DE4323924A1

DE4323924A1 - Verfahren zum Schweißen

Info

Publication number: DE4323924A1
Application number: DE4323924A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Rippl; Miroslav Sauer; Josef Stadler; Dieter Dipl Ing Muehlberger; Horst Dipl Ing Kaimer
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1995-01-19
Also published as: EP0767027A2; EP0767027B1; EP0767027A3; EP0708697B1; WO1995002484A1; DE59408774D1; DE59402842D1; EP0708697A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen, insbesondere zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen, mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs. Beim mechanisierten und automatischen Schweißen wird das Schweißwerkzeug von einem Manipulator entlang einer vorgegebenen Bahn geführt. Beim Schutzgasschweißen (MIG/MAG) kommt je nach Werkstoff, Blechdicke und Schweißaufgabe der Kurz-, Sprüh- oder Pulslichtbogen unter Verwendung von Inert- oder Mischgasen zur Anwendung. Beispielsweise wird beim Einsatz von Kohlendioxid mit Kurz- oder Langlichtbogen geschweißt. Die Prozeßparameter und damit die Lichtbogenart bleibt über die gesamte Schweißnahtlänge konstant. Im Dünnblechbereich und bei Wurzelschweißungen im Dickblechbereich sowie bei spaltbehafteten Bauteilen muß im unteren Parameterfeld mit Kurzlichtbogen geschweißt werden. Bei Nichteisenmetallen wie Aluminium wird mit transistorisierten Stromquellen unter Verwendung inerter Gase im Pulslichtbogenbereich geschweißt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die unterschiedlichen Schweißaufgaben eine größere Prozeßsicherheit zu erreichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch. Durch die erfindungsgemäße Veränderung der an der Schweißstelle eingebrachten Wärmeenergie in Abhängigkeit von Material und/oder Geometrie des Werkstücks wird eine höhere Gleichmäßigkeit der Schweißbedingungen erreicht. Hierdurch wird eine größere Prozeßtiefe auch bei wechselnden Bauteiltoleranzen erzielt. An der Schweißstelle kann es nicht mehr zu Überhitzungen, zu einem Durchbrennen der Naht an dünnen Blechen, zu einem ungleichmäßigen Füllen von Nähten, zu einem Aufbrennen beschichteter Bleche oder zu sonstigen Schweißfehlern kommen.

Die Steuerung der eingebrachten Wärmeenergie kann auf verschiedene Weise erfolgen. Einerseits läßt sich dies über eine Bewegung des Schweißwerkzeuges, d. h. z. B. über die Verweildauer oder den Abstand bzw. die Lichtbogenlänge, steuern. Je länger die Verweildauer und/oder je kürzer der Lichtbogen, desto höher ist der Einbrand. Die mechanischen Bewegungen können quer zur Bahn bzw. Schweißnaht oder in deren Längsrichtung ablaufen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Pendelbewegungen, die sich periodisch wiederholen.

Andererseits kann die eingebrachte Wärmeenergie auch über den Prozeßparameter gesteuert werden, beispielsweise die Stromhöhe oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit. Beim Impulsschweißen kann auch über die Pulssteuerung Einfluß genommen werden. Die Prozeßparameter können ebenfalls pendeln und sich vorzugsweise periodisch verändern.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden mit den mechanischen Pendelbewegungen synchron auch die Prozeßparameter verändert. Hierdurch läßt sich die Wärmeeinbringung besonders gut steuern.

In der bevorzugten Ausführungsform werden die mechanischen Bewegungen und die Veränderungen der Prozeßparameter von der Manipulatorsteuerung aus gesteuert,vorzugsweise über einen Funktionsgenerator. Dies ermöglicht eine besonders gute Beherrschung der Einstellungen und eine sichere Synchronisation.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Manipulator mit einem Schweißwerkzeug und einer Manipulatorsteuerung nebst Funktionsgenerator,

Fig. 2 mehrere Programmierfenster für den Funktionsgenerator mit verschiedenen Pendeleinstellungen und

Fig. 3 bis 5 verschiedene Schweißaufgaben mit zugehörigen Pendeleinstellungen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Anordnung einen mehrachsigen Manipulator (1), vorzugsweise einen sechs- oder mehrachsigen Industrieroboter, der an seiner Hand (2) ein Schweißwerkzeug (3) angeflanscht hat. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen Schweißbrenner (15) zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen. Alternativ kann es aber auch ein beliebiges anderes Schweißwerkzeug sein.

Der Manipulator (1) führt das Schweißwerkzeug (3) entlang einer vorgegebenen Bahn (16) an einem Werkstück (4). Fig. 3 bis 5 zeigen hierzu Einzelbeispiele.

Eine Schweißstromquelle (5) ist mit dem Schweißwerkzeug (3) verbunden. Zu der Anordnung gehören noch eine Schutzgasquelle und gegebenenfalls eine Versorgung und ein Antrieb für einen Schweißdraht, der am Schweißbrenner (15) austritt. Letztere sind der Übersicht halber nicht dargestellt.

Der Manipulator (1) besitzt eine Manipulatorsteuerung (6), die einen Rechner mit mindestens einem Prozessor und einem oder mehreren Datenspeichern für Programme, Parameter und dergleichen Daten aufweist. In der Manipulatorsteuerung (6) ist die zu verfolgende Bahn (16), d. h. die Schweißnaht in ihrem Verlauf und ihrer Lage am Werkstück (4) gespeichert. Durch geeignete Maßnahmen wird die Ist-Lage der Bahn (16) gesucht und die gespeicherte Soll-Lage in der Manipulatorsteuerung (6) entsprechend abgeglichen. Danach verfolgt der Manipulator (1) exakt die programmierte Bahn (16).

Zur Optimierung der Schweißbedingungen wird während des Bahnvorschubs die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie in Anpassung an das Material und/oder an die Geometrie des Werkstücks (4) örtlich und/oder zeitlich verändert. Die Einbringung der Wärmeenergie kann auf verschiedene Weise, beispielsweise auf mechanischem und/oder prozeßtechnischem Weg beeinflußt werden.

Die Höhe der eingebrachten Wärmeenergie hängt von der Zeit und/oder der Intensität ab. Die Zeit kann beispielsweise über die Verweildauer des Schweißbrenners (15) bzw. des Lichtbogens gesteuert werden. Im Grunde ist dies auch auf prozeßtechnischem Weg möglich, beispielsweise durch Ein- und Ausschalten des Schweißstroms. Die Intensität läßt sich auf mechanischem Weg über den Abstand des Schweißbrenners (15) von der Schweißstelle (13) bzw. über die Länge des Lichtbogens steuern. Auf prozeßtechnischem Weg ist dies über eine entsprechende Veränderung der Prozeßparameter, beispielsweise des Schweißstroms, der Pulsfrequenz, der Pulsbreite, der Drahtvorschubgeschwindigkeit oder dergleichen möglich.

Die mechanischen Bewegungen und/oder die Veränderungen der Prozeßparameter können in einem frei definierbaren Funktionsverlauf vorgenommen werden. So können symmetrische oder asymmetrische, dreiecks-, trapez- oder sinusförmige oder beliebige andere Verläufe definiert werden. Fig. 2 zeigt hierzu einige beispielhafte Kurvenverläufe in Fenstern (8). Vorzugsweise handelt es sich hierbei um periodische Veränderungen in der Art einer Pendelbewegung.

Die mechanischen Bewegungen des Schweißwerkzeugs (3) untergliedern sich vorzugsweise in zwei Bereiche. Dies ist einerseits das sogenannte Geometriependeln (17), bei dem das Schweißwerkzeug (3) seitlich zur Bahn (16) bzw. zur Schweißnaht ausgelenkt wird. Dies beinhaltet, daß die Auslenkbewegung horizontal, aber auch vertikal oder in einer beliebigen Ebene schräg erfolgen kann. Die Auslenkbewegung kann zudem im rechten Winkel quer zur Bahn (16), aber auch schräg gerichtet sein.

Das sogenannte Geschwindigkeitspendeln (18) besteht in einer Veränderung der Bahnvorschubsgeschwindigkeit, indem das Schweißwerkzeug (3) längs der verfolgten Bahn (16) beschleunigt und/oder gebremst wird. Im Extremfall kann sich eine Start/Stop-Bewegung oder sogar eine Rückwärtsbewegung ergeben.

Die Veränderung der Prozeßparameter wird als Technologiependeln (19) bezeichnet. Hierbei kann ein einzelner Prozeßparameter, z. B. der Schweißstrom, verändert werden. Es ist aber auch möglich, mehrere Prozeßparameter zu modulieren.

Die Steuerung der eingebrachten Wärmeenergie kann über eine einzelne der vorerwähnten Modulationsmöglichen erfolgen. Vorzugsweise kommt jedoch das Technologiependeln (19) zum Einsatz, das zudem mit einem Geometriependeln (17) und/oder einem Geschwindigkeitspendeln (18) kombiniert ist. Das Technologiependeln (19) läuft hierbei synchron zu den mechanischen Pendelbewegungen ab.

Die drei vorerwähnten Pendelarten können auf beliebigen konstruktiv technischen Wegen erzielt und gesteuert werden. Zum Beispiel lassen sich die mechanischen Pendelbewegungen durch ein Pendelgerät mit Kurvenscheiben realisieren. In ähnlicher Weise läßt sich auch der Drahtantrieb beeinflussen. Über angesteuerte Potentiometer oder dergleichen können beispielsweise die elektrischen Prozeßparameter verändert werden. Zudem ist es möglich, Kennlinien für den Schweißstrom an der Schweißstromquelle (5) umzuschalten, insbesondere wenn es sich hierbei um eine transistorisierte Schweißstromquelle handelt.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung aller Pendelbewegungen über die Manipulatorsteuerung (6). Diese weist dazu einen Funktionsgenerator (7) auf. Er besteht ebenfalls aus einem Rechner mit mindestens einem Prozessor und einem oder mehreren Datenspeichern sowie zugehöriger Software. In der bevorzugten integrierten Ausführungsform kann der Funktionsgenerator (7) auf die Hardware der Manipulatorsteuerung (6) zurückgreifen. Er kann auch als Softwarefunktion in der Manipulatorsteuerung (6) realisiert sein. Der Funktionsgenerator (7) kann modular aufgebaut sein und mehrere Pendelarten gleichzeitig und synchron steuern.

Die mechanischen Pendelbewegungen und/oder die Prozeßpendelbewegungen werden in mehreren Funktionsabschnitten gleicher oder zumindest proportionaler Größe im Funktionsgenerator (7) eingegeben. Dies geschieht über eine Benutzeroberfläche, die Fenster (8) mit normierter Größe zur Verfügung stellt. Der Funktionsgenerator (7) verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über drei Fenster (8), in die verschiedene Parameter für die unterschiedlichen Bewegungen und/oder Prozesse eingegeben werden können. Die Fensterzahl kann bei geeigneter Auslegung von Hardware und Software beliebig kleiner oder größer sein. Die Parameter werden als Wertepaare in den normierten Fenstern (8) eingegeben. Hierbei handelt es sich um qualitative Daten. Sie werden durch Bezugsgrößen, insbesondere Offset-Faktoren und/oder Verstärkungsfaktoren quantifiziert. Aus den einzelnen Wertepaaren bzw. Parametern können im Funktionsgenerator (7) sogenannte Splines errechnet werden.

Aus den Wertepaaren in den Fenstern (8) und den hieraus gewonnenen Splines werden Funktionen für die mechanischen und prozeßtechnischen Pendelbewegungen berechnet. Die Funktionen laufen in den eingangs erwähnten Funktionsabschnitten synchron ab. Die Synchronisation erfolgt vorzugsweise über den Weg des Bahnvorschubs (16). Der Funktionsgenerator (7) startet vorzugsweise mit Beginn der Manipulatorbewegung (1) entlang der Bahn (16) die erwähnten Funktionsabschnitte. Der Start erfolgt gleichzeitig, wobei die Funktionsabschnitte mit den darin vorgegebenen Funktionen synchron und simultan abgearbeitet werden. Die Funktionsabschnitte werden am Ende gemeinsam und zugleich abgeschlossen und erneut gestartet. Dadurch werden die Funktionsabschnitte zyklisch wiederholt, wobei sie Start und Ende nach dem Synchronisationsbezug, hier den Bahnvorschub richten. Der Zyklus bzw. der Takt bleibt vorzugsweise gleich.

Die Parameter bzw. die daraus berechneten Funktionen bleiben zumindest für die Dauer des Funktionsabschnittes im Funktionsgenerator (7) gespeichert. Je nach Komplexität der Bewegungen und/oder Prozesse können die Funktionen wiederholt oder verändert werden. Im einfachsten Fall wird die gleiche Funktion ständig wiederholt, indem beispielsweise eine gleichbleibende, mit jedem Funktionsabschnitt sich periodisch wiederholende Pendelbewegung erzeugt wird.

Es ist aber auch möglich, die Funktionen permanent oder periodisch zu verändern. Hierzu können die Funktionen oder die Wertepaare bzw. Parameter in Daten speichern festgehalten und nach Vorgabe eines Programms einzeln und selektiv abgerufen werden. Hierbei könnten im einfachsten Fall die Parameter eingegeben und hieraus im Funktionsgenerator (7) Funktionen berechnet werden. Alternativ können auch gleich die fertigen Funktionen bereitgestellt und eingespielt werden.

Fig. 3 bis 5 verdeutlichen in Einzelbeispielen die Erfindung.

Fig. 3 verdeutlicht eine Schweißaufgabe, bei der ein dickes Blech (9) und ein dünnes Blech (10) miteinander zu verschweißen sind. Hierbei führt der Schweißbrenner (15) eine asymmetrische Pendelbewegung (17) (sogenanntes Geometriependeln) aus. Er verweilt auf dem dicken Blech (9) länger als auf dem dünnen Blech (10). Durch die längere Verweilzeit des Lichtbogens ergibt sich eine stärkere Wärmeeinbringung und damit ein tieferer Einbrand im dicken Blech (9). Das dünne Blech (10) wird hingegen nur kurzzeitig thermisch belastet, so daß die Naht am dünneren Blech (10) nicht durchfällt. Es ergibt sich eine gleichmäßige Schweißnaht.

Vorzugsweise wird das Geometriependeln (17) von einem angepaßten Technologiependeln (19) begleitet. Hierbei werden gemäß der angepaßten Funktion die Prozeßparameter, insbesondere der Schweißstrom entsprechend den mechanischen Pendelbewegungen hoch und tief geschaltet. Auf dem dicken Blech (9) sind die Prozeßparameter höher als auf dem dünnen Blech (10).

Fig. 4 zeigt eine Variante für die Verschweißung zweier im wesentlichen gleich dicker Bleche (9) mit einem dazwischenliegenden Spalt (11). Bei dieser Schweißaufgabe kommt eine symmetrische Pendelbewegung (17) (Geometriependeln) zum Einsatz. Analog werden wiederum die Prozeßparameter beim Technologiependeln (19) hoch und tief geschaltet. In der Auslenkphase ist beispielsweise der Schweißstrom höher als im Bereich des Spaltes (11). Durch den stärkeren Einbrand an den Nahträndern erfolgt hier ein stärkeres Abschmelzen als im Spalt (11) und damit eine gleichmäßigere Füllung des Spaltes (11).

Die in Fig. 4 gezeigte Technik kann auch zum Wurzelschweißen verwendet werden. Sie kann außerdem bei Kehlnähten und Überlappverbindungen sowie bei der Überbrückung von Bauteiltoleranzen sowie bei größeren Nahtquerschnitten an Dickblechen in Wannenlage zur Anwendung gelangen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform für das kombinierte Geschwindigkeits- und Technologiependeln (18, 19). Dies wird bespielsweise zum Schweißen von Blechen (9) mit einer Beschichtung (12) eingesetzt, insbesondere zum Schweißen verzinkter Bleche. Der konstanten Bahnvorschubgeschwindigkeit wird in Längsrichtung der Bahn (16) eine modulierte Geschwindigkeitsänderung überlagert.

Der Schweißbrenner (15) wandert dabei abwechselnd langsamer und schneller vor. Die Prozeßparameter werden hierbei gegenläufig (19) gesteuert. Beim langsamen Vorschub werden der Schweißstrom oder ein anderer Prozeßparameter hochgeschaltet. Durch die Erhöhung der Wärmeeinbringung und der Temperatur im Bauteil kann die Beschichtung (12), z. B. eine Zinkschicht, ausgasen. Beim schnellen Vorschub werden die Prozeßparameter niedrig geschaltet. Das Werkstück kann dadurch zum Schutz von Überhitzung wieder etwas abkühlen.

Diese Vorgehensweise ist z. B. auch beim Schweißen von temperaturempfindlichen Werkstoffen, wie Aluminium etc., von Vorteil. Durch die gesteuerte Wärmeeinbringung mit den zwischengeschalteten Kühlphasen wird ein Einbrennen der Schweißbahn verhindert. Ferner läßt sich die Aufheizung des Werkstücks und der Einfluß der Restwärme besser kontrollieren.

In Variation zur gezeigten Ausführungsform kann das Geschwindigkeitspendeln (18) mit einem Geometriependeln (17) in Form einer Abstandsänderung kombiniert werden. Durch entsprechende Stop- und Rückwärtsbewegungen kann sich dadurch eine im linken Teil von Fig. 5 dargestellte Rollbewegung ergeben. Der Lichtbogen brennt abwechselnd auf den Nahtflanken des Grundwerkstoffs und je nach überlagerter Rückzugsgeschwindigkeit mehr oder minder auf dem Schweißbad aus der Vorlaufbewegung. Damit kann der Einbrand vor allem bei spaltbehafteten Bauteilen beeinflußt und somit die Gefahr des Durchbrennens vermieden werden.

Die Pendelfrequenzen bewegen sich vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 5 Hz. Die beim mechanischen Pendeln (17, 18) und beim Technologiependeln (19) verwendeten Frequenzen können sich jedoch unterscheiden, indem beispielsweise die Prozeßparameter mit doppelter Frequenz gegenüber den mechanischen Bewegungsparametern pendeln. Dabei wird jedoch, wie auch in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, sichergestellt, daß die Synchronisation der verschiedenen Pendelarten (17, 18, 19) erhalten bleibt, um im Sinne der Erfindung örtlich gezielt einen schwankenden Energieeintrag am Werkstück (4) zu erzeugen.

In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen werden die verschiedenen Pendelbewegungen (17, 18, 19) nach Vorgaben und Sollwerten gesteuert. Die Vorgaben und Sollwerte können durch Probeschweißungen, aber auch durch Berechnungen über die Energiebilanz oder dgl. ermittelt werden.

Die Vorgaben und Sollwerte können für den Schweißjob fest programmiert und dann abgefahren werden. Es ist alternativ auch möglich, die Steuerung bauteilbezogen vorzunehmen, beispielsweise über einen voreilenden Sensor (14), der den Spalt vermißt und entsprechend die Vorgabewerte einstellt und gegebenenfalls auch während des Schweißjobs ändert. Hierfür eignet sich der Funktionsgenerator (7) besonders.

Neben einer variablen Steuerung ist auch eine Regelung der Pendelbewegungen (17, 18, 19) möglich. Hierzu werden aussagefähige Daten über die Schweißqualität aufgenommen und in die Steuerung, insbesondere den Funktionsgenerator (7), rückgeführt. Dies kann beispielsweise in einer Temperaturerfassung und einer Thermorückführung bestehen.

Bezugszeichenliste

1 Manipulator
2 Hand
3 Schweißwerkzeug
4 Werkstück
5 Schweißstromquelle
6 Manipulatorsteuerung
7 Funktionsgenerator
8 Fenster
9 Blech, dick
10 Blech, dünn
11 Spalt
12 Beschichtung
13 Schweißstelle
14 Sensor
15 Schweißbrenner
16 Bahn, Bahnvorschub
17 Pendelbewegung, Geometriependeln
18 Pendelbewegung, Geschwindigkeitspendeln
19 Pendelbewegung, Technologiependeln

Claims

1. Verfahren zum Schweißen, insbesondere zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen, mit einem Schweißwerkzeug, das von einem Manipulator entlang einer vorgegebenen Bahn geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie in Anpassung an das Material und/oder die Geometrie des Werkstücks (4) örtlich und/oder zeitlich verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine mechanische Pendelbewegung des Schweißwerkzeugs (3) und/oder ein Pendeln der Prozeßparameter die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie periodisch verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendeln der Prozeßparameter mit mindestens einer mechanischen Pendelbewegung synchronisiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim mechanischen Pendeln das Schweißwerkzeug (3) seitlich von der verfolgten Bahn (16) ausgelenkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim mechanischen Pendeln das Schweißwerkzeug (3) längs der verfolgten Bahn (16) beschleunigt und/oder gebremst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische und das prozeßtechnische Pendeln von der Manipulatorsteuerung (6) gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische und das prozeßtechnische Pendeln von einem Funktionsgenerator (7) in der Manipulatorsteuerung (6) gemeinsam und synchron gesteuert wird.

8.) Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendel-Frequenz ca. 0,2 bis 5 Hz beträgt.

9.) Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie geregelt wird.