DE69636740T2

DE69636740T2 - Verfahren zum selbsttätigen mehrlagenschweissen

Info

Publication number: DE69636740T2
Application number: DE69636740T
Authority: DE
Inventors: Bengt Ekelöf; Lars SANDSTRÖM
Original assignee: ESAB AB
Current assignee: ESAB AB
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: CA2240105A1; DE69636740D1; EP0958091A1; SE515773C2; EP0958091B1; WO1997023324A1; AU1219397A; US6155475A; SE9504607D0; CA2240105C; SE9504607L; JP2000502612A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Mehrlagenschweißen einer Verbindung, die von zwei Verbindungsflächen gebildet wird, wobei gemäß diesem Verfahren die Kontur der Verbindung in mehreren Querschnitten mittels eines Sensors, beispielsweise eines optischen oder mechanischen Sensors, bestimmt wird, der Signale emittiert, die die Kontur der Verbindung im aktuellen Querschnitt der Verbindung darstellen, wobei diese Signale nach der Auswertung das Setzen der Schweißraupen mittels einer kontinuierlich gespeisten Elektrode steuern, die auf einen Schweißbereich in der Verbindung gerichtet ist, wobei bewirkt wird, dass der Sensor Punkte der gegenwärtigen Kontur der Verbindung in dem aktuellen Abschnitt misst, die im Wesentlichen den Querschnitt der Verbindung bilden und an den Verbindungsrändern, den Verbindungsseiten und der Verbindungsunterseite der Verbindung angeordnet sind, wobei die Fläche (P _pn) des durch die gemessenen Punkte gebildeten Polygons berechnet wird, der Mittelwert (P _pm) dieser Polygonflächen berechnet wird, eine mittlere Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit entsprechend dem Mittelwert der Polygonflächen der Querschnitte der Verbindung bestimmt wird, und die Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit für jeden Querschnitt der Verbindung als Funktion der mittleren Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit und des Verhältnisses der Polygonfläche (P _pn) des Querschnitts der Verbindung zu dem Mittelwert der Polygonflächen (P _pm) berechnet wird, wobei das Verfahren umfasst, dass die Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit als Funktion einer Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder einer Schweißgeschwindigkeit variiert wird, und dass eine Zwischenlage gebildet wird, indem wenigstens drei Schweißraupen in der Verbindung gesetzt werden.
Beim Schweißen müssen die Abweichungen der Querschnittsfläche der Schweißverbindung entlang der Verbindung berücksichtigt werden. Die Querschnittsfläche wird einerseits durch die Kontur der Verbindung und andererseits durch eine Linie bestimmt, die die beiden Verbindungsränder verbindet. Im Folgenden wird diese Linie als Verbindungslinie bezeichnet. Der Querschnitt der Verbindung unterscheidet sich oft von der idealen Form, z.B. einer V-Form, U-Form etc. Im Fall von langen Verbindungen variiert die Breite der Verbindung üblicherweise, und die Verbindungsränder sind oft zueinander verschoben, die so genannte Randverschiebung. Die Querschnitts fläche entlang der Verbindung ändert sich deshalb kontinuierlich bedingt durch die geometrischen Fehler der Verbindung, die herstellungstechnisch verursacht werden, unter anderem bei der Vorbereitung der Verbindung und der Änderung der Form während des Schweißvorgangs selbst. Insbesondere beim automatischen Schweißen muss es möglich sein, dass diese Abweichungen des Verbindungsquerschnitts entlang der Verbindung aufgezeichnet werden, sowohl bezüglich der Verbindungsfläche als auch der Verbindungsform, so dass die Raupen so gesetzt werden können, dass eine Verbindung erzielt wird, die gleichmäßig und bis an beide Verbindungsränder gefüllt ist. Beim manuellen oder halbautomatischen Schweißen kann der Schweißer die Schweißparameter ändern, z.B. die Schweißgeschwindigkeit, um Unregelmäßigkeiten bei der Schweißverbindung auszugleichen. Im Fall des automatischen Schweißens muss eine solche Anpassung des Schweißens an diese Abweichungen vollständig automatisch bewirkt werden.
Die EP-B1-12962 beschreibt ein Verfahren der in der Einführung genannten Art. Auf der Grundlage der tatsächlichen Verbindungsbreite, die durch einen Sensor gescannt wird, wird die Zahl der Schweißraupen, die nebeneinander gesetzt werden, automatisch gewählt, und der Übergang von einer Raupe zur nächsten wird gemäß einer speziellen Prozedur durchgeführt. Während des Schweißens werden jedoch die Abweichungen im Querschnitt der Verbindung, der nicht nur von der Verbindungsbreite, sondern in wesentlichem Maß auch durch die Randverschiebung beeinflusst wird, nicht berücksichtigt.
In einem anderen Vorschlag – US 4 608 481 – wird die Verbindung mittels einer Oszillationsbewegung der Elektrode gefüllt, die Form der Verbindung wird gleichzeitig gescannt, indem z.B. die Bogenspannung während der Oszillationsbewegung an bestimmten relativen Positionen des Schweißbrenners bezüglich des Werkstücks gemessen wird. Dieser Vorgang verlangt zusätzliche Einrichtungen für die Oszillationsbewegung und eine getrennte Steuerungsausrüstung für diese Bewegung.
Das Durchführen eines Mehrlagenschweißens, während die Position eines Schweißbrenners und die Schweißbedingungen auf der Grundlage des Querschnitts der zu verschweißenden Fuge automatisch gesteuert werden, ist ebenfalls bekannt, s. JP-A-61-67568 und JP-A-60-99485. In diesem Fall wird jedoch der Erfassungsvorgang wäh rend des Intervalls zwischen dem Setzen der beiden Schweißraupen durchgeführt. Das bedeutet, dass einige Messungen durchgeführt werden müssen, da sich die Kontur entlang der Verbindung ändert, was eine Verzögerung beim Schweißvorgang verursacht.
Die EP-B1-423 088 beschreibt ein Verfahren zum Mehrlagenschweißen, demgemäß der tatsächliche Querschnitt der Verbindung in verschiedenen Abschnitten der Verbindung als Grundlage zur Bestimmung der Schweißgeschwindigkeit verwendet wird, durch die die Menge des pro Längeneinheit aufzubringenden Schweißmaterials als Funktion der Fläche des aktuellen Querschnitts der Verbindung variiert wird.
Dieses Verfahren liefert akzeptable Ergebnisse im Fall von geringen Randverschiebungen zwischen den Rändern der Verbindung, d.h. im Fall von vertikalen Abständen von weniger als 1 mm, stellt im Fall von Randverschiebungen, die diesen Wert überschreiten, jedoch nicht sicher, dass eine Verbindung gebildet wird, die bis zur Höhe beider Ränder der Verbindung aufgefüllt ist. Die Schweißgeschwindigkeit wird an der Verbindungsseite verringert, die den höheren Rand aufweist. Je größer die Randverschiebung, desto geringer die Schweißgeschwindigkeit. Obgleich das Ergebnis eine erhöhte Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit ist, steigt auch der Energieverbrauch pro Längeneinheit. Das Ergebnis ist nicht nur ein inakzeptabler Anstieg des Eindringens der Schweißraupen in die Verbindungsseiten, sondern auch der Größe des Schmelzbads, was zu einer breiteren und nicht wie gewünscht zu einer höheren Raupe führt. Stark verringerte Schweißgeschwindigkeiten ergeben die umgekehrte Wirkung, d.h. zu breite und flache Raupen werden an der Seite des höheren Rands der Verbindung gebildet. Aufgrund des erhöhten Risikos, dass die zugeführte Menge an Schweißmaterial in einebnender Art über den gesamten Querschnitt der Verbindung verteilt wird, je steiler die Verbindungslinie zwischen den Verbindungsrändern wird, ist es richtiger, die Neigung der Verbindungslinie anstatt des eigentlichen vertikalen Abstands zwischen den Verbindungsrändern zu berücksichtigen. Das oben genannte Verfahren liefert ein akzeptables Ergebnis, wenn der Neigungswinkel zwischen der Verbindungslinie und der Horizontalen weniger als ungefähr 3° beträgt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum automatischen Mehrlagenschweißen zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, auch wenn die Randverschiebungen in den vertikalen Richtungen ungefähr 1 mm überschreiten oder der Nei gungswinkel 3° überschreitet, eine Verbindung herzustellen, die eben und bis an beide Verbindungsränder sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung der Verbindung aufgefüllt ist.
Dies wird durch ein Verfahren der in der Einführung definierten Art erreicht, das sich dadurch auszeichnet, dass der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Schweißraupen, ein Schweißabstand, bezüglich jedes Querschnitts der Verbindung als Funktion eines symmetrischen Schweißabstands, L₀, und des Neigungskoeffizienten einer Verbindungslinie des aktuellen Querschnitts der Verbindung, die die Ränder der Verbindung miteinander verbindet, und/oder des Neigungskoeffizienten ihrer aktuellen Verbindungsunterseite, wobei L₀ = b/Z ist und b die Breite der Verbindungsunterseite des aktuellen Querschnitts der Verbindung ist und Z die Zahl der Raupen in dem aktuellen Querschnitt der Verbindung ist, bestimmt wird.
Da die Drahtvorschubgeschwindigkeit als Funktion der Teilpolygonflächen des Querschnitts der Verbindung festgelegt ist, sieht das erfindungsgemäße Verfahren eine Schweißverbindung vor, die bis zu ihren beiden Verbindungsrändern aufgefüllt ist, auch im Fall von Randverschiebungen von mehr als 1 mm. Sollte eine Randverschiebung zwischen den Rändern der Verbindung bei der vorläufigen Vorbereitung der Verbindung auftreten, ist die Teilpolygonfläche an der Verbindungsseite, die den höheren Verbindungsrand aufweist, größer als die der Teilpolygonfläche an der anderen Verbindungsseite. Dementsprechend müssen die Schweißraupen, die an den entsprechenden Verbindungsseiten gesetzt werden sollen, eine Menge an Schweißmaterial bekommen, die an die entsprechenden Teilpolygonflächen angepasst ist. Die Menge an Schweißmaterial wird durch die Drahtvorschubgeschwindigkeit so geregelt, dass die Zufuhr des Schweißmaterials bei höheren Werten schneller ist, d.h. je höher die Drahtvorschubgeschwindigkeit, desto größer die Menge an Schweißmaterial, die der aktuellen Verbindungsseite pro Zeiteinheit zugeführt wird. Da die Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit steigt, während die Energiezufuhr pro Längeneinheit kleiner als in dem Fall des Verfahrens gemäß der EP-B1-423 088 ist, wird die Schweißraupe weniger stark erhitzt, und die unerwünschte Ausbreitung der Raupe, die eine Folge dieser Erhitzung ist, wird vermieden, d.h. die resultierende Schweißraupe ist höher und schmaler als die Schweißraupe, die durch das oben genannte Verfahren hergestellt wird.
Durch Variieren der Schweißgeschwindigkeit in Längsrichtung wird der Raum der Verbindung gleichmäßig gefüllt, und durch Variieren der Drahtvorschubgeschwindigkeit für jede einzelne Schweißraupe in Querrichtung wird die Füllung in Querrichtung der Verbindung so verteilt, dass eine Randverschiebung oder ein anderer Mangel an Symmetrie in den beiden Verbindungshälften ausgeglichen wird.
Aus praktischen Gründen wird die Kontur der Verbindung punktweise hergestellt. Die Punkte werden zu Eckpunkten in einem Polygon, dessen Fläche leicht mit Hilfe eines geeigneten Polygonalgorithmus berechnet werden kann. Im Fall einfacher Verbindungsformen, einschließlich ebener Verbindungsoberflächen, sind im Allgemeinen nur wenige Punkte erforderlich, um die Polygonfläche zu berechnen, die dem Querschnitt der Verbindung entspricht. Es ist denkbar, diese Punkte zu messen, beispielsweise mittels eines optischen Sensors, z.B. eines Lasersensors.
Der Sensor wird vorteilhafterweise synchron mit dem Schweißkopf, d.h. mit der Schweißgeschwindigkeit bewegt. Wenn der Schweißkopf stationär ist und die Werkstücke bezüglich des Schweißkopfs bewegt werden, ist der Sensor geeigneterweise ebenfalls stationär. Bevorzugt wird der Sensor von dem Schweißkopf getragen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die gesamte Verbindung zu scannen, bevor die Schweißparameter für den nächsten Wulst bestimmt werden. Das Schweißen und das Scannen der Verbindung sollte jedoch gleichzeitig geschehen, um die Gesamtzeit zu minimieren, die für die Schweißarbeit erforderlich ist. Wenn die erste Raupe, die normalerweise mit der ersten Lage identisch ist, gesetzt wird, und der vor dem Schweißkopf angebrachte Sensor die Kontur der Verbindung scannt, existieren somit keine Messwerte, aufgrund derer die Schweißparameter für diese erste Raupe bestimmt werden könnten. Für die erste Raupe wird daher eine vorher bestimmte Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit gesetzt, wobei diese Menge bevorzugt entlang der gesamten Verbindung gleich ist. Es kann aus praktischen Gründen vorteilhaft sein, zunächst mehrere Raupen zu setzen, um die erste Lage zu vervollständigen, wobei eine bestimmte vorher bestimmte Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit verwendet wird.
Das Setzen von zwei Raupen pro Lage wird bevorzugt nur in Abhängigkeit von der Verbindungsbreite auf der Höhe der Lage bestimmt.
Der Wert, der für die Polygonfläche (P _Lpn) der Zwischenlage in jedem Querschnitt der Verbindung bestimmt wird, kann als Funktion der Eckpunkte (P₂, P₃, P₅, P₆) der Polygonfläche berechnet werden, wobei die Endpunkte (P₂) und (P₃), die die Schnittpunkte zwischen der Verbindungsunterseite und den Verbindungsseiten der Zwischenlage sind, während des Setzens der Raupe gemessen werden, die zuerst bei dieser Lage an eine der Verbindungsseiten in einer vorher bestimmten Distanz (I) von dieser Verbindungsseite gesetzt wird, während der Eckpunkt (P₅), der der Schnittpunkt zwischen der oberen Fläche der zuerst gesetzten Raupe und der einen Verbindungsseite ist, während des Setzens der Raupe gemessen wird, die unmittelbar danach an die andere Verbindungsseite gesetzt wird, während der Eckpunkt (P₆), der der Verbindungspunkt zwischen der oberen Fläche der Raupe, die an die andere Verbindungsseite gesetzt wird, und der anderen Verbindungsseite ist, mittels einer gemessenen Höhe (h₁) der zuerst gesetzten Raupe berechnet wird, die gemäß der Formel (h₂ = h₁ × √(S ² _pn/S ¹ _pn)), wobei S ² _pn und S ¹ _pn die entsprechenden Raupenflächen der beiden gesetzten Raupen sind, die Höhe (h₂) und dementsprechend den Schnittpunkt bei der Raupe liefert, die an die andere Verbindungsseite gesetzt wird.
Die Raupen der Zwischenlage können im Vergleich zu der vorhergehenden Lage um eine Raupe erhöht werden, wenn die berechnete Polygonfläche (P _Lpn) der Zwischenlage (S₀ × (Z + l)) überschreitet, wobei (S₀) die Nenn-Raupenfläche, (Z) die Zahl der Raupen in der vorhergehenden Lage und (l) eine Konstante ist, z.B. 0,5.
Die Raupenflächen der zusätzlichen Raupen in derselben Zwischenlage können durch Interpolation der Raupenflächen der beiden Raupen erzielt werden, die an die Verbindungsseiten gesetzt werden, und die entsprechenden Drahtvorschubgeschwindigkeiten (V _t ^x _pn) sind proportional zu den Raupenflächen (S ^x _pn).
Bevorzugt wird die Position der Schweißraupen in jedem Querschnitt der Verbindung erzielt, indem die am nächsten an den Verbindungsseiten gelegenen Schweißraupen so positioniert werden, dass das gewünschte Eindringen in die Seiten erzielt wird, wäh rend die Position der Zwischenraupen mit Hilfe der Distanz zwischen den Raupenmittelpunkten, d.h. des Schweißabstands (L _pn) gemäß folgender Formel berechnet wird: L pn = L0 (1+k); k ≥ 0 L pn = 1 – (1 – L0)(1-k); k < 0,wobei (k = (k _spn – k _fpn) × F), wobei (F) ein empirisch bestimmter konstanter Intensivierungskoeffizient ist.
Nach dem Setzen einer Zwischenlage in der Verbindung und vor dem Setzen der nachfolgenden Lage ist es bevorzugt, den Quotienten aus dem Mittelwert (P _pm) der Polygonflächen (P _pn) der Querschnitte der übrigen Querschnitte der Verbindung und dem Mittelwert der Querschnittsflächen der zuletzt gesetzten Zwischenlage in allen Querschnitten der Verbindung zu berechnen, wobei die obersten Raupen in einer obersten Lage bevorzugt in der Verbindung oben auf der Zwischenlage gesetzt werden, wenn der Quotient kleiner als ein vorher bestimmter gesetzter Wert ist, bevorzugt kleiner als 0,7.
Die Zahl der Raupen in der obersten Lage kann im Vergleich zu der Zahl der zuletzt gesetzten Zwischenlage um eins erhöht werden, wenn die Fläche (A_c) der obersten Lage die Bedingung (A_c > S₀ × Z × V _pm/V _min) erfüllt, wobei (S₀) die Nenn-Raupenfläche, (Z) die Zahl der Raupen in der zuletzt gesetzten Zwischenlage ist, (V _pm) die mittlere Schweißgeschwindigkeit und (V _min) die niedrigste mögliche Schweißgeschwindigkeit ist.
Indem nicht nur eine Drahtvorschubgeschwindigkeit, die über den Querschnitt der Verbindung variiert, sondern auch ein Schweißabstand verwendet wird, der über den Querschnitt der Verbindung variiert, falls die Zahl der Raupen in der Lage wenigstens drei beträgt, wird sichergestellt, dass auch im Fall einer beträchtlichen Randverschiebung eine Verbindung erreicht wird, die bis an ihre beiden Ränder aufgefüllt ist.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die zwei Ausführungsformen darstellen, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwenden sind.
1a, 1b, 1c zeigen einen Schnitt durch eine V-Verbindung während verschiedener Stadien des Schweißens.
2a, 2b, 2c zeigen die Randverschiebung bei einem Stumpfstoß an zylindrischen Werkstücken.
3 zeigt leicht schematisiert eine Vorrichtung zum automatischen Mehrlagenschweißen mittels eines beweglichen Schweißkopfs.
4 zeigt eine V-Verbindung zur Klärung bestimmter in der Beschreibung verwendeter Begriffe.
5 zeigt ein Diagramm berechneter Schweißgeschwindigkeiten bezüglich verschiedener Verbindungsquerschnitte.
6 zeigt eine korrekte V-Verbindung im Fall des Setzens einer Lage, die zwei Raupen umfasst.
7 zeigt eine V-Verbindung mit einer Randverschiebung im Fall des Setzens einer Lage, die zwei Raupen umfasst.
8 zeigt eine korrekte V-Verbindung im Fall des Setzens einer Lage, die drei Raupen umfasst.
9 zeigt eine V-Verbindung mit einer Randverschiebung im Fall des Setzens einer Lage, die vier Raupen umfasst.
10 zeigt ein Diagramm der Variation der Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t ^x _pn als Funktion der Raupenfläche S ^x _pn.
11a zeigt eine Verbindung, die durch symmetrisch angeordnete Schweißraupen aufgefüllt ist.
11b zeigt dieselbe Verbindung wie in 11a, außer, dass sie mit asymmetrisch angeordneten Schweißraupen aufgefüllt ist.
12 zeigt eine V-Verbindung vor dem Setzen einer obersten Lage.
13 zeigt diagrammartig eine Anordnung zum automatischen Mehrlagenschweißen.
14 zeigt diagrammartig eine Vorrichtung zum automatischen Mehrlagenschweißen mittels zweier stationärer Schweißköpfe.
1a zeigt einen Schnitt durch eine V-Verbindung zwischen zwei Werkstücken 1a, 1b mit einer Lücke 2, Verbindungsseiten 3a, 3b, Verbindungsrändern 4a, 4b, Wurzelseiten 5a, 5b und Oberseiten 6a, 6b der Verbindung. Die Werkstücke 1a, 1b sind in vertikaler Richtung bezüglich der Verbindungsränder 4a, 4b leicht versetzt gezeigt.
Die Polygonfläche P _1n des aktuellen Querschnitts wird durch die Verbindungsseiten 3a, 3b, die Lücke 2 und eine imaginäre Linie 7 zwischen den beiden Verbindungsrändern 4a, 4b begrenzt. In dieser Beschreibung wird diese Linie als Verbindungslinie bezeichnet. 1b zeigt dieselbe Verbindung mit einer Wurzelraupe 8. Die Polygonfläche ist nun kleiner und ist mit P _2n bezeichnet.
Die Wurzelraupe 8 wird entlang der gesamten Verbindung bei festgelegten Schweißparametern gesetzt. Diese so genannten Nennwerte werden vor dem Schweißvorgang gewählt und sind durch die zusammenzuschweißenden Werkstücke, die erforderliche Qualität der fertigen Schweißnaht und das Erscheinungsbild der aktuellen angefüllten Schweißverbindung bestimmt. In dieser Beziehung ist darauf hinzuweisen, dass der Querschnitt der Verbindung aufgrund von Herstellungstoleranzen entlang der Verbindung variiert, besonders bezüglich der Verbindungsbreite, der Verbindungsverschiebung und Änderungen der Form während des Schweißens. Wenn P _1n zuerst im Zusammenhang mit dem Setzen der ersten Raupe in der Verbindung erfasst wird, wird diese erste Raupe entlang der gesamten Verbindung mit konstanter Nenn-Schweißgeschwindigkeit V₀ und mit konstanter Nenn-Drahtvorschubgeschwindigkeit V_t0 der Schweißelektrode gesetzt. Infolgedessen ist die Querschnittsfläche S ^x _pn der gesetzten Raupe entlang der gesamten Verbindung identisch, nämlich S ^x _pn = S₀ = (t × V_t0/V₀), wobei t die Querschnittsfläche der Schweißelektrode und S₀ die Nenn-Raupenfläche ist. In diesem Fall bezeichnet der Index x die Ordnungszahl der aktuellen Raupe, p bezeichnet die aktuelle Lage und n bezeichnet den aktuellen Querschnitt der Verbindung. Beim Setzen der ersten Raupe 9 in der zweiten Lage der Verbindung ist es die übrige Polygonfläche P _2n, die in Anpassung an die Schweißgeschwindigkeit und die Drahtvorschubgeschwindigkeit dimensioniert ist. Diese Polygonfläche P _2n wird bezüglich jedes einzelnen Querschnitts der Verbindung im Zusammenhang mit dem Setzen der Raupe bestimmt und wird verwendet, um die Schweißparameter der Raupe 9 zu berechnen. Da P _2n aus den oben genannten Gründen in der Längsrichtung variiert, muss auch die Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit in der Längsrichtung der Verbindung variieren, wenn eine gleichmäßig gefüllte Verbindung erzielt werden soll. Die Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit variiert als Funktion der Schweißgeschwindigkeit und der Drahtvorschubgeschwindigkeit, und durch Variieren von einem oder dem anderen oder beiden dieser Schweißparameter wird eine Menge an Schweißmaterial erzielt, die an den Querschnitt der aktuellen Verbindung angepasst ist. Die Art, in der die Schweißgeschwindigkeit oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit bezüglich des aktuellen Querschnitts der Verbindung berechnet werden, wird unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, und die zweite Ausführungsform, die in 14 dargestellt ist, beschrieben.
1c stellt dieselbe Verbindung nach dem Setzen von zwei weiteren Raupen 10, 11 dar. Aktuell, beim Setzen der ersten und der zweiten Raupe 10, 11 in der dritten Lage der Verbindung ist es P _3n, die die Dimensionen des Schweißparameters bestimmt. Ein weiterer Faktor mit großer Bedeutung für die Art, in der die Schweißraupen in dem aktuellen Verbindungsquerschnitt zu setzen sind, ist die Größe des vertikalen Abstands zwischen den Verbindungsrändern. Üblicherweise wird der Abstand als Randverschiebung bezeichnet.
Eine Randverschiebung tritt allgemein beim Stumpfstoßschweißen von großen Rohren oder zylindrischen Containern auf. Die Querschnitte der zusammenzuschweißenden Rohr- oder Containerteile unterscheiden sich immer leicht von der Form des Kreises und sind elliptisch oder oval. Wenn solche Werkstücke zusammenzuschweißen sind, ist es im Allgemeinen nicht möglich, die Achsensysteme der elliptischen oder ovalen Querschnitte miteinander in Übereinstimmung zu bringen. Das Ergebnis hiervon ist eine Randverschiebung in der Verbindung, die sich kontinuierlich entlang der gesamten Verbindung ändert. 2a zeigt, in axialer Richtung leicht übertrieben, zwei zylindrische Werkstücke 12a, 12b mit elliptischen Querschnitten in der Stumpfstoßposition. Die Randverschiebung entlang dem Abschnitt I-I (2b) der beiden Werkstücke 12a, 12b ist demjenigen entlang dem Abschnitt II-II (2c) entgegengesetzt. Wie ersichtlich ist, variiert die Randverschiebung kontinuierlich am Umfang. Wie in der Einführung der Beschreibung erwähnt wird die Verschiebung richtiger als eine Neigung der Linie definiert, die die Verbindungsränder miteinander verbindet, und nicht als vertikale Beabstandung zwischen den Verbindungsrändern. Außerdem ist die Neigung der aktuellen Verbindungsunterseite wichtig für die Art, in der die Schweißraupe in der Verbindung angeordnet sein sollte, um eine Schweißverbindung zu ergeben, die bis zur Höhe ihrer beiden Verbindungsränder aufgefüllt ist, trotz der beträchtlichen Randverschiebung.
Gemäß dieser Ausführungsform werden eine optische Messeinheit 18 in Form einer Laserdiode und ein optischer Sensor 20, die von einem nicht gezeigten Schweißkopf getragen werden, verwendet, um die Kontur der Verbindung, d.h. die übrige Polygonfläche, in einer großen Zahl von Querschnitten der Verbindung zu bestimmen. Bei der Verbindung 33, bei der bereits einige Raupen 34 gesetzt wurden, wird eine weitere Raupe, die in 3 nicht zu sehen ist, mittels einer kontinuierlich vorwärts bewegten Elektrode 32, die ebenfalls von dem Schweißkopf getragen wird und wenigstens in drei Richtungen bewegbar ist, gesetzt.
Während des Schweißvorgangs bestimmt der Sensor die bestehende Kontur der Verbindung, d.h. die Verbindungsseiten 35a, 35b und die Unterseite 36, indem fünf Punkte 41a–e, die gleichmäßig über die Unterseite verteilt sind, und Punkte 42a und 42b erfasst werden, von denen einer an jedem Verbindungsrand angeordnet ist. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, sind der erste und der zweite Messpunkt, 41a bzw. 41e an der Verbindungsunterseite auf der Schnittlinie zwischen der Verbindungsunterseite und den Verbindungsseiten positioniert.
Die eingeschlossene Fläche 59a der Verbindung 60 (4) soll insgesamt eine Polygonfläche P _pn darstellen, wobei sich der erste Index auf die Querschnittsfläche bezieht, die im Zusammenhang mit dem Setzen der der p-ten Lage bestimmt wird, und n sich auf den n-ten Querschnitt der Verbindung bezieht, wo die Erfassung bewirkt wird. Z.B. bezeichnet P ₁₃ die Polygonfläche des dritten Querschnitts der Verbindung, wenn die erste Lage gesetzt wird.
Wie oben erwähnt muss die Menge des Schweißmaterials pro Längeneinheit als Funktion der Polygonfläche P _pn des aktuellen Abschnitts variieren, wenn eine gleichmäßige Verbindung erzielt werden soll. Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform variiert die Schweißgeschwindigkeit V _pn in der Längsrichtung der Verbindung, während die so genannte mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit (s. S. 19) V _tpnm nicht in der Längsrichtung der Verbindung variiert. Bei der Berechnung der Schweißgeschwindigkeit V _pn jedes einzelnen Querschnitts der Verbindung wird eine bereits gesetzte mittlere Geschwindigkeit V _pm (V _pm ≈ V₀) mit dem mittleren Wert P _pm der entsprechenden Polygonfläche P _pn der damit in Verbindung stehenden Querschnitte der Verbindung in Verbindung gebracht, woraufhin die Schweißgeschwindigkeit mittels der Formel V _pn = V _pm × P _pm/P _pn berechnet wird.
In diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass die Berechnung des mittleren Werts der Polygonflächen der Raupen in der aktuellen Lage bezüglich der ersten Raupe jeder Lage anders als bezüglich der übrigen Raupen dieser Lagen bewirkt wird. Da der Sensor nicht die Punkte zur Berechnung der übrigen Polygonfläche des aktuellen Querschnitts der Verbindung misst, bis der Zusammenhang mit dem Setzen der ersten Raupe der Lage besteht, ist es nicht möglich, den richtigen Wert des mittleren Werts der Polygonflächen der Querschnitte der Verbindung zu berechnen, bis die gesamte Raupe gesetzt ist. Um die Schweißgeschwindigkeit der ersten Raupe zu berechnen, wird eine Annäherung P _pm = Σ(P _p-1n – S₀ × Z)/n an Stelle des später bestimmten richtigen Werts dieser Größe verwendet. Der richtige Wert von P _pn kann jedoch verwendet werden.
Wegen der Variation von P _pn in der Längsrichtung der Verbindung kann die Schweißgeschwindigkeit von einem Querschnitt der Verbindung zum nächsten variieren. 5 stellt die Schweißgeschwindigkeit als Funktion der Querschnitte der Verbindung dar. Der mittlere Wert der Schweißgeschwindigkeit V _pm wird unter Berücksichtigung des entsprechenden Schweißvorgangs gewählt. Für schweißtechnische Zwecke sollten die Schweißgeschwindigkeitsvariationen innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, die in diesem Fall durch V _max und V _min bestimmt sind. Der mittlere Wert der Schweißgeschwindigkeit wird so gewählt, dass, wenn möglich, sichergestellt wird, dass die Schweißgeschwindigkeiten bezüglich aller Querschnitte der Verbindung, die gemäß der oben genannten Formel berechnet wurden, innerhalb des Bereichs liegen, der durch V _max und V _min definiert ist. Sollte in irgendeinem Querschnitt der Verbindung die Geschwindigkeit V _max überschreiten, löst dies ein Signal aus, das z.B. dem Bediener vor dem Setzen der Raupe die Information liefert, dass die Schweißgeschwindigkeit im Fall eines oder mehrerer Querschnitte der Verbindung einen Wert haben wird, der zu hoch oder zu niedrig ist. Mehrere Maßnahmen können ergriffen werden, um dieses Problem zu umgehen. Beispielsweise kann die Schweißgeschwindigkeit bezüglich dieser Querschnitte der Verbindung auf den zulässigen oberen oder unteren Grenzwert begrenzt werden, da ein Höhenausgleich erwartet werden kann, wenn die nachfolgende Raupe gesetzt wird. Große Abweichungen sind jedoch ein Zeichen für einen großen Fehler bei der Vorbereitung der Verbindung, der in vielen Fällen sehr einfach korrigiert wird, indem ein manueller Schweißvorgang bezüglich des betroffenen Verbindungsquerschnitts durchgeführt wird, wobei in diesem Fall der automatische Schweißvorgang unterbrochen und nach der Korrektur der Verbindung neu gestartet werden muss.
Aufgrund der geschätzten Geschwindigkeit bezüglich dieser Querschnitte der Verbindung findet der Übergang von einem Abschnitt zum nächsten phasenweise statt, wie in 5 dargestellt. In der Praxis wird die Geschwindigkeit so geregelt, dass der Übergang von einer Geschwindigkeit zur anderen ohne Interferenz stattfindet, wobei die Geschwindigkeit über jeden Querschnitt der Verbindung konstant und gleich V _pn ist. Der Unterschied zwischen den berechneten Geschwindigkeiten von zwei benachbarten Querschnitten der Verbindung ist in der Regel gering, und ein Übergang, der an diesen Geschwindigkeitsunterschied angepasst ist, wird gewählt, wobei u.a. auch die Massen berücksichtigt werden, die beschleunigt oder verlangsamt werden müssen.
Bei Verbindungs-Schweißstellen, deren Verbindungsbreite von der Wurzel zur Oberseite steigt, ist es nötig, die Zahl der Raupen pro Lage zu erhöhen, je näher man der Oberseite kommt. Bei der symmetrischen V-Verbindung ohne Randverschiebung (6), d.h. wo der Neigungswinkel zwischen der Verbindungslinie und der horizontalen Ebene 0° beträgt, sind Raupen 61, 62 gezeigt, die in der ersten bzw. der zweiten Lage zu setzen sind. Die Breite der Verbindung auf der Höhe der dritten Lage ist so, dass zwei Raupen darin gesetzt werden müssen, um die gesamte Lage zu füllen.
Die Distanz der Spitze 63 der Elektrode zu jeder der Verbindungsseiten sollte beim Setzen der Raupe 64 angrenzend an die Verbindungsseite einen gesetzten Wert I haben. Sollte die Distanz den gesetzten Wert überschreiten, wird das Eindringen der Raupe in das Grundmaterial schlecht.
Wenn die erste Raupe 64 der dritten Lage durch die Elektrode in einer Distanz I von der Verbindungsseite an eine der Verbindungsseiten gesetzt wird, wird die Polygonfläche P _3n gleichzeitig gemessen. Auf diese Weise wird eine Messung der Breite b zwischen den Raupenrändern 65, 66 der Raupe 62 darunter erzielt. Es wurde festgestellt, dass nur eine Raupe pro Lage erforderlich ist, wenn k × b < I, wobei b die oben genannte Verbindungsbreite auf der Höhe der aktuellen Verbindungsunterseite, d.h. die Oberseite der Raupe 62 darstellt, bevor eine neue Lage gesetzt wird, und k einen Faktor zwischen 0,5 und 1,0 darstellt. Niedrigere Werte von k werden im Fall von Verbindungen gewählt, deren Verbindungswinkel in der aktuellen Lage klein ist, beispielsweise bei I-Verbindungen. Außerdem hängt die Wahl des Werts von k von einem oder mehreren der Schweißparameter ab, z.B. der Schweißspannung, dem Schweißstrom, der Schweißgeschwindigkeit, der Drahtvorschubgeschwindigkeit und dem Abstand, d.h. der Distanz zwischen den Schweißraupenmittelpunkten. Kleinere Werte von k werden durch Versuch und Irrtum ermittelt.
Im Fall von asymmetrischen Verbindungen, die eine Randverschiebung anzeigen, ergibt die oben genannte Berechnung ungünstige Ergebnisse, und dementsprechend muss die Berechnung der Variation der Schweißgeschwindigkeit V _pn in der Längsrichtung der Verbindung durch Berechnung eines oder mehrerer der übrigen Schweißparameter ergänzt werden, die die Verteilung des Schweißmaterials über den Querschnitt der Verbindung beeinflussen können, z.B. die Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t ^x _pn. Wie in der Einleitung erwähnt, kann eine Änderung der Schweißgeschwindigkeit nicht benutzt werden, um die Menge des Schweißmaterials, das über den Querschnitt der Verbindung verteilt wird, an die bestehende Randverschiebung anzupassen, da eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit zu einem erhöhten Erhitzen und Schmelzen der aktuellen Schweißraupe führt. Das führt dazu, dass eine Verbindung mit einer flachen anstatt einer schrägen Oberseite gebildet wird. Um eine gleichmäßige Verteilung des Schweißmaterials in einer Verbindung dieser Art zu erzielen (7) und sicherzustellen, dass die Verbindung bis zur Höhe ihrer beiden Verbindungsränder aufgefüllt wird, wird eine Teilpolygonfläche der linken und der rechten Verbindungshälfte für jeden Querschnitt der Verbindung berechnet. Eine Vertikale 69, die die Polygonfläche P _3n in zwei Teilpolygone P _D ¹ _3n, P _D ² _3n teilt, wird vom Mittelpunkt der aktuellen Verbindungsunterseite in rechten Winkeln zu der horizontalen Ebene gezogen. Die Verlängerung der Linie wird mittels der Punkte berechnet, die von dem Sensor gelesen werden.
Die Teilpolygone P _D ¹ _3n und P _D ² _3n umfassen die Flächen 70, 71, die von den gestrichelten Linien umschlossen sind. Die Teilpolygonflächen des Querschnitts der betroffenen Verbindung werden mit Hilfe der Polygonfläche P _3n berechnet, die wiederum mit Hilfe der Punkte berechnet wird, die beim Setzen der ersten Raupe 72 in der dritten Lage gemessen wurden, wobei ein allgemein anerkannter Polygonalgorithmus verwendet wird.
Die zwei Teilpolygonflächen bilden die Grundlagen für die Berechnung der Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t ^x _3n über den Querschnitt n der Verbindung in der dritten Lage der Verbindung, die die beiden Schweißraupen 72, 73 umfasst, wobei die Drahtvorschubgeschwindigkeit der ersten Raupe 72 durch V _t ¹ _3n bestimmt wird.
Die Berechnung der Drahtvorschubgeschwindigkeit der beiden Raupen, die an die Verbindungsseiten gesetzt werden, beruht auf den oben berechneten Teilpolygonflächen und der mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t3nm (10). V t 1 3n = 2V t3nm × 1/(1 + P D 2 3n/P D 1 3n) V t 2 3n = 2V t3nm × 1/(1 + P D 1 3n/P D 2 3n)
Ohne Variation der Drahtvorschubgeschwindigkeit in der Längsrichtung der Verbindung ist V _t3nm daher über alle Querschnitte der Verbindung in der aktuellen Lage konstant. Dieser konstante Wert der mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit wird bevorzugt auf V _t0, d.h. den Nennwert der Drahtvorschubgeschwindigkeit, gesetzt.
Es kann ebenfalls betont werden, dass das Setzen eines bestimmten Nennwerts der Drahtvorschubgeschwindigkeit aus praktischen Gründen durch Anlegen des Schweißstroms erreicht wird, da der Schweißstrom als Funktion der Drahtvorschubgeschwindigkeit variiert.
Es ist ebenfalls hervorzuheben, dass die oben genannten Formeln zur Berechnung der Drahtvorschubgeschwindigkeit auch im Fall asymmetrischer Verbindungen anwendbar sind, die keine Randverschiebung aufweisen, d.h. wenn die Teilpolygone nicht die gleiche Größe haben, wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit über den aktuellen Querschnitt der Verbindung angepasst. Dementsprechend werden in diesem Fall die erste und die zweite Raupe des Querschnitts der Verbindung nicht mit derselben Drahtvorschubgeschwindigkeit gesetzt. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit für den Gesamtquerschnitt der Verbindung, d.h. die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit, ist jedoch konstant.
Bei einer symmetrischen Verbindung ohne Randverschiebung (8) wurden eine Raupe 74 bzw. 75 und zwei Raupen 76, 77 bzw. 78, 79 in den jeweiligen Lagen gesetzt. Zwei Raupen 80, 81 wurden bereits in der fünften Lage gesetzt. Um zu bestimmen, ob die Zahl der Raupen der fünften Lage zwei sein soll oder ob sie durch eine weitere, dritte Raupe ergänzt werden soll, wird zunächst die Polygonfläche (die so genannte Lagenfläche) P _L5n jedes Querschnitts der Verbindung berechnet. Die Polygonfläche wird berechnet, indem die Eckpunkte P₂, P₃, P₅, P₆ der Polygonfläche unter Zuhilfenahme eines geeigneten bestimmten Polygonalgorithmus verwendet werden, wobei die Eckpunkte P₂ und P₃, die die Schnittpunkte zwischen der Verbindungsunterseite und den Verbindungsseiten der Zwischenlage sind, während des Setzens der Raupe 80 an eine Verbindungsseite in einer vorher bestimmten Distanz I von der Verbindungsseite berechnet werden, wobei die Raupe die erste ist, die in dieser Lage gesetzt wird. Der Eckpunkt P₅, der der Schnittpunkt zwischen der Oberseite der zuerst gesetzten Raupe und der einen Verbindungsseite andererseits ist, wird während des Setzens der Raupe 81 gemessen, die unmittelbar danach an die gegenüberliegende Verbindungsseite gesetzt wird. Der Eckpunkt P₆, der der Schnittpunkt zwischen der Oberseite der Raupe, die an die andere Verbindungsseite gesetzt wird, und der zweiten Verbindungsseite andererseits ist, wird mit Hilfe der gemessenen Höhe h₁ der zuerst gesetzten Raupe berechnet, die gemäß der Formel h₂ = (h₁ × √S ² _5n/S ¹ _5n), wobei S ² _5n und S ¹ _5n die entsprechenden Raupenflächen der beiden gesetzten Raupen sind, die Höhe h₂ der Raupe, die an die andere Verbindungsseite gesetzt wird, und dementsprechend deren Schnittpunkt P₆ liefert.
Wenn die berechnete Polygonfläche P _L5n der Zwischenlage S₀ × (Z + l) überschreitet, wobei S₀ eine Nenn-Raupenfläche, Z die Zahl der Raupen der vorhergehenden Lage und L eine Konstante ist, z.B. 0,5, wird eine dritte Raupe 83 in der fünften Lage gesetzt. Die Zahl der Raupen kann für jede Lage nur um eins erhöht werden.
Die Raupenfläche der dritten Raupe 83, die hier in dieser Lage vorgeschlagen wird, oder die insgesamt neunte Raupe der Verbindung ist S ³ _5n. Die Schweißgeschwindigkeit der Raupe ist gleich derjenigen der anderen Raupen des aktuellen Querschnitts der Verbindung, variiert aber in der Längsrichtung der Verbindung. Da die Verbindung symmetrisch ist, sind die oben definierten Teilpolygonflächen hier von gleicher Größe, mit dem Ergebnis, dass die Drahtvorschubgeschwindigkeit der einzelnen Raupen konstant und gleich der mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t5nm ist.
Im Fall einer Verbindung mit Randverschiebung (9) und mehreren Raupen pro Lage wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit bezüglich der beiden Raupen 84, 85, die an den Verbindungsseiten anliegen, in einer neuen Lage als Funktion jeweils einer Teilpolygonfläche und der mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit bestimmt. Die Polygonfläche wird durch die Vertikale 87 in zwei Hälften geteilt, deren Flächen in 9 durch die Linien 88 bzw. 89 umschlossen sind.
Die Drahtvorschubgeschwindigkeit der beiden äußersten Raupen der neuen Lage wird zu V t 1 6n = 2V t6nm × 1/(1 + P D 2 6n/PD 1 6n) V t 2 6n = 2V t6nm × 1/(1 + P D 1 6n/PD 2 6n)
Die Raupenflächen, die zu V _t ¹ _6n und V _t ² _6n aktuell sind, werden zu S ¹ _6n bzw. S ² _6n.
In dem Fall, dass Raupen zwischen den äußersten Raupen gesetzt werden sollen, werden die Raupenflächen durch lineare Interpolation der Raupenflächen der beiden Raupen (84, 85) berechnet, die an die Verbindungsseiten gesetzt werden, und die entsprechenden Drahtvorschubgeschwindigkeiten (V _t ^x _pn) sind proportional zu den Raupenflächen (S ^x _pn). Dies wird aus 10 ersichtlich, die die Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t ^x _pn als Funktion der Raupenfläche S ^x _pn darstellt. Anders als in dem Fall aus 9 ist der linke Verbindungsrand höher als der rechte Verbindungsrand.
Wenn die Zahl der Raupen in der Lage wenigstens drei beträgt, wird nicht nur die Drahtvorschubgeschwindigkeit, die über den Querschnitt der Verbindung variabel ist, sondern auch ein Schweißabstand genutzt, der über den Querschnitt der Verbindung variabel ist, um eine Verbindung zu erzielen, die bis an ihre beiden Verbindungsränder aufgefüllt ist, auch wenn die Randverschiebung beträchtlich ist. Wie oben hervorgehoben, wird die Randverschiebung in diesem Zusammenhang richtiger als Neigung der Verbindungslinie der Verbindungsränder anstatt als vertikale Verschiebung der Verbindungsränder ausgedrückt. In diesem Fall wird die Neigung als Neigungskoeffizient der Verbindungslinie ausgedrückt. Natürlich ist auch der Neigungskoeffizient der aktuellen Verbindungsunterseite wichtig für den Schweißabstand, da ein symmetrischer Schweißabstand verwendet werden kann, wenn die oben genannten Neigungskoeffizienten gleich sind. 11b stellt dar, dass die Beabstandung zwischen den Schweißraupenmittelpunkten, d.h. der Abstand L _pn, als Funktion des so genannten symmetrischen Abstands (L₀) und des Neigungskoeffizienten (k _spn) der Verbindungslinie des aktuellen Querschnitts der Verbindung zwischen ihren Verbindungsrändern und des Neigungskoeffizienten (k _fpn) ihrer Verbindungsunterseite variiert wird. Um den Abstand L _pn zu berechnen, wird zunächst ein Wert von L₀ berechnet, der gleich dem Abstand bei einer symmetrischen Verbindung ist, die keine Randverschiebung aufweist, d.h. L₀ = b/Z, wobei b die Breite der Verbindungsunterseite des betroffenen Verbindungsquerschnitts und Z die Zahl der Raupen in dem Querschnitt der Verbindung ist. 11a andererseits stellt dieselbe Verbindung wie 11b dar, aber mit symmetrischem Abstand, d.h. L _pn = L₀.
Bei der in 11b dargestellten Verbindung werden die Positionen der den Verbindungsseiten am nächsten gelegenen Raupen zunächst auf der Grundlage des gewünschten Eindringens in die Verbindungsseiten festgelegt, während die Positionen der Zwischenraupen auf der Grundlage der Distanzen zwischen den Raupenmittelpunkten, d.h. des Schweißabstands (L _pn) gemäß folgender Formel berechnet werden: L pn = L0 (1+k); k ≥ 0 L pn = 1 – (1 – L0)(1-k); k < 0,wobei k = (k _spn – k _fpn) × F, wobei F ein empirisch bestimmter konstanter Intensivierungskoeffizient ist. F kann beispielsweise 2 sein. Anstatt den Wert von L _pn mit Hilfe der oben stehenden Formel zu berechnen, was zu einer Verlagerung der Raupen zu der höheren Seite führt, d.h. zu der linken Seite in 11a und 11b, können auch die folgenden Formeln verwendet werden: L pn = L0 (1/1+k); k ≥ 0 L pn = 1 – (1 – L0)(1/1-k); k < 0und L pn = (1 + k) × L0/(1 + k × L0) L pn = 1 – (1 – k) × (1 – L0)/((1 – k) × (1 – L0)); k < 0.
Die erste dieser beiden Formeln führt zu einer Verlagerung zu der niedrigeren Seite, während die zweite dieser Formeln zu einer symmetrischen Verlagerung führt.
Wenn das Schweißen einer Lage beendet ist, wird eine Überprüfung durchgeführt, um festzustellen, ob die folgende Lage eine oberste Lage sein soll, die den Schweißvorgang abschließt. Der mittlere Wert P _pm der übrigen Polygonflächen P _pn des Querschnitts der Verbindung, dargestellt durch die umschlossene Fläche 90 in 12, wird berechnet, woraufhin ein Quotient aus diesem mittleren Wert P _pm und dem mittleren Wert der Querschnittsfläche der zuletzt gesetzten Zwischenlage in allen Querschnitten der Verbindung berechnet wird. Eine Querschnittsfläche dieser Art ist als die durch Gitterschraffur gekennzeichnete Fläche 91 in 12 dargestellt und wird als S₀ × Z berechnet, wobei S₀ × Z eine Nenn-Raupenfläche und Z die Zahl der Raupen in der zuletzt gesetzten Lage ist. Wenn dieser Quotient weniger als 0,7 beträgt, wird die folgende Lage als oberste Lage ausgeführt. Die Zahl der Raupen in der obersten Lage wird im Vergleich zu der zuletzt gesetzten Zwischenlage um eins erhöht, wenn die Fläche A_c der obersten Lage die Bedingung A_c > S₀ × Z × V _pm/V _min erfüllt, wobei S₀ die Nenn-Raupenfläche, Z die Zahl der Raupen in der zuletzt gesetzten Zwischenlage, V _pm die mittlere Schweißgeschwindigkeit und V _min die geringstmögliche Schweißgeschwindigkeit ist. In diesem Fall wird A_c nach der Formel A_c = Σ(P _p-1n – S₀ × Z)/n + b × (Cap_min + Cap_max)/2 berechnet, wobei b die Breite der obersten Lage ist, Cap_min die minimale Höhe der obersten Lage und Cap_max die maximale Höhe der obersten Lage oberhalb der Verbindungsränder ist. Beim Setzen der beiden äußersten Raupen 92, 93 wird die Elektrodenspitze 94 in einer Distanz I₁ seitlich von der Verbindungsoberfläche 95 oder ihrer imaginären Verlängerung oberhalb der Oberseite gehalten, wobei diese Distanz kleiner als die oben genannte Distanz I ist, d.h. I₁ < I (6). Die Distanz I₁ hängt von der Konfiguration der Verbindung ab und wird durch Versuch und Irrtum bestimmt.
Alle oben genannten Rechenoperationen werden in einem Mikroprozessor 96 ausgeführt (13), der Teil der Schweißausrüstung ist. Der Sensor 98, der mit einem Schweißbrenner 97 verbunden ist, gibt Signale, die den Messpunkten entsprechen, an den Mikroprozessor 96 aus, der u.a. auf der Grundlage dieser Informationen basierend auf einem Programm die Werte der Schweißgeschwindigkeit für jeden Querschnitt der Verbindung, die Zahl der Raupen pro Lage, die Drahtvorschubgeschwindigkeit bezüg lich der Raupen, den Abstand usw. berechnet. Die Ergebnisse werden in Signale umgewandelt, die an die Schweißbrenner-Antriebseinheit 99 und an den Schweißbrenner 97 übertragen werden, der mit einer Vorrückeinheit 101 versehen ist, um die Schweißelektrode 100 vorzurücken. Zusätzlich werden die relativen Positionen des Sensors und des Schweißbrenners kontinuierlich überprüft, z.B. um die Position der Querschnitte der Verbindung zu erfassen, wo das Scannen der Messpunkte für die Berechnung der Polygonflächen vorgeht.
Wie oben erwähnt, führt der Sensor ein extensives Messungsprogramm für jeden Querschnitt der Verbindung durch, um die Kontur der Verbindung zu bestimmen. Diese Messwerte werden auch verwendet, um die Position des Schweißbrenners entlang der Verbindung zu steuern.
Gemäß der in 14 dargestellten Ausführungsform, bei der z.B. große Rohrabschnitte 102, die eine Durchmessergröße von ungefähr 0,5–3 m und eine Länge von ungefähr 4–12 m haben, zu langgestreckten Rohren zusammengeschweißt werden, die eine Gesamtlänge von ungefähr 12 m haben, ist es üblich, die Schweißausrüstung mit mehr als einem Schweißkopf zu versehen, um die Gesamt-Schweißzeit zu verkürzen. Üblicherweise sind diese Schweißköpfe stationär, und dementsprechend sind, anders als bei der in 3 dargestellten Ausführungsform, bei der die Werkstücke stationär sind und der Schweißkopf beweglich ist, die Werkstücke, d.h. in diesem Fall die Rohrabschnitte, beweglich und die Schweißköpfe sind stationär. Wie in 14 dargestellt, ist jeder Schweißkopf mit einem optischen Sensor 103 und mit einem Schweißbrenner 104 versehen, der einen Vorrückmechanismus 105 aufweist, um die Schweißelektrode vorzurücken. Die Rohre werden mit derselben Geschwindigkeit mittels eines Rollenmechanismus 106 für jedes Rohr verlagert. Da alle Rohre mit derselben Geschwindigkeit verlagert werden müssen, ist die Schweißgeschwindigkeit für alle Querschnitte der Verbindung in Längsrichtung der Verbindung konstant. Um eine Schweißverbindung zu erzielen, die bis zu ihren Verbindungsrändern aufgefüllt ist, wird die Menge an Schweißmaterial, die pro Längeneinheit zugeführt wird, bei dieser Ausführungsform durch Variieren der Drahtvorschubgeschwindigkeit geregelt, nicht nur über jeden Querschnitt der Verbindung, sondern auch in der Längsrichtung der Verbindung. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit V _t ^x _pn der verschiedenen Raupen wird auf dieselbe Axt berechnet wie zuvor, mit der Ausnahme, dass die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit V _tpnm, die zuvor für alle Querschnitte der Verbindung konstant war, nun in der Längsrichtung der Verbindung variiert, d.h. V _tpnm ist nicht mehr gleich der Nenn-Drahtvorschubgeschwindigkeit V_t0. Die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit jedes Querschnitts der Verbindung wird als Funktion der durchschnittlichen mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit V _tpnm und des Verhältnisses der Polygonfläche P _pn des aktuellen Querschnitts der Verbindung zu dem Mittelwert P _pm der Polygonflächen berechnet, wobei die durchschnittliche mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit V _tpnm gleich V_t0 ist. Die übrigen Berechnungen betreffend den Schweißabstand usw. werden auf die gleiche Art durchgeführt wie bezüglich der Ausführungsform von 3. Die Formel zur Bestimmung, ob die Zahl der Raupen in der obersten Lage um eine Raupe erhöht werden soll oder nicht, wird jedoch so geändert, dass ein Quotient V _pm/V _min in der Formel auf S. 19 durch V _tmax/V _tpmm ersetzt wird.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche variiert werden. Z.B. können sowohl die Schweißgeschwindigkeit als auch die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit in der Längsrichtung der Verbindung variiert werden. Die Verteilung der Menge an Schweißmaterial in der Querrichtung der Verbindung kann ebenfalls als Funktion der Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder des Schweißabstands variiert werden. Z.B. können die Ränder der Verbindung durch einen akustischen oder mechanischen Sensor an Stelle eines optischen Sensors gescannt werden. Es kann auch möglich sein, die Verbindungskonturen mittels des Schweißlichtbogens zu scannen.

Claims

Verfahren zum automatischen Mehrlagenschweißen einer Verbindung (33), die von zwei Verbindungsflächen gebildet wird, wobei gemäß diesem Verfahren die Kontur der Verbindung in mehreren Querschnitten mittels eines Sensors (20), beispielsweise eines optischen oder mechanischen Sensors, bestimmt wird, der Signale emittiert, die die Kontur der Verbindung im aktuellen Querschnitt der Verbindung darstellen, wobei diese Signale nach der Auswertung das Setzen der Schweißraupen mittels einer kontinuierlich gespeisten Elektrode (32) steuern, die auf einen Schweißbereich in der Verbindung gerichtet ist, wobei bewirkt wird, dass der Sensor Punkte (41a–e, 42a–b) der gegenwärtigen Kontur der Verbindung in dem aktuellen Abschnitt misst, die im Wesentlichen den Querschnitt der Verbindung bilden und an den Verbindungsrändern, den Verbindungsseiten und der Verbindungsunterseite der Verbindung angeordnet sind, wobei eine Fläche, P _pn, des durch diese gemessenen Punkte gebildeten Polygons berechnet wird, ein Mittelwert, P _pm, dieser Polygonflächen berechnet wird, eine mittlere Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit entsprechend dem Mittelwert der Polygonflächen der Querschnitte der Verbindung bestimmt wird, und eine Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit für jeden Querschnitt der Verbindung als Funktion der mittleren Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit und des Verhältnisses der Polygonfläche, P _pn, des Querschnitts der Verbindung zu dem Mittelwert der Polygonflächen, P _pm, berechnet wird, a) wobei die Menge an Schweißmaterial pro Längeneinheit variiert wird als eine Funktion von: a1) einer Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _t ^x _pn) und/oder a2) einer Schweißgeschwindigkeit (V _pn) und b) wobei eine Zwischenlage gebildet wird, indem wenigstens drei Schweißraupen (80, 81, 83) in der Verbindung gesetzt werden, gekennzeichnet durch: c) Bestimmen des Abstandes zwischen den Mittelpunkten der Schweißraupen, eines Schweißabstandes (L _pn) bezüglich jedes Querschnitts der Verbindung als Funktion eines symmetrischen Schweißabstands, L₀, und: c1) des Neigungskoeffizienten, k _spn, einer Verbindungslinie des aktuellen Querschnitts der Verbindung, die die Ränder der Verbindung miteinander verbindet, und/oder c2) des Neigungskoeffizienten, k _fpn, der aktuellen Verbindungsunterseite, wobei L₀ = b/Z ist und b die Breite der Verbindungsunterseite des aktuellen Querschnitts der Verbindung ist und Z die Zahl der Schweißraupen in dem aktuellen Querschnitt der Verbindung ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem wenigstens zwei Schweißraupen (84, 85) in der Verbindung gesetzt werden, um eine Zwischenlage zu bilden, wenn der Mittelwert der Werte, die der Breite der Verbindung in den verschiedenen Querschnitten der Verbindung auf der Höhe der Zwischenlage entsprechen, einen gesetzten Wert übersteigt, das durch die Messpunkte bestimmte Polygon in dem letzten Fall von einer Vertikale (87) durch die Verbindung in einen ersten und einen zweiten Teil (88, 89) des Polygons geteilt wird, die die Messpunkte jeweils an ihrer Verbindungsseite und an ihrem Verbindungsrand umfassen, die Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _t ^x _pn) für die Schweißraupen, die an einer bzw. der anderen Verbindungsseite zu setzen sind, bezüglich jedes Querschnitts der Verbindung als Funktion der berechneten mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) für den aktuellen Querschnitt der Verbindung und des Verhältnisses zwischen den Teilpolygonflächen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, bei dem die Schweißgeschwindigkeit (V _pn) für die verschiedenen Querschnitte der Verbindung konstant ist, d.h. die Schweißgeschwindigkeit variiert in der Längsrichtung der Verbindung nicht, während die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) in der Längsrichtung der Verbindung variiert, wobei eine durchschnittliche Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) bestimmt wird, die dem Mittelwert der Polygonflächen der Querschnitte der Verbindung entspricht, und die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) für die jeweiligen Querschnitte der Verbin dung als eine Funktion der durchschnittlichen mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) und des Verhältnisses der Polygonfläche, P _pn, des aktuellen Querschnitts der Verbindung zu dem Mittelwert, P _pm, der Polygonflächen berechnet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, bei dem die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) und die Schweißgeschwindigkeit (V _pn) in der Längsrichtung der Verbindung variieren, wobei eine durchschnittliche mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) bestimmt wird, die dem Mittelwert der Polygonflächen der Querschnitte der Verbindung entspricht, und die mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) für den jeweiligen Querschnitt der Verbindung als Funktion der durchschnittlichen mittleren Drahtvorschubgeschwindigkeit (V _tpnm) und des Verhältnisses der Polygonfläche, P _pn, des aktuellen Querschnitts der Verbindung zu dem Mittelwert, P _pm, der Polygonflächen berechnet wird, während eine gesetzte mittlere Schweißgeschwindigkeit, V _pm, mit dem Mittelwert der Polygonflächen der Querschnitte der Verbindung in Zusammenhang steht und die Schweißgeschwindigkeit (V _pn) für die jeweiligen Querschnitte der Verbindung als Funktion der mittleren Schweißgeschwindigkeit und des Verhältnisses des Mittelwerts, P _pm, der Polygonflächen zu der Polygonfläche, P _pn, des aktuellen Querschnitts der Verbindung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–4, bei dem der Wert, der für die Polygonfläche, P _Lpn, der Zwischenlage in jedem Querschnitt der Verbindung als Funktion der Eckpunkte (P₂, P₃, P₅, P₆) der Polygonfläche berechnet wird, wobei die Eckpunkte (P₂ und P₃), die die Schnittpunkte zwischen der Verbindungsunterseite und den Verbindungsseiten der Zwischenlage sind, während des Setzens der Raupe (80) gemessen werden, die bei dieser Lage an eine der Verbindungsseiten in einem vorher bestimmten Abstand (I) von der Verbindungsseite gesetzt wird, während der Eckpunkt (P₅), der der Schnittpunkt zwischen der Oberseite der ersten gesetzten Raupe und der einen Verbindungsseite ist, während des Setzens der Raupe (81) gemessen wird, die unmittelbar danach an die andere Verbindungsseite gesetzt wird, während der Eckpunkt (P₆), der der Schnittpunkt zwischen der Oberseite der Raupe, die an die andere Verbindungsseite gesetzt wird, und der anderen Verbindungsseite ist, mittels einer ge messenen Höhe, h₁, der ersten gesetzten Raupe gemessen wird, die gemäß der Formel
wobei S² _pn und S¹ _pn die entsprechenden Raupenflächen der beiden gesetzten Raupen sind, die Höhe h₂ und folglich den Schnittpunkt in der Raupe liefert, die an die andere Verbindungsseite gesetzt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 5, bei dem die Raupen der Zwischenlage im Vergleich zu der vorhergehenden Lage um eine Raupe erhöht werden können, falls die berechnete Polygonfläche, P _Lpn, der Zwischenlage größer als S₀·(Z + l) ist, wobei S₀ die Nenn-Raupenfläche ist, Z die Zahl der Raupen in der vorgehenden Lage ist und l eine Konstante, z.B. 0,5, ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 5 oder 6, bei dem die Raupenflächen der zusätzlichen Raupen in derselben Zwischenlage erzielt werden, indem die Raupenflächen der beiden Raupen (84, 85), die an die Verbindungsseiten gesetzt werden, interpoliert werden, und die entsprechenden Drahtvorschubgeschwindigkeiten (V _t ^x _pn) proportional zu den Raupenflächen (S ^x _pn) sind.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–7, bei dem die Position der Schweißraupen in jedem Querschnitt der Verbindung erzielt wird, indem die Schweißraupen, die den Verbindungsseiten am nächsten gelegen sind, so positioniert werden, dass das gewünschte Eindringen in die Seiten erzielt wird, während die Position der Zwischenraupen mit Hilfe des Abstands zwischen den Raupenmittelpunkten, d.h. des Schweißabstands L _pn, gemäß der Formel berechnet wird: L pn = L0 (1+k); k ≥= 0 L pn = 1 – (1 – L0)(1-k); k < 0,wobei k = (k _spn – k _fpn)·F, wobei F ein empirisch bestimmter Konstanten-Intensivierungskoeffizient ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–8, bei dem nach dem Setzen einer Zwischenlage in der Verbindung und vor dem Setzen der nachfolgenden Lage der Quotient aus dem Mittelwert, P _pm, der Polygonflächen, P _pn, der Querschnitte der übrigen Querschnitte (90) der Verbindung und dem Mittelwert der Querschnittsflächen (91) der zuletzt gesetzten Zwischenlage in allen Querschnitten der Verbindung berechnet wird, und bei dem oberste Raupen in einer obersten Lage in der Verbindung oben auf der Zwischenlage gesetzt werden, wenn der Quotient weniger als einen gesetzten Wert beträgt, bevorzugt weniger als 0,7.
Verfahren nach Patentanspruch 9, bei dem die Zahl der Raupen in der obersten Lage im Vergleich zu der Zahl der zuletzt gesetzten Zwischenlage um eins erhöht wird, wenn die Fläche, A_c, der obersten Lage die Bedingung A_c > S₀·Z·V _tmax/V _tpnm erfüllt, wobei S₀ die Nenn-Raupenfläche, Z die Zahl der Raupen in der zuletzt gesetzten Zwischenlage, V _tpnm die durchschnittliche mittlere Drahtvorschubgeschwindigkeit und V _tmax die höchste denkbare Drahtvorschubgeschwindigkeit ist.