DE2010878C3 - Verfahren zur Überwachung eines Widerstandspunk tschweißvorganges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Bekanntlich wird die Güte einer Punktschweißverbindung einerseits von den schweißtechnischen Parametern Stromstärke, Schweißzeit sowie Elektrodenanpreßkraft und andererseits von den geometrischen Verhältnissen, wie Elektrodendurchmesser und Stärke der durch die Schweißung zu verbindenden Teile, bestimmt. Bekannt ist, die Güte einer Punktschweißverbindung durch an der fertigen Schweißverbindung angestellte Untersuchungen zu prüfen, die eine Zerstörung der Schweißverbindung und damit des Werkstücks zur Folge haben. Solche Untersuchungen bestehen beispielsweise im Torsionsversuch, Scherzugversuch, Abrollversuch oder auch in der Anfertigung eines metallographischen Schliffes zur Ermittlung der Schweißlinsengröße. Derartige Untersuchungen haben natürlich den grundlegenden Nachteil, daß durch die Qualitätskontrolle das Werkstück selbst zerstört wird. Außerdem schließt eine solche nach der Hertellung der Schweißverbindung erfolgende Qualitätskontrolle einen derart rechtzeitigen Eingriff in den Produktionsablauf aus, daß durch Änderung beispielsweise der schweißtechnischen Parameter noch eine Verbesserung der gerade untersuchten Schweißverbidung erzielt

werden kann.

Man ist daher bestrebt, Punktschweißverbindungen bereits während des Schweißprozesses zu kontrollieren und damit eine nachträgliche Prüfung, gegebenenfalls auch eine zerstörungsfreie Prüfung nach Beendigung des Schweißverfahrens, durch diese Überwachung des Schweißprozesses überflüssig zu machen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Punktschweißverfahren zu nennen, die die Elektrodenbewegung während •o des Schweißprozesses ausnutzen, eine Ultraschallprüfung beinhalten oder aber den Verlauf des elektrischen Widerstandes zwischen den Schv;'eißelektroden in Abhängigkeit von der Zeit zur gewinnung eines Kriteriums für die Güte der Schweißverbindung heranziehen.

Von dem letztgenannten Prinzip macht die Erfindung Gebrauch. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach diesem Prinzip zu schaffen, dessen Anwendung nicht auf das Schweißen von Stahlblech beschränkt ist Sie betrifft demgemäß ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Während jedoch ein aus der DE-AS 10 61 921 bekanntes Verfahren dieser Art aus der Widerstandsänderung bei Eintritt des Schmelzzustandes sowie ein aus der DE-OS 15 40 706 bekanntes Verfahren dem Spannungseinbruch beim Einsinken der Elektroden und damit aus dem abfallenden Bereich des Widerstandsverlaufs ein Signal gewinnen, ist die Erfindung gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ergänzend zum Stand der Technik sei bezüglich der DE-OS 15 15 544 darauf hingewiesen, daß sich diese speziell auf ein elektrisches Schweißverfahren zur Herstellung von Thermistoren bezieht, wobei die besondere Schwierigkeit auftritt, daß derartige Bauelemente eine Temperaturabhängigkeit hrer Eigenschaften besitzen. Die Herstellung erfolgt in der Weise, daß zunächst mittels besonderer Heizspulen über die Schweißelektroden eine Erwärmung des Bauelements bis zu einem vorgegebenen Temperaturwert, der durch einen vorgegebenen Widerstandswert angedeutet wird, vorgenommen und dann bei diesem definierten, durch Erwärmung erzielten Temperaturwert der Schweißstrom eingeschaltet wird, bis er einen bestimmten Wert erreicht; dann erfolgt eine Abschaltung. Eine derartige Vorwärmung hat verständlicherweise nichts mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu tun.

Zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren ist es erforderlich, auf die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Diagramme für den Verlauf des elektrischen Widerstandes R zwischen den Schweißelektroden in Abhängigkeit von der Zeit t einzugehen.

Betrachtet man zunächst den Widerstandsverlauf gemäß Fig. 1, wie er beim Punktschweißen von Stahlblech auftritt, so hat man einen Bereich a, in dem der Widerstand von einem in erster Linie durch die Kontaktwiderstände gegebenen sehr hohen Widerstandswert absinkt auf einen Minimalwert, während der Widerstand nach anschließendem erneuten Ansteigen einen Maximalwert A erreicht, nach dem er wiederum abfällt. Ein hier interessierender Punkt im Bereich des abfallenden Astes der Kurve ist mit B bezeichnt. Das bekannte, den Widerstandsverlauf ausnützende Schweißverfahren zeichnet sich nun dadurch aus, daß nur der zwischen den Punkten A und ßliegende Bereich, d. h. ein Teil des abfallenden Kurvenastes, als Meßbe-

reich b ausgenutzt wird.

Diese Wahl des Meßbereichs b kann auf Schwierigkeiten stoßen, wenn die zu verschweißenden Teile einen anderen Verlauf des elektrischen Widerstandes R über der Zeit t ergeben, wie dies in F i g. 2 für den Fall eines beschichteten Blechs dargestellt ist. Wie unmittelbar aus der Kurve ersichtlich, hat man nach dem Maximum A während der Schweißzeit praktisch keinen abfallenden Ast mehr, der zur Durchführung der Messung ausgenutzt werden kann. Das bekannte Verfahren verlangt also einen charakteristischen Widerstandsverlauf gemäß f i g. 1; außerdem muß die eigentliche Schweißzeit größer sein als der in Fig.) mit a bezeichnete Zeitraum, in dem keine Messung erfolgen kann, da dort der Kurvenverlauf durch äußere Größen, wie den Kontaktwiderstand, überwiegend bestimmt ist

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man den genannten Nachteil des Verfahrens — Beschränkung auf Materialien mit bestimmtem Widerstandsverlauf — dadurch vermeiden kann, daß man sneziell den Gradienten des ansteigenden Bereichs des Widerstandsverlaufs, also in F i g. 2 den dem Abzissenbereich m zugeordneten ansteigenden Ast der Kurve, zur Gewinnung eines Steuer- oder Regelsignals heranzieht. Dieser Gradient ist nämlich durch die Größe der der Schweißlinse zugeführten Energie, die die Güte der Punktschweißung bestimmt, gegeben.

Der Widerstandsverlauf kann, wie an sich bekannt, als Verlauf der Spannung zwischen den Schweißelektroden bei bekannter Stromstärke ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, daß auch ein Verschleiß der Elektroden mit zunehmender Anzahl der hergestellte! "chweißverbii:- dungen bei der Steuerung oder Regelung der zugeführten Energie berücksichtigt wird. Dies wirkt sich nicht nur hinsichtlich der gleichbleibenden Güte der Schweiß- j ϊ verbindungen aus, sondern auch hinsichtlich der Verlängerung der Lebensdauer der Schweißelektroden, und zwar insbesondere beim Verschweißen beschichteter Bleche.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit impulsförmigem Schweißstrom arbeitet, werden zur Gradientbildung zwei vorgegebene, durch Impulse des Schweißstromes hervorgeruiüfie Widerstandsimpulse amplitudenmäßig miteinander verglichen. Um Einflüsse infolge zufälliger Schwankungen im Wider-Standsverlauf von einer Schweißung zur anderen aus dem Meßergebnis zu eliminieren, kann eine dadurch gekennzeichnete Weiterbildung der eben erläuterten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft sein, daß zur Gradientbildung die Mittelwerte der Amplituden von zwei Mengen von vorgegebenen, durch Impulse des Schweißstromes hervorgerufenen Widerstandsimpulsen miteinander verglichen werden.

Man kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch eine fortlaufende Bestimmung des Gradienten in der Weise vornehmen, daß man jeden Widerstandsimpuls amplitudenmäßig mit dem jeweils vorhergehenden vergleicht. Dann erhält man die Möglichkeit eines besonders raschen Eingriffs in den Schweißprozeß bei Störungen. bo

Wie an sich bekannt, wird man in der Regel die zugeführte elektrische Energie durch Änderung des Phasenanschnitts des Schweißstromes beeinflussen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine reine Stromamplitudciiregelung oder -steuerung möglich. to

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand des in Fig. 3 wiedergegebenen Blockschemas für eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Anordnung erläutert Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daran zu sehen, daß an sich bekannte Baugruppen im Rahmen von Anordnungen zur Durchführung des \ erfahrens Anwendung finden können, so daß auf schaltungstechnische Einzelheiten hier nicht eingegangen zu werden braucht

In Fig.3 sind mit t und 2 die beiden durch Punktschweißung miteinander zu verbindenden Bleche bezeichnet In der üblichen Anordnung liegen sie zwischen den beiden Schweißelektroden 3 und 4, die über den Schweißtransformator 5 mit Energie gespeist werden.

Zur Ermittlung es Gradienten des Widerstandsverlaufs zwischen den Elektroden 3 und 4 wird mittels der Meßleitungeii δ und 7 er Spannungsabfall an der eigentlichen Schweißstrecke erfaßt und der Meßeinrichtung 8 zugeführt. Die Messung erfolgt zu ganz bestimmten Zeiten. Da sich nämlich an der Meßstrecke dem Spannungsabfall, der dem zu ermittelnden Widerstand entspricht, ein durch die Induktion infolge der Stromimpulse erzeugte Induktionsspannung zu gewissen Zeiten überlagert, muß die Spannungsmessung während derjenigen Zeiten durchgeführt werden, in denen die Stromimpulse im Schweißstromkreis ihr Maximum haben, da dann der Absolutwert der Induktion gerade sein Minimum besitzt. Zu diesem Zweck wird über die induktive Einrichtung 9, der praktisch einen Rogowski-Gürtel darstellt, der Meßimpulserzeuger angesteuert, der die Spannungsmeßeinrichtung 8 so triggert, daß sie nur den während der induktionsfreien Zeiten aufretenden Spannungsabfall mißt.

Der Ausgang der Spannungsmeßeirichtung 8 ist mit dem Impulszählglied 11 verbunden. Bei dieser Einrichtung wird nämlich nicht unter Verwendung eines einzelnen Spannungsimpulses ein Widerstandswert gewonnen, sondern zwecks Ausschaltung von Störeinflüssen auf statistischem Wege der Mittelwert aus einer vorgegebenen, durch das Impulszählglied 11 bestimmten Menge von Impulsen gebildet.

Um den Gradienten im Bereich des ansteigenden Kurvenverlaufs bilden zu könnn, ist es erforderlich, innerhalb des in Fig. 2 mit m bezeichneten Meßbereichs zu zwei Zeitpunkten in dieser Weise eine Spannugsmessung durchzuführen. Man erhält dann zwei Mengen von Impulsen, die über jeweils eine der Leitungen 12 und 13 einem er Integrationsglieder 14 und 15 zugeführt werden. In diesen Integrationsgliedern wird der Mittelwert jeweils einer der Impulsmengen gebildet; in der differenzbildenden Einrichtung 6 werden diese beiden Mittelwerte miteinander verglichen, und die Differenz wird ihrerseits in der Einrichtung 17 mit dem Sollwert s für den Gradienten des Widerstandsverlaufs verglichen. Entsprechend der in der Einrichtung 17 ermittelten Differenz wird über den Verstärker 18 das Motorpotentiometer 19 zur Betätigung eines Stellgliedes angesteuert, das in disem Ausführungsbeispiel das Strompotentiometer 20 zur Bestimmung des Phasenanschnitts des Schweißstromes so verstellt, daß die mit der Einrichtung 17 festgestellte Regelabweichung zum Verschwinden gebracht wird.

Grundsätzlich wäre es verständlicherweise auch mög'ich, statt einer Verstellung eines Strompotentiometers in anderer Weise auf Elemente einzuwirken, die den Phasenanschnitt elektrisch bestimmen.

Wie aus der Beschreibung der Anlage nach Fig. 3 ersichtlich, müssen die Integrationseinrichtuneen 1*"^

15 cine Speicherung der Mittelwerte vornehmen, bis die Differenzbildung in der Einrichtung 16 erfolgt ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß es infolge Erfassung des Widcrstanusanstiegei. auch bei Kurzzeitschweißungen, bei dji'or. durch hohe Stromstärke während kurzer SchweiBzeiten eine ausreichende Schweißlinie erzeugt wird. Anwendung finden kann.

Du der Verlauf des elektrischen Widerstandes auch b.· miteinander zu verschweißenden Teilen an^ demselben Materia! staliüiichcn Schwankungen unterliegt, ist es zweckmäßig, in der Vergleichseinrichtung 17 nicht einen Vergleich mit einem konkreten Sollwert s vorzunehmen, sondern einen begrenzten Sollwertbereich vorzusehen.

Hierzu 2 Bhit Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung eines Widerstandspunktschweißvorganges mittels Messung des zeitlichen Verlaufes des elektrischen Widerstandes zwischen den Schweißelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient des ansteigenden Bereiches des Widerstandsverlaufes als Kriterium für die Güte der Schweißverbindung ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1 mit einem Soll-lstwert-Vergleich und mit Beeinflussung der zugeführten elektrischen Energie bei konstant gehaltener Schweißzeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem genannten Gradienten entsprechende Regelgröße gebildet und mit einem Sollwert verglichen wird, und daß in Abhängigkeit von der so gewonnenen Regelabweichung die der Schweißünse zugeiuhrte elektrische Energie beeinflußt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsverlauf als Verlauf der Spannung zwischen den Schweißelektroden ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3 mit impulsförmigem Schweißstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gradientbildung zwei vorgegebene, durch Impulse des Schweißstromes hervorgerufene Widerstandsimpulse amplitudenmäßig miteinander verglichen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 mit impulsförmigem Schweißstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gradientbildung die Mittelwerte der Amplituden von zwei Mengen von vorgegebenen, durch Impulse des Schweißstromes hervorgerufenen Widerstandsimpulsen miteinander verglichen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführte elektrische Energie durch Änderung des Phasenanschnitts des Schweißstromes beeinflußt wird.