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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In diesem Dokument wird nichts ausgesagt über die
Möglichkeit, die Kontrolle auf der Rückseite der Schweißnaht
durchzuführen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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- Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung darstellt,
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- Fig. 2 eine Detektionseinrichtung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt,
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- die Fig. 3a und 3b jeweils eine erste
Ausführungsform des Endes der Lichtleiterfaser darstellen und die
damit verbundene optische Übertragungscharakteristik,
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- die Fig. 4a und 4b jeweils eine zweite
Ausführungsform des Endes der Lichtleitfaser darstellen und ihre
damit verbundene optische Übertragungscharakteristik, und
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- 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In Fig. 5b ist die Intensität eines festgestellten
Lichtsignals dargestellt, in Verbindung mit der Intensität des
Laserstrahls.
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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.
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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.
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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.