Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Ermitt lung optimaler Schweißparameter für die Durchführung einer

Schweißung an einem Werkstück.

Schweißprozesse sind oftmals sehr komplexe Vorgänge, da Schweiß prozesse zur Vornahme einer Schweißung auf Werkstückoberflächen operieren, deren Geometrie sich beinahe bei jeder Schweißaufgabe unterscheidet. Zudem wirken eine Vielzahl von Schweißparametern, wie Schweißstrom, Material des Werkstücks, Drahtfördergeschwin- digkeit und Material des Schweißdrahts, um nur einige zu nennen, auf den Schweißprozess ein. Des Weiteren besitzen Schweißprozes se eine stark bewegungsabhängige Komponente, d.h. der Anstell winkel und Arbeitswinkel des Schweißbrenners, die

Schweißgeschwindigkeit, die Werkstücklage etc. beeinflussen den Schweißprozess .

Das Auffinden und Einstellen optimaler Schweißparameter und Kor rekturparameter ist eine schwierige Aufgabe, welche mit viel Zeitaufwand von Spezialisten und/oder Probenaufwand verbunden ist. Meist werden die Schweißparameter intuitiv gefunden oder einfach festgelegt und stellen kein Optimum dar, was die Mög lichkeiten einer Schweißung für eine bestimmte Schweißaufgabe in einer bestimmten Schweißposition betrifft, sondern vielmehr einen Kompromiss. Üblicherweise werden heutzutage Experten damit beauftragt, für bestimmte Schweißaufgaben an bestimmten Werk stücken optimale Schweißparameter aufzufinden und festzulegen. Nach diesen zeit- und kostenaufwändigen Schritten wird die

Schweißung an diesem Werkstück mit diesen festgelegten Schweiß parametern durchgeführt. Werden Mängel am verschweißten Werk stück festgestellt oder verändern sich bestimmte

Voraussetzungen, wie z.B. Werkstückgeometrien, dann muss der Prozess des Auffindens optimaler Schweißparameter für die Erzie lung optimaler Schweißergebnisse wieder neu gestartet werden, was wiederum mit zusätzlichen Kosten und Wartezeiten verbunden ist . Beispielsweise beschreibt die WO 2018/011243 Al ein Verfahren zur Festlegung von Schweißparametern für einen Schweißprozess, bei dem ohne Zutun von Experten Schweißprozesse entlang beliebi ger Schweißbahnen parametriert werden können, indem die Schweiß parameter für den jeweiligen Schweißprozess anhand von idealen Schweißparametern, welche unter Testbedingungen an Testwerk stücken aufgenommen und gespeicherten wurden, durch Interpolati on festgelegt werden. Somit können die Schweißparameter für bestimmte Werkstückgeometrien automatisch aus vorher definierten idealen Schweißparametern zusammengefügt werden, ohne dass der Schweißer diesbezüglich tätig werden muss. Dabei wurden die idealen Schweißparameter an den Testwerkstücken für eine be stimmte zu lösende Schweißaufgabe festgelegt. Derartige Aufgaben können jedoch je nach Anforderung sehr stark variieren, weshalb diesem Verfahren Grenzen gesetzt sind.

Die EP 1 415 755 A2 beschreibt ein Laserschweißüberwachungssys tem und -verfahren, welches gegenüber herkömmlichen sehr komple xen Systemen zur Qualitätsbeurteilung von Schweißnähten, einfacher sein soll. Es wird eine Methode beschrieben, bei der für einen Abgleich von Sensorsystemen die Qualität einer

Schweißnaht durch entsprechende Kombination von Sensorsignalen einfacher beurteilt wird. Dabei werden Testschweißungen verwen det, um das Sensorsystem zu kalibrieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein oben genanntes Verfahren zur automatischen Ermittlung optimaler Schweißparameter bereitzustellen, durch welches auch ohne Spe zialisten oder Experten automatisch optimale Schweißparameter für eine bestimmte Schweißung zur Erzielung einer optimalen Schweißqualität und optimaler Schweißbedingungen aufgefunden werden können. Das Verfahren soll möglichst einfach und rasch durchführbar sein. Nachteile bisheriger Verfahren sollen redu ziert oder vermieden werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch, dass

- mehrere Testschweißungen an Testwerkstücken entlang Test schweißbahnen durchgeführt werden, und bei jeder Testschweißung zumindest ein Schweißparameter automatisch von einem vorgegebe- nen Anfangswert zu einem vorgegebenen Endwert entlang der Test schweißbahn verändert wird,

- jede resultierende Testschweißnaht entlang der Test schweißbahn mit zumindest einem Sensor vermessen wird, und zu mindest ein Sensorsignal aufgenommen wird,

- aus zumindest einem Sensorsignal mindestens ein jede Test schweißnaht charakterisierender Qualitätsparameter berechnet wird,

- aus dem zumindest einen Qualitätsparameter ein Gütefunk tional zur Charakterisierung der Güte der Testschweißnähte in Abhängigkeit der veränderten Schweißparameter berechnet wird,

- ein Optimum des Gütefunktionais ermittelt wird, und aus jedem Qualitätsparameter bei diesem Optimum des Gütefunktionais und den entsprechenden Stellen der Testschweißbahnen die Werte für die optimalen Schweißparameter festgelegt und gespeichert wer den .

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor, dass für eine be stimmte Schweißaufgabe zur Erzielung einer optimalen Schweißqua lität und optimalen Schweißbedingungen automatisch optimale Schweißparameter aufgefunden werden, ohne dass die direkte Bei ziehung eines Experten oder Spezialisten erforderlich ist. Dem gemäß sieht das Verfahren vor, dass automatisch eine Reihe von Testschweißungen an Testwerkstücken unter vorgegebenen Bedingun gen durchgeführt wird, bei denen die für die Lösung der jeweili gen Schweißaufgabe relevanten Schweißparameter variiert werden und aus der Beurteilung der resultierenden Testschweißnähte ent lang der Testschweißbahnen jene Stellen entlang der Testschweiß bahn identifiziert werden, bei welchen das Schweißergebnis der Testschweißung optimal ist. Um die Testschweißnähte charakteri sieren zu können, werden Qualitätsparameter eingeführt, welche je nach Schweißaufgabe unterschiedlich definiert sein können. Beispielsweise können für sichtbare Schweißnähte an einem Werk stück Qualitätsparameter, wie z.B. die Nahtdicke, Nahtschuppung, Nahtbreite, etc., wichtiger oder ausschlaggebend sein, wohinge gen bei anderen Schweißaufgaben andere Qualitätsparameter, wie z.B. die Nahtüberhöhung, der Nahtübergangswinkel, oder dgl . , im Vordergrund stehen können. Auch die indirekte Vermessung der Testschweißnähte über die Erfassung von Parametern der Schweiß stromquelle quasi über interne Stromquellen-Sensoren ist mög lich. Zur leichteren Handhabbarkeit der komplexen und mehrdimensionalen Zusammenhänge zwischen den Schweißparametern wird aus den die Schweißnähte charakterisierenden Qualitätspara metern entsprechend der jeweiligen Schweißaufgabe ein sog. Güte funktional berechnet, welches die Güte der Testschweißnähte in Abhängigkeit der veränderten Schweißparameter charakterisiert. Mit dem Gütefunktional wird eine einfach handhabbare reelle Zahl in Abhängigkeit sämtlicher Qualitätsparameter zur Charakterisie rung der Qualität der Testschweißnähte geschaffen, aus der mit relativ einfachen Methoden ein Optimum ermittelt werden kann.

Aus diesem Optimum des Gütefunktionais oder Gütekriteriums kön nen dann die optimalen Qualitätsparameter und daraus die Stellen an den Testschweißnähten mit optimalen Qualitätseigenschaften und daraus die jeweiligen optimalen Schweißparameter festgelegt und gespeichert werden. Natürlich können mehr Optima des Güte funktionais existieren, aus denen ein bestimmtes Optimum als Ba sis für die Ermittlung der optimalen Schweißparameter ausgewählt wird. Mit diesen optimalen Schweißparametern wird dann die

Schweißung am Werkstück vorgenommen und es wird automatisch eine optimale Schweißqualität unter optimalen Schweißbedingungen er zielt. Das erfindungsgemäße Verfahren verlagert das Wissen der Experten und Spezialisten auf dem Gebiet der Schweißtechnik in die Qualitätsparameter zur Charakterisierung der Testschweißnäh- te und die Berechnung eines Gütefunktionais zur Charakterisie rung der Güte der Testschweißnähte, sodass automatisch für die Erfüllung bestimmter Schweißaufgaben die dafür notwendigen opti malen Schweißparameter rasch und einfach aufgefunden werden kön nen. Somit können die optimalen Schweißparameter für bestimmte Schweißungen an bestimmten Werkstücken rascher und ohne direkte Einbeziehung entsprechender Experten festgelegt werden. Bei Ver änderungen der Schweißaufgabe kann ebenfalls rasch und mit ge ringeren Kosten auf Veränderungen reagiert werden und es können die optimalen Schweißparameter schneller festgelegt bzw. korri giert werden. Für die Durchführung des Verfahrens sind entspre chende Vorrichtungen zur automatischen Bewegung des

Schweißbrenners und bzw. oder des Testwerkstücks in Form eines Schweißroboters oder dgl . und eine entsprechende Steuerung mit hilfe eines Computers erforderlich. Für die automatische Vermes sung der Testschweißnähte der Testschweißbahnen sind der

jeweiligen Schweißaufgabe entsprechend bestimmte Sensoren erfor derlich, welche die Sensorsignale zur Berechnung der Qualitäts- Parameter liefern. Auch interne Sensoren, welche Parameter der Schweißstromquelle während der Durchführung der Testschweißung aufnehmen, können Daten für die Beurteilung der Testschweißnähte liefern. Die anschließenden Verarbeitungen der umfangreichen Da ten erfolgt anhand entsprechender Berechnungsvorschriften und bzw. oder Tabellen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die Testschweißbahnen vor Durchführung der Testschweißungen vermessen. Durch eine der artige Vermessung der Testschweißbahnen an den Testwerkstücken vor Durchführung der Testschweißungen wird sichergestellt, dass die Testschweißbahnen die gleichen Ausgangssituationen haben und somit die Bedingungen immer gleich sind. Dadurch wird eine Re produzierbarkeit der Daten und eine Vergleichbarkeit gewährleis tet. Die Vermessung der Testschweißbahnen kann unter

Zuhilfenahme geeigneter Sensoren erfolgen.

Zur Beurteilung der Testschweißnähte entlang der Testschweißbah- nen können diese während oder nach Durchführung der Testschwei ßungen vermessen werden. Die Testschweißnähte werden mit

geeigneten Sensoren oder dgl . , die auch direkt am Schweißbrenner oder in der Stromquelle angeordnet sein können, beurteilt bzw. abgetastet oder gescannt, sodass die Eigenschaften der herge stellten Testschweißnähte entlang der Testschweißbahnen erfasst werden können. Während der Durchführung der Testschweißung kann mithilfe geeigneter Sensoren, wie z.B. Lasersensoren oder Senso ren zur Erfassung der Strahlungsemissionen, das Schmelzbad un mittelbar nach der Testschweißung beobachtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Testschweißnaht natürlich auch nach dem Erstarren des Schmelzbades untersucht und nach verschiedensten Gesichtspunkten beurteilt werden. Aber auch mit Schweißgeräte internen Sensoren kann die Stabilität der Testschweißung und so mit indirekt die Qualität der Testschweißnaht beurteilt werden.

Vorzugsweise wird bei jeder Testschweißung zumindest einer der Schweißparameter Drahtfördergeschwindigkeit eines abschmelzenden Schweißdrahtes, Schweißgeschwindigkeit, freie Schweißdrahtlänge, Anstellwinkel des Schweißbrenners (Winkel längs zur Schweiß naht) , Arbeitswinkel des Schweißbrenners (Winkel quer zur

Schweißnaht) und Tool Center Point des Schweißbrenners entlang der Testschweißbahn verändert. Bei den aufgelisteten Schweißpa rametern handelt es sich um jene Parameter, welche die Schweiß naht und Schweißqualität maßgeblich beeinflussen. In

Abhängigkeit der jeweiligen Schweißaufgabe und des jeweiligen zu bearbeitenden Werkstücks können jedoch auch andere oder weitere Parameter wichtig sein und bei den Testschweißungen verändert werden. Die Bewertung der Stabilität der Schweißung stellt bei spielsweise auch ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung der Schweißqualität und der zu lösenden Schweißaufgabe dar. Die Sta bilität kann durch interne Erfassung der Parameter der Schweiß stromquelle einfach ermittelt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Test schweißungen entlang von vorgegebenen Testschweißbahnen mit kon stantem Tangentialvektor, insbesondere entlang von geraden

Testschweißbahnen mit einer Länge von vorzugsweise 10 cm bis 50 cm, durchgeführt. Neben der Lage des Testwerkstücks hat auch die Form der Testschweißbahn Einfluss auf die Durchführung der Test schweißung. Bei konstantem Tangentialvektor ist die Krümmung der Testschweißbahn konstant. Es handelt sich also vorzugsweise um eine gerade Testschweißbahn oder eine Testschweißbahn in Form eines Kreises. Die angegebene bevorzugte Länge erlaubt eine Ver änderung des jeweiligen Schweißparameters in üblichen Grenzen und danach eine ausreichend genaue Beurteilung einer Veränderung der Qualität der Testschweißnaht entlang der Testschweißbahn . Natürlich können mehrere Parametersuchläufe an nur einem Test werkstück vorgenommen werden und entlang einer Testschweißbahn hintereinander verschiedene Schweißparameter von einem Anfangs wert zu einem Endwert verändert werden oder es werden je

Schweißparameter eigene Testwerkstücke mit nur einer Test schweißbahn verwendet.

Wenn die Testschweißungen an ebenen Testwerkstücken, welche vor zugsweise in Position der jeweiligen Schweißaufgabe angeordnet sind, durchgeführt werden, ist ein rascher und einfacher Ablauf der Testschweißungen möglich. Durch die Verwendung ebener Test werkstücke kann der Einfluss der Erdbeschleunigung auf das Test werkstück konstant gehalten werden. Im einfachsten Fall kann die Anordnung der Testwerkstücke auch horizontal sein. Wenn die Lage des Testwerkstücks auf die jeweilige Schweißaufgabe universell sein soll, können auch mehrere Testschweißungen an Testwerk stücken in verschiedenen Lagen, also mit verschiedener Anordnung gegenüber dem Erdbeschleunigungsvektor, durchgeführt werden und bei der Festlegung der Qualitätsparameter berücksichtigt werden.

Die Testschweißnähte entlang der Testschweißbahn können mithilfe nicht zerstörender Messmethoden, beispielsweise optischen Senso ren, insbesondere Laserscanner, Kameras oder dgl . , Röntgensenso ren und bzw. oder Temperatursensoren vorzugsweise während der Durchführung der Testschweißung vermessen werden. Ein Scannen der Testschweißnähte entlang der Testschweißbahn der Testwerk stücke mit berührungslosen Sensoren hat den Vorteil, dass die Vermessung der Testschweißnähte besonders rasch und entlang der gesamten Testschweißbahn vorgenommen werden kann. Bei bestimmten Einflussfaktoren kann es von Vorteil sein, die Vermessung der Testschweißnähte unmittelbar nach der Testschweißung vorzuneh men. Beispielsweise kann der Temperaturverlauf im Material des Testwerkstücks unmittelbar nach Durchführung der Testschweißung eine Aussage über das Materialgefüge innerhalb und um der Test schweißnaht liefern. Bei anderen Qualitätsparametern der Test schweißnaht, wie z.B. der Nahtdicke, Nahtbreite, Nahtüberhöhung, dem Nahtübergangswinkel, der Einbrandkerbe oder Spritzermenge und Porenanzahl, kann es auch vorteilhaft sein, die Vermessung der Testschweißnaht erst einige Zeit nach der Durchführung der Testschweißung vorzunehmen.

Ebenso können die Testschweißnähte entlang der Testschweißbahn mit Hilfe zerstörender Messmethoden, beispielsweise durch Anfer tigung von zumindest einem Schliffbild der Testschweißnaht an zumindest einem vorgegebenen Abstand entlang der Testschweißbah- nen verarbeitet werden. Derartige naturgemäß aufwändigere Mess methoden können nur an wenigen Stellen entlang der

Testschweißbahn durchgeführt werden, jedoch wesentliche Erkennt nisse auch über den inneren Aufbau der Testschweißnaht liefern, welche mit Berührungsdosenmessmethoden nicht erfasst werden könnten. Die Schliffbilder der Testschweißnaht an bestimmten Stellen entlang der Testschweißbahn können wiederum mit ver schiedenen Verfahren analysiert werden, insbesondere mithilfe von Kameras und damit verbundenen Bildverarbeitungsverfahren.

Der Einsatz bestimmter Chemikalien kann die Erkennung des Gefü- ges der Schliffbilder der Testschweißnaht verbessern. Auch eine makroskopische Untersuchung von Schliffbildern nach dem Schwei ßen kann charakteristische Qualitätsparameter liefern. Die

Schliffbilder werden analysiert und in Form bestimmter Sensorsi gnale und in der Folge charakterisierender Qualitätsparameter die Qualität der Testschweißnaht in Abhängigkeit des jeweiligen Schweißparameters bzw. der jeweiligen Stelle entlang der Test schweißbahn ermittelt und gespeichert. Je nach Schweißaufgabe wird dieser Qualitätsparameter entsprechend beurteilt und in der Folge festgelegt, wo bzw. mit welchem Schweißparameter das opti male Schweißergebnis unter Berücksichtigung dieser Aufgabe er füllt wird. Neben der Herstellung von Schliffbildern sind auch Zugprüfungen, Biegeprüfungen etc. an den Testwerkstücken denk bar .

Bei jeder Testschweißung wird vorzugsweise zumindest ein

Schweißparameter vom vorgegebenen Anfangswert zum vorgegebenen Endwert linear entlang der Testschweißbahn auf einer vorgegebe nen Länge variiert. Diese Methode erleichtert einerseits die Durchführung der Testschweißung und andererseits die Rückrech nung auf den jeweiligen als optimal angesehenen Schweißparameter bei Festlegung jener Stelle entlang der Testschweißbahn, der die Testschweißnaht in Bezug auf die gestellte Schweißaufgabe das optimale Ergebnis geliefert hat. Natürlich ist es auch möglich, anstelle der Festlegung eines vorgegebenen Anfangswerts und vor gegebenen Endwerts des Schweißparameters auch nur einen Anfangs wert vorzugeben und eine bestimmte Änderungsrate festzulegen anstatt eines Endwerts. Beispielsweise kann der Anstellwinkel mit einem bestimmten Anfangswert zu Beginn der Testschweißbahn festgelegt werden und mit einer Änderungsrate von beispielsweise 1 ° /cm der Testschweißnaht über eine Länge von 40 cm angehoben werden. Die Variation der Schweißparameter kann insbesondere bei größeren Parameterbereichen natürlich auch in Stufen erfolgen, um zu erzielen, dass das System sich einschwingen kann. Die nachfolgende Analyse der Testschweißungen bzw. Testschweißnähte findet dann vorzugsweise in jenen Bereichen statt, in denen das gesamte Schweißsystem eingeschwungen war.

Die Testschweißungen können unter verschiedenen Schweißbedingun gen vorgenommen werden und die optimalen Schweißparameter für die Schweißung unter einer vorgegebenen Schweißbedingung durch Interpolation der optimalen Schweißparameter, welche bei Test schweißungen unter den für die vorgegebene Schweißbedingung an grenzenden Schweißbedingungen ermittelt wurden, vorgenommen wird. Wenn beispielsweise die Werkstücktemperatur einen Einfluss auf die durchzuführende Schweißung an dem Werkstück hat, können mehrere Testschweißungen an Testwerkstücken unter verschiedenen Werkstücktemperaturen als Schweißbedingung durchgeführt werden und es können die optimalen Schweißparameter unter Berücksichti gung der aktuellen Werkstücktemperatur (bzw. Umgebungstempera tur, wenn angenommen wird, dass das Werkstück die

Umgebungstemperatur angenommen hat) vor Durchführung der Schwei ßung am Werkstück berücksichtigt werden. Nachdem praktisch nur eine endliche Anzahl an Testschweißungen unter verschiedenen Schweißbedingung vorgenommen werden kann, um den Aufwand gering zu halten, werden jene Testschweißungen unter jenen Schweißbe dingungen für die Festlegung der optimalen Schweißparameter her angezogen, deren Schweißbedingungen unter- und oberhalb der realen Schweißbedingungen, beispielsweise unter- und oberhalb der möglichen Werkstücktemperatur bei der Durchführung der

Schweißung, herangezogen und durch Interpolation der optimale Schweißparameter festgelegt werden. Neben dem genannten Beispiel der Werkstücktemperatur können weitere Schweißbedingung die Lage des Werkstücks, die Toleranzen der Nahtgeometrie um die Test schweißbahn oder die Toleranzen der Spaltbreite der Testschweiß bahn sein.

Die Testschweißungen werden vorzugsweise unter zumindest zwei verschiedenen Schweißbedingungen jeweils der Werkstücktempera tur, der Lage des Testwerkstücks, der Nahtgeometrie an den Test werkstücken oder der Spaltbreite durchgeführt. Um den Aufwand für die Durchführung der Testschweißungen gering zu halten, kön nen diese nur unter einigen wenigen verschiedenen Schweißbedin gungen festgelegt werden und eine Interpolation bei der

jeweiligen Schweißbedingung vorgenommen werden. Vor Festlegung der optimalen Schweißparameter durch Interpolation der Ergebnis se zweier verschiedener Testschweißungen unter zwei verschiede nen Schweißbedingungen kann eine Überprüfung erfolgen, ob die Interpolation funktioniert, indem eine Testschweißung mit den interpolierten Schweißparameter durchgeführt wird. Wenn das kei- ne optimale Qualität ergibt, kann die Feinheit der verschiedenen Testschweißungen unter verschiedenen Schweißbedingungen erhöht werden und es können weitere Testschweißungen unter mehreren Schweißbedingungen durchgeführt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass bei nichtlinearen Beziehungen zwischen Schweißpara metern und der Schweißqualität durch lineare Interpolationen Schweißparameter entstehen, welche zu einer Verletzung der Qua- litätskriterien führen.

Vor der Durchführung der Interpolation wird vorzugsweise das Gü tefunktional bei der vorgegebenen Schweißbedingung ermittelt und, wenn das Gütefunktional von einem Vorgabewert abweicht (d.h. die Qualitätskriterien nicht erfüllt werden), zumindest eine weitere Testschweißung bei einer weiteren Schweißbedingung vorgenommen. Durch diese automatische Maßnahme, welche ermit telt, ob das Gütefunktional verletzt wurde, kann verhindert wer den, dass zwischen zu weit entfernten Schweißbedingungen eine lineare Interpolation der Schweißparameter durchgeführt wird, welche zu keinen optimalen Schweißparametern und somit einer schlechten Qualität der resultierenden Schweißnaht führen würde. Hierdurch kann quasi das Raster an durchzuführenden Testschwei ßungen unter verschiedenen Schweißbedingungen nachträglich auto matisch verfeinert werden, wenn sich herausstellt, dass das ursprüngliche Raster zu grob gewählt wurde, also bei zu wenigen Schweißbedingungen Testschweißungen durchgeführt wurden.

Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung wird die Breite, Höhe, Überhöhung, Unterwölbung, das Nahtfüllvolumen oder der Über gangswinkel der Testschweißnaht gescannt und aus diesen Sensor signalen der Qualitätsparameter entlang der Testschweißbahn berechnet. Mithilfe der aufgelisteten Merkmale der Testschweiß naht kann für die meisten Schweißaufgaben die Testschweißnaht ausreichend gut beurteilt werden und somit ein Rückschluss auf einen optimalen Qualitätsparameter und somit die optimalen

Schweißparameter mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt wer den. Beispielsweise ermöglicht der zurückgelegt Weg des Schweiß brenners, bei welchem der optimale Qualitätsparameter gefunden wird, die einfache Zuordnung und Übertragung des qualitätsbe stimmenden Parameters aus bekanntem Start- und Endwert. Das Optimum des Gütefunktionais kann durch sukzessives Verändern jeweils eines Schweißparameters zur Beeinflussung jeweils eines Qualitätsparameters ermittelt werden. Dies stellt eine Möglich keit des Auffindens des Optimums bzw. eines Optimums des Güte funktionais im mehrdimensionalen Raum dar, welches einfacher handhabbar ist, aber mehr Zeit in Anspruch nehmen kann.

Alternativ dazu kann das Optimum des Gütefunktionais auch durch gradientenweises Verändern mehrerer Schweißparameter zur Beein flussung mehrerer Qualitätsparameter ermittelt werden. Auf diese Weise wird zwar der Rechenaufwand unter Umständen erhöht, das Ergebnis jedoch in kürzerer Zeit aufgefunden. Beim Optimum des Gütefunktionais handelt es sich in der Regel um das Maximum des Gütefunktionais bzw. ein Maximum des Gütefunktionais oder um ein Minimum des Gütefunktionais im Falle mehrerer Minima.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert .

Darin zeigen

Fig 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines

Schweißprozesses ;

Fig 2 eine Funktionsskizze des erfindungsgemäßen Verfahren zur automatischen Ermittlung optimaler Schweißparame ter für die Durchführung einer Schweißung an einem Werkstück;

Fig 3 eine Abbildung eines Systems zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens;

Fig 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig 5a-5c verschiedene Methoden zur Vermessung von Testschweiß nähten an Testwerkstücken;

Fig 6 ein Schnittbild durch ein verschweißtes Werkstück in

Form einer Kehlnaht; und

Fig 7a-7c die Verläufe einiger Eigenschaften der resultierenden

Schweißnaht zur Veranschaulichung des Auffindens der optimalen Schweißparameter anhand eines Beispiels. Fig. 1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung eines Schweißprozesses, wobei ein Schweißsystem, das ein Schweißgerät 1, einen Prozessroboter 2 und einen Schweißbrenner 3 umfasst, der eine Schweißaufgabe an einem Werkstück 4 entsprechend löst. Demgemäß wird der Schweißbrenner 3 entlang einer vorgegebenen Schweißbahn 7 am Werkstück 4 geführt und zwischen der Kontaktdü se des Schweißbrenners 3 bzw. dem Ende des Schweißdrahts 5 und dem Werkstück 4 brennt ein Lichtbogen 6. Durch das Aufschmelzen des Materials der Werkstücke 4 und das Abschmelzen des Schweiß drahts 5 wird eine Schweißnaht 8 erzeugt. Alternativ oder zu sätzlich zur Bewegung des Schweißbrenners 3 in Bezug zum

Werkstück 4 kann auch das Werkstück 4 gegenüber dem Schweißbren ner 3 bewegt werden. Entscheidend ist eine Relativbewegung zwi schen Schweißbrenner 3 und Werkstück 4 entlang der Schweißbahn 7. Für die Schweißung werden verschiedene Schweißprozesse durch geführt und in Abhängigkeit der jeweiligen Lage und Anordnung des Werkstücks 4 sowie der Richtung der Schweißbahn 7, die dem Tangentialvektor t der Schweißbahn 7 entspricht, bestimmte

Schweißparameter Pi(x) eingestellt. Über diese Schweißparameter Pi(x) werden die Schweißprozesse bzw. die Schweißung und damit die Schweißnaht 8 wesentlich beeinflusst. Von der jeweiligen Schweißaufgabe abhängig werden unterschiedliche Anforderungen an die Schweißnaht 8 gestellt. Beispielsweise kann die Schweißung über die Einstellung der Schweißparameter Pi(x) für Schweißge schwindigkeit, sichere Einbrandtiefe, schwingungsdynamische An forderungen, aber auch eine optisch ansprechende Schweißnaht 8 optimiert werden. Somit gibt es für die Durchführung einer

Schweißung an einem Werkstück 4 unter Berücksichtigung der je weiligen Schweißaufgabe immer ein Set optimaler Schweißparameter Pi _,oPt (x) , welche zu optimalen Schweißergebnissen führen. Das Auf finden derartiger optimaler Schweißparameter P _{i 0pt} (x) ist eine sehr aufwändige Methode, welche üblicherweise Experten bzw. Spe zialisten auf dem Gebiet der Schweißtechnik Vorbehalten ist. Dementsprechend lang kann der Prozess des Auffindens optimaler Schweißparameter R _{1 qrR} (c) dauern, was zu langen Wartezeiten und mitunter hohen Kosten führen kann. Darüber hinaus kann es Vor kommen, dass zur Überbrückung derartiger Wartezeiten bis zum Auffinden optimaler Schweißparameter P _{i 0pt} (x) Kompromisse einge gangen werden, die von unzureichender Schweißqualität gekenn zeichnet sind. Es ist daher ein großes Anliegen, das Auffinden optimaler Schweißparameter P _{i 0pt} (x) für bestimmte Schweißaufgaben bei der Durchführung von Schweißungen an Werkstücken 4 möglichst rasch und auch ohne direktes Beiziehen entsprechender Experten bzw. Spezialisten vornehmen zu können.

Fig. 2 zeigt eine Funktionsskizze des erfindungsgemäßen Verfah rens zur automatischen Ermittlung optimaler Schweißparameter Pi _,oPt (x) für die Durchführung einer Schweißung an einem Werkstück 4. Dementsprechend werden mehrere Testschweißungen an Testwerk stücken 9 entlang der Testschweißbahnen 10 durchgeführt und bei jeder Testschweißung zumindest ein Schweißparameter Pi(x) automa tisch von einem vorgegebenen Anfangswert P _{i A} zu einem vorgegebe nen Endwert P _{i E} entlang der Testschweißbahn 10 verändert. Die Veränderung zwischen dem Anfangswert P _{i A} und dem Endwert P _{i E} des jeweiligen Schweißparameters Pi(x) kann beispielsweise linear oder auch in bestimmten Stufen erfolgen, wobei der Zusammenhang zwischen dem Schweißparameter Pi(x) und dem zurückgelegten Weg x entlang der Testschweißbahn 10 immer vorgegeben ist, sodass um gekehrt an jedem Ort x der Testschweißbahn 10 auf den dort ein gestellten Schweißparameter Pi(x) rückgeschlossen werden kann. Insbesondere bei Verwendung sehr einfacher Testwerkstücke 9 mit vorzugsweise geraden Testschweißbahnen 10 bzw. Testschweißbahnen 10 mit konstantem Tangentialvektor und einer anwendungsorien tierten Anordnung der Testwerkstücke 9 resultieren sehr einfach und rasch durchführbare Testschweißungen und es ist nicht erfor derlich, komplette Werkstücke bzw. Bauteile testweise zu ver schweißten, was zu hohem Aufwand und Ausschuss führen würde.

Die resultierenden Testschweißnähte 11 entlang der Testschweiß bahnen 10 der Testwerkstücke 9 werden mit entsprechenden Senso ren 12 vermessen, wobei diese Vermessung unmittelbar während der Durchführung der Testschweißung oder auch später durchgeführt werden kann. Neben Sensoren 12, welche die Testschweißnaht 11 berührungslos abtasten oder interne Sensoren, welche Parameter der Schweißstromquelle während der Durchführung der Testschwei ßung aufzeichnen, kommen auch Verfahren in Frage, bei denen die Testschweißnaht 11 unter Zerstörung des Testwerkstücks 9 analy siert wird. Beispielsweise können Schliffbilder der Testschweiß naht 11 an mehreren Stellen entlang der Testschweißbahn 10 angefertigt werden und beispielsweise mittels Bildverarbeitung verarbeitet werden.

Die Sensoren 12 liefern verschiedene Sensorsignale S _j (Pi(x)), welche zu mindestens einem die jeweilige Testschweißnaht 11 der Testwerkstücke 9 charakterisierenden Qualitätsparameter

Q _k (S _j (Pi (x) ) ) verarbeitet werden. Die Art der Berechnung der Qua- litätsparameter Q _k ( S _j ( Pi (x) ) ) aus den Sensorsignalen S _j (Pi(x)) hängt von der jeweiligen Schweißaufgabe ab und dem für die Erle digung der jeweiligen Schweißaufgabe charakteristischen Kriteri um.

Zur leichteren Verarbeitung der Qualitätsparameter Q _k ( S _j ( Pi (x) ) ) wird ein Gütefunktional G (Q ( S _j ( Pi (x) ) ) ) zur Charakterisierung der Güte der Testschweißnähte 11 in Abhängigkeit der veränderten Schweißparameter Pi(x) berechnet. Somit resultiert mit dem Güte funktional eine reelle Zahl im mehrdimensionalen Raum, die zu mindest ein Optimum, insbesondere Maximum oder Minimum,

aufweist, welches relativ einfach automatisierbar auffindbar ist. Wie in Fig. 2 skizziert, kann das Optimum G _opt des Gütefunk tionais G ein Maximum der Fläche in Abhängigkeit der Schweißpa rameter Pi und P ₂ sein. Durch entsprechende Berechnung kann dieses Optimum des Gütefunktionais G _opt innerhalb bestimmter Grenzen im Parameterraum rasch aufgefunden werden. Aus diesem Optimum des Gütefunktionais G _opt (Q _k (S _j (R _r (x) ) ) ) werden die jeweiligen Optima der Qualitätsparameter Q _k,opt (S _j (R _r (x) ) ) und aus den entsprechenden Stellen x _opt der Testschweißbahnen 10 schließlich die Werte für die jeweiligen optimalen Schweißparameter P _{i 0pt} festgelegt und ge speichert. Mit diesen optimalen Schweißparametern P _{i 0pt} wird die Schweißung am Werkstück 4 vorgenommen, resultierend in einer entsprechend der Schweißaufgabe optimalen Schweißqualität.

Im Gegensatz zu bisherigen bekannten Verfahren ist der direkte Einsatz von Experten bzw. Spezialisten der Schweißtechnik hier nicht erforderlich. Natürlich müssen jedoch derartige Experten und Spezialisten der Schweißtechnik für die Festlegung der Qua- litätsparameter Q _k (S _j (R _r (x) ) ) und des Gütefunktionais

G (Q _k (S _j (Pi (x) ) ) eingesetzt werden. Für bestimmte Schweißaufgaben an bestimmten Werkstücken mit bestimmten Werkstückgeometrien können jedoch zahlreiche Testschweißungen an Testwerkstücken 9 und zahlreiche Varianten von Qualitätsparametern und Gütefunk tionalen festgelegt und in entsprechenden Datenbanken gespei chert werden und bei Zugriff darauf rasch für individuelle

Schweißaufgaben optimale Schweißparameter P _{i 0pt} automatisch fest gelegt werden.

Fig. 3 zeigt eine Abbildung eines Schweißsystems zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mithilfe des Schweißge räts 1 wird der am Prozessroboter 2 angeordnete Schweißbrenner 3 zur Durchführung von Testschweißungen an Testwerkstücken 9 ent sprechend gesteuert. Über eine Steuereinrichtung 17 bzw. einen Computer wird das Schweißgerät 1 und der Prozessroboter 2 ent sprechend angesteuert, sodass die Testschweißungen an entspre chenden Testwerkstücken 9 entlang vorgegebener Testschweißbahnen 10 durchgeführt werden können. Mithilfe geeigneter Sensoren 12 kann während der Durchführung der Testschweißung oder auch nach Durchführung der Testschweißung die Schweißnaht 11 entlang der Testschweißbahn 10 vermessen werden. Beispielsweise kommen als Sensoren 12 optische Sensoren 13, Röntgensensoren 14, Tempera tursensoren 15 oder auch Wirbelstromsensoren 16 in Frage. Auch interne Sensoren können Parameter der Schweißstromquelle während der Durchführung der Testschweißung aufzeichnen. Die mit den Sensoren 12 aufgenommenen Sensorsignal S _j (Pi(x) ) werden über die Steuereinrichtung 17 verarbeitet und in entsprechenden Speichern bzw. Datenbanken 18 abgelegt. Darüber hinaus werden entsprechend der jeweiligen Schweißaufgabe aus den Sensorsignalen S _j (Pi(x) ) Qualitätsparameter Q _k ( S _j ( Pi (x) ) ) berechnet, welche die einzelnen Testschweißnähte 11 entsprechend charakterisieren. Nachdem ent lang einer Testschweißnaht jeweils zumindest ein Schweißparame ter Pi(x) von einem Anfangswert P _{i A} zu einem Endwert P _{i E}

verändert wird, existiert entlang der Testschweißnaht 11 ein Punkt bzw. Bereich, der optimale Eigenschaften aufweist. Diese optimalen Eigenschaften der Testschweißnaht 11 werden mithilfe der Sensoren 12 entsprechend erfasst und in der Steuereinrich tung 17 entsprechend verarbeitet. An jener Stelle entlang der Testschweißnaht 11, an der optimale Eigenschaften der Test schweißnaht festgestellt werden, kann auf den dort gültigen Pa rameter Pi(x) rückgerechnet werden und dieser als optimal festgelegt und entsprechend gespeichert werden. Aus der Vielzahl an Testwerkstücken 9 und deren Testschweißnähte 11 und den Sen- sorsignalen S _j (Pi(x)) resultiert eine Vielzahl an Daten, welche in den Speichern bzw. Datenbanken 18 abgelegt sind. Die Daten bank 18 stellt quasi eine Wissensdatenbank dar, in der das Ex pertenwissen der in der Schweißtechnik kundigen Experten und Spezialisten strukturiert vorliegt und auf die für die Festle gung optimaler Schweißparameter P _{i 0pt} zugegriffen werden kann.

Fig. 4 zeigt das Prinzip des Auffindens der optimalen Schweißpa rameter Pi _,opt aus diesen in den Datenbanken 18 gespeicherten In formationen. Dementsprechend wird die Steuereinrichtung 17 bzw. der Computer mit bestimmten Daten geladen, mit welchen eine be stimmte Schweißaufgabe zur Durchführung einer Schweißung an ei nem Werkstück 4 charakterisiert wird. Insbesondere werden das bestimmte Qualitätsparameter Q _k und das Gütefunktional G als Funktion der Qualitätsparameter Q _k sein oder es wird aus einer Vielzahl derartiger Qualitätsparameter Q oder Gütefunktionalen G zumindest ein bestimmter Qualitätsparameter Q bzw. ein bestimm tes Gütefunktional G ausgewählt. Aus den vorhandenen, von den Testschweißungen erhaltenen Informationen der Sensorsignale S _j (Pi(x)) kann über die oben beschriebene Prozedur des Auffindens des Optimums des Gütefunktionais G _opt auf die jeweiligen optimalen Schweißparameter P _{i 0pt} rückgerechnet werden. Diese optimalen Schweißparameter P _{i 0pt} werden dann an das Schweißgerät 1 und den Prozessroboter 2 des Schweißsystems weitergeleitet und die

Schweißung an dem Werkstück 4 entlang der Schweißbahn 7 mit die sen optimalen Schweißparametern P _{i 0pt} durchgeführt, resultierend in einer Schweißnaht 8 mit optimalen Eigenschaften für die je weilige zu lösende Schweißaufgabe.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen verschiedene Skizzen zur Veranschauli chung der Vermessung von Testschweißnähten 11 an Testwerkstücken 9. Fig. 5a zeigt ein Verfahren zum Vermessen der Testschweißnaht 11 während der Durchführung der Testschweißung, indem dem

Schweißbrenner 3 nachgeordnet beispielsweise optische Sensoren 13 oder Temperatursensoren 15 angeordnet sind, welche die

Schweißnaht 11 entsprechend abtasten und die gewonnenen Sensor signale S _j (x) in Abhängigkeit der Stelle entlang der Testschweiß bahn 10 aufnehmen und weiterleiten. Alternativ oder zusätzlich zu der obigen, in Fig. 5a dargestell ten Methode kann gemäß Fig. 5b auch nachträglich das Testwerk stück 9 bzw. die Testschweißnaht 11 entlang der Testschweißbahn

10 vermessen werden, mithilfe von verschiedenen Sensoren, wie z.B. optischen Sensoren 13, Röntgensensoren 14 oder auch Wirbel stromsensoren 16, welche zu verschiedenen Qualitätsparametern über die Schweißnaht 11 führen können.

In Fig. 5c ist eine Methode skizziert, bei der das Testwerkstück 9 zur Analyse der Testschweißnaht 11 zerstört wird, indem an mehreren Stellen entlang der Testschweißbahn 10 Schliffbilder der Testschweißnaht 11 und des umgebenden Testwerkstücks 9 her gestellt werden. Diese Schnittbilder können mit entsprechenden Sensoren und bildverarbeitenden Methoden vermessen werden und Aufschluss über die Qualität der Testschweißnaht 11 geben. Wenn hinsichtlich der Erfüllung einer bestimmten Schweißaufgabe ein bestimmtes Schliffbild optimale Eigenschaften aufweist, bei spielsweise optimale Einbrandtiefe oder dgl . , kann der jeweilige an dieser Stelle der Testschweißnaht 11 verwendete Schweißpara meter Pi(x) identifiziert und als optimaler Schweißparameter P _{i 0pt} festgelegt und gespeichert werden.

Die automatischen Verfahren zur Vermessung der Testschweißnähte

11 entlang der Testschweißbahnen 10 der Testwerkstücke 9 können unter Verwendung entsprechender Vorrichtungen automatisiert wer den, sodass die Vielzahl an Daten, welche die Testschweißnähte 11 beurteilen können, rasch gefunden und gespeichert werden kann .

Fig. 6 zeigt ein Schnittbild durch ein verschweißtes Werkstück mit entsprechenden Parametern, welche die Werkstücke und die Schweißnaht entsprechend charakterisieren. Zu diesen Parametern zählen beispielsweise: t Dicke der Werkstücke

g Spaltbreite zwischen den Werkstücken

a Schweißnahtdicke

h Nahtüberhöhung

t_p Einbrandtiefe

t k Tiefe der Einbrandkerbe phi_ü Nahtübergangswinkel

phi_p Anstellwinkel zwischen Schweißbrenner und Werkstück in Richtung der Schweißnaht (in Fig. 6 nicht darge stellt)

phi_w Arbeitswinkel zwischen Schweißbrenner und Werkstück in Richtung quer zur Schweißnaht

Neben diesen beispielhaft angeführten Parametern zur Charakteri sierung einer Schweißnaht existieren noch viele andere Parame ter, welche ebenfalls für die Durchführung des gegenständlichen Verfahrens herangezogen werden können und mit entsprechenden Sensoren aufgenommen werden können. Beispielsweise können die Spritzermenge, Bindefehler, die Anzahl von Poren in der Schweiß naht sowie die Reproduzierbarkeit als Schweißparameter genannt werden, welche die Schweißung charakterisieren können.

Die Fig. 7a-7c zeigen nun anhand eines Beispiels das Auffinden optimaler Schweißparameter für eine bestimmte Schweißaufgabe. In diesem Beispiel besteht die Aufgabe darin, die Nahtüberhöhung h einer Schweißnaht möglichst gering zu halten, indem der Anstell winkel phi_p des Schweißbrenners gegenüber dem Werkstück und der Arbeitswinkel phi_w des Schweißbrenners entsprechend variiert und daraus die optimalen Parameter gewählt werden. Dementspre chend werden bei diesem Beispiel Testschweißungen vorgenommen, bei welchen der Anstellwinkel phi_p von einem Anfangswert zu ei nem Endwert entlang der Testschweißnaht von einem Testwerkstück geändert wird und bei einer weiteren Testschweißung der Arbeits winkel phi_w von einem Anfangswert zu einem Endwert entlang der Testschweißbahn verändert wird. Die resultierenden Testschweiß nähte an diesen Testwerkstücken werden vermessen und ein der Nahtüberhöhung h entsprechendes Sensorsignal aufgezeichnet . So mit resultieren Verläufe der Nahtüberhöhung h in Abhängigkeit des Anstellwinkels phi_p (Fig. 7a) und h in Abhängigkeit des Ar beitswinkels phi_w (Fig. 7b) .

Nach Definition eines Gütefunktionais G in Abhängigkeit der Nahtüberhöhung h resultiert ein Flächenverlauf für die Nahtüber höhung h in Abhängigkeit des Anstellwinkels phi_p und des Ar beitswinkels phi_w, wie im Diagramm der Fig. 7c skizziert. Das Gütefunktional G besitzt zumindest ein Optimum, im gegenständli- chen Beispiel zumindest ein Minimum, welches einfach ermittelbar ist und eine Rückrechnung auf die optimalen Werte für den An stellwinkel phi_p _0pt und den Arbeitswinkel phi_w _0pt zulassen.

Bei realen Schweißungen werden mehr als zwei Schweißparameter variiert, resultierend in einer mehrdimensionalen Funktion des Gütefunktionais G in Abhängigkeit der jeweiligen variierbaren Schweißparameter Pi(x) .

Das gegenständliche Verfahren erlaubt ein rasches Auffinden idealer Schweißparameter P _{i 0pt} aus einer Vielzahl an gesammelten Daten anhand von Testschweißungen, welche anhand von Testwerk stücken durchgeführt wurden, ohne dass entsprechende Experten oder Spezialisten auf dem Gebiet der Schweißtechnik unmittelbar beigezogen werden müssen.