbestimmte Zeit in der Größenordnung von 2 bis 4 Sekunden nach dem Initiieren des Lichtbogens liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Werkstück eine Le­ gierung mit einer geringen Konzentration eines Spurenele­ mentes in der Größenordnung von 60 ppm oder weniger umfaßt, das Variationen in der Schweißbarkeit der Legierung bei geringen Variationen in der Konzentration dieses Spurenele­ mentes erzeugen kann.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Spurenelement Schwefel umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Messen das Anregen des Schweißbades mit einer Vielzahl verschiedener Frequenzen, das Aufnehmen des vom Schweißbad reflektierten Lichtes, das Erzeugen eines dem aufgenommenen Licht entsprechenden Signales und das Analysieren des Signales umfaßt, um die Eigenfrequenz-Schwingung zu bestimmen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Anregen das Modulieren der Strömungsgeschwindigkeit eines dem Brenner zugeführten Abschirmgases umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, worin der Lichtbogen durch einen elektrischen Strom gebildet wird, der zwischen einer Elektrode des Schweißbrenners und dem Werkstück fließt und das Anregen das Modulieren des Stromes umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Anregen das Anregen des Schweißbades unter Verwendung von Impulsen umfaßt und das Analysieren das Ausführen einer Spektralanalyse des genannten Signales umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Anregen das Anregen des Schweißbades mit einer Durchlauf-oder Wobbelfrequenz umfaßt und das Analysieren das Messen der Zeit des Auftretens einer Spitze des Signals und das Korellieren dieser Zeit mit einer Frequenz der Modulation umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Aufnehmen das Auf­ nehmen von Licht umfaßt, das in einem nichtspiegelnden Winkel vom Schweißbad reflektiert worden ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Einstellen der Schweißparameter in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis, um einen vorausgewählten Einbrand zu schaffen.

13. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verfahren als Teil eines Schweißprozesses ausgeführt wird, bei dem das Werk­ stück geschweißt wird und es vor dem Schweißen des Werk­ stückes ausgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, worin die empirischen Daten durch Messen der Eigenfrequenz-Schwingungen ver­ schiedener Proben des Materials des Werkstückes unter Ver­ wendung des vorbestimmten Satzes von Schweißparametern bestimmt werden und man solche Eigenfrequenz-Schwingungen mit der Schweißbarkeit in Beziehung setzt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin das Material eine Le­ gierung mit geringen Konzentrationen an Spurenelementen umfaßt und die Proben verschiedene Chargen der Legierung mit einem Bereich von Schweißbarkeiten umfassen.

16. Verfahren zum Bestimmen des Verhältnisses von Tiefe zu Breite eines Schweißbades in einem Werkstück, das aus einer Legierung besteht, um die Schweißbarkeit des Werk­ stückes zu bestimmen, gekennzeichnet durch
Initiiren eines Bogens zwischen einem Schweißbrenner und dem Werkstück unter Anwendung eines vorbestimmten Satzes von Schweißparametern zur Erzeugung eines geschmolzenen Schweißbades im Werkstück,
Messen einer Eigenfrequenz-Schwingung des ge­ schmolzenen Schweißbades zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Initiierenden des Lichtbogens und
Vergleichen der gemessenen Eigenfrequenz-Schwingung mit einem Satz von Eigenfrequenzwerten für verschiedene Chargen dieser Legierung, deren Eigenfrequenzwerte bekannten Verhältnissen von Tiefe zu Breite entsprechen, um die Schweißbarkeit des Werkstückes zu bestimmen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin der Schweißbrenner stationär ist und der vorbestimmte Satz von Schweißpara­ metern ausgewählt ist, um ein partiell einbrennendes bzw. eindringendes Schweißbad in dem Werkstück zu erzeugen.

18. Verfahren nach Anspruch 16, worin die Schweißbarkeit des Werkstückes vor dem Schweißen des Werkstückes bestimmt wird und das Verfahren weiter das Einstellen der Schweißparameter in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis umfaßt, um ein vor­ bestimmtes Verhältnis von Tiefe zu Breite zu erhalten.