DE102005041465B3 - Detecting welding irregularities e.g., for industry, involves using measurement device to receive value pairs of weld current and voltage synchronously from welding point - Google Patents

Abstract

Detecting welding irregularities and analyzing arc behavior comprises use of a measurement device (3) which synchronously receives from welding point, pairs of values from welding current and welding voltage, and subsequently from each welding current/welding voltage pairs taken at a time (ti) in an arc-length calculator, a value for arc length for this value pair is established and stored, and subsequently from preceding calculated values of arc length approximator (5) are determined by an approximation with these values, to provide a calculated arc-length during welding at time point (t1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Schweißunregelmäßigkeiten und zur Analyse des Lichtbogenverhaltens.The The invention relates to a method for detecting welding irregularities and for the analysis of the arc behavior.

Sie dient dabei zur Ermittlung eines Indikators der Lichtbogendynamik, der deutlich auf Änderungen der Lichtbogendynamik, wie sie üblicherweise bei Schweißunregelmäßigkeiten, Lageabweichungen der Naht, Poren durch Verunreinigungen, fehlendem Gasschutz entstehen, anspricht. Dieser Indikator kann damit zur hochempfindlichen automatischen Erkennung von Schweißunregelmäßigkeiten verwendet werden und auch zur Analyse von Schweißprozessen beitragen bzw. den Einfluss von Stromquellen, Zusatzwerkstoffen feststellen und die Einstellungen im Schweißprozess bewerten sowie zur Weiterentwicklung von Schweißtechnologien dienen.she serves to determine an indicator of the arc dynamics, which clearly indicates changes in the Arc dynamics as they usually do in welding irregularities, Position deviations of the seam, pores due to contamination, missing Gas protection arise, appeals. This indicator can thus be highly sensitive automatic detection of welding irregularities can be used and also for the analysis of welding processes contribute or the influence of power sources, additional materials determine and evaluate the settings in the welding process as well as Further development of welding technologies serve.

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.The Demands of the merger several and known factors influencing the quality of welded joints determine to give an indicator in arc welding especially from automated welding processes. Here it is necessary to introduce automated manufacturing quality control and thus to control compliance with requirements on the welds.

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.The Industry is urgently looking for solutions the one quality control in automated welding production enable. In principle, come to a number of different non-destructive test methods in question, however, the z. Zt. Partly due to several disadvantages no solution represent.

Folgende Prüfverfahren werden gemäß ermittelbarem Stand der Technik genutzt:The following test methods be determined in accordance with State of the art used:

1. Durchstrahlen mit Röntgengeräten1. Radiography with X-ray devices

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.These Technology is for sutures and highly sophisticated seams used successfully. The process is technically difficult to automate and in terms of the cost of many seams not realizable.

2. Prüfung mittels Ultraschalltechnik2. Testing by means of ultrasound technology

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.Ultrasonic becomes very successful in series production of tubes (continuous tube production) used. The sampling requires at least the same time and a similar one Musculoskeletal system like the actual production process and so on at least double the production costs.

3. Optische Kontrollen der Nahtoberfläche3. Optical controls the seam surface

Hier erfolgt eine automatische, durch moderne visuelle Einrichtungen (Kamera, Linienscanner) gestützte, optische Kontrolle der Nahtoberfläche.Here is done automatically, by modern visual facilities Supported (camera, line scanner), visual inspection of the seam surface.

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.These Procedures are partly a solution. Substantial costs However, they are caused by the fact that the systems themselves are still very expensive are causing significant design costs and an additional only for that competent Require musculoskeletal system along the suture. The speed the control is highly dependent from the desired minimal error size and the Processing and scanning speed (typically 3 times slower as the welding time). Applied systems do not control all seams to keep costs under control to keep. Significant progress has been made with regard to misidentification achieved in recent years. However, all joint gradients remain undetected also not visually recognizable. Schlackereste on the surface can not be distinguished from real mistakes. Critical are still Brightness fluctuations and mirror effects. The Einbrand- and connection problems are not recognized when the seam covers the course of the joints so that they are outwardly are not recognizable.

4. Inline-Überwachung des Schweißlichtbogens4. Inline monitoring of the welding arc

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.These known systems detect values on the arc during the welding process and use these to assess the seam quality. The arc is in such a process not only by the tool for processing, but at the same time the sensor. Known are systems that only the elec measure electric values from the arc (current, voltage); But also light, heat radiation and sound were examined. The use of such systems is based on the tremendous advantage of detecting the errors during the process and eliminating the need for additional downstream seam inspection equipment. You already have an enormous cost advantage. The recognizability of welding irregularities is currently not sufficient to safely cover 95% in current production, in particular, the seam offset is not recognized.

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.typical Representatives of these systems use slowly sampled values and judge compliance with the welding current, the welding voltage and other sizes. The most advanced devices work with the principle of envelope monitoring, the typical temporal behavior of the variables welding voltage, welding current etc. and monitored by an envelope adapted to this behavior becomes. Due to the simple averaging of the highly dynamic welding current and welding voltage values but a lot of information is lost from the arc, so that despite envelopes no Position deviations of the seam are detectable.

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.Another long known method DD 273797 achieves higher sensitivity because it uses higher sampling rates and uses statistical methods for evaluation. The fuzzy pattern classification is used, ie in a first phase, the welding process is taught in and is reflected in this pattern. In a second phase, the real patterns are compared with the stored ones and deviations are detected. It is assumed that the process in MIG / MAG welding is reflected in the electrical quantities welding current and voltage. The signal patterns are generated by digitally measuring welding current i (t) and welding voltage u (t) and by forming amplitude frequency distributions of the signals with a defined time window. This is one of the usual methods of signal analysis. In practice it turns out that this method has the serious disadvantage that these learning processes are very complicated and it requires the production of good and bad parts. Thus, only the learned ratios are taken into account and it is very expensive to set the deviation limits of these complicated patterns. Any small change in the welding parameters due to technological adjustments calls for the same training effort again. Despite this high cost, the detection of welding irregularities is only marginally better than in the classical method. The current statistical processing and reference patterns are unable, similar to the envelope score, to map the changes in a seam sufficiently. Either the evaluation limits are too rigid and there is too much pseudo committee or too few errors are detected. Another major problem is the cost of learning and traceability of the assessment. The industrial users complained about the considerable effort required to learn the systems. In addition, there is no way to tell why the system is sorting out a seam.

Zum konkret ermittelbaren Stand der Technik ist Folgendes zu sagen.To the concrete state of the art can be said.

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.To a publication of the article "Trust is good, control is better "in the series "Flexible Automation ", no. 4/2001, p. 21, 22 becomes a solution described on the basis of the monitoring of welding current, Welding voltage, Wire feed rate and gas flow rate is based. This solution is based on this on capturing the sizes with a low sampling rate. Because these values are compared with fixed limits Need to become the starting phase and crater filling phase Completely from the surveillance are hidden, i. There is no monitoring in this area instead of. Also, the system can adapt to the reproducible arc changes, which usually occur during robot welding, not adapt but must have fixed monitoring limits pretend that they are very far and error-insensitive. Even though here is spoken of sensory properties of the arc, allows Basically, the applied low sampling rate does not change the dynamics of the arc, as they occur in holes or pores.

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.In the publication "Monitored automated welding of forks "in the series "The Practitioner" 11/2000, p. 424 to 429 of the authors Schauder, V. and Schäfer, T. becomes a similar, like v.g. described, system set out, which additionally the workpiece temperature detected. This enables a controlled and better process management, especially for multi-layer welding too low or too high preheating the weld prevents and thus the metallurgical leadership of the described sensitive welding process allows. Otherwise the same devices and evaluations is used, is a detectability of welding irregularities, just like in the v.g. Publication, limited.

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.A further publication "Self-learning parameter monitoring and remote diagnostics for quality assurance of welding processes in flexible manufacturing systems "in DVS reports 217 from the year 2002, ISBN: 3-87155-675-0 of the authors Dietrich, S. and Rippl, P. shows a principle of envelope monitoring applied to data, those with the same low sampling frequency as in the previous two solutions geschil dert, be detected. Here is through a learning process the typical temporal behavior of the sizes over the entire welding process displayed. The readings must always standing within an allowed corridor, so to speak with the start and crater filling phase is included. This gives better error recognition, However, this is still not sufficient to sweat pores or Contaminants as well as positional deviations to detect, as well here all the dynamic information of the arc has not been evaluated become. The application of envelopes is already more common State of the art.

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.To DE 102 21 023 A1 A method and arrangement for quality assurance are described. It is based on the state of the art of the publications described above and recorded a number of other sizes, as they occur in pulse welding and therefore have relevance only here. The acquisition of the quantities takes place with low frequency (1/20 s or 1/50 s). A quality assurance is one of the objectives, again a number of welding irregularities are not recognizable, since dynamic changes of the arc are not detected and evaluated. It should be noted critically that the measured quantities are picked up directly from the current source, which also controls the welding process. The use of the same sensing elements of the current source to control the welding process as well as to monitor, in the event of errors or deviations in the current source, also leads to welding with faulty values and the monitoring being unable to detect this. Overall, this solution makes no contribution to improving quality assurance.

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.With DE 195 22 538 A1 a method for arc welding defect detection is proposed. Dynamic changes in the measured values of welding current and voltage are evaluated in order to detect irregularities in welding. On the basis of higher sampling rates (1024 Hz), this method attempts to detect dynamic changes in the welding arc with the aid of the standard deviation, the fast-transformation transformation and also the determination of derivatives of these quantities in order to detect welding irregularities and to point out defects after exceeding thresholds. While the calculation of the standard deviation is still a simple calculation algorithm, the calculation of the fast Fourier transform requires a significantly higher computational effort, which should therefore only be used if no clear findings can be drawn from the standard deviation. However, the computational effort is thus very extensive, which requires powerful processors. The algorithms always work separately for welding current and voltage, although these must be seen in context. The relatively large changes in the dynamics of the arc in the absence of gas or heavy impurities are thus recognizable under certain conditions. In welding processes with imprinted pulse behavior, as they are increasingly used by the better controllability of the drop junction, these calculations lead to no result. The changes due to the welding pulses are significantly greater than irregularities of the arc, so that these deviations can not be found, for example due to lack of gas. Due to the nature of the data processing, there is insufficient sensitivity to the dynamic deviations in the arc, and welding irregularities that cause only slight dynamic changes in the arc are thus not recognizable. The detection method is severely limited to the detectability of so-called unstable arcs and thus still can not ensure the requirements for a sufficiently high detectability of welding irregularities for the industry.

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.In summary can be said that the previously known methods either in the detection of welding irregularities are too insensitive or by their complexity the Einlernaufwand and the lack of reproducibility not for industrial use, especially in automated welding processes of flow production are suitable.

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.It is therefore an object of the invention to develop a method by means of which it is possible, the small dynamic changes in welding current and welding voltage in welding irregularities, changes in the position of the weld to joints, in Abschmelzverhalten by changes in the filler materials or similar influences and clearly in a characteristic value - an indicator - which is largely independent of the actual welding current and welding voltage values, while currently only during welding from the measured values for Welding voltage and current can be calculated, requires no teach-in patterns and enables effective and highly sensitive automated production monitoring or arc analysis, which can detect significantly higher and easier-to-use detection of welding irregularities or other changes in welding arc dynamics.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird.According to the invention Task solved as follows, being with regard to the fundamental inventive thought up Reference is made to claim 1.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.The further embodiment of the invention results from the claim Second

Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.to solution according to the invention further explanations consequences.

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.Under Use of known devices or devices become the welding current actual value and the welding voltage actual value detected synchronously with a sufficient measuring frequency. This measurement frequency must be high enough to give the typical dynamic Pattern that modulated by the sweat drop peel or others Train frequencies (pulses), technically sufficient in their course maps.

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.The inventive method consists in
The first step is that the values, which are always measured in pairs, are calculated into an arc length using generally known arc equation approximation equations. In one
second step, this arc length is determined with a predicted from the previous values arc length and the difference. The predicted arc length may in the simplest case be a linear approximation of previous arc length values. In one
In the third step, the difference of these arc lengths is always calculated over several values as a total sum of the absolute value, forming a value for many acquired samples. From a technical point of view so many values are summarized that a cumulative value within approx. 0.1 to 0.01 s is available, which is referred to below as the process index Kappa. In one
fourth step, this process index is compared only every 0.1 or 0.01 s with a setpoint, which was previously determined for proper welding processes, and shows by its deviation welding irregularities z. B. by leaving the weld joint, impurities, gas faults, etc., to. It may be this value in a different interpretation as well
fifth step to be used, for. B. to compare the weldability of filler materials with each other, as this process index Kappa increases its value indicates a greater restlessness of the arc.

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.Of the inventive thought is based on observations and physical Considerations of the arc and in particular in that changes in the welding current and welding voltage always on the one hand by comprehensible deterministic patterns (pulsed arc, drop detachment in short arc welding etc.) to which the much faster changes the arc column through other influences modulate. There are welding current and welding voltage through the welding plasma in direct connection. The arc plasma, characterized through the arc length, indicates the stochastic behavior of the arc, as the arc root changed in a high, not audible by the eye, frequency and characterizes this Pattern on the much larger changes through the droplet detachment or the pulse on. In accordance with the procedure have been very simple Way these changes the arc plasma determined while a considerable Data reduction achieved. The process index Kappa can now like a usual measurable, sensory value for The supervision and analysis of the welding process be used. It clearly shows that this value is within a welding joint is smaller than outside, because the arc within the welding joint stronger in his freedom of movement is narrowed down. With changes of the welding plasma due to impurities or insufficient gas protection, mostly to porous seams leads are significant enlargements of the Kappa process index.

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.The Method can be very easily by means of a microprocessor or a Signal processor can be realized. It will be without filing during runtime elaborate pattern and associated memory requirements and determined without learning effort. By calculating the process index Kappa, whose size is stochastic Movements of the arc column all subsequent findings are of surveillance of welding processes or the analysis comprehensible and they are not the result the comparison of abstract patterns or statistical features.

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.There the determination of the process index Kappa on traceable physical Connections in the Arc is also a much higher sensitivity to these to recognized problems, as it by the previously applied Procedure possible was.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei soll auf die in 1 dargelegte prinzipielle Blockbilddarstellung zurückgegriffen werden.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. It should be on the in 1 recourse to the basic block diagram presented.

11

Schweißbrennerwelding torch

22

LichtbogenElectric arc

33

Messeinrichtungmeasuring device

44

LichtbogenlängenrechnerArc length calculator

55

LichtbogenlängenapproximatorLichtbogenlängenapproximator

66

Vergleichercomparator

77

Summierer/ProzessindexbildungTotalizer / Process Index Education

88th

Auswerterevaluator

• LBLPLBLP

  = Proportionale Größe der ermittelten Lichtbogenlänge= Proportional size of the determined Arc length

  LBLP_(ti) LBLP _(ti)

  = Proportionale Größe der ermittelten Lichtbogenlänge zum Zeitpunkt t_i.= Proportional size of the determined arc length at time t _i .

  EW_(ti) EW _(ti)

  = Erwartungswert zu einem Zeitpunkt t_i.= Expected value at a time t _i .

  LBLP_EW(t_i)LBLP_EW (t _i )

  = erwarterter Wert der Lichtbogenlänge= expected value the arc length

  Δt_i .delta.t _i

  = Betrag der Differenz aus ermittelter Lichtbogenlänge (LBLP) und dem erwarteten Wert der Lichtbogenlänge LBLP_EW (t_i)= Amount of the difference between the determined arc length (LBLP) and the expected value of the arc length LBLP_EW (t _i )

  χ_(ti) χ _(ti)

  = Prozessindex für einen Zeitpunkt t_i = Process index for a time t _i

Ein Messcomputer, die Messeinrichtung 3, erfasst die Werte von Schweißstrom und Schweißspannung synchron von einer Schweißstelle eines, z. B. MIG/MAG-Schweißprozesses in einer Fließfertigung. Er nimmt diese Wertepaare dabei mit einer solchen Abtastfrequenz auf, dass diese deutlich höher als die Schweißtropfenablösefrequenz ist. Aus jedem Schweißstrom-Schweißspannungspaar zu einem Zeitpunkt t_i wird dann in einem Lichtbogenlängenrechner 4 eine proportionale Größe der ermittelten Lichtbogenlänge LBLP (t_i) berechnet und gespeichert. Ihre Berechnung folgt der Beziehung: LBLP(ti) = U(ti) – I(ti)·0,004 – 14 (1) A measuring computer, the measuring device 3 , detects the values of welding current and welding voltage synchronously from a welding point of a, z. B. MIG / MAG welding process in a flow production. He takes these pairs of values at such a sampling frequency that it is significantly higher than the Schweißtropfenablösefrequenz. From each welding current-welding voltage pair at a time t _i is then in an arc length calculator 4 a proportional size of the determined arc length LBLP (t _i ) is calculated and stored. Their calculation follows the relationship: LBLP (Ti) = U (Ti) - I (Ti) · 0.004 - 14 (1)

Dann wird aus einer Anzahl zeitlich vorangegangener Werte von LBLP (t_i-1, t_i-2, ..., t_i-n) im nächsten Schritt, im Lichtbogenlängenapproximator 5, mittels einer linearen Aprroximation der zu erwartende Wert der Lichtbogenlänge nämlich LBLP_EW (t_i) zu einem Zeitpunkt (t_i) berechnet.Then, from a number of timed preceding values of LBLP (t _i-1 , t _i-2 , ..., t _in ) in the next step, in the arc length approximator 5 , Calculated by a linear aprroximation of the expected value of the arc length namely LBLP_EW (t _i ) at a time (t _i ).

Dabei werden so viele Werte in der Approximation berücksichtigt, dass die typische Lichtbogenänderung durch Tropfenablösung ausreichend nachgebildet werden kann. Die Berechnung ergibt sich aus: LBLP_EW(ti) = Funktion(LBLP(ti-1), LBLP(ti-2), LBLP(ti-3)...) (2) In the process, so many values are taken into account in the approximation that the typical change in arc due to droplet detachment can be sufficiently reproduced. The calculation results from: LBLP_EW (Ti) = Function (LBLP (Ti-1) , LBLP (Ti-2) , LBLP (T-3) ...) (2)

In einem weiteren Verfahrensschritt bildet nun der Vergleicher 6 den absoluten Betrag aus der Differenz der proportionalen Größe der ermittelten Lichtbogenlänge LBLP(t_i) und dem erwarteten Wert der Lichtbogenlänge LBLP_EW (t_i).In a further process step now forms the comparator 6 the absolute value from the difference of the proportional size of the determined arc length LBLP (t _i ) and the expected value of the arc length LBLP_EW (t _i ).

Es ergibt sich daraus: Δti = |LBLP(ti) – LBPLP_EW(ti)| (3) It follows: .delta.t i = | LBLP (Ti) - LBPLP_EW (Ti) | (3)

Die Differenzen dieser Lichtbogenlängen werden sodann über mehrere Zeitpunkte n zu einem Wert, der als gleitender Mittelwert des Betrages bezeichenbar ist, zusammengefasst.The Differences of these arc lengths are then over several times n to a value that is a moving average of the amount is denominated, summarized.

Die n-Zeitpunkte entsprechen dem Auswerteintervall, welches größer als die Tropfenablösefrequenz ist. Es werden schließlich in einem Summierer 7 Summenwerte innerhalb von Intervallen 0,01 bis 0,1s gebildet, die für jeden Zeitpunkt (t_i) den Prozessindex χ_(ti) repräsentieren.The n-times correspond to the evaluation interval, which is greater than the droplet detachment frequency is. Finally, in a summer 7, summation values are formed within intervals 0.01 to 0.1 s, which represent the process index χ _(ti) for each time point (t _i ).

In diesem Sinne ist die Berechnung des Prozessindex χ_(ti) wie folgt darstellbar:

In this sense, the calculation of the process index χ _(ti ) can be represented as follows:

Der Prozessindex χ(ti) Kappa stellt nun ein Maß für die dynamischen Eigenschaften des Lichtbogens zur Verfügung, wird ausgewertet und mit dem Referenzprozessindex im Auswerfer 8 verglichen. Weicht der aktuelle Prozessindex nach oben ab, hat der Lichtbogen die Schweißfuge verlassen oder ist er deutlich höher, liegt ein Problem im Schweißplasma z. B. durch fehlenden Gasschutz vor, der zu Poren führt. In einer automatischen Produktion wird diese Schweißung somit als fehlerhaft markiert, aussortiert bzw. repariert. Der Referenzprozessindex wird bei fehlerfreier Produktion einfach durch Ablesen oder registrieren des aktuellen Prozessindexes ermittelt, welches sehr unkompliziert erfolgen kann. Gemäß Stand der Technik wird für die Überwachung der Einhaltung der Sollschweißparameter noch die Überwachung der mittleren Schweißströme und Schweißspannungen und der Prozessindex Kappa mit ihren Referenzwerten verglichen, Abweichungen als Schweißunregelmäßigkeit angezeigt und zumeist auch noch dokumentiert.The process index χ (ti) kappa now provides a measure of the dynamic properties of the arc, is evaluated and with the reference process index in the ejector 8th compared. If the current process index deviates upwards, has the arc left the welding joint or is it significantly higher, is there a problem in the welding plasma, eg. B. by lack of gas protection, which leads to pores. In an automatic production, this weld is thus marked as defective, sorted out or repaired. The reference process index is easily determined by error-free production by reading or registering the current process index, which can be done very easily. According to the state of the art, the monitoring of the maintenance of the nominal welding parameters, the monitoring of the average welding currents and welding voltages and the process index Kappa are compared with their reference values, deviations are displayed as welding irregularity and mostly also documented.

Claims (2)

Verfahren zur Erkennung von Schweißunregelmäßigkeiten und zur Analyse des Lichtbogenverhaltens, wobei eine Meßeinrichtung (3) synchron von einer Schweißstelle Wertepaare eines Schweißstroms und einer Schweißspannung aufnimmt und nachfolgend aus einem jeden Schweißstrom-/-spannungspaar, aufgenommen zu einem Zeitpunkt ti, in einem Lichtbogenlängenrechner (4) jeweils ein Wert für eine Lichtbogenlänge (LBLP_ti) für dieses Wertepaar erstellt und gespeichert wird, anschließend aus einer Anzahl zeitlich vorangegangener, berechneter Werte der Lichtbogenlänge (LBLP_ti), nämlich (LBLP_ti-1, _ti-2, _{..., ti-n}), in einem Lichtbogenlängenapproximator (5) mittels einer Approximation mit diesen zeitlich vorangegangenen Werten eine dem Schweißprozeß vorlaufend berechenbare Lichtbogenlänge (LBLP-Ew_ti) zu dem Zeitpunkt ti bestimmt wird und in einem Vergleicher (6) ein Betrag Δti aus der Differenz einer jeweilig ermittelten Lichtbogenlänge (LBLP_ti) und der vorlaufend berechneten Lichtbogenlänge (LBLP-Ew_ti) zu einem Zeitpunkt ti ermittelt wird, wobei die bestimmten Beträge Δti aus diesen Differenzbildungen in einen Prozeßindex (κti), der als gleitender Mittelwert bezeichenbar ist, in einem Summierer (7) – entsprechend eines festgelegten Intervalls, das aus festgelegten Zeitpunkten n besteht, zusammengefaßt werden und dieser Prozeßindex (κti) in einem Auswerfer (8) einem Referenzprozeßindex gegenübergestellt wird.Method for detecting welding irregularities and for analyzing the behavior of the arc, wherein a measuring device ( 3 ) synchronously receives value pairs of a welding current and a welding voltage from a welding point, and subsequently from each welding current / voltage pair, recorded at a time ti, in an arc length computer ( 4 ) Respectively (a value for an arc length LBLP _ti) is created for this pair of values and stored, and then one of a number of temporally preceding, calculated values of the arc length (LBLP _ti), namely (LBLP _{ti-1, ti-2, ..., ti-n} ), in an arc length approximator ( 5 ) an arc length (LBLP-Ew _ti ) which can be computed in advance is determined at an instant _ti by means of an approximation with these values preceding in time and in a comparator ( 6 ) An amount Δti from the difference between an arc length respectively determined (LBLP _ti) and the Running forward calculated arc length (LBLP-Ew _ti) is determined at a time ti, with the specific amounts Δti from these difference formations (in a process Index κti) serving as moving average is denominated in a summer ( 7 ) - be summarized according to a fixed interval, which consists of fixed times n, and this process index (κti) in an ejector ( 8th ) is compared to a reference process index. Verfahren zur Erkennung von Schweißunregelömäßigkeiten und zur Analyse des Lichtbogenverhaltens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Prozeßindex (κti) in Intervallen zwischen 0.01 s bis 0,1 s bestimmt wird.Method for detecting irregularities in welding and for analyzing the arc behavior according to claim 1 in that the process Index (κti) in Intervals between 0.01 s to 0.1 s is determined.