УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ГАЗА
DEVICE AND METHOD TO MEASURE PROTECTIVE GAS

Изобретение относится к устройству для анализа защитного газа, используемого в процессе дуговой сварки путем измерения, по меньшей мере, одного из свойств защитного газа после его выхода из газового сопла горелки.
Изобретение относится также к способу анализа защитного газа, используемого в процессе дуговой сварки, включающему измерение одного из свойств защитного газа после его выхода из газового сопла горелки.
Из уровня техники уже известны публикации, описывающие измерение защитного газа.
Так, в DD 251305 А1 описано измерение защитного газа в отношении его защитного действия на дугу в процессе сварки, причем на основе результатов измерений обеспечиваются стабилизация процесса сварки и качество. При этом недостаток заключается в том, что не происходит точной оценки свойств защитного газа, поскольку условия защитного газа определяются на основе отклонений параметров путем измерения значений тока и напряжения.
Измерение защитного газа может осуществляться также с помощью цветного индикатора, как это описано в DD 239744 А1. При этом цветной индикатор изменяет свой цвет в соответствии с содержанием кислорода в газе. Недостаток заключается в том, что результата измерения приходится ждать относительно долго. Также требуется замена цветного индикатора после каждого измерения.
В DE 2601251 А1 описано измерение защитного действия газовой оболочки путем измерения концентрации оксида азота (NO). Для этого газ для анализа отсасывается из гильзы вокруг газового сопла с помощью отсасывающего насоса. Такой отсасывающий насос и соответствующие компоненты ухудшают доступность к газовой горелке. Недостаток также в том, что такой способ измерения приводит к повышению расхода газа, в результате чего возрастают также издержки. Кроме того, в окружении газозащитной зоны обнаруживается только созданная дугой концентрация NO, из-за чего информативность измерения очень низкая. Это обусловлено тем, что концентрация NO зависит от нескольких параметров сварки, таких как длина дуги, сварочный ток и т.д., которые при измерении не учитываются.
В JP 9076062 А описан способ сварки, при котором измеряется концентрация кислорода вблизи места сварки во избежание дефектов сварки. Способ применяется при сварке труб, причем между свариваемыми трубами помещается кольцо, а через радиальное отверстие в нем вставляется датчик для измерения концентрации кислорода в инертном газе.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы определять защитное действие защитного газа быстро, точно и близко к практике и соответственно эффективно оценивать его. Недостатки уровня техники должны быть устранены или, по меньшей мере, уменьшены.
Эта задача решена посредством устройства для анализа защитного газа, используемого в процессе дуговой сварки путем измерения, по меньшей мере, одного из свойств защитного газа после его выхода из газового сопла горелки, содержащего, по меньшей мере, один датчик измерения, по меньшей мере, одного из свойств защитного газа, такого как содержание кислорода, содержание азота, содержание диоксида углерода, температура, скорость выхода, влагосодержание, давление, плотность, массовый расход или объемный поток, изменение которого характеризует износ изнашивающихся частей горелки, и соединенный с датчиком блок обработки результатов измерений, выполненный с возможностью сравнения эталонного значения с текущим измеренным значением.
Это обеспечивает для дальнейшего применения крайне реалистичные результаты измерений. Также предпочтительно, что измерительное устройство не подвержено воздействию процесса сварки, благодаря чему опасность его загрязнения и/или повреждения очень мала. За счет связи, по меньшей мере, одного датчика с блоком обработки, а через него - со сварочным аппаратом, можно на основе результатов измерений оптимально согласовать свойства газа для последующих процессов сварки. Также можно согласовать с данными условиями подачу количества газа, при этом в распоряжение предоставляется точное количество требуемого защитного газа. За счет этого сокращаются также затраты на газ.
Предпочтительно, по меньшей мере, один датчик предназначен для измерения, по меньшей мере, одного свойства защитного газа. За счет этого можно судить об ожидаемом качестве сварных швов.
При этом, по меньшей мере, один датчик может быть выполнен в виде кислородного датчика.
Если измерительное устройство, по меньшей мере, с одним датчиком для измерения защитного газа комбинировано с устройством для очистки изнашивающихся частей горелки, в перерывах в процессе сварки требуется проходить только одну станцию, благодаря чему можно сэкономить время.
Предпочтительно также, если, по меньшей мере, один датчик расположен в измерительном устройстве с возможностью изменения своего положения, поскольку за счет этого можно моделировать различные положения сварного шва и в соответствии с деталью имитировать контуры детали (угловой шов, вертикальный шов, потолочный шов и т.д.). Этим можно реализовать еще более точное сравнение со сваркой на практике.
Если предусмотрено посадочное устройство для размещения, по меньшей мере, одного датчика, то можно проще автоматизировать измерение защитного газа и за счет этого получить еще более точные результаты измерений. Этим можно учитывать внешние влияния в зоне сварного шва, такие как тяга воздуха или обусловленные конструктивным элементом допуски газового потока.
При этом посадочное устройство может, предпочтительно, размещаться на сварочной горелке, в результате чего измерение защитного газа происходит вдоль фактического контура детали.
Если посадочное устройство содержит запоминающее устройство для хранения результатов измерений, а запоминающее устройство при возврате посадочного устройства в измерительное устройство соединено с блоком обработки, то результаты измерений могут автоматически переноситься в блок обработки.
Это может происходить также за счет того, что посадочное устройство содержит радиомодуль для беспроводной передачи результатов измерений в блок обработки.
Предпочтительным является то, что посадочное устройство согласовано с расстоянием между сварочной горелкой и деталью, как в процессе сварки.
Если вокруг, по меньшей мере, одного датчика расположено в основном кругообразное, направляющее сжатый воздух устройство, то датчик может автоматически очищаться сжатым воздухом. Таким образом можно реализовать простой и быстрый способ измерения свойств всей оболочки защитного газа, в частности ее краевой зоны.
При этом направляющее сжатый воздух устройство содержит, предпочтительно, пневмокамеру, снабженную соединительным элементом для сжатого воздуха.
Если направляющее сжатый воздух устройство содержит подвижное кольцо с выпускным отверстием, через которое сжатый воздух выходит из пневмокамеры под определенным давлением в направлении, по меньшей мере, одного датчика, то можно измерить краевую зону оболочки защитного газа, даже если горелка закреплена неподвижно, например, на ее салазках и не может совершать вращательного движения.
Если вокруг, по меньшей мере, одного датчика расположено, по меньшей мере, одно отсасывающее отверстие, которое связано с устройством для отсоса защитного газа, то в непосредственном окружении датчика не остается никаких остаточных газов, которые могли бы исказить результат измерения.
Если измерительное устройство снабжено крышкой, по меньшей мере, для одного датчика, то его можно защитить от загрязнения и избежать влияния загрязнения на результат измерения.
Кроме того, поставленная задача решена посредством способа анализа защитного газа, используемого в процессе дуговой сварки, включающего измерение одного из свойств защитного газа после его выхода из газового сопла горелки, при этом горелку позиционируют над измерительным устройством, по меньшей мере, с одним датчиком для измерения защитного газа на расстоянии от, по меньшей мере, одного датчика измерения, которое выбирают в основном равным расстоянию между горелкой и деталью в реальном процессе сварки, защитный газ выпускают из газового сопла, как в процессе сварки, и с помощью, по меньшей мере, одного датчика измеряют, по меньшей мере, одно свойство газа, изменение которого характеризует износ изнашивающихся частей горелки, такое как содержание кислорода, содержание азота, содержание диоксида углерода, температура, скорость выхода газа, влагосодержание, давление, плотность, массовый расход или объемный поток, и обрабатывают в соединенном с датчиком блоке обработки результатов измерений, при этом выход защитного газа из газового сопла и действие защитного газа моделируют, как в реальном процессе сварки. Это дает крайне реалистичные результаты измерений, которые могут очень быстро обрабатываться блоком обработки и предоставляться в распоряжение для дальнейшего применения, например, в сварочном аппарате.
Если действие защитного газа в центре оболочки определяется за счет измерения, по меньшей мере, одного свойства защитного газа, по меньшей мере, одним датчиком, то измерение осуществляется в той же точке оболочки, в которой на деталь попадает дуга.
При этом для измерения свойства газа центр датчика может позиционироваться по удлиненной оси горелки или проходящей в ней сварочной проволоки.
Предпочтительным является то, что действие защитного газа в краевой зоне оболочки определяют за счет измерения, по меньшей мере, одного свойства защитного газа, по меньшей мере, одним датчиком. Таким образом, можно определить распределение концентрации. Также возможно обнаружение односторонних загрязнений, возможно, не существенных или уже существенных для данного процесса сварки (направление сварки, положение сварки).
Для измерения свойства газа оболочка может определенным образом перемещаться сжатым воздухом, так что краевая зона оболочки перемещается через, по меньшей мере, один датчик. При этом сжатый воздух может выходить из выпускного отверстия, а давление может постепенно повышаться.
Также выходящий сжатый воздух может вращаться вокруг оболочки защитного газа, так что шаг за шагом весь ее участок перемещается, по меньшей мере, по одному датчику.
Также горелка может в основном кругообразно двигаться вокруг датчика, причем центр кругообразного движения образован положением датчика. При этом горелка может совершать вокруг датчика несколько кругообразных движений с разными радиусами.
Горелку, предпочтительно, перемещают в основном крестообразно вокруг датчика, положение которого является центром крестообразного движения.
Если же для каждого свойства защитного газа используется свой датчик, то можно достичь более точных результатов измерений, поскольку отдельные датчики могут быть точнее согласованы с измеряемым свойством.
При этом датчик может быть выполнен в виде кислородного датчика.
Если измерение свойств газа проводится после определенного числа сварных швов, то за счет периодических измерений между процессами сварки эти измерения не влияют на процесс сварки.
Также измерение может проводиться после очистки изнашивающихся частей горелки, что обеспечивает контроль или согласование свойств газа с последующим процессом сварки. Также качество действия защитного газа оценивается уже перед началом следующего процесса сварки.
Также измерение может проводиться до и после очистки изнашивающихся частей горелки, благодаря чему можно оценить качество очистки. При необходимости, производится повторная очистка или замена газового сопла.
Согласно другому признаку изобретения, фактически полученные свойства газа сравниваются со свойствами в запоминающем устройстве блока обработки в виде хранящихся в ней и согласованных с процессом сварки эталонных значений. За счет этого на сварочном аппарате можно произвести проверку установленных параметров защитного газа.
Предпочтительным образом данные между блоком обработки и сварочным аппаратом обмениваются, благодаря чему изменения свойств газа можно осуществлять на основе результатов измерений непосредственно после измерений, т.е. еще перед следующим процессом сварки.
Если полученные свойства газа сохраняются в блоке обработки после каждого измерения, что обеспечивает анализ тенденции, то можно получить целенаправленные данные о том, когда следует заменить изнашивающиеся части, например газовое сопло. Также за счет этого можно оценить, до какого состояния износа изнашивающиеся части могут быть еще эффективно использованы.
Если соединенное, по меньшей мере, с одним датчиком посадочное устройство размещается на сварочной горелке и сканируется фактический контур детали с расстоянием между сварочной горелкой и деталью, как в процессе сварки, то можно учесть внешние влияния в зоне сварного шва, такие как тяга воздуха или обусловленные конструктивным элементом допуски газового потока.
Предпочтительным образом контур детали сканируется со скоростью, как в процессе сварки. Это равносильно реальным условиям процесса сварки.
Если результаты измерений защитного газа сохраняются в запоминающем устройстве посадочного устройства, а при повторной установке посадочного устройства в измерительном устройстве результаты измерений автоматически передаются из этого запоминающего устройства в блок обработки или результаты передаются в блок обработки через расположенный в посадочном устройстве радиомодуль, то результаты блока обработки предоставляются в распоряжение в основном сразу же.
Предпочтительно, на основе результатов блока обработки автоматически дается заключение о качестве произведенных процессов сварки, и контролируется качество свойств газа для последующих процессов сварки. Предпочтительно при этом, что измерение свойств газа в измерительном устройстве очень близко к практике, благодаря чему может обеспечиваться очень высококачественная оценка свойств газа по отношению к сварному шву. Также предпочтительно, что с оценкой свойств газа точно анализируются свойства, непосредственно ответственные за качество сварного шва. Также предпочтительно, что на основе свойств газа можно оценить состояние изнашивающихся частей и что измерение свойств защитного газа возможно с его очень низким расходом. Предпочтительно также то, что не может возникнуть превышений предельных значений состава защитного газа.
Предпочтительным образом заключение о загрязнениях газового сопла дается автоматически путем измерения и оценки содержания кислорода в защитном газе. За счет этого без применения сложных оптических методов можно обнаружить степень загрязнения. Таким образом, производится замена или очистка изнашивающихся частей, если это действительно необходимо.
Далее заключение о применении корректного газового сопла после замены изнашивающихся частей может быть дано автоматически путем измерения и оценки, по меньшей мере, давления и скорости защитного газа. За счет этого обеспечивается постоянное качество.
Далее заключение о действии охлаждающего контура горелки может быть дано автоматически путем измерения температуры защитного газа. За счет этого горелка защищена от перегрева.
Если заключение о температуре шлангового пакета и горелки дается автоматически путем измерения температуры защитного газа, то горелка и шланговый пакет могут быть защищены от слишком высоких температур при запуске процесса сварки. Также это позволяет щадить изнашивающиеся части.
Если заключение о порах в свариваемом и сварном шве дается автоматически путем измерения влагосодержания защитного газа, то можно оценить, образовались ли поры или порообразование лежит в пределах допусков. Порообразование является качественным признаком сварного шва.
Заключение о дефектных компонентах защитного газа может осуществляться автоматически с помощью измерения их массового расхода. За счет этого можно обнаружить потерю газа и сократить издержки.
Изобретение более подробно поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - сварочная машина или сварочный аппарат;
фиг.2 - вид в перспективе устройства очистки с предложенным измерительным устройством;
фиг.3 - позиционирование сварочной горелки для измерения защитного газа;
фиг.4 - вид в перспективе устройства очистки с предложенным измерительным устройством и направляющим сжатый воздух устройством;
фиг.5 - детальный вид направляющего сжатый воздух устройства;
фиг.6 - позиционирование сварочной горелки для измерения защитного газа в направляющем сжатый воздух устройстве.
Следует учесть, что одинаковые детали в данном примере обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг.1 изображен сварочный аппарат 1 или сварочная установка для самых разных процессов или способов, например сварки методами: MIG - сварка плавящимся электродом в инертном газе, MAG - сварка плавящимся электродом в активном газе, WIG - сварка неплавящимся электродом в инертном газе, TIG - сварка неплавящимся электродом в активном газе, электродная сварка, двухэлектродная сварка, плазменная сварка или способы пайки и т.д.
2
Сварочный аппарат 1 содержит источник 2 тока с силовой частью 3, управляющее или регулирующее устройство 4 и приданное силовой части 3 и управляющему устройству 4 переключающее звено 5. Переключающее звено 5 и управляющее устройство 4 соединены с управляющим клапаном 6, который расположен в питающей линии 7 для газа 8, в частности защитного газа, например CO, гелия или аргона и т.п., между газовым баллоном 9 и сварочной горелкой 10.
С помощью управляющего устройства 4 можно управлять еще механизмом 11 подачи проволоки, используемым для сварки методом MIG/MAG, причем по питающей линии 12 присадочный материал или сварочная проволока 13 подается с барабана 14 или с рулона к зоне сварочной горелки 10. Следует учесть, что механизм 11 подачи проволоки можно интегрировать в сварочный аппарат 1, в частности в корпус, как это известно из уровня техники, а не выполнять его, как показано на фиг.1, в виде дополнительного аппарата.
Возможно также, чтобы механизм 11 подавал сварочную проволоку 13 или присадочный материал к месту процесса за пределами сварочной горелки 10, причем для этого в сварочной горелке 10 предпочтительно установлен неплавящийся электрод, как это принято при сварке методом WIG/TIG.
Ток для образования дуги 15, в частности рабочей дуги, между неплавящимся электродом (не показан) и деталью 16 подается к сварочной горелке 10, в частности электроду, по сварочному кабелю 17 от силовой части 3 источника 2, причем свариваемая деталь 16, образованная несколькими частями, посредством дополнительного сварочного провода 18 также соединена со сварочным аппаратом 1, в частности источником 2 тока, и тем самым за счет дуги 15 или образованной плазменной струи для процесса может быть создана цепь тока.
Для охлаждения сварочной горелки 10 она может быть соединена посредством охлаждающего контура 19 через реле 20 потока с резервуаром для жидкости, в частности резервуаром 21 для воды, в результате чего при приведении в действие сварочной горелки 10 включается охлаждающий контур 19, в частности жидкостный насос, используемый для находящейся в резервуаре 21 жидкости, и тем самым может быть вызвано охлаждение сварочной горелки 10.
Сварочный аппарат 1 содержит устройство 22 ввода и/или вывода, посредством которого могут устанавливаться и вызываться самые разные параметры сварки, режимы работы или сварочные программы сварочного аппарата 1. При этом установленные посредством устройства 22 ввода и/или вывода параметры сварки, режимы работы или сварочные программы передаются на управляющее устройство 4, которое затем управляет отдельными компонентами сварочной установки или сварочного аппарата 1 или задает соответствующие заданные значения для регулирования или управления.
Сварочная горелка 10 посредством шлангового пакета 23 соединена со сварочным аппаратом 1 или сварочной установкой. В шланговом пакете 23 расположены отдельные кабели, проходящие от сварочного аппарата 1 к сварочной горелке 10. Шланговый пакет 23 соединяется посредством соединительного устройства 24 со сварочной горелкой 10, а отдельные кабели в шланговом пакете 23 соединены с отдельными контактами сварочного аппарата 1 посредством присоединительных втулок или штепсельных соединений. Чтобы обеспечить соответствующее уменьшение действующего на шланговый пакет 23 растягивающего усилия, он соединен с корпусом 26, в частности основным корпусом сварочного аппарата 1, посредством устройства 25 для уменьшения растягивающего усилия. Разумеется, также можно использовать соединительное устройство 24 также для соединения со сварочным аппаратом 1.
Для различных процессов сварки или сварочных аппаратов 1, например аппаратов для сварки методом WIG, методом MIG/MAG или плазменным методом, необязательно использовать все вышеназванные компоненты. Например, можно выполнить сварочную горелку 10 в виде воздухоохлаждаемой сварочной горелки 10.
Сварочная горелка 10 содержит газовое сопло 27, которое окружает электрод 13 и из которого в процессе сварки постоянно выходит защитный газ 8. За счет этого вокруг дуги 15 непрерывно создается оболочка 28 защитного газа, при этом дуга 15 и расплавленный участок металла детали 16 могут быть изолированы от внешней атмосферы 29. Этим достигается то, что кислород воздуха или окружающий воздух в процессе сварки удерживаются на расстоянии от сварного шва и тем самым жидкий металл под дугой 15 защищен от окисления, что ослабило бы сварной шов. Результатом сварки в защитном газе является очень высококачественный сварной шов. Для этого обычно количество выходящего защитного газа 8 регулируется оператором или сварщиком исключительно количественно и по опыту, или регулировка основывается на сведениях в руководстве по эксплуатации, и, таким образом, можно создать достаточно хорошую оболочку 28 защитного газа для дуги 15. Степень, с которой дуга 15 и расплавленный участок металла изолируются от внешней атмосферы 29, изменяется в зависимости от количества выходящего защитного газа, а также от состояния и вида, как выходит защитный газ 8 или как выглядит его распределение при выходе из газового сопла 27. На практике на распределение защитного газа 8 часто негативно влияют приставшие к газовому соплу брызги, возникающие при сварке, или грязь, поскольку из-за этого в оболочку 28 защитного газа попадает больше окружающего воздуха, что ухудшает качество сварного шва. Поэтому для качества процесса сварки предпочтительно измерять содержание кислорода в защитном газе 8.
Согласно изобретению, измерение защитного газа осуществляется посредством, по меньшей мере, одного расположенного в измерительном устройстве 30 датчика 31. Для этого датчик 31 может быть выполнен таким образом, что он регистрирует свойства защитного газа 8, например содержание кислорода, и направляет дальше для обработки на соответствующий блок 32 обработки.
Предпочтительно измерительное устройство 30 интегрируется во внешнее устройство 33 очистки на фиг.2, так что, по меньшей мере, один датчик 31 расположен в нем. Устройство 33 очистки может быть образовано также сервисной станцией и т.п. для сварочной горелки 10 или интегрировано в нее. За счет такого объединения сокращаются перерывы в процессе сварки для так называемых сервисных интервалов, поскольку требуется проходить только одну станцию, например, с помощью робота.
Устройство 33 предназначено для очистки сварочной горелки 10, причем в первую очередь очищаются ее изнашивающиеся части, в частности газовое сопло 27. Устройство 33 может содержать ванну 35 для очищающей жидкости, в которую погружается сварочная горелка 10 для охлаждения приставших с ней металлических брызг. Рядом с ванной 35 может быть расположен резервуар 34 для доливки, посредством которого ванна 35 может снабжаться жидкостью. За ванной 35 размещена катушка 36 с отверстием 37. В отверстие 37 катушки 36 сварочная горелка 10 помещается после погружения в ванну 35. После подачи к катушке 36 электрического тока металлические брызги удаляются со сварочной горелки 10 бесконтактным путем. Загрязнения падают в расположенный под катушкой 36 сборник (не показан). Поскольку такое устройство 33 уже известно из уровня техники, оно подробно не описано.
Согласно изобретению, устройство 33 дополнено, по меньшей мере, одним датчиком 31 для измерения свойств защитного газа 8, таких как примесь воздуха, температура, скорость течения, давление, влажность или вообще состав. Это имеет то преимущество, что дополнительно к обычно и периодически проводимой очистке горелки и сопла измеряются также свойства защитного газа 8. На основе этого измерения можно затем предпочтительно определить, какого качества последующих свариваемых швов следует ожидать или какое качество имеют уже сваренные швы. Например, такое измерение и такая очистка производятся после определенного числа сварных швов, например 10-40, после определенного расхода сварочной проволоки, например 50-100 м, и т.д. Таким образом, речь при этом идет о так называемом измерении защитного газа в режиме «оф-лайн». Поскольку, однако, измерение и очистка производятся в пределах одного цикла процесса, можно вполне говорить о так называемом измерении защитного газа в режиме «он-лайн». Дополнительно необходимое для измерения время, составляющее 2-10 с, зависит, главным образом, от числа измеряемых свойств защитного газа на каждый процесс измерения. Чтобы измерение в основном соответствовало условиям, господствующим в процессе сварки, сварочная горелка 10 позиционируется над датчиком 31 в основном так, что между ними возникает расстояние 38, которое соответствует расстоянию между деталью 16 и сварочной горелкой 10 (фиг.3). Для этого сварочная горелка 10 расположена в основном перпендикулярно датчику 31, причем сварочная проволока 13 расположена точно над центром датчика 31. За счет этого датчик 31 измеряет свойства защитного газа 8 точно там, где в процессе сварки дуга 15 попадает на деталь 16. Это достигается посредством того, что поверхность 39 измерительного устройства 30 образует с датчиком 31 одну плоскость. Кроме того, для измерения из газового сопла 27 выходит точно такое количество газа, которое использовалось для сваренных последними швов и которое используется для последующих свариваемых швов. Таким образом, можно точно проверить, было ли обеспечено требуемое защитное действие защитного газа 8 для дуги 15 в отношении используемой горелки или используемого газового сопла 27 или обеспечено ли оно для последующих свариваемых швов. Для этого датчик 31 соответственно калибруется.
Предпочтительно перед очисткой сварочной горелки проводится измерение содержания кислорода в оболочке 28 защитного газа, так что отнимающая большее время очистка осуществляется только при необходимости. Например, для измерения примеси воздуха или содержания кислорода в защитном газе 8 можно использовать обычный кислородный датчик. Если в процессе измерений блок 32 обработки обнаружит слишком большое содержание кислорода, а это означает отсутствие защитного действия, то очистка газового сопла 27 осуществляется предпочтительно так, как это описано выше. Она необходима, поскольку из-за приставших к газовому соплу 27 брызг, возникающих при сварке, в выходящем газовом потоке возникают завихрения, в результате чего кислород воздуха проникает в оболочку 28 защитного газа. При очистке приставшие к внутренней стороне газового сопла 27 брызги или кольцо из брызг отделяются/отделяется, так что они/оно больше не вызывают/вызывает завихрений в выходящем газе 8. Это значит, что в оболочку 28 защитного газа больше не попадает кислород воздуха, благодаря чему защитное действие для дуги 15 и в дальнейшем качество сварного шва снова отвечают требованиям. После очистки можно, например, еще раз провести измерение содержания кислорода, так что можно оценить результат очистки. Если он удовлетворительный, то можно без сомнения производить последующие процессы сварки. Если же результат очистки не отвечает требованиям, то можно снова осуществить очистку с последующим контрольным измерением. Это чередование очистки и последующего контрольного измерения может происходить, например, определенное число раз. Если же это чередование не приводит к удовлетворительному результату, то газовое сопло 27 необходимо заменить вручную. В автоматических сварочных системах причиной может быть также смещенный центр инструмента, как это более подробно описано ниже. За счет измерения содержания кислорода в оболочке 28 защитного газа можно, таким образом, судить о степени загрязнения газового сопла 27.
Посредством датчика 31 можно измерить не только содержание кислорода, но и температуру газа 8, скорость его выхода, влагосодержание, давление, плотность, массовый расход или объемный поток, массовое содержание какого-либо компонента и т.д. В целом за счет измерения защитного газа можно судить о качестве сварного шва или предсказать его. Это качество зависит от нескольких факторов, таких как охлаждение горелки 10 или подвод защитного газа 8. Какое влияние эти отдельные факторы оказывают на качество сварного шва, можно проконтролировать также за счет измерения отдельных свойств защитного газа.
За счет измерения температуры защитного газа можно судить об охлаждающем действии горелки 10. При слишком высокой измеренной температуре защитного газа требуемое охлаждающее действие отсутствует, поэтому дальнейшую сварку больше производить нельзя. Следовательно, этот контроль обеспечивает также проверку функции всех компонентов охлаждающего контура (насос, трубопроводы и т.д.). Предпочтительно сварщику сообщается о дефекте, или он соответственно отображается на устройстве 22 ввода и/или вывода, так что дефект в охлаждающем контуре может быть устранен, причем, при необходимости, могут потребоваться еще дополнительные измерения для локализации дефекта.
Также за счет измеренного влагосодержания в защитном газе 8 можно судить о количестве или частоте пор в сварном шве. Для этого в блоке 32 обработки или в управляющем устройстве 4 сварочного аппарата предпочтительно хранятся соответствующие эталонные значения, так что можно оценить, допустимо ли измеренное влагосодержание в соответствии с требованиями.
По измерению скорости выхода или распределения скорости можно судить о состоянии распределительных отверстий, которые распределяют защитный газ 8 при входе в газовое сопло 27. Причиной изменения скорости выхода часто являются приставшие к газовому соплу брызги или другие загрязнения, которые ухудшают защитное действие для дуги 15.
Также за счет измерения отдельных свойств защитного газа можно проконтролировать, установлено ли на сварочной горелке 10 нужное газовое сопло 27 в соответствии с применением или было ли используемое газовое сопло 27 повреждено, например, во время сварки в результате удара. Это определяется предпочтительно на основе измерений, по меньшей мере, давления и скорости газа, которые описывают непосредственно характер выхода защитного газа 8 из газового сопла 27. Это важно, в частности, для разных положений сварного шва, поскольку геометрические параметры газового сопла 27, такие как диаметр и длина, определяют защитное действие для дуги 15.
За счет измерения свойств защитного газа 8 также простым образом можно измерить его состав. Этим можно проконтролировать, был ли использован или используется ли для сваренных или последующих свариваемых швов также требуемый состав защитного газа 8. В соответствии с этим можно также измерить релевантные для защитного действия газы, такие как диоксид углерода, азот, аргон, гелий и т.д.
Задачей оболочки 28 защитного газа является также защита непосредственного окружения дуги 15 от окружающего воздуха, с тем чтобы сварочная ванна не могла окислиться. По этой причине распределение защитного газа 8, т.е. его поведение при выходе из газового сопла 27, также имеет значение.
Выше говорилось о том, как свойства газа измеряются в точке попадания дуги 15 на деталь 16. Чтобы измерить, например, также содержание кислорода во внешней или краевой зоне оболочки 28 защитного газа, возможны следующие варианты.
Например, несколько датчиков 31 могут быть расположены так, чтобы можно было измерить одновременно всю оболочку 28 защитного газа. Однако предпочтительно с помощью закрепленной на роботе горелки 10 совершаются определенные движения вокруг одного датчика 31. Это может осуществляться, например, за счет вертикального и горизонтального движений, которые пересекаются у датчика 31, или по кривой вокруг него. Датчик 31 образует, например, центр окружности, причем после каждого полного оборота вокруг него радиус увеличивается, пока не будут определены свойства газа во всей защитной оболочке 28.
Другой возможностью измерения краевой зоны оболочки 28 защитного газа является использование направляющего сжатый воздух устройства 42, представленного на фиг.4-6. Оно вызывает целенаправленное смещение оболочки 28 защитного газа сжатым воздухом 43, при этом неподвижно закрепленным в измерительном устройстве 30 датчиком 31 можно измерить действие краевой зоны защитной оболочки 28. Так, краевая зона оболочки 28 защитного газа может быть предпочтительно измерена горелкой 10 или газовым соплом 27, которые не могут совершать вращательных движений, как, например, так называемые салазки горелки. Для этого направляющее сжатый воздух устройство 42 образовано кругообразным корпусом 44, пневмокамерой 45 и подвижным кольцом 46 с выпускным отверстием 47. В пневмокамеру 45, которая ограничена снаружи корпусом 44, а внутри - кольцом 46, сжатый воздух 43 подается по соответствующему соединительному элементу 48, при этом преобладает определенное давление. Через выпускное отверстие 47 сжатый воздух 43 выходит под определенным давлением, так что оболочка 28 защитного газа соответственно смещается. Предпочтительно выход сжатого воздуха 43 регулируется интегрированным в выпускное отверстие 47 клапаном. Чтобы можно было, например, сформировать профиль распределения кислорода в оболочке 28 защитного газа, кольцо 46 установлено с возможностью вращения. В результате этого выпускное отверстие 47 вращается вокруг оболочки 28 защитного газа, так что содержание кислорода на каждом ее участке можно определить посредством неподвижно установленного датчика 31. При этом требуется постепенно повышать давление в пневмокамере 45, так что краевая зона оболочки 28 защитного газа шаг за шагом смещается по датчику 31. Вращение кольца 46 осуществляется при этом предпочтительно посредством электродвигателя (не показан). Таким образом, скорость вращения кольца 46 или выпускного отверстия 47 можно точно согласовать с давлением выхода сжатого воздуха 43, причем давление выхода зависит от скорости выхода газа 8. Эти взаимосвязи хранятся в блоке 32 обработки в соответствии с типом сварочной горелки 10 и газового сопла 27.
Благодаря таким мерам достигается то, что свойства газа можно измерять на всей площади, которая возникает при попадании защитной оболочки 28 на деталь 16 и тем самым образует защитную зону для сварочной ванны сварного шва. Таким образом, можно обнаружить, например, также загрязнения, имеющиеся в газовом сопле 27 только с одной стороны. Поэтому такие загрязнения можно обнаружить только за счет съемки профиля, например распределения кислорода. При измерении среднего значения концентрации кислорода в защитной оболочке 28 одностороннее загрязнение с высокой вероятностью не было бы обнаружено.
Все результаты измерений сохраняются в блоке 32 обработки или в управляющем устройстве 4, так что значения, распределения и профили оболочки 28 защитного газа или ее свойства имеются в распоряжении для последующего сравнения. Также могут храниться эталонные значения всех свойств защитного газа, так что может происходить непосредственная проверка измерения. Благодаря хранению этих данных можно также произвести так называемый анализ тенденции. Это означает наблюдение за изменением защитной оболочки 28 по мере увеличения срока эксплуатации газового сопла 27. На основе этих результатов с помощью действия защитной оболочки 28 можно тогда оптимизировать, например, цикл очистки горелки 10 или газового сопла 27. Это значит, что число швов, которые можно сварить с помощью очищенного газового сопла 27, повышается, например, приблизительно с 10 до 15.
Результаты измерений предпочтительно учитываются также непосредственно для установления параметров сварки, например, таким образом, что состав защитного газа 8 сравнивается с установленным на сварочном аппарате 1 составом. Таким образом, можно сравнить с установленными значениями или скорректировать также расход газа, скорость выхода и т.д. Это предпочтительно, в частности, в случае использования новых изнашивающихся частей, таких как газовое сопло 27, контактная труба 40 и т.д. Следовательно, можно заранее, как уже было упомянуто, обнаружить и устранить дефекты в защитной оболочке 28, а также дефекты, о которых можно судить на основе измерений, при этом качество сварного шва не ухудшается.
Чтобы можно было измерить большое число свойств защитного газа, на практике используются в основном несколько датчиков 31. Это значит, что в основном каждым датчиком 31 измеряется соответствующее свойство. Это происходит, например, таким образом, что датчик 31 после измерения свойства защитного газа автоматически заменяется. Для этого, например, пять датчиков 31 закреплены на колесе (не показано), которое совершает вращательное движение, чтобы переместить соответствующий датчик 31 в то положение, в котором он находится в месте падения дуги 15.
Другая возможность одновременной регистрации нескольких измеренных значений может быть реализована также за счет того, что необходимые датчики 31 расположены в полости под поверхностью 39 измерительного устройства 30. Эта полость расположена предпочтительно вместо изображенного на фиг.3 датчика 31, причем она имеет одно или несколько отверстий в направлении точки падения дуги 15. Через эти отверстия падающий газ 8 поступает к отдельным датчикам 31, которые затем измеряют отдельные свойства защитного газа.
В качестве альтернативы этому измерение отдельных свойств защитного газа (содержание кислорода, температура, влажность, давление и т.д.) может проводиться также одним датчиком 31, который может регистрировать одновременно все свойства защитного газа.
Чтобы получить точные для моделируемого положения сварного шва результаты измерений, в измерительном устройстве 30 могут содержаться, например, подвижные части. Они могут двигаться тогда автоматически предпочтительно таким образом, что возникает моделируемое положение сварного шва, например углового. В соответствии с этим движется также датчик 31, при этом он находится точно на удлиненной оси 41 электрода 13 или сварочной проволоки 13. Это имеет место также в случае описанных выше измерений. Поскольку, однако, результаты измерений почти не отличаются, если сварочная горелка 10 в основном перпендикулярна поверхности 39, этот способ больше подходит для применения на практике. Это объясняется также тем, что он может быть реализован с существенно меньшими затратами и потому более рентабелен.
Чтобы получить еще более точные результаты измерений или результаты измерений, согласованные с окружающими условиями свариваемой детали 16, измерительное устройство 30 может дополнительно содержать посадочное устройство (не показано) для датчика 31. Это значит, что сварочная горелка 10 выполнена с возможностью размещения и фиксации посадочного устройства, предпочтительно автоматически, причем затем датчик 31 размещается и фиксируется посадочным устройством. Для этого датчик 31 установлен в соответствующем держателе посредством посадочного устройства.
Этот способ имеет, в частности, то преимущество, что посадочное устройство может быть согласовано с расстоянием между сварочной горелкой 10 и деталью 16, как в данном процессе сварки, путем позиционирования в измерительном устройстве 30, например, нескольких посадочных устройств разной длины. Разумеется, длина посадочного устройства может также варьироваться путем соответствующего выбора положения закрепления на горелке 10.
После закрепления датчика 31 на сварочной горелке 10 для измерения свойств газа свариваемый шов может быть обведен вдоль этого контура. При этом выпускается защитный газ 8, чтобы можно было измерить, как уже указано, требуемые свойства. Полученные результаты измерений весьма информативны благодаря реалистичным условиям измерений, поскольку для оценки качества учтены дополнительные факторы, такие как тяга воздуха или обусловленные конструктивным элементом допуски газового потока. Эти факторы могут быть моделированы в измерительном устройстве 30, причем такая имитация реалистичных условий измерений означала бы большие затраты.
В зависимости от выполнения посадочного устройства результаты измерений могут либо временно храниться в нем, либо передаваться на блок 32 обработки непосредственно через радиомодуль. В случае временного хранения в посадочное устройство соответственно интегрировано запоминающее устройство. После сканирования контура или контуров детали датчик 31 и посадочное устройство снова размещаются на устройстве 33 очистки. Чтобы результаты измерений можно было вызвать из запоминающего устройства, при размещении посадочного устройства создается связь с блоком 32 обработки. При этом связь для передачи результатов измерений может осуществляться всеми известными из уровня техники способами.
Поскольку измерительное устройство 30 расположено извне, например в устройстве 33 очистки, предпочтительны соответствующие меры против загрязнения, в частности, датчика 31. Это осуществляется предпочтительно за счет крышки, которая после измерения автоматически закрывает датчик 31, защищая его от пыли, брызг и т.д. Например, крышка выполнена в виде стекла, которое за счет вращательного движения закрывает датчик 31 и снова открывает его для измерения. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения с направляющим сжатый воздух устройством 42 датчик 31 может закрываться, например, крышкой на корпусе 44.
Поскольку датчик 31 используется для измерений лишь периодически, перерывы могут использоваться в целях его очистки. Предпочтительно это происходит при закрытой крышке и сжатым воздухом 43, в результате чего из газового сопла 27 выдуваются возможные остатки грязи, отделившиеся при измерении выходящим газом 8. Поскольку при измерении краевой зоны оболочки 28 защитного газа сжатый воздух 43 все равно выходит, датчик 3 автоматически очищается также во время измерения.
При этом грязь удаляется предпочтительно через отсасывающее отверстие 49 вокруг датчика 31, чему способствует, предпочтительно, устройство 50 отсоса (фиг.6). Кроме того, устройство 50 отсоса может использоваться также предпочтительно для того, чтобы отсасывать защитный газ 8, скапливающийся в измерительной зоне вокруг датчика 31. Таким образом, результат последующих измерений не искажается.
Устройство 50 отсоса может активироваться также во время измерения, так что защитный газ 8 не может вытеснить внешнюю атмосферу 29. Это вызвало бы, например, то, что в случае завихрений в оболочку 28 защитного газа подсасывался бы не кислород воздуха, а сам защитный газ 8, а это исказило бы результат измерений.
Согласно изобретению, измерение свойств защитного газа, например содержания кислорода, происходит в основном таким образом, что горелка 10 расположена перпендикулярно поверхности 39 и тем самым также датчику 31, причем также расстояние 38 между горелкой 10 и датчиком 31 выбирается, как в процессе сварки. Изобретение применяется предпочтительно в автоматических сварочных системах, т.е. робот позиционирует сварочную горелку 10 по датчику 31. Робот осуществляет это посредством известного из уровня техники центра инструмента, который служит исходной точкой для движений робота. Поэтому важно также, чтобы центр инструмента был всегда корректным. Однако из практики известно, что за счет возможных столкновений горелки 10 с деталью 16 или за счет теплового воздействия он может смещаться. Следовательно, предпочтителен периодический контроль центра инструмента. Согласно изобретению, это реализовано за счет измерения свойства защитного газа. Для этого в блоке 32 обработки хранится эталонное значение, которое сравнивается с текущим измеренным значением. Если при этом возникнет определенная разность за пределами определенного диапазона допусков, то центр инструмента сместился и должен быть скорректирован или управляющим устройством 4 или системой управления робота должна быть учтена эта разность. Предпочтительно это происходит после очистки горелки 10 или газового сопла 27, а это гарантирует, что отклонение изменения не будет вызвано загрязнениями.
Например, блок 32 обработки может быть образован также управляющим устройством 4 сварочного аппарата 1 или частью расположенной выше системы управления сварочной установки (сварочный аппарат, робот, механизм подачи проволоки и т.д.). Кроме того, блок 32 обработки и датчик 31 могут образовать единый узел.
Возможно также проведение измерения защитного газа посредством измерительного устройства 30 также в компоненте сварочной установки, таком как механизм подачи проволоки или шланговый пакет. При этом речь идет тогда об измерении защитного газа в режиме «он-лайн», и результаты не настолько близки к практике, как если бы измерение проводилось с таким же расстоянием, что и в процессе сварки.