DE4215252A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aneinanderschweißen von langen Blechbahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aneinanderschweißen von langen Blechbahnen.

Bei der Herstellung der Blechbahnen treten geringe Fehler auf. So liegen die Längskanten nicht genau auf einer Geraden. Sie sind etwas gebogen und sind mit einem Kreissegment vergleichbar, bei dem der Kreis einen sehr großen Radius hat. In der Walz­ werkstechnik wird dies als Säbeligkeit bezeichnet. Auf 10 m Län­ ge ergeben sich durchaus Abweichungen von einigen Zentimetern von der Geraden. Durch Längsunterschiede verursacht, gibt es auch häufig in einem Seitenbereich der Blechbahn liegende schwa­ che Wellen. Beim Zusammenschweißen von zum Beispiel kurzen, etwa 2 m langen Blechabschnitten stören diese Fehler nicht, weil zum Beispiel beim Stumpfschweißen die Schweißnahtbreite nur unwesent­ lich verändert wird. Bei langen Blechbahnen kommt es zu einer Fehleraddition und der Schweißspalt wird um einige Zentimeter verbreitert.

In der P 4022062 wird vorgeschlagen, die Fehler durch starkes Spannen der Blechbahnen zu beseitigen. Die dazu erforderlichen Kräfte sind nur mit großem Aufwand zu erzeugen. Es werden auch Bereiche der Blechbahn mit verspannt, die nicht mit einem auszu­ gleichenden Fehler behaftet sind.

Es ist besonders der Fehler der Säbeligkeit durch Spannen nicht auszugleichen. Nach Wegfall der Spannungen ist bei den zusammen­ geschweißten Blechen die Gefahr des Verbeulens und Verziehens sehr groß.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache Möglichkeit des Fehlerausgleiches zu schaffen und die Gefahr des Verbeulens und Verziehens zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Verfahrensmerkmale des Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 2 beschrieben und in den Ansprüchen 2 bis 6 weitergebildet.

Die Erfindung wird mit Hilfe der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben.

Nach der Fig. 1 werden zwei Blechbahnen aneinandergeschweißt. Die Blechbahn 1 wird vom Coil 2 abgewickelt und die Blechbahn 3 vom Coil 4. Es werden die Blechbahn 1 über einen Rollgang mit den Rollen 5 und 6 und die Blechbahn 3 über die Rollen 8 und 9 zur Schweißmaschine 7 transportiert. Hinter dieser werden die zusammengeschweißten Blechbahnen mit der Schere 24 in Abschnitte zerteilt, die als Ausgangsprodukte für die Weiterverarbeitung, zum Beispiel im Automobilbau oder im allgemeinen Maschinenbau dienen.

Wenn die entsprechenden Vorrichtungen vervielfacht werden, so können auch gleichzeitig mehr als 2 Blechbahnen aneinanderge­ schweißt werden. Die Blechbahnen 1 und 3 werden kurz vor dem Einlauf in die Schweißmaschine 7 so einander genähert, daß der gewünschte Schweißspalt oder die gewünschte Überlappung ent­ steht. Diese Annäherung geschieht bei der Blechbahn 1 durch einen die Blechbahn antreibenden Reibradantrieb 10, der ent­ sprechend dem Doppelpfeil 22 durch einen nicht gezeichneten Verstellantrieb geringfügig verschiebbar ist. Das gleiche gilt für die Blechbahn 3, wo der Reibradantrieb mit 11 bezeichnet ist. Außerdem sind auch zum Beispiel die Stützrollen 5, 6, 8 und 9 angetrieben und auch seitlich verschiebbar gebaut. Die Coils 2 und 4 sind ebenfalls seitlich verschiebbar angetrieben. Der Schweißspalt wird in seiner Größe zum Beispiel durch hin­ durchtretendes Licht gemessen, das auf zum Beispiel Diodenzei­ lenkameras 12 und 13 fällt. Die Meßwerte der Diodenzeilenkame­ ras 12 und 13 werden zum Computer 14 geleitet, der die seitliche Verschiebung der Reibradgetriebe 10 und 11, der Stützrol­ len 5, 6, 8 und 9 und der Coils 2 und 4 über ein geeignetes an­ geschlossenes Steuergerät steuert. Der Computer 14 steuert außer­ dem ein Heißluftgebläse 15 und dessen Zuleitung zu den Düsen 16 und 17. Die Düsen 16 und 17 haben keilförmig, über die Breite des Rollganges sich erstreckende Öffnungen, so daß die Blech­ bahn 3 beim langsamen Vorschub, entsprechend der Schweißge­ schwindigkeit, über der Breite unterschiedlich stark erwärmt wird, so daß durch die unterschiedliche Ausdehnung die Blechbahn gekrümmt wird.

Die Länge der erwärmten Fläche auf der Blechbahn und die Höhe der Erwärmung wird vom Computer 14 in Abhängigkeit von den Meß­ ergebnissen der Diodenzeilenkameras 13 und 12 so gesteuert, daß die durch die Erwärmung verursachte Krümmung der Blechbahn in der Größe gleich und entgegengesetzt gekrümmt ist als die Krüm­ mung durch den Herstellungsfehler der Blechbahn beträgt, so daß die Längskante der Blechbahn annähernd gerade wird und der Schweißspalt annähernd gleich bleibt.

Die für die Blechbahn 3 eingezeichneten Düsen 16 und 17 sind in der gleichen Art auch über der Blechbahn 1 vorhanden und es gibt für diese Blechbahn eine gleiche Steuerung durch den Computer 14 oder einen gleichartigen weiteren Computer. Die entsprechenden Teile wurden wegen der Gleichartigkeit nicht bei der Blechbahn 1 eingezeichnet.

In der Fig. 2 ist zur besseren Erklärung ein Beispiel einge­ zeichnet, bei dem die Blechbahn 3 mit idealer gerader Längskante angenommen wurde, dagegen besitzt die Blechbahn 1 eine starke Säbeligkeit. Die Säbeligkeit äußert sich in einer Biegung der Längskante zwischen den Punkten 18 und 19. Im Punkt 19 muß die Blechbahn 1 einen Knick machen, um in Richtung zum Coil 2 zu verlaufen. Ein Knick ist bei einer breiten Blechbahn nur mög­ lich, wenn diese sich im Punkt 19 in einer Halbwelle aufwölbt und im Punkt 20 dagegen in der Ebene der Rollbahn liegen bleibt. Diese Aufwölbung wird immer größer, wenn ohne Ausgleichsmaßnah­ men weiter verschweißt wird und nach einer gewissen Strecke wird der Fehler durch Addition der Ungenauigkeiten so groß, daß die üblichen vor der Schweißmaschine 7 sitzenden Führungen nicht mehr in der Lage sind die Blechbahnen 1 und 3 in die Schweißpo­ sition gegeneinander zu führen. Dieser in der Fig. 2 übertrieben groß eingezeichnete Fehler wird entsprechend der Erfindung durch unterschiedliche Erwärmungen bereits korrigiert, wenn er erst sehr gering ist. Die Diodenzeilenkameras 12 und 13 erfassen be­ reits Schweißspaltabweichungen von weniger als 0,1 mm, so daß auch die Einhaltung der für das Laserstrahlschweißen geringen Spaltbreite möglich ist.

Ein ähnlicher Fehler, wie bereits beschrieben, entsteht auch, wenn die Längskante der Blechbahn zwar gerade ist und sich auf dieser Seite Wellen im Material befinden. Diese Wellen werden durch die Führungen vor der Schweißmaschine herausgedrückt, was zu einer ähnlichen Krümmung wie bei der Säbeligkeit führt.

Wenn die Längskanten der Blechbahnen 1 und 3 etwas überlappt werden und durch Rollnahtschweißen, insbesondere Quetschnahtschweißen miteinander verbunden werden, so ist auch für diesen Fall die Erfindung anwendbar. Als Meßge­ rät zur Bestimmung der Überlappung ist eine Diodenzeilenkamera dann in der beschriebenen einfachen Weise nicht verwendbar. Der Grad der Überlappung ist durch ein Dickenmeßgerät feststellbar. Es sind auch auf Ultraschallbasis arbeitende Abstandsmeßgeräte, die dicht über dem Überlappungsbereich befestigt werden und über diesen quer hin- und hergeschoben werden, einsetzbar. Es wird dann der Weg des bin- und Herschiebens bis zur Abstands- bzw. Dickenänderung gemessen.

Diodenzeilenkameras sind auch einsetzbar, wenn durch diese die genaue Breite der Blechbahnen 1 und 3 schon vor dem Überlappen bestimmt wird und weitere Diodenzeilenkameras 26 und 27 kurz vor der Schweißmaschine 7 die Lage der Außenkanten 21 und 23 messen, so daß aus der Breite und der Länge dieser Außenkanten in einem Computer die Überlappung errechnet wird.

Bei dieser Art der Bestimmung der Überlappung werden dem Compu­ ter 14 auch die Werte über die Schweißgeschwindigkeit zugeführt. Dieses ist notwendig, weil die vor dem Überlappen gemessenen Werte zum Bestimmen der Breite der Blechbahn in der Produktions­ linie räumlich und zeitlich erheblich vor den Meßpunkten zur Bestimmung der Lage der Außenkanten liegen, und letztere kurz vor dem Schweißpunkt liegen. Ein Geschwindigkeitsmeßgerät ist in den Figuren nicht eingezeichnet. Es kann im einfachsten Fall aus einem auf der Blechbahn aufstehendem Meßrad bestehen.

Die zu verschweißenden Längskanten können insbesondere für das Laserstrahlschweißen in der üblichen bekannten Weise vorbereitet werden, wie dies vom Verschweißen kurzer Blechabschnitte her bekannt ist. Kurz vor der Schweißmaschine und in dieser werden die zu verschweißenden Blechbahnen in der gleichen Weise ge­ führt, wie dies vom Verschweißen kurzer Blechabschnitte bekannt ist, so daß hierauf auch nicht näher eingegangen wird.

Oberhalb der Coils 2 und 4 können zwei weitere Coils auf einer Coilabwickelvorrichtung angebracht sein, deren Anfang mit dem Ende der Coils 2 und 4 in "fliegender Weise" quer zur Blech­ bahn 1, 3 zusammengeschweißt wird, so daß es zu keiner Unterbre­ chung des Schweißvorganges an den Längskanten kommt. Die Zug­ kraft, die von den Reibradantrieben 10 und 11 ausgeübt wird, ist nur gering. Die Blechbahnen 1 und 3 lassen sich am leichtesten bei geringen Zugkräften in der üblichen für kurze Blechabschnit­ te bekannten Weise durch Leitrollen oder Leitbleche führen.

Die Erfindung ist aber auch dann anwendbar, wenn stärkere Zug­ kräfte in den Blechbahnen herrschen. Anstelle nur eines Reibrad­ antriebes wären dann zusätzlich zur Aufbringung der Zugkräfte eine oder auch mehrere von den Blechbahnen teilweise umschlunge­ ne Rollen einzusetzen. Die Verschiebung z. B. der Rollen 5, 6, 8, 9 in Richtung ihrer Drehachse, sowie die Verschiebung der teilweise umschlungenen Rollen, müßte dann lediglich mit einem kräftigeren Antrieb ausgeführt werden. Die Verschiebung kann auf einer ver­ längerten Drehachse erfolgen. Es können die zu verschiebenden Teile auch jeweils auf einem kleinen Gestell befestigt sein, das über Führungen entsprechend zu verschieben ist.

Bei einer Verkrümmung der Blechbahn 1, die entgegengesetzt dem in der Fig. 2 gezeichnetem Beispiel erfolgt, kommt es zu Über­ schneidungen, die nur möglich sind, wenn die Blechbahnen 1 und 3 in verschieden hoch liegenden Ebenen verlaufen und durch geeig­ nete Umlenkrollen erst kurz vor der Schweißmaschine 7 in eine gleich hohe Ebene geführt werden. Bei einer solchen umgekehrten Krümmung wäre die Längskante 25 zum Ausgleich stärker zu erwär­ men, als die Außenkante 21. Es ist in einem solchen Fall zweck­ mäßig, wenn die Temperatur der Blechbahn 3 über dem Querschnitt gleichmäßig angehoben wird, um die nach dem Verschweißen und Abkühlen verbleibenden Restspannungen, die ein Verbeulen verur­ sachen können, klein zu halten oder ganz zu beseitigen.

Zum gleichmäßigen Erwärmen oder Abkühlen müssen über den Blech­ bahnen auch Luftdüsen vorhanden sein, die über dem Querschnitt der Blechbahn einen gleichmäßigen Öffnungsquerschnitt besitzen. Diese Luftdüsen wurden in den Figuren nicht eingezeichnet.

Wenn zu den im Beispiel angeführten zwei Blechbahnen noch eine dritte angeschweißt werden soll, so kann diese durch eine zweite Schweißmaschine und durch den Einbau aller sonstigen Steuerungs-, Regelungs- oder Meßeinrichtungen gleichzeitig mit den schon er­ wähnten zwei Blechbahnen angeschweißt werden, wobei die Schweiß­ maschinen etwa auf einer quer zu den Blechbahnen liegenden Gera­ den liegen.

Es ist aber auch möglich, daß erst die ersten beiden Blechbahnen geschweißt werden, diese dann Düsen mit Kühlluft durchlaufen und beide wieder erheblich abgekühlt werden. Diese beiden bereits zusammengeschweißten Blechbahnen werden nun weiter wie eine ein­ zige breitere Blechbahn angesehen, die erst später mit einer dritten Blechbahn verschweißt wird. Die beiden Schweißmaschinen liegen dann in Produktionsrichtung versetzt hintereinander. Die Schere 24 ist dann hinter der letzten Schweißmaschine ange­ bracht.

An einem Beispiel wird die Wirkung der Erfindung näher erläu­ tert.

Wenn die Säbeligkeit mit einem Teil eines Kreisbogens verglichen wird, so hat dieser zum Beispiel einen Radius von r = 1000 m. Der Teil des Kreisbogens solle eine Länge von 34,888 m haben. Das entspricht einem Winkel ρ von 2°. Die Bogenhöhe beträgt dann 20 cm. Sie wird nach der Formel

errechnet. Der Schweißspalt würde somit durch den Fehler bei 34,888 m Länge 20 cm ohne Ausgleich breit werden, wenn die Kante der anderen Blechbahn als exakt gerade angenommen wird, entspre­ chend Fig. 2.

Als Ausgleich ist bei einer 50 cm breiten Blechbahn eine Tempe­ raturerhöhung notwendig, die an der äußeren Kante ihr Maximum hat und dort plus 50°C beträgt. Diese bewirkt eine Längenände­ rung an der äußeren Kante von 18 mm auf einer Länge von 34,888 m. Diese Längendifferenz tritt genau beim Bogen von ρ = 2° zwischen dem Radius τ₁ = 1000 m und τ₂ = 1000,5 m auf. Da die Säbeligkeit bei den modernen Walzwerken in der Regel geringer ist, ist die notwendige Temperaturerhöhung ebenfalls geringer.

Es ist nicht erforderlich, daß durch den Ausgleich mittels Tempe­ raturerhöhung exakt auf einer Geraden liegende Schweißkanten erreicht werden. Die Schweißkanten bei den Blechbahnen können auch gekrümmt sein, wenn die Krümmung beider Blechbahnen von gleicher Größe und Richtung ist, so daß der Schweißspalt kon­ stant bleibt. Eine solche Krümmung wird besonders bei breiten Blechbahnen in Kauf genommen. Hier wird die Krümmung einer an­ zuschweißenden schmalen Blechbahn durch die Temperaturverteilung weitgehend nur der Krümmung der breiten Blechbahn angepaßt. Gro­ be Ungenauigkeiten der breiten Blechbahn werden am Ende des Coils ausgeglichen, zum Beispiel durch schräges, ausgleichendes Anschweißen des Anfangs der Blechbahn des neuen Coils an das Ende der Blechbahn des vorhergehenden Coils. Ein weiterer grober Ausgleich besteht darin, daß beim Zusammenschweißen der Enden der Blechbahnen, an eine Blechbahn, die zum Beispiel mit einer leichten Rechtskrümmung endet, zum Ausgleich eine Blechbahn angeschweißt wird, die mit einer leichten Linkskrümmung anfängt.

Der Ausgleich mittels Temperaturunterschieden ist nicht nur auf Fehler mit Kreiskrümmungen oder sonstigen Krümmungen möglich. Es ist jedes beliebige Verändern von Schweißspalten oder der Über­ lappung ausgleichbar, sofern die Veränderungen in Bezug auf die Weglänge gesehen langsam vor sich gehen.

Die Ungleichmäßigkeiten der Kanten sind nicht immer durch eine Biegung der gesamten Blechbahn verursacht. Sie können auch durch Ungenauigkeiten von Schneid- oder Kantenbearbeitungsmaschinen hervorgerufen sein. Die Biegung der gesamten Blechbahn durch die Temperatursteuerung gleicht auch solche Fehler aus. Als Ausgleich sind insbesondere bei der Laserschweißung oft nur Spaltveränderun­ gen von weniger als 0,1 mm erforderlich, was sehr oft schon, je nach Breite der Blechbahn, mit Temperaturerhöhungen von 10 bis 20°C erreichbar ist.

Die Temperaturänderungen können anstelle von heißer Luft auch mit gekühlter Luft erreicht werden. Bei großen Ungenauigkeiten ist es sogar zweckmäßig, die Temperatur der Blechbahn im Sommer von der hohen Umgebungstemperatur auf eine niedrigere Temperatur herabzusetzen bevor die Temperatursteuerung durch Aufheizen wirk­ sam wird.

Es können auch gänzlich andere Meßvorrichtungen anstelle von zum Beispiel Spaltbreitenmeßvorrichtungen eingesetzt werden. In der Fig. 2 kann ein Stab quer über der Blechbahn so angebracht wer­ den, daß er vom Punkt 19 zum Punkt 20 reicht und zum Beispiel ein Luftspalt von zum Beispiel 3 mm Höhe zwischen der Stabunter­ kante und der Blechbahn 1 besteht. Sobald eine Ungenauigkeit auftritt, würde durch zum Beispiel das Ausbeulen im Punkt 19 die Blechbahn 1 den Stab berühren. Durch einen elektrischen Kontakt kann dieses Berühren dem Computer 14 signalisiert werden, wodurch entsprechende korrigierende Steuerungen ausgelöst werden. An­ stelle eines primitiven Berührungskontaktes ist auch die laufen­ de Messung der Breite des Luftspaltes mit Hilfe eines Lichtstrah­ les möglich.

Eine andere Art der Ermittlung von Ungenauigkeiten besteht dar­ in, daß an seitliche kurz vor dem Schweißpunkt vorhandene Füh­ rungselemente für die Blechbahn 1 und 3 Druckmeßgeräte ange­ bracht werden, die Signale zum Computer 14 aussenden, wenn durch Ungenauigkeiten die Führungskräfte ansteigen.

Es ist für die Anwendung der Erfindung unwesentlich, auf welche Art Ungenauigkeiten gemessen werden.

Die Erfindung ist auch anwendbar, wenn anstelle von Blechbahnen, die laufend von einem Coil abgewickelt werden, auch lange Blech­ bahnabschnitte zugeführt werden. Solche langen Blechbahnabschnit­ te können zum Beispiel 5 oder mehr kleinere Abschnitte enthal­ ten, wie sie von der Schere 24 zerteilt werden. Die großen Blech­ bahnabschnitte bewirken dann einen Ausgleich von großen groben Fehlern und kleinere Fehler werden dann durch die Temperatur­ steuerung gemäß der Erfindung ausgeglichen. Die großen Blech­ bahnabschnitte können auch erst durch eine zwischen der Coilab­ wickelvorrichtung und der Schweißmaschine 7 befindlichen Schere hergestellt werden.

Wenn in der Beschreibung 14 erwähnt wurde, daß der Computer 14 die verschiedenen Antriebe, Heißluftgebläse und Düsen steuert, so ist das so zu verstehen, daß dieses über ein nicht gezeichne­ tes Steuerungsgerät geschieht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Aneinanderschweißen von langen Blechbah­ nen (1, 3) entlang den Längskanten, bei welchem die Blech­ bahnen (1, 3) in Längsrichtung durch eine Schweißmaschi­ ne (7) bewegt werden und vor dem Verschweißen die Längs­ kanten quer zur Längsrichtung in die Schweißposition geführt bewegt werden, wobei die Schweißposition aus stumpf vorein­ ander liegenden Längskanten oder geringfügig überlappenden Längskanten besteht und vor dem Schweißen die Abweichungen von der idealen Schweißposition gemessen werden und in Ab­ hängigkeit von den Abweichungen Ausgleichsbewegungen zur Verminderung der Abweichungen vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Blechbahnen (1, 3) zur Erzeugung der Ausgleichsbewegung in Abhängigkeit von der Größe und Richtung der Abweichung über dem Querschnitt un­ terschiedlich stark erwärmt oder abgekühlt wird.

2. Vorrichtung zum Aneinanderschweißen von langen Blechbahnen (1, 3) entlang den Längskanten bestehend, aus einer Coilabwickelvor­ richtung, angetriebene und nicht angetriebene Zuführrollen (5, 6), Leitrollen oder Leitblechen vor einer Schweißmaschine (7), und einer hinter dieser in Produktionsrichtung befindlichen Schere (24), einer vor der Schweißmaschine (7) befindlichen Meß­ vorrichtung (12, 13) zur Bestimmung des Schweißspaltes oder des Überlappungsgrades und einer mit der Meßvorrich­ tung (12, 13) über einen Computer (14) und eine Steuerein­ heit verbundenen Verstellvorrichtung für die Spaltbreite oder den Überlappungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstellvorrichtung vor der Schweißmaschine Heiz- oder Kühl­ geräte (16, 17) für die durchlaufende Blechbahn (1, 3) oder für lange Blechbahnabschnitte eingebaut sind, die eine über den Querschnitt der Blechbahn (1, 3) unterschiedlich starke Abgabeleistung besitzen und mit der Steuereinheit, die an einem Computer (14) gekoppelt ist, verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Steuereinheit Antriebe verbunden sind zum Verschieben in Querrichtung zum Rollgang, von Coilabwickelvorrichtung, Rol­ len (5, 6), seitlichen Leitrollen oder Leitblechen und Reib­ radantrieben (10, 11).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Schweißspaltes jede bekannte, die Lage der Längskanten messende, Meßvorrichtung (12, 13) einsetzbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten von einem Lichtstrahl von der einen Seite annähernd senkrecht angestrahlt werden und auf der anderen Seite eine Diodenzeilenkamera (12, 13) quer zu den Kanten eingebaut ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Überlappungsgrades Meßvorrichtungen zur Be­ stimmung der Lage der Längskanten, oder Abstandsmeßgeräte oder Dickenmeßgeräte eingebaut sind.