DE3507299A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung von schweissprozessen durch analyse der intensitaet des beim schweissen erzeugten lichtes - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur steuerung von schweissprozessen durch analyse der intensitaet des beim schweissen erzeugten lichtesInfo
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Description
PRINZ, LEISER,.8UNKE & PARTNER
Patentanwälte . " European. Patent JUtof/ieys
München ι Stuttgart 3507299
1. März 1985
CENTRO RICERCHE FIAT
Societä Consortile per Azioni
Strada Torino, 50
1004 3 Orbassano, Italien
Unser Zeichen: C 3404
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Schweißprozessen durch Analyse der Intensität des beim
Schweißen erzeugten Lichtes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Schweißprozessen, bei welchen den zu
verschweißenden Teilen Energie aus einer externen Quelle zugeführt wird (z.B. Lichtbogen, Laser, Elektronenkanone
usw.). Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der in der Schweißzone
erzeugten Hitze.
Beim Schweißen mit einer externen Quelle (z.B. Lichtbogen, Laser, Elektronenkanone usw.) zum örtlichen Erschmelzen
einer Zone, um eine Schweißnaht zu bilden, kann eine unregelmäßige Schweißnahtbildung auftreten, insbesondere
KD/Ma
"fs.
hinsichtlich der Schweißtiefe, wenn sich die Ausgangsleistung der Energiequelle ändert, die Vorschubgeschwingdigkeit
der zu verschweißenden Teile geändert wird, diese Teile unrichtig positioniert werden oder auch wenn
Schmutz, Oxidation oder Korrosion an den Schweißoberflächen auftritt. Beim Schweißen mit einer Elektronenkanone
oder einem Laserstrahl kann eine mangelnde Gleichförmigkeit auch durch schlechte Fokussierung des Strahls
verursacht werden. Bei einer üblichen Schweißanlage zur Massenproduktion kann eine solche mangelnde Gleichförmigkeit
zu einer relativ hohen Ausschußrate führen.
Einige wohlbekannte Steuerverfahren beruhen auf einer
Messung der Temperatur in den Bereichen der Schweißnaht. Diese Temperaturmessung wird durch optische Vorrichtungen
ausgeführt, welche die Intensität der Infrarotstrahlung analysieren, die von dem genannten Bereich
ausgeht, nachdem dieser verschweißt wurde.
Die Anwendung von Vorrichtungen der genannten Art ist aber mit einer Anzahl von Nachteilen verbunden, die auf
den dabei auftretenden hohen thermischen Gradienten und der Anwesenheit von entflammbarem Material beruhen, das
die Vorrichtungen im Gebrauch beschädigen kann. Da Detektoren für Infrarotstrahlung zwangsläufig in der Nähe des
Schweißgebietes angeordnet werden müssen, wo sie leicht durch Spritzer geschmolzenen Materials oder durch die
dabei erzeugte Hitze beschädigt werden können, müssen Schutzmaßnahmen und Kühlsysteme vorgesehen werden, die
nicht nur unhandlich und lästig sind, sondern auch zu beträchtlichen Kosten führen.
Weiterhin ist bekannt, daß Infrarotstrahlung nicht nur von der Endtemperatur des Schweißteils, sondern auch
von einer Anzahl von weiteren Parametern abhängt, beispielsweise von der Art der Schweißoberfläche, ihrer
Oberflächenbeschaffenheit und der Farbe des Metalls,
aus dem das Schweißteil besteht. Infolgedessen entspricht eine Änderung der Strahlungsintensität, die durch bekannte
Vorrichtungen erfaßt wurde, nicht notwendigerweise einer Änderung der Temperatur.
Es wurden ferner Vorrichtungen vorgeschlagen, die auf der akustischen Energie beruhen, welche von dem Schweißbereich
des zu verschweißenden Teils ausgeht. Konzeptionsbedingt sind derartige Vorrichtungen sehr leistungsfähig,
ihre Anwendung ist jedoch in Herstellungsbetrieben schwierig, da durch Hintergrundgeräusch aus dem Fertigungsbetrieb
Fehler verursacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gleichförmiges Schweißen zu ermöglichen, indem die von dem
geschmolzenen Material an den zwei zu verschweißenden Teilen absorbierte Energie gesteuert wird, um so die
üblichen hohen Ausschußraten zu vermeiden.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des Schweißens von wenigstens zwei Metallteilen geschaffen,
wovon ein Bereich unter der Einwirkung der von einer thermischen Energiequelle abgegebenen Energie steht,
und dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine voreingestellte Charakteristik des
Lichtes gemessen wird, das von dem Dampf ausgestrahlt wird, den der der Wechselwirkung unterzogene Bereich
während des Schweißprozesses abgibt.
Durch die Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung von Schweißprozessen geschaffen, insbesondere
zur Steuerung der Wechselwirkung zwischen der Energie, die von einer Wärmequelle abgegeben wird, und zwei
Metallteilen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie enthält:
* 3507293
- Mittel zum Erfassen des Lichtes, welches von dem Dampf ausgestrahlt wird, den der Bereich an den Schweißteilen
abgibt, welcher unter der Einwirkung dieser Energie steht;
- Meßmittel, die so ausgelegt sind, daß sie ein Signal erzeugen, welches proportional zu der Lichtstrahlung
ist, die von den Detektormitteln erfaßt wurde; und
IQ - Mittel zum Anzeigen dieses durch die Meßmittel erzeugten
Signals.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Steuervorrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 2 ein Diagramm eines Parameters, der durch ein
Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erfaßt wird.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung werden zwei Teile 1, 2 miteinander verschweißt, indem örtlich ein Materialbereich
der zwei Teile erschmolzen wird. Bei dem gezeigten Beispiel ruhen die zwei Teile 1, 2 auf einem Sockel
10 und bestehen aus zwei quaderförmigen Teilen, die einander entlang den zwei Längskanten berühren, die
miteinander verschweißt werden sollen.
Die Bezugszahlen 3 und 4 in Fig. 1 bezeichnen die Oberflächen der Teile 1, 2, wie auch die Bezugszahl 5 die
Berührungskante zwischen Oberflächen 3 und 4 bezeichnet. Bei dem gezeigten Beispiel besteht der Schweißbereich
aus einem Streifen in der Ebene der Oberflächen 3 und 4,
der sich über die gesamte Länge der Teile 1, 2 um die
Berührungskante 5 erstreckt.
Dieser Schweißbereich steht unter der Wirkung der Energie, die von einer bekannten Energiequelle (nicht gezeigt)
ausgeht, welche in einer Trägerstruktur 6 aufgenommen ist.
Diese Energiequelle liefert einen Strahl von fest vorgegebener Energie, welchem die gesamte Länge des Schweißbereiches
ausgesetzt wird, indem die zwei Teile 1, 2 kontinuierlich in Richtung des Pfeiles Z vorgeschoben werden.
Der Energiestrahl 7 ist auf einen Wechselwirkungsbereich 8 fokussiert, um dort das Material der Teile 1 und 2
örtlich zu erschmelzen und eine Schweißnaht 9 zu erzeugen. Es wurde gefunden, daß das Material aus dem Bereich
der Schweißnaht 9 und auf welches der Energiestrahl 7 einwirkt, verdampft und Licht aussendet. Gemäß der Erfindung
wird die Schweißqualität im wesentlichen dadurch gesteuert, daß man das Licht meßtechnisch erfaßt, welches
der Dampf ausstrahlt, den der Wechselwirkungsbereich 8 bei Einwirkung des Energiestrahls 7 abgibt. Diese Lichtstrahlung
wird durch eine Vorrichtung 11 gemessen, die im wesentlichen einen photoelektrischen Sensor 12, einen
Lichtmesser 13, eine Anzeigeeinrichtung 14 und eine Steuereinheit 15 enthält.
Der photoelektrische Sensor 12 ist so ausgebildet, daß er Strahlung aus dem Dampf mißt, den der Wechselwirkungsbereich 8 abgibt. Das Gehäuse des Sensors 12 wird von
einem Arm 16 getragen, der aus einem Ständer 17 herausragt, durch den der Sockel 10 mit dem Gehäuse 6 verbunden
ist. In nicht gezeigter Weise ist dem photoempfindlichen Element am Sensor 12 eine Anordnung aus einem oder mehreren
Filtern vorgeschaltet, wobei jedes Filter derart
.9-
ausgelegt ist, daß es ein bestimmtes Wellenlängenband
des vom Dampf ausgestrahlten Lichtes herausfiltert.
Der Lichtmesser 13 erzeugt ein elektrisches Signal, welches dem Mittelwert der Signale aus dem Sensor
proportional ist, also proportional der mittleren Intensität des Lichtes ist, welches der Dampf abstrahlt,
den der Wechselwirkungsbereich 8 unter Einwirkung des Energiestrahls abgibt.
In Fig. 2 ist ein Diagramm gezeigt, in dem das durch den Lichtmesser 13 erfaßte Signal (in Volt) gegen die
Schweißtiefe (in Millimetern) an den Teilen 1 und 2 aufgetragen ist.
Die Anzeigeeinrichtung 14 kann von irgendeiner Art sein (analog, digital usw., oder auch beispielsweise ein
Oszilloskop) und hat die Aufgabe, das durch den Lichtmesser 13 erzeugte elektrische Signal anzuzeigen.
Bevor nun das Verfahren zum Steuern von Schweißprozessen nach der Erfindung beschrieben wird, muß betont werden,
daß der Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, daß beim Erhitzen der zwei Teile zum Verschweißen, wobei
eine Verdampfung des Materials der Teile auftritt, die zur Bildung von sogenannten "Schlüssellöchern" führt,
die Metalldämpfe Licht ausstrahlen, dessen Spektrum die Atom- und Ionen-Emissionslinien des verdampften Materials
enthält, wobei die Wellenlängen dieses Spektrums hauptsächlich im sichtbaren und nahen Ultraviolettbereich
liegen, insbesondere zwischen 200 und 800 nm.
Labortests und Forschungsarbeiten, die insbesondere beim Schweißen mit Laserstrahl durchgeführt wurden, haben
wertvolle Erkenntnisse über die Beziehung zwischen der Schweißtiefe und der Lichtstrahlung in geeigneten Spektralbereichen
hervorgebracht; diese Erkenntnisse können
ausgenutzt werden, um die Qualität des Schweißprozesses zu steuern. Es besteht also die Möglichkeit, die von
dem Dampf ausgestrahlte Lichtintensität mit der Energie in Korrelation zu bringen, die von dem dem Schweißprozeß
unterzogenen Teil absorbiert wird, um so auf Schweißparameter einzuwirken und optimale Schweißbedingungen
herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Schweißprozessen beruht im wesentlichen auf der Erfassung
und Messung des Lichtes, welches von Materialdämpfen ausgestrahlt wird, die im Wechselwirkungsbereich
8 unter der Einwirkung des Energiestrahls 7 entstehen. Auf der Grundlage der an der Anzeigeeinrichtung 14 angezeigten
Information kann der Bediener die Steuereinheit 15 einstellen, um einen oder mehrere Schweißparameter in
geeigneter Weise zu verändern, wobei zu den Schweißparametern im wesentlichen die Leistung der Energiequelle,
die Vorschubgeschwindigkeit der zu verschweißenden Teile und gegebenenfalls - wenn die Energiequelle
ein Laser oder eine Elektronenkanone ist - die Fokussierung des abgegebenen Strahls gehört.
Beim Verschweißen von Teilen, deren geometrische Form geradlinig ist und die einen geradlinigen Vorschub erfordern,
ist beispielsweise die Leistung der am besten geeignete Steuerparameter, auf den eingewirkt wird. Beim
Schweißen von anderen als flachen Teilen, die einen geradlinigen Vorschub benötigen (z.B. gewelltes Metallblech)
, ist der am besten geeignete Steuerparameter, auf den im Falle eines Laserstrahls oder einer Elektronenkanone
eingewirkt werden kann, die Fokussierung des Strahls. In anderen Fällen, bei denen Kurven und/oder
komplizierte geometrische Formen auftreten, ist möglicherweise die Vorschubgeschwindigkeit der zu verschweißenden
Teile der am besten geeignete Parameter, auf den eingewirkt wird. Um gute Ergebnisse zu gewährleisten,
muß das von dem Dampf ausgestrahlte Licht zwangsläufig gleich einem voreingestellten Wert sein, welcher den
-M-
* erforderlichen Schweißbedingungen entspricht. Wie in
der in Fig. 2 dargestellten Graphik gezeigt ist, kann der Bediener beispielsweise auf einen der genannten
Parameter einwirken, um eine gleichförmige Schweißnaht zu erhalten, zumindest was die Schweißtiefe anbetrifft.
Versuche und Forschungsarbeiten haben zu der Erkenntnis geführt, daß der Dampf Licht bei spezifischen Wellenlängen
für jede Materialart ausstrahlt. Die beschriebene Vorrichtung kann verwendet werden, um die Strahlung zu
analysieren, die von irgendeinem Material gleicher Art abgegeben wird, beispielsweise Stahl, Gußeisen, Aluminium
usw.. Das in Fig. 2 gezeigte Diagramm betrifft eine Schweißung mit Laserstrahl und Teilen 1, 2 aus Fe 52;
auf den photoelektrischen Sensor 12 ist dabei ein Filter aufgesetzt, um Lichtstrahlung mit der Wellenlänge
515 nm herauszufiltern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einem weiten Anwendungsgebiet zugänglich. Es ist bei jeglicher Art von
SchweißVorgang (mit oder ohne Schweißmaterial) anwendbar,
ebenso wie es mit oder ohne Schweißgas im Falle des Schweißens mit Laserstrahl anwendbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Schweißprozessen durch Analyse der Intensität des Lichtes,
welches während dieses Prozesses erzeugt wird, kann in allen Fällen angewendet werden, bei welchen Dampf abgegeben
wird, welcher eine spezifische Lichtcharakteristik aufweist, die auf der Wechselwirkung zwischen der Energiezufuhr
und dem geschweißten Material resultiert.
Bei einer besonderen Ausführungsform wird eine Lichtleitfaser verwendet, um das von den Materialdämpfen
ausgestrahlte Licht zu dem empfindlichen Element des photoelektrischen Sensors 12 zu befördern, damit dieser
weit genug entfernt vom Schweißbereich angeordnet werden kann.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine Steuerung und Einstellung der Energiequelle in "offener Schleife".
Im Falle von Schweißarbeiten, die einen Optimierungseffekt über einen der Schweißparameter ermöglichen,
der zuvor definiert wird, ist eine besondere Ausführungsform der Erfindung als "geschlossene Schleife" ausgebildet,
um eine Rückkopplung einzuführen. Bei dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit 15 so ausgelegt,
daß sie automatisch den zuvor eingestellten Parameter
korrigiert (z.B. Leistung aus der Energiequelle, Vorschubgeschwindigkeit oder Strahlfokussierung, falls ein
Leistungslaser oder eine Elektronenkanone als Energiequelle verwendet wird), entsprechend der Amplitude des
Ausgangssignals aus dem Lichtmesser, so daß die Wechselwirkung zwischen der Energiequelle und den Teilen 1, 2
während des Schweißens konstant gehalten wird.
- Leerseite -
Claims (8)
1. März 1985
CENTRO RICERCHE FIAT
Societä Consortile per Azioni
Strada Torino, 50
10043 Orbassano / Italien
Unser Zeichen: C 3404
Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern des Schweißens von wenigstens
zwei Metallteilen (1, 2), wovon ein Bereich (8) der Energie ausgesetzt wird, die von einer thermischen
Energiequelle abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine vorbestimmte Charakteristik des Lichtes,
das von dem Dampf ausgestrahlt wird, den der Wechselwirkungsbereich (8) während des Schweißprozesses abgibt,
durch Messung erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein den Schweißprozeß steuernder Parameter
entsprechend den erfaßten Lichtstrahlungswerten nachgeregelt wird, bis die Intensität der Lichtstrahlung gleich
einem Sollwert ist.
HD/Ma C
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schweißprozeß steuernde Parameter unter den
folgenden ausgewählt wird: Die Leistung der thermischen Energiequelle, die relative Vorschubgeschwindigkeit der
Teile (1, 2) zu der Energiequelle, Fokussierung des Energiestrahls im Falle des Schweißens mit Laserstrahl
oder Elektronenkanone.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlung selektiv
gemessen wird, indem eine Filtereinrichtung angewendet wird, deren Durchlaßband im Wellenlängenbereich von
200 bis 800 nm liegt.
5. Vorrichtung zum Steuern von Schweißprozessen, insbesondere zum Steuern der Wechselwirkung zwischen der
Energie, die von einer themischen Energiequelle abgegeben wird, und zwei Metallteilen (1, 2), dadurch gekennzeichnet,
daß sie enthält:
20
- Mittel (12) zum Erfassen des Lichtes, welches der Dampf abstrahlt, den der Bereich (8) an den Schweißteilen
(1, 2) unter der Einwirkung der Energie beim Schweißen abgibt;
25
- Meßmittel (13), die ausgelegt sind, um ein Signal zu erzeugen, welches proportional zu der Lichtstrahlung
ist, die durch die Erfassungsmittel erfaßt wird; und
- Mittel (14) zum Anzeigen des Signals, welches durch die Meßmittel (13) erzeugt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel im wesentlichen aus einem photoelektrischen
Sensor (12) gebildet sind.
OR5GlNAt INSPECTED
-3-
*
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß sie wenigstens ein Filterelement enthält, welches zwischen dem Wechselwirkungsbereich (8) und dem photoempfindlichen
Element des photoelektrischen Sensors (12) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine Steuereinheit (15) enthält, die an den Ausgang der Meßmittel (13) angeschlossen
ist und derart ausgebildet ist, daß sie automatisch wenigstens einen Parameter regelt, durch den
der Schweißprozeß gesteuert wird, so daß die Intensität der Lichtstrahlung innerhalb eines Sollbereiches gehalten
wird.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| IT67198/84A IT1180008B (it) | 1984-03-02 | 1984-03-02 | Metodo e dispositivo per il controllo dei processi di saldatura mediante l'analisi della luminosita generata durante il processo |
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| DE3507299A1 true DE3507299A1 (de) | 1985-09-05 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19853507299 Ceased DE3507299A1 (de) | 1984-03-02 | 1985-03-01 | Verfahren und vorrichtung zur steuerung von schweissprozessen durch analyse der intensitaet des beim schweissen erzeugten lichtes |
Country Status (4)
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