DE631730C - Verfahren und Vorrichtungen zur UEberwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweissen und Schneiden von Metallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweißen und Schneiden von Metallen mittels strahlungsempfindlicher Zellen. Es ist bereits vorgeschlagen, bei der elektrischen Lichtbogenschweißung eine oder mehrere strahlungsempfindliche Zellen auf den Lichtbogen selbst zu richten, um die Lichtbogenlänge zu regulieren und insbesondere ein Abreißen des Lichtbogens zu verhindern. Bei diesem Vorschlag ist die Regelungsmöglichkeit dagegen beschränkt und versagt im Falle des Schweißens verschieden starker Werkstücke überhaupt.

Bei der Schmelzschweißüng von Metallen mittels der Acetylen-Sauerstoff-Flamme oder des elektrischen Lichtbogens hängt die Güte der erzeugten Schweißnaht sowohl bei Handals auch bei Maschinenschweißung von einer Anzahl veränderlicher Faktoren ab, wie z. B. der Schweißhitze der Flamme oder des Lichtbogens, der Geschwindigkeit, mit welcher das Werkstück relativ zur Flamme oder zum Lichtbogen bewegt wird, den chemischen und metallurgischen Eigenschaften des Metalls, der Breite des Spalts zwischen den zu verschweißenden Kanten und beim Schweißen mit Zusatzmaterial auch von der Zuführung des Schweißstabes oder Schweißelektrode in die geschmolzene Schweiße sowie der Dicke und den Eigenschaften des Schweißstabes oder der Elektrode. Zur Erzeugung einer Schweißnaht großer Güte ist es wesentlich, daß diese Faktoren an allen Stellen längs der Naht während des Sch weiß Vorgangs in einem sehr genauen gegenseitigen Verhältnis stehen.

Gemäß der Erfindung besteht das neue Verfahren zur Überwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweißen und Schneiden von .Metallen mittels strahlungsempfindlicher Zellen darin, daß die strahlungsempfindliche, z. B. photoelektrische Zelle auf erwärmte Stellen des Werkstücks, beim Schweißen z. B. auf die Schweißstelle, gerichtet wird, um Abweichungen der Temperatur des Werkstoffes anzuzeigen und/oder die Temperaturänderungen rückgängig zu machen, z. B. durch Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizquelle und/oder der zugeführten Wärmemenge. Erfolgt das Schweißen durch Mehrflammenbrenner mit Schweiß- und Vorwärmflammen, so wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die photoelektrische Zelle vorzugsweise auf eine zwischen der Vorwärm- und der Schweißflamme liegende Stelle des Werkstücks gerichtet.

Eine zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignete Vorrichtung 6a mit einem Einstellrohr für die photoelektrische Zelle ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß

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die auf die flüssige Schweiße oder auf die kurz vor der * Schweißstelle oberflächlich" geschmolzenen Werkstoffkanten eingestellte photoelektrische Zelle über einen (Röhren-) Verstärker ein Relais mit Kontaktzeiger bewegt, durch dessen jeweilige Schaltstellung die Steuerschalter der für die die Arbeitsbedingungen bestimmenden Organe vorgesehenen Schaltanordnung betätigt werden. ίο Weitere Einzelheiten der Vorrichtungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Durch die Erfindung wird die menschliche Unvollkommenheit bei der Beobachtung des Schweiß vor gangs, nach welcher bisher Regelvorrichtungen zum Schweißen bedient worden sind, ausgeschaltet. Die menschliche Beobachtung wird durch eine Regelvorrichtung ersetzt, die den normalen Schweiß Vorgang entao sprechende Bedingungen einzuhalten sucht und augenblicklich auf die kleinsten Änderungen der verschiedenen für den Schweißvorgang maßgebenden Faktoren anspricht. Durch die Erfindung werden die bisher beim automatischen oder halbautomatischen Schweißen auftretenden Nachteile vermieden, die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht und der Ausschuß verringert und gleichzeitig mit Sicherheit eine kontinuierliche hochwertige Schweiße erreicht.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. ι eine'schematische Darstellung einer Schweißmaschine mit einer Regelvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen abgeänderter Ausführungen der Regelvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Teiles einer Schweißnaht während ihrer Erzeugung,

Fig. 5 eineDarstellung der photoelektrischen Zelleneinheit mit dem Einstellrohr im Schnitt. In Fig. ι ist die Erfindung prinzipiell in Anwendung auf eine Schweißmaschine zum Schweißen von Längsnähten 6" an röhrenförmigen Metallgegenständen, wie z. B. Stahlfässern oder Rohren W, dargestellt. Ein Sauerstoff-Acetylen- oder ähnlicher Brenner B oder ein elektrischer Lichtbogen liefert die Schweißtemperatur. Der Schweißstab D kann bei Anwendung der elektrischen Lichtbogenschweißung als Elektrode dienen. Der Schweißstab oder die Elektrode wird in der üblichen Weise durch eine Vorschubvorrichtung (nicht dargestellt) der Schweißzone zugeführt. Das Werkstück bzw. die benachbarten Kanten der Naht werden allmählich erwärmt, indem das Werkstück und die Schweißvorrichtung in der Längsrichtung der Naht relativ zueinander bewegt werden, um eine ununterbrochene Schweißnaht herzustellen. Bei der Ausführungsiorm gemäß Fig. 1 ergreifen Führungsrollen F, die über ein Getriebe von einem elektrischen Regelmotor M angetrieben werden, das Rohr W an den gegenüberliegenden Seiten und bewegen es mit seiner Naht an dem ortsfesten Brenner und dem mit ihm verbundenen Schweißstab vorbei.

Bisher wurde die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks relativ zu den Schweißvorrichtungen von Hand geregelt, beispielsweise durch Drehen des Handgriffs H' eines Widerstands H im Motorfeldkreis nach rechts oder nach links, um die Geschwindigkeit des Motors M'zu steigern oder zu vermindern und damit die Bewegung der Naht relativ zu der Schweißvorrichtung zu ändern. Bei dieser Einstellung ist man hauptsächlich auf das Aussehen der Schweiße angewiesen, die daher dauernd beobachtet werden muß. Dabei sind aber geringere Änderungen des Aussehens überhaupt nicht und stärkere Änderungen nicht sofort bei ihrem Auftreten zu erkennen. Diese Verzögerung genügt zum Entstehen einer minderwertigen Schweißstelle, ehe die korrigierende Einstellung vorgenommen ist. Außerdem hat eine derartige Regelung nur einen durch Schätzung bedingten Näherungswert.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten und zur Erzeugung einer ununterbrochenen gleichförmigen Schweiße hoher Güte wird gemäß der Erfindung eine strahlungsempfindliche Zelle benutzt, die proportional und unverzüglich auf Änderungen in einem Charakteristikum der geschmolzenen Schweiße oder des hoch erhitzten Grundmetalls anspricht und durch derartige Änderungen eine Vorrichtung betätigt, bei dem an jeder Stelle längs der Naht eine Schweißung von gleichmäßiger Güte gewährleistet ist. Gemäß Fig..i ist-die strahlungsempfindliche, z. B. photoelektrische Zelle C so angeordnet, daß sie auf das hoch erhitzte Metall eingestellt werden kann. Sie ist vorzugsweise mit einem normalen Verstärker A verbunden. Der Leistungsstrom des Verstärkers A wird einem Relais R zugeführt, das einen verhältnismäßig kleinen umkehrbaren Elektromotor K steuert, der mechanisch mit dem Widerstand H verbunden ist; dieser schaltet einen Widerstand in dem Feldstromkreis des Regelantriebsmotors M ein bzw. aus, um dadurch die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks W zu vergrö- ng ßern oder zu verringern.

Da die benutzte photoelektrische Zelle sehr empfindlich gegen rote und infrarote Strahlen ist, werden schon sehr geringe Änderungen im Zustand der Schweiße augenblicklich nachgewiesen. Die Änderungen in der strahlenden Energie, des Werkstücks wirken durch das

Rohr C auf die photoelektrische Zelle C und lassen den Zellenstrom proportional anwachsen oder abnehmen. Mitunter leuchten in der Schweißzone Zunderteilchen u. dgl. hell auf und strahlen ein glänzend weißes Licht und wahrscheinlich auch ultraviolette Strahlen aus, was zu einer falschen Anzeige der photoelektrischen Zelle Anlaß geben kann. Um dies zu verhindern, ist in das Rohr C vor der photoelektrischen Zelle ein Filter eingesetzt, das nur rote und infrarote Strahlen zur Zelle gelangen läßt, dadurch ihre Stabilität erhöht und erreicht, daß die Zelle mehr durch Wärmestrahlen als durch Lichtstrahlen arbeitet!

Dieses Filter besteht gemäß Fig. 5 aus zwei Glasscheiben, von denen die eine Scheibe 6 eine Mattscheibe ist, um die zur photoelektrischen Zelle gelangenden Strahlen zu zerstreuen, während die andere Scheibe 7 aus

ao reinem rotem Glas besteht, das die kurzwelligen Strahlen einschließlich der ultravioletten absorbiert. Ferner kann in das Rohr C eine Reihe von festen Blenden 9 eingesetzt sein, um eine Reflektion von der Wandung des Rohres zu verhindern.

Die photoelektrische Zelle C ist durch Leitungen 10 und 11 mit den Einlaßklemmen einer geeigneten Gleichstromverstärkereinheit A verbunden, die eine Heizstromverbindung 12 und einen. Knopf 13 zur Verstärkungsregelung hat. Die verstärkte elektrische Energie gelangt durch Leitungen 14, 15 zu der Spule 16 eines Milliamperemessers G, der die den Änderungen in der Schweiße entsprechenden Änderungen in der strahlenden Energie elektrisch auf der Skala 18 durch einen Zeiger 19 anzeigt, der durch die Spule 16 bewegt wird.

Bei Beginn des Schweißens am einen Ende der Naht werden die verschiedenen Faktoren, z. B. der Brenner oder der elektrische Lichtbogen, die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißstabes oder der Elektrode nach Erfahrungswerten und Normen richtig eingestellt, so daß an dieser Stelle eine Schweißung von hoher Güte und mit normalem Einbrand entsteht. Die elektrischen Leitungen der photoelektrischen Zelle und des Verstärkers sind durch geeignete Schalter vervollständigt. Die photoelektrische Zelle wird durch die Strahlung der geschmolzenen Schweiße, auf die sie eingestellt ist, erregt, so daß beim Fortschreiten des Schweißens der Zeiger 19 des Milliamperemessers auf der Skala 18 jede Abweichung von den Anfangsbedingungen anzeigt. Der Milliamperemesser kann auch so geeicht sein, daß der richtige Anfangszustand beim Beginn des Schweißens dadurch ange-

zeigt wird, daß der Zeiger 19 auf einer bestimmten Stelle der Skala 18 steht.

Da die verschiedenen Schweißfaktoren sich in der Schweiße auswirken, kann einer dieser Faktoren, beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks,—entsprechend den Änderungen in dem Anfangs- oder gewünschten Zustand der Schweiße geregelt werden, um eine gleichförmige Schweißung über die ganze Länge der Naht zu erzeugen, selbst wenn von· Zeit zu Zeit Änderungen in den anderen mitbeeinflussenden Faktoren der Schweißung auftreten. Um die Schweißung halbautomatisch zu regeln, kann man daher die Bewegungen des Zeigers 19 beobachten und dementsprechend den vorbestimmten Schweißzustand aufrechterhalten, indem man von Hand den Widerstandshandgriff H' nach rechts oder links bewegt, je nach der Stellung des Zeigers 19 in bezug auf einen festen Nullpunkt oder eine vorbestimmte Ablesesfelle auf der Skala 18. Dadurch wird der Widerstand im Motorfeldkreis und damit die Umlaufgeschwindigkeit des Antriebsmotors M vergrößert oder verringert, dessen Feldstromkreis mit der Widerstandswicklung des Widerstands H durch Leitungen 22, 23 verbunden ist. Wenn die Strahlung der Schweiße auf die photoelektrische Zelle abnimmt, verringert sich demgemäß die elektrische Leistung der Zelle, so daß der Zeiger 19 aus einer vorbestimmten oder neutralen Lage nach einer Seite abgelenkt wird. Hieraus erkennt man, daß die Schweißgeschwindigkeit zu groß ist und betätigt den Widerstand H₁ um die Geschwindig·- keit des Antriebsmotors M so weit zu verringern, bis die Temperatur der Schweiße wieder genügend steigt, um den Zeiger 19 in seihe Neutralstellung zurückzuführen. Umgekehrt wird bei zunehmender Strahlung der Zeiger 19 aus seiner Neutralstellung nach der anderen Seite abgelenkt, d. h. das Werkstück bewegt sich zu langsam. Dann betätigt man den Widerstand so, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks zunimmt, bis der Zeiger in seine Neutralstellung zurückkehrt. Mit einer derartigen halbautomatischen Regelung können leicht Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden, bei denen jederzeit eine voll durchgeschweißte Schweißung von hoher gleichmäßiger Güte erzielt wird.

Um die Regelung von Hand vollkommen auszuschalten, kann die Regelungsvorrichtung so ausgebildet werden, daß die Geschwindigkeit des Antriebsmotors M in Abhängigkeit von den Änderungen in der Schweiße automatisch geregelt wird. Zu diesem Zweck wird gemäß" Fig. 1 der Kontakt des Widerstands H durch einen umkehrbaren Motor K gedreht, der durch dievonderphotoelektrischenZelleC angezeigten Strahlungsänderungen gesteuert wird. So ist beispielsweise der Zeiger 19, der auf die verstärkten Stromänderungen in der

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photoelektrischen Zelle anspricht, über eine Batterie T mit einem Zwischenpunkt einer Leitung 25 verbunden, deren gegenüberliegende Enden mit Solenoidspulen 26 bzw. 27 verbunden sind. Die anderen Enden dieser Spulen sind durch Leitungen 28 und 29 mit Kontakten 30 und 31 an gegenüberliegenden Seiten des Zeigers 19 verbunden, der jeweils mit einem dieser Kontakte durch einen Kontakt 32 in Berührung kommen kann. Wenn die Schweißung unter den vorbestimmten Normalbedingungen fortschreitet, bleibt der Zeiger in seiner Mittelstellung, und der Kontakt 32 ist außer Berührung mit den beiden Kontakten 30 und 31. Der Abstand zwischen dem Zeigerkontakt und den beiden Kontakten ist derart, daß sehr kleine Änderungen nicht imstande sind, die Stromkreise zu schließen, die sie steuern. Wenn der Zeigerkontakt 32 den Kontakt 30 berührt, wird die Spule 26 durch den Strom der Batterie T erregt. Die Spule 27 wird in gleicher Weise erregt, wenn der Kontakt 31 in Berührung mit dem Zeigerkontakt 32 kommt.

Die Spulen 26 und 27 betätigen, wenn sie erregt werden, Schaltermechanismen, die eine Umkehr des Ankerstroms des Steuermotors K und dadurch eine Drehung der Ankerwelle im oder gegen den Uhrzeigersinn bewirken, die eine Schnecke 33 trägt, die in Eingriff mit einem Schneckenrad 34 steht, das einen Schleifkontakt des Widerstands.H trägt.

Die Spule 26 betätigt gleichzeitig zwei Schalter 35 und 36, die die Feldwicklung und die Ankerwicklung des Motors IC in Reihe mit der Hauptstromleitung L, L' schalten, worauf sich die Welle des Motors im Uhrzeigersinn dreht. Die Spule 27 betätigt in gleicher Weise zwei Schalter 37 und 38, um die Feld- und Ankerwicklung mit der Hauptleitung L, U zu Verbinden, so daß sich die Ankerwelle des Motors gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die Schnecke 33 dieser Welle steht dauernd in Eingriff mit dem Schneckenrad 34, das einen Schleifkontakt des Widerstands"H trägt, wodurch der Widerstand in dem Feldkreis des Antriebsmotors M durch Drehung des Motors K entweder vergrößert oder verringert werden kann, um die Geschwindigkeit des Antriebsmotors und damit die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks im erforderlichen Maße zu vergrößern oder zu verringern.

Für gewöhnlich benndef sich der Zeiger 19 in seiner mittleren oder neutralen Stellung, die Spulenstromkreise sind geöffnet, der ' Motor K steht still und der Motor M bewegt das Werkstück B mit der richtigen Vorschubgeschwindigkeit, um eine Schweißung bestimmter Güte zu erzeugen. Es sei angenominen, daß der Zeigerkontakt 32 den Kontakt 30 berührt. Dann werden die Schalter 35 und 36 geschlossen und der Strom nimmt folgenden Weg: Hauptleitung L, Leitung 40, Feldwicklung 41, Leitung 42, Schalter 35, Leitungen 43 und 44, Anker 45, Leitungen 46 und 47, Schalter 36, Leitungen 48 und 49, Hauptleitung L'. In ähnlicher Weise werden, wenn der Zeigerkontakt 32 den Kontakt 31 berührt, die Schalter 37 und 38 geschlossen und der Strom nimmt dann folgenden Weg: Hauptleitung L, Leitung 40, Feldwicklung 41, Leitungen 42 und 49', Schalter 38, Leitungen 47 und 46, Anker 45, Leitungen 44 und 43, Schalter 37, Leitung 49, Ha.uptleitung U. In den Relaisstromkreis, in ■ dem die Spulen 26 und 27 liegen, können verschiedenfarbig aufleuchtende Lampen 50 und 51 eingeschaltet werden, von denen die eine oder die andere aufleuchtet, wenn der Motor K läuft und dem Beobachter anzeigt, ob der Werkstückvor-Schubmechanismus beschleunigt oder verzögert wird.

' Die Regelvorrichtung gemäß Fig. 2 entspricht in ihren wesentlichen Teilen derjenigen gemäß Fig. 1, jedoch sind bei ihr der Steuermotor K und die zu ihm gehörigen Leitungen fortgelassen. Statt dessen sind die durch den ZeigerBontakt 32 gesteuerten Spulen 26 und 27 in dem Relaisstromkreis so angeordnet, daß sie unmittelbar Schalter öffnen oder go schließen, um augenblicklich den Widerstand im Feldstromkreis des Antriebsmotors zu vergrößern oder zu verringern. Gemäß Fig. 2 sind in die Feldleitungen 22 und 23 des Antriebsmotors M ein einstellbarer Hauptwiderstand 53 und zwei feste Widerstände 54 und 55 hintereinandergeschaltet. Für gewöhnlich ist der Widerstand 54 ausgeschaltet und der Widerstand 53 so eingestellt, daß der Motor M mit der richtigen Geschwindigkeit umläuft, um das Werkstück W bei Beginn der Schweißung mit der zur Erzeugung einer vollwertigen Schweiße erforderlichen Geschwindigkeit zu bewegen. Wenn bei fortschreitender Schweißung ein Zustand eintritt, bei dem das Metall in der Schweiße überhitzt wird, wird die dadurch bedingte Verstärkung der Strahlung durch die photoelektrische Zelle C angezeigt. Das Anwachsen der verstärkten elektrischen Energie der photoelektrischen Zelle betätigt den Zeiger 19 und schließt die Kontakte 32 und 30, wodurch die Spule 26 erregt wird, den Schalter 56 öffnet und den Widerstand 54 einschaltet. Hierdurch wird die Motorgeschwindigkeit genügend erhöht, um den Anfangszustand wieder herzustellen oder einen Zustand herbeizuführen, bei dem eine Schweiße von normalem Einbrand und normaler Güte an jeder Stelle erzeugt wird. Sinkt andererseits die Strahlung des Metalls der Schweiße unter den Normal wert, wodurch ungenügende Erhitzung angezeigt wird, so

fällt der photoelektrische Strom ab, und der verstärkte elektrische Strom in der Milliamperemesserwicklung bewegt den Zeiger 19, öffnet die Kontakte 30 und 32 und hebt die Erregung der Spule 26 auf, wodurch der Schalter 56 den Widerstand 54 ausschaltet. Wenn die ungenügende Erhitzung anhält, werden die Kontakte 32 und 31 geschlossen und die Spule 27 erregt, der Schalter 57 geschlossen und der Widerstand 55 ausgeschaltet, wodurch die Geschwindigkeit des Antriebsmotors in genügendem Maße weiter verringert wird, um den Anfangszustand wieder herzustellen. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks zu stark sinkt und dadurch die Strahlung des geschmolzenen Metalls wächst, werden die Kontakte 32 und 31 geöffnet und der Schalter 57 ausgeschaltet, so daß der Widerstand 55 wieder eingeschaltet ist und dadurch augenblicklich die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks wieder wächst. Die Regelungsvorrichtung gemäß Fig. 3 stellt im wesentlichen eine Vereinigung der beiden Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 2 dar und hat gegenüber diesen beiden Vorrichtungen gewisse Vorteile vor allem darin, daß sofort eine geringe Geschwindigkeitsänderung erreicht werden kann, nach der die Geschwindigkeitsänderung nötigenfalls fortgesetzt werden kann, bis die photoelektrische Zelle keine weiteren Änderungen mehr verlangt. Bei dieser Ausführungsform ist die wie bisher auf die -Schweißzone eingestellte photoelektrische Zelle C mit einem Verstärker A verbunden, der seinen Strom aus einer 220 Volt-Gleichstromhauptleitung L, U entnimmt. Die Austrittsklemmen des Verstärkers sind mit einem geeigneten bereits beschriebenen Relais B verbunden, das Kontakte sowie eine Anzeigeskala und einen Zeiger, ähnlich dem in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Relais, hat. Der Strom zur Erregung der Relaisspulen 26' und 27' wird aus der Hauptleitung-L, U durch Leitungen 19', 19" und Leitungen 25', 25" entnommen. Die Leitung 25" ist an die Hauptleitung L' über den größeren Teil eines hohen Widerstands 60 angeschlossen. Wenn die Spule 26' erregt wird, werden die für gewöhnlich geöffneten Kontakte 61, 62 und 63 geschlossen und der gewöhnlich geschlossene Kontakt 64 geöffnet. Wenn die Spule 27' erregt wird, werden die für gewöhnlich offenen Kontakte 65, 66, 67 und 68 geschlossen. Wenn einer der beiden Kontakte 61 und 65 geschlossen ist, leuchtet entweder die grüne Lampe 50' oder die rote Lampe 51' durch den aus der Hauptleitung L, L' durch die Leitungen 19", 69, 70 und 71 entnommenen Strom auf, so daß man von Hand den Widerstands-

6"o handgriff .ff' drehen kann, um halbautomatisch die Geschwindigkeit des Antriebsmotors M zu vergrößern oder zu verringern, je nachdem, welche Lampe aufgeleuchtet hat. Zu diesem Zweck werden die drei Bürsten 72, 73 und 74 eines zweipoligen Schalters / gegen die Kontakte 72', 73' und 74' gelegt. Wenn die Regelung jedoch vollständig automatisch erfolgen soll, so wird der Schalter J so gelegt, daß seine Bürste die Kontakte 72', 73', 74' berühren. Für gewöhnlich ist ein einstellbarer Widerstand 54' aus dem Feldlireis des Motors M durch Leitungen 75 und 76, die für gewöhnlich durch den Kontakt 64 geschlossen sind, ausgeschaltet, und ein einstellbarer Widerstand 55' ist für gewöhnlich in den Feldstromkreis eingeschaltet. Wenn der Schalter/ sich in der Lage für vollautomatische Betätigung befindet und die Spule 26' erregt wird, wird der Kontakt 64 geöffnet und der Widerstand 54' augenblicklich eingeschaltet, wodurch eine sofortige Vergrößerung der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks eintritt. Gleichzeitig werden die Kontakte 62 und 63 geschlossen, so daß der Strom des Steuermotors K' folgenden Weg nimmt: Hauptleitung U, Leitung 77, Feldwicklung 78, Leitungen 79 und 80, Kontakt 63, Leitung 81, Anker 82, Leitungen 83 und 84, Kontakt 62, Leitungen 85 und 86, Bürste 74, Leitung 87, Feldwicklung 88, Leitung 19", Hauptleitung L. Die Welle des Ankers 82, die mit dem Handgriff H' verbunden ist, dreht letzteren gegen den Uhrzeigersinn und vergrößert den Widerstand, bis das normale Schweißen wieder hergestellt ist, und der verstärkte photoelektrische Strom bewirkt, daß der Zeiger des Relais .E den. Stromkreis der Spule 26' öffnet, worauf die Kontakte 61, 64, 62 und 63 in ihre Normallage zurückkehren. Wenn die Spule 27' erregt wird, schließt sich der Kon- ioo takt 66 und schaltet sofort den Widerstand 55' durch einen Nebenschluß aus, der von den Leitungen 76, 89, dem Kontakt 66, der Leitung 90, der Bürste 73 und der Leitung 91 gebildet wird. Dadurch wird eine sofortige Abnähme der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks bewirkt. Gleichzeitig schließen sich die Kontakte 67 und 68 und vervollständigen den Stromkreis des Hilfsmotors K' auf folgendem Weg: Hauptleitung L', Leitung 77, Feldwicklung 78, Leitung 79, Kontakt 68, Leitung 83, Anker 82, Leitung 81 und 92, Kontakt 67, Leitung 86, Bürste 74, Leitung 87, Feldwicklung 88, Leitung 19", Hauptleitung L. Der Anker 82 läuft dann im Uhrzeigersinn um und stellt den Schleifkontakt H' so ein, daß er den Widerstand ausschaltet, bis die normale Schweißung wieder erreicht ist und der Zeiger 19 durch den verringerten Strom der photoelektrischen Zelle die Kontakte 32, 31 (wie in Fig. 1 und 2) wieder öffnet und die Erregung der Relaisspule 27' aufhebt,

worauf die Kontakte 65, 66, 67 und 68 in die offene Lage zurückkehren. Ein einstellbarer Widerstand 53' wird automatisch durch den Mechanismus in den Feldstromkreis des Antriebsmotors eingeschaltet, der einen für gewöhnlich geschlossenen Schalter 94 zu einem Zeitpunkt öffnet, in dem die Schweißstelle sich dem Ende einer Schweißnaht nähert, so daß der Antriebsmotor die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks schnell vergrößert, um die große! Wärmestauung zu kompensieren und ein Überhitzen des Endes der Naht zu verhindern.

Obwohl es praktisch vorteilhaft ist, die Photozelle auf das geschmolzene Metall der Schweiße einzustellen, und dadurch augenblicklich die Schweißgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit Änderungen in der strahlenden Energie oder der Lichtintensität oder der ao Farbe der Schweiße zu regeln, hat es sich doch gezeigt, daß beim Schweißen mit mehreren Flammen, bei dem eine Reihe von Heizdüsen längs den zu verschweißenden Kanten auf diese gerichtet sind, größere strahlende as Energieänderungen in einem kurzen Abstand von der Schweiße auftreten. Aus diesem Grund ist es in manchen Fällen vorzuziehen, die Photozelle auf einen hoch erhitzten Teil der Metallkanten in kurzem Abstand vor der geschmolzenen Schweiße zu richten. Dieser Teil, auf den die photoelektrische Zelle gerich- . . tet ist, sei der Einfachheit halber als Führungspunkt bezeichnet. So erzeugt beispielsweise bei Maschinenschweißung einer Naht zwischen den Kanten dünner Metallbleche unter Verwendung eines Acetylen-Sauerstoff-Brenners mit mehreren Flammen die Schweißflamme, die auf die Schweiße einwirkt, eine richtig durchgeschweißte Schweißung, wenn die übrigen Heizfiammen so angeordnet sind, daß die sog. hintere Vorwärmeflamme die Kanten in kurzem Abstand vor der Schweißflamme oberflächlich schmilzt. Diese hintere Vorwärmeflamme sei als »Führurigsflamme« bezeichnet, und der »Führungspunkt«, auf welchen die Photozelle eingestellt ist, wird vorzugsweise von der oberflächlich geschmolzenen Zone längs der Naht unmittelbar, nachdem die · Führungsflamme über sie hinweggegangen ist, gebildet. Wenn die Photozelle richtig auf den Führungspunkt eingestellt ist, entstehen relativ große Änderungen in der Intensität der strahlenden Energie durch Verengung oder Erweiterung der Zone geschmolzenen Metalls in diesem Punkt. Diese Änderungen werden in der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Regelungsvorrichtung nutzbar gemacht, um die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks zu regeln. Wenn also- die Führungsflamme die Blechkanten nicht schmilzt, zeigen die Verhältnisse im Führungspunkt an, daß die Metallkanten nicht genügend erwärmt sind, um durch die Schweißflamme eine normale und voll durchgeschweißte Schweißung herzustellen. Daher bewirkt die Photozelle äugenblicklich eine Verzögerung der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks, bis der erwünschte Vorwärmezustand erreicht ist. Wenn andererseits ein zu starkes Schmelzen im Führungspunkt eintritt, läßt dies erkennen, daß die fertige Schweiße viel zu stark durchgeschweißt sein würde, und die Regelungsvorrichtung spricht hierauf augenblicklich dadurch an, daß sie die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks beschleunigt.

Der eben beschriebene Vorgang ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, die eine Schweiße unter normalem Einbrand während ihrer Herstellung zeigt. Die Kanten-:x, y von Blechplatten, Rohr- oder ähnlichen Abschnitten X, Y sind aneinander oder mit geringem Zwischenraum nebeneinander gelegt, um einen zu verschweißenden SpaltS zu bilden. Der fertiggestellte Teil der Schweißnaht ist mit Z, die geschmolzene Schweiße mit P bezeichnet. Die Anzahl der mittels eines mehrflammigen Brenners auf die Naht gerichteten Acetylen-Sauerstoff-Flammen kaim verschieden sein. In dem dargestellten Beispiel ist eine Schweißflamme 60 direkt auf die Schweiße gerichtet, eine hintere Vorwärme- oder Führungsflamme 61 schmilzt die unverschweißten Kanten in kurzem Abstand vor der flüssigen Schweiße oberflächlich und ein Paar vordere Vorwärmflammen 62 und 63 erwärmen die unverschweißten Kanten in kurzem Abstand hinter der Naht und ehe diese Kanten unter die Führungsflamme kommen. Wie bei 64 dargestellt, kann das Einstellrohr der Photozelle eine verbreiterte Öffnung haben, die sich im Führungspunkt zwischen den Flammen 60 und 61 quer zur Naht erstreckt, um die strahlende Energie der oberflächlich geschmolzenen Kanten und des stark erwärmten benachbarten Metalls aufzunehmen und diese Strahlen der PhotO'zelle zuzuleiten. Der Brenner für die Flammen 60, 61, 62 und 63 sowie das Einstellrohr mit der öffnung 64 sind ortsfest, während die Werkstückteile X, Y in der Längsrichtung der Naht in Richtung- des no Pfeils vorgeführt werden. ■ Dabei regeln die Photozelle und die zu ihr gehörigen Vorrichtungen, wie sie in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt sind, halbautomatisch oder automatisch die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks, um eine gleichförmige ununterbrochene Schweißung zu erzeugen.

Aus dem bisher Gesagten geht hervor, daß die Herstellung einer gleichförmigen ununterbrochenen Schweißnaht erreicht wird durch geeignete Änderungen der der Naht beim Entstehen der Schweißung zugeführten Wärme-

mengen, und zwar durch Änderung der Bewegung des Brenners und des Werkstücks relativ zueinander, während eine konstante Wärmezuführungsvorrichtung benutzt wird. Bei der im vorstehenden im einzelnen beschriebenen vorteilhaften Arbeitsweise wird die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks geändert, während der Brenner ortsfest ist. Andererseits können jedoch, wenn die Werk-Stückvorschubgeschwindigkeit praktisch konstant gehalten wird, ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, indem entweder die Drücke der dem Brenner zugeführten Gase und damit die Größe der Brennerflammen geändert werden oder indem der Abstand zwischen dem Werkstück und der Brennerflamme geändert wird. In beiden Fällen wird die der Naht zugeführte Wärmemenge in Übereinstimmung mit den Änderungen der von dem

ao erwärmten Werkstück ausgestrahlten _ und durch eine photoelektrische Zelle nachgewiesenen strahlenden Energie geregelt.

Die Regelungsvorrichtung zur Änderung der Gasdrücke bei konstant gehaltener Vor-Schubgeschwindigkeit des Werkstücks besteht aus einer auf das erwärmte Metall eingestellten Photozelle, einer Verstärkereinheit und einem Kontaktmilliamperemesser, wie bereits beschrieben, in Verbindung mit geeigneten elektrisch gesteuerten Relais oder Solenoiden, wie z. B. den beschriebenen Solenoiden 26 und 27, die Ventile öffnen oder schließen, die den Durchgangsquerschnitt in der Sauerstoff-Acetylen-Leitung des Brenners im bestimmten Verhältnis regeln und dadurch die Schweißflammen vergrößern oder verkleinern und so die der Naht durch den Brenner zugeführte Wärmemenge in Übereinstimmung mit den Änderungen der von dem erwärmten Metall ausgestrahlten Energie vergrößern oder verringern.

Um den Abstand zwischen der Brennerflamme und der Schweißnaht zu ändern und dadurch die Schweißgüte zu regeln, während die Werkstückvorschubgeschwindigkeit und die Gasdrücke konstant bleiben, wird der Brenner auf das Werkstück zu oder von ihm fort bewegt, je nachdem, wie die ausstrahlende Energie des erwärmten Metalls sich ändert. Dies geschieht durch eine Regelvorrichtung, die der bereits beschriebenen ähnlich ist und aus einer auf das erwärmte Metall eingestellten Photozelle, einer Verstärkereinheit, einem Kontaktmilliamperemesser und einem umkehrbaren Elektromotor besteht, dessen Drehrichtung durch geeignete Relais im Stromkreis des Kontaktmilliamperemessers gesteuert wird. Der umkehrbare Motor ist durch geeignete Vorrichtungen, beispielsweise ein Schneckengetriebe mit einer Vorrichtung zum Heben oder Senken des Brenners und seiner Flamme relativ zu dem unter ihm durchlaufenden Werkstück, verbunden. Wenn die von dem erwärmten Werkstück auf die photoelektrische Zelle übertragene strahlende Energie anzeigt, daß die Schweiße überhitzt wird, wird die Vorrichtung betätigt und bewegt den Brenner selbsttätig vom Werkstück fort, um seine Wärmewirkung zu verringern. Wenn die Photozelle anzeigt, daß die Schweiße nicht genügend erhitzt ist, bewegt die Vorrichtung den Brenner selbsttätig dichter an das Werkstück heran, um die zugeführte Wärmemenge zu vergrößern.

Es können ferner Kombinationen der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen benutzt werden, d. h. es kann die Werkstückvorschubgeschwindigkeit und zu gleicher Zeit auch die Drücke der Schweißgase oder der Abstand zwischen dem Brenner und dem Werkstück geändert werden. So können beispielsweise durch Relais gesteuerte feste Widerstände ähnlich den Widerständen 54, 55 und 54', 55' bei ihrer Ein- oder Ausschaltung schnell die Drehzahl des Hauptvorschubmotors M ändern und ein relaisgesteuerter Hilfsmotor gleichzeitig eine Vorrichtung betätigen, um den Brenner und seine Flamme entweder auf das Werkstück zu oder von ihm fort zu bewegen, um stufenweise Änderungen in der der Schweiße zugeführten Schweißhitze zu erzielen. Eine derartige Kombination ist erwünscht, wenn verhältnismäßig große Änderungen der Wärme stufenweise jedoch schneller erreicht werden sollen, als das durch Bewegung des Regelwiderstands H des Hauptantriebsmotors möglich ist.

Im vorstehenden wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung· in ihren allgemeinen Prinzipien im einzelnen beschrieben. Die allgemeinen Grundsätze der Erfindung, die in ihrer Anwendung auf die Schmelzschweißung besonders vorteilhaft sind, können überall da zur Anwendung kommen, wo ähnliche Verhältnisse vorliegen und die strahlungsempfindliche Zelle der den Vorschub oder die Wärme regelnden Vorrichtung auf das der Behandlung -unterliegende hoch erwärmte Metall eingestellt werden kann. Die photoelektrische Zelle kann anstatt auf die Außenseite des Werkstücks (Fig. 1) auch auf den Grund oder die Innenseite der Naht neben der Schweißstelle eingestellt werden. Das Einstellrohr C liegt dabei in geeigneter Weise innerhalb des Rohres W und ist auf eine hoch erwärmte Zone auf der der Heizflamme oder dem Lichtbogen gegenüberliegenden Seite der Naht gerichtet. Die öffnung des Rohres kann so geformt sein, daß die Strahlung sowohl des Führungspunktes als auch eines Teiles der flüssigen Schweiße die Photozelle beeinflußt. Letztere kann die Strah-

lung entweder direkt oder durch ein System von Prismen empfangen. Der Verstärker und die Relais- und Widerstandsanordnungen (Fig. ι und 2) können fortfallen, wenn diephotoelektrische Zelle an eine geeignete Verstärkerröhre von großer Kapazität angeschlossen wird, die in dem Feldstromkreis des Hauptantriebsmotors liegt, wodurch Stromänderungen der Photozelle ähnliche Änderungen im Motorfeldstromkreis bewirken und damit Änderungen in den Umlaufgeschwin-' digkeiten des Motors.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweißen und Schneiden von Metallen mittels strahlungsempfindlicher Zellen, dädurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche, z. B. photoelektrische Zelle auf erwärmte Stellen des Werkstücks, beim Schweißen z. B. auf die Schweißstelle, gerichtet wird, um Abweichungen der Temperatur des Werkstoffes anzuzeigen und/oder die Temperatüränderungen rückgängig zu machen, z. B. durch Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Heizquelle und/oder der· zugeführten Wärmemenge.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem . das Schweißen durch Mehrflammenbrenner

mit Schweiß- und Vorwärmflammen er-■ " folgt, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrische Zelle auf eine zwischen der Vorwärm- und der Schweißflamme liegende Stelle des Werkstücks gerichtet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 mit einem Einstellrohr für die photoelektrische Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die flüssige Schweiße oder auf die kurz vor der Schweißstelle oberflächlich geschmolzenen Werkstoffkanten eingestellte photoelektrische Zelle (C) über einen (Röhren-) Verstärker ein Relais (R) mit Anzeigeskala (18) und mit Kontaktzeiger (19, 30, 31) betätigt, durch dessen jeweilige Schaltstellung die Steuerschalter (35, 36 und 37, 38 bzw. 56 und 57) der für die die Arbeitsbedingungen bestimmenden Organe (z. B. Widerstand if bzw. 54> 55 des Vorschubmotors) vorgesehenen Schaltanordnung (40 bis 49 bzw. 22, 53, 23) betätigt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wider-■ stand (H) des Vorschubmotors (M) ein umkehrbarer Steuermotor (K) angeordnet ist, dessen Drehrichtung durch die Stellung, der vom Relais (R) der photoelektrischen Zelle gesteuerten Schalter (35, 36 und 37, 38) bestimmt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Feldleitungen des Vorschubmotors (M) _vein variabler Widerstand (53) und zwei konstante verschieden große Widerstände (54, 55) angeordnet sind, von denen durch die Schalter (56 und 57) des Relais (R) der eine (z. B. 54) -im Normalzustand der Arbeitsbedingungen aus- und der andere

(z. B. 55) eingeschaltet ist, während bei Abweichungen vom Normalzustand der ausgeschaltete konstante Widerstand (54) ein- oder der eingeschaltete konstante Widerstand (55) ausgeschaltet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Feldleitungen (22', 23') des Vorschubmotors (M) ein durch einen umkehrbaren Steuermotor (K') betätigter Drehwiderstand (H) sowie drei variable Widerstände (53', 54' 55') angeordnet . sind, von denen zwei (z. B. 54', 55') durch vom Relais (26', 27') gesteuerte Schalter (61 bis 64 und 6.5 bis 68) ein- bzw, ausgeschaltet werden, wobei . ihr Einfluß auf den Motor (M) durch gleichzeitige Verstellung des Widerstandes (H) mittels des Umkehrmotors (K') verstärkt wird, dessen Drehrichtung gleichfalls vom Relais gesteuert wird, während der dritte variable Widerstand (53') ^{erst am} Ende des Schweißvorgangs durch automatische Öffnung eines Schalters (94) in den Feldstromkreis des Motors (M) eingeschaltet wird, um durch bestimmte Vergrößerung des Vorschubs eine Überhitzung des Endes der Schweißnaht zu verhindern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellrohr (C) für die photoelektrische Zelle (C) mit einem Filter versehen ist, das nur rote und infrarote Strahlen passieren läßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus zwei Glasscheiben (6, 7) besteht, von denen die eine (7) als Filter, die andere (6) zur Zerstreuung der Strahlen dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einstellrohr eine Reihe von festen Blenden (9) zur Verhinderung von Wandreflektionen angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen