DE69601293T2

DE69601293T2 - Verfahren zum Regeln von Schweissparametern zum Schweissen von zwei metallischen Werkstücken

Info

Publication number: DE69601293T2
Application number: DE69601293T
Authority: DE
Inventors: Didier 71380 Epervans Boivin; Abdulhafid 93100 Montreuil Hazza; Regis 71380 Epervans Huguet
Original assignee: INST LA SOUDURE; Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: CN1075758C; ATE175374T1; DE69601293D1; FR2739315B1; FR2739315A1; EP0765709A1; EP0765709B1; CN1150077A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Schweißparametern für die Herstellung einer Schweißnaht zwischen zwei Metallteilen oder metallischen Werkstücken.
Es sind Verfahren zum Schweißen von zwei metallischen Werkstücken und insbesondere von metallischen Werkstücken großer Abmessungen bekannt, die darin bestehen, eine Anphasung oder Fuge auszufüllen, die zwischen den beiden Werkstücken ausgebildet ist, und durch eine erste Oberfläche begrenzt ist, die an einem ersten der beiden Werkstücke ausgebildet ist, und durch eine zweite Oberfläche gegenüber, die auf dem zweiten Werkstück ausgebildet ist, begrenzt ist, die durch Schweißen zu verbinden sind. Dieses Verfahren kann insbesondere dazu verwendet werden, ringförmige Werkstücke stumpf zu schweißen, wie tiefgezogene Reifen oder Ringe von großen Abmessungen oder Rohre.
Um eine derartige Schweißung von zwei Werkstücken großer Abmessungen zu erzeugen, werden die Werkstücke in ihre Verbindungsposition angeordnet, derart, daß die zu verbindenden Abschnitte der Werkstücke eine Schweißfuge begrenzen, sodann wird das Füllen der Fuge durch ein Auftragmetall durchgeführt, durch Schmelzen eines Elements aus Auftragmetall allgemein in der Form eines Fadens oder Stranges und Absetzen des geschmolzenen Metalles im Inneren der Fuge. Das Schweißen kann durch ein Inertgas-Schweißverfahren TIG durchgeführt werden, bei dem ein Strang aus Auftragmetall in einem Elektrobogen geschmolzen wird, der zwischen einer Tungstenelektrode und den zu verschweißenden Werkstücken erzeugt wird, oder auch durch ein Verfahren, wie das MIG/MAG, bei dem der Faden oder Strang aus Auftragmetall, die mit elektrischen Strom gespeiste Elektrode bildet, und den Bogen erzeugt, in dem das Auftragmetall geschmolzen wird.
Die Fuge, die allgemein einen konstanten Querschnitt aufweist, erstreckt sich in eine Längsrichtung zwischen die zu verbindenden Werkstücke. Beispielsweise in dem Fall von zwei Reifen, bei denen man das Stumpfschweißen sicherstellt, entspricht die Längsrichtung der Fuge der Umfangsrichtung der Werkstücke, von denen zwei Enden von ringförmiger Art einander gegenüber angeordnet sind. Die Form des Querschnitts der Fuge wird durch die Form der Endabschnitte der einander gegenüberliegenden Werkstücke definiert, die gemäß einem gut definierten Profil ausgebildet sind. Die Fuge erstreckt sich in Querrichtung, in eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung, zwischen dem Endabschnitt des ersten Werkstücks und dem Endabschnitt des zweiten Werkstücks, die durch Schweißen miteinanderverbunden werden sollen. Diese Querrichtung entspricht der Richtung der Erzeugenden der Reifen im Falle des stumpfen Schweißens der beiden Reifen. Der Querschnitt der Fuge erstreckt sich ebenfalls in eine Richtung senkrecht gleichzeitig zur Längsrichtung und zur Querrichtung, wobei diese dritte Richtung der Höhe oder Tiefe der Fuge entspricht, die durch das Auftragmetall gefüllt werden muß. In dem Fall der stumpfen Verbindung der beiden Reifen, entspricht diese dritte Richtung einer radialen Richtung der beiden Reifen.
Das Füllen der Fuge wird durch aufeinanderfolgende Zyklen bzw. Wulste erzeugt, wobei bei jedem von ihnen eine Schweißraupe im Inneren der Fuge abgelegt wird. Zur Erzeu gung eines Schweißwulstes wird eine relative Bewegung zwischen einem Schweißkopf, wie beispielsweise einem Schweißkopf MIG/MAG und den zu verbindenden Werkstücken erzeugt. Um die relative Bewegung zwischen den Werkstücken und dem Schweißkopf zu erhalten, ist es möglich, entweder den Schweißkopf bezüglich der Werkstücke zu bewegen, oder auch den Schweißkopf festzuhalten und die Werkstücke zu bewegen, die sich gegenüber dem Schweißkopf befinden. Beispielsweise ist es im Fall des Stumpfschweißens von zwei Reifen möglich, die beiden Reifen oder Ringe, die in Schweißposition plaziert sind, in Drehung um ihre gemeinsame Achse zu versetzen, und die Ablegung des Auftragmetalls mit einem Schweißkopf zu erzeugen, der in fester Position gehalten ist und zum Inneren der Fuge gerichtet ist.
Aufgrund der Tatsache, daß die Fuge oder Anphasung ein großes Volumen bezüglich dem Metallvolumen einer Schweif> raupe aufweisen kann, die während eines Wulstes bzw. Durchgangs aufgetragen wird, kann es notwendig sein, eine sehr große Anzahl von aufeinanderfolgenden Wulsten im Inneren der Fuge zu erzeugen.
In der Regel sind die Schweißraupen in Querrichtung der Fuge benachbart angeordnet, derart, daß sie aufeinanderfolgende Schichten bilden, die übereinander aufgeschichtet sind, gemäß der Tiefe oder der Höhe der Fuge.
Im Falle von tiefgezogenen Gebilden von großen Abmessungen und insbesondere im Fall von Bestandteilen, die eine perfekte Herstellungsqualität erfordern, ist es notwendig, den Schweißprozeß so weit wie möglich zu automatisieren, um stabile und reproduzierbare Bedingungen des Ablegens des Auftragmetalls bei einem jeden der aufeinanderfolgenden Schweißwulste zu erzeugen.
Insbesondere im Falle des Aufbaus von Kernreaktorbehältern durch Stumpfschweißen von Reifen oder Ringen von großen Abmessungen (mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 4 bis 5 m), ist es notwendig, perfekt die Schweißbedingungen während einem jeden der notwendigen Schweißwulste zu beherrschen, um eine abgelagerte Metallschicht zu erzeugen, und für die Erzeugung der aufeinanderfolgenden übereingeschichteten Schichten.
Darüber hinaus weist der Querschnitt der Fuge in Richtung der Dicke der Werkstücke allgemein geneigte Ränder auf, derart, daß die Breite der Schichten in Querrichtung nicht konstant ist. Die übereinandergeschichteten Schichten weisen somit nicht alle dieselbe Anzahl von Schweißraupen auf, von denen jede während eines Schweißwulstes erzeugt werden. Andererseits müssen die aufeinanderfolgenden Schichten von einer konstanten Dicke sein, um ein regelmäßiges und zufriedenstellendes Füllen der Fuge sicherzustellen.
Es ist somit notwendig, bestimmte der Schweißparameter in Abhängigkeit der Eigenschaften der zu erzeugenden Schichten durch aufeinanderfolgende Wulste, und insbesondere in Abhängigkeit der Breite der Schicht in Querschnittsrichtung einzustellen.
Der Artikel "Development of a multipass welding program for arc welding robots and its application to heavy electrical components", erschienen in Welding International Vol. 6, Nr. 1, 1992, beschreibt bereits ein Verfahren, das ermöglicht, die Einstellung der Schweißparameter für die Erzeugung von Wulsten einer jeden der Metallfüllschichten einer Fuge einzustellen. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird die erste Schicht in einem Wulst erzeugt, die zweite Schicht in zwei Wulsten oder Schritten, die dritte in drei Wulsten usw. Die nach der ersten Schichten abgelegten. Schichten weisen eine konstante Dicke auf. Die Breite der Schichten wird derart berechnet, daß eine Verbindung erreicht wird, die eine gewünschte Breite aufweist.
Das Ziel der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Regelung von Schweißparametern für die Herstellung einer Schweißnaht zwischen einem ersten und einem zweiten metallischen Werkstück durch Füllen einer Fuge vorzuschlagen, die sich in einer ersten Längsrichtung der Werkstücke und in der zweiten Querrichtung zwischen einer ersten Flanke bzw. einem ersten Rand und einer zweiten Flanke bzw. einem zweiten Rand erstreckt, die am ersten bzw. am zweiten Werkstück ausgearbeitet sind, durch Schweißraupen, die jeweils während eines Schweißzyklus bzw. Schweißwulstes durch relative Bewegung eines Schweißkopfes mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit, bezüglich der Werkstücke in die Längsrichtung gebildet werden und in Querrichtung zwischen den beiden Werkstücken nebeneinander gesetzt werden, um schichtenkonstante Schichten zu bilden, die in einer dritten, zu beiden ersten Richtungen senkrechten Richtung in der Höhe der Fuge übereinander gestapelt werden, wobei das Verfahren die Herstellung von aufeinanderfolgenden Schichten von perfekt konstanter Dicke ermöglicht, durch Neben einandersetzen von Schweißraupen von perfekt definierten Eigenschaften.
Hierzu wird für eine jede der Füllschichten der Fuge:
- eine Basisbreite der Schicht bestimmt, die der Querabmessung einer Fläche entspricht, auf die die Schicht aufgetragen wird, zwischen der ersten und der zweiten Flanke der Fuge,
- die Anzahl von Durchgängen bzw. Wulsten bestimmt, die zur Herstellung der Schicht notwendig sind, ausgehend von einem Anfangswert der Breite der Schweißraupen,
- eine tatsächliche Restbreite der Schicht bestimmt, indem von der Basisbreite ein vorgestimmter fester Wert abgezogen wird, der der optimalen Breite einer mit der zweiten Flanke in Kontakt befindlichen Schweißraupe der Schicht entspricht, die während eines Enddurchgangs für die Herstellung der Schicht aufgetragen wird,
- ein Anfangswert der Restbreite aus Anfangswerten der Breiten der Schweißraupen und aus der Anzahl der Durchgänge bestimmt,
- ein Verhältnis R zwischen der tatsächlichen Restbreite und dem Anfangswert der Restbreite errechnet, und
- aus einem Anfangswert der Vorschubgeschwindigkeit und aus dem Verhältnis R die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfes in Längsrichtung während der aufeinanderfolgenden Durchgänge zur Herstellung der Schicht und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfs in Längsrichtung während des Enddurchgangs bestimmt, und aus einem Anfangswert der Versetzung und dem Verhältnis R eine Versetzung des Schweißkopfes in die Querrichtung der Fuge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen bestimmt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr beispielhaft und nicht einschränkend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren im Falle einer Eckschweißung von zwei dicken Werkstücken durch das Verfahren
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr beispielhaft und nicht einschränkend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren im Falle einer Eckschweißung von zwei dicken Werkstücken durch das Verfahren MIG/MAG beschrieben.
Die Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch eine vertikale Ebene von Endabschnitten von zwei durch Schweißen zusammenzuführenden Teilen oder Werkstücken, zwischen denen eine Schweißfuge ausgebildet ist.
Die Fig. 2A und 2B sind analoge Schnittansichten von Fig. 1, die zwei Füllweisen der Fuge durch aufeinanderfolgende Schweißschichten zeigen.
Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer Auftragmetallschicht im Inneren einer Schweißfuge, gebildet durch benachbarte Schweißraupen.
Die Fig. 4A, 4B, 4C und 4D sind schematische Ansichten, die die Position eines Schweißkopfes MIG/MAG während der Erzeugung von aufeinanderfolgenden Wulsten einer Schicht aus Auftragmetall im Inneren einer Schweißfuge zeiger.
Die Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer Schweißfuge während des Füllens durch aufeinanderfolgende Schichten von Auftragmetall.
Die Fig. 6 ist eine Schnittansicht der Schweißfuge, die durch aufeinanderfolgende Schichten von Auftragmetall gefüllt ist, die jeweils durch benachbarte Schweißraupen gebildet sind.
In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines ersten metallischen Werkstücks 1 von großer Dicke und ein Abschnitt eines zweiten metallischen Teils oder Werkstücks 2 von großer Dicke ersichtlich, wobei die Teile 1 und 2 Endflächen aufweisen, die in der Form von Oberflächen 1a und 2a ausgebildet sind, die gegenüber angeordnet sind, derart, daß sie zwischen sich eine Schweißfuge 3 begrenzen, deren Querschnitt, sichtbar in Fig. 1, eine im wesentlichen trapezförmige Ausbildung aufweist.
Die Werkstücke 1 und 2 können beispielsweise ringförmige Teile sein, die in einer koaxialen Anordnung derart angeordnet sein können, daß ihre Endflächen 1a und 2a einander gegenüberliegen mit einem gewissen Abstand, derart, daß eine Fuge 3 von Ringform begrenzt wird, deren im wesentlichen trapezförmiger Querschnitt in Fig. 1 ersichtlich ist.
Um die Fuge auf der Innenseite der Werkstücke 1 und 2 zu schließen, wird gegen die Innenoberfläche der Teile bzw. Werkstücke ein Schließring 4 gesetzt, gegen den die erste Schweißauftragmetallschicht gesetzt werden wird, am Boden der Fuge 3.
Das Stumpfschweißen der Werkstücke 1 und 2 durch Füllen der Fuge 3 mit Schweißmetall wird "in der Ecke" (en corniche) erzeugt, wobei das Werkstück 2 oberhalb des Werkstücks 1 mit einem gewissen Abstand angeordnet wird und die aufeinanderfolgenden Füllschichten der Fuge 3 durch Schweißraupen gebildet werden, die aufeinander in vertikaler Richtung geschichtet werden.
Die Endoberfläche 2a des Werkstücks 2 weist einen Querschnitt auf, der durch zwei gerade Abschnitte gebildet wird, der eine nachfolgend dem anderen in Richtung der Fugenhöhe (Richtung der horizontalen Achse X), wobei der erste gerade Teil einen Winkel von 30º Grad mit der Achse X der Fuge und der zweite gerade Teil einen Winkel von 25º Grad einschließt.
Die Endoberfläche 1a des Werkstücks 1 weist die Form einer geneigten Fläche von 5º Grad bezüglich der Achse X auf, in einer Richtung entgegengesetzt den geraden Abschnitten des Querschnitts der Oberfläche 1a. Auf diese Weise ist die Fuge 3 von innen nach außen der Werkstücke aufgeweitet. Die Metallschichten, die vom Inneren zum Äußeren der Werkstücke 1 und 2 abgelegt werden, weisen zunehmende Breiten in Querrichtung Y der Fuge 3 auf.
In Fig. 2A sind die Werkstücke 1 und 2 dargestellt, die Endoberflächen 1a und 2a aufweisen, die die Fuge 3 begrenzen, bei der man das Füllen durch Ablegen von aufeinanderfolgenden Auftragmetallschichten 5a, 5b, 5c, 5d und 5e erzeugt hat.
Die Schichten 5a, 5b, 5c, 5d und 5e wurden erzeugt, ohne daß eine Regelung der Schweißparameter vorgesehen wurde, um Schichten mit konstanter Dicke zu erhalten. Die Veränderung der Dicke der Schichten ergibt sich stets in derselben Richtung (Dicke der Schicht größer im unteren Abschnitt der Fuge), wobei die Außenoberfläche der Schichten mehr und mehr geneigt ist bezüglich der Querrichtung der Fuge. Wenn das Auftragmetall das äußere Ende der Oberfläche 1a des Werkstücks 1 erreicht, ist die Fuge nicht vollständig gefüllt und die äußere Schicht des Auftragmetalls bedeckt nur teilweise die Endoberfläche 2a des Werkstücks 2.
Es kann daraus ein Fehler der Schweißverbinder resultieren, der schwer behebbar ist.
In Fig. 2B sind Füllschichten 6a, 6b und 6c der Fuge 3 zwischen den Werkstücken 1 und 2 gezeigt, die durch ein Schweißverfahren mit Regelung der Schweißparameter erzeugt wurden, derart, daß die Schichten 6a, 6b und 6c, die aufeinanderfolgend in der Fuge 3 angeordnet sind, eine perfekt konstante Dicke über die gesamte Breite der Fuge 3 in Quer richtung aufweisen. Die Schichten 6a und 6b, 6c werden von im wesentlichen ebenen und untereinander parallelen Oberflächen begrenzt.
Eine derartige Regelung bzw. Einstellung der Schweißparameter, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt werden kann, ermöglicht eine vollständige und regelmäßige Füllung der Fuge 3, derart, daß die Schweißverbindung keinerlei Füllfehler nach Auftragen der letzten Schicht von Auftragmetall in der Nähe der Außenoberfläche der Werkstücke 1 und 2 aufweist.
Es wird nunmehr ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren beschrieben, das ermöglicht, das Füllen einer Fuge zwischen zwei Werkstücken aus schwach legiertem Stahl mit übereinander gesetzten Schichten zu erzeugen, die eine perfekt konstante Dicke mit ebenen und parallelen Oberflächen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren setzt einen Schweißkopf MIG/MAG ein, bei dem die Bewegung bezüglich der zu schweißenden Werkstücke erzeugt wird, in einer Längsrichtung einer Schweißfuge zwischen den Werkstücken. Diese Längsrichtung kann beispielsweise eine Umfangsrichtung einer ringförmigen Schweißfuge zwischen zwei ringförmigen sein, die stumpf aneinandergesetzt sind.
Das Schweißen ist ein Schweißen in der Ecke, wobei die Schweißraupen in die Fuge in einer horizontalen Richtung gesetzt werden und übereinander in vertikaler Richtung geschichtet werden, um eine Füllschicht zu bilden.
In Fig. 3 ist eine Füllschicht 6 der Fuge 3 aus Auftragmetall dargestellt, die durch Schweißraupen 7a, 7b, 7c, 7d gebildet ist, die übereinander in der vertikalen Richtung geschichtet sind, entsprechend der Querrichtung der Fuge 3, zwischen einem ersten Rand der Fuge 3, der von der Endoberfläche 1a des unteren Werkstücks 1 gebildet wird, und einem zweiten Rand der Fuge, die von der Endoberfläche 2a des oberen Werkstücks 2 gebildet wird.
Um die verschiedenen aufeinanderfolgenden Wulste der Füllschichten der Fuge zu bilden, wird der Schweißkopf unter Inertgas MIG/MAG in der Längsrichtung der Fuge 3 bezüglich der Werkstücke 1 und 2 bewegt, d. h. in eine Richtung senkrecht zur Ebene von Fig. 3.
Das Absetzen der Schweißraupen wird erzeugt durch Auftragen von Schweißbedingungen, die bei allen Zyklen bzw. Wulsten gemeinsam sind.
Die Bedingungen sind die folgenden:
- Vorheizen der Werkstücke auf 150ºC,
- Halten der Werkstücke zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen bzw. Wulsten bei 150 bis 250ºC,
- Nachheizen der Werkstücke bei 300 bis 350ºC während drei Stunden bis 3,5 Stunden,
- Auftragmetall, metallischer Volldraht von 1,2 mm Durchmesser,
- Schutzgas mit einer Rate von 18 l/m,
- Auftragrate des Auftragmetalls: 3 bis 4 kg/h mindestens,
- Schweißmodus durch gepulsten Strom.
Es wird ein Schweißroboter verwendet, der einen motorbetriebenen Schlitten aufweist, wobei der Schlitten und der Schweißkopf von einem Steuerschrank aus gesteuert werden.
Die Einstellung bzw. Regelung des Schweißvorganges und insbesondere die Regelung der Schweißparameter, wie es weiter unten beschrieben werden wird, wird mittels eines Mikrocomputers erzeugt bzw. durchgeführt.
Der Generator, der den Schweißstrom zum Schweißkopf liefert, wird im pulsierenden synergetisch ausgerückten Modus betrieben. In diesem Betriebsmodus erlaubt ein erster Einstellwert die Geschwindigkeit der Bewegung des Drahtes des Auftragsmetalls festzulegen und ein zweiter Einstellwert ermöglicht den Übertragungsmodus einzustellen unter Fixieren der Pulsfrequenz des Stromes. Diese Betriebsweise weist den Vorteil auf, zu ermöglichen, daß die Geschwindigkeit des Drahtes des Auftragsmetalls unabhängig von jeglichem Parameter eingestellt werden kann.
Däs erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein Füllen mittels Auftragsmetall in Form von flachen und parallelen Schichten zu erhalten, wie es auf schematische Weise in Fig. 2B dargestellt ist. Es wird somit das Vorhandensein einer jeden Überdicke oder einer jeden Unterdicke bei einem besonderen Ort der Schichten aus Auftragsmetall vermieden und somit die Erzeugung von Fehlern beim Füllen der Fuge durch Verstärkung des Phänomens beim Aufschichten der Schichten vermieden.
Um eine flache und regelmäßige Schicht zu erhalten, ist es notwendig, daß die die Schicht bildenden Raupen alle eine identische Dicke aufweisen.
Die Dicke der Schweißraupen, die während eines Schweißzyklus bzw. eines Wulstes abgelegt werden hängt von folgenden Parametern ab:
- den Betriebsparametern des Schweißens (Geschwindigkeit des Auftragsdrahtes, Stärke und Spannung des Stromes, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfes, Abstand zwischen dem Schweißkopf und den zu schweißenden Werkstücken);
- der Form der Verbindungsoberfläche auf der sich die Raupe ablegt,
- der Versatz des Auftreffpunktes des Bogens bezüglich dem Auftreffpunkt des vorhergehenden Wulstes.
Was die Schweißparameter betrifft, ist es ausreichend, für einen jeden der Schweißzyklen die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißens in Längsrichtung der Fuge festzulegen, wobei die anderen Parameter von der Vorschubgeschwindigkeit abhängen oder a priori definiert werden können für einen jeden der Zyklen.
Das Regelungsverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht, wie es weiter unten erklärt werden wird, die Vorschubgeschwindigkeit und den Versatz eines Wulstes zum nachfolgenden festzulegen, für die Gesamtheit der eine Schicht bildenden Raupen.
Wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann man in einer abgelegten Metallschicht 6 vier Typen von unterschiedlichen Schweißraupen unterscheiden, die Querschnitte von unterschiedlicher Form untereinander aufweisen.
Die Schweißraupe 7a wird während des ersten Zyklus in den unteren Abschnitt der Fuge 3 gebracht.
Die Schweißraupe 7b wird während eines zweiten Zyklus bzw. eines zweiten Wulstes abgelegt, wobei die Verbindungsoberfläche der Schweißraupe 7b von der oberen Oberfläche der Raupe 7a gebildet wird.
Die Raupen 7c, die absolut identisch sind und die die Raupen bilden, die während der Zyklen ausgehend von den dritten bis zum vorletzten erzeugt werden, diese aufeinanderfolgenden Zyklen, die als gewöhnliche Zyklen der Bildung der Schicht bezeichnet werden, weisen alle identische Verbindungsoberflächen zur oberen Verbindungsoberfläche der zweiten Schicht 7b auf.
Es ist somit möglich Schweißparameter vorzusehen, um einen ersten Zyklus oder Wulst zu erzeugen, der ermöglicht, die Raupe 7a zu erhalten, einen zweiten Zyklus oder Wulst zu erzeugen, der ermöglicht die Raupe 7b zu erzeugen und eine Mehrzahl von gewöhnlichen Zyklen zu erzeugen, um zueinander ähnliche bzw. gleiche Schweißraupen 7c zu erhalten.
Jedoch, wenn die Schweißparameter der Ablagezyklen der Raupen 7a, 7b und 7c von einer Schicht zur anderen beibehalten werden, ändert sich der Querschnitt, der noch von der Raupe 7d während des finalen Erzeugungszyklus gefüllt werden muß, von einer Schicht zur anderen aufgrund der Tatsache, daß die Breite der Fuge in Querrichtung und somit die Länge der zu erzeugenden Schichten gemäß ihrer Position im Inneren der Fuge variiert.
Im Falle von beträchtlichen Änderungen des Volumens, das während des letzten Zyklus zu füllen verbleibt, kann die Erzeugung der Schweißraupe während dieses letzten Zyklus als Füllfehler der Fuge interpretiert werden.
Um diese Fehler zu vermeiden, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Parameter der Zyklen von einer Schicht zur nächsten zu verändern, um einen Finalzyklus unter optimalen Bedingungen zu erzeugen.
Zunächst wurden die optimalen Ausgangsschweißparameter für einen jeden Zyklustyp bestimmt (erster Zyklus, zweiter Zyklus, allgemeiner Zyklus oder Finalzyklus).
Es wurde die ideale Position des Schweißbrenners während eines jeden der Zyklen und insbesondere der Winkel des Schweißbrenners und des Elektrodendrahtes mit der Achse der Fuge sowie die Position des Auftreffpunktes des Bogens für einen jeden der Zyklen bestimmt.
In Fig. 4A ist der Brenner 8 und der Elektrodendraht. 9 während des ersten Zyklus dargestellt. Der Elektrodendraht und die Achse des Brenners bilden einen Winkel von 30º Grad mit der Achse der Fuge 3; der Auftreffpunkt befindet sich am tiefsten Punkt der Fuge 3, d.h. auf der unteren Verbindungsoberfläche 1a.
Nach Erzeugen des ersten Wulstes 7a, wie es in Fig. 4B ersichtlich ist, wird der zweite Wulst mit einem Winkel des Schweißbrenners von 15º Grad mit der Achse der Fuge 3 erzeugt. Der Auftreffpunkt des Bogens befindet sich auf der Höhe der Verbindung mit dem ersten Wulst 7a.
Gleichermaßen, wie es aus Fig. 4C ersichtlich ist, zur Erzeugung der Raupen 7C bei den aufeinanderfolgenden üblichen Wulsten, wird ein Schweißbrennerwinkel von 15º Grad verwendet, wobei sich der Auftreffpunkt des Bogens auf der Höhe der Verbindung der Schweißraupe befindet, die unmittelbar unterhalb liegt.
Schließlich, wie es in Fig. 4D ersichtlich ist, wird der Erzeugung des letzten Wulstes ein Brennerwinkel von -5º Grad bezüglich der Achse der Fuge 3 verwendet, wobei der Auftreffpunkt des Bogens sich im halben Abstand zwischen dem Verbindungspunkt der vorletzten Schicht und dem oberen Rand bzw. der oberen Flanke 2a der Fuge 3 befindet.
Für die Gesamtheit der Zyklen bzw. Wulste wurde derselbe Wert des Abstands zwischen der Elektrode und dem Werkstück und eine Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes bestimmt.
Versuche ermöglichen die optimalen Ausgangswerte der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfes in Längsrichtung und des Versatzes in die Querrichtung der Fuge des Schweißkopfes von einem Wulst zum anderen zu bestimmen.
Ebenfalls durch Versuche wurde der optimale Wert der Spannung und der Stromstärke des Schweißens während eines jeden Typs von Wulst bestimmt.
Das Regelungsverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht ausgehend von Ausgangswerten, die sich auf die Schicht beziehen, auf der die Ablagerung einer neuen Schicht erzeugt wird, die Werte der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfes und des Versatzes in die Querrichtung der Fuge zwischen zwei Wulsten, im bezug auf die erzeugten Wulste der neuen Schicht zu bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ebenfalls den Finalwulst einer jeden der Schichten in Standardbedingungen zu verwirklichen, wobei ein perfektes Füllen der Fuge und die Erzeugung einer Schweißraupe von sehr guter Qualität während des Finalwulstes bzw. des Finalzyklus sichergestellt wird.
In Fig. 5 sind zwei Werkstücke 1 und 2 dargestellt, zwischen denen eine Schweißfuge 3 ausgebildet ist, bei der man die Teilfüllung mit Auftragsmetall 9 erzeugt hat, deponiert in Form von ebenen, parallelen, aufeinanderfolgenden Schichten, ausgehend von dem inneren Abschnitt der Werkstücke 1 und 2.
Es wird nunmehr gezeigt, auf welche Weise das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, die variablen Schweißparameter von einer Schicht zur nächsten zu bestimmen, um die Auftragung einer n-ten Schicht 6n auf der Oberseite des aufgebrachten Metalls zu erzeugen, d. h. auf der n-1-Schicht, die in der Fuge abgelegt ist.
Aufgrund der Tatsache, daß die Ausgangsschweißbedingungen durch Versuche bestimmt wurden und daß die Bedingungen der Erzeugung von Wulsten einer jeden der aufeinanderfolgenden Schichten durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden können, wie es nachfolgend erklärt werden wird, im Augenblick der Erzeugung der Schicht 6n, verfügt man über Daten bezogen auf die untere Schicht 6n-1, wobei die Daten im Speicher des Mikrocomputers zur Durchführung des Schweißverfahrens gespeichert wurden.
Die variablen Parameter von einer Schicht zur anderen, wie es bereits oben beschrieben wurde, betreffen den Versatz zwischen den aufeinanderfolgenden Wulsten derselben Schicht und der Längsvorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfes für die Erzeugung der Wulste.
Die Schicht 6n ist zunächst durch ihre innere Breite Lic gekennzeichnet, die der oberen Breite der Schicht 6n-1 entspricht. Diese obere Breite der Schicht 6n-1 wurde vorher bestimmt und in dem Mikrocomputer abgespeichert. Für die erste Schicht, die am Boden der Fuge 3 ausgebildet wurde, entspricht diese untere Länge der minimalen Länge der Fuge.
Die Breite Lic einer Schicht 6n kann ebenfalls ausgehend von der Position der Schicht gemäß der Höhe der Fuge und einer Beziehung zwischen der Höhe und der Breite der Fuge in der Querrichtung bestimmt sein.
Ausgehend von der Breite Lic bestimmt man eine ganze Zahl von Np, die der Anzahl der benachbarten Wulste entspricht, was ermöglicht, eine Länge der Schicht gemäß der Querrichtung der Fuge zu erhalten, die so nah wie möglich von Li ist. Die Anzahl der Wulste Np wird durch ergreifen der Breiten der Ausgangsraupen für die einheitliche Breite der Wulste erhalten.
Darüber hinaus wird das erfindungsgemäße Regelungsverfahren derart verwirklicht, daß der letzte Wulst der Schicht unter optimalen Bedingungen erzeugt wird. Vorstehend wurden eine optimale untere Breite Lif der Raupe 7d definiert, die während des Endwulstes erzeugt wurde. Man zieht von der Breite Lic die Breite Lif ab, um die verbleibende Breite Lr der Schicht zu erhalten, auf der die Raupen 7a verteilt werden, die während des ersten Zyklus erzeugt werden, der Raupe 7b, die während des zweiten Zyklus erzeugt wird und der Raupen 7c, die während der normalen oder üblichen Zyklen oder Wulste erzeugt werden.
Andererseits wurde ausgehend von den Ausgangswerten der Breiten der Raupen die Ausgangsbreite einer Schicht bestimmt, die Np aneinanderliegender Schweißraupen aufweist, d. h. Lin, diese verbleibende Ausgangsbreite. Es wurde das Verhältnis R = (Lic - Lif)/Lin bestimmt, wobei dieses Verhältnis R ermöglicht, die Versetzungen zwischen den Zyklen bzw. Wulsten zu erhalten, für die Erzeugung der Schicht 6n ausgehend von den Ausgangsversetzungen.
Es wird die Rechnung einer jeden der Versetzungen durchgeführt, unter Multiplizieren des Ausgangsversatzes des entsprechenden Wulstes bezüglich des Verhältnisses R.
Darüber hinaus konnte bestimmt werden, daß es ein homothetisches Verhältnis zwischen der Breite und der Dicke der verschiedenen Schweißraupen gibt, die während aufeinanderfolgender Zyklen erzeugt wurden. Das homothetische Verhältnis ist gleich dem Wert R. Man erhält die neue Dicke E~ der Schicht 6n ausgehend von der Ausgangsdicke, die mit den Ausgangsparametern multipliziert mit dem Verhältnis R erhalten wird.
Aufgrund der Tatsache, daß ein Verhältnis R zwischen den Abmessungen der Querschnitte der Schweißraupen der erhaltenen Schichten mit den Ausgangsschweißparametern existiert, sind die Schweißraupenquerschnitte in einem proportionalen Verhältnis im Quadrat zum Wert R.
Es besteht ein direktes Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit während eines jeden Zyklus und dem Querschnitt der Schweißraupe, die während des Zyklus erzeugt wurde.
Man kann somit die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfes während eines jeden Zyklus der Schicht 6n der Ausgangsgeschwindigkeiten multipliziert mit dem Verhältnis R² erhalten.
Ausgehend von der Dicke Ec der Schicht 6n kann man den Totalquerschnitt der Schicht 6n erkennen und unter Ableiten des Querschnitts der letzten Schweißraupe 7d von dem Querschnitt der letzten Schweißraupe kann man die Vorschubgeschwindigkeit während des letzten Zyklus ableiten.
Ausgehend von der Dicke Ec der Schicht 6n kann man auf sehr genaue Weise die obere Breite Lsc der Schicht 6n bestimmen, unter Berücksichtigung der Vergrößerung der Fuge.
Die obere Breite Lc der Schicht 6n bildet die untere Breite Lic der Schicht 6n+1.
Man kann somit die Schicht 6n erzeugen unter Festlegen der Schweißbedingungen auf die Werte, die berechnet wurden, und sodann die neuen Bedingungen für die nachfolgende Schicht 6n+1 bestimmen.
Die auf die Schweißparameter eines jeden der Zyklen der zu erzeugenden Schichten bezogenen Daten werden direkt dem Schweißroboter zugeführt.
Man kann somit auf vollständig automatische Weise das Füllen der Fuge durch Schichten konstanter Dicke erzeugen, die durch die Verbindungsoberflächen begrenzt sind, die perfekt parallel sind mit einem Finalwulst für eine jede Schicht, die unter Standardbedingungen erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine vollkommen automatische Erzeugung einer Schweißnaht von perfek ter Qualität zwischen zwei Teilen oder Werkstücken mit großen Abmessungen.
In Fig. 6 wurden die beiden Werkstücke 1 und 2 dargestellt, die untereinander durch eine Schweißnaht verschweißt wurden, die durch das Auftragen eines Auftragsmetalls durch aufeinanderfolgende Schichten im Inneren der Fuge 3 verschweißt wurden, die zwischen den Werkstücken 1 und 2 ausgebildet ist. Eine jede der Schichten ist ihrerseits durch aufeinanderfolgende Wulste bzw. Zyklen gebildet, die mit ihrer Ordnungsnummer bezeichnet sind, während der Erzeugung des Füllens der Fuge.
Das Füllen der Fuge wird durch Deponieren von neuen aufeinanderfolgenden Schichten erzeugt, die jeweils von einer perfekt konstanten Dicke sind, entlang der Breite in Querrichtung der Fuge 3 (vertikale Richtung in Fig. 6).
Die Schicht 1 weist 6 Schweißraupen auf, die während sechs aufeinanderfolgenden Zyklen erzeugt wurden. Die nachfolgenden Schichten 2 bis 9 weisen jeweils sieben, acht, neun, neun, zehn, elf, elf und zwölf Schweißraupen auf. Das Füllen der Fuge wird während 83 aufeinanderfolgenden Schweißzyklen erzeugt.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt.
So kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um die Schweißparameter beizustellen und zu regeln, um aufeinanderfolgende Füllschichten einer Fuge zu erzeugen, im Fall einer Schweißung unterschiedlich zur Schweißung in der Ecke und auch eines unterschiedlichen Verfahrens zum MIG/MAG- Verfahren.
Im Fall der Verwendung eines unterschiedlichen Verfahrens zum Verfahren MIG/MAG, könnten bestimmte der Schweißparameter auf unterschiedliche Weise zu jener, die oben beschrieben wurde, bestimmt werden.
Gleichermaßen kann mit dem Verfahren MIG/MAG eine Variante darin bestehen, daß die Geschwindigkeit des Drahtes (und die direkt damit verbundenen Parameter wie die Spannung) verändert werden können, um den Querschnitt des Wulstes einzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet auf sehr allgemeine Weise beim Schweißen von metallischen Werkstücken vor, großen Abmessungen Anwendung, wie jene Teile, die eine ebene oder geradlinige Form aufweisen, und die entlang einer geradlinigen Schweißzone zusammengesetzt werden, oder daß die Teile oder Werkstücke eine Form aufweisen die drehsymmetrisch ist, beispielsweise eine Ringform oder Rohrform.

Claims

1. Verfahren zur Regelung von Schweißparametern zur Herstellung einer Schweißnaht zwischen einem ersten und einem zweiten metallischen Werkstück (1, 2) durch Füllen einer Fuge (3), die sich in einer ersten Längsrichtung der Werkstücke (1, 2) und in einer zweiten Querrichtung zwischen einer ersten Flanke (1a) und einer zweiten Flanke (2a) erstreckt, die am ersten bzw. am zweiten Werkstück (1, 2) ausgearbeitet sind, mit Schweißraupen (7a, 7b, 7c, 7d), die jeweils während eines Schweißdurchgangs durch Relativbewegung eines Schweißkopfs (8) bezüglich der Werkstücke mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit in Längsrichtung gebildet werden und in Querrichtung zwischen den beiden Werkstücken (1, 2) nebeneinandergesetzt werden, um Schichten (6, 6n) konstanter Dicke zu bilden, die in einer dritten, zu den beiden ersten Richtungen senkrechten Richtung in der Höhe der Fuge (3) übereinandergestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man für jede der Schichten (6, 6n) zum Füllen der Fuge (3)

- eine Basisbreite (Lic) der Schicht (6n) bestimmt, die der Querabmessung einer Fläche, auf der die Schicht (6n) aufgetragen wird, zwischen der ersten und der zweiten Flanke (1a, 2a) der Fuge (3) entspricht,

- die Anzahl (Np) von Durchgängen, die zur Herstellung der Schicht (6n) erforderlich sind, aus einem Anfangswert der Breite der Schweißraunen 17a, 7b, 7c, 7d) bestimmt.

eine tatsächliche Restbreite (Lr) der Schicht (6n) bestimmt, indem von der Basisbreite (Lic) ein vorbestimmter fester Wert (Lif) abgezogen wird, der der optimalen Breite einer mit der zweiten Flanke (2a) in Kontakt befindlichen Schweißraupe der Schicht (6n) entspricht, die während eines Enddurchgangs für die Herstellung der Schicht (6n) aufgetragen wird,

- einen Anfangswert (Lin) der Restbreite aus Anfangswerten der Breiten der Schweißraupen (7a, 7b, 7c, 7d) und aus der Anzahl (NP) der Durchgänge bestimmt,

- das Verhältnis R zwischen der tatsächlichen Restbreite (Lr) und dem Anfangswert (Lin) der Restbreite errechnet und

- aus einem Anfangswert der Vorschubgeschwindigkeit und aus dem Verhältnis R die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfs (8) in Längsrichtung während der aufeinanderfolgenden Durchgänge zur Herstellung der Schicht (6n) und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfs in Längsrichtung während des Enddurchgangs bestimmt und aus einem Anfangswert der Versetzung und dem Verhältnis R eine Versetzung des Schweißkopfs (8) in der Querrichtung der Fuge (3) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangswerte der Breite der Schweißraupen (7a, 7b, 7c, 7d) und der Versetzung des Schweißkopfs (8) in Querrichtung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen gespeicherte Werte sind, die optimalen Anfangsschweißparametern entsprechen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dicke (Ec) der Schicht (6n) aus der Dicke einer Schicht, die mit optimalen Anfangsschweißparametern erhalten wurde, und aus dem Verhältnis R bestimmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstück (1) unter dem zweiten Werkstück (2) so angeordnet ist, daß die erste Flanke (1a) der Fuge (3) unterhalb und gegenüber der zweiten Flanke (2a) angeordnet ist, wobei jede Schweißraupe (7a, 7b, 7c, 7d) einer in vertikaler Richtung angeordneten Schicht (6) auf einer oberen Verbindungsfläche einer vorhergehenden Raupe oder auf der unteren Fläche (1a) der Fuge (3) aufgetragen wird und der letzte Durchgang für den Auftrag einer Schweißraupe (7d) zwischen der oberen Verbindungsfläche einer Schweißraupe (7c) und der oberen Flanke (2a) der Fuge (3) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei jeder vertikal angeordneten Schicht (6) eine erste Schweißraupe (7a) auf die untere Flanke (1a) der Fuge (3), dann eine zweite Schweißraupe (7b) auf eine obere Verbindungsfläche der ersten Schweißraupe (7a) und dann nacheinander laufende Schweißraupen (7c) mit gleichen Querschnitten zunächst auf eine obere Verbindungsfläche der zweiten Schweißraupe (7b) und dann aufeinander aufträgt, wobei die erste Schweißraupe (7a) und die zweite Schweißraupe (7b) Querschnitte mit voneinander und von der Form der Querschnitte der laufenden Schweißraupen (7c) abweichenden Formen haben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Schweißkopfs (8) gegen eine horizontale Achse (X) des Querschnitts der Fuge (3) während des ersten Durchgangs einen ersten Winkelwert, während des zweiten Durchgangs und der darauffolgenden Durchgänge einen zweiten Winkelwert und während des letzten Durchgangs einen dritten Winkelwert hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (8) ein Lichtbogenschweißkopf ist und der Auftreffpunkt des Lichtbogens des Schweißkopfs (8) sich während des ersten Schweißdurchgangs zur Herstellung einer ersten Schweißraupe (7a) auf der unteren Flanke (1a) der Fuge (3), beim zweiten Durchgang zur Herstellung einer zweiten Schweißraupe (7b) der Schicht (6) und bei den laufenden Durchgängen zur 'Herstellung von gleichen Schweißraupen (7c) an einem Anschlußpunkt der Schweißraupe des vorhergehenden Durchgangs und während des Enddurchgangs zur Herstellung einer Schweißraupe (7d) an einem Punkt in der Mitte zwischen einem Anschlußpunkt der während des vorletzten Durchgangs hergestellten Schweißraupe und der oberen Flanke (2a) der Fuge (3) befindet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (8) ein MIG/MAG-Schweißkopf mit einer Schweißelektrode ist, die aus einem Draht (9) aus Zusatzmetall besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (1, 2) ringförmige Werkstücke sind, die durch Simsschweißung miteinander stumpf verbunden werden.