DE631730C - Verfahren und Vorrichtungen zur UEberwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweissen und Schneiden von Metallen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtungen zur UEberwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweissen und Schneiden von MetallenInfo
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- DE631730C DE631730C DEL81316D DEL0081316D DE631730C DE 631730 C DE631730 C DE 631730C DE L81316 D DEL81316 D DE L81316D DE L0081316 D DEL0081316 D DE L0081316D DE 631730 C DE631730 C DE 631730C
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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
6Bl 7SO
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
6317BÖ
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)
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
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US642216XA | 1932-08-24 | 1932-08-24 |
Publications (1)
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DE631730C true DE631730C (de) | 1936-06-26 |
Family
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Family Applications (3)
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DEL81316D Expired DE631730C (de) | 1932-08-24 | 1932-06-07 | Verfahren und Vorrichtungen zur UEberwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweissen und Schneiden von Metallen |
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DEL84232D Expired DE642216C (de) | 1932-08-24 | 1933-08-06 | Verfahren und Vorrichtung zur UEberwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen mittels strahlungsempfindlicher Zellen beim Schweissen |
DEL91448D Expired DE681309C (de) | 1932-08-24 | 1936-11-12 | Vorrichtung zur UEberwachung und Regelung von Arbeitsbedingungen beim Schweissen, Schneiden, Erhitzen und Abschmelzen von Metallen mittels strahlungsempfindlicher Zelle |
Country Status (1)
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DE (3) | DE631730C (de) |
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- 1932-06-07 DE DEL81316D patent/DE631730C/de not_active Expired
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1933
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE681309C (de) | 1939-09-21 |
DE642216C (de) | 1937-02-25 |
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