DE10034010A1 - Verfahren zur Bolzenprüfung und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Schweißverbindung eines in einem Kontaktbereich (4) auf ein flächenhaft ausgedehntes Blech (6) aufgeschweißten Bolzens (8), insbesondere eines im Hubzündverfahren aufgeschweißten Stehbolzens, wobei sich beim Schweißvorgang im Blech unterhalb des Kontaktbereichs (4) ein Schweißbad (10) mit verändertem Materialgefüge ausbildet, mittels gerichteten Ultraschallsignalen, die folgenden Verfahrensschritte umfassend: Einschallen von Ultraschallsignalen in das Blech (6) mittels eines gerichteten und schräg einschallenden Ultraschallsenders (1) an einem Einkoppelort (A), Auskoppeln der durch das Blech (6) transmittierten Ultraschallsignale an einem Auskoppelort (B) mittels eines Ultraschallempfängers (2), wobei der Auskoppelort (B) im Schalllaufweg der ungestörten Signalausbreitung der eingeschallten Ultraschallsignale im Blech (6) liegt, wobei der Schalllaufweg im Blech (6) zwischen Einkoppelort (A) und Auskoppelort (B) in einem solchen Abstand vom Kontaktbereich (4) verläuft, dass das Schweißbad (10) einer als intakt zu klassifizierenden Schweißverbindung vom Schalllaufweg der Ultraschallsignale erfasst wird, und Erfassen der Intensität der vom Einkoppelort (A) zum Auskoppelort (B) transmittierten Ultraschallsignale.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur zerstörungs­ freien Prüfung von Schweißverbindungen zwischen Blechen und darauf auf­ geschweißten Bolzen, insbesondere von im Hubzündverfahren aufge­ schweißten Stehbolzen. Solche mittels Kurzzeitschweißverfahren aufge­ schweißten Bolzen verschiedener Geometrien werden in den unterschied­ lichsten Anwendungsgebieten verwendet, beispielsweise in der Automobilin­ dustrie als Befestigungselemente im Karosseriebau. Die Kurzzeitschweiß­ verfahren sind weitgehend automatisiert und werden in der Industrie viel­ fach eingesetzt. Problematisch ist bislang eine Güteüberwachung der auto­ matisiert erstellten Schweißverbindungen. Eine solche ist vielfach unerläss­ lich, da mittels aufgeschweißter Stehbolzen oftmals sicherheitsrelevante Verbindungen realisiert werden.

Bislang sind die einzigen in der Praxis realisierten Prüfverfahren rein me­ chanische Prüfverfahren. Diese beruhen auf der Ermittlung mechanischer Kenngrößen der zu prüfenden Schweißverbindungen, hier insbesondere des Abzugs-, Knick- oder Abdrehmoments des aufgeschweißten Bolzens. Prob­ lematisch an den mechanischen Prüfverfahren ist jedoch, dass eine Vor­ schädigung und damit ein mögliches späteres Versagen der geprüften Schweißverbindung nicht ausgeschlossen werden kann.

Bislang bekannte zerstörungsfreie Prüfungsverfahren, welche auf der Ver- wendung von Ultraschall basieren, beruhen im wesentlichen darauf, die Dämpfung von Ultraschallsignalen, die sich in Richtung der Längsachse des aufgeschweißten Bolzens ausbreiten, bei der Reflektion an bzw. Transmissi­ on durch das Schweißbad der zu prüfenden Schweißverbindung zu erfassen. Dabei wurde bislang ausschließlich von Longitudinalwellen Gebrauch ge­ macht. Realisiert wurden solche Prüfverfahren mittels senkrecht einschal­ lender Prüfköpfe, die im Einkopfbetrieb verwendet wurden. Wegen der im allgemeinen unebenen Bolzenkopffläche erfolgte die Einleitung der Longitu­ dinalwellen rückseitig von der glatten Blechoberfläche aus. Es wurden somit in Richtung der Längsachse des Bolzens arbeitende Impuls-Reflektions- Verfahren eingesetzt.

Derartige Prüfverfahren, welche auf der Verwendung von Ultraschall basie­ ren, haben bislang nicht den Zuverlässigkeitsgrad erreicht, dass sie stan­ dardmäßig zur Prüfung von Schweißverbindungen zwischen Bolzen und Ble­ chen herangezogen werden können. Diese Ultraschallprüfverfahren zeigten eine mangelhafte Korrelation zwischen den Ergebnissen der Ultraschallprü­ fung und denjenigen der mechanischen Prüfverfahren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein zerstörungsfreies Prüf­ verfahren anzugeben, welches auf der Verwendung von Ultraschall basiert und eine Prüfung der Schweißverbindung zwischen einem auf ein Blech auf­ geschweißten Stehbolzen und dem Blech erlaubt und gleichzeitig eine deut­ lich bessere Korrelation mit den Ergebnissen mechanischer Prüfverfahren aufweist als bisherige Ultraschallprüfverfahren. Insbesondere soll ein Ver­ fahren angegeben werden, welches vorteilhaft im Rahmen der automatisier­ ten Erstellung und Prüfung der Schweißverbindungen eingesetzt werden kann. Weiterhin soll eine Vorrichtung angegeben werden, welche zur Aus­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass intakte Schweißver­ bindungen von mangelhaften Schweißverbindungen anhand des Durchmes­ sers des Schweißbades unterschieden werden können. Als Schweißbad wird der Teil des Blechs bezeichnet, in dem sich das Materialgefüge durch den Schweißvorgang dem walzfreien Blech verändert hat. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert daher auf einer Erfassung des Schweißbaddurchmessers. Als Entscheidungskriterium dient in erster Linie, ob ein für eine konkrete Schweißverbindung vorgegebener Mindestdurchmesser des Schweißbades erreicht ist oder nicht.

Selbstverständlich ist dieser Mindestschweißbaddurchmesser abhängig von den speziellen Parametern der zu prüfenden Schweißverbindung. Insbeson­ dere gehen hier ein die Geometrie des aufgeschweißten Stehbolzens, die Geo­ metrie des Blechs, die Materialeigenschaften von Stehbolzen und Blech so­ wie die speziellen Eigenschaften des verwendeten Schweißverfahrens. Für eine vorgegebene Kombination von Stehbolzen und Blech und ein bestimm­ tes Schweißverfahren kann beispielsweise im Rahmen von Vorversuchen der Durchmesser des Schweißbades mittels des erfindungsgemäßen zerstö­ rungsfreien Prüfverfahrens ermittelt werden. Anschließend kann unter Ver­ wendung der vorbekannten mechanischen Prüfverfahren ermittelt werden, ab welchem Mindestdurchmesser des Schweißbades die zu prüfenden Schweißverbindungen als intakt anzusehen sind. Auf diese Weise kann ein Norm-Mindestradius des Schweißbades ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren, welches zur vorzugsweise automati­ sierten Prüfung solcher Schweißverbindungen verwendet wird, beruht dann im wesentlichen darauf, die zu prüfende Schweißverbindung daraufhin zu untersuchen, ob der im Rahmen der Vorversuche ermittelte Norm- Mindestradius des Schweißbades im konkreten Fall erreicht oder nicht er­ reicht wurde. Auf diese Weise ist eine sichere Klassifikation der zu prüfenden Schweißverbindung möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer gerichteten Ausbreitung von Ultraschallsignalen im Blech, auf das ein Stehbolzen aufgeschweißt ist. Dabei weist die Schallausbreitungsrichtung der Ultraschallsignale zumindest eine in Ausdehnungsrichtung des Blechs gerichtete Komponente auf. Damit können die Ultraschallsignale an einem ersten Punkt A in das Blech einge­ schallt werden und an einem zweiten Punkt B aus dem Blech ausgekoppelt werden. Dabei sind die Punkte A und B räumlich voneinander getrennt. Die Einschallung der Ultraschallsignale erfolgt dabei mittels eines schräg ein­ schallenden Ultraschallsenders am Einkoppelort A. Die Auskopplung der Ultraschallsignale am Auskoppelort B erfolgt mittels eines Ultraschallemp­ fängers, der vorzugsweise eine besondere Empfindlichkeit für schräg einfal­ lende Ultraschallsignale aus der Richtung des Einkoppelpunktes A aufweist. Insbesondere kann der Ultraschallempfänger im wesentlichen die gleichen ultraschallakustischen Eigenschaften aufweisen wie der Ultraschallsender. Im allgemeinen wird der Schallaufweg zwischen dem Einkoppelort A und dem Auskoppelort B eine Mehrzahl von Reflektionen an den Oberflächen des Blechs aufweisen. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen dem Einkoppel­ ort A und dem Auskoppelort B so gewählt, dass für vorgegebene Materialei­ genschaften des Blechs sowie Ultraschallparameter der ungestörte Schall­ laufweg der am Einkoppelort A in das Blech eingeschallten Ultraschallsig­ nale im wesentlichen den Auskoppelort B trifft.

Zur Prüfung einer Schweißverbindung mittels des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens werden der Einkoppelort A und der Auskoppelort B so auf dem Blech plaziert, dass die Verbindungslinie zwischen beiden Punkten A und B zumindest durch den Randbereich der zu prüfenden Schweißverbindung verläuft. Der minimale Abstand der Verbindungslinie zwischen beiden Punkten vom Zentrum des Kontaktbereichs ist dabei mit d bezeichnet. Durch Parallel-Verschieben der Verbindungslinie zwischen A und B kann nunmehr prinzipiell das gesamte Schweißbad der zu prüfenden Schweißver­ bindung von den Ultraschallsignalen überstrichen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass das Schweißbad der zu prüfenden Schweißverbindung aufgrund seines veränderten Materialge­ füges andere ultraschallakustische Eigenschaften aufweist als das Material­ gefüge des Blechs, welches im allgemeinen in einem Walzprozess hergestellt ist. Diese veränderten ultraschallakustischen Materialeigenschaften des Schweißbades führen zu einer verminderten Transmission zwischen dem Einkoppelpunkt A und dem Auskoppelpunkt B, wenn zwischen beiden Punkten das Schweißgefüge liegt, das heißt, wenn die Ultraschallsignale auf ihrem Weg von A nach B auf das Schweißbad treffen.

Wird die Intensität der vom Punkt A zum Punkt B transmittierten Ultra­ schallsignale, ortsaufgelöst als Funktion des Abstands d aufgenommen, so kann anhand des sich ergebenen Kurvenverlaufs die Größe des Schweißba­ des bestimmt werden. Die ortsaufgelöste Erfassung der Intensität der Ultra­ schallsignale kann insbesondere dazu verwendet werden, im Rahmen der beschriebenen Vorversuche den Durchmesser als intakt einzustufender Schweißverbindungen zu ermitteln. Hierbei wird vorteilhaft für eine gegebene Schweißverbindung ein Norm-Mindestradius des Schweißbades der zu prü­ fenden Schweißverbindung ermittelt, bei dessen Überschreitung die zu prü­ fende Schweißverbindung als intakt klassifiziert wird. Bei Unterschreiten des Norm-Mindestradius wird die zu prüfende Schweißverbindung dagegen als mangelhaft klassifiziert. Bei der praktischen Prüfung kann beispielsweise ei­ ne normierte Signalstärke an der Flanke des sich ergebenden Verlaufs der Ultraschallintensität verwendet werden.

In einer ersten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche sich besonders vorteilhaft im Rahmen automatisierter Fertigungs- und Prüfungs­ verfahren einsetzen lässt, wird die Schwächung von Ultraschallsignalen er­ fasst, die sich in einem Abstand x am Zentrum der zu prüfenden Schweiß­ verbindung vorbei vom Punkt A zum Punkt B bewegen. Dieser kleinste Ab­ stand x des Schallaufwegs ist äquivalent zu dem kleinsten Abstand d zwi­ schen der Verbindungslinie A-B und dem Zentrum des Kontaktbereichs, welcher mit d bezeichnet wird. Dabei wird dieser Abstand d so gewählt, dass die Verbindungslinie zwischen A und B auf dem oder innerhalb des Norm- Mindestradius des Schweißbades verläuft, welcher als mindestens erforder­ lich angesehen wird, um die Schweißverbindung als intakt klassifizieren zu können. Insbesondere kann d genau so gewählt werden, dass der Schall­ laufweg der Ultraschallsignale dann nicht mehr das Schweißbad der zu prüfenden Schweißverbindung erfasst, wenn dieses nicht den Norm- Mindestradius aufweist, das heißt, wenn die Schweißverbindung als man­ gelhaft zu klassifizieren ist.

Mittels mehrerer Weiterbildungen kann die Empfindlichkeit des erfindungs­ gemäßen Verfahrens weiter gesteigert werden. Eine erste Steigerung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dann, wenn transversal polarisierte Ultraschallsignale bei der Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Im Gegensatz zu den in den vorbekannten zerstörungsfreien Ultraschallprüfverfahren eingesetzten Lon­ gitudinalwellen weisen transversal polarisierte Ultraschallwellen eine deut­ lich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber dem Materialgefüge des Materials auf, in dem sie sich ausbreiten. Insbesondere erfahren transversal polari­ sierte Ultraschallwellen eine deutlich stärkere Schwächung im grobkörnige­ ren Materialgefüge des Schweißbades als Longitudinalwellen. In einer vor­ teilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden da­ her im Blech in erster Linie Transversalwellen angeregt. Als besonders vor­ teilhaft hat sich herausgestellt, wenn mindestens 75% bezogen auf die Ult­ raschalleistung der im Blech erzeugten Ultraschallsignale transversal pola­ risiert sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehr als 90% bezogen auf die Ultraschalleistung der in das Blech eingeschallten Ultraschallsignale trans­ versal polarisiert sind. Dabei ist es messtechnisch gesehen von großem Vor­ teil, wenn ein möglichst hoher Anteil an transversal polarisierten Ultra­ schallwellen im Blech erzeugt wird, da dies einerseits die Empfindlichkeit des Messverfahrens prinzipbedingt erhöht und andererseits die messtechni­ sche Auswertung der am Auskoppelort B empfangenen Ultraschallsignale deutlich vereinfacht. Eine Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher immer darauf abzielen, einen möglichst hohen Anteil an trans­ versal polarisierten Ultraschallsignalen in das Blech einzuschallen.

Dies kann vorteilhaft durch Anpassung des Einschallwinkels des Ultra­ schallsenders an die Materialeigenschaften des Blechs sowie die charakte­ ristischen Größen des eingestrahlten Ultraschalls wie der Frequenz gesche­ hen. Bei geeigneter Wahl des Einschallwinkels ist es möglich ausschließlich Transversalwellen im Blech anzuregen. Dieses Phänomen ist seit langem be­ kannt und kann in der entsprechenden Fachliteratur bezüglich der grundle­ genden Eigenschaften von Ultraschallwellen nachgelesen werden. Insbeson­ dere kann dabei eine vollständige Konversion der vom Ultraschallsender ausgestrahlten, im allgemeinen longitudinal polarisierten Ultraschallwellen in transversal polarisierte Ultraschallwellen im Blech erreicht werden.

Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Erkenntnis, dass bei intakter Schweißverbindung eine Einkopplung der sich im Blech von A nach B ausbreitenden Ultraschallsignale in den aufge­ schweißten Bolzen möglich ist. Eine solche Einkopplung der Ultraschallsig­ nale in den Bolzen führt zu einer weiteren Schwächung der durch das Schweißbad transmittierten Ultraschallsignale, das heißt, zu einer weiteren Abnahme der Signalintensität am Auskoppelort B. Um diesen Effekt mög­ lichst gut ausnutzen zu können, ist es erforderlich, den Schallaufweg der Ultraschallsignale im Blech so abzustimmen, dass der geometrische Schall­ laufweg möglichst genau den Kontaktbereich trifft, in welchem der Bolzen auf das Blech aufgeschweißt ist. Dies kann dadurch geschehen, dass die Ultraschallsignale in diesem Punkt eine Reflektion an der entsprechenden Oberfläche des Blechs erfahren. Ist die Schweißverbindung zwischen Blech und Bolzen korrekt ausgeführt, so wird dann eine besonders hohe Ein­ kopplung der Ultraschallsignale in den Stehbolzen erzielt.

Die vom Ultraschallsender in das Blech eingeschallten gerichteten Ultra­ schallsignale weisen im sogenannten Nahfeld einen Fokuspunkt auf, an dem der Schalldruck ein globales Maximum aufweist. Mit diesem globalen Maxi­ mum ist ein minimaler Durchmesser des gerichteten Ultraschallstrahls ver­ knüpft. Eine besonders hohe Ortsauflösung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens kann daher realisiert werden, wenn das Schweißbad der zu prüfenden Schweißverbindung im wesentlichen mit dem Fokus des gerichteten Ultra­ schallstrahls abgetastet wird. In Abhängigkeit von den Materialparametern des Blechs und den Eigenschaften des verwendeten Ultraschallsenders, ins­ besondere dessen Schwingungsfrequenz und Ausstrahlungscharakteristik kann ein Fokusdurchmesser von einem Millimeter und darunter realisiert werden. Damit kann der Durchmesser des Schweißbades unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne weiteres mit einer vergleichbaren Genauigkeit ermittelt werden, wenn die Länge des Schallaufwegs zwischen dem Einkoppelort A und dem Kontaktbereich der zu prüfenden Schweißver­ bindung etwa eine Nahfeldlänge beträgt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 bevorzugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist spe­ ziell dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Sie umfasst einen Ultraschallsender zur Einschallung von gerichteten Ultra­ schallsignalen in das Blech an einem Einkoppelort A und einen Ultraschall­ empfänger zur Auskopplung der vom Ultraschallsender in das Blech einge­ schallten und durch dieses transmittierten Ultraschallsignale an einem Auskoppelort B. Dabei ist der Ultraschallsender schräg einschallend ausge­ führt. Der Ultraschallempfänger ist so relativ zum Ultraschallsender ange­ ordnet, das er bei ungestörter Ultraschallsignalausbreitung im Blech, das heißt im Blech, auf welches kein Bolzen aufgeschweißt ist, im Schallaufweg der Ultraschallsignale liegt. Dabei ist der Ultraschallempfänger auf schräg einfallende Ultraschallsignale empfindlich. Insbesondere weist der Ultra­ schallempfänger die gleichen ultraschallakustischen Eigenschaften wie der Ultraschallsender auf. Weiterhin ist eine Abstandsvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen definierten Abstand d der Verbindungslinie zwischen Einkoppelort A und Auskoppelort B vom Zentrum des Kontaktbe­ reichs der zu prüfenden Schweißverbindung einzustellen.

Ist die Abstandsvorrichtung so ausgelegt, dass der Abstand d fest gewählt ist, so wird der Abstand d vorteilhaft kleiner gewählt als der Norm- Mindestradius des Schweißbades einer als einwandfrei zu klassifizierenden Schweißverbindung. Durch diese Wahl des Abstands d ist sichergestellt, dass der Schallaufweg der Ultraschallsignale stets das Schweißbad einer intakten Schweißverbindung durchläuft.

Weiterhin ergeben sich besondere Vorteile, wenn der fest gewählte Abstand d größer gewählt ist als der Normradius des Schweißbades einer als mangel­ haft zu klassifizierenden Schweißverbindung, der ebenfalls im Rahmen der Vorversuche ermittelt wurde.

Eine Kombination der beiden letztgenannten Merkmale ermöglicht es, eine Vorrichtung zu realisieren, deren Ultraschallsignale das Schweißbad einer intakten Schweißverbindung durchlaufen, dagegen das Schweißbad einer mangelhaften Schweißverbindung nicht berühren. Bei diesem Verlauf des Schallaufwegs im Blech ist eine sichere Klassifikation der zu prüfenden Schweißverbindung anhand der zwischen dem Einkoppelort A und dem Auskoppelort B auftretenden Schwächung, beispielsweise im Vergleich zu ungestörten Signalausbreitung in einem Blech ohne aufgeschweißten Bol­ zen, möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist die Abstandsvorrichtung so ausgestaltet, dass der Abstand d va­ riiert werden kann. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Abstandsvor­ richtung so ausgeführt ist, dass das gesamte Schweißbad der zu prüfenden Schweißverbindung mittels der Ultraschallsignale überstrichen werden kann, das heißt, der Schallaufweg der Ultraschallsignale zwischen dem Ein­ koppelort A und dem Auskoppelort B durch Variation des Abstands d über das gesamte Schweißbad hinweg parallel verschoben werden kann.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nun folgen­ den Diskussion von Ausführungsbeispielen, die nicht einschränkend zu ver­ stehen sind und anhand der Zeichnung erläutert werden. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Blech mit aufgeschweißtem Bolzen und aufge­ setztem Ultraschallsender sowie Ultraschallempfänger,

Fig. 2 eine schnittbildliche Seitenansicht des Blechs mit aufgeschweißtem Bolzen, wobei die Schnittebene durch die Längsachse des aufge­ schweißten Bolzens verläuft,

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Blech mit aufgeschweißtem Bolzen, wobei ex­ emplarisch zwei verschiedene Schweißbaddurchmesser gezeigt sind, und

Fig. 4 der ortsabhängige Verlauf der Schwächung der durch das Blech vom Punkt A zum Punkt B transmittierten Ultraschallsignale als Funktion des Abstands d vom Kontaktbereich.

Fig. 1 zeigt schematisch in Aufsicht eine Anordnung, welche zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Auf ein flächenhaft ausgedehntes Blech 6 wird ein Stehbolzen 8 aufgesetzt. Blech 6 und Bolzen 8 berühren sich in einem Kontaktbereich 4. Mittels eines geeigneten Schweißverfahrens, beispielsweise des Hubzündverfahrens, wird der Bolzen 8 auf das Blech 6 aufgeschweißt. Dabei bildet sich unterhalb des Bolzens 8 im Blech das sogenannte Schweißbad 10 mit verändertem Materialgefüge aus. Dieses ist in Fig. 1 schematisch in Aufsicht gezeichnet, in Fig. 2 ist es deutlicher im Schnitt zu sehen. Im allgemeinen hat das Schweißbad 10 die Form eines Tropfens.

Zur Prüfung der Schweißverbindung zwischen Blech 6 und Bolzen 8 ist ein Ultraschallsender 1 auf das Blech aufgesetzt, welcher am Einkoppelort A ge­ richtete Ultraschallsignale in das Blech einschallt. Diese Ultraschallsignale verlaufen unter einem von null Grad verschiedenen Winkel gegen die Nor­ male auf die Blechoberfläche am Einkoppelort A. Bei einer solchen schrägen Einschallung ergibt sich im allgemeinen der aus Fig. 2 ersichtliche zick­ zackförmige Schallaufweg der Ultraschallsignale. Die eingeschallten Ultra­ schallsignale werden jeweils an den Oberflächen des Blechs 6 reflektiert, wodurch sich die Ultraschallsignale längs der Ausdehnungsrichtung des Blechs ausbreiten. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Ultraschallsender 1 in einem solchen Abstand D vom Kontaktbereich 4 angeordnet ist, dass der Kontaktbereich 4, oder zumindest das Schweißbad 10 einer als intakt zu klassifizierenden Schweißverbindung im Schallaufweg liegt. Bei gegebenen Einschallwinkel im Blech muss dazu der Abstand D entsprechend angepasst gewählt werden. Gleichzeitig muss die Richtung der vom Ultraschallsender 1 in das Blech 6 eingeschallten Ultraschallsignale passend gewählt werden.

Die vom Ultraschallsender 1 am Einkoppelort A in das Blech 6 eingeschall­ ten Ultraschallsignale passieren den Kontaktbereich 4 bzw. das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung, erfahren dort eine mehr oder we­ niger starke Schwächung und breiten sich weiter im Blech 6 aus. Zur Aus­ kopplung dieser durch das Schweißbad 10 hindurch transmittierten Ultra­ schallsignale ist am Auskoppelort B ein Ultraschallempfänger 2 angeordnet. Der Auskoppelort B ist so gewählt, dass er im Schallaufweg der ungestörten Ultraschallsignale im Blech 6 liegt.

Als Ultraschallempfänger 2 wird ein Ultraschallempfänger verwendet, wel­ cher empfindlich ist auf unter einem von null Grad verschiedenen Winkel gegen die Flächennormale am Auskoppelort B einfallende Ultraschallsignale. Insbesondere können Ultraschallsender 1 und Ultraschallempfänger 2 im wesentlichen gleiche ultraschallakustische Eigenschaften aufweisen.

Aus der Aufsicht in Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Schallaufweg, welcher durch die Gerade durch die Punkte A und B angedeutet ist, am Zentrum des Kontaktbereichs 4, das heißt von der Längsachse des Bolzens 8, vorbei ver­ läuft. Je nach Wahl des Abstands d der Geraden durch A und B vom Zent­ rum des Kontaktbereichs 4 wird das Schweißbad der zu prüfenden Schweiß­ verbindung von den Ultraschallsignalen durchlaufen oder nicht. Je nach Be­ schaffenheit der zu prüfenden Schweißverbindung und Lage, an dem das Schweißbad der zu prüfenden Schweißverbindung durchlaufen wird, ergibt sich eine unterschiedlich starke Schwächung der vom Punkt A zum Punkt B transmittierten Ultraschallsignale. Die bei einem gegebenen Abstand d auf­ tretende Schwächung kann daher als Maß zur Beurteilung der räumlichen Ausdehnung des Schweißbades und damit der Güte der Schweißverbindung herangezogen werden.

Verschiebt man Ultraschallsender 1 und Ultraschallempfänger 2 kontinuier­ lich über das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung hinweg, so erhält man die transmittierte Intensität oder äquivalent die Dämpfung der transmittierten Ultraschallsignale als Funktion des Abstands d. Ein solcher ortsabhängiger Signalverlauf ist aus Fig. 4 ersichtlich. Dabei ist die gemes­ sene Dämpfung der transmittierten Ultraschallsignale im Vergleich zu unge­ störten Signalausbreitung im Blech ohne aufgeschweißten Bolzen 8 als Or­ dinate aufgetragen, als Abszisse dient der Abstand d der Verbindungsgera­ den zwischen A und B vom Zentrum des Kontaktbereichs 4. Die mit I ge­ kennzeichnete obere Kurve zeigt den Signalverlauf durch eine als intakt zu klassifizierende Schweißverbindung, deren Schweißbad 101 einen großen Durchmesser aufweist. Für große Abstandswerte d erkennt man, dass keine zusätzliche Dämpfung relativ zur ungestörten Signalausbreitung im Blech 6 auftritt. Sobald das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung in den Schallaufweg der Ultraschallsignale gerät, beginnt eine Schwächung der transmittierten Ultraschallsignale. Diese nimmt stetig zu bis zum Zentrum des Schweißbades 10. Hieran schließt sich ein im wesentlichen symmetri­ scher Abfall des Signals an.

Aus dem Kurvenverlauf kann direkt ein Schweißbaddurchmesser abgelesen werden. Als dieser kann beispielsweise derjenige Durchmesser definiert wer­ den, an dem die transmittierten Signale um beispielsweise drei Dezibel ge­ genüber den ungestörten Signalen abgefallen sind. Auf diese Weise können im Rahmen von Vorversuchen die Schweißbaddurchmesser von Schweißver­ bindungen ermittelt werden, welche dann mittels konventioneller mechani­ scher Prüfverfahren auf ihre Haltbarkeit hin überprüft werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen Schweißbaddurchmesser, oder äquivalent Schweißbadradius, zu ermitteln, welcher mindestens erforderlich ist, um die zu prüfende Schweißverbindung als intakt klassifizieren zu können. Im Rahmen von Vorversuchen wird eine größere Zahl von Schweißverbindungen geprüft, aus den Ergebnissen dieser Prüfung kann ein Norm-Mindest­ schweißbadradius bestimmt werden, ab dem eine Schweißverbindung als intakt klassifiziert werden kann.

Kurve II in Fig. 4 bezeichnet den Signalverlauf bei Prüfung einer als man­ gelhaft zu klassifizierenden Schweißverbindung, deren Schweißbad 102 ei­ nen verkleinerten Durchmesser aufweist. Dieses wird unmittelbar deutlich beim Vergleich der Kurven I und II.

Dieser Effekt kann vorteilhaft zur Unterscheidung zwischen intakten und mangelhaften Schweißverbindungen anhand einer einzigen Transmissions­ messung verwendet werden. Vorteilhaft wird der Abstand d der Verbin­ dungslinie zwischen A und B so gewählt, dass der Schallaufweg der Ultra­ schallsignale das Schweißbad einer als mangelhaft zu klassifizierenden Schweißverbindung gerade nicht mehr berührt, wohingegen er das Schweiß­ bad einer als intakt zu klassifizierenden Schweißverbindung im Randbereich durchläuft. Dementsprechend wird der Abstand d geringfügig kleiner ge­ wählt als der Norm-Mindestradius des Schweißbads 10 einer als intakt zu klassifizierenden Schweißverbindung.

Das Schweißbad 10 einer als mangelhaft zu klassifizierenden Schweißver­ bindung weist dagegen einen kleineren Radius auf, so dass es von den Ult­ raschallsignalen nicht mehr erfasst wird. Wird nun eine Schweißverbindung mit unbekanntem Schweißbadradius auf diese Weise geprüft, so ergibt sich im Fall einer mangelhaften Schweißverbindung keine oder nur eine geringe Schwächung der vom Punkt A und zum Punkt B transmittierten Ultraschall­ signale. Ist dagegen die Schweißverbindung intakt, so durchlaufen die Ultra­ schallsignale den Randbereich des Schweißbades 10 der Schweißverbindung und erfahren dort eine Schwächung. Es tritt daher eine Schwächung der vom Punkt A zum Punkt B transmittierten Ultraschallsignale auf.

Entsprechend der Vorgehensweise zur Bestimmung des Schweißbaddurch­ messers im Rahmen der Vorversuchen wird nun eine Schwelle festgelegt, ab welcher Mindestschwächung der vom Punkt A zum Punkt B transmittierten Signale das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung einen aus­ reichenden Durchmesser aufweist und somit als intakt zu klassifizieren ist.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden, wenn eine Vorrichtung verwendet wird, welche den Ultraschallsender 1 und den Ultraschallempfänger 2 relativ zueinander fixiert. Dabei ist der Abstand D des Ultraschallsenders 1 vom Zentrum des Kontaktbereichs 4 der zu prü­ fenden Schweißverbindung vorteilhaft so gewählt, dass der Kontaktbereich 4 bzw. das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung vom Schall­ laufweg der Ultraschallsignale erfasst werden. Der Abstand d zwischen der Verbindungslinie zwischen A und B wird mittels einer Abstandsvorrichtung fest eingestellt, welche beispielsweise mittels einer Einsetzbuchse mit Boh­ rung ausgeführt sein kann. Eine definierte Verschiebung um den Abstand d kann beispielsweise mittels exzentrischer Ausführung der Bohrung realisiert werden.

Besondere Vorteile zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich weiterhin, wenn der Ultraschallsender 1 in einem solchen Abstand D von der zur zu prüfenden Schweißverbindung angeordnet ist, dass die gerichteten Ultra­ schallsignale ein Schalldruckzentrum im kleinsten Abstand d der Verbin­ dungslinie A-B vom Zentrum der Schweißverbindung aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Ultraschallsender 1 etwa eine Nahfeldlänge vom Ort des kleinsten Abstands d entfernt angeordnet wird.

Weist der Ultraschallempfänger 2 im wesentlichen die gleichen ultraschall­ akustischen Eigenschaften wie der Ultraschallsender 1 auf, so wird der Ult­ raschallempfänger 2 symmetrisch zum Zentrum der Schweißverbindung im gleichen Abstand D von diesem angeordnet. Auf diese Weise beträgt der Ab­ stand zwischen Ultraschallsender 1 und Ultraschallempfänger 2 im wesent­ lichen zwei Nahfeldlängen. Indem das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung mit dem Fokus der gerichteten Ultraschallsignale abge­ tastet wird, kann ein besonders hohes Auflösungsvermögen erzielt werden.

Wird der Ultraschallsender 1 wie aus Fig. 2 ersichtlich so angeordnet, dass der Kontaktbereich 4 oder zumindest das Schweißbad 10 der zu prüfenden Schweißverbindung im Schallaufweg der Ultraschallsignale liegt, so ergibt sich bei intakter Schweißverbindung eine erhöhte Einkopplung der Ultra­ schallsignale in den aufgeschweißten Bolzen 8. Hieraus ergibt sich eine ver­ ringerte Transmission der Ultraschallsignale vom Punkt A zum Punkt B. Die Einkopplung in den Bolzen ist besonders stark bei transversal polarisierten Ultraschallwellen. Dieser Effekt ist ebenfalls aus Fig. 4 ersichtlich. Man er­ kennt deutlich einen unterschiedlichen Kurvenverlauf im Zentrum der zu prüfenden Schweißverbindung je nachdem, ob die zu prüfende Schweißver­ bindung als intakt oder als mangelhaft anzusehen ist. Kurve I zeigt den Verlauf für eine intakte Schweißverbindung, sie zeigt eine stärkere maximale Dämpfung als die Kurve II, welche eine als mangelhaft zu klassifizierende Schweißverbindung zeigt. Dieser Effekt bewirkt zusätzlich eine stark unter­ schiedliche Transmission bzw. Schwächung der Ultraschallsignale, je nach­ dem ob sie durch das Schweißbad 10 einer intakten oder einer mangelhaften Schweißverbindung verlaufen.

Schließlich hat sich gezeigt, dass eine besonders hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden kann, wenn im wesentli­ chen nur transversal polarisierte Ultraschallsignale verwendet werden. Diese transversal polarisierten Ultraschallwellen weisen eine stärkere Schwächung beim Durchgang durch das grobkörnigere Gefüge des Schweißbades auf als die bislang verwendeten longitudinal polarisierten Ultraschallsignale. Durch Verwendung transversal polarisierter Ultraschallsignale kann daher die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens noch erhöht werden.

Dabei ist der Ultraschallsender 1 in Fig. 2 vorteilhaft daraufhin optimiert, im wesentlichen nur transversal polarisierte Ultraschallsignale in das Blech 6 einzuschallen. Dies kann unter Ausnutzung der Brechungsgesetze für Ultra­ schallwellen beim Übergang zwischen Medien mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten so geschehen, das praktisch die gesamte einge­ schallte Intensität in transversal polarisierte Ultraschallwellen im Blech 6 umgewandelt wird. Die Verwendung möglichst vollständig transversal polari­ sierter Ultraschallwellen im Blech 6 ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens von besonderem Vorteil, einerseits aufgrund der bereits erwähn­ ten erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Gefügeveränderungen, andererseits aufgrund der messtechnisch deutlich einfacheren Signalerfassung und -ver­ arbeitung, da nur ein Polarisationstyp von Ultraschallwellen detektiert wer­ den muss. Wird ein Gemisch von longitudinal und transversal polarisierten Ultraschallwellen verwendet, so muss am Auskoppelort B eine Überlagerung zweier unterschiedlich stark geschwächter Signale entfaltet werden, was ei­ nen zusätzlichen messtechnischen Aufwand bedeutet.

Die vom Ultraschallempfänger 2 aufgenommenen Ultraschallsignale werden zur Weiterverarbeitung an eine aus den Figuren nicht ersichtliche Signalver­ arbeitungsvorrichtung weitergeleitet. Diese kann beispielsweise dazu geeig­ net sein, einen Signalverlauf analog zu Fig. 4 zu erfassen und auszuwer­ ten. Sie kann aber auch in einer einfacheren Form ausgestaltet sein, in der das tatsächlich erfasste Ultraschallsignal mit einem gespeicherten Normwert verglichen wird. Ein solcher Normwert kann sich beispielsweise auf die un­ gestörte Ultraschallausbreitung im Blech 6 ohne aufgeschweißten Bolzen 8 beziehen. Weiterhin kann sich ein solcher Normwert selbstverständlich auch auf die Ultraschallausbreitung im Blech 6 mit aufgeschweißtem Bolzen 8 aber mangelhaft ausgeführter Schweißverbindung beziehen. Beliebige weitere Normwerte sind denkbar und können realisiert werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung mittels Volumenwellen ausgelegt, welches sich mittels Viel­ fachreflektion an den Blechoberflächen im Blech ausbreiten. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ist jedoch hierauf nicht grundsätzlich einge­ schränkt, ebenso ist die Verwendung von Oberflächenwellen, die sich an der Blechoberfläche ausbreiten, denkbar und möglich.

Claims (13)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Schweißverbindung eines in einem Kontaktbereich (4) auf ein flächenhaft ausgedehntes Blech (6) aufgeschweißten Bolzens (8), insbesondere eines im Hubzündverfahren aufgeschweißten Stehbolzens, wobei sich beim Schweißvorgang im Blech unterhalb des Kontaktbereichs (4) ein Schweißbad (10) mit verändertem Materialgefüge ausbildet, mittels gerichteten Ultraschallsignalen, die fol­ genden Verfahrensschritte umfassend:

• a) Einschallen von Ultraschallsignalen in das Blech (6) mittels eines ge­ richtet und schräg einschallenden Ultraschallsenders (1) an einem Einkoppelort (A),
• b) Auskoppeln der durch das Blech (6) transmittierten Ultraschallsignale an einem Auskoppelort (B) mittels eines Ultraschallempfängers (2), wobei der Auskoppelort (B) im Schallaufweg der Signalausbreitung der eingeschallten Ultraschallsignale im Blech (6) liegt,
• c) wobei der Schallaufweg im Blech (6) zwischen Einkoppelort (A) und Auskoppelort (B) in einem solchen Abstand vom Kontaktbereich (4) verläuft, dass das Schweißbad (10) einer als intakt zu klassifizierenden Schweißverbindung vom Schallaufweg der Ultraschallsignale erfasst wird, und
• d) Erfassen der Intensität der vom Einkoppelort (A) zum Auskoppelort (B) transmittierten Ultraschallsignale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Intensität der transmittierten Ultraschallsignale mit einem vorgegebenen Normwert verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbin­ dungslinie zwischen Einkoppelort (A) und Auskoppelort (B) in einem sol­ chen Abstand d vom Kontaktbereich (4) verläuft, dass das Schweißbad (10) einer als mangelhaft zu klassifizierenden Schweißverbindung vom Schallaufweg der Ultraschallsignale im Blech (6) nicht erfasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Blech (6) im wesentlichen nur Transversalwellen eingeschallt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Blech im wesentlichen nur Volumenwellen eingeschallt werden, die sich mittels Vielfachreflexion an den Blechoberflächen im Blech (6) ausbreiten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra­ schallsender (1) in einem solchen Abstand (D) vom Kontaktbereich (4) der zu prüfenden Schweißverbindung angeordnet wird, dass sich im Schall­ laufweg am Kontaktbereich (4) der zu prüfenden Schweißverbindung ein Fokus der gerichteten Ultraschallsignale ergibt, insbesondere dass die Länge des Schallaufwegs zwischen Ultraschallsender (1) und Kontakt­ bereich (4) im wesentlichen eine Nahfeldlänge beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra­ schallsender (1) und der Ultraschallempfänger (2) symmetrisch zum Kontaktbereich (4) angeordnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall­ laufweg der Ultraschallsignale so gewählt wird, dass sich bei als intakt zu klassifizierender Schweißverbindung eine erhöhte Einkopplung der Ultraschallsignale in den Bolzen (8) ergibt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Varia­ tion des Abstands (d) der Verbindungslinie zwischen Einkoppelort (A) und Auskoppelort (B) vom Kontaktbereich (4) die Intensität der Ultra­ schallsignale zwischen Einkoppelort (A) und Auskoppelort (B) ortsaufge­ löst erfasst wird.

10. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung einer Schweißverbindung ei­ nes in einem Kontaktbereich (4) auf ein flächenhaft ausgedehntes Blech (6) aufgeschweißten Bolzens (8), insbesondere eines im Hubzündverfah­ ren aufgeschweißten Stehbolzens, wobei sich beim Schweißvorgang im Blech unterhalb des Kontaktbereichs (4) ein Schweißbad (10) mit verän­ dertem Materialgefüge ausbildet, mittels gerichteten Ultraschallsignalen, wobei die Vorrichtung die folgenden Komponenten aufweist:

• a) einen Ultraschallsender (1) zur Einschallung von Ultraschallsignalen in das Blech (4) an einem Einkoppelort (A),
• b) einen Ultraschallempfänger (2) zur Auskopplung der vom Ultraschall­ sender (1) in das Blech (4) eingeschallten und durch dieses transmit­ tierten Ultraschallsignale an einem Auskoppelort (B), dadurch gekennzeichnet, dass
• c) der Ultraschallsender (1) schrägeinschallend ausgeführt ist,
• d) der Ultraschallempfänger (2) auf schrägeinfallende Ultraschallsignale empfindlich ist,
• e) der Ultraschallempfänger (2) so relativ zum Ultraschallsender (1) ange­ ordnet ist, dass er bei ungestörter Ultraschallsignalausbreitung im Blech (4) im Schallaufweg der Ultraschallsignale liegt, und
• f) eine Abstandsvorrichtung (12) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, einen definierten Abstand (d) der Verbindungslinie zwischen Einkop­ pelort (A) und Auskoppelort (B) vom Kontaktbereich (4) der zu prüfen­ den Schweißverbindung einzustellen.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ stand (d) kleiner gewählt ist als der Norm-Mindestradius des Schweißba­ des (10) einer als einwandfrei zu klassifizierenden Schweißverbindung.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ stand (d) größer gewählt ist als der Normradius des Schweißbades (10) einer als mangelhaft zu klassifizierenden Schweißverbindung.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ stand (d) dergestalt variiert werden kann, dass das Schweißbad (10) der zu prüfenden Schweißverbindung mittels der Ultraschallsignale überstri­ chen werden kann.