-
Vorrichtung zum Aufzeichnen von Verfahrensgrößen für den Schweißvorgang
an elektrischen Stumpfschweißmaschine-n Beim elektrischen Stumpfschweißen hängt
die Güte der Schweißung davon ab, ob die miteinander zu verschweißenden Flächen
zunächst die notwendige Schweißtemperatur erhalten und ob weiterhin beim Zusammenpressen
der erwärmten Flächen der erforderliche Druck ausgeübt wird.
-
Bei der bisherigen Arbeitsweise werden sowohl für die Schweißtemperatur
als insbesondere für den Stauchdruck Erfahrungswerte benutzt. Die automatisch arbeitenden
elektrischen Stumpfschweißmaschinen pressen die dicht aneinanderliegenden, miteinander
zu verschweißenden Flächen zunächst fest auf ihre Unterlage, damit sie sich beim
späteren Stauchen dieser erwärmten Flächen nicht verschieben können. Die Erhitzung
der Schweißflächen erfolgt durch einen durch sie hindurchfließenden, sehr starken
elektrischen Strom niedriger Spannung. Dieser fließt jedoch jeweils nur eine kurze
Zeit - z. B. 2 Sekunden - lang, damit ein vorzeitiges Abbrennen von Teilen der Flächen
vermieden wird. Um ein langsam fortschreitendes stetiges Erwärmen der Flächen zu
erreichen, wird der Strom dann unterbrochen und nach etwa 2 Sekunden wieder eingeschaltet.
Die Zahl dieser periodischen Stromschließungen und Unterbrechungen, welche man auch
wegen der langsam fortschreitenden Erwärmung der Werkstücke »Hitzen« nennen kann,
schwankt je nach dem zu verschweißenden Querschnitt zwischen 30 und 5o. Dementsprechend
beträgt die Anwärmzeit bis zum Einsetzen des Schweißvorganges oder des Stäuchens
der vorgewärmten Enden des Werkstückes etwa 12o bis 200 Sekunden. Ist die Schweißtemperatur
erreicht, was sich äußerlich durch das
Einsetzen eines starken Abbrennens
zu erkennen gibt, so wird der Strom durch die Werkstücke abgeschaltet und werden
die erwärmten Enden von der Maschine stoßartig mit starkem Druck zusammengestaucht.
-Nach weiteren io bis 15 Sekunden werden die bis dahin in der Maschine unter deren
Elektroden fest eingespannten Werkstücke freigegeben, und die Schiveißung gilt als
beendet.
-
Der Druck, mit welchem die erwärmten Werkstücke zum Verschweißen gegeneinandergepreßt
werden, wird durch ein besonderes Getriebe in der Schweißmaschine erzeugt. Seine
Höhe ist regelbar und wird vor Beginn der Schweißung eingestellt. Sein Betrag ist
aus Erfahrungswerten ermittelt worden. Er beträgt z. B. beim Stumpfschweißen von
Eisenbahnschienen mit Profil 49 (Fläche 62,5 cm2) mindestens 2o t, so daß man mit
einem Sollwert von rund 3oo kg Druck pro cm2 rechnet.
-
Obgleich bei den automatisch-elektrischen Stumpfschweißmaschinen dieser
Stauchdruck eingestellt und erzielt werden kann, ist es dennoch fraglich, ob er
auch tatsächlich beim Stauchen der erwärmten Flächen stets erreicht wird. Die Untersuchung
des Stauchvorganges mittels oszillographischer Aufnahmen hat gezeigt, daß trotz
ausreichender Erwärmung der Werkstücke und richtig eingestellten Stauchdruckes dieser
nicht immer auftritt, sondern unterUmständen wesentlich niedriger bleibt. Die Ursache
liegt in einem Rutschen der eingespannten Werkstücke auf ihrer Unterlage während
des Stauchens. Die Folge ist dann mangelhafte Festigkeit der Schweißstelle. Es ist
nicht möglich, durch subjektive Beobachtung beim Schweißen ein solches Rutschen
zu erkennen, da einmal die Stauchung innerhalb von o,5 bis 0,7 Sekunden erfolgt
und andererseits das Rutschen von nur Bruchteilen eines Millimeters genügt, um den
Stauchdruck merklich zu verringern.
-
Zur Untersuchung von Schweißvorgängen ist eine Meßanordnungbekannt,
bei der mit Hilfe einer mit dem Stauchschlitten der Schweißmaschine gekuppelten
Schreibfeder eines Leistungsschreibers die Einzelvorgänge beim Abbrennverfahren,
nämlich der Vorschubweg, die Vorschubgeschwindigkeit und die Leistungsaufnahme des
Umformers, aufgezeichnet werden. Auch ist vorgeschlagen worden, den Druckverlauf
über dem Stauchweg des beweglichen Werkstückes nach Art des Indikatordiagramms aufzunehmen
und als Kontrolle des Stauchvorganges zu benutzen. Eine solche Vorrichtung dient
der wissenschaftlichen Beschreibung des ganzen Schweißvorganges. DieArtderMessung
ist kompliziert und hat in der Praxis zu keinen greifbaren Ergebnissen geführt.
-
Für die Praxis ist es wichtig, ein. Betriebskontrollgerät für Stumpfschweißungen
zur Verfügung zu haben, bei dem nur die für die Güte der Schweißung wichtigen Größen
fortlaufend mit möglichst einfachen Mitteln überwacht werden können.
-
Es wurde gefunden, daß zur Betriebskontrolle für Stumpfschweißungen
die Feststellung der Tatsachen ausreichend ist, daß überhaupt eine Erhitzung des
Werkstückes stattgefunden hat und daß dabei irgendein vorbestimmterMindeststauchdruck
erreicht worden ist. Die Größe der zur Erhitzung des Werkstückes benutzten Ströme,
ihre Dauer und die absolute Höhe des Stauchdruckes sind für den Betriebsfachmann
uninteressant. Zur Betriebskontrolle ist es daher vollständig ausreichend, lediglich
die Hitzen von einem beliebigen Augenblick an aufzuzeichnen und das Erreichen eines
festgesetzten Mindeststauchdruckes zu markieren.
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufzeichnung von Verfahrensgrößen
für den Schweißvorgang an elektrischen Stumpfschweißmaschinen unter Verwendung von
Registriergeräten für Zahl. Zeit des Eintritts sowie der Dauer der zur Erwärmung
des Werkstückes erzeugten Hitzen sowie für den Stauchdruck, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufzeichnung des Vorganges der Hitzen sowie der Anzeige des Vorhandenseins
eines Mindeststauchdruckes in einer Betriebskontrollvorrichtung zusammengefaßt sind,
daß für die Hitzeaufzeichnung ein Schreibmagnet vorgesehen ist, dessen zur Betätigung
erforderlicher elektrischer .Strom durch Induktionswirkung des Elektrodenstromes
der Schweißmaschine erzeugt wird, und daß zur Stauchdruckaufzeichnung in der Schweißmaschine
elektrische Druckmeßdosen vorgesehen sind, die den zur Betätigung eines weiteren
Schreibmagneten für den Stauchdruck erforderlichen elektrischen Strom erzeugen,
wobei die Markierungen der Hitzen und des Stauchdruckes sich in zueinander entgegengesetztem
Sinn parallel zur Laufrichtung des ablaufenden Registrierpapieres abzeichnen.
-
Zur kombinierten Aufzeichnung der beiden Vorgänge befinden sich die
beiden Schreibmagneten in einem gemeinsamen Rahmen, der als fahrbarer Wagen ausgebildet
wird. Mit Hilfe eines Triebwerkes kann der Wagen während des Schweißvorganges quer
über die ganze Breite des durchlaufenden Registrierpapieres bewegt werden. Auf diese
Weise wird durch die erfindungsgemäßen Registrierungen im einzelnen Aufschluß über
den jeweiligen Schweißvorgang erhalten. Der Schweißvorgang wird dahingehend überprüft,
ob die vorgeschriebenen Schweißverhältnisse hinsichtlich eines Mindeststauchdruckes
und einer vorangegangenen Erwärmung des Werkstückes während des Schweißvorganges
eingetreten sind, so daß danach die Schweißgüte beurteilt werden kann. Die bisherige
Unsicherheit der Beurteilung der erzielten Schweißgüte wird dadurch behoben. 'Das
Betriebskontrollgerät gemäß der Erfindung ermöglicht so die fortlaufende Überwachung
der Stumpfschweißvorgänge mit möglichst einfachen Mitteln sowohl in Hinsicht seines
Aufbaus als auch im Hinblick auf die Bedienung.
-
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Schema
veranschaulicht. In Fig. i ist das Schalt- und Leitungsschema des erfindungsgemäßen
Schweißkontrollgerätes dargestellt; Fig. 2 zeigt die Art der Aufzeichnungen auf
dem Registrierpapier.
Das Schweißkontrollgerät gemäß der Erfindung
enthält zwei Schreibmagneten i und 2, welche in einem gemeinsamen, leicht fahrbaren
Wagen 3 fest montiert sind. Dieser Schreibwagen wird während des Schweißens senkrecht
zur Richtung des langsam ablaufenden Registrierpapiers mit konstanter Geschwindigkeit
über dessen ganze Breite von links nach rechts gezogen. Die Geschwindigkeit de-i
abrollenden langen Registrierpapiers q. ist sehr klein - beispielsweise nur i mm
pro Minute -. während der Schreibwagen 3 mit wesentlich höherer Geschwindigkeit,
z. B. mit 25 mm pro Minute, in senkrechter Richtung über die Papierbreite wandert.
Der Schweißvorgang wird dann entlang diesen, quer zurBewegungsrichtung des Registrierpapiers
verlaufenden Linien aufgezeichnet. Die Art der dabei erzeugten Kurven ist aus Fig.2
erkennbar. Der erste der Schreibmagneten i zeichnet die Dauer des Stromes auf, welcher
durch die Elektroden der Schweißmaschine fließt und welcher zur Erwärmung der Werkstückenden
dient, während der Magnet :2 erst anspricht, wenn der vorgeschriebene Mindeststauchdruck
erreicht wird. Vor Beginn der Schweißung befinden sich die Schreibspitzen beider
Magneten dicht nebeneinander auf dem Registrierpapier an dessen linker äußerer Kante
bei A. Hier verweilen sie so lange, eine Gerade G parallel zur Laufrichtung des
Papiers schreibend, bis der Schweißvorgang durch Betätigung des Hauptschalters S
an der Schweißmaschine eingeleitet wird. In diesem Augenblick erhält auch das Hauptschaltrelais
5 der Schweißkontrolle einen Strom und schaltet alle Stromkreise des Gerätes, welche
für die Aufzeichnung des Vorganges benutzt werden, ein, insbesondere den Synchronmotor
6 des Triebwerkes 7, durch welches der Schreibwagen 3 quer über das Registrierpapier
gezogen wird. Das Triebwerk besteht aus einer lose auf einer festen Achse io laufenden
Seiltrommel 8, welche von der elektrischen Kupplung 9 zur Vorwärtsfahrt des Wagens
angezogen wird. Diese Kupplung, vom Motor 6 über ein Vorgelege angetrieben, dreht
sich um dieAchse io. Bei der Drehung der Seiltrommel wickelt sich das am Wagen befestigte
Zugseil i i Tiber eine Leitrolle 12 auf der Trommel endlos ab, wodurch der Wagen
zunächst von links nach rechts über das Papier gezogen wird. Diese Bewegung hält
so lange an, bis der Wagen über die ganze Papierbreite gewandert ist. Am Ende dieses
Weges schaltet er durch einen Stift 13 die Kupplung 9 über die Kontaktwippe 1.4
aus und zugleich eine zweite elektrische Kupplung 15 ein. Diese Kupplung dreht sich,
stets zugleich mit Kupplung 9, über ein zweites Vorgelege vom gleichen Motor 6 angetrieben,
auf der Achse io, jedoch mit 15facher Drehzahl wie die Kupplung 9 und in umgekehrter
Richtung. Beim Einschalten der Kupplung 15 wird die Seiltrommel dann von dieser
Kupplung mitgenommen und zieht den Wagen in die Ausgangsstellung mit erhöhter Geschwindigkeit
zurück. Kommt der Wagen in dieser Stellung an, so schaltet er mit dem Stift 24 die
Kontaktwippe 14 mittels des Hebels 25 und der Verbindungsstange 26 wieder um, zugleich
aber betätigt er einen weiteren Kontakt 16. Dadurch entlädt sich ein durch die Gleichspannung
der Glimmröhre ig aufgeladener Kondensator 17 über ein zweites Schaltrelais ig.
Hierdurch werden der Synchronmotor sowie alle übrigen Stromkreise der Schweißkontrolle
ausgeschaltet, und der Wagen 3 bleibt in seiner Ausgangsstellung stehen, bis durch
den Kontakt S an der Schweißmaschine das Relais .# anspricht und die Stromkreise
wieder einschaltet. Es wiederholt sich dann das Spiel der U'agenbewegung, das Arbeiten
der Schreibmagneten usw. Die Kontakte können so bemessen und eingestellt werden,
daß nach Erreichen der Ausgangsstellung des Wagens normalerweise der Schweißvorgang
vollkommen ist und das Ausspannen der Werkstucke erfolgt Bis zur Vorbereitung der
Schweißmaschine für eine neue Schweißung (Einspannen neuer Werkstücke usw.) vergeht
viel mehr Zeit als der Wagen benötigt, um in seine Anfangsstellung zurückzukehren.
-
Während sich der Schreibwagen quer über das Registrierpapier bewegt,
geht die Erwärmung der Werkstücke und anschließend deren Schweißung vor sich. Das
Hauptrelais 5 schaltet gleichzeitig mit dem Synchronmotor auch den Stromkreis zum
Schreibmagneten i, welcher immer dann Strom erhält, wenn der elektrische Strom zur
Erwärmung der Werksdicke durch diese fließt. Da dieses ein Wechselstrom ist, kann
man den zur Betätigung des Schreibmagneten i notwendigen Strom durch Induktion erzeugen,
so daß keinerlei Schalter hierzu bedient zu werden krauchen. Fließt der Induktionsstrom
durch den Schreibmagneten, so wird dessen Schreibspitze auf dem Registrierpapier
etwa 2 bis 3 mm nach oben (entgegen der Laufrichtung des Papiers) ausgelenkt. In
dieser Stellung verbleibt sie, so lange Strom fließt, und kehrt dann wieder in ihre
Ausgangslage zurück. Durch diese Auslenkung der Schreibspitze wird eine Rechteckkurv
e H gezeichnet, aus deren Länge t ersichtlich ist, wie lange der elektrische Strom
durch die Werkstücke geflossen ist. Ihre Höhe gibt jedoch keine Auskunft über die
Größe dieses Stromes, dieser ist durch die Konstruktion der Schweißmaschine gegeben
und bekannt. Seine Kenntnis ist, wie oben bereits erwähnt, zur Kontrolle der Hitzenzahl
und Dauer nicht erforderlich. Er wird überdies durch die Wattmeter an der Schweißmaschine
selber aufgezeichnet.
-
Während dieser Erwärmungszeit der Werkstücke bleibt der zweite Schreibmagnet
2 außer Tätigkeit und zeichnet daher mit seiner Schreibspitze nur einen geraden
Strich D, unterhalb der Rechteckzahlen der Hitzenkurve. Er erhält erst in dem Augenblick
Strom, wenn der Stauchdruck bei Beendigung des Schweißens eine bestimmte Höhe erreicht
hat. Dann wird die Schreibspitze dieses Magneten ebenfalls ausgelenkt, jedoch in
entgegengesetzter Richtung wie beim Schreiben der Hitzen. Sie schreibt dann eine
einzige Auslenkung Dst. In dieser Stellung verbleibt die Schreibspitze des
zweiten
Magneten so lange, bis sein Strom durch das Relais 18 bei der Umkehr des Schreibwagens
unterbrochen wird.
-
Der Magnetisierungsstrom des zweiten Schreibmagneten ist ein Gleichstrom,
geliefert von einem Glimmrelais i9. Dieses erhält seinen Strom von einem Gleichrichter
2o, welcher ebenfalls durch das Hauptrelais 5 bei Beginn der Schweißung eingeschaltet
und nach Beendigung derselben durch das Relais 18 wieder ausgeschaltet wird.
-
Das Glimmrelais i9 wird durch eine Hilfsspannung über eine besondere
Zündelektrode in Tätigkeit gesetzt. Dies geschieht in dem Augenblick, in welchem
der Stauchdruck die vorgeschriebene Höhe erreicht, vermöge eines Kontaktes 23 an
einem Drehspulrelais 21. Dieses liegt in dem Nullzwei- der Strombrücke eines elektrischen
Druckmessers 22. welcher in die Stauchvorrichtung der Schweißmaschine fest eingebaut
ist. Als solchen verwendet man zweckmäßig eine elektrische Meßdose mit Halbleiter,
deren Ohmscher Widerstand durch Druck vermindert wird. Ein solcher Druckmesser benötigt
keinerlei Verstärker zwischen Geber und Empfänger und ist infolge seiner kleinen
Abmessungen in jede Stumpfschweißmaschine einzubauen. Zweckmäßig besteht er aus
drei elektrischen Meßdosen, welche in Serie geschaltet sind und durch einen Flanschring
um den Umfang der Druckspindel gleichförmig verteilt gehalten werden. Es ist dann
gleichgültig, ob der Stauchdruck stets genau axial zur Druckspindelmitte verläuft
oder seitlich versetzt zu dieser Achse, da durch die drei Meßdosen, elektrisch in
Serie geschaltet, stets eine Summierung der drei verschiedenen Belastungen erfolgt.
-
Durch den einsetzenden Stauchdruck zwischen den beiden Werkstücken
ändert der elektrische Druckmesser 22 seinen elektrischen Wert, wodurch das Brückengleichgewicht
verschoben wird und das Drehspulrelais 2i Strom bekommt. Der Ausschlag dieses Relais
kann proportional der Druckbelastung der Meßdose gemacht. werden. Der Zeiger dieses
Relais streicht bei seiner Drehung vorbei an einem elektrischen Kontakt 23, bestehend
aus zwei sehr dünnen Metalldrähten, welche sich beim Vorbeistreichen des Zeigers
elastisch leicht durchbiegen und dabei den Zeiger passieren lassen, ohne diesen
wesentlich in seiner Drehbewegung zu hindern. Diese genannten Kontaktdrähte liegen
an der Zündelektrode des Glimmrelais bzw. an der Hilfsspannung zum Zünden des Glimmrelais.
Sobald der metallische Zeiger des Drehspulrelais beim Passieren der Drähte zwischen
beiden einen Kontakt herstellt, wird die Zündung des Glimmrelais einsetzen. Da zu
diesem Effekt nur das Anlegen einer Spannung, aber kein Strom erforderlich ist,
werden die feinen Kontaktdrähte 23 durch einen elektrischen Strom nicht beansprucht,
insbesondere treten keine Funken auf, welche diese Drähte beschädigen könnten. Da
sich die Kontaktdrähte entlang der Drehrichtung des Zeigers des Relais verstellen
lassen, kann man das Glimmrelais bei jeder gewünschten Druckbeanspruchung des Meßdose
zum Ansprechen bringen. Infolge seiner Eigenschaft als Stromtor bleibt der Strom
in dem Glimmrelais ig nach dem Zünden auch dann bestehen, wenn die Zündelektrode
nach dem Passieren des Drehspulzeigers wieder spannungslos wird, und zwar so lange,
bis er bei der Umkehr des Schreibwagens 3 durch das Relais 18 unterbrochen wird.
Damit wird dann auch der zweite Schreibmagnet wieder stromlos. Ebenso wie die vom
Schreibmagneten i gezeichnete Zackenkurve keine Auskunft über die Größe des Erwärmungsstromes
gibt, kann man aus dem Ausschlag des zweiten Schreibmagneten keinen Schluß ziehen
über den beim Stauchvorgang vorhanden gewesenen Druck. Der Ausschlag dieses Schreibmagneten
zeigt lediglich an, daß ein bestimmter Stauchdruck, eingestellt durch die Verschiebung
des Kontaktes 23 am Drehspulrelais 21, mindestens erreicht worden ist. Diese Angabe
.ist aber völlig ausreichend zur Kontrolle des Schweißvorganges.
-
Das Schweißkontrollgerät zählt also einmal die Zahl und Dauer der
Hitzen, gibt somit die Erwärmungsperiode der Werkstücke an, und zeigt an, ob der
notwendige Druck beim Verschweißen dieser Teile eingehalten wurde. Durch diese beiden
Aufzeichnungen ist eine vollständige automatische Kontrolle über die von der Schweißmaschine
geleistete Arbeit gegeben.
-
An Stelle eines Drehspulrelais 2i mit kontaktgebendem Zeiger kann
auch ein stromempfindliches Kontaktrelais benutzt werden, welches den Anker des
Relais dann anzieht, sobald eine bestimmte Stromstärke im Brückenzweig erreicht
wird. Der Anker schließt dann ein festes Kontaktfederpaar, wodurch die Zündung des
Glimmrelais erfolgt. Dieses Relais arbeitet also bei Erreichen eines bestimmten
niedrigen Stauchdruckes. Soll es jedoch auch beim Erreichen eines anderen, höheren
Stauchdruckes ansprechen, so läßt sich dies dadurch erreichen, daß man den bei höheren
Stauchdrucken auch entsprechend größeren Brückenstrom durch zusätzliche Widerstände
in diesem Stromzweig so weit abschwächt, daß erst bei größerem Stauchdruck wieder
der Wirkstrom erreicht wird, welcher das Kontaktrelais zum Arbeiten bringt.