DE4403644A1 - Verfahren zum Regeln, Steuern oder Ein- bzw. Nachstellen eines Elektroschweißgerätes und Vorrichtung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln, Steuern oder Ein- bzw. Nachstellen eines Elektroschweißgerätes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung dazu.

Eine Automatisierung in der Schweißtechnik läßt sich nur dann wirtschaftlich realisieren, wenn darunter die Qualität der Schweißung nicht leidet und somit ein umständliches Nacharbeiten entfällt. Einer automatischen Regelung bzw. Steuerung der entsprechenden Geräte kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Selbst bei einer Serienfertigung bleibt es aufgrund der üblichen Fertigungstoleranzen nicht aus, daß sich die Werkstücke unterscheiden; insbesondere hinsichtlich der Abmessungen und bezüglich des Grades der Verschmutzung sind sie in einer solchen Weise verschieden, daß beim Schweißen eine Regelung oder eine Anpassung der Schweißparameter unumgänglich ist.

Zusätzlich ist zu bedenken, daß während der Fertigung sich die Elektroden verbrauchen und deshalb der Strom oder andere Schweißparameter verändert werden müssen.

Es ist möglich, eine Regelungseinrichtung für ein Elektroschweißgerät nach einer Stepperkurve arbeiten zu lassen; dazu wird mittels eines Zählers die Anzahl der Schweißungen erfaßt.

Bei Erreichen einer bestimmten Anzahl wird entsprechend der Vorgabe durch die Stepperkurve ein größerer Wert für den Schweißstrom eingestellt bzw. ein anderer Schweißparameter angepaßt. Die Zählung wird anschließend fortgesetzt, bis der nächste Grenzwert (beispielsweise nach weiteren n Schweißungen) in der Stepperkurve erreicht ist; dies hat eine automatische Erhöhung des Schweißstromes (beispielsweise um × kA) bzw. eine Anpassung anderer Schweißparameter gemäß dem Verlauf der Stepperkurve zur Folge.

Eine Infinitesimalisierung (erhebliche Verkleinerung) der Stepperschritte ist ebenfalls möglich, so daß unter Umständen jede Schweißung mit einem entsprechend der Stepperkurve erhöhten Schweißstrom bzw. einem anderen angepaßten Schweißparameter ausgeführt wird.

Die Stepperkurve muß von Hand oder über eine im Bedienrechner programmierbare Funktion (linear oder meist exponentiell) eingegeben werden. Damit ist allerdings ein hoher Zeitaufwand verbunden. Die Werte, die die Stepperkurve bilden, sind feststehend und beruhen auf empirischen Ermittlungen; zwangsläufig sind sie daher nur angenähert an die tatsächlich benötigten Werte, so daß sie nicht optimal an den Prozeß angepaßt sind.

Es kann deshalb vorkommen, daß lange Zeit unbemerkt mit Fehlern an den Schweißstellen produziert wird.

Die Haltbarkeit der Schweißstellen ist in diesen Fällen verringert. Soweit dieser Mißstand überhaupt äußerlich feststellbar ist, muß zur Abhilfe ein hoher Aufwand an nachträglicher Bearbeitung der Schweißungen betrieben werden.

Außerdem ist durch den stufenförmigen Verlauf der Stepperkurve keine gleichförmige Anpassung der Schweißparameter an den Fertigungsprozeß möglich.

Während des Schweißvorgangs fließt Strom durch die Elektroden des Elektroschweißgerätes und durch die zu verbindenden Metallteile. Die Metallteile werden durch eine Preßkraft zusammengehalten, die den Elektroden aufgeprägt wird. Abhängig von der Elektrodenform entsteht eine Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Metallteilen; in Verbindung mit ebenen, leicht oder stark balligen Elektrodenarbeitsflächen kann die Kontaktfläche auch durch die Geometrie der beiden zu verbindenden Metallteile bestimmt werden.

Infolge des Widerstands an den Metallteilen und deren Berührflächen entstehen dort hohe ohmsche Verluste, die ein Schmelzen des Metalls an der Schweißstelle hervorrufen. Dabei ist es unvermeidlich, daß mit steigender Anzahl der Schweißungen sich allmählich die Arbeitsflächen der Elektroden vergrößern, und die Elektroden sich durch die Kraft- und Wärmebehandlung zusätzlich verkürzen. Gleichzeitig können sich Fremdschichten an den Elektrodenarbeitsflächen oder in deren unmittelbarem Randbereich anlagern.

Diese beiden Erscheinungen haben zur Folge, daß sich bei konstanten Schweißparametern (und damit konstanter Stromstärke) die Qualität der Schweißung sich vermindert.

Nach einer von den näheren Umständen im einzelnen abhängigen Anzahl von Schweißungen verändern sich die entscheidenden Einflußgrößen der Schweißung derart, daß die Haltbarkeit der Schweißung erheblich vermindert ist und die Qualitätskriterien nicht mehr erfüllt. Die optimale Qualität des Schweißpunktes ist dann erreicht, wenn die Schweißparameter und/oder die Elektrodenarbeitsflächengeometrie knapp unter der Spritzergrenze eingestellt wird, d. h. knapp unterhalb der Einstellungen des Schweißstromes, bei denen Schweißspritzer zu beobachten sind. Ein Betrieb oberhalb der Spritzergrenze führt zu schlechten Schweißpunkten bzw. einem überproportional hohen Elektrodenverschleiß. Deshalb sollte ein Betrieb oberhalb der Spritzergrenze allenfalls nur kurzzeitig erfolgen. Da die Einstellung der Schweißparameter und/oder der Elektrodenarbeitsflächengeometrie, bei der die Spritzergrenze erreicht ist, von zahllosen Einflußgrößen abhängt, die vorher nicht exakt ermittelt werden können, und da zudem das Schweißgerät für verschiedene Materialchargen eingesetzt werden soll, läßt sich die günstigste Einstellung nicht im voraus bestimmen.

In einer Regelung, Steuerung oder Nachstellung der Schweißparameter sollte also durch vorsichtiges Einstellen der Schweißparameter (z. B. Erhöhen des Schweißstromes) die jeweils aufgrund der aktuellen Fertigungsbedingungen erforderliche Einstellung zum Erreichen der Spritzergrenze langsam "ertastet" werden.

Hierbei ist zu bedenken, daß bei einem Schweißvorgang deutlich oberhalb der Spritzergrenze die Qualität der Schweißungen herabgesetzt ist. Wird dieses "Ertasten" der Spritzergrenze permanent oder in einem zu kleinen Intervall (Anzahl der Schweißpunkte) durchgeführt, so würde es relativ häufig zur Überschreitung der Spritzergrenze kommen. Infolgedessen käme es zu einer nicht mehr vertretbaren Anzahl von Schweißungen mit verminderter Qualität bzw. zu erheblichem Elektrodenverschleiß. In einem solchen Fall reichen die festgelegten Elektrodenwechselintervalle nicht mehr aus, um die erforderliche Qualität sicherzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines Elektroschweißgerätes zu schaffen, mit Hilfe dessen die Schweißparameter und/oder die Elektrodenarbeitsflächengeometrie optimal für die Erzeugung haltbarer Schweißverbindungen angepaßt wird, wobei alle Schweißverbindungen von gleichbleibend guter Qualität sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 8 definiert.

Durch das Verfahren werden die Schweißparameter und/oder die Elektrodenarbeitsflächengeometrie regelmäßig nach einer bestimmbaren Anzahl von Schweißvorgängen auf einen für die Qualität der Schweißung optimalen Wert gebracht. Unter Schweißparametern sind zum einen die Parameter zu verstehen, die mit einer Schweißsteuerung eingestellt werden können, und zum andern die Parameter, die durch den Schweißprozeß entstehen bzw. vorgegeben oder von anderer Seite (beispielsweiser einer speicherprogrammierbaren Steuerung) eingestellt werden können. Somit kommen beispielsweise als Schweißparameter in Frage der Schweißstrom, die Elektrodenfläche, das Elektrodenmaterial, die Dicke der zu schweißenden Blechteile, das Blechmaterial, die Blechbeschichtungen, die Anzahl der zu verschweißenden Bleche, der Grad und die Art der Verschmutzung der Bleche, die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, allgemeine klimatische Bedingungen), die Kraft, die beim Schweißen auf die Elektroden wirkt und der Druck der Elektroden.

Der optimale Wert für die Schweißparameter und/oder die Elektrodenarbeitsflächengeometrie liegt kurz unterhalb der Spritzergrenze, d. h. unterhalb der Einstellungen (z. B. des Schweißstroms), bei denen Schweißspritzer auftreten.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bleibt die Qualität der Schweißungen in der Fabrikation gleichmäßig auf dem optimalen Niveau, selbst wenn die Produktionsanlage, die Zulieferteile und die Materialchargen leichte Unterschiede aufweisen.

Vorteilhaft ist außerdem, daß eine langwierige Eingabe der Stepperkurven entfällt.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 8 läßt sich besonders einfach mit einer elektronischen Schaltung realisieren und bedienen. Die Vorrichtung muß eine elektronische Einrichtung haben, mit Hilfe derer das Erreichen der Spritzergrenze erfaßbar ist. Dazu ist es grundsätzlich möglich, die Prozeßgrößen (Spannung, Strom, auf die Elektroden wirkende Kraft, Elektrodenweg, -beschleunigung, u. a.) zu messen und bei Erkennung eines (vorher vorzugebenden) Grenzwertes dies in der Regelungseinrichtung als Erreichen der Spritzergrenze zu werten. Ferner ist es möglich, mittels eines Sensors das Auftreten von Spritzern zu erfassen.

Als Sensor kommt gemäß Anspruch 12 ein akustischer Sensor (Mikrofon) in Frage. Ein akustischer Sensor hat den großen Vorteil, daß er unempfindlich ist gegen Verschmutzung.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand zweier Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Regelungseinrichtung eines Schweißgerätes und

Fig. 2 den Verlauf der Stromstärke im Schweißgerät bei der erfindungsgemäßen Regelung.

In Fig. 1 ist ein Sensor (1) zu sehen, der in räumlicher Nähe zu einer Schweißstelle eines nicht dargestellten Elektroschweißgerätes angeordnet ist.

Der Sensor (1) erfaßt das Auftreten von Schweißspritzern. Sein Signal wird über eine Auswerteeinheit (2), die der Störungseliminierung dient, einer Schweißsteuerung (3) zugeführt, die dieses Signal nutzt, um gegebenenfalls den Schweißstrom zu ändern.

In Fig. 2 ist vereinfachend für das erfindungsgemäße Verfahren die spezifische Stromdichte (I/A) innerhalb des Schweißpunkts an der Schweißstelle in Abhängigkeit von der Anzahl (n) der fertiggestellten Schweißungen, beispielsweise der Punktschweißungen im Falle eines Punktschweißgerätes, dargestellt. Durch die langsame Vergrößerung der Elektrodenfläche im Bereich der Schweißstelle sinkt - bei fest eingestellten Schweißparametern - die spezifische Stromdichte (I/A) an der Schweißstelle in Abhängigkeit von der Zahl der Schweißungen. Die fertiggestellten Schweißungen werden in der Schweißsteuerung (3) automatisch gezählt. Bei Erreichen einer vor dem Betrieb des Schweißgerätes festzulegenden Anzahl (in Fig. 2 sind 1000 Schweißungen angenommen), werden die Schweißparameter stufenweise verstellt (beispielsweise der Schweißstrom erhöht). Entsprechend ändert sich die spezifische Stromdichte (I/A) innerhalb des Schweißpunkts stufenweise, wenn in der kurzen Zeit der Abbrand der Elektroden vernachlässigt wird. Bei Erreichen jeder der vorgenannten Stufen wird eine Schweißung vorgenommen und dabei gleichzeitig abgefragt, ob die Schweißsteuerung (3) ein Signal erhalten hat, welches auf das Erreichen der Spritzergrenze hindeutet. In der geschilderten Art werden die Schweißparameter mehrmals um eine Stufe verstellt (z. B. wird der Schweißstrom erhöht), wobei nach jeder Verstellung wieder eine Schweißung mit der erwähnten Abfrage des Sensors (1) vorgenommen wird.

Diese stufenweise Verstellung der Schweißparameter wird so lange wiederholt, bis der Sensor (1) beim Schweißen das Erreichen oder Überschreiten der Spritzergrenze erfaßt hat.

Die spezifische Stromdichte (I/A) bei Erreichen der Spritzergrenze ist durch eine gestrichelte Linie (4) dargestellt.

Daraufhin werden die Schweißparameter wieder etwas zurückgestellt (z. B. der Schweißstrom wieder etwas erniedrigt) und der Zähler, der die Anzahl der Schweißungen im Intervall aufnimmt, auf Null gesetzt; es ist dann ein Betrieb knapp unter der Spritzergrenze eingestellt und die Zählung der Schweißungen beginnt von neuem.

Es ist deutlich zu sehen, daß nur sehr selten (bei wenigen Schweißvorgängen) die Spritzergrenze überschritten wird. Außerdem wird bei einem ausreichend kleinen Überprüfungsintervall der Schweißungen die Untergrenze der Stromdichte nicht unterschritten, bei deren Unterschreiten es zu fehlerhaften Schweißungen kommen würde.

Wenn weitere 1000 Schweißungen fertiggestellt sind, werden erneut die Schweißparameter stufenweise verstellt; und es wird wieder in der zuvor geschilderten Art fortgefahren. Erst nach jeweils 1000 Schweißungen werden also erneut die Schweißparameter verstellt.

Beim Starten des Schweißgerätes muß entweder ein geschätzter günstiger Wert für die Schweißparameter Stromstärke eingestellt werden, oder aber es werden gleich zu Beginn in der zuvor beschriebenen Art die Schweißparameter stufenweise verstellt (z. B. der Schweißstrom erhöht), damit möglichst von Anfang an mit optimalen Schweißparametern gearbeitet wird und somit optimale Qualität der Schweißungen von Anfang an gewährleistet ist.

Claims (30)

1. Verfahren zum Regeln, Steuern oder Ein- bzw. Nachstellen eines Elektroschweißgerätes mit zumindest zwei Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes in ständiger Wiederholung zunächst mit konstanten Schweißparametern eine feste, vor dem Betrieb wählbare Anzahl (n) von Schweißungen durchgeführt wird, daß anschließend die Schweißparameter und/oder die Elektrodenarbeitsflächengeometrie vor jeder Schweißung um eine Stufe verstellt wird/werden, und zwar so lange, bis erstmalig Schweißspritzer auftreten, und daß danach die Schweißparameter und/oder die Elektrodenarbeitsflächengeometrie geringfügig zurückgestellt wird/werden und dann wiederum mit der gewählten Anzahl (n) von Schweißungen fortgefahren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißparameter dadurch verstellt werden, daß der in die Elektroden eingeleitete Strom in seiner Stärke verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Veränderung des in die Elektroden eingeleiteten Stromes zusätzlich ein Anheben der zwischen den Elektroden wirkenden Preßkraft zur Erhöhung der Stromdichte (I/A) genutzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenarbeitsflächengeometrie dadurch verstellt wird, daß zwischen Schweißvorgängen die Elektroden an ihren Spitzen gefräst werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißparameter dadurch verstellt werden, daß die Schweißzeit stufenweise verstellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißparameter dadurch verstellt werden, daß die Schweißspannung stufenweise verstellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Stufen frei variierbar, nach einem Algorithmus festgelegt oder fest eingestellt ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine elektronische Einrichtung aufweist, die das Auftreten von Schweißspritzern erfaßt und störungssicher auswertet, daß das von der Einrichtung stammende Signal einer Schweißsteuerung (3) zugeführt wird, die das von der Einrichtung kommende Signal zum Verstellen der Schweißparameter und/oder der Elektrodenarbeitsflächengeometrie nutzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen optischen Sensor enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen Drucksensor enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden über einen Kühlwasserkreislauf gekühlt werden und daß der Drucksensor einen beim Auftreten von Schweißspritzern im Kühlwasser auftretenden Druckschwall erfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen akustischen Sensor (1) enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen Aufprallsensor enthält, der das Auftreffen von Schweißspritzern erfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen elektromagnetischen Sensor enthält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen kalorischen Sensor enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen thermovisorischen Sensor enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen elektrochemischen Sensor enthält.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen Infrarotsensor enthält.

19. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen Wegsensor enthält, der den Weg der Elektroden oder deren Halterung in Richtung der Schweißstelle und zurück erfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung einen Geschwindigkeitssensor enthält, der schlagartig einsetzende Geschwindigkeitsänderungen mindestens einer Elektrode oder deren Halterung beim Auftreten von Schweißspritzern erfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung ein Beschleunigungssensor ist, der aufgrund von Schweißspritzern auftretende Erschütterungen der Elektroden oder deren Halterung erfaßt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung ein Spannungsmeßgerät enthält, das den elektrischen Spannungsverlauf während der Schweißung aufnimmt und auswertet.

23. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung ein Kraftmeßgerät enthält, welches den Kraftverlauf während der Schweißung aufnimmt, auswertet und ein Ausgangssignal zur Verstellung der Schweißparameter und/oder der Elektrodenarbeitsflächengeometrie abgibt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung ein Meßgerät enthält, welches das Magnetfeld mißt, das während und aufgrund der Schweißung auftritt und daß es den Meßwert oder eine davon abgeleitete Größe als Ausgangssignal zur Steuerung der Schweißparameter und/oder der Elektrodenarbeitsflächengeometrie abgibt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung ein Temperaturmeßgerät enthält, welches die Wärmeentwicklung in der Nähe der Schweißstelle oder die Wärmeentwicklung, die mit der Schweißung in kausalem Zusammenhang steht, mißt und den Meßwert oder eine davon abgeleitete Größe als Ausgangssignal abgibt.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung eine Auswerteeinheit besitzt, die das Ausgangssignal störungssicher zur Verstellung der Schweißparameter und/oder der Elektrodenarbeitsflächengeometrie auswertet.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroschweißgerät eine Vorrichtung zum Buckelschweißen ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroschweißgerät eine Vorrichtung zum Widerstandssteppnahtschweißen ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroschweißgerät eine Vorrichtung zum Rollennahtschweißen ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroschweißgerät eine Vorrichtung zum Widerstandspunktschweißen ist.