NO843000L - Fremgangsmaate og apparat for sveising - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en mekanisert fremgangsmåte for sveising av et arbeidsstykke samt apparat for utførelse av en sådan fremgangsmåte.

En problem som vanligvis oppstår ved sveising av fuger er at fugegeometrien vil variere betraktelig på grunn av variasjoner i fugesammenstillingen og forskjeller fra omgang til omgang ved sveisning i flere omganger. I tung-industrien kan f.eks. rotgapet, hvilket vil si den minste avstand mellom to arbeidsstykker, variere mellom 0 og 10-12 mm eller mer. En ytterligere komplikasjon er at de termis-ke og mekaniske spenninger som opptrer ved sveising kan forskyve platene under sveiseprosessen og føre til en fuge hvis geometri ikke bare varierer på grunn av de foreliggende problemer ved fugdannelsen, men også kontinuerlig og uforutsett med tiden. Hvis fugen sveises manuelt, kan en viss kompensasjon utføres av sveiseren. Det foreligger imidlertid øket behov for mekaniserte sveisesysterner, og ved et sådant system opptrer ingen kompensasjon. Ved sveising i flere omganger er sveisefugen ikke bare gjenstand for de ovenfor angitte problemer, men også for' problemene ved innstilling og nyinnstilling av sveisesystemet ved overgang fra en omgang til den neste.

For å kunne gi en viss utligning av disse problemer er tidligere sveisedammen blitt pendlet over sveiseskjøtens bredde etterhvert som sveiseprosessen skrider frem. Under ideelle forhold kan f.eks. tykkelsen av det metall som legges på for hver passasje av sveisepistolen være f.eks. 5 mm. For å sikre nedsmeltning av sveisestrengen ved en fuge med varierende geometri, er det nødvendig å innstille pendlebredden i tilpasning til fugen. Hvis fugen utvider seg eller en annen sveiseomgang startes, må pendlebredden økes og sveisestrengens tykkelse vil følgelig bli nedsatt til f.eks. 3 mm. Videre kan det også hende at sveisestrengens grunnform også endres til en utformning som ikke kan god-tas. Ved mekanisert sveising er det meget vanskelig å håndtere en sveiseskjøt med forskjellig fylningstakt på forskjellige steder, da sveisepistolens posisjon i forhold til arbeidsstykkets overflate må varieres kontinuerlig.

Når således konvensjonelle sveisesystemer står overfor sveisefuger med varierende geometri, fører disse problemer til at péndlebredden bare kan innstilles (eller varieres) innenfor et meget begrenset område hvis sveiseskjøtens integritet med hensyn til nedsmeltning, strengform og fylningsgrad skal opprettholdes. Når en sveiseomgang er full-ført kan det likeledes hende at sveisesystemet i sin helhet må nyinnstilles før en påfølgende omgang påbegynnes, for derved å bibeholde sveiseskjøtens integritet.

I henhold til foreliggende oppfinnelse går en mekanisert sveisemetode av et arbeidsstykke ut på at arbeidsstykket og sveiseelektroden beveges i forhold til hverandre langs en pendlebane, mens bevegelsehastigheten (T), pendlebredden (W) og pendlingens grunnfrekvens (F), som alle vil bli nærmere definert i det følgende, reguleres i samsvar med følg-ende ligninger:

hvor w, v, x og y er konstanter og koeffisienter som kan være avhengig av sveisefugens vinkel 6 og sveiseelektrodens nedsmeltningstakt V (elektrodens matehastighet).

Bevegelseshastigheten (T) er den hastighet som pendlebanen gjennomløpes med i sveisefugens hovedretning. Pendlings-bredden (W) er den nominelle avstand vinkelrett på bevegel-sens hovedretning mellom påfølgende ytterpunkter av pendlebanen. Pendlingens grunnfrekvens (F) er pendlebanens be-vegelsefrekvens uten hvileperioder ved ytterendene.

I den enkleste form av sveiseforholdene hvor 6 og V er kon-

stant, er også w, v, x og y alle konstanter.

I en utførelseform hvor sveiseposisjonen 6, nemlig fugevinkelen ut i fra horisontalretningen, inngår som en vari-abel, vil w, v, x og y være koeffisienter i avhengighet av e.

Forholdene mellom T, W og F blir da:

hvor a, b, c, d, e, g, h og k alle er konstanter.

Ved en alternativ utførelseform hvor sveiseelektroden smel-tes ned i en sveisedam i varierende takt V med 6 konstant, vil de ligninger som forbinder T, W og F bli:

hvor 1, m, n, p, q, r, s og u alle er konstanter.

Det er funnet av hvis de innbyrdes sammenheng som er angitt ovenfor blir fulgt, vil det bli frembragt flate, sammen-hengende og velformede sveisestrenger, uavhengig av be-traktninger med hensyn til fugetilpasning eller overgang mellom sveiseomganger.

Hvis således noen av de angitte parametere er vesentlig forskjellig fra de som tilfredsstiller sveiseligningene vil det enten bli fremstilt en ikke godtagbar innhul sveisestreng (som således vil ha lavere fylningsgrad enn den optimale), eller ikke godtagbare toppede sveiser (på grunn av en overdreven fylningsgrad).

Fortrinnsvis reguleres pendlebredden (W) i samsvar med sveiseposisjonen (e) eller nedsmeltningstakten (V) således at pendlingens grunnfrekvens (F) og bevegelsehastigheten (T) automatisk fastlegges ved de angitte ligninger. På denne måte er det mulig å anvende et stort område av pendlebredder mens integriteten opprettholdes med hensyn til nedsmeltning, strengform og optimal fylningsgrad i skjøten. De problemer som foreligger med hensyn til varierende fugegeometri ved anvendelse av mekaniserte sveisesystemer er således overvunnet.

Hvis pendlebredden skal anvendes som regulerende parameter, må det utnyttes en fremgangsmåte for å fastlegge hvilken pendlebredde som er påkrevet, og denne kan være av konven-sjonell art, f.eks. elektrisk eller optisk.

De korrekte konstanter innenfor gruppen a til y må fastlegges for den foreliggende spesielle sveiseprosess. Når to eller flere av sveiseomgangene rotsveising, fyllsveisning og toppsveising skal utføres, innstilles fortrinnsvis vedkommende konstanter i gruppen a til y for hver type av sveiseomgang.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan ikke bare anvendes for MIG-sveisning, men også for de fleste øvrige

sveiseprosesser, slik som f.eks. TIG-sveising, plasmasveis-ing eller sveising hvor sveisetråden har flussmiddelkjerne, samt også ved mer avanserte prosesser som omfatter sveising med elektronstråle eller laserstråle.

Foreliggende oppfinnelse gjelder også et apparat for mekanisert sveising av et arbeidsstykke og som omfatter en sveiseelektrode, utstyr for å bevege arbeidsstykket og sveiseelektroden i forhold til hverandre langs en pendlebane, samt innretninger for å regulere bevegelsehastigheten (T), pendlebredden (W) og pendlingens grunnfrekvens (F), som alle er definert ovenfor, i samsvar med følgende sveiseligninger:

hvor w, v, x, y er konstanter eller koeffisienter som kan være avhengig av fugevinkelen (e) og sveiseelektrodens nedsmeltningstakt (V).

Fremgangsmåte og apparat i henhold til oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av utførelseeksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå:

Fig. 1 viser et blokkskjema av sveiseapparatet.

Fig. 2A viser skjematisk og i perspektiv en del av sveiseapparatet .

Fig. 2B viser apparatet i fig. 2A sett fra enden.

Fig. 2C viser en del av en planskisse av apparatet i fig. 2A.

Fig. 2D viser skjematisk sveiseplanet.

Fig. 3A og 3B viser to pendlingsmønstre.

Fig. 4 viser pendlebreddens variasjon med bevegelsehastigheten og pendlingens grunnfrekvens for en gitt matehastighet for elektroden. Fig. 5 viser forskjellige sveisestrengformer ved en gitt matningshastighet for elektroden. Fig. 6 (i) til 6 (iii) gir eksempler på sveisetverrsnitt med forskjellige sveiseskjøter utført i flere omganger. Fig. 7 (i) og 7 (ii) to praktiske arrangementer av fig. 1.

Det sveiseapparat som er vist i fig. 1 er et apparat av typen metall/inert gass (MIG) hvor gasstilførselen er ute-latt for klarhetens skyld. Dette apparat omfatter en pend-leregulator 1, en forprogrammerer 2, en effektkilde 3, en føringsmotor 4, en trådmateenhet 5 og et pendlingshode 6. En elektrodetråd 7 mates inn fra mateenheten 5 mot et arbeidsstykke 8, slik det vil være vel kjent.

I dette apparat beveges arbeidsstykket 8 under elektrode- tråden 7 ved hjelp av motoren 4, og tråden 7 bringes til å svinge på tvers av bevegelseretningen av arbeidsstykket 8, således at en pendlebane 9 (figurene 2A-2C) blir beskrevet. Denne prosess kan kjennetegnes ved tre parametere. For det første føringshastigheten (T) som er den effektive hastighet i retning av sveisefugen, slik som angitt ved pilen 10 i fig. 2A. For det annet pendlebredden (W) som er angitt ved henvisningstallet 12 i fig. 3A og er lik avstanden på tvers av fugelinjen 11 mellom ytterpunktene av pendlebanen 9. For det tredje pendlingens grunnfrekvens (F) som er proporsjonal med perioden mellom påfølgende sykler av pendlebanen 9. Hvis hvileperioder 13 (fig. 3B) ved pendlingens ytterpunkter inngår i pendlebanen 9, vil det være en lengre effektiv pendleperiode mellom syklene, og dette bør skjelnes fra den tidligere definerte pendlingens grunnfrekvens .

Disse tre variable er vist å ha sammenheng ved følgende ligningspar.

hvor a' til e<1>er konstanter.

Det har vist seg at disse ligninger kan forenkles til:

hvor w, v, x, y er konstanter.

Dette ligningspar representerer grunnformen for synkron sveising i samsvar med foreliggende oppfinnelse. I den enkleste form er w, v, x, y konstanter som er en funksjon av sveisetypen, hvilket vil si at de kan være forskjellige for en rotsveising sammenlignet med en fyllsveising eller en toppsveising. Ved forprogrammering og valg av hensiktsmessig program i samsvar med det foreliggende trinn i ut-førelse av sveiseprosessen, kan sveiseskjøten fullføres uten at det er nødvendig å innstille eller nyinnstille noen som helst parameter bortsett fra pendlebredden W. Denne pendlebredde må kontinuerlig innstilles i samsvar med fuge-pasningen og vedkommende sveiseomgang, idet pendlebredden f.eks. vil være mindre for den første fyllomgang enn for den annen, og så videre, forutsatt at den fastlagte fuge ikke har parallelle sider.

Ved sådan anvendelse er variablene klart W, T og F og reguleres i samsvar med pendlebredden W. Konstantene kan omfatte trådmatningens hastighet (V), sveiseposisjonen (©) og hvileperiodene ved pendlingens ytterpunkter og som kan eller ikke kan inngå i pendlesyklen.

Det vil være åpenbart at konstantene w, v, x og y ytterligere er avhengig av sveiseposisjonen 0 og sveisetrådens matehastighet (V).

I en utførelseform hvor trådmatehastigheten V holdes konstant, er det vist at:

hvor a, b, c, d, e, g, h, k er konstanter.

Ved innsetning i ligningene (1) fåes:

Ved et alternativt arrangement hvor sveiseelektroden ned smeltes i en sveisedam i varierende takt V og fugevinkelen © er konstant, er det vist at konstantene w, v, x, og y kan representeres ved:

hvor 1, m, n, p, q, r, s, uer konstanter.

Ved atter å sette inn i ligningene (1) oppnås:

Forholdet mellom pendlebredde og henholdsvis bevegelsehastighet og pendlingens grunnfrekvens er for en gitt matehastighet for elektroden og en gitt sveiseposisjon 9 vist i fig. 4. Hvis således en tilfredsstillende sveis oppnås med en pendlebredde Wl, en bevegelsehastighet Tl samt en grunnfrekvens Fl for pendlingen, kan disse verdier tilpas-ses på hensiktsmessig måte når det blir nødvendig å øke pendlebredden til en verdi W2 ved å regulere bevegelsehastigheten T og pendlingens grunnfrekvens F til å anta ver-diene henholdsvis T2 og F2. Et kontinuerlig sammenheng opprettes mellom hver av de tre parametere og tillater således tilpasning til et stort område av pendlebredder. Alternativt kunne naturligvis enten bevegelsehastigheten eller pendlingens grunnfrekvens være regulert i stedet for pendlebredden.

Fig. 5 viser hvorledes sveisestrengens profil varierer når det optimale innbyrdes parameterforhold ikke foreligger. Det optimale forhold er vist bare i avhengighet av bevegelseshastigheten i dette spesielle tilfelle. Hvis det optimale forhold ikke er oppnådd, vil dette føre til en inn hul sveisestreng 14 eller en toppet streng 15. Denønskede flate sveisestreng er vist ved henvisningstallet 16.

For å bestemme de korrekte konstanter som kreves fra gruppen a til y i det angitte iigningsforhold er det nødvendig å utføre et antall innledende sveiseomganger, og resultatene av disse tilføres den synkrone sveiseregulator 1. Konstantene og koeffisientene innstilles i forprogrammerings-enheten 2 og pendlingsregulatoren er deretter i stand til å styre bevegelsehastigheten og pendlebredden i samsvar med de korrekte ligningssammenheng. Det er funnet at i de til-feller hvor forskjellige typer sveiseomganger er påkrevet, slik som ved sveiseprosesser i flere omganger, kan det hende at variasjonen av bevegelsehastigheten med pendlebredden kan avvike fra en sveiseomgang til en annen. Figurene 6 (i) til 6 (iii) viser forskjellige sveiseskjøter som er utført i flere omganger, og som hver omfatter en rotsveising R samt minst en toppsveising C. Fig. 6 (i) viser flere mellomliggende fyllomganger, mens fig. 6 (ii) viser en skjøt med toppsveis både på oversiden og undersiden for tildekning av to fyllomganger på oversiden og en sådan omgang på undersiden. Variasjonene av bevegelsehastigheten (T) med pendlebredden (V) for rotomganger, fyllomganger og toppomganger er vist i den øvre del av fig. 4. Variasjonen av pendlebredden W med pendlingens grunnfrekvens F varierer imidlertid også med den foreliggende type sveiseomgang.

To mulige variasjoner av den sveiseregulering som er vist i fig. 1 kan anvendes i avhengighet av sveiseutstyrets utformning. Fig. 7 (i) viser den enkleste regulering hvor ©, V og type sveiseomgang er forprogrammert og pendlebredden (W) 71 overvåket av en passende føler, mens regulatoren 1 avgir et passende styresignal 72 (W) til pendlehodet for derved å styre pendlingens bredde samt i synkronisme også avgir signalene 73 (F) til pendlehodet for å styre pendlefrekvensen samt 74 (T) til motoren 4 for å regulere pendle hodets hastighet langs sveisefugen. Fig. 7 (ii) representerer sannsynligvis det mest kompliserte system, som krever tre elektriske følere. En overvåker av pendlebredden avgir breddeinformasjon 75 (W) til regulatoren 1 slik som tidligere. 76 gir vinkelinformasjon 77 (©), mens trådmateenheten 5 gir informasjon 78 om sveisetrådens nedsmeltningstakt V til regulatoren 1. I dette tilfelle er bare den ønskede type sveiseomgang forprogrammert (79), mens regulatoren styrer pendlebredden og synkront regulerer pendlefrekvensen og pendlehodets hastighet slik som i det arrangement som er angitt i fig. 7 (i).

I et utførelseeksempel som utnytter det ovenfor angitte ligningsforhold (2), og hvor en sveisefuge fylles under en trådmatehastighet på 3,25 m/min og et sveiseplan (6) på 90° samt omfatter en hvileperiode 13 på 0,8 sekunder ved pendlingenes ytterender, foreligger følgende verdier for de forskjellige konstanter:

I drift programmeres informasjoner slik som hvileperioden ved pendlingens ytterender, elektrodetrådens omfang, sveisefugens geometri, sveiseretningen, pendlemønsteret samt konstantene a til y inn i den synkrone forprogrammerer 2. Driften av føringsmotoren 4 og pendlehodet 6 reguleres så av den synkrone pendlingsgenerator 1, 2 i samsvar med det tidligere spesifiserte ligningssammenheng. Den type sveiseomgang som skal anvendes, matetrådens hastighet og sveiseposisjonen kan enten forprogrammeres eller anvendes i kombinasjon som par eller inviduelt i samvirke med den synkrone sveiseregulator. Oppfinnelsen er særlig anvendbar i denne sammenheng da alle variasjoner i sveisebevegelsen reguleres utelukkende ved pendlebredden så snart forpro- grammeringen er fullført. Utstyr med åpenbart også være anordnet for å fastlegge den korrekte pendlebredde, og dette kan utføres ved hjelp av hvilken som helst vanlig fremgangsmåte samt kan omfatte slike midler som anvendelse av lysstråler, laserstråler eller mekaniske sonder.

Skjønt pendlebanen 9 er vist med et sikksakkmønster, kan den også omfatte en enkel harmonisk bevegelse eller et mer komplisert bevegelsemønster. Oppfinnelsen kan også anvendes ved andre sveiseskjøter enn den beskrevne buttskjøt, f.eks. ved fyllsveising. Den synkrone sveisemetode kan ved anvendelse av hensiktsmessig apparatur anvendes ved om-kretsskjøter eller sadelskjøter i tillegg til lengdeskjøt-er.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for mekanisert sveising av en fuge i et arbeidsstykke og som omfatter en sveiseelektrode samt utstyr for å bevege arbeidsstykket og sveiseelektroden i forhold til hverandre langs en pendlebane, karakterisert ved at det er anordnet en innretning for å regulere sveiseelektrodens bevegelsehastighet T i parallelt med sveisefugens lengdeutstrekning, samt en innretning for å regulere pendlebredden W målt hovedsakelig vinkelrett på sveisefugens lengde og en innretning for å regulere pendlingens grunnfrekvens F, idet T, W og F styres slik at:

hvor w, v, x og y er funksjoner av fugevinkelen © og sveiseelektrodens nedsmeltningstakt V.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at nedsmeltningstakten V for sveiseelektroden er konstant, mens fugevinkelen © er konstant eller forut bestemt slik at w, v, x og y alle er konstanter.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at sveiseelektrodens nedsmeltningstakt W holdes konstant mens w, v, x og y hver er direkte proporsjonal med fugevinkelen 0, slik at sveisingen reguleres i samsvar med følgende ligninger:

hvor a, b, c, d, e, g, h og k er konstanter.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at fugevinkelen © måles og sveiseelektrodens nedsmeltningstakt V innstilles på forhånd.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fugevinkelen er konstant eller forut fastlagt og w, v, x og y her er direkte proporsjonal med V, slik at sveisingen reguleres i samsvar med følgende ligninger:

hvor 1, m, n, p, q, r, s og u er konstanter.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 2-5, karakterisert ved at konstantene fastlegges på forhånd i samsvar med den type sveiseprosess som skal anvendes.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at sveiseelektroden ut-fører mer enn en bevegelseomgang i forhold til arbeidsstykket og konstantene fastlegges på forhånd for hver sveiseomgang, slik som angitt ovenfor.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at pendlebredden W måles i forhold til den fuge som sveises.

9. Apparat for mekanisert sveising av en fuge i et arbeidsstykke, og som omfatter en sveiseelektrode samt utstyr for å bevege arbeidsstykket og sveiseelektroden i forhold til hverandre langs en pendlebane, karakterisert ved at apparatet omfatter innretninger for å regulere bevegelsehastigheten T, pendlebredden W og pendlingens grunnfrekvens F, alt slik som tidligere definert, i samsvar med følgende ligninger:

hvor w, v, x og y er funksjoner av fugevinkelen © og sveiseelektrodens nedsmeltningstakt V, slik som definert ovenfor.

10. Apparat som angitt i krav 9, karakterisert ved at det omfatter utstyr for å måle vinkelen © (76).

11. Apparat som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert ved at det omfatter utstyr for å måle pendlebredden W (71, 75) i forhold til sveisefugen.

12. Apparat som angitt i krav 9-11, karakterisert ved at sveiseelektrodens ned smeltningstakt V bibeholdes konstant, mens fugevinkelen 6 er konstant eller fastlagt på forhånd på sådan måte at w, v, x og y alle er konstanter.

13. Apparat som angitt i krav 9-11, karakterisert ved at sveiseelektrodens nedsmeltningstakt V bibeholdes konstant, mens w, v, x og y hver er direkte proporsjonal med fugevinkelen © og sveisingen reguleres i samsvar med følgende ligninger:

hvor a, b, c, d, e, g, h og k er konstanter.

14. Apparat som angitt i krav 9-11, karakterisert ved at fugevinkelen © er konstant eller forut bestemt, mens w, v, x og y hver er direkte proporsjonal med sveiseelektrodens nedsmeltningstakt og sveisingen reguleres i samsvar med følgende ligninger:

hvor 1, m, n, p, q, r, s og u er konstanter.