Vorrichtung zum Überwachen bzw. Steuern des Schweissvorganges beim elektrischen Schweissen Beim elektrischen Widerstandsschweissen wird die Schweisszeit im allgemeinen durch Versuche ermittelt. Bei zu kurzen Schweiss zeiten wird die Schweissstelle ungenügend er wärmt und dass Material kommt kaum zum Fliessen. Bei zu langen Schweisszeiten ver brennt, die Schweissstelle, so dass unter Um ständen das Werkstück Schaden nimmt.
Die zulässige Toleranz für die Schweiss leistung ist bei den verschiedenen zu ver schweissenden Werkstoffen verschieden, was eine weitere Schwierigkeit, beim Einstellen des Schweissgerätes bedeutet. Man ist bisher in der Weise vorgegangen, dass man auf Grund von Erfahrungswerten die Schweissdauer und Schweissstromstärke von Fall zu Fall ent sprechend wählte.
Dabei war man naturge mäss von der Erfahrung der Bedienungsper son weitgehend abhängig, und auch die grösste Erfahrung konnte in den Fällen nicht helfen, wo Unregelmässigkeiten im Werkstoff vor lagen, sei es, dass Walzrisse, Lunker oder dergleichen im Innern des Werkstückes vor lranden waren, sei es, dass die chemische Zu sammensetzung zu verschweissender Legie rungen etwa auf Grund von Unregelmässig keiten in der Fabrikation von den Sollwerten abwich. Die Vorrichtung gemäss der Erfin dung soll diese Schwierigkeiten vermeiden.
Man gellt dabei von der Überlegung aus, dass während des Schweissvorganges physikalische Gefügeänderungen in der Schweissstelle auf- treten, die zur Steuerung des Schweissvorgan ges ausgenutzt werden. Sollen z. B. zwei Bleche miteinander verschweisst werden, so befindet sich anfangs zwischen den beiden Blechen eine Trennfuge, die in dem Augen blick verschwindet, wo der Schweissstrom den Werkstoff des Bleches lokal zum Fliessen bringt. Kann man für das Verschwinden dieser Trennfuge eine Anzeige erhalten, so stellt diese ein Signal dafür dar, dass nun mehr der Schweissstrom abgeschaltet werden kann. Eine solche Anzeige ist z. B. mit Hilfe von Ultraschall möglich, mit dem man das Werkstück durchstrahlt..
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen bzw. Steuern des Schweiss vorganges beim elektrischen Schweissen, ins besondere Widerstandsschweissen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Schall- oder Ultraschallgeber und -empfänger derart an der Schweissstelle angebracht sind, dass diese mit der Schallenergie durchstrahlt wird, und dass am Empfängerausgang Mittel vorgesehen sind, die auf eine Schallwiderstandsänderung ansprechen und die Steuerung des Schweiss vorganges, durch Ein- und Ausschaltung des Schweissstromes, ermöglichen.
Metalle sind be kanntlich verhältnismässig gute Leiter für Schallschwingungen, und es ist ebenfalls be kannt, dass quer zum Schallstrahl verlaufende Unterbrechungen des Gefüges eine erhebliche Heraufsetzung des Schallwiderstandes zur Folge haben. Diese Tatsache wird z. B. dazu ausgenutzt, um eine Anzeige zu erhalten, so bald die Trennfuge zwischen den zu verbin denden Werkstückteilen beim Schweissvor gang verschwindet, so dass der Schweissstrom daraufhin von Hand oder selbsttätig ausge schaltet werden kann.
Grundsätzlich kann der Schall mit Hilfe eines magnetostriktiven oder elektrostriktiven Schwingers unmittelbar neben der Schweiss elektrode derart in die Werkstücke einge führt bzw. aus ihnen abgeführt werden, dass der Schall im Werkstück die Bahn des Schweissstromes kreuzt. Vorteilhaft aber er folgt die Schalleinstrahlung bzw. -abnahme über die Schweisselektroden oder eine von ihnen. Dies ist ohne weiteres möglich, und es ist dabei die Gewähr gegeben, dass die Schweissstelle exakt von den Schallstrahlen er fasst wird. Ausserdem werden hierbei Schwie rigkeiten vermieden, die durch die Wärme- entwicklung des Schweissvorganges in den un mittelbar neben den Schweisselektroden auf gesetzten Schwingern entstehen könnten.
Um hierbei möglichst grosse Schallwiderstands änderungen zu erzielen und die Anzeige bzw. die Steuerung möglichst sicher zu gestalten, kann man die verwendete Schweisselektrode derart formen, dass Schallreflexionen in ihrem Innern weitgehend vermieden sind, sie also insbesondere bei reichlichem Querschnitt keine ins Gewicht fallenden plötzlichen Quer schnittsänderungen, bezogen auf die Schall fortpflanzungsrichtung, aufweist.
Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann ausserdem gleichzeitig dazu dienen, dass beim Andrücken der Schweisselektroden an das Werkstück das Einschalten des Schweiss stromes erst dann erfolgt, wenn der Druck eine genügende Höhe erreicht hat., Es liegt auf der Hand, dass sich ungleichmässige Schweissstellen, insbesondere beim Punkt schweissen, ergeben, müssen, wenn diesem Gesichtspunkt nicht die nötige Aufmerksam keit geschenkt. wird. Bei beispielsweise zu kleinem Schweissdreck wird sich anfangs die Erhitzung durch den Schweissstrom auf die äussere Oberfläche der Werkstücke konzen- trieren, so dass dort unter Umständen Ver brennungen auftreten können, ehe der eigent liche Schweissvorgang beginnt..
Es ist daher von Vorteil, wenn man die Vorrichtung nach der Erfindung derart ausbildet, dass die am Empfängerausgang vorgesehenen Mittel beim Andrücken der Schweisselektrode an das Werkzstück die Einschaltung des Schweiss stromes dann auslösen, wenn ein für den Schweissstrom ausreichender, mit einer Schall widerstandsänderung verbundener Kontakt zwischen Werkstück und Elektrode bzw. Elek troden erzielt ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann zweckmässig derart. ausgebildet sein, dass die Durchstrahlung des Werkstückes mit ge gebenenfalls sinusförmig moduliertem Ultra schall erfolgt und die empfangsseitig aufge nommenen Schwingungen nach angemesse ner Verstärkung demoduliert und -einer Sehweh- und Begrenzervorrichtung zugeführt werden, deren Ausgangsspannungen beim Überschreiten des Schwellwertes die Einschal tung des Schweissstromes, beim Erreichen des Grenzwertes jedoch dessen Ausschaltung be wirken. Dabei kann eine Signaleinrichtung z. B. eine aus Signallämpchen bestehende Vor richtung vorgesehen sein, die von den Aus gangsspannungen der Schwell- und Begren zervorrichtung gesteuert wird und. nach deren Anzeige eine Bedienungsperson das Schweiss gerät ein- bzw. ausschaltet.
Zweckmässig aber wird man eine Schweissstromsteuerung ver wenden, bei der z. B. mit Hilfe gittergesteuer ter Gasentladungsröhren der Schweissstrom unmittelbar ein- bzw. ausgeschaltet. wird, da hierbei die Ausgangsspannungen der Sehwell- iand Begrenzervorrichtung eine selbsttätige Steuerung des Schweissstromes ermöglichen.
Grundsätzlich kann die Durchstrahlung des Werkstückes auch mit. Ultrasehallimpirlsen nach dem Rüekstrahlverfahren geschehen. Hierbei braucht. nur auf die eine Schweiss elektrode ein Schwingquarz oder dergleichen aufgesetzt zu werden, der sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der Ultraschall impulse dient..
Der ausgestrahlte Ultraschall impuls wird dann an der ersten Trennfuge ?wischen der Schweisselektrode und dem B'ech, ferner auch an der Trennfuge zwischen den beiden aufeinanderliegenden Blechen, wo sich der Schweissvorgang abspielt, und schliess lieb noch an der Trennfuge zwischen dem zweiten Blech und der Unterlage bzw. der zweiten Schweisselektrode reflektiert. Die ein zelnen reflektierten Spannungen erreichen in folge ihrer verschiedenen Laufzeiten den Empfänger nacheinander und werden dort zur Steuerung des Schweissvorganges weiter verarbeitet. Ihre Unterscheidung ist also bei spielsweise auf Grund der verschiedenen Kaufzeiten der reflektierten Impulse möglich.
Zweckmässig werden hierbei die reflektier ten Impulse empfangsseitig einer Steuerein richtung zugeführt, die beim Auftreten eines Rückstrahlungsimpulses an der Schweissstelle ein Signal für die Einschaltung und beim Verschwinden dieses Schweissstellenimpulses ein Signal für die Abschaltung des Schweiss stromes liefert.
Dabei kann als Steuereinrichtung eine Zählschaltung für die während einem Impuls folgezyklus auftretenden reflektierten Impulse dienen, die die erforderlichen Schweissstrom schaltsignale abgibt, wenn ausser dem Werk stückvorderflächen- und gegebenenfalls dem Werkstückrückwandimpuls ein Schweissstellen iinpuls auftritt. bzw. verschwindet. Als Zähl schaltung kann ein Treppenspannungsgenera tor dienen, dessen Ausgangsspannung von jedem je Impulszyklus empfangenen Reflex impuls unabhängig von dessen Amplitude um eine Stufe abgehoben und nach Ablauf eines Impulsfolgezyklus auf den Wert Null ge steuert wird.
Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass bei der üblichen Werkstückeinspannung zwischen den Schweiss elektroden praktisch nur drei Trennfugen vorhanden sind, so dass sich bei genügendem Anpressdruck der Elektroden drei ausgeprägte Refleximpulse ausbilden, von denen der eine verschwindet, wenn beim Durchführen der Schweissung die mittlere Trennfuge infolge des Zusammenfliessens der Metalle verschwin det.
Hierbei ist es vorteilhaft, die reflektierten Impulse dem Treppenspannungsgenerator über einen Amplitudenbegrenzer, insbeson- s dere eine übersteuerte Verstärkerstufe, zuzu führen.
Die Ausgangsspannung des Treppenspan- nungsgenerators liegt zweckmässig an einer Potentialschwelle, die erst nach Erreichen des Treppenspannungswertes, der sich beim Auf treten des Schweissstellenimpulses ergibt, eine die Schweissstromsteuerung auslösende Span nung liefert.
Schliesslich kann es von Vorteil sein, die c Anordnung nach der Erfindung derart auszu bilden, dass die Ausgangsspannung der Poten tialschwelle am Steuerorgan eines monostabi len Multivibrators liegt, dem ein Ausgangs impuls negative Polarität entnommen und an c die Steuerelektrode eines Gas- oder Dampf entladungsrohres angelegt wird, das an der nicht vorgespannten Steuerelektrode mit einer Speichervorrichtung, zweckmässig einem RC- Glied. ausgerüstet ist und den Schweissstrom #, bei gezündeter Entladung unterbricht, bei er loseliener Entladung hingegen freigibt.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige beispielsweise Ausführungsformen der Erfin dung schematisch dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 das Schaltschema eines Sehweiss autom.ates, bei dem dass Werkstück mit kon stanter Ultraschallamplitude durchstrahlt wird, Fig. 2 einen Schweissautomaten, bei dem i das Werkstück mit einer sinusförmig modu lierten Ultraschallschwingung durchstrahlt wird, Fig. 3 das Blockschema eines Schweissauto- inaten mit Impuls-Rückstrahldurchschallung des Werkstückes.
Fig. 4 das genauer dargestellte Schaltbild eines Teils der Einrichtung nach Fig. 3, und r, #g. 5 das Diagramm einiger Spannungen in der Vorrichtung gemäss Fig. 3 bzw. 4.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schweiss automaten ist ein mit der Röhre 1 bestückter Hochfrequenzgenerator vorgesehen, der seine Ausgangsspannung an einen Quarzschwinger \? liefert. Dle erzeugten Ultraschallschwingun- gen werden durch die Schweisselektrode 3 dem Werkstück 4 zugeleitet und gelangen über die zweite Schweisselektrode 5 in einen zweiten Quarzschwinger 6, wo sie wieder in elektrische Schwingungen zurückverwandelt werden.
Hierbei handelt es sich um Ultraschallschwin gungen von konstanter Amplitude, da eine Modulation der im Generator 1 erzeugten hochfrequenten Schwingungen nicht stattfin det. Die Amplitude der vom Quarzschwinger 6 abgegebenen Spannung hängt dabei vom Ultraschallwiderstand der Schweissanordnung, und damit in hohem Masse von den im Schall wellenweg vorhandenen Trennfugen ab.
Drückt man die Schweisselektroden all mählich zusammen, so wird demnach der Ul traschallwiderstand des Werkstückes kleiner. Proportional dazu wächst die Ultraschallam plitude am Quarzschwinger 6 und die von diesem an den Empfänger abgegebene HF- Spannung. Die letztere wird in der Röhre 7 verstärkt und mit Hilfe der Diode 8 gleich gerichtet. Die letztere besitzt eine einstellbare Vorspannung, die am Potentiometer 9 abge griffen werden kann. Dabei wird dieses Po tentiometer so eingestellt, dass die Diode 8 erst dann eine Richtspannung zu liefern im stande ist, wenn der Anpressdruck der Schweisselektroden 3,5 den für eine saubere Schweissung erforderlichen Wert erreicht hat.
Ist letzteres der Fall, dann wird von der Diode 8 über den Koppelkondensator 10 ein Signal an die aus den Röhren 11, 12 bestehende monostabile Kippschaltung gegeben.
Während des Schweissvorganges sinkt der Schallwellenwiderstand im Werkstück und erreicht beim Zusammenfliessen des Materials in der Schweissstelle seinen kleinsten Wert. Damit ergibt sich eine grössere Amplitude am Gitter der Röhre und auch eine grössere Richt- spannung, die an der Diode 13 wirksam ist. Diese zweite Diode ist mit Hilfe des Potentio meters 1.1 noch höher vorgespannt als die Diode B. Es bedarf also einer höheren Richt- spannung, um einen Strom durch die Diode 1 3 zu treiben.
Erreicht der Schallwellenwider stand der Schweissstelle seinen kleinsten Wert, so fliesst ein Strom durch die Diode 13, und es gelangt ein Steuerimpuls an die zweite, aus den Röhren 15 und 16 bestehende unselb ständige Kippschaltung, so dass letztere um kippt.
Die beiden unselbständig kippenden Röh renschaltungen mit den Röhren 11, 12 und 15, 16 liefern bei ihrem Umkippen einen Spannungsimpuls an eine dritte unselbständig kippende Schaltung mit den Röhren 17, 18. Die Anode der Röhre 18 ist dabei über die Leitung 19 mit einem Elektronenschalter 20 verbunden, der dazu dient, den Schweisstrans formator 21 ein- bzw. auszuschalten.
Gelangt in der bereits beschriebenen Weise die Modulationsspannung von der Diode 8 auf die Kippschaltung 11, 12, so liefert die Röhre 1.2 einen Impuls an das Gitter der Röhre 18, und die Kippschaltung 17, 18 kippt in jene Lage, bei der ein Startimpuls über die Leitung 7.9 an den Elektronenschalter 20 gelangt. Bei Erreichen genügenden Kontakt druckes wird demnach auf die beschriebene Weise der Schweissstrom eingeschaltet.
Wird sodann unter der Einwirkung des Schweiss stromes das Metall an der Schweissstelle flüs sig, so kippt unter der Einwirkung des von der Diode 13 gelieferten und über die Kipp- schaltung 15, 16 weitergegebenen Impulses die Kippschaltung 17, 18 wieder in ihren ur sprünglichen Zustand zurück. Damit gelangt dann gleichzeitig ein weiterer Steuerimpuls über die Leitung 19 an den Elektronenschal ter 20, auf Grund dessen der Schweissstrom abgeschaltet wird.
Eine wichtige Rolle spielt bei dieser An ordnung die jeweils eingestellte Vorspannung der Diode 8 bzw. 13, da die eine Vorspan nung massgeblich ist für den Elektroden anpressdruck, bei dem der Schweissstrom ein geschaltet wird, und die andere Vorspannung so oewähl.t sein muss, dass die Abschaltung erst bei ausreichender Erwärmung des Werk stückes erfolgt. Die Einstellung der beiden Potentiometer 9 und 11 ist in erster Linie von der Stärke des Werkstückes abhängig, Lind die Potentiometer können daher mit einer Einstellskala versehen werden. die eine Ein stellung unmittelbar auf die Abmessungen der zu v ersehweissenden Teile erlaubt.
Eine andere Ausführungsform der Erfin dung ist. in Fig. \3 dargestellt. Der HF-Gene- rator l ist; in diesem Falle mit. einer 50-Hz- Sinus-Spannung dadurch moduliert, dass seine Anodenspannung ständig zwischen Null. und ihrem Maximalwert sinusförmig schwankt. Die Anordnung der Quarzschwinger 2 und 6, der Schweisselektroden 3 und 5, des Werkstückes 4 und des Schweisstransformators 21 ist die gleiche wie im Falle der Fig. 1.
Nach. entspre chender Verstärkung in der Röhre 7 wird die vom Empfangsquarz 6 abgegebene Spannung der Diode 8 zugeführt, die wie bei Fig. 1 eine Vorspannung aus dem Potentiometer 9 er- hiiIt. Bei ausreichendem Anpressdruck liefert. die Diode 8 ein etwa sinusförmiges Signal über die Leitung 23 in das Steuergerät 22 für den Schweisstransformator, das auf nicht näher dargestellte Weise die Anschaltung des chweisstransformators 21 an das Wechsel stromnetz bewirkt. Beispielsweise kann hier für eine bis in das Sättigungsgebiet ge steuerte Drossel dienen, die die 50-Hz-Schwin- gungen in Steuerimpulse für einen Elektro nenschalter umformt.
Überschreitet die von der Diode 8 gelie ferte Wechselspannung einen bestimmten Wert, so wird auch die Diode 13 leitend. Dabei ist der Ansprechpunkt dieser Diode wie im Falle der Fig. 1 mit Hilfe des Poten tiometers 74 einstellbar. Von der Diode 13 gelangt dann eine Steuerspannung auf das Steuerorgan einer aus den Röhren 15 und 16 bestehenden monostabilen Kippschaltung, die ihrerseits einen Sperrimpuls über die an der Anode des Rohres 7.6 liegende Leitung 2.1 zum Steuergerät 22 sendet. Dort wirkt er sieh in der Weise aus, dass die von der Diode 8 ge lieferten Zündimpulse unterdrückt werden, der Schweisstransformator 2l. also vom Netz abgeschaltet wird.
Ein von Ultraschallrückstrahlimpulsen ge steuerter Schweissautomat ist in Fig. 3 im Blockschema dargestellt. In dieser Figur haben die Schweisselektroden, das Werkstück und der Schweisstransformator die gleichen Bezugszeichen wie bisher erhalten.. Für die Sehallein- bzw. -auskopplung ist jedoch nur ein einziger Quarzschwinger 25 vorgesehen, der in Simultanschaltung mit der Steuerein richtung verbunden ist.
Ein als Taktgeber dienender Wechsel stromgenerator 26, dessen Frequenz einige 1000 Hz betragen kann, speist ein Verzer rungsglied 2.7, das in an sich bekannter Weise aus der etwa sinusförmigen Spannung des Generators 26 positive Spannungsimpulse er zeugt. Diese modulieren einen Hochfrequenz generator 28, und die von letzterem erzeugten Hochfrequenzimpulse gelangen über eine Weiche 29 an den Quarzschwinger 25. Über die Schweisselektrode 3 werden also hochfre- quente Schallimpulse in das Werkstück 4 hin eingeleitet, und die an den hier bestehenden Trennfugen entstehenden Rückstrahlimpulse gelangen über den Quarzschwinger 25 und die Weiche 29 in einen Empfänger 30, wo sie verstärkt und demoduliert werden.
Die Ausgangsspannungen des Empfängers wer den einem Treppenspannungsgenerator 31 zu geführt, der beim Eintreffen eines jeden re flektierten Impulses seine Ausgangsspannung um einen bestimmten konstanten Betrag er höht, bis nach Ablauf einer Taktgeberperiode die Treppenspannung wieder auf den Wert Null zurückgeführt, wird. An den Ausgang des Treppenspannungsgenerators ist eine monostabile Kippschaltung 32 angeschlossen, die über eine mit einer gittergesteuerten Gas entladungsröhre bestückte Schaltstufe 33 die Ein- bzw. Ausschaltung des Schweisstrans formators vornimmt.
Hierfür ist in Fig. 3 schematisch ein Relais 34 vorgesehen, das in der Praxis im allgemeinen die Form eines elektronischen Schalters erhält, das heisst die Form zweier antiparallel geschalteter steuer barer Gas- oder Dampfentladungsstrecken.
Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird demnach ständig durch den impulsgetasteten Ultraschallsender dem Empfänger ein Impuls- gemi8ch zugeführt, das aus verschiedenen re flektierten Impulsen besteht, die man nach ihrer Laufzeit eindeutig den verschiedenen Trennfugen zwischen den Schweisselektroden und den miteinander zu verschweissenden Werkstüekteilen zuordnen, kann. Beim Ein- schalten des Schweissstromes erhitzt sich die Schweissstelle bis zum Zusammenfliessen der mittleren Trennfuge. In diesem Augenblick verändert sich das Reflexionsbild, indem der dieser Trennfuge zugehörige Refleximpuls verschwindet.
Das Verschwinden dieses Im pulses wird in das Abschaltsignal für den Schweissstrom umgewandelt. Ausserdem wird hierbei das Einschalten des Schweissstromes erst bewirkt, wenn der Anpressdruck der Schweisselektroden einen genügend hohen Wert erreicht hat. Erst wenn dies der Fall ist, kann sich nämlich der Rückstrahlimpuls richtig ausbilden, der der Trennfuge zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen ent spricht. Das Auftreten dieses Impulses ist also ein Kriterium dafür, dass nunmehr der Schweissstrom eingeschaltet werden kann.
Als Impulsfolgerfrequenz, das heisst als Frequenz des Generators 26, kann. beispiels weise eine solche von 5000 Hz verwendet werden. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschall senders liegt z. B. um 5 MHz. Bei der kon struktiven Ausführung der Befestigung des Quarzschwingers 25 an der Schweisselektrode 3 sollen die üblichen ultraschalltechnischen Vorkehrungen getroffen werden, die Refle xionsfreiheit und einen guten Wirkungsgrad der Anordnung ermöglichen. Die Form der Schweisselektrode 3 ist zweckmässig so zu wählen, dass neben guten schweisstechnischen Eigenschaften möglichst wenig störende Ul traschallnebenreflexe an bzw. in der Elek trode selbst entstehen können.
Die Schaltung des Treppenspannungsgene- rators 31 und der nachgeschalteten Stufen 32 und 33 ist in Fig. 4 in einer beispiel haften Ausführungsform näher dargestellt. Die Schaltung ist so gewählt, dass beim Ver schwinden bzw. erheblichen Verkleinern des der Wirkstücktrennfuge entsprechenden Rückstrahlimpulses ein Steuervorgang ent steht, der das Unterbrechen des Schweissstro mes bewirkt. Das ist der Fall, wenn die bei den Metalle in der Schweissstelle beim Schweissprozess zusammengeflossen sind.
In Fig. 5a und 4b sind Spannungsdia gramme dargestellt., die die während einer Impulsfolgeperiode auftretenden Ultraschall impulse eine Abhängigkeit von der Zeit zeigen, und zwar stellt Fig. 5a, den Fall dar, dass nach dem. Ausstrahlen des Senderimpulses A drei Rückstrahlimpulse B, C und D vorhan den sind. Dabei entspricht B der Trennfuge zwischen der Elektrode 3 und dem obern Teil des Werkstückes 4, C der Trennfuge zwischen den beiden Werkstückteilen und D der Trenn fuge zwischen dem untern Werkstückteil und der Schweisselektrode 5.
Im allgemeinen wird zeitlich nach dem Rückstrahlimpuls D noch ein weiterer Rückstrahlimpuls auftreten, der dem untern Ende der Schweisselektrode 5 entspricht, doch liegt dieser in verhältnis mässig grossem Abstand von B und ist nicht dargestellt, da er für die Arbeitsweise der Schaltung keine Bedeutung besitzt. Hat der Schweissstrom das Zusammenfliessen des Werkstückmetalles bewirkt, so verschwindet damit nahezu oder völlig der Rückstrahlim puls C, und es ergibt, sieh ein Spannungsdia grammgemäss Fig. 5b.
Die Ausgangsspannung des Empfängers 30 wird der Schaltung nach Fig. 4 über die Klemme 35 zugeführt und in der Diode 36 gleichgerichtet.@ In der Verstärkerröhre 37 werden die gleichgerichteten Impulse durch Übersteuerung der Röhre derart verformt, dass je ein schmaler Rechteckimpuls von konstan ter Amplitude entsteht, wie dies in Fig. 5c dargestellt ist. Von diesen Rechteckimpulsen wird ein Treppenspannungsgenerator ange stossen, der aus den Dioden 38, 39 und dem Kondensator 40 besteht. Sind gemäss Fig. 5a drei Rückstrahlimpulse vorhanden, also auch drei Rechteckimpulse gemäss Fig. 5e, so wird eine Treppenspannung mit drei Stufen gemäss Fig. 5d erzeugt. Am.
Ende einer jeden Mess- periode wird die dann erreichte Treppenspan nung mit Hilfe eines Taktgeberimpulses auf den Wert Null zurückgeführt; dieser Takt geberimpuls eilt dem Senderimpuls zeitlich etwas vor und wird der Klemme 41 zugeführt. Er gelangt an das Gitter einer Triode 42, die mittels des Potentiometers 52 so vorge spannt ist, da.ss die mit ihrer Kathode ver bundene Diode 43 nichtleitend ist, solange die Treppenspannung nicht mehr als zwei Stu fen aufweist.
Wird jedoch am Ende der Mess- periode dem Gitter der Triode 42 vom Takt geber her über die Klemme 41 ein negativer Sperrimpuls genügender Breite zugeführt, wie er in Fig. 5g dargestellt ist, so verschwindet der Spannungsabfall am Kathodenwiderstand. der Röhre 42 und damit auch die Vorspan nung der Diode 43. Dann entlädt sich der Treppenspannungskondensator 40 über dem Kathodenwiderstand der Röhre 42.
Der Kondensator 40 ist ferner über eine weitere vorgespannte Diode 44 mit, einer monostabilen Kippschaltung verbunden, die aus den Röhren 45 und 46 besteht. Weist die Treppenspannung drei Stufen auf (Fig. 5(,1), so gelangt bei richtiger Einsstellung der Vor spannung der Diode 44 mittels des Potentio meter 47 ein Signal an die Kippschaltung. Dabei ist das Potentiometer 47 so einzustellen, dass dies erst bei Vorhandensein der dritten Stufe der Treppenspannung geschieht. Das dann an das Steuergitter der Röhre 45 gelan gende Signal bringt den monostabilen Multi vibrator zum Umkippen. An der Anode der Röhre 45 tritt hierbei ein negativer Impuls auf, der über eine Diode 48 an das Gitter des steuerbaren Gasentladungsgefässes 49 gelangt.
Dabei ist im Gitterkreis dieser Röhre eine Widerstands-Kondensatorkombination vorge sehen, deren Zeitkonstante so gewählt ist, dass das Rohr 49 bei kontinuierlichem Erscheinen des negativen Impulses nicht zündet. Fällt jedoch der Impuls C. fort, so entstehen am Kondensator 40 nur zwei Treppenstufen, wie dies in Fig. 5e angedeutet ist. Der Multi vibrator 45, 46 wird nicht angestossen, weil bei nur zwei Treppenstufen die Spannung am Kondensator 40 nicht hoch genug wird, um die Diode 44 leitend zu machen. Damit wird sodann die negative Ladung am Gitter des Rohres 49 nicht mehr erneuert, so dass dieses Rohr zündet, sobald der in seinem Gitterkreis liegende Kondensator. genügend weit entladen ist.
Das Zünden des Rohres 49 erzeugt an seiner Anode einen Steuerimpuls (Fig. 5f), der über die Klemme 50 an die Schaltvorrich tung 34 des Schweisstransformators gegeben wird und diesen dazu veranlasst, den Schweiss strom abzuschalten. Ist der Anpassungsdruck der Schweisselektrode nicht hoch genug, so kann kein Schweissstrom fliessen, da das Gas entladungsrohr 49 so eingestellt ist, dass es laufend, z. B. im 50-Hz-Takt, Sperrimpulse a gibt. Dies ist so lange der Fall, wie nur zwei oder weniger reflektierte Impulse vorhanden sind. Erst in dem Augenblick, wo der Elek trodendruck hoch genug ist, um ein gutes Ein dringen des Ultraschalles in das Werkstück zu ermöglichen, bildet sich ein deutlicher drit ter Refleximpuls C aus.
Dann sind also drei Impulse zum Steuern des Treppengenerators vorhanden, es werden negative Impulse an das Gitter des Rohres 49 gegeben, die den Kondensator des Gitter-Zeitkonstantengliedes aufladen und nach erfolgter Aufladung be wirken, dass das Rohr 49 keine Sperrimpulse über die Klemme 50 an das Schaltgerät 34 abgeben kann. Damit wird also der Schweiss transformator 21. eingeschaltet und der Schweissvorgang kann beginnen.
Device for monitoring or controlling the welding process during electrical welding In electrical resistance welding, the welding time is generally determined by experiments. If the welding times are too short, the welding point is insufficiently heated and the material can hardly flow. If the welding times are too long, the welding point will burn, so that the workpiece may be damaged.
The permissible tolerance for the welding performance is different for the different materials to be welded, which means another difficulty when setting the welding device. So far, the procedure has been that, based on empirical values, the welding duration and welding current strength were selected accordingly from case to case.
Naturally, one was largely dependent on the experience of the operator, and even the greatest experience could not help in cases where there were irregularities in the material, be it roll cracks, blowholes or the like inside the workpiece, be it that the chemical composition of the alloys to be welded deviated from the target values, for example due to irregularities in production. The device according to the invention is intended to avoid these difficulties.
It is based on the consideration that physical structural changes occur in the welding point during the welding process, which are used to control the welding process. Should z. B. two sheets are welded together, there is initially a parting line between the two sheets, which disappears in the moment, where the welding current brings the material of the sheet to flow locally. If a display can be obtained for the disappearance of this parting line, this represents a signal that the welding current can now be switched off. Such a display is e.g. B. possible with the help of ultrasound, with which the workpiece is irradiated ..
The invention relates to a device for monitoring or controlling the welding process during electrical welding, in particular resistance welding, which is characterized in that a sonic or ultrasonic transmitter and receiver are attached to the welding point in such a way that the sonic energy radiates through it, and that means are provided at the receiver output which respond to a change in sound resistance and enable the welding process to be controlled by switching the welding current on and off.
Metals are known to be relatively good conductors for sound vibrations, and it is also known that interruptions in the structure running transversely to the sound beam result in a considerable increase in the sound resistance. This fact is z. B. used to get a display as soon as the parting line between the workpiece parts to be connec dend disappears during Schweissvor gang, so that the welding current can then be switched out by hand or automatically.
In principle, the sound can be introduced into or removed from the workpieces with the aid of a magnetostrictive or electrostrictive oscillator directly next to the welding electrode in such a way that the sound in the workpiece crosses the path of the welding current. Advantageously, however, it follows the sound irradiation or decrease via the welding electrodes or one of them. This is easily possible, and there is a guarantee that the welding point will be captured exactly by the sound beams. In addition, difficulties are avoided that could arise from the heat generated by the welding process in the transducers placed directly next to the welding electrodes.
In order to achieve the greatest possible changes in sound resistance and to make the display and control as safe as possible, the welding electrode used can be shaped in such a way that sound reflections are largely avoided inside it, i.e. no sudden changes in cross-section that are significant, especially when there is a large cross-section , based on the direction of sound propagation.
A device according to the invention can also serve at the same time that when the welding electrodes are pressed against the workpiece, the welding current is only switched on when the pressure has reached a sufficient level., It is obvious that there are uneven welding points, in particular at the point of welding, result, must, if this point of view is not given the necessary attention. becomes. If, for example, the amount of welding dirt is too small, the heating caused by the welding current will initially concentrate on the outer surface of the work piece, so that burns may occur there before the actual welding process begins ..
It is therefore advantageous if the device according to the invention is designed in such a way that the means provided at the receiver output trigger the switching on of the welding current when the welding electrode is pressed against the workpiece when a contact that is sufficient for the welding current and associated with a change in sound resistance between workpiece and electrode or electrodes is achieved.
The device according to the invention can expediently so. be designed that the irradiation of the workpiece with ge optionally sinusoidally modulated ultrasound takes place and the vibrations recorded on the receiving side are demodulated according to appropriate amplification and fed to a pain and limiter device, whose output voltages when the threshold value is exceeded, the switching on of the welding current However, when the limit value is reached, it is switched off. A signaling device such. B. be provided from a signal lamp before direction, which is controlled by the output voltages from the threshold and limiter zervorrichtung and. after their display, an operator switches the welding device on or off.
Appropriately, however, you will use a welding current control in which z. B. with the help of grid-controlled gas discharge tubes, the welding current is switched on or off immediately. because the output voltages of the Sehwell- iand limiter device enable the welding current to be controlled automatically.
In principle, the irradiation of the workpiece can also be used. Ultrasehallimpirlsen done according to the back beam method. Here needs. An oscillating quartz or the like to be placed only on the one welding electrode, which serves both to send and receive the ultrasonic pulses ..
The emitted ultrasonic pulse is then wiped at the first parting line between the welding electrode and the plate, and also at the parting line between the two metal sheets lying on top of one another, where the welding process takes place, and closes at the parting line between the second sheet and the Base or the second welding electrode is reflected. The individual reflected voltages reach the receiver one after the other as a result of their different transit times and are processed there to control the welding process. Their differentiation is therefore possible, for example, on the basis of the different purchase times of the reflected impulses.
Appropriately, the reflected pulses are fed to a control device on the receiving side, which supplies a signal for switching on when a reflective pulse occurs at the welding point and a signal for switching off the welding current when this welding point pulse disappears.
A counting circuit for the reflected pulses occurring during a pulse following cycle can serve as a control device, which emits the required welding current switching signals when a welding pulse occurs in addition to the workpiece front surface and possibly the workpiece rear wall pulse. or disappears. A staircase voltage generator can serve as a counting circuit, the output voltage of which is raised by one level from each reflex pulse received per pulse cycle, regardless of its amplitude, and is controlled to zero after a pulse train cycle.
Use is made of the fact that when the workpiece is usually clamped between the welding electrodes, there are practically only three separating lines, so that when the contact pressure is sufficient, three pronounced reflex impulses are formed, one of which disappears when the middle one is carried out when the welding is carried out Parting line disappears as a result of the metals flowing together.
It is advantageous here to feed the reflected pulses to the staircase voltage generator via an amplitude limiter, in particular an overdriven amplifier stage.
The output voltage of the staircase voltage generator is expediently at a potential threshold which delivers a voltage that triggers the welding current control only after reaching the staircase voltage value which results when the welding point pulse occurs.
Finally, it can be advantageous to form the c arrangement according to the invention in such a way that the output voltage of the potential threshold is at the control element of a monostable len multivibrator, from which an output impulse negative polarity is taken and applied to the control electrode of a gas or vapor discharge tube is that on the non-biased control electrode with a storage device, expediently an RC element. and interrupts the welding current #, when the discharge is ignited, but releases it when the discharge is loose.
In the accompanying drawing, some exemplary embodiments of the invention are shown schematically, namely: Fig. 1 shows the circuit diagram of a Sehweiss autom.ates, in which the workpiece is irradiated with a constant ultrasonic amplitude, Fig. 2 an automatic welding machine in which i the Workpiece is irradiated with a sinusoidally modulated ultrasonic oscillation, FIG. 3 shows the block diagram of a welding machine with pulse back-beam transmission of the workpiece.
4 shows the circuit diagram of part of the device according to FIG. 3, shown in more detail, and r, #g. 5 shows the diagram of some voltages in the device according to FIGS. 3 and 4.
In the automatic welding shown in Fig. 1, a high-frequency generator equipped with the tube 1 is provided, which sends its output voltage to a quartz oscillator \? supplies. The ultrasonic vibrations generated are fed to the workpiece 4 by the welding electrode 3 and pass via the second welding electrode 5 into a second quartz oscillator 6, where they are converted back into electrical vibrations.
These are ultrasonic vibrations of constant amplitude, since a modulation of the high-frequency vibrations generated in the generator 1 does not take place. The amplitude of the voltage emitted by the quartz oscillator 6 depends on the ultrasonic resistance of the welding arrangement, and thus to a large extent on the parting lines present in the sound wave path.
If you gradually press the welding electrodes together, the ultrasonic resistance of the workpiece will be smaller. The ultrasound amplitude on the quartz oscillator 6 and the RF voltage delivered by this to the receiver grows proportionally. The latter is amplified in the tube 7 and directed in the same way with the aid of the diode 8. The latter has an adjustable bias voltage that can be accessed on the potentiometer 9 abge. This potentiometer is set in such a way that the diode 8 is only able to deliver a directional voltage when the contact pressure of the welding electrodes 3, 5 has reached the value required for a clean weld.
If the latter is the case, a signal is sent from the diode 8 via the coupling capacitor 10 to the monostable multivibrator consisting of the tubes 11, 12.
During the welding process, the acoustic wave resistance in the workpiece decreases and reaches its lowest value when the material converges in the welding point. This results in a greater amplitude at the grid of the tube and also a greater directional voltage, which is effective at the diode 13. With the help of the potentiometer 1.1, this second diode is biased even higher than the diode B. It therefore requires a higher directional voltage to drive a current through the diode 13.
When the acoustic wave resistance of the welding point reaches its smallest value, a current flows through the diode 13, and a control pulse is sent to the second non-permanent flip-flop circuit consisting of the tubes 15 and 16, so that the latter flips over.
The two dependently tilting tube circuits with the tubes 11, 12 and 15, 16 supply a voltage pulse to a third dependently tilting circuit with the tubes 17, 18 when they tip over. The anode of the tube 18 is connected to an electron switch 20 via the line 19 connected, which is used to switch the welding transformer 21 on or off.
If, in the manner already described, the modulation voltage from the diode 8 to the flip-flop 11, 12, the tube 1.2 delivers a pulse to the grid of the tube 18, and the flip-flop 17, 18 toggles into that position in which a start pulse over the Line 7.9 reaches the electron switch 20. When sufficient contact pressure is reached, the welding current is switched on in the manner described.
If the metal at the welding point becomes liquid under the action of the welding current, the toggle circuit 17, 18 flips back to its original state under the effect of the pulse supplied by the diode 13 and passed on via the toggle circuit 15, 16 . Thus, at the same time, another control pulse reaches the electron switch 20 via line 19, on the basis of which the welding current is switched off.
The set bias voltage of diode 8 or 13 plays an important role in this arrangement, since one bias voltage is decisive for the electrode contact pressure at which the welding current is switched on and the other bias voltage must be selected so that the switch-off only takes place when the workpiece is sufficiently heated. The setting of the two potentiometers 9 and 11 is primarily dependent on the thickness of the workpiece, and the potentiometers can therefore be provided with a setting scale. which allows an adjustment directly to the dimensions of the parts to be welded.
Another embodiment of the invention is. shown in Fig. \ 3. The HF generator 1 is; in this case with. a 50 Hz sinusoidal voltage is modulated in that its anode voltage is constantly between zero. and its maximum value fluctuates sinusoidally. The arrangement of the quartz oscillators 2 and 6, the welding electrodes 3 and 5, the workpiece 4 and the welding transformer 21 is the same as in the case of FIG. 1.
To. Corresponding amplification in the tube 7, the voltage emitted by the receiving crystal 6 is fed to the diode 8 which, as in FIG. 1, receives a bias voltage from the potentiometer 9. Provides sufficient contact pressure. the diode 8 an approximately sinusoidal signal via the line 23 in the control unit 22 for the welding transformer, which causes the connection of the welding transformer 21 to the AC power supply in a manner not shown. For example, this can be used for a choke that is controlled down to the saturation area and converts the 50 Hz oscillations into control pulses for an electronic switch.
If the alternating voltage supplied by the diode 8 exceeds a certain value, the diode 13 also becomes conductive. The response point of this diode is adjustable with the help of the potentiometer 74 as in the case of FIG. A control voltage then passes from the diode 13 to the control element of a monostable multivibrator consisting of the tubes 15 and 16, which in turn sends a blocking pulse to the control device 22 via the line 2.1 located at the anode of the tube 7.6. There it acts in such a way that the ignition pulses supplied by the diode 8 are suppressed, the welding transformer 2l. so it is switched off from the network.
An automated welding machine controlled by ultrasonic reflective pulses is shown in a block diagram in FIG. In this figure, the welding electrodes, the workpiece and the welding transformer have been given the same reference numerals as before. However, only a single quartz oscillator 25 is provided for the Sehalle input and output, which is connected in simultaneous connection with the control device.
A serving as a clock alternating current generator 26, the frequency of which can be a few 1000 Hz, feeds a Verzer approximately element 2.7, which in a known manner from the approximately sinusoidal voltage of the generator 26 positive voltage pulses it generates. These modulate a high-frequency generator 28, and the high-frequency pulses generated by the latter reach the quartz oscillator 25 via a switch 29. High-frequency sound pulses are thus introduced into the workpiece 4 via the welding electrode 3, and the reflected pulses generated at the parting lines here arrive Via the quartz oscillator 25 and the crossover 29 into a receiver 30, where they are amplified and demodulated.
The output voltages of the receiver who is led to a staircase voltage generator 31, which increases its output voltage by a certain constant amount when each re-inflected pulse arrives, until after a clock period the staircase voltage is returned to zero. At the output of the staircase voltage generator, a monostable multivibrator 32 is connected, which makes the switching on and off of the welding transformer via a equipped with a grid-controlled gas discharge tube switching stage 33.
For this purpose, a relay 34 is provided schematically in Fig. 3, which in practice generally takes the form of an electronic switch, that is, the form of two antiparallel connected controllable gas or vapor discharge paths.
When this device is operated, the pulse-scanned ultrasound transmitter continuously supplies the receiver with a pulse mixture consisting of various reflected pulses which, depending on their running time, can be clearly assigned to the various joints between the welding electrodes and the workpiece parts to be welded together. When the welding current is switched on, the welding point heats up until the central parting line converges. At this moment the reflection image changes, in that the reflex pulse associated with this parting line disappears.
The disappearance of this pulse is converted into the switch-off signal for the welding current. In addition, the welding current is only switched on when the contact pressure of the welding electrodes has reached a sufficiently high value. It is only when this is the case that the return pulse that corresponds to the parting line between the workpiece parts to be connected can develop correctly. The occurrence of this pulse is therefore a criterion that the welding current can now be switched on.
As the pulse follower frequency, that is to say as the frequency of the generator 26, can. example, a 5000 Hz can be used. The working frequency of the ultrasonic transmitter is z. B. around 5 MHz. In the constructive execution of the attachment of the quartz oscillator 25 to the welding electrode 3, the usual ultrasound-technical precautions should be taken that allow reflection and a good efficiency of the arrangement. The shape of the welding electrode 3 should expediently be chosen so that, in addition to good welding properties, as few disruptive ultrasonic side reflections as possible can arise on or in the electrode itself.
The circuit of the staircase voltage generator 31 and the downstream stages 32 and 33 is shown in more detail in FIG. 4 in an exemplary embodiment. The circuit is chosen so that when the reflux pulse corresponding to the working piece parting line disappears or significantly decreases in size, a control process occurs which causes the welding current to be interrupted. This is the case when the metals in the welding point have merged during the welding process.
In Fig. 5a and 4b voltage diagrams are shown. That show the ultrasonic pulses occurring during a pulse train period as a function of time, namely Fig. 5a, the case that after. Emission of the transmitter pulse A three return pulses B, C and D are IN ANY. B corresponds to the parting line between the electrode 3 and the upper part of the workpiece 4, C to the parting line between the two workpiece parts and D to the parting line between the lower part of the workpiece and the welding electrode 5.
In general, a further return pulse will occur after the return pulse D, which corresponds to the lower end of the welding electrode 5, but this is a relatively large distance from B and is not shown since it is of no importance for the operation of the circuit. If the welding current has caused the workpiece metal to flow together, the return pulse C disappears almost or completely, and the result is a voltage diagram according to FIG. 5b.
The output voltage of the receiver 30 is fed to the circuit according to FIG. 4 via the terminal 35 and rectified in the diode 36. @ In the amplifier tube 37, the rectified pulses are deformed by overdriving the tube in such a way that a narrow square pulse of constant amplitude is produced as shown in Figure 5c. A staircase voltage generator, which consists of diodes 38, 39 and capacitor 40, is pushed by these square-wave pulses. If, according to FIG. 5a, there are three return pulses, that is to say also three square-wave pulses according to FIG. 5e, a staircase voltage with three stages according to FIG. 5d is generated. At the.
At the end of each measurement period, the staircase voltage then reached is returned to the value zero with the aid of a clock pulse; this clock generator pulse leads the transmitter pulse somewhat in time and is fed to terminal 41. It reaches the grid of a triode 42, which is pre-tensioned by means of the potentiometer 52 so that the diode 43 connected to its cathode is non-conductive as long as the staircase voltage does not have more than two levels.
If, however, at the end of the measurement period, a negative blocking pulse of sufficient width is fed from the clock generator via terminal 41 to the grid of the triode 42, as shown in FIG. 5g, the voltage drop across the cathode resistor disappears. of the tube 42 and thus also the bias voltage of the diode 43. The staircase voltage capacitor 40 then discharges via the cathode resistance of the tube 42.
The capacitor 40 is also connected via a further biased diode 44 to a monostable multivibrator, which consists of the tubes 45 and 46. If the staircase voltage has three levels (Fig. 5 (, 1), if the bias voltage of the diode 44 is set correctly, a signal is sent to the flip-flop circuit by means of the potentiometer 47. The potentiometer 47 is to be set so that this is only possible when present The signal that then reaches the control grid of the tube 45 causes the monostable multivibrator to tip over. A negative pulse occurs at the anode of the tube 45, which is sent via a diode 48 to the grid of the controllable gas discharge vessel 49 arrives.
In this case, a resistor-capacitor combination is provided in the grid circle of this tube, the time constant of which is selected so that the tube 49 does not ignite when the negative pulse appears continuously. If, however, the pulse C ceases to exist, only two steps are created on the capacitor 40, as indicated in FIG. 5e. The multi vibrator 45, 46 is not triggered because with only two steps, the voltage on the capacitor 40 is not high enough to make the diode 44 conductive. The negative charge on the grid of the tube 49 is then no longer renewed, so that this tube ignites as soon as the capacitor located in its grid circle. is sufficiently discharged.
The ignition of the tube 49 generates a control pulse at its anode (Fig. 5f), which is given via the terminal 50 to the Schaltvorrich device 34 of the welding transformer and this causes the welding transformer to switch off. If the adjustment pressure of the welding electrode is not high enough, no welding current can flow because the gas discharge tube 49 is set so that it is continuously, e.g. B. in 50 Hz cycle, blocking pulses a there. This is the case as long as there are only two or fewer reflected pulses. Only at the moment when the electrode pressure is high enough to allow good penetration of the ultrasound into the workpiece, a clear third reflex pulse C is formed.
Then there are three pulses to control the staircase generator, there are negative pulses to the grid of the tube 49, which charge the capacitor of the grid time constant element and, after charging, act that the tube 49 no blocking pulses via the terminal 50 to the Switching device 34 can deliver. The welding transformer 21 is thus switched on and the welding process can begin.