DE10148036A1

DE10148036A1 - Verfahren zur Gewinnung von Informationen zur Bewertung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges

Info

Publication number: DE10148036A1
Application number: DE2001148036
Authority: DE
Inventors: Erdogan Karakas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: DE10148036B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die Position der Schweißlinse beim Widerstandsschweißen durch Ultraschallmessung bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges.
Es ist allgemein bekannt, zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges den Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall zu beaufschlagen, beispielsweise durch DE 43 25 856 C2, DE 43 25 878 C2, DE 43 25 858 C2, DE 198 15 041 C1 und DE 42 03 100 C1.
Durch den Aufsatz "Prüfen des Widerstandspunktschweißprozesses mit Ultraschall", Schweißen & Schneiden 49 (1997), Heft 1, S. 15 ff. ist ein Verfahren der betreffenden Art bekannt, bei dem der Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall beaufschlagt wird. Bei dem bekannten Verfahren ist es möglich, aus den bei der Ultraschallbeaufschlagung gewonnenen Signalen das Volumen der Schweißlinse zu ermitteln.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß sich die Güte der Schweißverbindung anhand der mit dem bekannten Verfahren gewonnenen Informationen nicht mit hinreichender Zuverlässigkeit beurteilen läßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, das den Nachteil des bekannten Verfahrens nicht aufweist, bei dem sich also die Güte der Schweißverbindung mit höherer Zuverlässigkeit beurteilen läßt.
Der Erfindung liegt die Kenntnis zugrunde, daß das Volumen der Schweißlinse allein nicht mit hinreichender Zuverlässigkeit eine Beurteilung der Güte der Schweißverbindung ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken für die Güte der Schweißverbindung von entscheidender Bedeutung ist. Dementsprechend löst die Erfindung die zugrundeliegende Aufgabe auf überraschend einfache Weise dadurch, daß die Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken anhand von Signalen ermittelt wird, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen. Ist die Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene bekannt, so läßt sich die Güte der Widerstandsschweißverbindung während des Schweißvorganges mit höherer Zuverlässigkeit beurteilen. Ergibt die Untersuchung des Bereiches der Schweißlinse beispielsweise, daß die sich bildende Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken unsymmetrisch ist, so würde die entsprechende Schweißverbindung nach ihrer Fertigstellung eine geringere Güte aufweisen als eine Schweißverbindung, bei der die Schweißlinse zu der Kontaktebene symmetrisch liegt. Da die Information über die Position der Schweißlinse bereits während des Schweißvorganges zur Verfügung steht, kann der Schweißvorgang beeinflußt werden, beispielsweise dadurch, daß eine an den Schweißelektroden anliegende Gleichspannung umgepolt wird, oder dadurch, daß Parameter des Schweißprozesses beeinflußt werden.
Auf diese Weise ist es unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Schweißverbindungen mit hoher Güte zu erzeugen.
Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewünscht, können die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Informationen jedoch auch dazu herangezogen werden, eine Schweißlinse zu erzeugen, die zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken unsymmetrisch ist, beispielsweise dann, wenn Werkstücke unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß unter Verwendung von Ultraschall die Lage einer ersten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem ersten der zu verschweißenden Werkstücke und die Lage einer zweiten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem zweiten der zu verschweißenden Werkstücke ermittelt wird und daß aus den so gewonnenen Signalen die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ermittelt wird. Bei dieser Ausführungsform läßt sich die Position der Schweißlinse mit besonders hoher Zuverlässigkeit ermitteln.
Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, daß die Lage der ersten Grenzfläche mit einer ersten Ultraschalldetektionseinheit und die Lage der zweiten Grenzfläche mit einer zweiten Ultraschalldetektionseinheit detektiert wird. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Detektion der Lage der Grenzflächen mittels separater Ultraschalldetektionseinheiten, so daß die Zuverlässigkeit weiter gesteigert ist.
Die Detektion der Lage der Grenzflächen kann auf eine beliebige geeignete Weise unter Verwendung bekannter Verfahren erfolgen, mittels derer die von reflektierten Ultraschallwellen herrührenden Signale auswertbar sind. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindunsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Lage der ersten bzw. der zweiten Grenzfläche dadurch detektiert wird, daß die Laufzeit von Ultraschallwellen, die von einem Sender der Ultraschalldetektionseinheit emittiert, von der Schweißlinse reflektiert und von einem Empfänger der Ultraschalldetektionseinheit empfangen werden, zwischen der Ultraschalldetektionseinheit und der Schweißlinse ermittelt und aus der ermittelten Laufzeit und der Wellenlänge der Ultraschallwellen der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit von der Schweißlinse errechnet wird. Auf diese Weise ist die Auswertung besonders einfach gestaltet. Ist der Abstand der Schweißlinse vor Ultraschalldetektionseinheit bekannt, so kann aus dem Abstand der Ultraschalldetektionseinheit von der Kontaktebene auf einfache Weise der Abstand der Grenzfläche der Schweißlinse errechnet werden. Durch einen Vergleich der Abstände der beiden Grenzflächen der Schweißlinse von der Kontaktebene ist dann due Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene feststellbar.
Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann der Abstand des Senders der Ultraschalldetektionseinheit von der Kontaktebene vorbestimmt sein oder durch Auswertung der an der Kontaktebene reflektierten Ultraschallwellen ermittelt werden, wie dies zweckmäßige Ausführungsformen vorsehen.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß zusätzlich zu der Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene wenigstens teilweise die Geometrie der Schweißlinse, insbesondere deren Volumen, ermittelt wird. Bei dieser Ausführungsform sind während des Schweißvorganges mit der Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene und dem Volumen der Schweißlinse sämtliche die Güte der Schweißverbindung beeinflussenden Parameter bekannt, so daß die Güte der Schweißverbindung bereits während des Schweißvorganges besonders zuverlässig beurteilbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.
Es zeigt:
Fig. 1 eine stark schematisierte Schnittansicht durch zwei miteinander zu verschweißende Bleche vor Beginn des Schweißvorganges und
Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 die Bleche während des Schweißvorganges.
In Fig. 1 sind zwei Bleche 2, 4 dargestellt, die mittels eines Widerstandsschweißverfahrens miteinander verschweißt werden. Zum Erzeugen der Widerstandsschweißverbindung wird durch Schweißelektroden 6, 8, an denen eine umpolbare Gleichspannung anliegt, ein Schweißstrom in die Bleche 2, 4 eingeleitet, der im Bereich einer Kontaktebene 10 zwischen den Blechen 2, 4 zu einem Schmelzen des Materials der Bleche 2, 4 und damit zu der Bildung eines Schmelzbades einer Schweißlinse 12 führt.
Aufgrund von Peltier-Wärme und Joulescher Wärme erwärmt sich die positiv gepolte Schweißelektrode stärker als die negativ gepolte Schweißelektrode, was dazu führt, daß die Schweißlinse 12 sich zu der positiv gepolten Schweißelektrode hin verschoben bildet. Ist beispielsweise die Schweißelektrode 8 positiv gepolt, so bildet sich die Schweißelektrode 12 zu der Schweißelektrode 8 hin verschoben, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist.
Erfindungsgemäß wird die Position der Schweißlinse 12 relativ zu der Kontaktebene 10 zwischen den zu verschweißenden Blechen 2, 4 anhand von Signalen ermittelt, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse 12 entstehen. Dies geschieht bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß mittels einer ersten Ultraschalldetektionseinheit 14, die einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger aufweist, die Lage einer ersten Grenzfläche 16 zwischen der Schweißlinse 12 und dem Blech 2 und mittels einer zweiten Ultraschalldetektionseinheit 18 die Lage einer zweiten Grenzfläche 20 zwischen der Schweißlinse 12 und dem Blech 4 ermittelt wird und daß aus den so gewonnenen Signalen die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene 10 ermittelt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Ultraschalldetektionseinheiten 14, 18 mit einem vorbekannten, festen Abstand zu der Grenzfläche 10 angeordnet, wobei der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit 14 von der Grenzfläche 10 bei diesem Ausführungsbeispiel gleich dem Abstand der Ultraschalldetektionseinheit 18 von der Grenzfläche 10 ist. Während des Schweißvorganges beschallt ein Sender der Ultraschalldetektionseinheit 14 den Bereich der Schweißlinse 12 mit Ultraschall, wobei die von der ersten Grenzfläche 16 reflektierten Ultraschallsignale von einem Empfänger der Ultraschalldetektionseinheit 14 empfangen werden. Aus den empfangenen Signalen wird der Abstand der Grenzfläche 16 von der ersten Ultraschalldetektionseinheit 14 ermittelt. In hierzu entsprechender Weise wird mittels der zweiten Ultraschalldetektionseinheit 18 der Abstand der Grenzfläche 20 von der zweiten Ultraschalldetektionseinheit 18 ermittelt. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ultraschalldetektionseinheiten 14, 18 in den Schweißelektroden 6, 8 angeordnet. Sie können jedoch auch einer beliebigen anderen Stelle angeordnet sein.
Die Ausgangssignale der Ultraschalldetektionseinheiten 14, 18 werden einer Auswerteeinheit 22 zugeführt, die zur Auswertung der Signale beispielsweise den Abstand der ersten Grenzfläche 16 von der ersten Ultraschalldetektionseinheit 14 mit dem Abstand der zweiten Grenzfläche 20 von der zweiten Ultraschalldetektionseinheit 18 vergleicht. Ergibt dieser Vergleich beispielsweise, daß der Abstand der ersten Grenzfläche 16 von der ersten Ultraschalldetektionseinheit 14 größer ist als der Abstand der zweiten Grenzfläche 20 von der zweiten Ultraschalldetektionseinheit 18, so bedeutet dies, daß sich die Schweißlinse zu der positiv gepolten Schweißelektrode 8 hin verschoben gebildet hat. Um eine symmetrische Bildung der Schweißlinse 20 zu bewirken, kann dementsprechend beispielsweise die Polarität der Schweißelektroden 6, 8 umgekehrt werden, so daß dann die zunächst negativ gepolte Schweißelektrode 6 positiv gepolt ist und sich stärker erwärmt als die dann negativ gepolte Schweißelektrode 8. Infolgedessen wird die zuvor unsymmetrische Bildung der Schweißlinse 12 kompensiert, so daß die Schweißlinse 12 im Ergebnis in der gewünschten Weise zu der Grenzfläche 10 symmetrisch liegt.
Die Auswertung der von den reflektierten Ultraschallwellen herrührenden Signale kann bespielsweise wie folgt vorgenommen werden:
Vor Beginn des Schweißvorganges strahlt die Ultraschalldetektionseinheit 14 Ultraschallwellen in die Bleche 2, 4 ein, die von der Kontaktebene 10 zu der Ultraschalldetektionseinheit 14 reflektiert und von deren Empfänger empfangen werden (vgl. Fig. 1). Anhand der empfangenen Signale wird dann die Laufzeit der Ultraschallwellen von der Ultraschalldetektionseinheit 14 zu der Kontaktebene 10 und zurück ermittelt, so daß anhand der Laufzeit und der vorbestimmten Wellenlänge der Ultraschallwellen der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit 14 von der Kontaktebene 10 ermittelt werden kann.
Hat sich die Schweißlinse 12 nach Beginn des Schweißvorganges gebildet (vgl. Fig. 2), so werden die Ultraschallwellen teilweise von der ersten Grenzfläche 16 der Schweißlinse 12 reflektiert, so daß in der oben erläuterten Weise der Abstand der Grenzfläche 16 von der Ultraschalldetektionseinheit 14 ermittelt werden kann. Hierbei wird durch eine geeignete Auswertung der empfangenen Signale sichergestellt, daß Reflexionen der Ultraschallwellen an der Kontaktebene 10 und an der Grenzfläche zwischen den Schweißelektroden und den Blechen außer Betracht bleiben.
Ist auf diese Weise die Lage beider Grenzflächen 16, 20 der Schweißlinse 12 detektiert, so kann die Position der Schweißlinse 12 relativ zu der Kontaktebene 10 in der gewünschten Weise ermittelt werden.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges,
bei dem der Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Position der Schweißlinse relativ zu einer Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken anhand von Signalen ermittelt wird, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Signale, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen, die Lage einer ersten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem ersten der zu verschweißenden Werkstücke und einer zweiten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem zweiten der zu verschweißenden Werkstücke detektiert wird und daß aus den so gewonnenen Signalen die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der ersten Grenzfläche mit einer ersten Ultraschalldetektionseinheit und die Lage der zweiten Grenzfläche mit einer zweiten Ultraschalldetektionseinheit detektiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der ersten bzw. der zweiten Grenzfläche dadurch detektiert wird, daß die Laufzeit von Ultraschallwellen, die von einem Sender der Ultraschalldetektionseinheit emittiert, von der Schweißlinse reflektiert und von einem Empfänger der Ultraschalldetektionseinheit empfangen werden, zwischen der Ultraschalldetektionseinheit und der Schweißlinse ermittelt und aus der ermittelten Laufzeit und der Wellenlänge der Ultraschallwellen der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit von der Schweißlinse errechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Senders der Ultraschalldetektionseinheit von der Kontaktebene vorbestimmt ist oder durch Auswertung der an der Kontaktebene reflektierten Ultraschallwellen ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene wenigstens teilweise die Geometrie der Schweißlinse, insbesondere deren Volumen, ermittelt wird.