Verfahren und Meßanordnung zum Messen der Schweißnahtgeometrie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zum Messen der Schweißnahtgeometrie beim Schweißen von Überlappnähten, Bandnähten, Drahtnähten oder Auftragsnähten bei schweißbaren Materialien, die mittels einer Heißluftdüse, Heißlu tkeils oder eines Heizkeils erwärmt und anschließend mittels Andrückelementen mit einer vorgegebenen Fügekraft zusammengefügt werden.

Um beispielsweise Materialbahnen mit Überlappnähten problemlos verschweißen zu können, werden diese überlappt ausgerollt und dann mit geeigneten Schweißgeräten verschweißt. Diese weisen im wesentlichen eine Heizeinrichtung, wie Heißluftdüse, Heißluftkeil oder Heizkeil, auf, die zwischen den sich überlappenden und zu verschweisenden Materialien geführt wird sowie Andrückelementen, die mit einer vorgegebenen Fügekraft die erwärmten Materialien zusammenpressen. Dabei wird ein Teil des erwärmten Materials seitlich herausgeguetscht. Um eine optimale Schweißverbindung zu erhalten, ist das Zusammenwirken der Schweißparameter Temperatur, Druck und Geschwindigkeit während des Schweißvorgangs erforderlich. Es ist daher bekannt, die sich daraus ergebende Schweißnahtgeometrie kontinuierlich zu messen und in Abhängigkeit der dabei erhaltenden Werte die einzelnen Parameter anzupassen. Dies ist insbesondere beim

ORIGINALUNTERLAGEN

Verschweißen von Materialbahnen im Freien erforderlich, wenn beispielsweise die Sonne das Material stärker aufheizt oder bei Regen kühlt. Üblicherweise werden bei einer Doppelnaht zwei Schweißnähte in einem Vorgang gelegt, die durch einen sogenannten Prüfkanal getrennt sind. Nach der Schweißung wird in den Prüfkanal Luft oder Wasser gepumpt, bis die Luft oder das Wasser am Ende des Prüfkanals austritt. Anschließend wird das eine Ende verschlossen und am anderen Ende ein Prüfdruck angelegt, der innerhalb einer bestimmten Zeit nicht über ein bestimmtes Maß abfallen darf.

Aufgrund von ausgiebigen Zeitstandversuchen ist nachgewiesen, daß die Schweißnahtgeometrie den wesentlichen Faktor für die Güte und Qualität einer Schweißnaht repräsentiert. Unter Schweißnahtgeometrie wird in diesem Zusammenhang die Dickenminderung im Nahtbereich angesehen, die innerhalb einer bestimmten Bandbreite (beispielsweise bei PE-HD 0,2 bis 0,8 mm) liegen muß. Eine in der zulässigen Bandbreite liegende Schweißnahtgeometrie (auch Fügweg genannt) reflektiert ein optimales Zusammenwirken der Schweißparameter Temperatur, Druck und Geschwindigkeit auch bei sich ändernden Witterungseinflüssen während des Schweißvorgangs.

Bei den bisher bekannten Verfahren und Meßanordnungen stellt es immer ein Problem dar, möglichst genau den Fügeweg, d. h. die Dickenminderung im Nahtbereich möglichst exakt und direkt an der Schweißstelle zu erfassen, um das Ergebnis unmittelbar in den Schweißvorgang einfließen zu lassen. Eine zu weit von der Schweißstelle entfernte Meßstelle bewirkt erst nach einer gewissen Länge einer fehlerhaften Schweißnaht eine Korrektur der Schweißparameter in der Schweißmaschine.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die das unmittelbare

Messen der Schweißnahtgeometrie während des Schweißvorganges gestattet.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und einer Meßanordnung gemäß dem Anspruch 5 gelöst.

Nach dem erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahren wird in bekannter Art und Weise beim Schweißen von Überlappnähten, Bandnähten, Drahtnähten oder Auftragsnähten das Material mittels einer Heißluftdüse, Heißluftkeil oder eines Heizkeils erwärmt und anschließend mittels Druck, zum Beispiel unter Verwendung von gegenüberliegenden Andrückelemente, mit einer vorgegebenen Fügekraft zusammengefügt. Beim Zusammenfügen wird der Abstand .der Andrückelemente mittels Sensorelementen kontaktlos erfaßt und aus der Differenz zwischen der gesamten Materialdicke der unverschweißten Bahnen und dem Abstand der Andrückelemente der Fügeweg als Maß für die Güte der Schweißnaht ermittelt. Durch die kontaktlose Erfassung des Abstandes der Andrückelemente an der Schweißstelle erfolgt eine optimale und direkte Messung auf deren Ergebnisse direkt beim Schweißvorgang reagiert werden kann. Durch Subtraktion der Schweißnahtdicke von der Materialdicke der unverschweißten Bahnen (zwei, drei oder mehr) kann dann festgestellt werden, ob die Schweißnahtgeometrie in dem für ausreichende Güte erforderlichen Bereich liegt. Die Erfassung des Abstands der Andrückelemente kann je nach Anbringung der Sensorelementen kontaktlos auf optischem oder magnetischem Weg oder mittels Ultraschall erfolgen.

Vorzugsweise wird als Sensorelement ein Halleffektsensor verwendet, wobei das Magnetfeld für den Halleffektsensor mittels zwei Magneten erzeugt wird, wovon der eine mit einem ersten Andrückelement und der zweite mit einem zweiten Andrückelement verbunden ist, so daß jede Veränderung des Abstands der Andrückelemente auch eine Abstandsveränderung der Magnete bewirkt. Die Abstandsänderung kann derart erfolgen, daß der eine Magnet

in seiner Position gehalten wird, während der andere sich relativ dazu bewegt. Im Rahmen des Verfahrens ist es jedoch auch möglich, daß beide Magnete sich relativ zueinander bewegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Meßwertaufnahme mittels im Bereich jeder Stirnseite von zwei Andrückrollen angeordneten Halleffektsensoren mit Magneten durchgeführt und aus den aufgenommenen Werten der arithmetische Mittelwert ermittelt. Damit kann die Genauigkeit der Fügewegerfassung erhöht werden.

Die Meßanordnung umfaßt einen starr mit einem ersten

Andrückelement verbundenen ersten Magneten und einen starr mit einem zweiten gegenüberliegenden Andrückelement verbundenen zweiten Magneten, die einander gegenüber angeordnet sind und zwischen sich ein Magnetfeld erzeugen, und einen in dem Magnetfeld angeordneten Halleffektsensor, der in Abhängigkeit der Stärke des Magnetfeldes ein elektrisches Signal erzeugt und dieses zu Weiterverarbeitung an eine Auswerteeinheit weiterleitet. Die Andrückelemente können beispielsweise als in entsprechenden Lagerelementen drehbar gelagerte

Andrückrollen ausgebildet sein. Bei den Magneten handelt es sich zweckmäßigerweise um Permanentmagnete, da für die Messung ein gleichmäßiges von den Magneten erzeugtes Magnetfeld erforderlich ist. Grundsätzlich könnte das Gleiche mit allerdings aufwendigeren Elektromagneten auch erreicht werden. Die Magneten sind fest mit den jeweiligen Andrückelementen wie beispielsweise Lagerelementen, an denen die Andrückrollen drehbar gelagert sind, verbunden, so daß jede Abstandsänderung der Andrückelemente auch eine Abstandsänderung der Magnete bewirkt. Dazu werden die Magnete und auch der Halleffektsensor fest in die Lagerelemente eingegossen, um sie auch vor mechanischer Beschädigung und Vibration zu schützen, wobei ein kleinerer Magnet, als Hilfsmagnet bezeichnet, mit dem

Halleffektsensor in einem Lagerelement und der andere Magnet, als Hauptmagnet bezeichnet, in dem anderen Lagerelement angeordnet wird. Dadurch ist der Abstand zwischen Halleffektsensor und Hilfsmagnet konstant, was für eine Abstandsmessung zum Hauptmagneten unbedingt erforderlich ist. Der Abstand zwischen dem Hauptmagnet und dem Halleffektsensor wird durch die Öffnungsgröße der Andrückelemente bestimmt. Entsprechend der vom Halleffektsensor empfangenen Magnetfeldstärke des Hauptmagneten erzeugt dieser ein analoges Ausgangssignal, welches den Abstand zwischen den Andrückelemente angibt. Beim Schweißen der Dichtungsbahnen verändert sich der Abstand zwischen der Andrückelemente in Folge der Dickenminderung der Schweißnaht, so daß diese Veränderung kontaktlos erfaßt wird. Zweckmäßigerweise wird als Halleffektsensor ein Halleffekthybrid mit den entsprechenden integrierten elektronischen Schaltkreisen eingesetzt, so daß ein für die Weiterverarbeitung geeignetes analoges Signal abgegeben wird. Dieses Signal wird in einer Auswerteeinheit, in der zuvor die Gesamtmaterialdicke des unverschweißten Material eingegeben wurde, ausgewertet und entsprechend zur Anzeige gebracht. Die Signalaufbereitung und Auswertung erfolgt in einer dem Fachmann geläufigen Art und Weise, in dem beispielsweise die erzeugte Analogspannung von der Messung der Schweißnahtdicke mittels analogen Operationsverstärkern aufbereitet und von einem Analog/Digital-Wandler eines Mikroprozessors eingelesen wird. Für die Linearisierung der Signale wird ein Polynom errechnet und in den Berechnungs- Algorithmus eingesetzt. Der Mikroprozessor errechnet dann die Schweißnahtgeometrie (Fügeweg) aus der Differenz aus der Gesamtmaterialdicke und der Schweißnahtdicke.

Je nach Anordnung und Aufbau der Andrückelemente kann die Anordnung der Magnete und des Halleffektsensors an verschiedenen Stellen erfolgen. Bei entsprechender Anordnung von Andrückrollen an den zugehörigen Lagerelementen, beispielsweise direkt an den oder seitlich

der Stirnseiten der Andrückrollen ist es auch möglich, eine Genauigkeitsverbesserung bei der Messung durch die Verwendung von zwei Halleffektsensoren mit zugeordneten Magneten an jeweils einer Stirnseite zu erreichen. Je nach Aufbau der Schweißeinrichtung, bei der die Meßanordnung Verwendung findet, können beide Andrückelemente oder nur ein Andrückelement in Richtung auf die Materialbahn beweglich ausgestaltet sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen für die Meßanordnung zu entnehmen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der erste Magnet zusammen mit dem Halleffektsenεor an dem oberen Andrückelement und der zweite Magnet an dem unteren Andrückelement angeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Anordnung im Hinblick auf elektrischen Zuleitungen und die mechanische Stabilität. Bei vielen Schweißgeräten ist es zweckmäßig, nur ein Andrückelement in Richtung auf die Materialbahn beweglich auszugestalten. Daher ist die Anordnung des Halleffektsensors in Bereichen des oberen und damit auch beweglich ausgestalteten Andrückelements vorteilhaft.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet der erste Magnet als Hilfsmagnet ausgestaltet, mit dem Halleffektsensor eine feste Einheit, so daß der Abstand zwischen diesen beiden unveränderlich ist und die Einheit in dem Andrückelement, vor mechanischer Beschädigung und Vibrationen geschützt, eingegossen ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind die Magnete mit Halleffektsensor an mindestens einer Stirnseite der Andrückelemente und somit seitlich der Schweißnaht angeordnet. Dies vereinfacht den mechanischen Aufbau der Andrückelemente, beispielsweise der Lagerelemente der Andrückrollen, und der Meßanordnung. Dadurch kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erste Magnet und der Halleffektsensor in einem Sensorbalken eingegossen werden,

der die Achse der Andrückrolle bildet oder vorzugsweise parallel zu dem Andrückelement angeordnet ist. Somit erfolgt die Anbringung der Meßanordnung in platzsparender und bei der Fertigung in kostengünstiger Art und Weise. Die Anordnung ermöglicht darüberhinaus ohne großen Mehraufwand die Anordnung von Magneten mit einem Halleffektsensor auf jeder der beiden Stirnseiten der Andrückelemente, so daß dadurch die Genauigkeit der Messung erhöht werden kann.

Das erfindungsgemäß ausgestaltete Vefahren und die Meßanordnung haben den Vorteil, daß sie bei allen verschweißbaren Materialien, wie beispielsweise PE, PVC, ECB, CSPE, EPDM, Bitumen und dergleichen in Bahnen oder Platten, und auch bei allen Arten von Schweißnähten angewendet werden können. Die erfindungsgemäß ausgestaltete Meßanordnung ist bei allen Schweißmaschinen, wie Heißluft-, Heißluftkeil- oder Heizkeilmaschinen einsetzbar. Die Messung mit der Meßanordung erfolgt direkt an der Schmelze, so daß eventuelle Fehler direkt in den Schweißvorgang einfließen können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es stellen dar:

Figur 1 ein Schnittmodell einer Überlappschweißung;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung des Heizsystems;

Figur 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Schweißautomaten;

Figur 4 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des

Sensorbalkens und des Lagerelements für die untere Andrückrolle;

Figur 5 eine Schnittdarstellung;

Figur 6 ein Blockschaltbild, daß das Prinzip der Auswertung darstellt; und

Figur 7 ein Meßprotokoll von einem Schweißvorgang.

in Figur 1 ist ein Schnittmodell einer Überlappschweißung mit einem Prüfkanal dargestellt. A kennzeichnet die Dicke der oberen und unteren Materialbahn, B die Dicke der Schweißnaht, C die Breite des Prüfkanals und D die Breite der Schweißung. Die Schweißnahtgeometrie (Fügeweg) ergibt sich aus: A-B.

Bei dem in Figur 2 εchematiεch dargestellten Schnittmodell des Heizsystems wird die obere Materialbahn 1 und die untere Materialbahn 2 in dem Bereich der Überlappung mittels einer zwischen den Materialbahnen geführten

Schweißdüse 3 erwärmt. Direkt nach dem Heißluftaustritt 4 werden die Materialbahnen mittels Andrück- und Antriebsrollen 5 und 6 mit der gewünschten Fügekraft zusammengefügt. Die Rollen 7 dienen als Niederhalter. Durch diesen Aufbau ergeben sich drei aufeinander abgestimmte Heizzonen 8, 9 und 10, wobei in der Heizzone 8 mit dem Heizstrom 8' das Vorwärmen und Säubern des Materials, in der Heizzone 9 die Kontaktwärme und in der Heizzone 10 die Materialdurchwärmung erfolgt. Mit dem Pfeil ist die Schweißrichtung markiert.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Heißluft- Schweißautomat 11 der in seinem Gehäuse 12 eine nicht dargestellte Steuerung mit Auswerteeinheit aufweist. An dem Gehäuse 12 befindet sich ein Drucker 13 für das Ausdrucken von Meßprotokollen sowie ein Display 14 und eine Tastatur 15 für die Eingabe der für den reibungslosen Schweißvorgang erforderlichen Daten, unter anderem auch der Gesamtmaterialstärke der unverschweißten Materialbahnen.

Das Gehäuse 12 ist an einem Rahmen 16 befestigt, der eine Heizeinrichtung 17 mit einer keilförmigen Heißluftdüse 18 aufweist. An dem Rahmen 16 befindet sich eine obere Andrückrolle 5 und eine untere Andrückrolle 6, die in einem ensprechenden Lagerelement 19 bzw. 20 drehbar gelagert sind. Das obere Lagerelement 19 ist beweglich an dem Rahmen 16 gehalten, so daß der Anpreßdruck der Rolle eingestellt werden kann. Das untere Lagerelement 20 ist starr mit dem Rahmen 16 verbunden. Das obere Lagerelement 19 weist einen Sensorbalken 21 auf, der mit Halleffektsensoren 22 (vgl. Figur 4) sowie Hilfsmagneten 23 ausgestattet ist. Der Sensorbalken 21 in der Figur 3 ist parallel vor der Andrückrolle 5 angebracht, so daß die Halleffektsensoren 22 zwischen dem Hilfsmagneten 23 und in dem unteren

Lagerelement 20 befestigten Hauptmagneten 24 seitlich der Stirnseiten der Andrückrollen und seitlich der Schweißnaht angeordnet sind. Die Andrückrolle 5 und der Sensorbalken 21 sind am Pendelkopf 31 des Heißluftschweißautomaten 11 befestigt. Der Pendelkopf sorgt für ein optimale, parallele Fügekraftverteilung auf die beiden Andrückrollen. Bei Materialtoleranzen der Dichtungsbahnen oder beim Schweißen eines T-Stoßes (Anschweißen einer dritten Materialbahn an bereits zwei miteinander verschweißten Materialbahnen) ist zwar die Fügekraftverteilung parallel, jedoch die Dickenmessung der äußeren und inneren Schweißnaht unterschiedlich.

Figur 4 zeigt in vergrößerter Darstellung den Sensorbalken 21 und das Lagerelement 20 mit zwei Hauptmagneten 24, die fest in das als Aluminiumgußteil ausgebildete Lagerelement 20 integriert sind. In den Sensorbalken 21, der ebenfalls als Aluminiumgußteil ausgebildet ist, sind die Halleffektsensoren 22 zusammen mit dem entsprechenden Hilfsmagneten 23 eingegossen. Die Halleffektsensoren 22 und die Hilfsmagneten 23 bilden eine Einheit, so daß der Abstand zwischen diesen unverändert ist und eine sichere Betriebsweise des Geräts gestattet. Die Halleffektsensoren sind als sogenannte Halleffekthybride mit der

entsprechenden Auswerteelektronik ausgestattet. Die Öffnung 25 dient für die Herausführung der elektrischen Kabel. Die Magnete können im Abstand und Dimension so kalkuliert und plaziert werden, daß sich im Nullpunkt die Magnetfelder aufheben. Damit ist ein negativer und positiver Meßbereich möglich. Dieser Meßaufbau bietet hohe Genauigkeit und unendliche Auflösung.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch das Auεführungsbeispiel. Die beiden in dem Sensorbalken 21 angeordneten Halleffektsensoren 22 mit den Hilfsmagneten 23 sind an der Stirnseite 26 der oberen Andrückrolle 5 und die Hauptmagnete 24 an den Stirnseiten 27 der unteren Andrückrolle 6 angeordnet. Die Andrückrollen 5, 6 sind so ausgestaltet, daß in der Mitte der unverschweißte Teil für den Prüfkanal übrig bleibt. Grundsätzlich könnten dafür auch jeweils zwei getrennte Rollen vorgesehen sein. Der mit den Pfeilen gekennzeichnete Abstand der beiden Andrückrollen ergibt das Dickemaß für die Messung aus dem dann der Fügeweg ermittelt wird. Der Abstand zwiεchen dem Hauptmagneten 24 und den Halleffektsensoren 22 wird durch die Öffnungsgröße der Andrückrollen bestimmt. Als Halleffektεenεoren und Magnete werden übliche im Handel erhältliche Elemente verwendet.

Figur 6 zeigt ein prinzipielles Blockdiagramm mit den Halleffektsensoren 22, die über eine Abgleich- und Verstärkerschaltung 28 mit einem Analogdigitalwandler 29 verbunden sind. Der Analogdigitalwandler ist ein Teil eines Mikroprozessors 30 in dem die Auswertung der von den Sensoren erfolgten Signale unter Berücksichtigung der über die Tastatur 15 eingegebenen Werte erfolgt, indem aus den beiden Meßergebnissen der arithmetische Mittelwert errechnet, anschließend die Signale linearisiert und der Fügeweg aus der maximalen Materialdicke abzüglich der Schweißnahtdicke berechnet und über den Drucker 13 zum Ausdruck gebracht wird.

In Figur 7 ist beispielhaft ein derartiges Druckprotokoll mit Verlaufkurve der Schweißung zu entnehmen. Das Druckprotokoll gibt den Meßbereich sowie die Maximal- und Minimalwerte der Schweißtemperatur, der

Schweißgeschwindigkeit, des Fügedruckes, der Schweißnahtdicke und des Fügewegs an. Darüberhinaus wird noch die Materialdicke, die Umgebungstemperatur und die Nahtlänge ausgedruckt. Der Ausdruck weiterer physikalischer Größen sowie Meß- und Prüfergebnisse ist möglich.