DE3507299A1 - METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING WELDING PROCESSES BY ANALYZING THE INTENSITY OF THE LIGHT GENERATED BY WELDING - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING WELDING PROCESSES BY ANALYZING THE INTENSITY OF THE LIGHT GENERATED BY WELDINGInfo
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Unser Zeichen: C 3404Our reference: C 3404
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Schweißprozessen durch Analyse der Intensität des beim Schweißen erzeugten LichtesMethod and device for controlling welding processes by analyzing the intensity of the during Welding generated light
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.The invention relates to a method and a device for controlling welding processes in which the to The parts to be welded are supplied with energy from an external source (e.g. arc, laser, electron gun etc.). In particular, the invention relates to a method and an apparatus for controlling the in the welding zone generated heat.
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, insbesondereWhen welding with an external source (e.g. arc, laser, electron gun, etc.) for local melting a zone to form a weld, irregular weld formation can occur, in particular
KD/MaKD / Ma
"fs."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.in terms of the welding depth, when the output power of the power source changes, the feed rate of the parts to be welded is changed, or if these parts are incorrectly positioned Dirt, oxidation, or corrosion occurs on the weld surfaces. When welding with an electron gun or a laser beam, a lack of uniformity can also result from poor focusing of the beam caused. Such a lack of uniformity may occur in a common mass-production welding equipment lead to a relatively high reject rate.
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.Some well-known control methods rely on one Measurement of the temperature in the areas of the weld seam. This temperature measurement is made by optical devices carried out, which analyze the intensity of infrared radiation coming from said area goes out after it has been welded.
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.The use of devices of the type mentioned is associated with a number of disadvantages the resulting high thermal gradients and the presence of flammable material based, the damage the devices in use. Since detectors for infrared radiation are inevitably located in the vicinity of the Weld area must be located where they can easily be spilled by molten material or by the The heat generated in the process can be damaged, protective measures and cooling systems must be provided which are not only unwieldy and inconvenient, but also result in considerable costs.
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,It is also known that infrared radiation not only depends on the final temperature of the welded part, but also depends on a number of further parameters, for example on the type of welding surface, their Surface quality and the color of the metal,
aus dem das Schweißteil besteht. Infolgedessen entspricht eine Änderung der Strahlungsintensität, die durch bekannte Vorrichtungen erfaßt wurde, nicht notwendigerweise einer Änderung der Temperatur.from which the weldment is made. As a result, a change in radiation intensity corresponds to that known by Devices was detected, not necessarily a change in temperature.
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.Devices have also been proposed that rely on acoustic energy emitted from the weld area of the part to be welded goes out. Due to the design, such devices are very powerful, however, their use in manufacturing plants is difficult because of background noise from the manufacturing plant Errors are caused.
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.The invention has for its object to enable uniform welding by the of the molten material on the two parts to be welded is controlled so that the to avoid the usual high reject rates.
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.The invention provides a method for controlling the welding of at least two metal parts, an area of which is subject to the action of the energy given off by a thermal energy source, and this method is characterized in that at least one preset characteristic of the Light emitted from the vapor is measured, the area subjected to the interaction gives off during the welding process.
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:The invention also provides a device for controlling welding processes, in particular to control the interaction between the energy given off by one heat source and two Metal parts, the device being characterized in that it contains:
* 3507293* 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;- Means for detecting the light emitted by the steam that the area on the weldments gives off who is under the influence of this energy;
- Meßmittel, die so ausgelegt sind, daß sie ein Signal erzeugen, welches proportional zu der Lichtstrahlung ist, die von den Detektormitteln erfaßt wurde; und- Measuring means which are designed so that they generate a signal which is proportional to the light radiation detected by the detector means; and
IQ - Mittel zum Anzeigen dieses durch die Meßmittel erzeugten Signals. IQ - means for displaying this signal generated by the measuring means.
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:Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments and from the drawing referred to. In the drawing show:
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Steuervorrichtung nach der Erfindung; undFig. 1 is a perspective view of a control device according to the invention; and
Fig. 2 ein Diagramm eines Parameters, der durch einFig. 2 is a diagram of a parameter that is determined by a
Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erfaßt wird.Part of the device shown in Fig. 1 is detected.
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.In the arrangement shown in Fig. 1, two parts 1, 2 are welded together by locally a material area the two parts is melted. In the example shown, the two parts 1, 2 rest on a base 10 and consist of two cuboid parts that touch each other along the two longitudinal edges that are to be welded together.
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,The reference numbers 3 and 4 in Fig. 1 designate the surfaces of the parts 1, 2, as well as the reference number 5 the Designated contact edge between surfaces 3 and 4. In the example shown, there is the welding area from a strip in the plane of surfaces 3 and 4,
der sich über die gesamte Länge der Teile 1, 2 um die Berührungskante 5 erstreckt.which extends over the entire length of the parts 1, 2 to the Contact edge 5 extends.
Dieser Schweißbereich steht unter der Wirkung der Energie, die von einer bekannten Energiequelle (nicht gezeigt) ausgeht, welche in einer Trägerstruktur 6 aufgenommen ist.This welding area is under the action of the energy drawn from a known energy source (not shown) goes out, which is received in a support structure 6.
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. This energy source supplies a beam of fixed, predetermined energy, which the entire length of the welding area is suspended by the two parts 1, 2 are continuously advanced in the direction of the arrow Z.
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.The energy beam 7 is focused on an interaction area 8 in order to find the material of the parts 1 and 2 there to melt locally and to produce a weld 9. It was found that the material from the area the weld seam 9 and on which the energy beam 7 acts, evaporates and emits light. According to the invention the welding quality is essentially controlled by measuring the light which the steam emits which the interaction area 8 emits when the energy beam 7 acts. This light radiation is measured by a device 11, which is essentially a photoelectric sensor 12, a Light meter 13, a display device 14 and a control unit 15 contains.
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 derartThe photoelectric sensor 12 is designed in such a way that it measures radiation from the vapor which the interaction region 8 emits. The housing of the sensor 12 is of carried by an arm 16 which protrudes from a stand 17 by which the base 10 is connected to the housing 6 is. In a manner not shown, the photosensitive element on the sensor 12 is an arrangement of one or more Filters upstream, each filter such
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ausgelegt ist, daß es ein bestimmtes Wellenlängenband des vom Dampf ausgestrahlten Lichtes herausfiltert.is designed to have a certain wavelength band filters out the light emitted by the steam.
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.The light meter 13 generates an electrical signal which is the mean value of the signals from the sensor is proportional, i.e. proportional to the mean intensity of the light that the steam emits, which the interaction area 8 emits under the action of the energy beam.
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.In Fig. 2 a diagram is shown in which the detected by the light meter 13 signal (in volts) against the Welding depth (in millimeters) is applied to parts 1 and 2.
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.The display device 14 can be of any type (analog, digital, etc., or, for example, a Oscilloscope) and has the task of displaying the electrical signal generated by the light meter 13.
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.Before the method for controlling welding processes according to the invention is described, it must be emphasized that that the invention is based on the knowledge that when the two parts are heated for welding, wherein evaporation of the material of the parts occurs, which leads to the formation of so-called "keyholes", the metal vapors emit light, the spectrum of which reflects the atomic and ion emission lines of the vaporized material contains, the wavelengths of this spectrum mainly in the visible and near ultraviolet range are, in particular between 200 and 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 könnenLaboratory tests and research carried out particularly on laser beam welding valuable knowledge about the relationship between the welding depth and the light radiation in suitable spectral ranges spawned; this knowledge can
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.can be used to control the quality of the welding process. So there is a possibility that correlating the light intensity emitted by the steam with the energy generated by the welding process subjected part is absorbed in order to influence welding parameters and optimal welding conditions to manufacture. The method according to the invention for controlling welding processes is essentially based on detection and measuring the light emitted by material vapors in the interaction region 8 arise under the action of the energy beam 7. Based on the displayed on the display device 14 Information, the operator can set the control unit 15 to set one or more welding parameters in to be changed in a suitable manner, whereby the welding parameters essentially include the power of the energy source, the feed rate of the parts to be welded and, if applicable - if the energy source a laser or an electron gun is part of the focus of the emitted beam.
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 denWhen welding parts whose geometric shape is straight and which require a straight feed, for example, performance is the most appropriate control parameter to act on. At the Welding of parts other than flat parts that require a straight feed (e.g. corrugated sheet metal) , is the most suitable control parameter on which in the case of a laser beam or an electron gun can be acted on, the focusing of the beam. In other cases where curves and / or complicated geometrical shapes occur, the feed rate may be the one to be welded Parts of the most appropriate parameter to act on. To ensure good results, the light emitted by the steam must necessarily be equal to a preset value, which the
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* 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.* corresponds to the required welding conditions. As in is shown in the graphic shown in Fig. 2, the operator can, for example, on one of the named Acting parameters in order to obtain a uniform weld seam, at least as far as the welding depth is concerned.
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.Experiments and research have led to the finding that steam is light at specific wavelengths radiates for every type of material. The device described can be used to generate the radiation analyze emitted by any material of the same kind, for example steel, cast iron, aluminum etc. The diagram shown in FIG. 2 relates to a weld with a laser beam and parts 1, 2 made of Fe 52; A filter is placed on the photoelectric sensor 12 in order to absorb light radiation with the wavelength Filter out 515 nm.
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.The method according to the invention is accessible to a wide range of applications. It is with any kind of Welding process (with or without welding material) applicable, just as it is applicable with or without welding gas in the case of laser beam welding.
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.The method according to the invention for controlling welding processes by analyzing the intensity of the light, which is generated during this process can be used in all cases in which steam is emitted which has a specific light characteristic that depends on the interaction between the energy supply and the welded material.
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.In a particular embodiment, an optical fiber is used to remove that from the material vapors To convey emitted light to the sensitive element of the photoelectric sensor 12, so that this can be placed far enough away from the welding area.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine Steuerung und Einstellung der Energiequelle in "offener Schleife".The method described enables the energy source to be controlled and adjusted in an "open loop" manner.
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.In the case of welding work that enables an optimization effect via one of the welding parameters, which is defined above, a particular embodiment of the invention is designed as a "closed loop", to introduce feedback. In this embodiment, the control unit 15 is designed so that they automatically use the previously set parameters corrected (e.g. power from the energy source, feed speed or beam focusing, if a Power laser or an electron gun is used as an energy source), according to the amplitude of the Output signal from the light meter, so that the interaction between the energy source and the parts 1, 2 is kept constant during welding.
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