DE2747574A1

DE2747574A1 - Einrichtung zur ueberwachung des ueberstandes eines zusatzwerkstoffkoerpers ueber das mundstueck eines lichtbogen-schweissbrenners

Info

Publication number: DE2747574A1
Application number: DE19772747574
Authority: DE
Inventors: Graham Watt Bryce
Original assignee: HUNTER JOSEPH JOHNSTON
Current assignee: HUNTER JOSEPH JOHNSTON
Priority date: 1976-10-25
Filing date: 1977-10-24
Publication date: 1978-04-27
Also published as: FR2368332B1; US4187411A; JPS5386659A; SE7711939L; NL7711674A; GB1555799A; SE433578B; FR2368332A1; BE860053A

Description

- 5 -M.6O6
Augsburg, den 19. Oktober 1977

Graham Watt B r y c e , 63» Atholl Drive, Giffnock, Glasgow GM6 6QW, Scotland,

und

Joseph Johnston Hunter, 2¹», Inglewood Crescent, East Kilbride, Glasgow G75 8QD, Scotland

Einrichtung zur überwachung des Überstandes eines Zusatzwerkst offkörpers über das Mundstück eines Lichtbogen-

S chwei ßb renne rs

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur überwachung des Überstandes eines draht-, stab- oder bandförmigen Zusatzwerks tof fkörpers über das Mundstück oder das wirksame Ende eines Lichtbogen-Schweißbrenners.

Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung dabei auf eine Möglichkeit zur leichteren

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automatischen Steuerung eines Lichtbogenschweißverfahrens unter Verwendung einer sich verbrauchenden Elektrode.

Beim Lichtbogenschweißen mit sich verbrauchender Elektrode wird diese normalerweise in Drahtform vorliegende Elektrode kontinuierlich durch das Mundstück eines Schweißbrenners hindurch zugefünrt, in welchem die zum Aufrechterhalten des Lichtbogens erforderliche elektrische Energie auf den Elektrodendraht übertragen wird. Das freie Ende des Elektrodendrahtes ragt um eine als Stick-out-überstand (klebefreier Abstand) bekannte Distanz über das Mundstück des Schweißbrenners hinaus, und der elektrische Lichtbogen wird während des Schweißens zwischen diesem überstehenden Ende des Elektrodendrahtes und dem Werkstück aufrechterhalten, wobei der Draht abschmilzt und den ScnweißzusatzwerKstoff liefert.

Wesentliche Faktoren bei der Steuerung der Qualität der hergestellten Schweißnaht sind der eben definierte Stickout-überstand und der üesamtabstand zwischen dem Mundstück des Schweißbrenners und der Schmelze auf dem werkstück. Diese beiden Faktoren sind in gewissem Maße voneinander abhängig, und wenn der Stick-out-überstand bekannt ist, kann der Gesamtabstand aufgrund der Lichtbogenspannung abgeschätzt werden, da die Lichtbogenlänge mit der Lichtbogenspannung in direkter Beziehung stent.

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Im Verlaufe einer Schweißung kann sich der genannte Stick-out-überstand infolge einer Mehrzahl möglicher Ursachen verändern. Im Falle eines von Hand bewegten Schweißbrenners hängt die Aufrechterhaitung eines optimalen Überstandes vom Geschick der Bedienungsperson ab. Bei einem automatisch geführten Schweißbrenner kann sich der Gesamtabstand zwischen Schweißbrennermundstück und der Schmelze beispielsweise infolge thermischer Verformung des Werkstückes oder aufgrund von Erhebungen in der Schweißbahn verändern, beispielsweise durch eine nicht berücksichtigte He ft schweißung.

Bleibt die Lichtbogenspannung im wesentlichen konstant, so bleibt auch die Lichtbogenlänge im wesentlichen konstant und die genannten Änderungen des Ge samt ab st an ds führen unmittelbar zu Änderungen des Überstandes.

Selbst kleine Abweichungen des Überstandes im Bereich von einem Millimeter können jedoch schon die Qualität der Schweißung ungünstig beeinträchtigen. Beispielsweise bei Speisung aus einer Konstantspannungsquelle wird die Lichtbogenspannung durch den Spannungsabfall im überstehenden Abschnitt des Zusatzwerkstoffkörpers beeinträchtigt, der natürlich von der Länge des Überstandes abhängt.

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Außerdem können Veränderungen der widerstandsbedingten Aufheizung des überstehenden Elektrodendrahtabschnittes zu unerwünschten Änderungen der Art und Weise des Abschmelzens des Elektrodendrahtes in den Lichtbogen hinein führen. Größere Abweichungen können außerdem den Wirkungsgrad des Schweißvorganges herabsetzen.

Ein zu großer Überstand, insbesondere bei nicht geradem Elektrodendraht, kann zu Fehlern bezüglich der Ausrichtung des Lichtbogens auf die gewünschte Schweißbahn führen. Andererseits führt eine zu starke Verringerung des überstandes oder gar eine Verringerung des Überstandes auf den Wert Null dazu, daß der Lichtbogen bis zurück zum Schweißbrenner hin brennt, was die Unterbrechung des Schweißvorganges und den Austausch des Schweißbrenners erforderlicn macht.

Deshalb ist eine Überwachung des Stick-out-Überstandes zwischen dem Schweißbrennermundstück und der Spitze des Zusatzwerkstoffkörpers (oder des Abstandes zwischen dem Schweißbrennermundstück und der Schmelze) wünschenswert, um die obengenannten Faktoren automatisch regeln zu können. Eine Messung der Länge des überstehenden Endes eines sich bewegenden Elektrodendrahtes, der außerdem noch einen starken Strom führt, und von dessen Ende aus eine elektrische Licht-

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bogenentladung stattfindet, stößt in der Praxis jedoch auf beträchtliche Schwierigkeiten.

Bei einer bekannten automatischen Lichtbogen-Schweißeinrichtung findet eine optische Messung Anwendung, indem eine auf den Lichtbogen fokussierte Fernsehkamera die Lichtbogenlänge unmittelbar anzeigt. Nach dieser Methode kann auch der überstand ermittelt werden, wenn der Schweißbrenner relativ zur Kamera feststeht. Diese Methode ist für die Anwendung bei Schweißeinrichtungen nicht besonders zweckmäßig, da sie eine schwerfällige und empfindliche Meßausrüstung erfordert.

Eine andere mögliche Methode besteht in der Messung des Schweißstromes und der Schweißspannung, woraus der überstand und die Lichtbogenlänge ableitbar sind. Diese Methode findet bei Schweißverfahren mit sich nicht verbrauchenden Elektroden und beim Schweißen mit konstantem Strom Anwendung. Die Lichtbogenspannung wird gemessen und durch Nachstellung des Abstands zwischen Elektrode und Schmelze mittels eines Servomechanismus konstant gehalten. Diese bekannte Methode eignet sich jedoch nicht beim Schweißen mit sich verbrauchender Elektrode, da der Lichtbogen nicht vom Mundstück des Schweißbrenners, sondern vom freien Ende des die Elektrode bildenden Schweißdrahtes ausgeht. Die gleiche Spannungs-Strora-

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Beziehung ist deshalb bei verschiedenen Kombinationen von Lichtbogenlänge und überstand erhältlich, so daß keiner dieser beiden Faktoren auf diese Weise eindeutig bestimmbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu entwickeln, die eine genaue Messung und überwachung des Überstandes des Zusatzwerkstoffkörpers über das Mundstück eines Lichtbogen-Schweißbrenners für das Schweißen mit sich verbrauchender Elektrode ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Die Erfindung ist bei verschiedenen Lichtbogen-Schweißverfahren mit sich verbrauchender, als Zusatzwerkstoff dienender Elektrode anwendbar, weshalb der Ausdruck "Schweißbrenner" vorwiegend im Sinne von Halter oder Führung für den Zusatzwerkstoffkörper zu verstehen ist. Ferner bezeichnet dieser Ausdruck beim faetall-Inertgas-Schweißen die Schweißkanone oder beispielsweise beim Wolfram-Inertgas-Schweißen den Schweißbrenner.

Bei Lichtbogenschweißverfahren mit sich verbrauchender

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Elektrode bildet normalerweise der gewöhnlich in Drahtform vorliegende Zusatzwerkstoff die Elektrode. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann jedoch auch, wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird^ in Verbindung mit Lichtbogenschweißverfahren mit sich nicht verbrauchender Elektrode Anwendung finden, wobei in diesem Falle unter dem Zusatzwerkstoffkörper ein normalerweise in Drahtform zugeführter abschmelzender Zusatzwerkstoff zu verstehen ist.

Das erste Signal und das zweite Signal brauchen nicht notwendigerweise genau in denjenigen Zeitpunkten erzeugt zu werden, in denen der Ultras challimpuls tatsächlich im Zusatzwerkstoffkörper an den Meßstellen vorbeiläuft, sondern es ist nur notwendig, daß die Zeitpunkte der Erzeugung des ersten und des zweiten Signals in einer festen Beziehung mit den Zeitpunkten stehen, in welchen der Ultraschallimpuls tatsächlich an der ersten und der zweiten Stelle vorbeiläuft.

Obwohl mechanische Fiittel zur Erzeugung des durch den Zusatzwerkst offkörper hindurch ausgesendeten Ultraschallimpulses Anwendung finden können, haben mechanisch erzeugte Impulse gewöhnlich nicht die gewünschte Wellenform, die für den vorliegenden Zweck vorzugsweise scharf begrenzt und von kurzer Dauer ist. Außerdem erfordert die Über-

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wachung des genannten Überstandes normalerweise die Messung der Länge eines sich bewegenden Zusatzwerkstoffkörpers bzw. einer sich bewegenden Elektrode, weshalb es gewöhnlich einfacher ist, eine Überwachungsmethode zu wählen, die eine physische Berührung zwischen dem sich bewegenden Zusatzwerkstoff und der überwachungseinrichtung entbehrlich macht. Die Hehrzahl aller vorkommenden Schweißungen sind Schweißungen von Stahl, und in diesen und anderen Fällen, in welchen der Zusatzwerkstoff aus ferromagnetischem Material besteht, bietet die Erfindung eine besonders zweckmäßige Möglichkeit der Überwachung ohne mechanische Berührung, indem magnetostriktive oder magnetoelastische Effekte ausgenützt werden.

Diese Möglichkeit ist jedoch nicht gegeben, wenn mit nichtferromagnetisehern Zusatzwerkstoff, beispielsweise mit Aluminium oder rostfreiem Stahl, geschweißt wird. In diesen Fällen kann eine Meßmethode mit mechanischer Berührung unter Ausnützung piezoelektrischer Effekte vorteilhaft angewandt werden.

Hagnetostriktive Effekte können in zwei Kategorien eingeteilt werden, wobei unter die erste Kategorie der Joule-Effekt oder direkte magnetostriktive Effekt fällt, gemäß welchem eine Änderung der Abmessungen eines

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ferromagnetische!! Materials herbeigeführt werden kann, indem das Material einer Änderung der magnetischen Flußdichte unterworfen wird. Der gewünschte Ultraschallimpuls kann deshalb zweckmäßig durch Mittel, die eine plötzliche Änderung der magnetischen Flußdichte im Zusatzwerkstoff hervorrufen, auf den Zusatzwerkstoff übertragen werden* Gemäß einer bevorzugten Ausführungsforai der Erfindung weisen deshalb die Mittel zum Aussenden des Ultraschallinipulses durch den Zusatzwerkstoffkörper eine Induktionsspule in der Nähe des Zusatzwerkstoffkörpers auf, die diesen vorzugsweise umschließt. Mittels eines an die Spule angeschlossenen, einen elektrischen Stromimpuls liefernden Impulsgebers kann also unter Ausnutzung des direkten magnetostriktiven Effektes ein Ultraschallimpuls auf den Zusatzwerkstoffkörper übertragen werden. Eine zweckmäßige Methode zur Gewinnung des genannten ersten Signals ist die Erzeugung eines elektrischen Signals aufgrund der Erzeugung des Stromimpulses in der Spule.

Die zweite Kategorie der magnetostriktiven Effekte umfafot den sogenannten inversen magnetostriktiven Effekt oder Villari-Effekt, gemäß welchem eine Verformung eines ferrorna^netischen Materials eine Änderung der magnetischen Flußdichte in der Nähe des Materials bewirkt. Ein ähnliches

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Phänomen ist der magnetoelastisch Effekt, bei welchem es sich um eine Änderung der magnetischen Permeabilität eines ferromagnetischen Materials infolge einer Deformation handelt. Einer dieser Effekte oder beide Effekte können zur Erzeugung des gewünschten Signals beim Durchgang des ursprünglichen und/oder des reflektierten Ultraschallimpulses herangezogen werden. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung sind deshalb Detektormittel zur Erzeugung des ersten Signals und/oder des zweiten Signals vorgesehen, die einen magnetostriktiven oder magnetoelastischen Wandler in der Nähe des Zus atzwerkstoffkörpers aufweisen. Als Wandler zur Erzeugung des ersten Signals und/oder des zweiten Signals eignen sich beispielsweise eine den Zusatzwerkstoffkörper vorzugsweise umschließende Induktionsspule oder ein Hall-Generator.

Im allgemeinen kann die Größe der aufgrund des Durcngangs des Ültrasehallimpulses (oder des reflektierten Impulses) verursachten magnetischen Störung und folglich die Stärke des aufgrund dessen erzeugten Signals dadurch vergrößert werden, daß eine Vormagnetisierung im bereich der zur Erzeugung des Signals dienenden Detektormittel herbeigeführt wird. Ebenso kann ein Vormagnetisierungsfeld im Bereich der Sendespule zur Vergrößerung des ausgesandten Impulses Anwendung finden. In beiden

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Fällen kann die Vormagnetisierung beispielsweise mittels einer stromdurchflossenen Induktionsspule oder durch einen Permanentmagneten erzeugt werden, oder alternativ dazu kann im Zusatzwerkstoff selbst vor seinem Eintritt in den Bereich der Sende- bzw. Detektormittel ein Permanentmagnetismus erzeugt werden.

Die Stärke des Signals kann auch durch Verwendung einer Ummantelung aus ferromagnetischem Material vergrößert werden, die auch als Abschirmung gegen äußere Streufelder dient. Anstatt Spulen, Detektoren usw. in unmittelbarer Nähe des Zusatzwerkstoffkörpers anzuordnen, können diese Komponenten in gewissen Fällen auch über einen geeigneten magnetischen Kreis mit dem Zusatzwerkstoffkörper verbunden werden. Diese Möglichkeit ist beispielsweise zweckmäßig, um die Notwendigkeit des Hindurchführeris einer Schweißelektrode durch eine Induktionsspule zu vermeiden.

Das Zeitintervall zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal steht mit dem genannten überstand in direkter Beziehung, und auf diese Signale ansprechende •litte 1 zur Steuerung oder Anzeige der Größe des Überstandes enthalten deshalb zweckmäßigerweise elektronische Mittel zum Umsetzen des ZeitIntervalls in ein drittes

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elektrisches Signal, das direkt die üröße des Überstandes darstellt. Dieses dritte Signal kann zur Steuerung eines Servomechanismus zur Konstanthaltung des gewünschten überstandes herangezogen werden oder kann lediglich einem Anzeigegerät zugeführt werden.

Geeignete ZeitmeJieinrichtungen sind an sich bekannt und können beispielsweise nach dem Einschalten aufgrund des ersten Signals unter der Steuerung eines Zeittaktsignals arbpiten, bei welchem es sich um elektriscne Impulse mit bekannter Wiederholungsfrequenz von beispielsweise 10 ilHz handeln kann. Das Zeittaktsignal wird dann aufgrund des zweiten Signals wieder abgeschaltet und das Zeitintervall zwischen dem Auftreten des ersten Signals und des zweiten Signals wird mittels eines elektronischen Impulszählers bestimmt, der durch das Zeittaktsignal angesteuert wird. Alternativ dazu kann eine Analogschaltung Anwendung finden, beispielsweise eine Schaltung, die eine Sägezahnspannung mit vorgegebener Anstiegs geschwindigkeit erzeugt und durch das erste Signal gestartet und durch das zweite Signal gestoppt wird, so daß die erreichte Spannung ein Maß für das Zeitintervall bildet. Diese letztere Möglichkeit kann mittels eines Spannungsintegrators realisiert werden, der einen Integrationszustand und einen Haltezustand

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besitzt und rückstellbar ist. Dem Eingang der Integrationsschaltung wird eine Konstantspannung zugeführt, und die Schaltung wird durch das erste Signal in den Integrationszustand und durch das zweite Signal in den Haltezustand geschaltet. Die Integratorspannung wird dann einem Verstärker zugeführt, und vor dem Empfang des nächsten Sendeimpulses wird der Integrator auf Null rückgestellt.

Die Beziehung zwischen dem genannten Zeitintervall und dem Stick-out-überstand hängt natürlich von der Schallgeschwindigkeit im Zusatzwerkstoff ab, die von Werkstoff von Werkstoff verschieden sein kann und auch durch Temperaturänderungen des Zusatzwerkstoffes beeinflußt wird. Zur genauen Überwachung des genannten Überstandes kann es deshalb erforderlich sein, Mittel zur Berücksichtigung dieser variablen Parameter einzusetzen. Für die meisten, allgemein gebräuchlichen Stahlzusammensetzungen weichen die Schallgeschwindigkeiten jedoch nicht sehr voneinander ab, so daß für die meisten praktischen Anwendungszwecke keine Korrektur dieses Faktors erforderlich ist. Falls Abweichungen der Schallgeschwindigkeit von Werkstoff zu Werkstoff automatisch berücksichtigt werden sollen, kann dies durch Laufzeitermittlung eines Ultraschallimpulses zwischen zwei räumlich auseinanderliegenden Stellen der Schweißelektrode bzw. des Zusatzwerkstoffkörpers erfolgen.

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Dadurch erhält man ein Maß für die Schallgeschwindigkeit im Werkstoff des Schweißdrahtes oder dergl., das bei der Berechnung des Überstandes ausgewertet v/erden kann und folglich Abweichungen der Schallgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Schweißzusatzwerkstoffen bzw. Elektrodenmaterialien automatisch berücksichtigt.

Was Temperaturwirkungen betrifft, so erzeugen Temperatureinflüsse, nachdem einmal ein Gleichgewichtszustand beim Schv/eißen erreicht worden ist, einen konstanten Fehler. Dieser Fehler ist so klein, daß er in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann, aber gewünschtenfalls kann dieser Fehler mittels einer geeigneten elektronischen Korrektur berücksichtigt werden.

Der reflektierte Impuls wird durch Reflexion an der Feststoff/Schmelze-Qrenzfläche am überstehenden Ende des Schweißdrahtes oder dergl. erzeugt, so daß die im allgemeinen kleine Länge der geschmolzenen Schweißdrahtspitze nicht berücksichtigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen irn einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung

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eines Lichtbogen-Schweißgerätes mit einer Überwachungseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch mehr im einzelnen eine

Baugruppe der Einrichtung mit einer elektrischen Schaltung zum Senden eines Ultraschallimpulses durch die Schweißelektrode des Schweiiageräts nach Fig. 1 und zum Signalisieren des Durchgangs des Ultraschallimpulses längs der S chwei Joe Ie kt rode,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Anordnung

zur Erzeugung und Weiterverarbeitung der verschiedenen Signale des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schweißgeräts,

die Fig. Ma und 4b die mittels eines Kathodenstrahl-

oszillographen aufgezeichnete Wellenform eines von einer Empfangsspule erzeugten und verstärkten Signals,

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die Fig. 5a und 5b schematisch in Seiten- und Stirnansicht eine Baugruppe zum Aussenden eines Impulses längs aes Zusatzwerkstoffes unter Verwendung piezoelektrischer Mittel,

Fig. 6 einen scaematischen Schnitt einer

weiteren alternativen Baugruppe zum Aussenden und zum Empfang von Impulsen mit Hilfe magnetostriktiver oder magnetoelastischer Mittel,

die Fig. 7a bis 7d schematisch den Ablauf des Aussendens

und des Empfangene von Impulsen mittels der in Fig. 2 bzw. Fig. gezeigten Baugruppe, und

Fig. 8 ein Blockschaltbild der Komponenten

zur Erzeugung und Weiterverarbeitung der verschiedenen Signale bei Anwendung der in Fig. 6 gezeigten Baugruppe.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist ein Lichtbogen-Schweißgerät zum Metall-Inertgas-Lichtbogenschweißen einen

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Schweißbrenner 1 auf, durch welchen eine Schweißelektrode in Form eine3 kupferbeschichteten Stahlschweißdrahtes 2 zugeführt wird. Der Schweißdraht 2 wird von einer Vorratsrolle 3 durch ein flexibles Führungsrohr k hindurch zugeführt. Der Vorschub des Schweißdrahtes 2 zum Schweißbrenner erfolgt mittels einer Vorschubeinheit, die eine mittels eines nicht gezeigten Elektromotors angetriebene Vorschubrolle 5 aufweist, an welche der Schweißdraht mittels Druckrollen 6 reibschlüssig angedrückt wird. Die Vorschubeinheit ist in einer allgemein mit 7 bezeichneten Versorgungseinheit untergebracht, über welche elektrische Energie und Inertgas über ein flexibles Stromkabel 8 und eine Gasleitung 9 zum Schweißbrenner 1 zugeführt werden.

Im Betrieb des Schweißgerätes ragt der Schweißdraht 2 über das Mundstück 10 des Schweißbrenners um eine als Stick-out-überstand (klebefreier überstand) bekannte Distanz hinaus. Die Länge dieses Überstandes des Schweißdrahtes ist mit 11 bezeichnet. Durch die Leitung 9 wird ein Inertgas wie oeispielsweise Kohlendioxid zu einer den Schweißdraht an der Stelle seines Austritts aus dem Brennermundstück umschließenden Ringdüse zugeführt.

Während des Schweißvorganges wird dem Schweißbrenner über das Kabel 8 zugeführter elektrischer Strom über ein

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nicht gezeigtes Kontaktrohr, durch welcnes der Schweißdraht innerhalb des Schweißbrenners und nahe aew iiundstücK lü hindurchverläuft, auf den Schweißdraht 2 übertragen. Der von einer Konstantspannungsquelle zugefünrte eleKtrische Strom halt einen elektrischen Lichtbogen aufrecht, der zwischen dem freien Ende des Schweißdrantes 2 und dem nicht dargestellten Werkstück gezogen ist. Die im Lichtbogen umgesetzte elektrische Energie bewirkt ein Abschmelzen des Schweißdrahtes 2 in die am werkstück gebildete Schweißschmelze hinein. Das während des Schweißvorganges durch die Leitung 9 zum Brenner zugeführte Inertgas bildet eine inerte Umhüllung des überstehenden Schweißdrahtendes, des Lichtbogens und der Schweißschmelze und verhindert so eine Verunreinigung, beispielsweise eine Oxidation der Schmelze durcn die Umgebungsluft.

Unmittelbar stromauf des Schweißbrenners 1 ist mit dem Schweißdrahtzufünrungsrohr 4 eine Baugruppe 12 zur Überwachung des Schweißdraht üb erst an des 11 über das Brennermundstück 10 angeordnet. Diese Baugruppe 12 und ein Teil der zugehörigen elektrischen Schaltung ist in Fig. 2 mehr im einzelnen dargestellt. Demgemäß enthält die Baugruppe 12 drei Induktionsspulen, die auf einem gemeinsamen Spulenkörper 13 gewickelt sind, durch dessen Mitte der Schweißdraht 2 hindurchpassiert. Die

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drei Induktionsspulen bilden eine Sendespule 14, eine in Schweißdrahtvorschubrichtung stromab davon gelegene Empfangsspule 15 und eine Vormagnetisierungsspule 16, die über die Spulen I¹J und 15 und über deren Enden hinaus gewickelt ist.

bin elektriscner Impulsgeber 17 dient zum Anlegen eines elektriscnen Impulses an die Sendespule 14. Eine batterie 18 speist die Vormagnetisierungsspule mit einem konstanten Strom, Eine von einer Batterie 20 gespeiste Verstärkerscnaltung 19 verstärkt das Ausgangssignal der Empfangsspule 15 und erzeugt zwischen zwei Leitern 21 und 22 ein verstärktes Ausgangssignal.

Im Betrieb des Schweißgeräts, während der Schweißdraht kontinuierlich zum Schweißbrenner 1 zugeführt wird, erzeugt der Impulsgeber 17 eine Reihe elektrischer Stromimpulse, die wiederum in der Sendespule 14 eine Folge magnetischer Impulse erzeugen. Aufgrund des Joule-Effektes (direkter magnetostriktiver Effekt) entsteht dadurch eine Reihe von ültraschallimpulsen, die sich längs des Schweißdrahtes 2 ausbreiten. Bei Versuchen wurde ein Impulsgeber verwendet, der außer dem Hauptstromimpuls jeweils noch einen damit in Zusammenhang stehenden verzögerten Impuls erzeugen kann. Der verzögerte Impuls diente als in einem Zeitpunkt, der

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den Augenblick des Durchgangs des Ultraschallimpulses an einer ersten Stelle (nämlich der Stelle der Sendespule), die einen festen Abstand vom Brennermundstück aufweist, erzeugtes erstes Signal.

Jeder Ultraschallimpuls breitet sich längs des Elektrodendrahtes 2 in Richtung zum Schweißbrenner 1 hin aus (ein ähnlicher Impuls läuft natürlich auch in Richtung zur Rolle 3 hin, der aber nicht von Interesse ist). Der Impuls wird am freien Ende des Drahtes 2 reflektiert und der reflektierte Impuls läuft längs des Drahtes zurück. Beim Durchgang des reflektierten Impulses durch die Empfangsspule 15 wird in dieser aufgrund des Villari-Effektes und/oder des magnetoelastischen Effektes ein Stromimpuls erzeugt. Dieser Stromimpuls bildet ein zweites Signal, das in einem Zeitpunkt erzeugt wird, der dem Durchgang des reflektierten Impulses an einer zweiten Stelle (nämlich der Stelle der Empfangsspule) entspricht, die wiederum einen festen Abstand von der Brennerspitze aufweist. Die Vormagnetisierungsspule 16, die von einem stetigen Konstantstrom durchflossen ist, erzeugt ein Vormagnetisierungsfeld, also eine magnetische Vorspannung, welche zur Vergrößerung der Amplitude des zweiten Signals dient. Das genannte zweite Signal wird in der elektronischen Verstärkerschaltung 19 verstärkt,

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deren Ausgangssignal an den Leitern 21 und 22 zur Verfügung steht.

Die Empfangsspule empfängt aber auch zusätzliche unerwünschte Signale, die beispielsweise von Reflexionen des ausgesandten Impulses an dem auf der Rolle 3 befindlichen Drahtende stammen oder die aufgrund der direkten Kopplung mit der Sendespule entstehen. Zur Vermeidung von Fehlern aufgrund dieser unerwünschten Signale findet eine Torschaltung Anwendung, die eine Ansteuerung des Verstärkers 19 und eine Signalverstärkung nur während derjenigen Zeitspanne ermöglicht, während welcher der gewünschte Impuls zu erwarten ist. Die Impulswiederholungsfrequenz ist so gewählt, daß die Möglichkeit einer Verwechslung mit reflektierten Fehlersignalen auf ein Minimum herabgesetzt ist. In manchen Fällen kann es auch erforderlich sein, einen Strombegrenzer in die Eingängeleitung des Empfangsverstärkers einzuschalten, um eine Überlastung aufgrund der direkten Kopplung zwischen der Empfangsspule und der Sendespule zu vermeiden.

Wie in Fig. 3 in Form eines Blockschaltbildes gezeigt ist, werden die ersten und zweiten Signale in einer Zeitmeßschaltung 23 weiterverarbeitet, deren Ausgangssignal ein Maß für das Zeitintervall zwischen dem ersten Signal

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und dem zweiten Signal darstellt. Dieses Ausgangssignal hängt also von der Laufzeit eines Ultraschallimpulses von der Sendespule zum freien Schweißdrahtende und zur Empfangsspule zurück plus den Zeitverzögerungen ab, die in der elektrischen Schaltung auftreten. Die einzige Variable (abgesehen von Fehlern durch Temperaturschwankungen usw.) unter den das Ausgangssignal bestimmenden Faktoren ist der Schweißdrahtüberstand über das Brennermundstück, und das Aus gangs signal stellt deshalb unmittelbar die Größe dieses Drahtüberstandes dar. Das Ausgangssignal kann demzufolge beispielsweise zur Speisung eines Anzeigegeräts, das eine direkte Anzeige des Drahtüberstandes liefert, oder zur Steuerung eines die Größe des Überstandes regulierenden Servomechanismus verwendet werden.

Die Einzelheiten der Zeitmeßschaltung 23 bilden für sich keinen Bestandteil der Erfindung; geeignete Arten von Zeitmeßschaltungen sind oben erwähnt worden.

Die Fig. 4a und 4b zeigen mittels eines Kathodenstrahloszillographen aufgezeichnete Wellenformen des Aus gangs sign a Is des Empfangsverstärkers 19. Fig. 4a zeigt diese Ausgangssignal-Wellenform bei stillstehendem Schweißdraht 2. Abgesehen vom Hintergrundrauschen sind

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bei dieser Wellenform drei Hauptmerkmale au beobachten. Bei 24 ist eine Störung zu erkennen, die vom Durchgang eines ausgesandten Impulses durch die Empfangsspule 14 und von Rauschen aufgrund der magnetischen Kopplung der Sendespule 14 und der Empfangsspule 15 herrührt. Diese Störung hat bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung keine Bedeutung, könnte aber bei anderen Ausführungsformen zur Erzeugung des ersten Signals herangezogen werden, das den Durchgang des ausgesandten Impulses durch den Schweißdraht anzeigt. Bei 25 ist eine weitere Störung dargestellt, die durch Reflektion an einer Stelle hervorgerufen wird, an welcher eine teilweise Einspannung des Schweißdrahtes infolge von Reibung im Schweißbrenner auftritt. Schließlich tritt bei 26 eine Störung auf, die durch den am freien Schweißdrahtende reflektierten Impuls hervorgerufen wird. Diese letztere Störung dient zur Erzeugung des zweiten Signals, das die Feststellung des reflektierten Impulses anzeigt. Man kann erkennen, daß die grundsätzliche Signalform der Störungen aufgrund der Reflexionen der Einspannungsstelle und des freien Drahtendes mit Bezug zueinander invertiert sind.

Fig. 4b zeigt die bei in Bewegung befindlichem Schweißdraht erhaltene Wellenform. Die von dem ausgesandten

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Impuls und der Kopplung zwischen den Spulen 14 und 15 herrührende Störung 27 ist der Störung 24 sehr ähnlich. Überraschenderweise ist jedoch keine der Störung 25 entsprechende Störung vorhanden, die von einer Reflexion im Schweißbrenner stammt. Dies ist äußerst günstig, da man hätte erwarten können, daß diese Reflexion bei in Bewegung befindlichem Schweißdraht größer wäre und möglicherweise ein solches Ausmaß erreichen könnte, daß die Ableitung eines brauchbaren Signals von dem von der Schweißdrahtspitze reflektierten Impuls nicht mehr möglich ist. Die Amplitude des von der Schweißdrahtspitze reflektierten Impulses ist bei bewegtem Draht sogar noch größer, wie die Störung 28 zeigt, was seine Ursache möglicherweise in der verringerten Dämpfung des Ultraschallimpulses im Schweißbrenner hat.

Beim Einschalten des Schweißlichtbogens tritt eine gewisse Verringerung der Amplitude der vom reflektierten Impuls stammenden Wellenform 28 gegenüber der in Fig. 4b dargestellten Wellenform auf. Das Signal/Rausch-Verhältnis ist bei diesem Signal jedoch immer noch ausreichend groß, um auch bei eingeschaltetem Lichtbogen ein brauchbares Signal zu erzeugen.

In Fig. 6 ist eine abgewandelte Ausführungsform

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einer Sende- und Empfangsbaugruppe 39 dargestellt, welche die in Fig. 1 dargestellte Baugruppe 12 in manchen Fällen vorteilhaft ersetzen kann. Die Baugruppe 39 besitzt eine zylindrische Form und enthält eine A-Sendespule 40 und eine B-Sendespule ¹Jl sowie eine R-Empfangsspule 42 und eine S-Empfangsspule 43· Jede Spule ist von einem Ferritmantel 44 umschlossen, der zur Vergrößerung des magnetischen Feldes dient, das durch den durch die jeweilige Spule fließenden elektrischen Strom erzeugt wird. Zwischen den Spulen sind magnetische Scheiben 45 angeordnet, die längs der Baugruppenachse magnetisiert sind und eine magnetische Vorspannung in ähnlicher Weise wie die Vormagnetisierungsspule 16 der in Fig. 2 gezeigten Aus füh rungs form erzeugen. Die von den Spulen 40 bis 43 und den zugehörigen Ferritummantelungen 44 sowie von den magnetischen Scheiben 45 gebildete Anordnung ist von einem Gehäuse umschlossen, das aus einem Abschirmrohr 46, Stirnscheiben 47 aus Flußstahl und einem inneren Messingrohr 48 besteht und zur Herabsetzung äußeren Rauschens geerdet ist. Das innere Messingrohr 48 ist längsgeschlitzt und die Stirnscheiben sind jeweils mit einem Radialschlitz versehen, um Wirbelstromeffekte herabzusetzen. Eine weitere radialgeschlitzte und ebenfalls auf Erdpotential gehaltene Flußstahlscheibe ist zwischen den Spulen 40 und 43 angeordnet, um die direkte Kopplung zwischen Sende- und Empfangs-

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spulen auf ein Minimum herabzusetzen. Die genannten Spulen und Scheiben sind alle mit einer mittigen Öffnung versehen, durch welche ein Isolierrohr 50 von einem zum anderen Ende durch die Baugruppe hindurchverlauft, durch welches wiederum der Schweißdraht 2 hindurchverläuft, durch welches wiederum der Schweißdraht 2 hindurchgeführt ist. Die Baugruppe ist an ihren Enden mit Kupplungsstücken 51 und 52 zur Verbindung mit dem Schweißdrahtführungsrohr 4 (Fig. 1) versehen.

Der Zweck dieser Konstruktion mit Zwillings-Sendespule und Zwillings-Empfangsspule wird nachstehend anhand der Fig. 7a bis 7d erläutert.

In Fig. 7a ist schematisch ein elektrischer Impuls 53 angedeutet, welcher einer Sendespule 14 zugeführt wird, durch welche der Schweißdraht 2 hindurchpassiert. Ein dadurch erzeugter Ultraschallimpuls 5Ί läuft entlang des Schweißdrahtes in Richtung P zum überstehenden Drahtende 11 hin. Unvermeidbar läuft jedoch gleichzeitig auch ein gleichartiger Ultraschallimpuls 55 in entgegengesetzter Richtung (zur Vorratsrolle hin) durch den Schweißdraht hindurch. Der Impuls 55 führt zu unerwünschten Reflexionen beispielsweise an der Vorschubeinheit 7 (Fig. 1). Wie in Fig. 7c dargestellt, empfängt die Einfach-Empfangsspule 15 einen vom auf der Vorratsrolle befindlichen Drahtende

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reflektierten unerwünschten Impuls 53* sowie den vom freien Drahtende 11 reflektierten, in Richtung R laufenden erwarteten Impuls 54*. Die Impulse 53' und 54' können ähnliche Amplituden aufweisen, so daß es für die Impulsempfangsschaltung schwierig sein kann, zwischen diesen beiden Impulsen zu unterscheiden, was falsche Meßergebnisse nach sich ziehen kann.

Dieses Problem läßt sich mit jeweils paarweise angeordneten Sende- und Empfangsspulen lösen. Wie schematisch in Fig. 7b gezeigt, wird der Sendespule 40 ein elektrischer Impuls 56 zugeführt, aufgrund dessen ein sich in der gewünschten Richtung P ausbreitender Ultraschallimpuls und ein weiterer, sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitender unerwünschter Impuls erzeugt werden. Nach einer bestimmten Zeitverzögerung wird dann ein zweiter elektrischer Impuls 57 der Sendespule zugeführt, wodurch wiederum in jeder Richtung ein Ultraschallimpuls ausgesandt wird. Die Zeitverzögerung ist so gewählt, daß der Impuls von der Spule Ml genau in dem Augenblick auf den Schweißdraht übertragen wird, in welchem der gewünschte Impuls der Spule 40 die Spule 4l durchläuft. Die beiden in der gewünschten Richtung P ausgesandten Impulse werden deshalb zu einem einzigen Impuls mit vergrößerter Amplitude kombiniert. Die sich in der

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entgegengesetzten Richtung ausbreitenden Impulse bleiben jedoch voneinander getrennt, wie bei 59 angedeutet.

Das von der Drahtspitze refelktierte und in Richtung R zurücklaufende Signal 58^f wird gemäß Fig. 7d zunächst von der Spule 43 empfangen. Dadurch wird ein elektrisches Signal 60 erzeugt, das ein Verzögerungsglied 6l durchläuft und folglich als verzögertes Signal 62 einem Addierverstärker 63 zugeführt wird. Durchläuft das reflektierte Signal 58' die Empfangsspule 42, wird in dieser ein weiteres elektrisches Signal 64 erzeugt, das jedoch unverzögert dem Addierverstärker 63 zugeführt wird. Die Verzögerung durch das Verzögerungsglied 61 ist so gewählt, daß sie der Laufzeit des Ultraschallimpulses von der Spule 43 zur Spule 42 entspricht, so daß die beiden elektrischen Signale 62 und 64 im Addierverstärker 63 zu einem einzigen Signal 65 mit vergrößerter Amplitude kombiniert werden. Das kombinierte Signal 65 wird dann einem Vergleicher 66 zugeführt, der alle Signale unterdrückt, deren Amplitude unterhalb eines gewissen Grenzwertes liegt. Ein in Richtung P ausgesandtes und in Richtung R von der Schweißdrahtspitze reflektiertes Signal führt also zu einem Signal 65, das beträchtlich größer als die unerwünschten, durch Streureflexionen von anderen Stellen des Schweißdrahtes 2 stammenden Signale ist.

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Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, die in Verbindung mit der in Fig. 6 gezeigten Baugruppe 39 zur Erzeugung, zum Empfang und zur Weiterverarbeitung von Impulsen dient. Diese elektrische Schaltung weist einen binären 12-Bit-Hauptzähler 67 mit einem 10-MHz Kristalloszillator (nicht dargestellt), einen binären 8-Bit-Ausgangszähler 68, der zu Anzeigeoder Regelzwecken den beim jeweils vorhergehenden Meßzyklus gemessenen Drahtüberstand registriert, weiter einen Zyklus-Taktgeber 69, der mit einer vom 10-MHz-Kristalloszillator abgleiteten Frequenz von 1 kHz arbeitet, ferner eine vom Aus gangs zäh ler angesteuerte Anzeige- oder Steuereinheit 70 zur Anzeige des Drahtüberstandes bzw. zur Steuerung der Drahtvorschubgeschwindigkeit, weiterhin eine Torschaltung 71 und einen bistabilen Schalter 72 mit einer Zähl- und einer Rückstellstellung zur Steuerung des Hauptzählers sowie die zugehörigen elektrischen Verbindungen und Verstärker 73, 74 75 und auf, welch letztere den Sendespulen 40 und 41 bzw. den Empfangsspulen 42 und 43 zugeordnet sind.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:

Der 10-MHz-Kristallosziliator im Hauptzähler wird gestartet und der Zyklus-Taktgeber 69 beginnt zu laufen

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und sendet eine Folge elektrischer Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz von 1 kHz aus.

Am Beginn jedes Zyklus, d.h. unmittelbar vor der Abgabe eines Impulses vom Taktgeber 69, wird der Hauptzähler 67 auf das Komplement eines Bezugszeitwertes eingestellt, bei welchem es sich um diejenige Zeit handelt, die ein ausgesandter und reflektierter Impuls zum Hinlauf zum Brennermundstück und zum Rücklauf von diesem aus benötigen würde. Der Ausgangszähler 68 wird auf einen Wert eingestellt, der einem früher gemessenen Drahtüberstand entspricht. Bei Erzeugung eines Triggerimpulses durch den Taktgeber 69 empfängt die Sendespule 40 über den Verstärker 73 einen Impuls, während die Sendespule einen Impuls über ein Verzögerungsglied 77 und den Verstärker 74 empfängt, so daß ein kombinierter Ultraschallimpuls längs des Schweißdrahtes 2 zum überstehenden Drahtende 11 ausgesandt wird, wie oben mit Bezug auf Fig. 7b beschrieben ist. Gleichzeitig wird ein Signal an den bistabilen Schalter 72 angelegt, der aufgrund dessen den Hauptzähler startet. Am Ende der Bezugszeitperiode wechseln alle Stellen des Hauptzählers vom 1-Zustand in den O-Zustand, und es leuchtet ein, daß erst danach ein vom über das Brennermundstück hinausragenden Schweißdrahtende reflektierter Ultraschallimpuls empfangen werden kann. Deshalb wird nun vom Hauptzähler

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ein Signal an die Torschaltung ti angelegt, das bis zum Empfang eines reflektierten Impulse« durch die Empfangsspulen 42 und 43, jedoch höchstens- während einer Zeitspanne aufrechterhalten wird-, die de» vollen vorgesehenen Schwankungsbereich des Drahtüberstände* entspricht.

Außer dieser zeitlichen Begrenzung des Durchlaß-^
zustandes der Torschaltung 71 stellt die Einrichtung jedoch auch sicher, daß die Rücklaufzeit des reflektierten Impulses im Rahmen der größtmöglichen Änderung des Drahtüberstandes und der zuvor ermittelten Größe des Drahtüberstandes liegen muß. Der Ausgangszähler 67 enthält zu diesem Zweck einen Diskriminator, welcher der Torschaltung 71 ein Signal zuführt, das einen Durchlaß der Torschaltung nur während einer Zeitspanne zuläßt, die
den möglichen Abweichungen der Größe des Überstandes vom jeweils vorher gemessenen Wert entspricht.

Das reflektierte Ultraschallsignal wird von den
^mpfangsspulen 43 und 42 empfangen und die Empfangsspulensignale laufen über den Verstärker 76 und das
Verzögerungsglied 6l bzw. über den Verstärker 75 zum
Addierverstärker 63, dessen Ausgangssignal zum Vergleicher 66 gelangt. Wie anhand von 51g. ?d beschrieben, unterdrückt der Vergleicher alle unter- einein gewissen

Pegel liegenden Signale, um zwischen Streureflexionen, die nicht vom überstehenden Schweißdrahtende 11 kommen, und den gewünschten reflektierten Signalen zu unterscheiden. Nur wenn ein einen reflektierten Impuls darstellendes Signal vom Vergleicher 66 zur Torschaltung 71 gelangt und diese Torschaltung gleichzeitig vom Hauptzähler und vom Aus gangs zäh ler Torsignale erhält, gelangt von der Torschaltung ein Signal zum bistabilen Schalter Dadurch ist also sichergestellt, daß ein solches durchgelassenes Signal mit größter Wahrscheinlichkeit von einem echten, am überstehenden Schweißdrahtende reflektierten Ultraschallimpuls stammt, der demjenigen ausgesandten Impuls entspricht, bei welchem der Hauptzähler gestartet worden ist.

Bei Empfang eines Signals von der Torschaltung stoppt der bistabile Schalter 72 den Hauptzähler, so daß das bis dahin erreichte Zählergebnis gespeichert wird. Diese als Zählergebnis gespeicherte Zeit entspricht natürlich der Grüße des Überstandes 11. Die Steuerschaltung innerhalb des Hauptzählers bewirkt dann eine automatische Übertragung der Information vom Hauptzähler zum Ausgangszähler. Als weitere Sicherheitsmaßnahme gegen falsche Meßwertauswertungen ist der Ausgangszähler jedoch so ausgelegt, daß sein Zählerstand jeweils nur durch eine

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vorgegebene Anzahl von Bits zu dem im Hauptzähler gespeicherten Wert hin verändert wird. Beispielsweise kann diese Veränderbarkeit auf ein Bit pro Zyklus entsprechend einer Änderungsgeschwindigkeit des Schweißdraht üb erst an des von 250 mm/s beschränkt sein. Schließlich stellt die Steuerschaltung innerhalb des Hauptzählers diesen auf das Komplement des Bezugszeitwertes zurück, bevor der Zyklus-Taktgeber 69 den nächsten Zyklus auslöst. Die Anordnung ist so getroffen, daß, wenn kein Signal vom Schalter 72 empfangen wird, das einen reflektierten Ultraschallimpuls darstellt, die genannte Veränderung des AusgangsZählerstandes nicht auftritt, jedoch die Rückstellung des Hauptzählers in normaler Weise stattfindet.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine piezoelektrische Anordnung die zum mechanischen übertragen und Abtasten eines Ultraschallimpulses auf den bzw. von dem Schweißdraht 2 dient. Diese Anordnung kann anstelle der Baugruppe 12 des in Fig. 1 gezeigten Geräts Anwendung finden, und es ist klar, daß auch eine Mehrfachversion davon die in Fig. 6 gezeigte Baugruppe ersetzen kann.

dine piezoelektrische Impulserzeugung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn mit nicht ferroraagnetisehern Zusatz-

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werkstoff wie beispielsweise mit Aluminium oder rostfreiem Stahl geschweißt wird. Die Anordnung weist zwei Piezokristall 29 und 30 auf, die jeweils eine schneidkantenförmige Kontaktspitze 31 bzw. 32 besitzen. Der in den Fig. 5a und 5b obere Kristall 29 ist an einem verhältnismäßig massiven oberen Halteteil 33 gehaltert, während der untere Kristall 30 von einem ebenfalls ziemlich massiven unteren Halteteil 3^ getragen wird. Die beiden Halteteile sind relativ zueinander verschiebbar angeordnet, wozu ein länglicher Schlitz 35 im unteren Halteteil mit einem darin geführten Ansatz 3ό des oberen Halteteils zusammenwirkt. Die beiden Halteteile und 3^ sind durch Federn 37 schwach zueinander hin vorgespannt und die gesamte Anordnung ist in festen Fünrungen verschiebbar.

Im Gebrauch der Anordnung stehen die Schneiden 31 und 32 der Kristalle 29 und 30 aufgrund der Federspannung der Federn 37 mit dem Schweißdraht in Berührung. Die gesamte Anordnung ist quer zur Schwexßdrahtvorschubrichtung in den Führungen 38 verschiebbar und die Halteteile 33 und 34 sind relativ zueinander verschiebbar, um sich irgendwelchen Unregelmäßigkeiten oder Krümmungen des Schweißdrahtes anpassen zu können. Um einen Ultraschallirapuls im Schweißdraht zu erzeugen, wird an beide Kristalle

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gleichzeitig ein Spannungsimpuls angelegt, wodurch eine schnelle Ausdehnung der Kristalle und folglich ein momentaner Druck auf den Schweißdraht bewirkt wird. Beim Durchlauf des vom überstehenden Schweißdrahtende reflektierten Impulses tritt ein umgekehrter Effekt auf, d.h. die Piezokristall erfahren jeweils einen mechanischen Impuls, der in einen Spannungsimpuls umgesetzt wird. Die dem aus gesandten Ultras challimpuls und dem empfangenen reflektierten Impuls entsprechenden Spannungsimpulse können als die oben erwähnten ersten und zweiten Signale benützt werden, und die Arbeitsweise der Einrichtung entspricht im übrigen dann der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Funktion.

Die Inversion der reflektierten Wellenform beispielsweise zwischen den Reflexionen von einer eingespannten Stelle und von einem freien Ende aus ermöglicht eine Anzahl vorteilhafter Anwendungen der erfindungsgemäßen einrichtung. Beispielsweise bewirken Störungen wie beispielsweise das Festkleben des Elektrodendrahtes am Brenner und/oder ein Anschweißen des Elektrodendrahtes am Werkstück die einen eingespannten Zustand darstellende Wellenform, die dann zu einer automatischen Störungsanzeige ausgewertet werden kann.

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Außer dein Hauptanwendungsbereich zur Anzeige oder Steuerung des Überstandes des Zusatzwerkstoffes ist mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung auch eine Prüfung des Werkstückes vor Beginn der Schweißung möglich, indem beispielsweise der Abstand zwischen dem Brennermundstück und dem Werkstück bei nichteingeschaltetem Schweißlichbogen gemessen wird. Diese i'Iessung kann an verschiedenen Stellen wiederholt werden. Hierzu muß der Schweißdrahtvorschub umsteuerbar sein, und die i»ießmethode besteht, kurz gesagt, darin, daß der Schweißdraht vorgeschoben wird, bis er das Werkstück berührt, wonach der Schweißdrahtüberstand mittels der Einrichtung bestimmt wird. Die Berührung mit dem Werkstück kann beispielsweise elektrisch als Kontaktschließung oder durch Feststellen der Inversion des reflektierten Ultraschallimpulses festgestellt werden, welch letztere auftritt, wenn das freie Schweißdrahtende vom freien in den eingespannten Zustand übergeführt wird.

Eine weitere mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Regelung einer sich selbst steuernden Wellenbewegung. Wenn beispielsweise der Schweißbrenner quer über eine im Querschnitt V-förmige Schweißverbindung bewegt wird, schwankt die klebefreie Überstandslänge des Zusatzwerkstoffes mit dem Profil der Schweißverbindung.

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Durch Einstellen einer stetigen Vorwärtsbewegung und jeweils einer Umkehr der Querbewegung zur Schweißverbindung bei Abnahme der Oberstandslänge auf einen vorgegebenen Wert kann eine wellenförmige Bewegung erzeugt werden. Bei dieser Wellenbewegung stellt sich die Wellenamplitude selbst ein, so daß anfängliche Ausrichtungsfehler und Wärmeverzug ausgeglichen werden. Die Höhe des Schweißkopfes über der Schweißverbindung kann ebenfalls aufgrund des überstandsüberwachungssignals geregelt werden.

Es können verschiedenartige Wellenbewegungen Anwendung finden. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Schweißstrom während eines Teils des Wellenzyklus auf einen niedrigeren Wert zu reduzieren, bei welchem der Lichtbogen zwar noch aufrechterhalten, der Elektrodendraht jedoch nicht abgeschmolzen wird. Dies ermöglicht eine Messung des Abstands zwischen dem Schweißbrenner und dem Werkstück an Stellen, an denen kein Zusatz werkstoff aufgetragen werden soll. Beispielsweise kann der Vorwärtsbewegung längs der Schweißnaht eine kreisförmige Lichtbogenbewegung überlagert werden, entweder durch mechanisches Drehen des Schweißbrenners oder durch magnetisches Führen des Lichtbogens auf einer Kreisbahn. Diese Kreisbahn kann so groß sein, daß die Kanten der

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Schweißverbindung überquert werden, und die Mittellinie der Brennervorwärtsbewegung kann aufgrund der so gewonnenen Information jeweils korrigiert werden. V/eitere zusammengesetzte Wellenbewegungen können zu ähnlichen Zwecken angewandt werden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit, bei welcher das Profil der Schweißverbindung vermessen werden kann, ist dort gegeben, wo eine Mehrzahl von Zusatzwerkstoffdrähten oder dergl. gleichzeitig durch einzelne, an einem einzigen Schweißkopf befestigte Brenner zugeführt wird. Jedem Schweißdraht ist eine Einrichtung zur uberstandsüberwachung zugeordnet und die so erhaltenen Informationen können dann sowohl zur genauen Positionierung des Schweißkopfes als auch zur Steuerung der Tätigkeit jedes einzelnen Brenners ausgewertet werden.

Die Regelung des Drahtüberstandes ist insbesondere bei Konstantstromspeisung wichtig, da bei dieser Betriebsweise die bei anderen Betriebsweisen, beispielsweise bei Konstantspannungsspeisung, normalerweise stattfindende Selbstregelung des Lichtbogens fehlt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch für eine Anwendung beim Wolfram-Inertgas-Schweißen abgewandelt

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werden, bei welchem ein Lichtbogen zwischen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode und dem Werkstück erzeugt und ein abschmelzender Zusatzwerkstoff kontinuierlich zugeführt und in die Schmelze abgeschmolzen wird. Die überwachung des Überstandes des Zusatzwerkstoffdrahtes über die Spitze der sich nicht verbrauchenden Elektrode Kann beispielsweise zum Peststellen eines Störungszustandes nützlich sein, der auftritt, wenn beispielsweise der Zusatzwerkstoffdraht von der Schmelze weg fehlgeleitet wird, was dann zu einer beträchtlichen Überstands länge des Schweißdrahtes führt. Eine frühzeitige Feststellung eines übergroßen Überstandes kann diesen Zustand verhindern, da dann eine schnelle manuelle oder automatische Unterbrechung des Schweißvorgangs möglich ist.

Die Erfindung kann auch in Verbindung mit automatischem Lichtbogenschweißen unter Verwendung einer sich verbrauchenden otabelektrode vorteilhaft Anwendung finden, um die jeweilige Stab länge während des Abschmelzens zu überwachen, so daß der Elektrodenstab zu gegebener Zeit jeweils automatisch, beispielsweise aus einem Magazin, ersetzt werden kann.

Es sind auch von den beschriebenen Anordnungen der Jende-, Empfangs- und Vormagnetisierungsspulen 14, 15 und abweichende Anordnungen denkbar. In manchen Fällen kann

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es zweckmäßig sein, eine einzige Spule gleichzeitig als Sende- und Empfangsspule zu verwenden, und in diesem Falle wäre es wichtig, einen Signalbegrenzer zürn Schutz des Verstärkers gegen überlastung vorzusehen. Eine v/eitere zweckmäßige Wöglichkeit wäre die Verwendung einer solchen einzigen Spule gleichzeitig als Vormagnetisierungsspule. In diesem Falle kann ein auszusendender Ultraschallinpuls dadurch erzeugt werden, daß die Spule anstatt mit einem Impuls durch einen; Stromschritt aus einer Konstantstromquelle mit hoher Impedanz beaufschlagt wird. Der steile Stromanstieg bewirkt eine übertragung eines ültraschallimpulses auf den Schweißdraht, und der Spulenstrom wird dann konstant gehalten, bis der reflektierte Ultraschallimpuls die Spule durchläuft und in dieser einen Spannungsimpuls induziert. In diesem Fall erzeugt der Spulenstrom die gewünschte Vormagnetisierung. Der Spulenstrom wird dann wieder auf den ^e rt Null herabgesetzt, bevor ein weiterer Stromschritt zwecks Aussendung eines weiteren Ultraschallimpulses erzeugt wird.

B]s ist keineswegs unbedingt erforderlich, uaß die Sendespule oder ein sonstiges Organ zur Erzeu₆ung eines Ultraschallimpulses in der Nähe der Empfangsspule oder des Schweißbrenners angeordnet ist. Der Ultraschallimpuls kann an jeder beliebigen Stelle längs des Drahtes auf diesen übertragen werden, beispielsweise in der Versorgungs-

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einheit 7. Es ist jedoch zur genauen überwachung wünschenswert, daß die Weglänge von der Sendestelle zur Empfangsstelle im Verhältnis zu dem zu überwachenden überstand nicht übermäßig groß ist.

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eerseite

Claims

Patentansprüche

f IJ Einrichtung zur überwachung des Überstandes eines draht-, stab- oder bandförmigen Zusatzwerkstoff körpers über das Mundstück bzw. das wirksame Ende eines Lichtbogen-Schweißbrenners, gekennzeichnet durch Mittel (14, 40, 41) zum Aussenden eines Ultraschallimpulses längs des Zusatzwerkstoff körpers (2), weiter durch Mttel (17, 69) zur Erzeugung eines ersten Signals beim Durchgang des ausgesandten Ultraschallimpulses an einer ersten, mit festem Abstand vom Mundstück des Lichtbogen-Scnweißbrenners gelegenen Stelle, ferner durch Mittel (15, 42, 43) zur Erzeugung eines zweiten Signals beim Durchgang des am freien Ende des Zusatzwerkstoffkörpers reflektierten Ultraschallimpulses an einer zweiten Stelle, die einen festen Abstand von der genannten ersten Stelle hat, und durch in Abhängigkeit von dem Zeitintervall zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal arbeitende Mittel (23, 67) zur Anzeige oder Steuerung der Größe des genannten Überstandes (11).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die genannten Mittel zum Aussenden des Ultraschallimpulses eine Sendespule (14, 40, 4l) enthalten.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

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i'üttel (16, 45) zur Erzeugung einer Vormagnetisierung im Bereich der Sendespule.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die i'üttel zur Erzeugung des ersten Signals und zur Erzeugung des zweiten Signals jeweils einen magnetostriktiven oder magnetoelastischen Wandler (15, 42, 43) aufweisen.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel eine Empfangsspule (15» 42, 43) aufweisen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durcn Mittel (16, 45) zur Erzeugung einer Vormagnetisierung im Bereich der Empfängerspule.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aussenden des Ultraschallimpulses einen Piezokristall (29, 30) aufweisen.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Piezokristall (29, 30) jeweils in einem Halter (33, 34) montiert sind, daß weiter die beiden Halter elastisch zueinander hin vorgespannt sind und die beiden Kristalle

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jeweils eine scharfe Kontaktkante (31. 32) aufweisen, land daß die zueinander hin weisenden Kontaktkanten der beiden Kristalle zwischen sich den Zusatzwerkstoffkörper aufnehmen.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aussenden des Ultraschallimpulses einen Impulsgeber (69) zur Erzeugung eines elektrischen Impulses, eine erste Sendespule (4) und eine mit Abstand davon angeordnete zweite Sendespule (4l) sowie eine direkte Verbindung zwischen dem Impulsgeber und der ersten Sendespule und eine ein Verzögerungsglied (77) enthaltende Verbindung zwischen dem Impulsgeber und der zweiten Sendespule aufweisen.
10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des genannten zweiten Signals eine erste Empfangsspule (75) und eine mit Abstand davon angeordnete zweite Empfangsspule (76), ein Addierglied (63), eine direkte Verbindung zwischen der ersten Empfangsspule und dem Addierglied und eine ein Verzögerungsglied (6l) enthaltende Verbindung zwischen der zweiten Empfangsspule und dem Addier glied aufweisen.

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11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen zwei Stellungen aufweisenden Schalter (72), einen mittels des Schalters steuerbaren Zeitmesser (67) und eine Verbindung zwischen dem Impulsgeber (69) und dem Schalter zwecks Zuführens des genannten elektrischen Impulses zum Starten des Zeitmessers, weiter durch einen Speicher (68) zum Speichern eines vorher erhaltenen, auf den genannten überstand bezogenen Meßwertes und einen Vergleicher (66), der das Ausgangssignal des Addierglieds (63) empfängt und jeweils nur dann ein Ausgangs signal abgibt, wenn das Addiergliedausgangssignal einen vorgegebenen Wert übersteigt, ferner durch eine Torschaltung (71)» deren Eingänge mit dem Vergleicher, dem Zeitmesser und dem Speicher verbunden sind und die jeweils nur dann ein das genannte zweite Signal darstellendes Aus gangs sign al abgibt, wenn gleichzeitig ein Ausgangs signal des Vergleichers, ein Signal des Zeitmessers, das angibt, daß die seit der Erzeugung des genannten ersten Signals vergangene Zeitspanne innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt, und ein Signal des Speichers anliegt, das angibt, daß die seit der Erzeugung des ersten Signals vergangene Zeitspanne um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert von dem bereits gespeicherten Meßwert abweicht, weiterhin durch eine Verbindung zwischen dem Torschaltungsausgang und dem Schalter zum Stoppen des Zeitmessers und durch eine Verbindung zwischen dem Zeitmesser und dem Speicher.

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