DE3687209T2 - Vorrichtung zur echtzeitkontrolle von schweissungen, insbesondere fuer nicht direkt beobachtbare schweissstellen. - Google Patents

Vorrichtung zur echtzeitkontrolle von schweissungen, insbesondere fuer nicht direkt beobachtbare schweissstellen.

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Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Echtzeitkontrolle einer Durchschweißung und betrifft, genauer ausgedrückt, die Schweißung einer der direkten Beobachtung nicht zugänglichen Verbindung. Die Vorrichtung der Erfindung ist vor allem geeignet für die Kontrolle der Schweißung an einem praktisch verschlossenen Teil oder der Verschweißung von zwei Röhren von großer Länge und kleinem Durchmesser.
  • Das Zusammenfügen mittels Durchschweißung führt auf der Rückseite der Schweißnaht zu einem leuchtenden Schmelzbad im Falle der TIG- oder MIG-Schweißung z. B., oder zur Bildung eines leuchtenden Plasmas, bestehend aus mehr oder weniger ionisiertem Metalldampf im Falle des Elektronen- oder Laserstrahlschweißens, eventuell begleitet von feinen Metalltröpfchen. Die Feststellung dieser Phänomene im Verlauf der Schweißung gewährleistet, daß die Schmelzzone die Gesamtstärke der zusammenzufügenden Teile erfaßt hat.
  • Eine Echtzeit-Kontrollvorrichtung einer Durchschweißung umfaßt auf bekannte Weise eine optopelektronische Detektionseinrichtung für die Lichtstärke auf der Rückseite der Schweißnaht vertikal zum Schweißpunkt, eine Einrichtung zur Verarbeitung des elektrischen Signals, das von der genannten Detektionseinrichtung geliefert wird und eine Anzeigeeinrichtung.
  • Schon bekannt ist eine Detektionseinrichtung, bestehend aus einem Gehäuse, das einen optoelektronischen Detektor und eine optische Verarbeitungseinrichtung enthält. Es handelt sich um eine voluminöse Detektionseinrichtung, die nur verwendet werden kann, wenn die Rückseite der Schweißnaht leicht zugänglich ist für die Beobachtung.
  • Schon bekannt ist auch eine Detektionseinrichtung, bestehend aus einem Photodiodenaufbau und eine Detektionseinrichtung, bestehend aus einem Aufbau von optischen Fasern, verbunden mit einer Photodiode. In diese beiden bekannten Detektionseinrichtungen sind der Photodiodenaufbau und der Lichtleitfasernaufbau so angeordnet, daß sie ein Lichtsignal in einem Umkreis feststellen. In diesen bekannten Detektionseinrichtungen bildet jede Potodiode oder jede optische Faser einen Detektor, im wesentlichen nach allen Richtungen. Die für die Überwachung der Gesamtheit der Schweißnaht erforderliche Anzahl Photodioden oder Lichtleitfasern ist erheblich. Diese Detektionseinrichtungen sind daher voluminös und können nicht verwendet werden für die Kontrolle einer Durchschweißung an einer der direkten Beobachtung schwer zugänglichen Verbindungsstelle.
  • Eine weitere herkömmliche Technik stellt die Patentanmeldung FR-A-2 560 696 dar, in der die Steuerungseinrichtung für die Verschweißung zweier Metallteile beschrieben wird. Die Einrichtung umfaßt eine Energiequelle zur Durchführung der Schweißung und eine Detektionseinrichtung für das Licht, das der am Schweißpunkt austretende Dampf abstrahlt. Diese Detektionseinrichtung, die einen optoelektronischen Detektor enthalten kann und auch ein Bündel Lichtleitfasern, um dem genannten Detektor die auf Höhe der Schweißung abgestrahlte Lichtintensität zu übermitteln, ist auf derselben Seite angeordnet wie die Energiequelle, bezogen auf das zu schweißende Teil, um die Tiefe der Schweißung zu bestimmen aufgrund der Lichtausstrahlung.
  • In diesem Dokument wird nichts ausgesagt über die Möglichkeit, die Kontrolle auf der Rückseite der Schweißnaht durchzuführen.
  • Die Erfindung dient dem Zweck, die Echtzeitkontrolle einer Durchschweißung für den Fall einer der direkten Beobachtung unzugänglichen oder schwer zugänglichen Verbindungsstelle zu ermöglichen. Dieser Zweck wird im wesentlichen durch die Verwendung einer Detektionseinrichtung erreicht, die einen optoelektronischen Detektor enthält und eine einzige Lichtleitfaser, wobei das Ende dieser Lichtleitfaser konisch zugeschnitten ist, um ein Lichtsignal aufzufangen, das von einem beliebigen Punkt der Schweißnaht kommt.
  • Genau genommen hat die Erfindung eine Echtzeit- Kontrollvorrichtung für eine Durchschweißung durch Feststellung der auf der Rückseite der Schweißnaht im Moment des Schweißens auftretenden Lichtintensität zum Gegenstand, wobei die genannte Vorrichtung insbesondere geeignet ist für die Kontrolle der Rückseite einer der direkten Beobachtung unzugänglichen Verbindungsstelle, wobei die Vorrichtung eine optoelektronische Detektionseinrichtung für die genannte, auf der Rückseite der Schweißnaht im Moment des Schweißens auftretende Lichtintensität umfaßt, eine Verarbeitungseinrichtung für das von der genannten Detektionseinrichtung gelieferte Signal und eine Anzeigeeinrichtung, wobei die genannte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannten optoelektronischen Detektormittel einen optoelektronischen Detektor enthalten und eine einzige Lichtleitfaser, wobei die genannte Lichtleitfaser mit einem ersten Ende mit dem optoelektronischen Detektor verbunden ist und ein zweites Ende konusförmig zugeschnitten ist, wobei dieses zweite konusförmige Ende mit einem von 180º abweichenden Öffnungswinkel dazu bestimmt ist, zurückgesetzt vor der Rückseite der an den zu verschweißenden Teilen zu bildenden Schweißnaht in einer bestimmten Position festgehalten zu werden, um die auf dieser Schweißnahtrückseite vorhandene Lichtintensität zu messen und dabei außerhalb der Reichweite der thermischen oder mechanischen Agressionen der Schweißung zu bleiben, wobei der genannte Öffnungswinkel des genannten Endkonus der Lichtleitfaser so gewählt wird, daß das für das genannte Ende daraus resultierende Blickfeld, wenn dieses Ende in der genannten Position festgehalten wird, ausreichend groß ist, die Gesamtheit der durch die zu verschweißenden Teile begrenzten Verbindungsstelle zu erfassen.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel des Endkonus der Lichtleitfaser so groß, daß die Gesamtheit der Schweißnaht im Blickfeld des optoelektronischen Detektors ist, wenn die Lichtleitfaser fest in Stellung gebracht ist. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel dieses Konus zwischen 25º und 45º enthalten.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtleitfaser wenigstens teilweise in einer Hülle untergebracht. Diese ist vorteilhafterweise aus einem formbaren Material hergestellt, das für die Lichtleitfaser gleichermaßen einen Schutz und einen mechanischen Halt darstellt.
  • Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinrichtung dazu geeignet, der Schweißeinrichtung ein Steuerungssignal für die Stärke des Schweißstrahls zu liefern, in Abhängigkeit von der Intensität des festgestellten optischen Signals. Dies macht es möglich, die Stärke des Schweißstrahls zu regeln, und die vollständige Durchschweißung zu gewährleisten.
  • Die Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen besser aus der Beschreibung hervor, die folgen wird, erläuternd und nicht einschränkend gegeben, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • - Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung darstellt,
  • - Fig. 2 eine Detektionseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt,
  • - die Fig. 3a und 3b jeweils eine erste Ausführungsform des Endes der Lichtleiterfaser darstellen und die damit verbundene optische Übertragungscharakteristik,
  • - die Fig. 4a und 4b jeweils eine zweite Ausführungsform des Endes der Lichtleitfaser darstellen und ihre damit verbundene optische Übertragungscharakteristik, und
  • - die Fig. 5a und 5b jeweils die Stärke des Schweißstrahls beim Impulsstrahlschweißen darstellen und die Intensität des auf der Rückseite der Schweißnaht in Abhängigkeit von diesem Impulsstrahl festgestellten optischen Signals.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein mit einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung ausgerüstetes Schweißsystem dargestellt. Als Beispiel hat man den Fall des Schweißens, mittels Laserimpulsstrahl, eines Hochleistungs-Druckapparats dargestellt. Jedoch ist klar, daß die erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung nicht gebunden ist an die Art der Schweißeinrichtung, sondern an jede bekannte Schweißeinrichtung angeschlossen werden kann, insbesondere Elektronenstrahlschweißung, TIG-, MIG- oder MAG- Schweißung.
  • Der Apparat, der verschweißt werden soll, setzt sich zusammen aus einem Unterteil 2 und einem Mantel 4. Diese beiden Teile haben im wesentlichen die Form eines mit einem Boden versehenen Hohlzylinders. Der Mantel 4 ist mit einer kleinen Öffnung 6 versehen. Bei Zusammenbau bilden die beiden Teile einen geschlossenen Hohlzylinder.
  • Im Falle einer Schweißung mit Laserstrahl werden die beiden Teile auf einem Auflagegestell 8 angeordnet, das sich in einer Schweißkabine 10 mit neutraler Atmosphäre befindet. Der von der außerhalb der Schweißkabine befindlichen Schweißeinrichtung 14 erzeugte Laserstrahl dringt durch ein Kabinenfenster 16 in die Schweißkabine ein. Die Schweißeinrichtung ist feststehend. Die Schweißung über die Gesamtheit des Stoßes zwischen den beiden Teilen wird erreicht durch Drehung der beiden Teile um eine vertikale Achse. Diese Drehung kann erreicht werden mittels einer Drehplatte 18, die den Oberteil des Auflagegestells 8 bildet.
  • Die Schweißkontrollvorrichtung umfaßt eine optoelektronische Detektionseinrichtung 20, eine Verarbeitungseinrichtung 22 und ein Anzeigeeinrichtung 24. Die Detektionseinrichtung 20 befindet sich in der Schweißkabine 10. Sie ist mit der Verarbeitungseinrichtung 22 über eine elektrische Leitung 26 verbunden, welche die Wand der Schweißkabine 10 durchquert. Die Verarbeitungseinrichtung 22 kann einen Verstärker 28 enthalten, auf den eine Regeleinrichtung 30 folgt, die dazu bestimmt ist, über eine Leitung 32, die Leistung des Strahls der Schweißeinrichtung 14 zu steuern, in Abhängigkeit von dem auf der Rückseite der Verbindungsstelle festgestellten optischen Signal. Die Anzeigeeinrichtung 24 kann eine Visualisationseinrichtung 34 enthalten (Plotter, Bildschirm oder ähnlich) und eine Aufzeichnungseinrichtung 36. Diese Einrichtungen 34 und 36 erhalten simultan ein erstes elektrisches Signal, dem festgestellten optischen Signal entsprechend, und ein zweites elektrisches Signal, der Stärke des Schweißstrahls entsprechend. Dieses zweite Signal wird den Verarbeitungsmitteln 22 von den Schweißmitteln über eine Leitung 38 geliefert.
  • Erfindungsgemäß enthalten die Detektionsmittel 20 einen optoelektronischen Detektor 40 und eine einzige Lichtleitfaser 42. Diese Faser wird vorzugsweise durch eine Hülle vor mechanischen Agressionen geschützt (Spritzer, Metalldämpfe, flüssige Metalltröpfchen oder ähnlich). Vorteilhafterweise wird diese Hülle aus einem formbaren Material hergestellt, z. B. aus nichtoxidierbarem Stahl oder aus Kupfer. Dadurch läßt sich die Lichtleitfaser so formen, daß sie in einer genau bestimmten Bahn verläuft und daß sie in der optimalen Position bleibt ohne eine besondere Befestigungseinrichtung.
  • Die optische Detektionseinrichtung weist somit die Vorzüge eines geringen Raumbedarfs und einer sehr großen Flexibilität auf, die ihr möglich machen, für direkte Beobachtung unzugängliche oder schwer zugängliche Bereiche zu erreichen.
  • Erfindungsgemäß ist das, die Lichtsignale auf der Rückseite der Verbindungsstelle empfangende Ende der Lichtleitfaser konusförmig zugeschnitten. Der Winkel dieses Konus bestimmt die Öffnung des Blickfelds 43 und macht es möglich, die Faser außerhalb der Reichweite der von der Schweißung ausgehenden thermischen oder mechanischen Agressionen, welche das Ende der Faser beschädigen oder die Messungen stören könnten, anzuordnen.
  • Die Länge der Faser wird so vorgesehen, daß der optoelektronische Detektor 40 ausreichend weit von der Schweißzone entfernt ist, die Ausführung der Schweißnaht nicht behindert und seine Funktion durch die Umgebung nicht gestört wird (elektrische oder magnetische Felder, Erhitzung, Schweißatmosphäre oder ähnlich).
  • In Fig. 2 ist ein Längsschnitt der optischen Detektionseinrichtung dargestellt. Der optoelektronische Detektor 40, bestehend z. B. aus einer Photodiode, wird durch eine Isolation 44 geschützt und ist in einem zylindrischen Träger 46 untergebracht. Sein optisch sensibler Teil ist vor einem Ende der Lichtleitfaser 42 angeordnet. Diese wird geschützt durch eine Hülle 48 und an ihrem oberen Teil in Position gehalten durch einen Bund 50. Dieser obere Teil ist eingeschlossen in einen Träger 52. Das die optischen Signale sammelnde obere Ende der Lichtleitfaser ist konusförmig zugeschnitten. Das Blickfeld 43 der optischen Detektioneinrichtung ist abhängig vom Öffnungswinkel dieses Konus.
  • Vorzugsweise sind der Träger 46 des optoelektronischen Detektors und der Träger 52 der Lichtleitfaser mit zusammenwirkenden Befestigungsmitteln 58 versehen. Diese Konzeption macht es möglich, die Lichtleitfaser auszutauschen und somit die optische Detektioneinrichtung der Geometrie der zu kontrollierenden Schweißung anzupassen.
  • In Fig. 1 ist der Fall dargestellt, wo die Beobachtung der Rückseite der Schweißnaht schwierig ist, denn das zu verschweißende Teil stellt ein geschlossenes Volumen dar. Die erf indungsgemäße Kontrolleinrichtung kann ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden z. B. zum Verschweißen von zwei Rohren von großer Länge und kleinem Durchmesser. Die direkte Beobachtung der Rückseite der Schweißnaht, die mit den herkömmlichen Detektionseinrichtungen nicht möglich ist, bereitet mit der erfindungsgemäßen optischen Detektoreinrichtung keine Schwierigkeiten. Für jeden einzelnen Fall wird das Ende der Lichtleitfaser so definiert, daß ihr Gesichtsfeld die Gesamtheit der Rückseite der Schweißnaht abdeckt. Der Öffnungswinkel des Endkonus der Lichtleitfaser läßt auch zu, das Blickfeld anzupassen, in Abhängigkeit von der Position und dem Durchmesser der Schweißnaht.
  • Die Fig. 3a und 4a stellen zwei unterschiedliche Formen des Endes der Lichtleitfaser dar. Die Fig. 3b und 4b stellen das jeder dieser Fasern entsprechende Übertragungsvermögen dar, in Abhängigkeit vom Einfallwinkel eines Lichtsignals.
  • In Fig. 3a ist der Öffnungswinkel des Endkonus 56 der Lichtleitfaser 42 gleich 40º. Die Grafik der Fig. 3b, welche die von der Lichtleitfaser übertragene Lichtintensität eines Lichtsignals in Abhängigkeit vom Einfallwinkel R darstellt, zeigt daß das Blickfeld enthalten ist zwischen Einfallwinkeln von ungefähr 30º und 45º. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Entfernung des Endes der Lichtleitfaser vom Schweißpunkt, zur Vermeidung der mechanischen Agressionen, ist dieses Blickfeld geeignet für die Kontrolle einer Schweißoperation an einer kreisförmigen Verbindungsstelle von ungefähr 200mm Durchmesser.
  • In Fig. 4a ist der Öffnungswinkel des Endkonus 56 gleich 30º. Die Kurve in Fig. 4b zeigt, daß nun das Gesichtsfeld 43 enthalten ist zwischen Einfallwinkeln von ungefähr 50 bis 60º. Ein solches Blickfeld ist besonders geeignet für die Kontrolle einer Schweißung an einer Verbindungsstelle mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 100 mm.
  • In Fig. 5a ist die Energie E des Schweißstrahls eines YAG-Lasers (Aluminium- oder Yttriumgranat-Halbleiter) in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Es handelt sich um eine Punktschweißung mittels einer Folge von Punkten mit Überlappung, was eine durchlaufende Naht gewährleistet.
  • Wenn es sich um eine Durchschweißung handelt, gibt es bei jedem Laserstrahlimpuls auf der Rückseite der Schweißnaht eine Plasmafahne und ein entsprechendes Lichtsignal. Die An- oder Abwesenheit dieses durch den optoelektronischen Detektor festgestellten Lichtsignals macht es möglich, den Zustand der Schweißstelle auf der Rückseite der Schweißnaht zu beurteilen.
  • In Fig. 5b ist die Intensität eines festgestellten Lichtsignals dargestellt, in Verbindung mit der Intensität des Laserstrahls.
  • Die Verzögerung, die den Anfang des Laserstrahlimpulssignals vom Anfang des Lichtsignals auf der Rückseite der Schweißstelle trennt, ist kennzeichnend für die Durchdringung der Schweißstelle. Für den Impuls 60 des Laserstrahls ist die Verzögerung $T&sub1; klein : d. h. übermäßige Durchdringung. Für den Impuls 62 erscheint auf der Rückseite der Schweißnaht kein Lichtsignal : d. h. ungenügende Durchdringung. Für den Impuls 64 zeigt die Verzögerung ΔT&sub2; eine normale Durchdringung an. Schließlich ist, für den Impuls 66, die Verzögerung ΔT&sub3; praktisch gleich der Dauer ΔT des Laserstrahlimpulses : die vollständige Durchdringung wird gerade noch erreicht.
  • Die Chronogramme der Fig. 5a und 5b ermöglichen eine Beurteilung der Qualität der Durchdringung, die Lokalisierung von eventuellen Mängeln bei der Durchdringungstiefe und ihre Koordinaten bezogen auf den Ausgangspunkt der Schweißung. Sie ermöglichen auch, die Notwendigkeit einer eventuellen Reparatur der Schweißung in den Zonen der ungenügenden Durchdringung zu beurteilen unter Berücksichtigung der Überlappungsteilung der Schweißpunkte.
  • Für den Fall, daß die Verarbeitungseinrichtung der Kontrollvorrichtung eine Regeleinrichtung für die Leistung der Schweißeinrichtung enthält, wird das in Fig. 5b dargestellte Signal dazu verwendet, die Leistung der Schweißeinrichtung zu regeln. Diese Leistung wird erhöht, wenn sich optische Signale entsprechend den Impulsen 62 und 66 der Laserstrahlimpulse einstellen und reduziert, wenn sich das Signal einstellt, das dem Impuls 60 des Laserstrahls entspricht.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Echtzeitkontrolle einer Schweißung mit vollständigem Eindringen durch Detektion der Leuchtintensität, die an der Kehrseite der Schweißnaht im Moment der Schweißung vorhanden ist, wobei die Vorrichtung insbesondere geeignet ist zur Kontrolle von der Rückseite einer der direkten Beobachtung nicht zugänglichen Verbindung, wobei die Vorrichtung eine optoelektronische Einrichtung (20) zum Feststellen der Leuchtstärke, die auf der Rückseite der Schweißnaht im Moment des Schweißens vorhanden ist, eine Einrichtung (22) zur Verarbeitung des elektrischen Signals, das von der Feststelleinrichtung (20) erzeugt wird, und eine Signalisierungseinrichtung (24) umfaßt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die optoelektronische Feststelleinrichtung (20) einen optoelektronischen Detektor (40) und eine einzige optische Faser (42) umfaßt, wobei die Faser ein erstes Ende, das mit dem optoelektronischen Detektor (20) verbunden ist, und ein zweites in der Form eines Kegels (56) geschnittenes Ende umfaßt, wobei das zweite Ende in der Form eines Kegels (56) mit einem Öffnungswinkel, der von 180º verschieden ist, dazu bestimmt ist, unbeweglich in einer vorgegebenen Position gegenüber, aber zurückgezogen von, der Rückseite der auf den zu schweißenden Teilen zu bildenden Schweißnaht gehalten zu werden, so daß es die Leuchtstärke, die auf der Rückseite der Schweißnaht im Moment des Schweißens vorhanden ist, sammelt, wobei es außerhalb der Reichweite der thermischen oder mechanischen Angriffe aufgrund der Schweißung ist, wobei der Öffnungswinkel des Endkegels (56) der optischen Faser so gewählt ist, daß das Blickfeld (43), das für das Ende daraus resultiert, in der Lage ist, während letzteres in der vorgegebenen Stellung unbeweglich gehalten wird, die Gesamtheit der von den zu schweißenden Teilen gebildeten Verbindung zu erfassen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Endkegels (56) zwischen 25º und 45º liegt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (42) wenigstens teilweise in einer Hülle (48) enthalten ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (48) aus einem duktilen Material hergestellt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (22) geeignet ist, ein Steuerungssignal für die Intensität des Schweißstrahls in Abhängigkeit von der Intensität des festgestellten optischen Signal zu erzeugen.
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