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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Schweißspritzern bei einem Widerstandsschweißvorgang.
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Stand der Technik
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Beispielsweise im automatisierten Karosserierohbau werden Schweißzangen als Schweißgeräte eingesetzt. Nach dem Schließen der Schweißzange erfolgt der Schweißablauf nach Zeitabschnitten (Vorhaltezeit, Strom- und Pausenzeiten, Nachhaltezeit), die vom Anwender festgelegt wurden.
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Eine Widerstandsschweißeinrichtung mit der Möglichkeit, den Schweißvorgang beeinflussende Schweißparameter, wie insbesondere Schweißstrom, Stromzeit und Elektrodenkraft zu steuern, ist in der
EP 1 414 610 B1 gezeigt. Hinsichtlich technischer Details von der Erfindung zugrunde liegenden Schweißgeräten wird hierauf verwiesen.
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Während des Schweißprozesses können Tropfen geschmolzenen Metalls oder "Schweißspritzer" aufgrund der extremen Intensität von Hitze und Kraft, die an oder um die Schweißverbindung herum aufgebracht werden, periodisch ausbrechen. Dies führt zu einer schlechteren Schweißqualität und zur Verschmutzung von metallischen Oberflächen, insbesondere den Werkstückoberflächen und den Oberflächen des Schweißgeräts selbst, beispielsweise Elektrodenkappen. Eine Schweißspritzeransammlung kann ungewünschte Ergebnisse verursachen, die abhängig von dem Ort der Ansammlung variieren. Beispielsweise können Schweißspritzer, die sichtbare Oberflächen des Werkstücks oder die Sichtoberflächen bedecken, eine unansehnliche, raue Endoberfläche erzeugen, wodurch zusätzliche zeitraubende Oberflächenreinigungs- und Schweißspritzerentfernungsschritte erforderlich werden. Eine Ansammlung von Schweißspritzern an den Elektrodenkappen kann häufige Wechsel notwendig machen.
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Es ist wünschenswert, über eine einfache und dennoch genaue Methode zum Erkennen von Schweißspritzern zu verfügen, die idealerweise ohne zusätzliche Hilfs- oder Messmittel auskommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erkennen von Schweißspritzern bei einem Widerstandsschweißvorgang mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung eignet sich besonders für Widerstandspunktschweißverfahren. Solche Verfahren lassen sich durch Schweißsteuerungen (Recheneinheiten, z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen, SPS) relativ exakt steuern, da die den Schweißvorgang beeinflussenden Schweißparameter (insbesondere Schweißstrom, Schweißspannung, Stromzeit, d.h. die Zeit, zu der ein Schweißstrom fließt, und Elektrodenkraft, d.h. die Kraft, mit der die Schweißelektroden gegen das Werkstück gedrückt werden) elektronisch ausreichend genau steuerbar sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Schweißspritzer durch Analyse von elektrischen Widerstandsverläufen erkannt werden können. Der elektrische Widerstand des Werkstücks lässt sich besonders einfach als ohmscher Widerstand, d.h. als Quotient aus einer Messspannung und einem Messstrom ermitteln. Bei auftretenden Schweißspritzern wird während der Schweißung Material aus der Fügestelle herausgedrückt. Gleichzeitig kommt es zu einer schlagartigen und signifikanten (d.h. um mehr als einen zulässigen bzw. üblichen Wert) Widerstandsreduzierung.
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Als Messspannung und Messstrom eignen sich während Stromzeiten Schweißspannung und Schweißstrom, welche in der Schweißsteuerung ohnehin bekannt sind. Während Pausenzeiten und Nachhaltezeiten fließt jedoch kein Schweißstrom. Durch die erfindungsgemäße Methode können jedoch auch in diesen Zeiten Schweißspritzer erkannt werden, indem ein im Vergleich zu üblichen Schweißströmen kleiner Messstrom (z.B. im Bereich weniger hundert Ampere, insbesondere < 1 kA) durch das Werkstück geleitet wird, der die Ermittlung des ohmschen Widerstands gestattet, ohne jedoch schweißende Eigenschaften zu besitzen, insbesondere ohne das Werkstück signifikant zu erwärmen (d.h. in die Nähe des Schmelzens zu bringen).
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Wird ein Auftreten von Schweißspritzern erkannt, können geeignete Gegenmaßnahmen, wie z.B. Steuer- und Regeleingriffe, ergriffen werden, um die Schweißqualität wieder zu verbessern. Insbesondere durch eine Veränderung der Elektrodenkraft, des Schweißstroms und/oder der Stromzeit wird eine störsichere Produktion mit gleichbleibender Qualität gewährleistet. Beispielsweise kann aus einem Vergleich des Widerstandsverlaufs vor dem Auftreten des Schweißspritzers mit einem Referenzverlauf, der ohne Schweißspritzer aufgezeichnet wurde, eine notwendige Anpassung der Schweißzeit (Zeitverlängerung) berechnet werden. In ähnlicher Art und Weise werden auch der Schweißstrom und die Zangenkraft beeinflusst.
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Eine Überwachung des kompletten Widerstandsverlaufs beginnend mit der ersten Schweiß-Bestromung bis zum Abheben der Schweißelektroden erlaubt vorteilhaft, Schweißspritzer auch in Strompausen und während einer Nachhaltezeit zu erkennen.
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Aus dem Widerstandsverlauf und dem Ergebnis der Spritzererkennung können Prozessstabilitäts- und Schweißqualitätsfaktoren bestimmt und zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) des Schweißgeräts verwendet werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Widerstandsschweißgeräts, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer X-Schweißzange.
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2 zeigt beispielhaft einen Referenzwiderstandsverlauf und einen gemessenen Widerstandsverlauf mit einem Schweißspritzer in einer Stromzeit.
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3 zeigt beispielhaft einen Referenzwiderstandsverlauf und einen gemessenen Widerstandsverlauf mit einem Schweißspritzer in einer Pausenzeit.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine als X-Schweißzange 80 ausgebildete Widerstandsschweißeinrichtung mit Drehachse 90 dargestellt, welche zwei Schweißzangenschenkel 20, 25 mit je einer Schweißelektrode 30, 35 aufweist. Als X-Schweißzangen werden Schweißzangen bezeichnet, bei denen beide Schweißzangenschenkel zum Öffnen und Schließen der Schweißzange bewegt werden. Für die Bewegung der beiden Schweißzangenschenkel 20, 25 ist ein Elektrodenantrieb 10 vorhanden, der üblicherweise als Elektromotor, Hydraulikmotor oder Pneumatikmotor ausgebildet ist und eine Antriebskraft FA aufbringt. Schweißzangen werden zum Punktschweißen eingesetzt.
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Ein zu schweißendes Werkstück, meist zwei Lagen Blech 1, 2 als Fügeteile, wird zwischen den Schweißelektroden 30, 35 angeordnet, woraufhin die Schweißzange 80 mittels des Elektrodenantriebs 10 geschlossen wird, so dass die Schweißelektroden 30, 35 das Werkstück mit einer Elektrodenkraft FE einklemmen. Typische Elektrodenkräfte sind sehr hoch und bewegen sich im Bereich 1–10 kN. Die Elektrodenkraft kann anhand der geometrischen Parameter aus der Antriebskraft bestimmt werden, welche wiederum gemessen oder aus dem Antriebsstrom berechnet werden kann. Dies ist prinzipiell bekannt. Häufig befindet sich ein Kraftsensor im Elektrodenantrieb, alternativ am Zangengestell oder Zangenarm.
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Nach dem Aufbringen der Elektrodenkraft wird mit einem Schweißtransformator (nicht dargestellt) als Schweißstromquelle bei einer Schweißspannung von üblicherweise < 20 V mit unterschiedlichen Frequenzen ein Schweißstrom von mehreren Kiloampere durch die SchweißsteIle geleitet. Dadurch werden die beiden zu verbindenden Fügeteile 1, 2 aufgrund des Übergangswiderstands quasi punktförmig auf die Schmelztemperatur oder eine etwas darunter liegende Temperatur erhitzt, so dass der plastische und mitunter auch der flüssige Zustand der Fügeteile lokal erreicht wird. Die Verbindung geschieht aufgrund der Elektrodenkraft FE, mit der die beiden zu verbindenden Fügeteile 1, 2 an der Berührungsstelle zusammengepresst werden; hierbei diffundieren die in Kontakt stehenden Materialien ineinander.
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Weiterhin weist die X-Schweißzange 80 hier einen sogenannten Zangenausgleich 40 auf, der insbesondere eine mittige Ausrichtung der beiden Schweißzangenschenkel 20, 25 relativ zum Werkstück ermöglicht. Der Zangenausgleich 40 weist im dargestellten Beispiel einen als Servomotor 70 ausgebildeten Zangenausgleichsantrieb, eine als Abtriebsscheibe 50 ausgebildeten Abtrieb und ein als Pleuel 60 ausgebildetes Kraftübertragungsmittel auf. Der Zangenausgleich ist demnach als Kurbeltrieb realisiert.
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Die X-Schweißzange 80 wird von einer Schweißsteuerung (Recheneinheit, z.B. SPS) 100 angesteuert, in der ein Schweißprogramm abläuft und die nach Maßgabe des Schweißprogramms den Schweißvorgang beeinflussende Schweißparameter (insbesondere Schweißstrom, Stromzeit und Elektrodenkraft) steuert oder regelt.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird nun ein elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden während des gesamten Bearbeitungsvorgangs (mit und ohne Schweiß-Bestromung) erfasst. Beispielhafte Widerstands- und Stromverläufe über die Zeit sind in den 2 und 3 dargestellt.
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Der Stromverlauf ist mit 200 bzw. 300 bezeichnet und lässt sich in eine erste Stromzeit zwischen t0 und t1, eine Pausenzeit zwischen t1 und t2 und eine zweite Stromzeit zwischen t2 und t3 einteilen. Die sich aus dem Strom und der anliegenden Spannung ergebenden elektrischen Widerstände sind für eine fehlerfreie Referenzmessung mit 201 bzw. 301 und für eine fehlerhafte Messung mit Schweißspritzern mit 202 bzw. 302 bezeichnet.
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In 2 ist eine Situation dargestellt, in der während der Pausenzeit, wie üblich, kein Strom durch das Werkstück geleitet wird und dementsprechend auch kein elektrischer Widerstand bestimmt werden kann.
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In 3 ist demgegenüber eine bevorzugte Situation dargestellt, in der während der Pausenzeit ein relativ geringer Messstrom IM von z.B. 500 A das Werkstück geleitet wird und dementsprechend auch ein elektrischer Widerstand bestimmt werden kann. Der Messstrom ist deutlich geringer als übliche Schweißströme und führt nicht zu einem Schmelzen des Werkstücks.
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In den 2 und 3 zeigt der Referenzverlauf 201 bzw. 301 ein charakteristisches Widerstandsverhalten.
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In 2 ist erkennbar, dass der Messverlauf 202 kurz nach t2 zunächst kontinuierlich und in etwa bei tSdann sprunghaft abnimmt. Dieses Verhalten ist ein Indiz für das Auftreten von Schweißspritzern in einer Stromzeit.
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In 3 ist erkennbar, dass in der Pausenzeit der Messverlauf 302 im Gegensatz zum Referenzverlauf, welcher aufgrund der leichten Erwärmung kontinuierlich ansteigt, ein deutlich abfallendes Verhalten zeigt. Dieses Verhalten ist ein Indiz für das Auftreten von Schweißspritzern in einer Nicht-Stromzeit (z.B. Pausen- oder Nachhaltezeit).
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Durch eine Überwachung des Widerstandsverlaufs vom Zeitpunkt der ersten Schweiß-Bestromung bis zum Zeitpunkt des Öffnens der Schweißzange können somit Schweißspritzer als Fehlerursache erkannt werden. Werden Schweißspritzer erkannt, können die Schweißparameter für den aktuellen Schweißvorgang entsprechend angepasst werden. Die Anpassungen erfolgen bei der Schweißzeit, dem Schweißstrom und der Elektrodenkraft. Der Grad der Anpassung ergibt sich aus einem Vergleich der Widerstandsverläufe (Istverlauf mit Referenzverlauf). Beispielsweise kann bei Auftreten eines Schweißspritzers in der Stromzeit diese verlängert und/oder der Schweißstrom und/oder die Elektrodenkraft erhöht werden.
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Nach erfolgter Schweißung wird in der Nachhaltezeit zur Produktionsüberwachung aus dem gemessenen Widerstandsverlauf ein Prozessstabilitäts- und Schweißqualitätsfaktor berechnet, in den auch die Spritzerinformationen einbezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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