DE3046269C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Schweißzeit beim Widerstandspunktschweißen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art. Eine solche Einrichtung ist z. B. aus der DE-AS 20 35 080 bekannt.

Bei industrieller Anwendung des Widerstandspunktschweißens soll in der Regel eine gleichmäßig hohe Qualität der Punktschweißungen auch dann erzielt werden, wenn sich die den Schweißprozeß und die Qualität der erzeugten Verbindungen beeinflussenden Parameter, wie z. B. die Netzspannung, die Sauberkeit der Oberflächen, die Form der zu verschweißenden Teile, der Zustand und Abnutzungsgrad der Schweißelektroden, der Luftdruck im pneumatischen System usw., von Schweißung zu Schweißung ändern. Diese Forderung ist um so wichtiger je anspruchsvoller das hergestellte Produkt und je höher die Belastung der einzelnen Schweißungen während des Betriebes ist.

Es sind Verfahren zur Schweißzeitregelung auf der Grundlage des Widerstandes zwischen den Elektroden während des Schweißens bekannt ("Schweißen und Schneiden" 1967, H. 4, S. 152-156), die nur elektrische Größen messen und somit keinen Meßwandler benötigen. Eines dieser Verfahren besteht darin, daß der Maximalwert des Widerstandsverlaufes gespeichert wird, der den Beginn der charakteristischen Etappe in der Ausbildung der Schweißverbindung kennzeichnet und in etwa dem Schmelzbeginn der Schweißlinse entspricht. Zu diesem Maximalwert wird ein bestimmter Prozentsatz hinzugerechnet, welcher zwischen 5 und etwa 45% liegt. Der Schweißstrom wird dann abgeschaltet, wenn der Widerstand unter dieses Maximum um einen vorher eingestellten Wert in dem genannten Bereich von 5 bis 45% des Maximalwertes sinkt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der Messung absoluter Widerstandswerte stets ein bestimmter Prozentsatz gewählt werden muß, der bei verschiedenen technologischen Situationen und Bedingungen unterschiedliche Werte besitzt, die entsprechend eingestellt werden müssen. Wenn also die zu verschweißenden Teile z. B. verschiedene Kombinationen von Materialien, Dicken und Anzahl der Blechschichten enthalten, muß die Einrichtung immer wieder erneut eingestellt werden.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Regelung der Schweißzeit auf der Grundlage des Widerstandes zwischen den Elektroden (DE-AS 20 35 080) ermittelt den Zeitpunkt t _max , an dem der Widerstand seinen Maximalwert R _max erreicht und unterbricht den Schweißstrom zur Zeit t, die sich aus der Gleichung

t = A+B · t _max

ergibt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist der gleiche wie im vorangegangenen Fall, daß sich nämlich aufgrund der konkreten technologischen Situation die Größen A und B ändern. Die Einrichtung erfordert bei jeder Änderung eine Umstellung. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Einrichtung nicht auf das Herausspritzen von geschmolzenem Metall reagiert, das durch Überhitzung oder Druckabfall verursacht wird und den Schweißstrom beim Herausspritzen nicht unterbricht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Schweißstromregelung der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, daß mit verringertem technischem Aufwand, d. h. ohne Meßwandler, ein optimaler Schweißstrom auch bei sich ändernden Schweiß- oder Werkstückparametern gewährleistet ist, ohne das gesonderte Einstellungen erforderlich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Einrichtung in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Weise ausgebildet.

Die Einrichtung kann vorzugsweise den im Patentanspruch 2 beschriebenen Aufbau haben.

Wie festgestellt wurde, ist das Integral eine relativ gute Invarianz für den Prozeß des Widerstandspunktschweißens, d. h. eine solche Größe, die sich nicht ändert und bei physikalisch ähnlichen Prozessen konstant bleibt, auch wenn sich ihre Eingangsgrößen ändern, und ist somit ein Kriterium für die Ähnlichkeit der Prozesse. Die Verwendung eines solchen Ähnlichkeitskriteriums zur Regelung der Schweißzeit bringt bedeutende Vorteile, vor allem dadurch, daß sich die Einrichtung im großen Maße selbst einstellt. Das bedeutet im konkreten Fall folgende günstige Eigenschaften der der Erfindung zugrunde liegenden Einrichtung.

Bei ein und derselben Einstellung des Widerstandsintegrals ist es möglich, Bleche von unterschiedlicher Dicke zu schweißen, wobei sich keine übermäßige Empfindlichkeit gegenüber den ausgewählten Blechdicken zeigt. Weiter ist es möglich, unterschiedliche Dickenkombinationen und eine sich ändernde Anzahl von Blechschichten zu schweißen.

Die Regelung paßt die Schweißzeit so an, daß auch Bleche und Preßteile, die schlecht aufeinander passen, geschweißt werden können. In einem bestimmten praktisch verwendbaren Ausmaß wird auch der unerwünschte Effekt des Parallelschlusses des Schweißstromes, z. B. über benachbarte Schweißstellen sowie der unerwünschte Effekt der infolge von Abnutzung verursachten Änderungen im Durchmesser der Ansetzflächen der Elektroden ausgeglichen. Auch der Einfluß verunreinigter Oberflächen der zu verschweißenden Flächen ist automatisch zu kompensieren.

Die Einrichtung kann ohne Einstellungsänderung auch zum Schweißen von oberflächenbehandelten, z. B. verzinkten Blechen verwendet werden. Darüber hinaus wurde in diesem Fall eine um 25% höhere Anzahl von Schweißstellen erzeugt, bis eine Bearbeitung der Elektroden erforderlich war.

Aufgrund der Tatsache, daß beim Herausspritzen von geschmolzenem Metall aus der Schweißung der Widerstand zwischen den Elektroden sprunghaft absinkt, wächst das Widerstandsintegral stark an und die Regelung unterbricht einen solchen Prozeß früher. Damit verringert sich auch das Ausmaß der Spritzer, was in der Praxis allgemein unerwünscht ist. Das ist besonders vorteilhaft beim Schweißen schmaler Bördel und in der Nähe des Blechrandes, wo die Gefahr des Herausspritzens stark anwächst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1den typischen Verlauf des Schweißwiderstandes und seine Aufteilung in verschiedene Abschnitte in den unterschiedlichen Schweißstadien,

Fig. 2 den Verlauf des Schweißwiderstandes beim Herausspritzen,

Fig. 3 den Begriff des Integrals der Ergänzungsfläche und des Widerstandsintegrals,

Fig. 4 die Kurven bei einem nicht konstanten programmierten Stromverlauf,

Fig. 5 eine Alternative eines geregelten Stromverlaufes,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung dgemäß der Erfindung.

Der typische Verlauf des Schweißwiderstandes R beim Schweißen von Stahlblechen mit geringem Kohlenstoffgehalt wird als Beispiel der Erfindung beschrieben. Der Widerstand R ergibt sich aus den Übergangswiderständen R _p , die während des Stromflusses in der Zeit t verschwinden, und aus dem Materialwiderstand R _m . Innerhalb der zeitlichen Abhängigkeit des Widerstandes R lassen sich drei Bereiche unterscheiden, die für die Widerstandspunktschweißung charakteristisch sind.

Im ersten Bereich verschwinden die Übergangswiderstände. Er dauert vom Beginn des Schweißstromflusses bis zum Zeitpunkt t _min , in dem sich das lokale Minimum R _min der Widerstandskurve R befindet. In diesem relativ kurzen Zeitintervall, der beim Schweißen dünner Bleche von ca. 1 mm Dicke ungefähr 0,04 s beträgt, verschwinden die Übergangswiderstände zwischen den sich gegenseitig berührenden Oberflächen von Schweißelektroden und zu verschweißendem Material und es stellt sich eine Art Stabilisierung der Widerstandsverhältnisse ein.

Der zweite Bereich ist der der Erwärmung und liegt zwischen den Zeitpunkten t _min und t _max , in dem sich das lokale Widerstandsmaximum R _max auf der Widerstandskurve R befindet. In dieser Zeit erwärmen sich die zu verschweißenden Materialien bis zum Schmelzbeginn der Materialien und somit bis zur Initiierung des eigentlichen Schweißvorganges.

Im dritten Bereich wächst die Schweißlinse. Dieser Bereich liegt zwischen dem Zeitpunkt t _max und dem Ende des Stromüberganges t _z und wird als eigentliche Schweißzeit bezeichnet. In diesem Intervall wächst die Schweißverbindung von den ersten Anzeichen des Schmelzens bis zum vollen Ausmaß der Schmelzlinse. Diese Ausmaße, die in überwiegendem Maße die Qualität der Schweißverbindung von gut schweißbarem Material bestimmen, hängen u. a. von der Energie ab, die der Verbindung im dritten Bereich zugeführt wurde, d. h. von der Initiierung des Schmelzens bis zur Beendigung des Prozesses. Aufgrund der Tatsache, daß man in diesem Bereich fast ausnahmslos mit einem konstant eingestellten Schweißstrom I schweißt, ist diese Energie durch die Beziehung gegeben und hängt in überwiegendem Maße vom Integral ab. Dieses Integral kann als Maß für das Anwachsen der Schweißlinie und somit zur Regelung der Schweißzeit verwendet werden.

In einigen Fällen der Schweißpraxis, z. B. bei der Herstellung von Karosserien, kommt es als Folge einer übermäßigen Energieeinbringung auch aus anderen Gründen zum Herausspritzen des geschmolzenen Metalles aus der Schweißung.

Dieser Effekt ist im allgemeinen unerwünscht, denn die Schweißlinse verarmt an geschmolzenem Metall, es entstehen tiefe bleibende Spuren auf der Oberfläche, die Festigkeit der Verbindung sinkt, das Verspritzen des geschmolzenen Metalles erschwert die Bedienung, verunreinigt das Schweißmaterial, die Maschine und die Umgebung. Sobald ein Herausspritzen einsetzt oder in unmittelbarer Folge danach ist es erforderlich, den Schweißvorgang schnell zu beenden, weil seine Fortsetzung praktisch keinen Sinn mehr hat. Ein solches Herausspritzen ist von einem plötzlichen Absinken des Schweißwiderstandes begleitet. Wenn zur Regelung der Wert des Integrals verwendet wird, dann würde der Schweißvorgang so lange fortgesetzt, bis das Integral einen zuvor bestimmten Wert erreicht hat. Das Herausspritzen würde weder zur Unterbrechung noch zur Verkürzung der Schweißzeit, sondern zum genau entgegengesetzten Effekt führen. Deshalb wird erfindungsgemäß das Integral gebildet, welches eine Ergänzungsfläche angibt und ein Maß für die der Schweißung in der Zeit von t _max bis zur Beendigung des Schweißprozesses zugeführte Energie ist. Darüber hinaus hat es die sehr vorteilhafte Eigenschaft, daß es beim Herausspritzen schnell anwächst, was die Unterbrechung des Schweißprozesses oder die Verkürzung der Schweißzeit verursacht.

Weiter wurde es festgestellt, daß beim Verschweißen von Blechen unterschiedlicher Dicke oder einer unterschiedlichen Anzahl von Stücken bzw. gegenseitigen Kombinationen derselben bei sonst gleichen technologischen Bedingungen und einer solchen Schweißzeit, die die Entstehung guter Schweißverbindungen sichert, die Werte des Integrals konstant blieben. Diese vorteilhaften Eigenschaften des angeführten Integrals werden von dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgenutzt. Nach diesem Verfahren wird während des Schweißens der Schweißwiderstand R gemessen. Im Augenblick t _max , wenn der Widerstand R den Wert R _max erreicht, wird dieser Wert gespeichert und mit seiner Hilfe aus dem Augenblickswert R das angeführte Integral gebildet, dessen Größe mit einem zuvor erprobten und eingestellten Wert verglichen wird. Wenn das Integral die Größe dieser voreingestellten Wertes erreicht hat, wird der Schweißstrom unterbrochen und der Schweißvorgang ist beendet.

Dieses Verfahren kann auch in der Alternative verwendet werden, bei der der Schweißstrom nicht auf einen konstanten Wert eingestellt wird, sondern sich nach einem zuvor eingegebenen Programm ändert. In der Praxis bedeutet das vor allem, daß die Stromstärke zu Beginn des Schweißvorganges, d. h. in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle im ersten und zweiten Bereich des charakteristischen Verlaufes des Schweißwiderstandes R steil anwächst.

Als weitere Alternative der Erfindung kann zu Beginn des Schweißvorganges der Strom I von einem Anfangswert I′ auf einen Sollwert I′′ z. B. auf der Basis von Informationen geregelt werden, die aus dem Prozeßausgang gewonnen und in Rückkopplung verwendet werden. Wiederum ist es von Vorteil, wenn dieser Regelvorgang im ersten und zweiten Bereich abläuft. Spätestens vom Zeitpunkt t _max an, wo der dritte Bereich beginnt, sollte der Schweißstrom auf einem eingestellten konstanten Wert gehalten werden.

Bei der Regeleinrichtung gemäß Fig. 6 ist der Geber 1 des Widerstandsverlaufes zwischen den Elektroden mit einem Schalter 2 verbunden, dessen erster Ausgang 17 zum Eingang eines Speichers 3 für den maximalen Widerstand R _max führt. Der Ausgang des Speichers 3 ist einmal mit dem Eingang 11 für die Anfangsbedingung eines Integrators 6 und gleichzeitig mit dem Eingang 12 eines Vergleichsspannungsschaltkreises 4 mit einstellbarem Eingang 13 verbunden, wobei der Ausgang des Vergleichsspannungsschaltkreises 4 mit dem Eingang 14 der Führungsgröße eines Komparators 7 gekoppelt ist.

Der Geber 1 des Widerstandsverlaufes zwischen den Elektroden ist weiter gleichzeitig mit einem Maximalwertdetektor 5 verbunden, dessen Ausgang mit dem Steuereingang 8 und dem Nulleinstellungseingang 9 des Integrators 6 gekoppelt ist. Dabei ist der zweite Ausgang 18 des Schalters 2 zum Signaleingang 10 des Integrators 6 geführt, dessen Ausgang mit dem Signaleingang 15 des Komparators 7 in Verbindung steht, der seinerseits mit seinem Ausgang an den Schweißprozeß 16 angeschlossen ist.

Die beschriebene Regelschaltung erfaßt aus dem Schweißvorgang 16 den Verlauf des Schweißwiderstandes, der am Ausgang des Gebers 1 zwischen den Elektroden vorhanden ist. Der Verlauf des Schweißwiderstandes wird auf den Maximalwertdetektor 5 gegeben, der bei Erreichen des Maximums den Schalter 2 betätigt und gleichzeitig die Nullung des Integrators 6 aufhebt. Bei Erreichen des Maximalwertes führt der Schalter 2 den Widerstandsverlauf dem Speicher 3 für den maximalen Widerstandswert zu. Durch Umschalten des Schalters 2 wird im Speicher 3 der maximale Widerstandswert gespeichert und gleichzeitig der Widerstandsverlauf dem Integrator 6 zugeführt. Der Ausgang des Speichers 3 wird auf den Eingang 11 für die Anfangsbedingung des Integrators 6 gegeben, wodurch die Integrierung vom maximalen Widerstandswert an abgesichert wird. Der Ausgang des Integrators 6 wird im Komparator 7 mit dem auf den maximalen Widerstandswert bezogenen Niveau verglichen, welches im Vergleichsspannungsschaltkreis 4 erzeugt wird. Der Ausgang des Komparators 7 beherrscht den Schweißprozeß 16, d. h. er schaltet den Schweißstrom ab.

Der Schweißstrom wird abgeschaltet und der Schweißprozeß beendet aufgrund der Messung des Widerstandes (R) zwischen den Schweißelektroden in der Zeit vom Beginn der Schweißung, in der der Widerstand zwischen den Schweißelektroden seinen maximalen Wert hat, und einem Zeitpunkt, in dem er einen vorhergewählten bzw. voreingestellten Wert erreicht hat.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Regelung der Schweißzeit beim Widerstandspunktschweißen mit einem Detektor zum Erfassen des Widerstands zwischen den Schweißelektroden und einer Schaltung zum Bemessen der Abschaltzeit t des Schweißstroms nach Erreichen eines relativen Widerstandsmaximus R _max dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (1-7, 16) so ausgelegt ist, daß der Schweißstrom in dem Zeitpunkt t abgeschaltet wird, in dem das Integral einen vorbestimmten Wert erreicht hat.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Geber (1) des Widerstandsverlaufes zwischen den Elektroden mit einem Schalter (2) verbunden ist, dessen erster Ausgang (17) auf den Eingang eines Speichers (3) für den maximalen Widerstandswert R _max geschaltet ist, daß der Ausgang des Speichers (3) an den Eingang (11) eines Integrators (6) und gleichzeitig an den Eingang (12) eines Vergleichsspannungsschaltkreises (4) mit einstellbarem Eingang (13) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang (14) eines Komparators (7) verbunden ist, daß ferner die Quelle (1) gleichzeitig mit einem Detektor (5) verbunden ist, dessen Ausgang an den Steuereingang (8) des Umschalters (2) und an den Nulleinstellungseingang (9) des Integrators (6) angekoppelt ist, und daß der zweite Ausgang (18) des Schalters (2) an den Signaleingang (10) des Integrators (6) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Signaleingang (15) des Komparators (7) verbunden ist, der durch seinen Ausgang den Schweißstrom abschaltet.