DE10060055A1 - Meßsystem zur Prozeßüberwachung und Qualitätssicherung beim Widerstandsschweißen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeßüberwachung und Qualitätssicherung bei Widerstandsschweißverfahren mit dem Ziel der Sicherung einer Mindestlinsengröße unter Nutzung von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur dynamischen Aufnahme von Prozeßkenngrößen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß während der Stromflußphase die meßbaren Kraftsignale in der Form analysiert werden, daß die Kraftschwankungen mit relativem Bezug zum Schweißstromsignal halbwellenweise erfaßt werden und daß der zeitliche Verlauf der Krafzschwankungen als Hüllkurve des Kraftsignals mit einer Sollkurve verglichen wird. Eine besonders einfache Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens erfaßt durch die Zusammenschaltung von Komponenten der analogen Signalverarbeitung den zeitabhängigen Anstieg der Kraftsignalschwankungen während der Stromflußphase, der zur Bewertung der Schweißlinsengröße und damit zur Fertigungsqualität herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Prozeßüberwachung und Qualitätssicherung bei Widerstandsschweißverfahren insbesondere unter Berücksichtigung komplexer Fertigungsprozesse auf einer oder auf mehreren Schweißstationen.

Die Bedeutung einer leistungsfähigen Prozeßbewertung wird regelmäßig in der Fachliteratur unterstrichen. Zum Beispiel in dem Fachbeitrag im Tagungsband DVS-Berichte, Band 133 (1991) wird die statistische Prozeßkontrolle als notwendige Voraussetzung für die Fertigungsteuerung beim Widerstands­ schweißen angesehen.

Die Qualität von widerstandsgeschweißten Verbindungen hängt von einer Vielzahl von Einflußfaktoren ab. Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß der Durchmesser der sich beim Schweißen ausbildenden Schweißlinse die Festigkeit einer Schweißverbindung bestimmt. Auf die Geometrie der sich ausbildenden Schweißlinse haben jedoch viele Faktoren Einfluß, z. B. die eingebrachte Energie, die Bedingungen der Wärmeableitung sowohl im Bauteil als auch über die Elektroden und auch die Qualität der Werkstückoberflächen.

Zur Stabilisierung der Fertigungsqualität hat es nicht an Lösungsansätzen gefehlt, durch Nutzung von Meßmitteln und Steuerungskomponenten eine Stabilisierung der beeinflußbaren Parameter zu bewirken.

Die Mehrzahl der die Qualität sichernden Systeme geht von der Erfassung einer für den Prozeß wesentlichen Meßgröße aus (z. B. Schweißstrom, Schweißspan­ nung, Schweißstromzeit, Elektrodenkraft). Diese Meßgröße wird meßtechnisch erfaßt und daraus eine signifikante Größe abgeleitet (z. B. Effektivwert der Größe, Spitzenwert der Meßgröße. . .). In der DE-AS 23 15 184 wird hierzu ein Verfahren zum Überwachen und Regeln von elektrischen Widerstandsschweißvorgängen durch Ausnutzung von Integration und Multiplikation von Momentanwerten für die Signalgewinnung vorgestellt. Aus dem Gebiet des Lichtbogenschweißens ist ein Verfahren zum Messen von Prozeßkenngrößen beim Schweißen durch komplexe Erfassung von Prozeßkenngrößen mit analoger Berechnung und digitaler Anzeige der Streckenenergie bekannt (DD-WP 142 677). Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß der Informationsgehalt der ermittelten Größen begrenzt ist und eine Qualitätssicherung gleichfalls nur in einem begrenzten Umfang ermöglicht wird. Beispielsweise lassen sich technologisch notwendige Sonderfunktionen (Stromanstiegssteuerung, Strom-Zeit-Programme, Druckprogramme. . .) mit derart einfachen Systemen generell nicht erfassen, mehr noch, die gelieferten Daten entstellen durch die Reduzierung auf eine einzelne Größe oftmals den eigentlichen physikalischen Hintergrund. Damit fehlt diesen Meßsystemen der spezifische Zuschnitt auf einen vorgegebenen technologischen Prozeß und damit die Basis für eine effektive Qualitätssicherung. Insbesondere sind diese Meßsysteme auch nur für den Einsatz an einem Schweißkopf vorgesehen, komplexe Fertigungen auf der Basis mehrerer Schweißanlagen sind nicht überwachbar.

Zur Ableitung von komplexen Informationen, die mit einer zur erwartenden Qualität einer Schweißung korrespondieren, sind aus der Patentliteratur unterschiedliche Lösungsansätze bekannt:
In der US-PS 5399827 wird beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur beim Punktschweißen und ein Verfahren zur Sicherung der Qualität einer Punktschweißung vorgestellt. Dieser Lösungsansatz basiert auf die Nutzung der Thermospannung zwischen einem Werkstück und einer Schweißelektrode. Der Nachteil dieses Vorschlages besteht darin, daß an die chemische Zusammensetzung von Elektrodenwerkstoff und Werkstück bestimmte Anforderungen gestellt werden. Die Anwendung dieser Lösung ist damit auf bestimmte Technologien beschränkt.

Anstelle des Temperatursignales werten die folgenden Patentinhalte die relativen Elektrodenbewegungen aus. Die US-PS 5393950 beschreibt die Steuerung des Schweißprozesses auf der Basis von Messungen des Nachsetzweges zwischen der Werkstückoberfläche und einer beweglichen Elektrode. In Fortführung dieses Gedankens wird in der US-PS 5558785 die Steuerung des Schweißprozesses durch Auswertung der Relativbewegung zwischen den Elektroden vorgestellt, wobei aus der Erfassung des Umkehrpunktes des Nachsetzweges ein Abschalten des Schweißstromes ausgelöst wird. Zu diesen Lösungen ist zu bemerken, daß derartige Vorschläge bei bestimmten Technologien wirkungsvoll eingesetzt werden können, nämlich immer dann, wenn von definierten Elektroden- oder anderen Querschnitten ausgegangen werden kann (z. B. Buckelschweißen). Unter diesen Bedingungen korreliert der Nachsetzweg mit Qualitätsmerkmalen. In der Praxis jedoch insbesondere beim Punktschweißen existiert ein merklicher Elektrodenverschleiß, der zu Querschnittsänderungen führt. Damit verbunden sind komplexe Effekte, die nicht allein durch Wegänderungen der Elektroden erfaßt werden können.

Zur Berücksichtigung dieser Effekte werden in den folgenden Lösungen die meßbaren elektrischen Parameter als Basis für die Prozeßbewertung herange­ zogen. In der US-PS 5575934 wird ein Schweiß-Monitor vorgestellt, der aus Strom- und Spannungsmessung über ein Wärmeleitungsmodell den Durchmesser der erwarteten Schweißlinse berechnet. Hierzu ist einzuschätzen, daß sich allein aus den elektrischen Parametern ohne Kenntnis der mechanischen Eigenschaften der Schweißanlage keine eindeutigen Schweißlinsenparameter berechnen lassen. Vielmehr bestimmen das Nachsetzverhalten der Schweißma­ schine in Verbindung mit den an den Elektroden wirksamen Drücken eindeutig die Schweißlinsengeometrie. In der US-PS 5436422 wird ein Verfahren zur Steuerung des Widerstandsschweißens beschrieben, bei welchem die Berechnung von Widerstandswerten aus Strom und Spannung im Mittelpunkt steht. Aus den Widerstandswerten werden Bedingungen für eine Änderung des Elektroden­ durchmessers und einer Spritzerbildung abgeleitet. Durch Beeinflussung des Schweißstromes soll erreicht werden, daß eine Spritzerbildung reduziert wird.

Zur Verbesserung der Informationsdichte sind Lösungsansätze bekannt, die einerseits den Prozeß in einer größeren Komplexität erfassen oder andererseits bei wenigen Größen eine leistungsfähigere Auswertung bzw. Analyse einsetzen.

So sind im Gebrauchsmuster 297 15 999.2 ein Verfahren und Meßsystem angegeben, das für eine technologieunabhängige Bewertung und Sicherung der Fertigungsqualität von der Aufnahme von zusätzlichen Prozeßgrößen, z. B. Kraft- und Wegsignalen neben Strom- und Spannungsgrößen, ausgeht, wobei diese Signale mit hoher Dynamik erfaßt, untereinander verglichen und bewertet werden und auf signifikante Größen zurückgegriffen wird. Hierzu werden z. B. die relativen Strommaxima erwähnt, aus denen in Verbindung mit Spannungswerten der Widerstandsverlauf ermittelt wird. Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung der Informationsdichte aus dem Fertigungsprozeß bewertet über die Analyse der Häufigkeitsverteilung von Strom- und Spannungswerten, die bei hoher Abtastrate ermittelt wurden, die Qualität einer Schweißung (Prospektmaterial der Firma Harm + Wende, Hamburg). Für die Auswertung werden hier Fuzzy-Methoden verwendet (Fuzzy Pattern Klassifikation).

Wenngleich diese Verfahren dem Ziel einer besseren Analyse und Bewertung eines Fertigungsprozesses näher kommen, so beschränken sich alle Analysen jedoch auf Einzelgrößen, die nicht in jedem Fall mit einer die Fertigungsqualität beschreibenden Schweißlinsenausbildung korrelieren.

Bekannt ist eine Lösung (nach Prospekt IZFP der FHG Saarbrücken), bei der an die Elektroden eine Ultraschall-Meßtechnik befestigt ist. Zwischen Ober- und Unterelektrode werden Ultraschallsignale geschickt, aus deren Dämpfung eine Schweißlinsengröße abgeschätzt wird. Der gerätetechnische Aufwand ist groß, Ultraschall-Sender und -Empfänger lassen sich nur bei bestimmten Zangenkonstruktionen anbringen, so daß eine ausschließlich von der Schweißlinsengröße abhängige Schallausbreitung gewährleistet ist. Es muß davon ausgegangen werden, daß die Reproduzierbarkeit der aus der Ultraschall- Dämpfung abgeleiteten Qualitätsbewertung kritisch ist, da viele mechanische Maschineneigenschaften die US-Signale beeinflussen.

Letztendlich fehlt es an einem handhabbaren Meßsystem, das mit vertretbarem Aufwand selbst bei unterschiedlichen Fertigungstechnologien und -randbedin­ gungen, zu denen auch variable Beschichtungsdicken, Nebenschlußmöglichkei­ ten, unterschiedlich verschlissene Schweißelektrodenflächen und variable wirksame Elektrodenkräfte zählen, verläßliche Angaben zur Fertigungsqualität liefert.

Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, ein Verfahren und ein Meßsystem anzugeben, mit dem im Fertigungsprozeß die die Schweißqualität bestimmende Schweißlinse hinsichtlich ihrer Größe aus Sekundärgrößen erfaßt und zur Qualitätssicherung bewertet wird.

Damit ist es Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich des Meßverfahrens und auch der gerätetechnischen Umsetzung robustes Meßsystem anzugeben, welches im laufenden Fertigungsprozeß einen jeden Schweißpunkt zerstörungsfrei und ohne zusätzliche Prozeßzeiten bezüglich der Größe der sich im Schweißprozeß ausbildenden Schweißlinse bewertet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die mit bekannten Mitteln mit hoher Dynamik aufgenommenen Kraftsignale während der Stromflußphase bezüglich des wirkenden Schmelzdruckes analysiert werden, daß hierzu die Kraftschwankungen mit relativem Bezug zum Schweißstromsignal halbwellenweis erfaßt werden und der zeitliche Verlauf dieser Kraftschwankungen durch Vergleich mit einer Sollkurve, vorzugsweise einem zeitabhängigen Anstieg, zur Bewertung der Schweißlinsengröße und damit zur Fertigungsqualität herangezogen wird.

Ausgenutzt wird dabei der Effekt, daß sich die verflüssigten Werkstückbereiche, die letztendlich die Schweißlinse bilden, unter den Bedingungen einer pulsierenden Energiezuführung durch den Schweißstrom und einer homogenen Wärmeabführung über die Elektroden und das Werkstück periodisch vergrößern und aufheizen, was zu Volumenänderungen führt. Diese Volumenänderungen werden durch die im Vergleich zur Dynamik der Schmelzlinsenänderung träge Schweißmaschine nicht über Korrekturbewegungen ausgeglichen und bewirken deshalb dynamische Kraftänderungen an den Elektrodenhaltern, die meßtechnisch erfaßbar sind. Die Größe dieser Kraftänderungen ist proportional dem verflüssigten Volumen und damit der Schweißlinse. Die Größe der Schweißlinse läßt sich somit direkt aus dem dynamischen Kraftverlauf ableiten. Durch eine Vielzahl von Messungen konnte dieser Zusammenhang nachgewiesen werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß letztendlich auf der Basis einer einzigen physikalischen Meßgröße, dem dynamischen Kraftsignal zwischen den Elektroden, welche mit vergleichsweise einfachem technischen Aufwand mit ausreichend hoher Dynamik aufgenommen werden kann, und einer zugeschnittenen Auswertung unabhängig von konkreten technologischen Parametern wie effektiver Schweißstrom, statische Elektrodenkraft, Schweißzeit und unabhängig von fertigungsprozeßbedingten Störungen wie elektrischer Nebenschluß, Größe der verschleißabhängigen elektrischen Parameter von Schweißelektroden und wirksame magnetische Induktivität im Sekundärkreis der Schweißmaschine auf die Größe der qualitätsrelevanten Schweißlinse geschlossen werden kann. Auf die aufwendige Erfassung einer Vielzahl von physikalischen Größen wie z. B. Schweißspannung, Nachsetzweg, Temperaturverlauf oder Ultraschall-Dämpfung kann verzichtet werden, auch sind keine umfangreichen Anlernphasen, wie bei Fuzzy-Überwachungen üblich, erforderlich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand wird die Hüllkurve der Kraftschwankungen ermittelt und als normierte Größe unabhängig von konkreten Schweißparametern bewertet. Eine besonders einfache Interpretation gelingt, wenn die zeitliche Zuordnung über die "Hilfsgröße" Schweißstrom realisiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Fig. 1: Blockschaltbild der Signalbildung

Ausgangspunkt der Prozeßüberwachung und Qualitätssicherung beim Widerstandsschweißen ist eine Widerstandsschweißanlage, die mit einem Kraft- 1 und einem Strommeßsystem 2 ausgestattet ist. Das Kraftsignal p(t) des Kraftmeßsystems 1 wird über 2 Pfade, zum einen direkt und zum anderen über einen Integrator 3 einem Differenzverstärker 4 zugeführt, dessen Ausgang mit einem dynamischen Schalter 5 verbunden ist. Dieser dynamische Schalter 5 angesteuert vom nicht-negierten Ausgang des Schwellwertschalters 8, der eingangsseitig über den Gleichrichter 6 und Integrator 7 mit dem Strommeßsystem 2 verbunden ist. Während der Stromflußphase wird der dynamische Schalter 5 angesteuert und verbindet den Ausgang des Differenzverstärkers 4 mit den 2 Eingängen der Extremwertbildner 9/10 für die Erstellung der Hüllkurven des Kraftsignals. An dessen Ausgängen ist ein 2. Differenzverstärker 11 angeschlossen, dessen Ausgang auf 2 Schalter 12/13 gelegt ist. Diese Schalter 12/13 werden von 2 Zählern 16/17 angesteuert. Die Zähler selbst haben eingangsseitig den Anschluß an eine digitale Voreinstellung 18 zur Vorgabe von Perioden-Nummern, der Lageeingang der Zähler 16/17 ist über ein Differenzierglied 14 mit dem nicht-negierten Ausgang des Schwellwertschalters 8 verbunden. Der Zähleingang der Zähler 16/17 ist an den Ausgang des Schwellwertschalters 15 angeschlossen, der seinerseits eingangsseitig direkt mit dem Strommeßsystem in Wirkverbindung steht. Die Schalter 12/13 verbinden bei Erreichen der über die Voreinstellung 18 vorgegebenen Periodenzahlen den Ausgang des Differenzverstärkers 11 mit Zwischenwertspeichern 19/20. Diese sind ausgangsseitig mit weiteren Differenzverstärker 21 verbunden, der die Änderung der Kraftschwingung zwischen der 1. voreingestellten Periode mit der 2. voreingestellten Periode als statischen Wert abgibt. Ausgangsseitig ist dieser Differenzverstärker 21 über einen weiteren Schalter 22, der eine Wirkverbindung zum nicht-invertierenden Ausgang des Schwellwertschalters 8 besitzt, mit einem letzten Schwellwertschalter/Schaltersystem 23 verbunden, die nach Vergleich mit den Einstellungen des Sollwertgebers 24 die Ausgabe von Bewertungsergebnissen ermöglicht. Unabhängig von dieser Ausgabe der Bewertungsergebnisse ist bereits der Eingang des Schwellwertschalters/Schaltersystems 23 als Ausgang herausgeführt, um Voraussetzungen für eine separate Analyse zu realisieren, z. B. zur Erfassung von Trends.

Die technische Realisierung dieses Ausführungsbeispiels ist rein hardwaremäßig möglich, kann aber auch mit Hilfe von rechentechnischen Komponenten umgesetzt werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Kraftmeßsystem

2

Strommeßsystem

3

Integrator

4

Differenzverstärker

5

dynamischer Schalter

6

Gleichrichter

7

Integrator

8

Schwellwertschalter

9

,

10

Extremwertbildner

11

Differenzverstärker

12

,

13

Schalter

14

Differenzierglied

15

Schwellwertschalter

16

,

17

Zähler

18

digitale Voreinstellung

19

,

20

Zwischenwertspeicher

21

Differenzverstärker

22

Schalter

23

Schwellwertschalter/Schaltersystem

24

Sollwertgeber

Claims (2)

1. Verfahren zur Prozeßüberwachung und Qualitätssicherung bei Widerstandsschweißverfahren mit dem Ziel der Sicherung einer Mindestlinsengröße unter Nutzung von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur dynamischen Aufnahme Prozeßkenngrößen, gekennzeichnet dadurch, daß während der Stromflußphase die meßbaren Kraftsignale in der Form analysiert werden, daß die Kraftschwankungen mit relativem Bezug zum Schweißstromsignal halbwellenweise erfaßt werden und daß der zeitliche Verlauf der Kraftschwankungen als Hüllkurve des Kraftsignals mit einer Sollkurve verglichen wird, und daß die Sollkurve durch einen zeitabhängigen Anstieg angenähert wird.

2. Vorrichtung zur Prozeßüberwachung und Qualitätssicherung bei Widerstandsschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Funktionseinheiten Integrator (3), Differenzverstärker (4), dynamische Schalter (5) und Extremwertbildner (9/10) in Verbindung mit dem Differenzverstärker (11) zur Erzeugung der Kraft-Hüll-Kurven zusammengeschaltet sind, daß im Signalfluß dynamische Schalter (12/13) angeordnet sind, die mit Impulszählern (16, 17) und Schwellwertschaltern (8, 15) des Stromsignals steuerungsseitig verbunden sind und daß Zwischenwertspeicher (19/20) an den dynamischen Schaltern (12/13) angeschlossen sind, die ausgangsseitig mit dem Differenzverstärker (21) verbunden sind, dessen Ausgang wiederum über einen weiteren Schalter (22), der gleichfalls vom Strom-Schwellwertschalter (8) angesteuert wird, wahlweise zu einem Ausgang oder über einen Schwellwertschalter/­ Schaltersystem (23), das mit einem Sollwertgeber (24) verbunden ist, geführt wird.