DE19530416C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Meßwertes während eines Schweißvorganges, insbesondere Bolzenschweißen mit Spitzenzündung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Meßwertes während eines Schweißvorganges, insbesondere Bolzenschweißen mit SpitzenzündungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft in Verfahren zur Aufnahme und
Auswertung des zeitlichen Verlaufs von bei dem Aufschweißen von
metallischen Teilen, insbesondere Bolzen, auf
metallische Werkstücke, wie z. B. bei dem Bolzenschweißen mit
Spitzenzündung oder Hubzündung, auftretenden Schweißsignalen
mit wenigstens einem Meßwertaufnehmer zur Erfassung einer
charakteristischen Größe des Schweißvorganges.
Bei diesen Schweißvorgängen wird das metallische Teil,
insbesondere der Schweißbolzen o. dgl., mit Hilfe eines
Schweißkopfes in Richtung auf das metallische Werkstück
beschleunigt. Eine Kondensatorbatterie ist mit einem Pol an dem
Bolzen und mit dem anderen Pol an dem metallischen Werkstück
angeschlossen. Während des Beschleunigungsvorganges wird die
Kondensatorbatterie über einen Schalter o. dgl. zugeschaltet.
Sobald die Zündspitze des Schweißbolzens o. dgl. in Kontakt mit
dem metallischen Werkstück kommt, beginnt der Endladestrom zu
fließen. Dadurch wird die Zündspitze aufgeheizt. Ein Teil der
verflüssigten Zündspitze verdampft schlagartig. Aufgrund der
Ionisierung in der Schweißzone wird der Lichtbogen gezündet und
brennt über eine Zeitdauer im Millisekunden-Bereich, wobei die
Oberfläche des Bolzens und eine annähernd gleich große Fläche
des Werkstückes schmilzt. Aufgrund der Beschleunigung des
Schweißbolzens durch den Schweißkopf taucht der Schweißbolzen
in das Schmelzbad ein, anschließend erstarrt das Schmelzbad
infolge des Wärmeentzuges durch das metallische Werkstück. Nach
Beendigung der Schweißung ist der Bolzen fest mit dem
metallischen Werkstück verschweißt. Im Gegensatz zu dem
beschriebenen Bolzenschweißen mit Spitzenzündung wird bei dem
Bolzenschweißen mit Hubzündung das Schweißgut durch einen
gezogenen Lichtbogen erhitzt. Der Lichtbogen wird dadurch
gezündet, daß der zunächst auf das Werkstück aufgesetzte Bolzen
kontrolliert vom Werkstück abgehoben wird. Danach wird der
Bolzen wieder auf das Werkstück zubewegt und taucht in das
flüssige Schweißbad ein.
Es besteht allgemein das Problem, den Ablauf und die Güte des
Schweißvorganges zu überwachen, um eine Aussage bzgl. der
Qualität der Verschweißung über die Erfassung
charakteristischer Größen des Schweißvorganges zu erhalten. Ein
Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen ist bereits aus
der EP 0 100 787 B1 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein
Bolzenschweißverfahren mit Spitzenzündung offenbart, bei dem
der Schweißkopf Meßmittel zur Aufnahme des zeitlichen Verlaufes
von Schweißsignalen, nämlich von dem Schweißstrom, der
Schweißspannung und dem Bolzenschaftweg besitzt, deren Signale
an einen Meßwertanalysator in einer Steuervorrichtung geführt
werden. Neben der Erfassung dieser Größen wird mittels eines
Mikrophons zusätzlich der Schalldruck des Schweißgeräusches
analysiert. Aus den Größen können einzelne Zeitpunkte des
Schweißens, wie der Spitzenkontaktzeitpunkt, der
Spitzenexplosionszeitpunkt, der Bolzenkurzschlußzeitpunkt, der
Zeitpunkt des Strommaximums, die Bolzenschmelzeindringtiefe,
der Bolzenschaftrückprallweg und die Kontinuität des
Stromverlaufes abgeleitet werden. Diese abgeleiteten Werte
werden mit charakteristischen, empirisch gewonnenen
Einstellgrößen verglichen, wobei bei ein vorgegebenes Maß
überschreitenden Abweichungen eine Veränderung einer der für
den Schweißvorgang charakteristischen Stellgrößen eingeleitet
wird. Zur Erfassung der Schweißspannung ist ein
Spannungsmeßkabel, das als Koaxialkabel ausgeführt ist,
vorgesehen, während der Schweißstrom über einen Meßwiderstand,
der in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet ist, erfaßt wird.
Neben dem Mikrophon, dessen Mikrophonkopf auf die Schweißstelle
ausgerichtet ist, ist schließlich ein Potentiometerschleifer
zur Erfassung der Position des Bolzenschaftes vorgesehen.
Obwohl dieses bekannte Verfahren aufgrund der Erfassung
zahlreicher, für den Schweißvorgang charakteristischer Meßwerte
und Auswertung derselben einen Rückschluß auf die Güte und
Qualität des Schweißvorganges zuläßt, ist die aufwendige
Auswertung und die Anordnung der zahlreichen Meßwertaufnehmer
sehr kompliziert, kostenaufwendig und störanfällig. Wegen der
Reduzierung auf nur wenige Meßwerte bzw. Schweißzeitpunkte sind
keine eindeutigen, die Schweißqualität bestimmende
Meßergebnisse, zu erzielen. Deshalb ist das Verfahren für eine
Integration in einen automatischen Fertigungsprozeß ungeeignet.
Außerdem ist es schwer möglich, eine bereits in Betrieb
befindliche Schweißvorrichtung nachträglich mit diesem
Erfassungs- und Auswertesystem auszurüsten.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend
weiterzubilden, daß eine unaufwendige, stör-unanfällige und
leicht in bestehende Anlagen zu integrierende Überwachung des
Verlaufs und der Qualität des Schweißvorganges ermöglicht ist.
Insbesondere soll mit dem Verfahren eine automatische,
reproduzierbare und quantitative Analyse des dynamischen
Schweißvorgangs an sich, insbesondere für eine optimale
Einstellung der den Schweißvorgang beeinflussenden Parameter,
und damit eine 100%-Qualitätskontrolle in automatischen
Fertigungen möglich sein.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren mit den eingangs genannten
Merkmalen dadurch gelöst, daß als Meßwertaufnehmer wenigstens
ein Magnetfeldaufnehmer, wie z. B. eine Spule, ein Magnetfeld-
Sensor, ein Hall-Sensor o. dgl. eingesetzt wird, der benachbart
des Lichtbogenbereiches der Schweißstelle angeordnet ist und
zur Aufnahme der während des Schweißvorganges, im
Lichtbogenbereich des Strompfades, auftretenden Magnetfelder
dient und daß die Ausgangssignale des Magnetfeldaufnehmers
hinsichtlich des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder
bezogen auf eine bevorzugte Achse ausgewertet werden.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß ein
asymmetrischer Verlauf des Lichtbogens bzw. des Schweißstromes
nach dem Kurzschluß oder auch ein seitliches Heraustreten des
Schmelzgutes aus dem Spalt zwischen dem metallischen Teil,
insbesondere dem Bolzen und dem Werkstück einen Rückschluß auf
die Qualität des Schweißvorganges zuläßt. Dabei soll unter dem
Begriff "Blaswirkung" im folgenden eine unerwünscht starke
Verlagerung des Lichtbogens und/oder des Schmelzgutes seitlich
heraus aus dem Spalt zwischen dem Bolzen und dem Werkstück
verstanden werden. Diese Blaswirkung beeinträchtigt die
Qualität der Schweißung, da Energie und zur Haltbarkeit der
Schweißung beitragende Schmelze verloren gehen. Auch eine
Änderung des Strompfades und die damit einhergehende Asymmetrie
nach dem Kurzschluß läßt darauf schließen, daß die
Schweißstelle nicht homogen verschweißt, sondern nur partiell
verschweißt ist, und zwar asymmetrisch zur Bolzenachse.
Die Erfindung basiert nun darauf, nicht nur den Betrag einer
charakteristischen Meßgröße, insbesondere den Betrag des
Schweißstromes meßtechnisch zu erfassen, sondern über den
vorgesehen Magnetfeldaufnehmer auch eine Aussage über den
örtlichen bzw. räumlichen zeitlichen Verlauf einer für den
Schweißvorgang charakteristischen Meßgröße zu gewinnen. Nach
der Erfindung bietet sich als geeignete Meßgröße an, das im
Lichtbogenbereich bzw. im Bereich zwischen den beiden zu
verschweißenden Werkstücken während des Schweißvorganges
auftretende Magnetfeld zu analysieren. Während ein weitgehend
optimal verlaufender Schweißvorgang dadurch charakterisiert
ist, daß die während des Schweißvorganges auftretenden
Magnetfelder i. w. symmetrisch zu einer Vorzugsachse
ausgerichtet sind, kann aus dem asymmetrischen Verlauf der
Magnetfeldlinien während des Schweißvorganges auf
Unregelmäßigkeiten bzw. auf nicht optimierte Schweißparameter
geschlossen werden. So lassen asymmetrische Magnetfelder
während der Lichtbogenphase des Schweißvorganges auf das
Vorliegen einer starken Blaswirkung schließen, während nach dem
Kurzschluß der zu verschweißenden Teile ein asymmetrischer
Magnetfeldlinienverlauf auf einen asymmetrisch durch die
Schweißverbindung fließenden Kurzschlußstrom und somit auf eine
inhomogene, lediglich partielle Verschweißung der Werkstücke
schließen läßt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt auch darin, daß nur wenige Meßgrößen für die Analyse des
Schweißvorganges erfaßt werden müssen und/oder eine
entsprechende Schweißvorrichtung leicht mit einem
Magnetfeldaufnehmer nachrüstbar ist. Gemäß der Erfindung wertet
man die Ausgangssignale des Magnetfeldaufnehmers hinsichtlich
des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder bezogen auf
eine bevorzugte Achse aus. Diese Asymmetrien der Magnetfelder
können mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis mit dem
Magnetfeldaufnehmer gemessen werden, insbesondere dann, wenn
dieser eine Richtcharakteristik hat und so bzgl. der
verschweißenden Werkstücke angeordnet ist, daß eine weitgehende
Unempfindlichkeit auf solche Magnetfelder vorliegt, die von
einem zur bevorzugten Achse symmetrischen Strom hervorgerufen
werden.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Asymmetrien
der Magnetfelder bezogen auf die Bolzenachse ausgewertet
werden.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
erfaßt man den Zeitpunkt des Auftretens von Asymmetrien der
Magnetfelder bezogen auf die bevorzugte Achse, insbesondere
Bolzenachse, während des Schweißvorganges und bewertet das
seitlich unterschiedliche Auftreten dieser Asymmetrien
unterschiedlich. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, den
etwaig auftretenden Asymmetrien der Magnetfelder während des
Schweißvorganges je nach Zeitpunkt des Auftretens eine
unterschiedliche Ursache beizumessen. So läßt sich aus dem
Vorliegen von Magnetfeldasymmetrien während der Lichtbogenphase
auf eine zu starke Blaswirkung schließen, während
Magnetfeldasymmetrien nach dem Kurzschluß auf eine
unvollständige Verschweißung der Teile hinweisen.
Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnisse hat es sich daher als
vorteilhaft erwiesen, daß man bei einem Auftreten von
Asymmetrien der Magnetfelder vor der Kurzschlußphase des
Schweißvorganges, also während der Lichtbogenphase, auf ein
Vorliegen von Blaswirkung schließt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß man bei dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder
vor der Kurzschlußphase, welche außerhalb und/oder oberhalb
eines vorbestimmten, individuell festlegbaren Grenzwertes
liegen, einen Schweißparameter, insbesondere den Schweißstrom
oder den Anpreßdruck o. dgl., modifiziert oder auch ein
Alarmsignal auslöst. Bei der optimalen Einstellung des
Schweißstromes besteht ein Zielkonflikt. Eine Vergrößerung des
Schweißstroms bedingt in gewissem Rahmen eine bessere
Aufheizung der Schweißstelle und damit eine bessere Haltbarkeit
der Schweißung. Durch ein verstärktes Auftreten der Blaswirkung
kann dieser Effekt jedoch in das Gegenteil verkehrt werden. Der
Stromstärkebereich zwischen dem Mindeststrom, der für eine
haltbare Schweißung erforderlich ist und der Stromstärke, bei
der eine unzulässige Blaswirkung auftritt, wird mit zunehmendem
Durchmesser des metallischen Teils, insbesondere des
Bolzendurchmessers kleiner. Abhängig von der räumlichen
Ausdehnung des metallischen Teils und/oder des Materials muß
daher eine gewisse Blaswirkung in Kauf genommen werden. Diese
kann bei Serienschweißungen bzw. Schweißautomaten in
Abhängigkeit von statistisch schwankenden Parametern
überschritten werden, was jedoch die Haltbarkeit der
resultierenden Schweißung in unzulässiger Weise beeinträchtigt.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden Schweißungen mit
übermäßigen Blaswirkung erkannt, so daß bspw. ein Alarm
ausgelöst werden kann oder aber dieser übermäßigen Blaswirkung
durch Änderung eines oder mehrerer Schweißparameter
entgegengewirkt werden kann.
Nach einer anderen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
schließt man bei einem Auftreten von Asymmetrien der
Magnetfelder während der Kurzschlußphase des Schweißvorganges
auf das Vorliegen einer unvollständigen, insbesondere nicht
konzentrischen Verschweißung zwischen dem metallischen Teil,
insbesondere dem Bolzen, und dem metallischen Werkstück. Diese
vorteilhafte Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, daß nach
dem Eintauchen, also nach dem Kurzschluß der Brennspannung,
weiterhin ein signifikanter Strom durch die zu verschweißenden
Werkstücke fließt. Wenn dieser Strom asymmetrisch ist, ist das
ein Hinweis darauf, daß die Schweißung zwischen den Werkstücken
nicht homogen, sondern nur partiell erfolgt ist. Eine
Blaswirkung kann nach dem Kurzschließen naturgemäß nicht mehr
auftreten, so daß in dieser Schweißphase auftretende
asymmetrische Magnetfelder einen eindeutigen Schluß auf eine
asymmetrische Schweißung zulassen. Solche Probleme treten
bevorzugt bei der Schweißung von Aluminiumteilen auf.
Demgemäß hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß man bei dem
Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder während der
Kurzschlußphase, welche außerhalb und/oder oberhalb eines
vorbestimmten, individuell und insbesondere materialabhängig
festlegbaren Grenzwertes liegen, die Verschweißung der
metallischen Teile und des Werkstückes als unzureichend
bewertet und die entsprechenden Teile bzw. Werkstücke
aussondert. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht
nur eine Überwachung der Güte und Qualität des Schweißvorganges
möglich, sondern bereits auch eine Qualitätskontrolle der im
Entstehen befindlichen Verschweißung durchführbar.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
korrigiert man die Ausgangssignale des Magnetfeldaufnehmers
mittels eines weiteren, für den Schweißvorgang
charakteristischen Parameters, z. B. mittels des Schweißstromes
vor Beginn des Lichtbogens und/oder nach Kurzschließen des
Lichtbogens. In der Praxis wird der Strom in Bezug auf die
Schweißstelle fast immer asymmetrisch vom Werkstück abgeführt,
so daß auch bei Durchführung eines optimalen Schweißvorganges
mit einem Auftreten asymmetrischer Magnetfelder zu rechnen ist.
Allerdings sind diese Anteile der asymmetrischen Magnetfelder
etwa 5 bis 10 mal geringer als diejenigen asymmetrischen
Anteile, welche durch die Blaswirkung bzw. durch die
asymmetrische Schweißung hervorgerufen werden. Darüber hinaus
wurde erkannt, daß diese, praktisch immer vorhandenen
asymmetrischen Magnetfeldanteile einerseits proportional zum
Gesamtschweißstrom sind und auch während der Kurzschlußphase
auftreten, so daß die Möglichkeit besteht, die Ausgangssignale
des Meßwertaufnehmers durch eine Erfassung des Gesamtstromes
vor Beginn des Lichtbogens und/oder nach Kurzschließen des
Lichtbogens, insbesondere rechnerisch zu kompensieren. Durch
diese Kompensation der gewonnenen Rohdaten wird eine noch
genauere Analyse der den Schweißvorgang beeinträchtigen Effekte
ermöglicht.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung zeichnet
sich von Vorteil dadurch aus, daß als Magnetfeldaufnehmer eine,
insbesondere mehrere Windungen aufweisende Spule vorgesehen
ist. Wie praktische Versuche gezeigt haben, läßt sich mit einer
solchen Spule, insbesondere das Auftreten einer unzulässig
hohen Blaswirkung erfassen.
Von Vorteil ist die Windungsfläche der Spule im Bereich der
Ebene des Lichtbogens oder leicht oberhalb dieser Ebene i. w.
koaxial zu der Vorzugsachse, insbesondere der Bolzen o. dgl.,
angeordnet. Hierdurch ist es möglich, daß nur diejenigen
Magnetfeldkomponenten erfaßt werden, die durch Asymmetrien des
Schweißstromes in Bezug auf die Vorzugsachse bzw. die
Bolzenachse hervorgerufen werden.
Von besonderem Vorteil ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der
als Magnetfeldaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldsensor,
insbesondere ein Hall-Sensor, seitlich der Mantelfläche des
metallischen Teils, insbesondere des Bolzen, etwa in Höhe des
Lichtbogens, vorgesehen ist. Dieser Magnetfeldsensor weist
insbesondere eine Richtwirkung und eine differenzierende oder
auch nicht differenzierende Charakteristik auf, wobei i. w. nur
diejenigen Magnetfeldkomponenten erfaßt werden, welche durch
eine Asymmetrie des Schweißstromes im Lichtbogen oder nach dem
Kurzschluß in Bezug auf die Vorzugsachse hervorgerufen werden.
Dabei ist der Magnetfeldsensor mit seiner Achse maximaler
Empfindlichkeit bevorzugt nahe der Lichtbogen-Ebene und
senkrecht zur Vorzugsachse bzw. Bolzenachse angeordnet.
Zur Verbesserung der Erfassung der asymmetrischen Magnetfelder
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zwei Magnetfeldsensoren
seitlich der Mantelfläche und versetzt zueinander anzuordnen.
Dabei sind die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren um etwa 60°
bis 300°, bevorzugt etwa 90° oder 270°, versetzt zueinander
angeordnet.
Die Magnetfeldaufnehmer sind von Vorteil als richtungsselektive
Aufnehmer ausgebildet und mit ihren Achsen maximaler
Empfindlichkeit nahe der Lichtbogenebene senkrecht zur
Vorzugsachse angeordnet.
Schließlich hat es sich allgemein als vorteilhaft erwiesen, daß
die Magnetfeldaufnehmer derart ausgebildet und im Bezug auf die
zu verschweißenden Werkstücke angeordnet sind, daß sie auf
solche Magnetfeldkomponenten empfindlich sind, die durch nicht
parallel zur Bolzenachse verlaufende Ströme während des
Schweißvorganges hervorgerufen werden.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung zu verschweißender
Teile mit einer Spule als Magnetfeldaufnehmer,
Fig. 2 eine schematische Anordnung zu verschweißender
Teile mit einem Magnetfeldsensor als
Magnetfeldaufnehmer,
Fig. 3a, 3b den zeitlichen Verlauf des Schweißstromes, der
Schweißspannung und der Ausgangssignale zweier
Magnetfeldsensoren (Fig. 3a, rohe Daten, Fig.
3b korrigierte Daten),
Fig. 4 eine schematische Anordnung der zu
verschweißenden Teile mit zwei
Magnetfeldsensoren als Magnetfeldaufnehmer,
Fig. 5 ein weiteres Beispiel für den charakteristischen
Verlauf des Schweißstromes, der Schweißspannung
und der Ausgangssignale von zwei
Magnetfeldsensoren und
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch eine
Schweißstelle bei Teilverschweißung.
In Fig. 1 ist ein Bolzen 10 schematisch dargestellt, der
oberhalb eines Werkstückes 12 angeordnet und in einem
Spannelement 13 angeordnet ist. Das Spannelement 13 und damit
der Bolzen 10 wie auch das Werkstück 12 sind in herkömmlicher
Weise an einen Kondensator angeschlossen, der über den Bolzen
10 und das Werkstück 12 zu einem geeigneten Zeitpunkt entladen
wird. Mittels des Spannelements 13 wird der Bolzen 10 hin auf
das Werkstück 12 (Spitzenzündung) oder zunächst weg von dem
Werkstück 12 und dann hin auf das Werkstück 12 (Hubzündung)
bewegt. An einem unteren, dem Werkstück 12 zugewandten Fußpunkt
des Bolzens 10 ist ein Flansch 11 (vgl. Fig. 2) angeordnet.
Als Magnetfeldaufnehmer ist eine, mehrere Windungen aufweisende
Spule 14 vorgesehen. Dabei ist die Windungsfläche der Spule 14
im Bereich der Ebene eines Lichtbogens 18 oder leicht oberhalb
dieser Ebene i. w. koaxial zu einer Bolzenachse 15 angeordnet.
Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 ist nach Fig. 2
anstelle der Spule 14 ein Magnetfeldsensor 16, insbesondere ein
Hall-Sensor, seitlich der Mantelfläche des Bolzens 10, etwa in
Höhe des Lichtbogens 18 oder etwas oberhalb hiervon angeordnet.
Aus Fig. 2 ist auch der Verlauf der Magnetfeldlinien
ersichtlich, wie sie bei einem symmetrischen Lichtbogen 18
während des Schweißvorganges auftreten. Diese Magnetfeldlinien
22 verlaufen i. w. konzentrisch zur Bolzenachse 15. In der
Praxis praktisch immer vorhandene asymmetrische
Magnetfeldkomponenten, welche auf einer asymmetrischen
Ableitung des Schweißstromes von der Schweißstelle beruhen,
sind in dieser Darstellung vernachlässigt.
Schematisch ist in Fig. 2 ein seitlich aus dem Schweißspalt
austretender Teillichtbogen 20 angedeutet, der aufgrund von
Blaswirkung entsteht, und zu einem asymmetrischen Verlauf der
Magnetfeldlinien 24 führt.
In Fig. 4 ist eine weitere Anordnung der Magnetfeldaufnehmer
abgebildet. Dabei sind zwei Magnetfeldsensoren 16, 17 seitlich
der Mantelfläche des Bolzen 10 und versetzt zueinander
angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 16, 17 sind um etwa
60 bis 120°, bevorzugt etwa 90°, auf einem Kreisbogen
zueinander versetzt.
In Fig. 3a ist der zeitliche Verlauf des Schweißstroms durch
die Bezugsziffer 26, der zeitliche Verlauf der Spannung durch
die Bezugsziffer 30 und der zeitliche Verlauf des
Kurzschlußstroms durch die Bezugsziffer 28 gekennzeichnet. Die
Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren sind mit 32 und 33
bezeichnet. Bei diesen Daten der Fig. 3a handelt es sich um
die sogenannten Rohdaten, während die entsprechenden in 3b
aufgetragenen Graphen mittels eines weiteren Parameters, z. B.
des Schweißstromes, vor Beginn des Lichtbogens und/oder nach
Kurzschließen des Lichtbogens korrigiert worden sind, um die
bei jedem, also auch bei einem optimalen Schweißvorgang
vorliegenden Magnetfeldasymmetrien zu eliminieren. In Fig. 3b
sind die entsprechenden, korrigierten Ausgangssignale der
Magnetfeldsensoren 16, 17 mit den Bezugsziffern 34 und 35
bezeichnet.
Mit T1 in den Fig. 3a, 3b ist der Beginn der Vorwärmphase,
mit T2 der Beginn des Lichtbogens und mit T3 der Beginn der
Kurzschlußphase des Schweißvorganges bezeichnet. Zu den
Zeitpunkten T2 und während der Zeit zwischen T2a und T2b zeigen
die Ausgangssignale 34, 35 der Magnetfeldsensoren 16, 17 einen
stark asymmetrischen Verlauf der Magnetfeldlinien gemäß
Bezugsziffer 24 (Fig. 2) an. Zu diesen Zeiten liegt eine
Blaswirkung 37 vor.
Ein weiteres Diagramm ist in Fig. 5 zur Erläuterung der
möglichen Interpretation der Ausgangssignale der
Magnetfeldsensoren 16, 17 dargestellt. Das Strom-Zeit-Diagramm
ist mit 38, darin der Kurzschlußstrom mit 39 und das Spannungs-
Zeit-Diagramm mit 40 bezeichnet. Die Ausgangssignale der
Magnetfeldsensoren 16, 17 weisen die Bezugsziffern 42, 43 auf.
Zum Zeitpunkt T3 beginnt die Kurzschlußphase. Während die
Ausgangssignale bei 44 (vor der Kurzschlußphase) auf das
Vorliegen von Blaswirkung schließen lassen, ist das
Ausgangssignal 45 (nach Beginn der Kurzschlußphase) auf eine
asymmetrische Verschweißung der Teile miteinander
zurückzuführen.
Der letztgenannte Effekt wird durch Fig. 6 verdeutlicht, in
der ein Querschnitt 46 durch die Schweißstelle schematisch
dargestellt ist. Der tatsächliche verschweißte Bereich 48 ist
nur über einen Bruchteil der Querschnittsfläche vorhanden,
während der größte Bereich 50 nur unverschweißt oder
teilverschweißt ist.
Insgesamt ist den Signalen der Magnetfeldaufnehmer gemäß Fig.
5 zu entnehmen, daß eine Magnetfeldasymmetrie vor der
Kurzschlußphase auf das Vorliegen starker Blaswirkung schließen
läßt, während eine Asymmetrie der Magnetfeldlinien während der
Kurzschlußphase eine unvollständige, nicht zentrische
Verschweißung zwischen dem Bolzen und dem Werkstück anzeigt.
Bezugszeichenliste
10 - Bolzen
11 - Flansch des Bolzens
12 - Werkstück
13 - Spannelement
14 - Spule
15 - Bolzenachse
16 - Magnetfeld-Sensor, Hall-Sensor
17 - Magnetfeld-Sensor, Hall-Sensor
18 - Lichtbogenbereich
20 - Teillichtbogen (aufgrund von Blaswirkung)
22 - Magnetfeldlinie (von 18)
24 - Magnetfeldlinie (von 18 und 20)
26 - Strom-Zeit-Diagramm
28 - Kurzschluß-Strom (von 26)
30 - Spannungs-Zeit-Diagramm
32 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- Rohdaten
33 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- Rohdaten
34 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- korrigiert
35 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- korrigiert
37 - Blaswirkung
38 - Strom-Zeit-Diagramm
39 - Kurzschlußstrom (von 38)
40 - Spannungs-Zeit-Diagramm
42 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16)
43 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 17)
44 - Ausgangssignale - Blaswirkung
45 - Ausgangssignale - asymmetrische Verschweißung
46 - Querschnitt durch Schweißstelle
48 - verschweißter Bereich
50 - unverschweißter Bereich
11 - Flansch des Bolzens
12 - Werkstück
13 - Spannelement
14 - Spule
15 - Bolzenachse
16 - Magnetfeld-Sensor, Hall-Sensor
17 - Magnetfeld-Sensor, Hall-Sensor
18 - Lichtbogenbereich
20 - Teillichtbogen (aufgrund von Blaswirkung)
22 - Magnetfeldlinie (von 18)
24 - Magnetfeldlinie (von 18 und 20)
26 - Strom-Zeit-Diagramm
28 - Kurzschluß-Strom (von 26)
30 - Spannungs-Zeit-Diagramm
32 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- Rohdaten
33 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- Rohdaten
34 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- korrigiert
35 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- korrigiert
37 - Blaswirkung
38 - Strom-Zeit-Diagramm
39 - Kurzschlußstrom (von 38)
40 - Spannungs-Zeit-Diagramm
42 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16)
43 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 17)
44 - Ausgangssignale - Blaswirkung
45 - Ausgangssignale - asymmetrische Verschweißung
46 - Querschnitt durch Schweißstelle
48 - verschweißter Bereich
50 - unverschweißter Bereich
Claims (15)
1. Verfahren zur Aufnahme und Auswertung des zeitlichen
Verlaufs von bei dem Aufschweißen von metallischen Teilen,
insbesondere Bolzen (10), auf metallische Werkstücke (12)
auftretenden Schweißsignalen mit wenigsten einem
Meßwertaufnehmer zur Erfassung einer charakteristischen
Größe des Schweißvorganges, dadurch gekennzeichnet, daß als
Meßwertaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldaufnehmer
eingesetzt wird, der benachbart des Lichtbogenbereiches
(18) der Schweißstelle angeordnet ist und zur Aufnahme der
während des Schweißvorganges im Lichtbogenbereich (18) des
Strompfades, auftretenden Magnetfelder (22, 24) dient und
daß die Ausgangssignale (32, 33) des Magnetfeldaufnehmers
hinsichtlich des Auftretens von Asymmetrien der
Magnetfelder (22, 24) bezogen auf eine bevorzugte Achse
ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Magnetfelder (22, 24) hinsichtlich des Auftretens von
Asymmetrien bezogen auf die Bolzenachse (15) ausgewertet
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zeitpunkt des Auftretens von Asymmetrien der
Magnetfelder (22, 24) bezogen auf die bevorzugte Achse
während des Schweißvorganges erfaßt und das zeitlich
unterschiedliche Auftreten dieser Asymmetrien
unterschiedlich bewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24)
vor der Kurzschlußphase des Schweißvorganges auf ein
Vorliegen von Blaswirkung geschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei
dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) vor
der Kurzschlußphase, welche oberhalb eines vorbestimmten,
individuell festlegbaren Grenzwertes liegen, ein
Schweißparameter modifiziert oder ein Alarmsignal ausgelöst
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24)
während der Kurzschlußphase des Schweißvorganges auf das
Vorliegen einer unvollständigen Schweißung zwischen dem
metallischen Teil und dem metallischen Werkstück (12)
geschlossen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei
dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24)
während der Kurzschlußphase, welche außerhalb eines
vorbestimmten, materialabhängig festlegbaren
Grenzwertbereiches liegen, die Verschweißung der
metallischen Teile und des Werkstückes (12) als
unzureichend bewertet und die entsprechenden Teile bzw.
Werkstücke (12) ausgesondert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (32, 33) des
Magnetfeldaufnehmers mittels eines weiteren, für den
Schweißvorgang charakteristischen Parameters korrigiert
werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als
Magnetfeldaufnehmer eine Spule (14) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Windungsfläche der Spule (14) im Bereich der Ebene des
Lichtbogens (18) oder leicht oberhalb dieser Ebene koaxial
zur Vorzugsachse angeordnet ist.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als
Magnetfeldaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldsensor (16,
17) seitlich der Mantelfläche des metallischen Teils etwa
in Höhe des Lichtbogens vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Magnetfeldsensoren (16, 17) seitlich der Mantelfläche
und versetzt zueinander vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die zwei Magnetfeldsensoren (16, 17) um etwa 60° bis 300°,
bevorzugt etwa 90° oder 270°, versetzt zueinander
angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufnehmer als
richtungsselektive Aufnehmer ausgebildet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Magnetfeldaufnehmer derart ausgebildet und angeordnet
sind, daß sie auf solche Magnetfeldkomponenten empfindlich
sind, die durch nicht radial symmetrisch zur Bolzenachse
(15) verlaufende Ströme während des Schweißvorganges
hervorgerufen werden.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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