DE3344683C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nahtmittenführung der Elektrode beim automatischen Schweißprozeß, insbesonde­ re beim Lichtbogenschweißen, mit optischer Abtastung der Schweißzone mittels eines Lichtleiters, wie vor allem ei­ nes Quarzfaserleiters, und mit automatischer Korrektur der Elektrodenposition relativ zur Schweißfuge bei Positions­ abweichungen mittels Soll-Ist-Wertvergleich und Steuer­ elektronik. Ferner ist die Erfindung auf eine zweckdien­ liche Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gerich­ tet.

In der Vergangenheit hat man zur Vermeidung einer Ausschuß­ produktion erhebliche Bemühungen darauf gerichtet, beim automatischen Schweißprozeß mit oder ohne Schweißrobotern die Qualität der Schweißnähte durch genaue Nahtführung zu verbessern. Diesen Bemühungen war aber insbesondere für Schweißarbeiten im Dünnblechbereich bisher kein umfassen­ der Erfolg beschieden, obwohl für die Nahtmittenführung der Elektrode beim automatischen Lichtbogenschweißen Sensor­ systeme in zahlreichen Ausführungen bekannt sind, die mit mechanischen Sensoren, z.B. Tastrollen, Taststiften od. dgl., oder auch mit optischen oder induktiven Sensoren arbeiten (Zeitschrift "Schweißen - Schneiden" 1980, S. 89 bis 93). Bei bekannten optischen Systemen zur Regelung der Lage des Lichtbogens wird z. B. die Lichtbogenlänge optisch durch Fotozellen überwacht, mit einem Sollwert verglichen und bei Längenabweichungen zur Schweißbrenner-Nachregelung aus­ gewertet. Auch ist eine Überwachung des Schweißprozesses mittels Fernsehkameras oder Fotodioden bekannt, um die Re­ flexion eines einfallenden Lichtstrahles vom Werkstück zu messen. Für die Beleuchtung werden hierbei Glasfaser-Licht­ leiter eingesetzt.

Es ist auch bekannt, zur Überwachung des Schweißprozesses tragbare Spektrometer einzusetzen, um sauerstoff- und was­ serstoffhaltige Verunreinigungen beim Wolfram-Inertgas­ schweißen zu ermitteln, wobei zur Übertragung des Licht­ bogenlichtes ein optischer Tastkopf am Brenner angebracht und über einen Glasfaserleiter mit dem Spektrometer verbun­ den wird (US-Zeitschrift "Wedding Research Supplement", 1970, S. 538-s bis 544-s).

Schließlich ist ein Verfahren zum Plasmaschweißen bekannt, bei dem die Überwachung und Steuerung des Schweißprozesses dadurch vorgenommen wird, daß die von dem zu schweißenden Werkstück während des Schweißvorgangs ausgesandte Strahlung über einen Lichtleiter einem Emissionsspektrometer zugelei­ tet wird, wobei etwaige Abweichungen der empfangenen Inten­ sität einer kennzeichnenden Spektrallinie aus dieser Strah­ lung von einem Sollwert festgestellt und zur Steuerung des Schweißprozesses ausgenutzt werden (SU-PS 7 42 065).

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges und einfach zu beherrschendes Verfahren anzugeben, das vor allem auch im Dünnblechbereich gute Ergebnisse liefert und sich auch für den Einsatz von Schweißrobotern eignet. Fer­ ner bezweckt die Erfindung eine zweckdienliche Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

• - als zu verschweißende Werkstücke werden solche Werkstücke eingesetzt, die zumindest in einem spektralanalytisch erfaßbaren Stoffbestandteil, vorzugsweise jeweils in einem Legierungsbestand­ teil, der in dem anderen Werkstück nicht enthal­ ten ist, voneinander abweichen;
• - während des Schweißvorgangs wird die von der Schweißzone emittierte und über den Lichtlei­ ter übertragene Strahlung mittels eines Emissions­ spektrometers auf den bzw. die abweichenden Stoff­ bestandteile hin spektralanalytisch überwacht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgemäß ein Sensor­ system mit einem bekannten Emissionsspektrometer verwendet, das die von der Schweißzone bzw. dem Lichtbogen emittierte und über den Lichtleiter übertragene Strahlung spektral­ analytisch überwacht, wobei etwaige Abweichungen von den Sollbedingungen zur automatischen Korrektur der Elektroden­ position im Sinne einer genauen Nahtmittenführung der Elek­ trode nutzbar gemacht werden. Dabei ist es von Bedeutung, daß sich die zu verschweißenden Werkstücke zumindest in ei­ nem spektralanalytisch erfaßbaren Stoffbestandteil voneinander unterscheiden. Damit läßt sich durch spektroskopische Aus­ wertung des empfangenen Lichtes zuverlässig feststellen, ob die Grundwerkstoffe beider zu verbindenden Werkstücke in der gewünschten Weise aufgeschmolzen werden. Eine besonders zuver­ lässige Verfahrensdurchführung läßt sich erreichen, wenn die beiden zu verschweißenden Werkstücke jeweils einen das Be­ gleit- bzw. Kennelement bildenden spektralanalytisch erfaß­ baren Stoff- bzw. Legierungsbestandteil aufweisen, der im anderen Werkstück nicht enthalten ist.

Die Abweichung der zu verschweißenden Werkstücke in mindestens einem Stoff- bzw. Legierungsbestandteil ist bei Schweißarbei­ ten im Dünnblechbereich in vielen Fällen gegeben und kann außerdem in der Fertigung oder Konstruktion entsprechend vor­ gegeben werden.

Die Unterschiedlichkeit der Stoffbestandteile der beiden zu verschweißenden Werkstücke kann aber auch in den jeweiligen Mengenanteilen dieser Stoffbestandteile innerhalb der Legie­ rungen bestehen. Da sich auf spektrometrischem Wege nicht nur eine qualitative Aussage, sondern über die Intensität der Spektrallinien und der photoelektrisch erhaltenen Meß­ werte auch eine quantitative Aussage über Mengenanteile be­ stimmter Komponenten gewinnen lassen, kann das erfindungs­ gemäße Verfahren auch dort zur Anwendung kommen, wo die Werk­ stoffe der zu verschweißenden Werkstücke sich entweder in ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder in ihren mengen­ mäßigen Zusammensetzungen unterscheiden.

Bei der automatischen Auswertung mittels eines Emissions­ spektrometers lassen sich auch obere und untere Toleranz­ werte berücksichtigen, so daß die Überwachung des Schweiß­ prozesses bezüglich der oberen und/oder unteren Toleranz­ werte bestimmter Legierungsbestandteile möglich ist. Die Auswertung der Meßergebnisse des Emissionsspektrometers kann mit herkömmlichen Mitteln auf dem Wege des Soll-Ist-Wertver­ gleiches und unter Verwendung einer Steuerelektronik erfol­ gen.

Es empfiehlt sich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu­ gleich eine spektrometrische Verwechslungsprüfung der zu ver­ schweißenden Werkstücke durchzuführen, derart, daß bei einer Werkstückverwechslung eine entsprechende Signalgabe erfolgt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich eine Einrichtung mit einem optischen Abtastsystem mit von einer Faseroptik gebildeter Lichtleiterübertragung, die mit ihrem auf die Schweißzone gerichteten Ende an einer Halterung des Schweißbrenners gehalten ist, und mit einer Auswerte­ und Steuerelektronik zur Schweißbrennernachregelung verwen­ den. Dabei weist das optische Abtastsystem der Einrichtung ein Emissionsspektrometer auf, das an einen Mikroprozessor mit Auswerte- und Steuerelektronik für die Schweißbrenner­ nachregelung angeschlossen ist. Vorzugsweise ist das Kopf­ stück der Faseroptik in seiner Winkellage zur Schweißzone verstellbar angeordnet, so daß es sich genau auf die Schweiß­ stelle bzw. auf den Lichtbogen ausrichten läßt. Die Halterung kann ein Schwenkglied aufweisen, das am Schweißbrenner ange­ ordnet ist und mit dessen Hilfe sich das Kopfstück der Fa­ seroptik auf den gewünschten Abstand zur Schweißstelle bzw. zum Lichtbogen einstellen läßt.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 in Seitenansicht das am Schweißbrenner angeordnete Kopf­ stück der Faseroptik;

Fig. 3 in der Darstellung der Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform der Lagerung des Kopfstückes der Faseroptik am Schweißbrenner.

In der Zeichnung sind mit 1 und 2 zwei z. B. aus Dünnblechen bestehende metallische Werkstücke bezeichnet, die mittels einer Schweißverbindung 3 verbunden werden. Mit 4 ist in Fig. 1 ein Schweißbrenner einer automatischen Schweißein­ richtung oder eines Schweißroboters bezeichnet. Die Verbin­ dung der Werkstücke 1 und 2 erfolgt vorzugsweise im auto­ matischen Lichtbogenschweißverfahren.

Für die zu verschweißenden Werkstücke 1 und 2 werden solche Werkstücke eingesetzt, die zumindest in einem spektral­ analytisch erfaßbaren Stoff- bzw. Legierungsbestandteil voneinander abweichen. Dieser oder diese Stoffbestandtei­ le dienen als "Begleitelemente", die während des auto­ matischen Schweißprozesses spektralanalytisch erfaßt und zur Regelung des Schweißprozesses im Sinne einer Nahtmit­ tenführung der Elektrode nutzbar gemacht werden. Eine be­ sonders zuverlässige Verfahrensdurchführung ergibt sich vor allem dann, wenn jedes der beiden Werkstücke 1 und 2 einen Stoff- bzw. Legierungsbestandteil als Begleitelement auf­ weist, der in dem anderen nicht vorhanden ist.

Um beim Schweißprozeß durch genaue Nahtmittenführung der Elektrode eine einwandfreie Schweißverbindung mit ausrei­ chend tiefem Einbrand an den Stoßkanten der Werkstücke 1 und 2 zu erzielen, wird die Schweißzone bzw. der Lichtbogen während des Schweißprozesses mit Hilfe eines optischen Ab­ tastsystems abgetastet. Hierbei findet ein Emissionsspektro­ meter 5 mit einer Faseroptik Verwendung, deren Kopfstück 6 am Schweißbrenner 4 angeordnet ist. Im Kopfstück 6 ist ein Lichtleiter 7 in Gestalt eines Quarzfaserleiters mit seinem Ende gehalten. Der Lichtleiter 7 ist am anderen Ende am Ein­ trittsspalt 8 des Emissionsspektrometers 5 angeschlossen, welches stationär angeordnet werden kann. Das Kopfstück 6 der Faseroptik ist am Schweißbrenner 4 in einer Halterung 9 so befestigt, daß es genau auf die Schweißzone bzw. den Lichtbogen ausgerichtet ist und das von der Schweißzone emittierte Licht über den Lichtleiter 7 dem Emissionsspektro­ meter 5 zuleitet.

Das Emissionsspektrometer 5 ist von bekannter Ausführung; es besteht aus einem Spektralapparat, in welchem die Strahlung des Lichtbogens bzw. der Schweißstelle in die einzelnen Spektrallinien zerlegt wird, wobei jeweils die Intensität der ausgewählten Spektrallinie (n) des bzw. der oben erwähn­ ten Begleitelemente der Werkstücke 1 und 2 photoelektrisch erfaßt wird bzw. werden. Falls der spektralanalytisch über­ wachte Stoff- bzw. Legierungsbestandteil in beiden Werkstücken 1 und 2 in unterschiedlichen Mengenanteilen enthalten ist, kann das Verhältnis der Intensitäten der betreffenden Spek­ trallinien photoelektrisch gemessen werden, wobei das ge­ messene Verhältnis ein Maß für die Menge dieser Stoffbestand­ teile im Schweißbad ist. Die Austrittsspalte 10 und 11 des Emissionsspektrometers 5 sind auf die ausgewählten Spektral­ linien eingestellt. Hinter diesen Austrittsspalten 10 und 11 sind photoelektrische Empfänger 12 angeordnet, deren elek­ trische Signale einem Mikroprozessor 13 zugeführt werden, der mit einer Auswerteelektronik und mit einer Steuerelek­ tronik für die automatische Nachregelung des Schweißkopfes 4 auf die Schweißfugenmitte versehen ist. Bei Positionsabwei­ chungen, die auf dem Wege eines Soll-Ist-Wertvergleiches er­ mittelt werden, erfolgt eine automatische Korrektur der Elektrodenposition relativ zur Schweißfuge. Bei der Nach­ regelung wird demgemäß der Schweißbrenner 4 in die Sollage zurückgestellt.

Fig. 2 zeigt einen bogenförmigen Schweißbrenner 4′ mit der Halterung 9 für das Kopfstück 6 der Faseroptik. Das Kopf­ stück 6 ist am freien Ende eines Schwenkarmes 14 mittels einer Schraubvorrichtung 15 in Richtung der Längsachse des Schwenkarmes verstellbar gelagert. Der Schwenkarm 14 ist mit seinem anderen Ende bei 16 um eine Querachse schwenk­ beweglich gelagert, wobei er in den verschiedenen Schwenk- Positionen mit seiner Feststellschraube od. dgl. festgestellt werden kann. Das Gelenk 16 befindet sich an einer Schelle 17 des Schweißbrenners 4′. Mit Hilfe der vorgenannten Einstell­ möglichkeiten läßt sich das Kopfstück 6 der Faseroptik in den vorgesehenen Abstand zu der Schweißstelle bringen und auf diese bzw. auf den Lichtbogen ausrichten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Faseroptik mit ihrem Kopfstück 6 an einem geraden Schweißbrenner 4′′ ver­ stellbar gelagert. Letzterer weist an einer Manschette 17 ein kurzes Schwenkglied 14′ auf, an welchem das Kopfstück 6 der Faseroptik mittels einer Gewindeeinstellvorrichtung 15 verstellbar gelagert angeordnet ist. Mit 18 ist ein Gasrohr für die Schutzgaszuführung bezeichnet.

Wie oben erwähnt, wird während des Schweißprozesses die von der Schweißzone emittierte Strahlung über die Faseroptik 6, 7 dem Emissionsspektrometer 5 zugeleitet und von letzterem bei Positionsabweichungen der Elektrode zur Lieferung eines den Schweißprozeß im Sinne einer Nahtmittenführung der Elektrode korrigierenden Regelsignals ausgewertet. Die Auswertung der Meßergebnisse erfolgt durch die Auswerteelektronik des Mikro­ prozessors 13, wobei über die Steuerelektronik die automa­ tische Schweißbrennernachregelung bewirkt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Nahtmittenführung der Elektrode beim auto­ matischen Schweißprozeß, insbesondere beim Lichtbogen­ schweißen, mit optischer Abtastung der Schweißzone mit­ tels eines Lichtleiters, wie vor allem eines Quarzfaser­ leiters, und mit automatischer Korrektur der Elektroden­ position relativ zur Schweißfuge bei Positionsabweichun­ gen mittels Soll-Ist-Wertvergleich und Steuerelektronik, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - als zu verschweißende Werkstücke werden sol­ che Werkstücke (1, 2) eingesetzt, die zumin­ dest in einem spektralanalytisch erfaßbaren Stoffbestandteil, vorzugsweise jeweils in ei­ nem Legierungsbestandteil, der in dem anderen Werkstück nicht enthalten ist, voneinander ab­ weichen;
• - während des Schweißvorgangs wird die von der Schweißzone emittierte und über den Lichtlei­ ter übertragene Strahlung mittels eines Emissions­ spektrometers auf den bzw. die abweichenden Stoffbestandteile hin spektralanalytisch über­ wacht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich eine spektrometrische Verwechslungsprüfung mit Signalgabe bei Werkstückverwechslung durchgeführt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, mit einem optischen Abtastsystem mit von einer Faseroptik gebildeter Lichtleiterübertragung, die mit ihrem auf die Schweißzone gerichteten Ende an einer Halterung (9) des Schweißbrenners (4, 4′, 4′′) ge­ halten ist, und einer Auswerte- und Steuerelektronik zur Schweißbrennernachregelung, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abtastsystem ein Emissionsspektro­ meter (5) aufweist, das an einen Mikroprozessor (13) mit Auswerte- und Steuerelektronik für die Schweiß­ brennernachregelung angeschlossen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück (6) der Faseroptik (6, 7) in seiner Win­ kellage zur Schweißzone verstellbar angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halterung (9) ein Schwenkglied (14, 14′) aufweist.