DD142677A1

DD142677A1 - Verfahren zum messen von prozesskenngroessen beim schweissen

Info

Publication number: DD142677A1
Application number: DD21187379A
Authority: DD
Inventors: Reiner Mack; Erhard Flohrer; Horst Herold
Original assignee: Reiner Mack; Erhard Flohrer; Horst Herold
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1980-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen, Verdichten und zur Anzeige von Schweißdaten in direkter Verbindung mit thermischen Kenngrößen, wobei die Meßinformationen zur direkten oder indirekten Prozeßregelung dienen und den schweißtechnischen Prozeß beurteilen und optimieren. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zeitgleiche Darstellung abhängiger Meßinformationen des Schweißprozesses erfolgt, indem die Verbindung zwischen elektrischen Meßgrößen, dem Wärmeeintrag und thermischen Prozeßdaten hergestellt wird. Die Vorteile bestehen in der komplexen Erfassung von Prozeßkenngrößen beim Schweißen, in einer einfachen Auswertung der Meßergebnisse durch Speicherung von Prozeßdaten, der Möglichkeit die Meßwertverläufe zu registrieren und Meßwerte, die digital angezeigt werden, direkt einem Drucker- oder Lochersystem anzuschließen, um eine rechnergestützte Meßsignalverarbeitung zu ermöglichen.

Description

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Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen, Verdichten und zur Anzeige von Schweißdaten in direkter Verbindung mit thermischen Kenngrößen, wobei die Meßinformationen zur direkten oder indirekten Prozeßregelung dienen und den schweißtechnischen Prozeß beurteilen und optimieren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits Verfahren bekannt, mit denen die Schweißdaten einzeln mit mehr oder weniger großer Meßunsicherheit erfaßt, verarbeitet und aügezeigt werden. Die Messung des Schweißstromes wird bekanntermaßen mit Drehspulinstrumenten durchgeführt, die den Spannungsabfall über einen Hebenwiderstanä messen. Der Nachteil dieser Messung ist die Ermittlung eines arithmetischen Mittelwertes I_ der Zeitfunktion des Schweiß-Stromes i₃ (t), der bei periodischen, mit beachtlichen stochastischen Anteilen überlagerten Meßfunktionen keine Aussage über den äquivalenten·Energieinhalt des Stromes i_ (t) zuläßt. Die Kennwertbildung des Schweißstromes i_Q (t) mit dem Ziel der anschließenden Berechnung des Wärmeeintrages i2, ist demzufolge mit einem großen systematischen Fehler be-

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haftet, der mit der Vergrößerung des süochasti3chen Anteiles der Meßfunktion ansteigt und neben der durch die im allgemeinen großen Fehlerklassen der Anzeigegeräte bedingten Meßunsicherheiten die Gesamtunsicherheit des Meßverfahrens unzulässig erhöht. iCine Meßbereichsumschaltung der eingebauten Instrumente ist nicht möglich und zur Erfassung eines großen Schweißstrombereiches sind mehrere Nebenwiderstände erforderlich.

Die Schweißspannung u (t) wird direkt an der Schweißstromquelle an dafür eingesetzten Drehspulgeräten gemessen. Die Nachteile treten entsprechend der Strommeßverfahren auf. Der Spannungsabfall im Schweißkabel verfälscht das Meßergebnis ebenfalls.

Die Schweißgeschwindigkeit ν kann mit bekannten Geschwindigkeitsmeßmethoden /1/ u. a. analog-kontinuierlich durch Wegmessung und Signaldifferentiation, Induktionsgeber translatorisch und rotatorisch, analog-diskontinuierlich als mittlere Geschwindigkeit durch Messung der Zeit beim Durchlaufen einer bekannten Wegstrecke mit Initiatoren und Speicherschaltungen (Kondensatorladung) oder digital gemessen werden. Nachteile bestehen bei analog-kontinuierlichen Meßverfahren durch das erforderliche Anbringen der Aufnehmer an den Vorschubapparat der Schweißmaschine, durch die möglicherweise erforderliche Transformation der Translations- in eine Rotationsbewegung, in einer komplizierten und teueren Auswerteelektronik bei digitalen Meßeinrichtungen mit Universalzählgeräten.

/1/ Rohrbach, Chr. "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" VDI-Verlag Düsseldorf, Ausgabe 1967

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Die meßtechnische Ermittlung des Wärmeeintrages JJ kann durch nachträgliche Multiplikation bzw. Division der Einzelmeßwerte erfolgen. Der rechnerische Aufwand ist bei einer Vielzahl durchzuführender Messungen erheblich. Die Gesamtmeßunsicherheit U₃ wird wesentlich durch die Fehlerklassen der Anzeigegeräte bestimmt.

/ ⁺V_V Πλ ' ⁺⁽^V^ V_nJ "S S S ^yS S

Daraus resultiert der entscheidende Nachteil der Meßmethode, die Einzelwerte abzulesen und eine Verrechnung durchzuführen.

Die Abkühlzeit t. läßt sich bekanntermaßen /2/ durch Ermittlung der Abkühlfunktion in der Schweißnaht v_Q (t) mit elektrisehen l'emperaturmeßsystemen und Bestimmung der Abkühldauer, festgelegt durch zwei auf bestimmte l'emperaturniveaus bezogene elektrische Komperatoren oder durch Auswertung einer Diagrammaufzeichnung der Abkühlfunktion y (t), meßtechnisch auswerten. Die dafür erforderliche Gerätetechnik bei Anwendung handelsüblicher Systeme und digitaler Meßsignalausgabe oder auch bei Aufzeichnung der Abkühlfunktion v_a (t) auf einem x-y-Schreiber und nachträglicher Auswertung ist erheblich und ein Auswertefehler bei manueller Diagrammauswertung ist in Abhängigkeit von subjektiven Einflüssen immer möglich. Die Bestimmung der Abkühlzeit aus dem Diagramm ist in jedem Falle sehr zeitaufwendig.

/2/ Kas, J. und van Andrichem, T., "Einfluß der Schweißparameter auf den Abkühlverlauf in der Schweißverbindung" Schweißen und Schneiden 21 (1969) 5, S. 199 - 203

Die weiteren Meßgrößen, wie Vorwärmtemperatur und Schweißfolgezeit, lassen sich mit bekannter-Meßgerätetechnik einzeln bestimmen. Der Aufwand ist insofern beachtlich, daß eine Vielzahl von Teilsystemen und Verfahrensschritten, wie Meß-' signalverarbeitung, Hilfsenergieerzeugung, Vergleichsgrößenbildung usw. erforderlich sind.

Die Ermittlung der dargestellten Meßdaten macht einen umfangreichen Versuchsaufbau und viele Verfahrensschritte erforderlich. Die Berechnung des Wärmeeintrages E aus ermittelten Meßwerten des Schweißstromes ϊ_ , der Schweißspannung ΰ und der Schweißgeschwindigkeit v„ sowie auch die Auswertung von Meßdiagrammen, um zu Aussagen über den Schweißprozeß in der Einheit elektrischer Schweißdaten und thermischer Kenngrößen zu gelangen, ist sehr langwierig, bedarf den Einsatz zusätzlicher Personen und ist mit einer Vielzahl von Fehlerquellen behaftet. ^:

Ziel der Erfindung - · ^:. - .

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen zu entwickeln, das die komplexe Erfassung, Verarbeitung, Anzeige oder auch .Registrierung sowie eine Schweißprozeßsteuerung ermöglicht, wobei der Meßzyklus durch den Schweißprozeß oder manuell geregelt und die angezeigten Meßwerte der nur während des Schweißprozesses meßbaren Daten Wärmeeintrag E, Schweißgeschwindigkeit v_ und auch die Abkühlzeit t, gespeichert werden. Ziel ist weiterhin, Kenngrößen des Wärmeeintrages einzeln und den Wärmeeintrag selbst, thermische Kenngrößen, wie Schweißtemperatur, Abkühlzeit und Schweißfolgezeit unter Einbeziehung des Zeitablaufes durch gleichzeitige Srmittiung der Meßwerte parallel darzustellen und vergleichbar zu machen.

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Wesen dor Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur komplexen, zeitgieichen üirmittlung und Darstellung von Schweißdaten zu entwickeln, bei dem. der Verlaufswert des Schweißströmes i (t), der Verlaufswert der Schweißspannung

o (*)i eine mittlere Schweißgeschwindigkeit ν , der Wärmeeintrag E, der Temperaturverlauf beim Abkühlen der Schweißnaht '(t), die Abkühlzeit t. , die Vorwärmteciperatur v_v (t) und die Schweißfolgezeit t_z in entsprechenden Meßbereichen erfaßt, verarbeitet, angezeigt und nachgeschalteten Meßgeräten angepaßt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zeitgleiche Darstellung abhängiger Meß informationen des Schweißprozesses erfolgt, indem die Verbindung zwischen elektrischen Meßgrößen, dem Wärmeeintrag und thermischen Prozeßdaten hergestellt wird. Dazu wird der dem Schweißstrom proportionale Spannungsabfall des JN'ebenwiderstandes in der Masseleitung der Schweißstromquelle mit integrierten Operationsverstärkern gemessen, verstärkt, dem jeweiligen erforderlichen Meßbereich durch Umschaltung angepaßt und über ein Netzwerk zur Bildung des Effektivwertes sowohl einem Anzeigegerät als auch einem Multiplikator zugeführt. Weiterhin wird die Schweißspannung mit einem Eingangsteiler der Weiterverarbeitung angepaßt, mit einem automatischen Umschalter die Polarität der Schweißspannung ermittelt und je nach Polarität entweder direkt oder über einen invertierenden Operationsverstärker sowohl einem Anzeigegerät als auch dem Multiplikator zugeführt, nachdem mit einem Netzwerk der fCffektivwert gebildet wurde. Die dem Effektivwert des Schweißstromes bzw. der Schweißspannung proportionalen Spannungen werden mit dem Änalogmultiplikator zu einem Produktsignal verknüpft, das einem weiteren.Multiplikator zugeführt wird, der das der

Schweißgeschwindigkeit indirekt proportionale Spannungssignal mit dem Produktsignal entsprechend der Gleichung

U, * U

_TT . ¹S eff ^us eff

verknüpft, wobei die Ausgangsspannung IL· eine dem Wärmeeintrag E proportionalö Spannung darstellt. Das der Schweißgeschwindigkeit proportionale Spannungssignal U wird mit bekannten Meßmethoden diskontinuierlich bestimmtf Die Ausgangsspannung U wird mit einem Spannungsfrequenzumsetzer in ein digitales Meßsignal gewandelt und mit bekannten Methoden über Zählereinheiten einer digitalen Anzeigeeinheit zugeführt. Die Abkühlfunktion der Schweißtemperatur i/_ (t) wird mit Thermoelementen nach bekannten Methoden erfaßt, das Temperatur-Spannungssignal wird mit integrierten Operationsverstärkern verarbeitet und anschließend angezeigt sowie einer Auswerteschaltung zugeführt, die aus zwei einstellbaren Komperatoren besteht, mit denen zwei definierte Funktionswerte der Abkühlfunktion der Schweißtemperatur bestimmt werden. Die nachgeschaltete Torschaltung wird durch eine Auswert es chaltung nur angesteuert, wenn der größere Funktionswert zeitlich vor dem kleineren Funktionswert durchlaufen wird. Während der Toröffnungszeit, die proportional der Abkühlzeit t. ist, werden Impulse definierter Frequenz mit einem Zähler verarbeitet und einer Anzeigeeinheit zugeführt. Die Vorwärmteraperatur wird mit Thermoelementen im Ausschlagverfahren direkt gemessen und die Thermospannung einem analogen Anzeigegerät zugeführt. Außerdem wird eine aus dem Quarzgenerator abgeleitete Impulsfrequenz über einen Taktgeber einem vorzugsweise elektro-mechanischen Vorwahlzähler zugeführt, der eine der Schweißfolgezeit äquivalente Zeitan- ' gäbe ermöglicht und nach Ablauf einer voreingostellten Zeit

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ein optisches oder akustisches Signal abgibt. Mit dem Zünden, des Lichtbogens entsteht ein Spannungssprung, der über eine elektronische Schaltung ein Heiais ansteuert, mit dem die digitalen Anzeigen für den Wärmeeintrag iä und die Abkühlzeit t., die Nullstellung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung und das Nullstellen des elektro-mechanischen Zählers für die Schweißfoigezeit t₂ erfolgen. Nach Abschluß der Schweißgeschwindigkeit sermittlung wird die Torschaltung des Spannungs-Frequenz-Umsetzers gesteuert, der dem Wärmeeintrag E proportionale JFrequenzsignale dem. Zähler zuführt und gleichzeitig die Anzeige der Schweißgeschwindigkeit freigibt. Die Berechnung der Streckenenergie erfolgt unmittelbar nach Erfassung der Meßwerte für Schweißspannung, -strom und -geschwindigkeit durch das Gerät selbst und wird durch eine vierstellige Anzeige ausgegeben. Der Meßwert bleibt bis zum nächsten Meßvorgang gespeichert und kann an registrierende Geräte ausgegeben werden.

Äusführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. -

Das an einer Schweißstromquelle gemessene Spannungssignal wird über ein Teilsystem-Schweißspannungsmessung, bestehend aus einem Eingangsteiler, einem automatischen polumsehalter, der entsprechend der angelegten Schweißspannung das Meßsignal entweder direkt oder über einen invertierenden Operationsverstärker verarbeitet und einem Netzwerk zur Bildung des Effektivwertes, einem Multiplikator zugeführt.

Der Schweißstrom i (t) wird in der Masseleitung der Schweißstromquelle an einem .Nebanwiderstand gemessen und in einem Teiisysteia-Schv.rei.Qstrommessung, das aus einem Verstärker und

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einem Netzwerk zur Ermittlung des Effektivwertes besteht, verarbeitet und dem Multiplikator zugeführt und das Produkt U_n . IL gebildet. Mit einer Lichtschranke wird bei

^us eff s eff

Durchlaufen der Blende mit definierter Länge ein elektronisches Tor geöffnet. Während der Toröffnungszeit wird ein Kondensator durch eine Konstantstromquelle aufgeladen, wobei die Ladezeit indirekt proportional der Schweißgeschwindigkeit v_o ist, so daß das gewonnene Spannungssignal mit einem Multiplikator mit dem Produktsignal u_ . i_ multipliziert und der Wärmeeintrag . ,.

JtU =5

^üu ' ^Ui ^us off ¹S. eff

berechnet wird.

Das analoge, dem Wärmeeintrag S proportionale Spannungssignal U_a wird in einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer in ein diskretes Signal gewandelt und einer Torschaltung zugeführt, deren Tor-Öffnungszeit von einem Zeitgeber gesteuert wird. Dieser arbeitet mit Impulsen, die in einem Quarzgenerator erzeugt und in einem Frequenzteiler verarbeitet werden. Die in der Toröffnungszeit gemessenen Signalimpulse des diskreten Signals des Spannungs-Frequenz-Umsetzers werden mit einem Zähler verarbeitet und der Anzeigeeinheit zugeführt. Mit einem Teilsystem wird die Vorwärmtemperatur nach dem Anschlagverfahren analog gemessen, nachdem mit einem thermoelektrischen Wandler ein elektrisches Meßsignal Ul erzeugt wurde. Die in der

^v *-

Schweißnaht gemessene Schweißtemperatur yl (t) wird mit einer Teilsystem-Schweißtemperaturmessung nach Wandlung der nichtelektrischen Größe in ein elektrisches Signal Uo- mittels

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eines thermoelektrischen Wandlers verstärkt sowie einem Anzeigegerät zugeführt.

Das verstärkte Spannungssignal Us,¹ wird in einer Auswerte-

*s schaltung, die aus einem flankengeateuerten Flip-Flop und zwei vorgeschalteten Gattern zur Erzeugung der Schaltimpulse und einer Leistungsstufe zur Ansteuerung der Lichtquelle eines Optokopplers besteht, so verarbeitet, daß in Abhängigkeit zweier einstellbarer Triggerschwellen ein L-Signal an der Lichtquelle des Optokopplers entsteht, wenn das Spannungssignal UV kleiner als der obere Triggerpegel aber größer als der untere Triggerpegel ist. Das O-L-Signal steuert die Torschaltung, die vorzugsweise aus einer Fotodiode, einem Transistorverstärker und einem Multivibrator besteht. Während der Toröffnungszeit werden die im Quarzgenerator erzeugten und im Frequenzteiler verarbeiteten Impulse im Zähler verarbeitet und der Anzeigeeinheit zugeführt. Die in dem Quarzgenerator erzeugten und im Frequenzteiler verarbeiteten und auf ein Hertz geteilten Impulse werden einem Taktgeber zugeführt, der einen elektromechanischen Zähler ansteuert. Der Zähler zeigt die Schweißfolgezeit t_z in Sekunden an. Aus dem Zündimpuls des Schweißstromes i_a (t) wird.im System Nullstellung nach einer entsprechenden Verstärkung und Umwandlung in einen Impuls definierter Länge die kurzzeitige Erregung von zwei Relais erreicht, die die Nullstellung der digitalen Anzeigen, die Entladung des Speicherkondensators der Geschwindigkeitsmessung, die Abschaltung der Erregerspannung für den elektromagnetischen Zähler und das Rückstellen des elektromagnetischen Zählers bewirken. Mit einem Schalter wird eine im Netzteil gebildete Referenzspannung auf die Eingänge des Teilsystems-Schweißspannungsmessung und Teilsystems-Schweißstrommessung gegeben und im Zeitgeber ein definiertes Zeitsignal zur Ansteuerung des elektronischen Tores der Geschwindig-

keitsmeßeinrichtung, bestehend aus dem Kondensator und der Konstantstroiaguelle, erzeugt sowie die Torschaltung gesteuert, um eine Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Systeme zur Messung des Wärmeeintrages ja zu ermöglichen.

Der im Teilsystem=-Schweißspannung enthaltene Polumsehalter verarbeitet das Spannungssignal U (t) Polarität direkt,

s .

d. h., nach einem Spannungsteiler wird das Signal dem Netzwerk zur Bildung des Effektivwertes zugeführt. Bei negativer Polarität wird über einen 'Transistorverstärker ein JRelais angesteuert, das den Signalwag auf den Ausgang eines invertierenden Operationsverstärkers mit einer vorzugsweisen Verstärkung des Signals umschaltet, Der Operationsverstärker verarbeitet ständig das am Spannungsteiler anliegende Signal.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen und zur vergleichenden Darstellung von Meßwerten de3 Wärmeeintrages und von thermischen- Kenngrößen sowie der

• Anzeige des Zeitverlaufswertes durch meßtechnische Bestimmung von Strom, Spannung, Geschwindigkeit, Schweißtemperaturverlauf, Abkühlzeit, Vorwärmtemperatur und Schweißfolgezeit, gekennzeichnet dadurch, daß das beim Zünden des Lichtbogens gebildete Spannungssignal über eine elektronische Schaltung ein Relais ansteuert, mit dem die digitalen Anzeigen für den Wärmeeintrag und die Abkühlzeit, die .Nullstellung der Geschwinäigkeitsmeßeinrichtung und das Nullstellen des elektro-mechanischen Zählers für die ßchweißfolgezeit erfolgen und die dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer nachgeschaltete Torschaltung der digitalen Meßstreeke des Wärmeeinti-ages gesteuert wird, insgesamt ein automatischer Meßzyklus abläuft und die mehrfache Nutzung von Oszillator und frequenzteiler für die digitalen Meßstrecken der Äbkühlzeitbestimmung, der Ermittlung das Wärmeeintrages und der Ermittlung der Schweißfolgezeit erfolgt.

-At-

2» Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Polarität der Schweißspannung mit einem automatischen Umschalter ermittelt und je nach Polarität entweder direkt oder über einen invertierenden Operationsverstärker sowohl einem Anzeigegerät als auch dem Multiplikator zugeführt wird, nachdem mit einem Netzwerk der üffektivwert gebildet wurde.
5. Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die dem Effektivwert des Schweißstromes bzw. der Schweißspannung proportionalen Spannungen mit dem Analogmultiplikator zu einem Produktsignal verknüpft werden und ein weiterer Multiplikator das der Schweißgeschwindigkeit indirekt proportionale Spannungssignal mit dem Produktsignal verknüpft und die Ausgangsspannung eine dem V/ärmeeintrag proportionale Spannung darstellt.
4. Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein im Zeitgeber erzeugtes definiertes Zeitsignal die Ansteuerung des elektronischen Tores der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung vornimmt und zur Ermöglichung der Kontrolle der i?unktionsfähigkeit der Systeme zur Messung der Streckenenergie die Torschaltung steuert.