Die
Forderungen der Zusammenführung
mehrerer und bekannter Einflussfaktoren, die die Qualität ausgeführter Schweißverbindungen
bestimmen, zu einem Indikator beim Lichtbogenschweißen ergeben
sich insbesondere aus automatisierten Schweißprozessen. Hier ist es notwendig,
die automatisierte Kontrolle der Fertigungsqualität einzuführen und
damit die Einhaltung von Anforderungen an die Schweißnähte zu kontrollieren.
Die
Industrie sucht dringend nach Lösungen,
die eine Qualitätskontrolle
in der automatisierten Schweißfertigung
ermöglichen.
Prinzipiell kommen dazu eine Reihe verschiedener zerstörungsfreier
Prüfverfahren
in Frage, die allerdings z. Zt. teilweise auf Grund mehrerer Nachteile
keine Lösung
darstellen.
Folgende
Prüfverfahren
werden gemäß ermittelbarem
Stand der Technik genutzt:
1. Durchstrahlen mit Röntgengeräten
Diese
Technik wird für
Einzelnähte
und hochanspruchsvolle Nähte
erfolgreich eingesetzt. Das Verfahren ist aber technisch nur schwer
zu automatisieren und hinsichtlich der Kosten bei vielen Nähten nicht
realisierbar.
2. Prüfung mittels Ultraschalltechnik
Ultraschall
wird sehr erfolgreich in der Serienproduktion bei Rohren (Endlosrohrfertigung)
eingesetzt. Die Abtastung erfordert mindestens die gleiche Zeit
und einen ähnlichen
Bewegungsapparat wie der eigentliche Produktionsprozess und so würden sich
die Produktionskosten mindestens verdoppeln.
3. Optische Kontrollen
der Nahtoberfläche
Hier
erfolgt eine automatische, durch moderne visuelle Einrichtungen
(Kamera, Linienscanner) gestützte,
optische Kontrolle der Nahtoberfläche.
Diese
Verfahren stellen teilweise eine Lösung dar. Erhebliche Kosten
entstehen jedoch dadurch, dass die Systeme selber noch sehr kostenintensiv
sind, erhebliche Projektierungskosten verursachen und einen zusätzlichen
nur dafür
zuständigen
Bewegungsapparat entlang der Naht erfordern. Die Geschwindigkeit
der Kontrolle ist stark abhängig
von der gewünschten
minimalen Fehlergröße und der
Verarbeitungs- und Scanngeschwindigkeit (typischerweise 3-mal langsamer
als die Schweißzeit).
Angewandte Systeme kontrollieren nicht alle Nähte, um die Kosten im Rahmen
zu halten. Hinsichtlich der Fehlerkennung wurden große Fortschritte
in den letzten Jahre erzielt. Unerkannt bleiben aber alle Fugenverläufe, die
auch optisch nicht erkennbar sind. Schlackereste auf der Oberfläche können nicht
von wirklichen Fehlern unterschieden werden. Kritisch sind weiterhin
Helligkeitsschwankungen und Spiegeleffekte. Die Einbrand- und Anbindungsprobleme
werden nicht erkannt, wenn die Naht den Fugenverlauf so abdeckt,
dass sie äußerlich
nicht erkennbar sind.
4. Inline-Überwachung
des Schweißlichtbogens
Diese
bekannten Systeme erfassen während
des Schweißprozesses
Werte auf dem Lichtbogen und nutzen diese zur Beurteilung der Nahtqualität. Der Lichtbogen
ist in einem solchen Prozess nicht nur durch das Werkzeug zur Bearbeitung,
sondern gleichzeitig der Sensor. Bekannter sind dabei Systeme, die
nur die elektrischen Werte aus dem Lichtbogen messen (Strom, Spannung);
untersucht wurden aber auch Licht-, Wärmestrahlung als auch Schall.
Der Einsatz solcher Systeme basiert auf dem enormen Vorteil, dass
die Fehler während
des Prozesses erkannt werden und zusätzliche nachgeschaltete Einrichtungen
zur Nahtkontrolle wegfallen. Sie weisen schon damit einen enormen
Kostenvorteil auf. Die Erkennbarkeit von Schweißunregelmäßigkeiten ist zur Zeit aber
noch nicht ausreichend, um sicher 95 % in der laufenden Produktion
abzudecken, insbesondere wird der Nahtversatz nicht erkannt.
Typische
Vertreter dieser Systeme nutzen langsam abgetastete Werte und beurteilen
die Einhaltung des Schweißstromes,
der Schweißspannung
und anderer Größen. Die
fortschrittlichsten Geräte
arbeiten mit dem Prinzip der Hüllkurvenüberwachung,
wobei das typische zeitliche Verhalten der Größen Schweißspannung, Schweißstrom etc.
aufgenommen werden und durch eine diesem Verhalten angepasste Hüllkurve überwacht
wird. Durch die einfache Mittelwertbildung der hochdynamischen Schweißstrom-
und Schweißspannungswerte
gehen aber einer Reihe von Informationen aus dem Lichtbogen verloren,
so dass trotz Hüllkurven keine
Lageabweichungen der Naht feststellbar sind.
Ein
anderes schon lange bekanntes Verfahren nach
DD 273797 erreicht eine höhere Empfindlichkeit, weil
es höhere
Abtastraten verwendet und statistische Verfahren zur Auswertung
benutzt. Es wird dabei die Fuzzy-Pattern-Klassifikation benutzt,
d. h. in einer ersten Phase wird der Schweißprozess eingelernt und bildet sich
in diesen Pattern ab. In einer zweiten Phase werden die realen Pattern
mit den abgespeicherten verglichen und Abweichungen erkannt. Ausgegangen
wird davon, dass der Prozess beim MIG/MAG-Schweißen sich in den elektrischen
Größen Schweißstrom und
-spannung widerspiegelt. Die Signalmuster entstehen durch digitales
Messen von Schweißstrom
i(t) und Schweißspannung
u(t) und durch Bildung von Amplitudenhäufigkeitsverteilungen der Signale
mit einem definierten Zeitfenster. Dabei handelt es sich um eines
der üblichen
Verfahren der Signalanalyse. In der Praxis zeigt sich, dass dieses
Verfahren über
den gravierenden Nachteil verfügt,
dass diese Einlernprozesse sehr aufwendig sind und es die Produktion
von Gut- und Schlechtteilen erfordert. Damit werden nur die eingelernten
Verhältnisse
berücksichtigt
und es ist sehr aufwendig, die Abweichungsgrenzen dieser komplizierten
Muster einzustellen. Jegliche kleine Änderung der Schweißparameter
durch technologische Anpassungen ruft den gleichen Einlernaufwand
wieder hervor. Trotz dieses hohen Aufwandes ist die Erkennung von
Schweißunregelmäßigkeiten
aber nur unwesentlich besser, als bei den klassischen Verfahren.
Die derzeitige statistische Verarbeitung und die Referenzmuster
sind nicht in der Lage, ähnlich
von der Hüllkurvenbewertung,
die Veränderungen
in einer Naht ausreichend abzubilden. Entweder werden somit die
Bewertungsgrenzen zu starr und es entsteht zu viel Pseudoausschuss
oder es werden zu wenig Fehler erkannt. Ein weiteres Hauptproblem
sind die Aufwendungen zum Einlernen und zur Nachvollziehbarkeit
der Bewertung. Die industriellen Anwender beklagten den erheblichen
Aufwand zum Einlernen der Systeme. Außerdem gibt es keine Möglichkeit
zu erkennen, warum das System eine Naht aussortiert.
Zum
konkret ermittelbaren Stand der Technik ist Folgendes zu sagen.
Nach
einer Veröffentlichung
des Beitrages „Vertrauen
ist gut, Kontrolle ist besser" in
der Reihe „Flexible
Automation", Nr.
4/2001, S. 21, 22 wird eine Lösung
beschrieben, die auf der Basis der Überwachung von Schweißstrom,
Schweißspannung,
Drahtvorschubmenge und Gasflussmenge beruht. Diese Lösung basiert dabei
auf der Erfassung der Größen mit
einer niedrigen Abtastrate. Da diese Werte mit festen Grenzen verglichen
werden, müssen
die Startphase und Kraterfüllphase
vollständig
aus der Überwachung
ausgeblendet werden, d.h. in diesem Bereich findet keine Überwachung
statt. Auch kann sich das System den reproduzierbaren Lichtbogenveränderungen,
die beim Roboterschweissen meist auftreten, nicht anpassen sondern
muß feste Überwachungsgrenzen
vorgeben, die damit sehr weit und fehlerunsensibel sind. Obwohl
hier von sensorischen Eigenschaften des Lichtbogens gesprochen wird,
ermöglicht
die angewandte niedrige Abtastrate es grundsätzlich nicht, die Dynamikveränderungen
des Lichtbogens zu erfassen, wie sie bei Löchern oder Poren auftreten.
In
der Veröffentlichung „Überwachte
automatisierte Schweißung
von Gabelzinken" in
der Reihe „Der Praktiker" 11/2000, S. 424
bis 429 der Autoren Schauder, V. und Schäfer, T. wird ein ähnliches,
wie v.g. beschrieben, System dargelegt, welches zusätzlich noch
die Werkstücktemperatur
erfasst. Damit wird eine kontrollierte und bessere Prozessführung ermöglicht,
die besonders bei Mehrlagenschweißungen eine zu geringe oder
zu hohe Vorwärmung
der Schweißstelle
verhindert und damit die metallurgische Führung des beschriebenen sensiblen
Schweißprozesses
ermöglicht.
Da ansonsten die gleichen Geräte
und Auswertungen verwendet werden, ist eine Erkennbarkeit von Schweißunregelmäßigkeiten,
genau wie in der v.g. Veröffentlichung, eingeschränkt.
Eine
weitere Veröffentlichung „Selbstlernende
Parameterüberwachung
und Ferndiagnose zur Qualitätssicherung
von Schweißprozessen
in flexiblen Fertigungssystemen" in
DVS-Berichte 217
aus dem Jahr 2002, ISBN: 3-87155-675-0 der Autoren Dietrich, S.
und Rippl, P. zeigt ein Prinzip der Hüllkurvenüberwachung angewandt auf Daten,
die mit gleicher niedriger Abtastfrequenz, wie in den beiden vorangegangenen
Lösungen
geschil dert, erfasst werden. Hier wird durch einen Lernprozess das
typische zeitliche Verhalten der Größen über den gesamten Schweißprozess
abgebildet. Die Messwerte müssen
sich sozusagen immer innerhalb eines erlaubten Korridors aushalten,
wobei die Start- und Kraterfüllphase
eingeschlossen ist. Damit ist eine bessere Fehlererkennbarkeit gegeben,
allerdings ist diese immer noch nicht ausreichend, um Schweißporen oder
Verunreinigungen als auch Lageabweichungen zu erfassen, da auch
hier alle dynamischen Informationen des Lichtbogens nicht ausgewertet
werden. Die Anwendung von Hüllkurven
ist bereits üblicher
Stand der Technik.
Nach
DE 102 21 023 A1 werden
ein Verfahren und eine Anordnung zur Qualitätssicherung beschrieben. Dabei
wird auf den Stand der Technik der v.g. beschriebenen Veröffentlichungen
aufgebaut und eine Reihe weiterer Größen erfasst, wie sie beim Pulsschweissen
vorkommen und daher nur hier Relevanz besitzen. Die Erfassung der
Größen erfolgt
mit niedriger Frequenz (1/20 s oder 1/50 s). Eine Qualitätssicherung
ist eine der Zielstellungen, wobei wiederum eine Reihe von Schweißunregelmäßigkeiten
nicht erkennbar sind, da dynamische Veränderungen des Lichtbogens nicht
erfasst und ausgewertet werden. Kritisch ist besonders anzumerken,
daß die
erfassten Größen direkt
aus der Stromquelle abgegriffen werden, die den Schweißprozess auch
steuert. Die Benutzung der gleichen Erfassungsglieder der Stromquelle
zur Steuerung des Schweißprozesses
als auch zur Überwachung
führt bei
Fehlern oder Abweichungen in der Stromquelle auch dazu, dass mit
fehlerhaften Werten geschweißt
wird und die Überwachung
nicht in der Lage ist, dies festzustellen. Insgesamt wird durch
diese Lösung
kein Beitrag zur Verbesserung der Qualitätssicherung sichtbar.
Mit
DE 195 22 538 A1 wird
ein Verfahren zur Bogenschweißenfehlerdetektion
vorgeschlagen. Es werden dynamische Veränderungen der gemessenen Werte
Schweißstrom
und -spannung ausgewertet, um Unregelmäßigkeiten beim Schweißen zu erkennen.
Dieses Verfahren versucht auf Basis höherer Abtastraten (1024 Hz)
mit Hilfe der Standardabweichung, der Fastfouriertransformation
und auch der Ermittlung von Ableitungen dieser Größen, dynamische
Veränderungen
des Schweißlichtbogens
zu erfassen, um Schweißunregelmäßigkeiten
zu erkennen und nach Überschreitung
von Schwellen auf Fehlstellen hinzuweisen. Während die Berechnung der Standardabweichung
noch ein einfacher Rechenalgorithmus ist, bedingt die Berechnung der
Fastfouriertransformation einen schon wesentlich höheren Rechenaufwand,
der damit nur herangezogen werden soll, wenn aus der Standardabweichung
keine klaren Erkenntnisse gezogen werden können. Allerdings wird der Rechenaufwand
damit sehr umfangreich, was leistungsfähige Prozessoren voraussetzt.
Die Algorithmen arbeiten immer getrennt für Schweißstrom und -spannung, obwohl
diese im Zusammenhang gesehen werden müssen. Die relativ großen Veränderungen
in der Dynamik des Lichtbogens bei Gasmangel oder starken Verunreinigungen
sind damit unter bestimmten Bedingungen erkennbar. Bei Schweißprozessen
mit aufgeprägtem
Pulsverhalten, wie sie zunehmend durch die bessere Steuerbarkeit
des Tropfenübergangs
zum Einsatz kommen, führen
diese Berechnungen zu keinem Ergebnis. Die Änderungen durch die Schweißpulse sind
deutlich größer als
Unregelmäßigkeiten
des Lichtbogens, so dass diese Abweichungen z.B. durch Gasmangel
nicht findbar sind. Auf Grund der Art der Datenverarbeitung liegt
keine ausreichende Sensibilität
hinsichtlich der dynamischen Abweichungen im Lichtbogen vor und
Schweißunregelmäßigkeiten,
die nur geringe dynamische Veränderungen
im Lichtbogen hervorrufen sind damit nicht erkennbar. Das Erkennungsverfahren ist
stark eingeschränkt
auf die Erkennbarkeit sogenannter instabiler Lichtbögen und
kann somit immer noch nicht die Anforderungen an eine ausreichend
hohe Erkennbarkeit von Schweißunregelmäßigkeiten
für die
Industrie gewährleisten.
Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass die bisher bekannten Verfahren entweder
in der Erkennung von Schweißunregelmäßigkeiten
zu unempfindlich sind oder aber durch ihre Komplexität den Einlernaufwand
und die fehlende Reproduzierbarkeit nicht für den industriellen Einsatz,
insbesondere in automatisierten Schweißprozessen der Fließfertigung
geeignet sind.
Damit
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen
Hilfe es möglich
ist, die geringen dynamischen Änderungen
in Schweißstrom-
und Schweißspannung
bei Schweißunregelmäßigkeiten,
Veränderungen
in der Lage der Schweißung
zum Fugenverlauf, im Abschmelzverhalten durch Veränderungen
der Zusatzwerkstoffe oder ähnlichen
Einflüssen
zu erkennen und deutlich in einem charakteristischen Wert abzubilden – einem
Indikator – der
weitgehend unabhängig
von den wirklichen Schweißstrom- und Schweißspannungswerten
ist, dabei aktuell während
des Schweißens
nur aus den gemessenen Werten für Schweißspannung
und Schweißstrom
berechnet werden kann, keine einlernbaren Muster benötigt und
eine wirksame und hochempfindliche Überwachung der automatisierten
Fertigung oder die Lichtbogenanalyse ermöglicht, wodurch eine deutlich höhere und
einfacher zu handhabende Erkennung von Schweißunregelmäßigkeiten oder anderen Veränderungen
in der Dynamik des Schweißlichtbogens
festgestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe wie folgt gelöst,
wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf
den Patentanspruch 1 verwiesen wird.
Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch
2.
Zur
erfindungsgemäßen Lösung sollen
weitere Erläuterungen
folgen.
Unter
Verwendung an sich bekannter Geräte
oder Einrichtungen werden der Schweißstrom-Istwert und der Schweißspannungs-Istwert
mit einer ausreichenden Messfrequenz synchron zueinander erfasst.
Diese Messfrequenz muss so hoch sein, dass sie die typischen dynamischen
Muster, die sich durch die Schweißtropfenablösung oder andere modulierte
Frequenzen (Pulsen) ausbilden, technisch ausreichend in ihrem Verlauf
abbildet.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht im
ersten Schritt darin, dass die zu einem Zeitpunkt
immer paarig gemessenen Werte zu einer Lichtbogenlänge unter
Anwendung allgemein bekannter Annäherungsgleichungen für die Lichtbogenlänge verrechnet
werden. In einem
zweiten Schritt wird diese Lichtbogenlänge mit
einer aus den bisherigen Werten vorhergesagten Lichtbogenlänge und
die Differenz ermittelt. Die vorhergesagte Lichtbogenlänge kann
im einfachsten Fall eine lineare Approximation bisheriger Lichtbogenlängenwerte
sein. In einem
dritten Schritt werden die Differenz dieser
Lichtbogenlängen
immer über
mehrere Werte als summarisch gleitende Summe des Betrages berechnet,
wodurch ein Wert für
viele erfasste Abtastwerte gebildet wird. Technisch sinnvoll werden
soviel Werte zusammengefasst, dass ein Summenwert innerhalb von
ca. 0,1 bis 0,01 s zur Verfügung
steht, der im weiteren als Prozessindex Kappa bezeichnet wird. In
einem
vierten Schritt wird dieser Prozessindex nur noch alle
0,1 bzw. 0,01 s mit einem Sollwert, der vorher für ordnungsgemäße Schweißprozesse
ermittelt wurde, verglichen und zeigt durch seine Abweichung Schweißunregelmäßigkeiten
z. B. durch Verlassen der Schweißfuge, Verunreinigungen, Gasfehler
usw., an. Es kann dieser Wert auch in einer anderen Auslegung und
fünften Schritt
dazu genutzt werden, z. B. die Schweißeignung von Zusatzwerkstoffen
miteinander zu vergleichen, da dieser Prozessindex Kappa mit Vergrößerung seines
Wertes eine größere Unruhe
des Lichtbogens anzeigt.
Der
erfinderische Gedanken basiert auf Beobachtungen und physikalischen
Betrachtungen des Lichtbogens und im Besonderen darin, dass sich
Veränderungen
im Schweißstrom-
und Schweißspannung
immer zum Einen durch nachvollziehbare deterministische Muster (Pulslichtbogen,
Tropfenablösung
beim Kurzlichtbogenschweißen
usw.) gekennzeichnet sind, auf die sich die wesentlich schnelleren
Veränderungen
der Lichtbogensäule
durch andere Einflüsse
aufmodulieren. Dabei stehen Schweißstrom und Schweißspannung
durch das Schweißplasma
in unmittelbarem Zusammenhang. Das Lichtbogenplasma, charakterisiert
durch die Lichtbogenlänge,
zeigt das stochastische Verhalten des Lichtbogens an, da sich der
Lichtbogenfußpunkt
in einer hohen, vom Auge nicht wahrnehmbaren, Frequenz verändert und
prägt dieses
Muster auf die wesentlich größeren Änderungen
durch die Tropfenablösung
bzw. das Pulsen auf. Verfahrensgemäß wurden auf sehr einfache
Art und Weise diese Veränderungen
des Lichtbogenplasmas ermittelt und gleichzeitig eine erhebliche
Datenreduktion erreicht. Der Prozessindex Kappa kann nun wie ein üblicher
messbarer, sensorischer Wert für
die Überwachung
und Analyse des Schweißprozesses
herangezogen werden. Deutlich zeigt sich, das dieser Wert innerhalb
einer Schweißfuge
kleiner ist als außerhalb,
da der Lichtbogen innerhalb der Schweißfuge stärker in seiner Bewegungsfreiheit
eingeengt ist. Bei Veränderungen
des Schweißplasmas
durch Verunreinigungen oder ungenügendem Gasschutz, der zumeist
zu porigen Nähten
fuhrt, sind erhebliche Vergrößerungen
des Prozessindex Kappa zu verzeichnen.
Das
Verfahren kann sehr einfach mittels eines Mikroprozessors oder eines
Signalprozessors realisiert werden. Es wird während der Laufzeit ohne Ablage
aufwendiger Muster und einem damit verbundenen Speicherbedarf und
ohne Einlernaufwand ermittelt. Durch die Berechnung des Prozessindexes
Kappa, dessen Größe die stochastischen
Bewegungen der Lichtbogensäule
widerspiegelt, sind alle daraus folgenden Erkenntnisse der Überwachung
von Schweißprozessen
oder der Analyse nachvollziehbar und sie sind nicht das Ergebnis
des Vergleichs abstrakter Muster oder statistischer Merkmale.
Da
die Ermittlung des Prozessindex Kappa auf nachvollziehbaren physikalischen
Zusammenhängen im
Lichtbogen beruht, wird auch eine wesentlich höhere Empfindlichkeit gegenüber diesen
zu erkennenden Problemen erreicht, als es durch die bisher angewandten
Verfahren möglich
war.
