Sensoreinsatz beim vollmechanisierten Lichtbogen-Schweißen mit Sonderschweißmaschinen - Stand der Technik und praktische Erfahrungen

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1 Sensoreinsatz beim vollen Lichtbogen- mit Sonderschweißmaschinen - Stand der Technik und praktische Erfahrungen G. Kettner, Wilnsdorf u. E. Oster, Rudersdorf Zusammenfassung Es wird zunächst ein Überblick über den Stand der Technik bezüglich des Sensoreinsatzes bei Sonderschweißmaschinen gegeben. Durch den Einsatz geeigneter Sensortechnik gelöste Fertigungsaufgaben werden beschrieben. Neben praktischen Erfahrungen beim Sensoreinsatz gibt der Beitrag einen Ausblick auf zukünftige, im Sondermaschinenbau angewendete Sensorkonzepte, wie z.b. optische auf der Basis von digitalen Bildverarbeitungssystemen. 1 Einführung Sonderschweißmaschinen stellen produktionsspezifische Mechanisierungslösungen dar, die nicht auf einem flexiblen, frei programmierbaren Grundgerät, wie z.b. Mechanisierungsgrad beim Lichtbogenschweißen (nach DIN 1910) einem Industrieroboter, basieren, sondern an die jeweilige Fertigungsaufgabe angepaßt aus kombinierten Achsmodulen, Linearachsen und/oder Rotationsachsen, bestehen. Der erreichte Mechanisierungsgrad ist in der Regel im Bereich des vollen bzw. automatischen s einzuordnen, Bild 1. Manuelles Mechanisierungsgrad Verfahrensvarianten Lichtbogenhandschweißen (Stabelektrode) Kohlelichtbogenschweißen Wolfram-Inertgas- (WIG- bzw. TIG-) Mikroplasma- Arbeitsabläufe Der Sensoreinsatz im Sondermaschinenbau kann mit mehr als 50% angesetzt werden. So wurden in einem Zeitraum von 10 Jahren von ca. 750 neu in Betrieb genommenen, den Autoren bekannten Sonderschweißmaschinen ca. 390 Maschinen mit Sensoren zur Schweißkopfführung ausgerüstet. Folgende Lichtbogenschweißverfahren gelangten bei den hier berücksichtigten, mit Sensoren ausgerüsteten Sonderschweißmaschinen zum Einsatz: Teiles Volles WIG- Metall-Schutzgasschweißen (MSG-) : - MAGC - MAGM - MIG Fülldrahtschweißen : - mit Schutzgas - selbstschützend Unterpulverschweißen (UP-) : - Massivdraht - Fülldraht WIG- Mikroplasmaschweißen Plasma- (Schlüsselloch-Technik) MSG- (s.o.) - Mikroplasmaschweißen - WIG- - Plasma-Stichlochschweißen - MIG-/MAG- - UP-. Bei der Auswahl einer geeigneten Sensortechnik zur Schweißkopfführung muß zunächst von dem zu fertigenden Bauteil ausgegangen werden, wobei die Nahtvorbereitung ein entscheidendes Kriterium darstellt. Die Sensorsysteme lassen sich gemäß Ihren physikalischen Wirkprinzipien wie folgt einteilen, Bild 2 2 Sensorsysteme Automatisches UP- : - Eindraht - Doppeldraht - Tandem - Mehrdraht - Band - Massivband - Füllband Verfahren wie unter teiles Bild 1: Mechanisierungsgrade beim Lichtbogenschweißen (nach DIN 1910) Die Einsatzhäufigkeit von Sensoren zur Brennerabstandsregelung und / oder seitlichen Brennerführung in Abhängigkeit von den verschiedenen physikalischen Wirkprinzipien ist in Bild 3 dargestellt. Diese physikalischen Wirkprinzipien sind in der Literatur bereits hinreichend behandelt worden [1-3], so daß auf eine wiederholte Darstellung an dieser Stelle verzichtet wird. Auf einige besonders Praxis-relevante wird jedoch im Folgenden einmal etwas ausführlicher eingegangen.

2 Adaptive Schweißkopfführungssysteme Prozessunabhängige Prozessorientierte Fugenberührende (taktile) Berührungslose Optische Elektrische Prozesskenngrössenverarbeitende - Elektromechanische Messwandler Mechanische Zwangsführungen Induktive en Optische Lichtbogenlicht Auswertung Magnetische Lichtbogenpendelung Schalter Transformatorprinzip Auflicht Reflexionsprinzip Kapazitive Schmelzbadbeobachtung Mechanische Lichtbogenpendelung Temperaturmessung Induktive Messwandlersysteme Oszillatorprinzip Lichtschnittverfahren Akustische Lichtbogen Rotation Messungen Elektrischer Grössen Messwandlersysteme Digitale- Bildverarbeitung Pneumatische Doppeldrahtverfahren D-Feld Messung Bild 2: Systemübersicht Anzahl Sensoranwendungen Höhenabtastung Seitenabtastung Elektromechanische Taster Induktive Sensoren Lichtbogenabtastung Laser-Sensoren Digitale Bildverarbeitung Bild 3: Einsatzhäufigkeit von Sensoren bei Sondermaschinen Taktile Schweißkopfführungssysteme beispielsweise waren ursprünglich als mit mechanischer Zwangsführung, z.b. als Schlepparmsysteme, ausgebildet, Bild 4. Die weiteren Entwicklungen von solchen taktilen Schweißkopfführungssystemen führten über Sensoren mit integrierten Mikroschaltern (3-Punkt-Regler), [4], zu elektromechanischen Tastern mit induktiven Meßwandlern, den heute am weitesten verbreiteten taktilen Sensoren. Diese Sensoren ermöglichen eine fehlerproportionale Nachführung des Schweißkopfes mit hoher Genauigkeit (< ± 0,2 mm). Mit Hilfe geeigneter Tastelemente lassen sich vielfältige Aufgabenstellungen lösen, Bild Bild 4: UP-Schweißkopf zum Kehlnahtschweißen, Höhenabtastung mit induktivem Sensor, Seitenabtastung mit Schlepparm, Einsatz bei der Fahrgestellfertigung von Nutzfahrzeugen (Sattelauflieger)

3 Tastnadel, vorlaufend Kugeltaster, Vorlaufend versetzt Beim Mehrlagenschweißen Gabeltaster, in Brennerebene möglich Zylinderrollen, in Brennerebene möglich Keilrolle, vorlaufend + Zylinderrolle, in Brennerebene Tastring, schleppende Schweißkopfstellung getrennte Kugeltaster Für Höhen- und Seitenabtastung in Brennerebene getrennte Kugeltaster Seite vorlaufend, Höhe in Brennerebene Bild 5: Tastelemente für taktile Sensoren So haben sich bei einigen Anwendungen Gabeltaster oder getrennte, in der Lichtbogenebene angeordnete Höhen- und Seitentastelemente zur Realisierung einer praktisch Nachlauffehler-freien bewährt. Auch die Heftstellenproblematik konnte fallweise durch spezielle Doppeltastelemente gelöst werden, d.h. wenn ein Tastelement eine Heftstelle erreicht und dadurch den Fugenverlauf zu verlieren droht, führt das zweite, noch in der Fuge laufende Tastelement sicher und umgekehrt. Schweißkopfführungssysteme mit dem Lichtbogen als Sensor sind in vielfältigen Ausführungen bekannt geworden und haben sich z. T. auch in der schweißtechnischen Praxis bewähren können [5]. In der Literatur kaum behandelt, obwohl seit ca. 25 Jahren in der schweißtechnischen Praxis eingesetzt, sind in diesem Zusammenhang einfache Brennerabstandsregelungen beim WIG- und Plasmaschweißen. Es wird die Lichtbogenspannung beim gemessen und mit einem vorzugebenden Sollwert verglichen. Die Differenz zwischen vorgewählter Schweißspannung (Sollwert) und gemessenem Istwert wird zur Ansteuerung eines motorischen Höhensupportes genutzt, Bild 6. Solche Lichtbogen-Höhenabtastungen können mit Einrichtungen zur automatischen Einstellung des Zündabstandes (Ersthöhenfindung) erweitert sein. Es werden entweder zusätzliche externe Abstandssensoren (Grenztaster, induktive Näherungsschalter, Reflex- Lichttaster) verwendet oder eine vor dem Bild 6: Prinzip der Lichtbogen Höhenabtastung beim WIG- zwischen Elektrode und Werkstück angelegte Hilfsspannung genutzt. Bei langsamer Annäherung der E- lektrode auf das Werkstück bricht diese zusammen, wenn die Elektrode das Werkstück berührt. Dies wird von einem Spannungssensor erfaßt und daraufhin die Elektrodenbewegung gestoppt und der Brenner um eine definierte Strecke, einstellbar z.b. über ein Zeitglied, auf Zündabstand vom Werkstück zurück bewegt. Durch Einsatz geeigneter Meßtechniken und Regler können Lichtbogen-Höhenabtastungen auch beim Impulslichtbogen- und Wechselstromschweißen eingesetzt werden. Ein weiters breites Anwendungsgebiet für solche Lichtbogenabstandsregelungen stellt das Plasmaschneiden dar, Bild 7. Bild 7: NC- gesteuerte Plasma- Schneidanlage mit Lichtbogen- Höhenabtastung Quelle: Elpromatic

4 3 Sensoranwendungen und praktische Erfahrungen Die Erfahrungen beim Sensoreinsatz im Bereich des en s mit Sondermaschinen haben gezeigt, daß es keine Universal-Sensoren, d.h. für alle Aufgabenstellungen gleichermaßen geeignete Sensoren gibt, wie dies eine gewisse Sensoreuphorie vor ca. 15 Jahren zu vermitteln versuchte [ 6,7 ]. Vielmehr müssen bei der Auswahl geeigneter Sensorsysteme neben technologischen Randbedingungen, wie Nahtvorbereitung, Schweißverfahren, Umgebungsbedingungen (Vorwärmtemperaturen, Schweißpulver, Staub, Lichtbogenstrahlung, Rauch, Spritzer) [ 2 ] auch wirtschaftliche Aspekte mit berücksichtigt werden. So werden in betriebswirtschaftlichen Betrachtungen bei der Planung von Mechanisierungslösungen die erzielbaren Kosteneinsparungen z.b. im Personalbereich den aufzuwendenden Investitionskosten bei vorgegebenen Amortisationszeiträumen gegenübergestellt. Dabei kann der erforderliche Investitionsaufwand für ein komfortables Sensorsystem bereits das zulässige Investitionsvolumen der geplanten Mechanisierungslösung übersteigen. Dies bedeutet, daß sich Mechanisierungslösungen oft nur durch die Verwendung von einfachen Einzweck- Sensoren oder einer sinnvollen Kombination solcher Sensoren realisieren lassen. Im Behälter- und Anlagenbau haben sich z.b. UP- Schweißanlagen mit berührungslosen induktiven Abstandssensoren in Verbindung mit TV-Überwachungssystemen bewährt. Der Schweißer wird von der ständigen Überwachung des Abstandes Schweißkopf- Werkstück entlastet. Der induktive Sensor wird durch ggf. unter den Sensor gelangtes Schweißpulver nicht beeinflußt und ist als Preßluft-gekühlte Ausführung auch bei vorgewärmten Werkstücken einsetzbar. Mit Hilfe eines Lichtpunktwerfers - bei austenitischen Werkstoffen auch Laser-Pointers kann der Schweißer die seitliche Schweißkopfposition per TV-System fernüberwachen und ggf. mit einer Joy-Stick-Steuerung korrigieren. So kann ein Schweißer auch zwei Schweißköpfe gleichzeitig überwachen bzw. bestimmte Fertigungsschritte, wie z.b. das Innenschweißen von Rohren, werden mit vertretbarem Aufwand möglich. Beim WIG- mit Sondermaschinen stellt die Kombination von Lichtbogenabstandsregelung und taktiler Seitenabtastung eine oft angewendete, kostengünstige Schweißkopfführung dar. Bei dem in Bild 8 gezeigten Beispiel werden dünnwandige Cr-Ni-Stahl- Behälter gefertigt, wobei Rundnähte, sowohl als Eckals auch als T-Stoß, geschweißt werden müssen. Die zu verschweißenden Ecknähte lassen sich bei den vorliegenden Toleranzen nur mit gependeltem WIG- Lichtbogen herstellen. Die Lichtbogenpendelung ermöglicht eine seitliche und vertikale Brennerführung durch Auswertung der Lichtbogenspannung [9]. Dabei ist eine Synchronisation des WIG- Impulslichtbogens mit der Lichtbogenpendelung erforderlich. Bild 8: WIG- von dünnwandigen Cr-Ni-Stahl-Behältern Ecknaht: WIG-Impulslichtbogen, gependelt, Lichtbogen-Höhen- und Seitenabtastung Kehlnaht: WIG-Impulslichtbogen mit Kaltdraht, Lichtbogen-Höhenabtastung, taktile Seitenabtastung Bei den Kehlnähten wird ohne Lichtbogenpendelung gearbeitet. Hier gelangt das WIG- Impulslichtbogenverfahren mit synchronisierter Kaltdrahtzuführung zum Einsatz. Die seitliche Brennerführung übernimmt ein taktiler Sensor, während die Brennerabstandsregelung wiederum als Lichtbogen- Höhenabtastung arbeitet. Als weiters Beispiel für den Sensoreinsatz bei Sonderschweißmaschinen sei das Plasma-Stichloch- genannt. Eine minimale Spaltbreite zwischen den Fügeteilen, möglichst ohne Kantenversatz, ist für dieses Verfahren günstig, bereitet aber Probleme hinsichtlich einer sicheren Seitenabtaststeuerung mit den bekannten Sensoren. Induktive Mehrspulen- Sensoren sind von der Physik her für diese Aufgabenstellung prädestiniert, haben sich aber beim derzeitigen Entwicklungsstand als wenig zuverlässig erwiesen, z.b. aufgrund von temperatur-bedingten Signal-Drifts etc. Sicher gelöst werden konnte diese Abtastaufgabe durch die Verwendung eines digitalen Bildverarbeitungssystems, Bild 9. Auch im Behälter- und Apparatebau konnten mit solchen Schweißkopfführungssystemen auf der Basis der digitalen Bildverarbeitung positive Erfahrungen beim UP-Mehrlagenschweißen gesammelt werden [10].

5 PC's etc. sowie zunehmend verfügbare komfortable Standard-Software lassen die Umsetzung von z.t. schon vor Jahren an Hochschulen und Forschungseinrichtungen getätigten Entwicklungen in die schweißtechnische Praxis mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand möglich werden. Hierdurch dürfte der bereits hohe Anteil von Sensortechnik bei Sonderschweißmaschinen in Zukunft noch zunehmen, insbesondere im Hinblick auf komfortablere rechnergestützte. Jedoch werden auch dann bei der Projektierung von Fertigungssystemen gegebenenfalls gemachte Fehler, z.b. im Bereich der Spanntechnik, der Toleranzen etc. nicht durch die Verwendung von leistungsfähigen Sensoren immer völlig kompensiert werden können. 5 Literatur Bild 9: Seitliche Brennerführung beim Plasma-Stichlochschweißen mittels CCD-Kamera und digitaler Bildverarbeitung, Lichtbogen-Höhenabtastung Als letztes Beispiel sei an dieser Stelle der Einsatz von Laser-Scannern zur horizontalen und vertikalen Schweißkopfführung beim UP-Twin-Arc- von Kühlschlangen auf Lebensmittelbehälter erwähnt, Bild 10. In den letzten Jahren stattgefundene Preissenkungen bei solchen weiterentwickelten Laser-Sensoren [11] haben hier den Einsatz an Stelle von ursprünglich vorgesehenen taktilen Sensoren möglich gemacht. [1] Chandoni, K. u. E. Oster: Sensorlose Schweißkopfführungssysteme Technica Zürich 22 (1990), S. 103/109 [2] N.N.: Sensoren für das vollmechanische Lichtbogenschweißen DSV Merkblatt DVS-Verlag Düsseldorf, 1996 [3] Oster, E: Beitrag zur Weiterentwicklung der Prozeßkenngrößen-verarbeitenden Schweißkopfführung bei vollen Lichtbogenschweißverfahren Dissertation RWTH Aachen, 1986 [4] Dilthey, U.: Nahtführungssysteme für das Lichtbogenschweißen mit vollen und automatischen Anlagen sowie mit Industrie-Robotern DVS-Berichte Bd. 73, S. 72/74 DVS-Verlag Düsseldorf, 1982 [5] Dilthey, U., J. Gollnick u. U. Reisgen: Einsatz neuer Lichtbogensensortechnologien im Schiffbau DVS-Berichte Bd. 194, S. 80/85. DVS-Verlag Düsseldorf, 1998 [6] Beckmann L.H.J.F.: Anwendung eines elektrooptischen Profilsensors beim automatischen Lichtbogenschweißen DVS-Berichte Bd. 94, S. 47/49 DVS-Verlag Düsseldorf, 1985 [7] Derse, J. u. R. Henrici: Sensomat- Nahtführungssystem hält Schweißbrenner auf Kurs Industrie-Anzeiger 107 (1985), Nr. 33, S. 29/31 [8] Ding, P.: Entwicklung von Schweißkopfführungssystemen für das WIG- und Mikroplasmaschweißen dünner Bleche Dissertation RWTH Aachen, 1982 Bild 10: Einsatz von Laser-Scannern beim Aufschweißen von Kühlschlangen mit dem UP-Twin-Arc-Verfahren. Schweißgeschwindigkeit: 2,5 m/min. 4 Ausblick Sensortechnik zur Schweißkopfführung wird beim vollen Lichtbogenschweißen auf breiter Ebene eingesetzt. Kostensenkungen im Bereich der Hardware, z.b. bei Laser-Scannern, Kamera-Modulen, Industrie- [10] Oster, E.: Rechnergestützte Prozeß- und Schweißkopfführung beim vollautomatisierten Lichtbogenschweißen im Behälter- und Schiffbau DVS-Berichte Bd. 186, S. 129/133 DVS-Verlag Düsseldorf, 1997 [11] Kölbl, W.: Affordable optical seam tracking Industrieal Robot, Vol. 22 (1995), No. 6, S. 19/21