DE10150633B4 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen, zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere der Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen, zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere der Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere eines Schweißpunktes, mit dem
a. mittels eines abbildenden Infrarot-Bilddatenerfassung und -Auswertungssystems, das
b. mit einem Echtzeit-Datenverarbeitungssystem verbunden ist,
c. die Güte, Homogenität und der Durchmesser einer Schweißpunktlinse kontrolliert wird, wobei
d. das Verfahren als
i. Wärmedurchgangsprüfung und/oder
ii. Prüfung des Wärmeabtransportes
ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zeitserie der Wärmebilddaten, die
a. durch die kurzzeitige Anregung der Wärmestrahlung des Schweißpunktes entstehen
und
b. mittels einer Infrarotkamera erfasst und in Echtzeit gespeichert werden,
c. ein Phasenbild erstellt wird, sodass
i. für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten
ii. ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet wird,
wobei
d. das berechnete Phasenbild
i. die Wärmeausbreitung der Anregung
ii. gemäß den lokalen Materialeigenschaften
iii. unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und
iv. Emssionsgradunterschieden der abstrahlenden...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die berührungslose und zerstörungsfreie Inspektion einer Schweißverbindung, vor allem eines Schweißpunktes, mit deren Hilfe die Güte, Homogenität und der Durchmesser der Schweißpunktlinse kontrolliert wird.
  • Die Industrie setzt in Zunehmenden Maße auf neuartige Verbundwerkstoffe oder innovative Verbindungsarten klassischer Materialien. Die Qualität von Verbindungen bestimmt dabei maßgebend die Eigenschaften der daraus erstellten Bauteile. So müssen Verbindungen bestimmte mechanische Spannungen sicher aufnehmen können. Die Kontrolle der maximalen Belastung jeder einzelnen Verbindung ist entscheidend für die Sicherheit in der Anwendung. Die Qualität von Verbundwerkstoffen ist geprägt von der Haftung der Einzelnen Werkstoffe untereinander, um die besonderen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes zu erreichen. Die Prüfung von Verbindungen wird nach derzeitigem Stand der Technik mittels verschiedener Methode vorgenommen:
    Die Ermittlung der mechanischen Belastbarkeit von Verbindungen geschieht mit Hilfe von Zug-/Biege-/Torsionsversuchen, bei denen die Verbindungen entsprechend ihrer Hauptbeanspruchungsrichtung bis zur maximalen Spannung belastet werden. Schon vor der maximalen Belastung treten aber in allen Materialien plastischen Deformationen auf. Die mikroskopische Struktur wird während der Belastungstest verändert bzw. das Bauteil oder die Verbindung wird überbeansprucht oder zerstört. Derart geprüfte Bauteile kommen nicht zum Einsatz, sind also reine Prüfobjekte, die z. B. aus einer laufenden Produktion entnommen werden. Die Rückkopplung der Erkenntnisse aus Belastungsversuchen in die Produktions-Prozesse findet verzögert statt. Die Produktion reagiert nicht sofort auf evtl. festgestellte Unzulänglichkeiten der Materialverbindungen.
  • Eine Ultraschallprüfung kann die mechanischen Eigenschaften und deren Änderung anhand von Laufzeitmessungen des Schalls im Prüfobjekt feststellen. Das Ultraschall-Prüfverfahren kann bildgebend und zerstörungsfrei erfolgen. Die Anwendung der Ultraschallprüfung in der Industrie beschränkt sich jedoch auf die stichprobenhafte Kontrolle von Teilen. Nur in Fällen, wo extreme Anforderungen an die Sicherheit bzw. an die mechanischen Eigenschaften von Materialverbindungen gestellt sind, wird eine 100% Kontrolle der Bauteile vorgenommen. Deswegen wird in der Regel aufgrund der fehlenden 100% Qualitätskontrolle eine mechanisch überdimensionierte Abmessung oder eine erhöhte Anzahl von Verbindungen bei der Konstruktion vorgesehen, um eine gewisse, maximale Ausfallrate zu erreichen. Die Ermittlung der dazu nötigen Überdimensionierung basiert dabei meist auf Erfahrungswerten.
  • Es ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien, berührungslosen Messung einer Werkstoffoberfläche bekannt ( DE 199 62 918 A1 ), in dem hinsichtlich Oberflächenstrahlungs- bzw. Reflexionseigenschaften des zu untersuchenden Flächenbereichs, welche mit den entsprechenden Referenzwerten eines schwarzen Körpers verglichen werden, eine Beurteilung der Oberflächenqualität getroffen wird. Dieses Verfahren kann jedoch keine Auskünfte über der Qualität der Materialverbindung, insbesondere eines Schweißpunktes, liefern.
  • Ferner ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bewertung eines Schweißpunktes bekannt ( WO 1999/010 733 A1 , WO 2001/050 116 A1 ). Es wird ein thermografisches Ergebnisbild aus den gewonnen Nennwerten der Halbwertszeit des Wärmeflusses durch die zu untersuchende Oberfläche gebildet ( WO 2001/50116 A1 ), das einen Unterschied der Laufzeit der thermischen Wellen in verschiedenen Bildpunkten zueinander darstellt. Die Untersuchung der Intensitätskurve von jedem Pixel des gewonnenen Ergebnisbildes wird jedoch in der Regel von eingetretenen Störungen so stark beeinflusst, dass die Schweißpunktlinse von ihrer Umgebung nicht eindeutig unterschieden werden kann. Darüber hinaus nutzt diese Methode ein Histogramm des zu untersuchenden Ergebnisbildes, das keine Information bzgl. zusammenhängender Bildpunkte (Pixel) enthält. Damit kann die gewonnene Information nicht zur Messung einer Schweißpunktlinse genutzt werden, weil Pixel von einer bestimmten Intensität nicht zwingend dem gleichen Objekt zugeordnet werden können.
  • Es ist Stand der Technik, dass die Infrarot-Impulsthermographie eine Information anhand des zeitlichen Verlaufs des registrierten Wärmeflusses einen Aufschluss über die lokale Qualität der Materialverbindung liefern kann (V. Vavilov et al. Transient thermographic detection of buried defects attempting to develop the prototype basic inspection procedure, „Proc. Of the Quantitative IR Thermographie QIRT – Seminar 50 – 1996”, edited by D. Balagaes, G. Busse, C.M. Carlomango, Stuttgart, Germany, 1996, p. 239ff). Unter industriellen Bedingungen wird jedoch dieses Verfahren auch wegen der eintretenden Störungen nicht genug aufschlusskräftig.
  • Infrarot-Lock-In-Thermographie benutzt zur Detektion lokaler Wärmeleitfähigkeitsunterschiede eine modulierte Anregung (Licht, Ultraschall, Wirbelstrom) und die Errechnung eines sog. emmisivitätsunabhängigen Phasenbildes. Das Phasenbild zeigt die Laufzeit thermischer Wellen im Materialverbund. Lokale Inhomogenitäten zeigen somit gestörte Materialverbindungen. Dieses Verfahren liefert jedoch Information aus einer vordefinierten Tiefe der Materialverbindung und somit kann nicht zur Qualitätskontrolle eines Schweißpunktes verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen zu schaffen, welches eine Qualitätskontrolle jeder einzelnen Verbindung bzw. der gesamten Fläche eines Materialverbundes derart bereitzustellt, dass es unmittelbar zur Kontrolle eines Produktionsprozesses eingesetzt werden kann. Durch die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Verbindung an jeder zu prüfenden Stelle wird eine Überdimensionierung im obengenannten Sinne vermeidbar. Zum Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde dieses Verfahren derart weiterzubilden, dass es schnell durchführbar ist, reproduzierbare Ergebnisse liefert, sodass der Produktionsprozess mit vorliegender Erfindung hinsichtlich der Optimierung der Konstruktion, der Materialersparnis durch angepasste Dimensionierung und der Zuverlässigkeit objektiv beurteil- und optimierbar wird. Außerdem soll eine Vorrichtung zum Ausfühhren dieses Verfahrens geschafft werden.
  • Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 11.
  • Patentgemäß wird ein Bauteil mittels Wärmefluss-Thermographie geprüft. Dabei wird das Verfahren als Wärmedurchgangsprüfung und/oder Prüfung des Wärmeabtransportes ausgebildet, wobei ein abbildendes Infrarot-Bilddatenerfassungs- und -Auswertungssystem verwendet wird, das mit einem Echtzeit-Datenverarbeitungssystem verbunden ist.
  • Gemäß Anspruch 1 sieht das Verfahren vor, dass aus der Zeitserie der Wärmebilddaten, die durch die kurzzeitige Anregung der Wärmestrahlung des Schweißpunktes entstehen und mittels einer Infrarotkamera erfasst und in Echtzeit gespeichert werden, ein Phasenbild erstellt wird. Dabei wird für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet. Das berechnete Phasenbild stellt die Wärmeausbreitung der Anregung gemäß den lokalen Materialeigenschaften unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und Emissionsgradunterschieden der abstrahlenden Oberfläche dar. Somit wird, unter Einbezug von Kalibrierdaten, die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes hinsichtlich des Durchmessers der Schweißpunktlinse, der Homogenität der Schweißverbindung sowie der Dicke der Schweißpunktlinse gewährleistet.
  • Gemäß Anspruch 2 wird anhand der festgestellten Parameter der Schweißverbindung, wie der Durchmesser und die Dicke der Schweißpunktlinse sowie die Homogenität der Schweißverbindung, eine Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes mit der Prüfaussage Schweißpunkt in Ordnung (i. O.) oder Schweißpunkt nicht in Ordnung (n. i. O.) gewährleistet.
  • Gemäß Anspruch 3 werden die Wärmebilddaten mit einer Bildwiederholrate größer als 300 Hz erfasst. Somit wird die Dynamik des zu untersuchenden Wärmeflusses ausreichend registriert.
  • Gemäß Anspruch 4 wird für jeden Prüfort an einem zu prüfenden Bauteil verschiedene Kalibrierdatensätze in einer elektronischen Datenbank zur Verfügung stehen. Damit wird eine lokale dynamische Kalibrierung der Aufnahmen gewährleistet.
  • Gemäß Anspruch 5 wird die Anregung des zu prüfenden Schweißpunktes durch eine periodische Wiederholung des Anregungspulses mit einer Frequenz von mehreren Hertz erfolgt. Dabei wird eine Korrelation zwischen den harmonischen Funktionen dieser Frequenz und einem Vielfachen dieser Frequenz untersucht. Dies wird erlauben, eine Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten durchzuführen.
  • Gemäß Anspruch 6 wird eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zur automatischen Prüfung von Materialverbindungen dargelegt, welche die Anregungs- und Detektionsquelle von einem Positionierungssystem zur pixelgenauen Position an jeden zu prüfenden Schweißpunkt gebracht wird. Somit wird das angemeldete Verfahren flexibel gestaltet und schnell durchführbar.
  • Gemäß Anspruch 7 wird das Positionierungssystem als ein Roboter ausgebildet. Dabei werden mit dem Roboter die Infrarotkamera und die Anregungsquelle pixelgenau an jeden zu prüfenden Schweißpunkt positioniert. Auf diese Art und Weise werden alle zu prüfenden Schweißpunkte auf dem ganzen zu prüfenden Bauteil abgefahren. Somit erlang das Prüfsystem die höchste Flexibilität.
  • Gemäß Anspruch 8 wird die Anregungsquelle als eine Blitzlampe ausgebildet, welche über eine Plexiglasscheibe verfügt, durch die eine Abschirmung der Wärmestrahlung erfolgt. Dabei wird die Dicke der Plexiglasscheibe so festgelegt, dass sie das Erzeugen eines ausreichend kurzen Lichtimpuls gewährleistet. Somit wird der Einfluss der nachglühenden Blitzlampe abgeschirmt und eine impulsartige Anregung des zu prüfenden Bauteiles gewährleistet.
  • Gemäß Anspruch 9 wird die Anregungsquelle als ein glasfasergekoppelter Puls-Laser mit homogener Lichtintensitätsverteilung am zu prüfenden Bauteil ausgebildet. Dabei betragen seine Pulszeiten von 1 bis 10 ms und seine Leistungsdichten erreichen 2000 W/cm2. Dabei wird das Erzeugen eines ausreichend kurzen aber leistungsfähigen Lichtimpulses gewährleistet.
  • Gemäß Anspruch 10 wird die Anregungsquelle als eine pulsartige Gasquelle, bevorzugt Luft, ausgebildet, bei der Pulszeiten von 1 bis 10 ms erreicht werden. Dabei wird das Erzeugen eines ausreichend kurzen aber leistungsfähigen thermischen Impulses gewährleistet.
  • Gemäß Anspruch 11 wird die Infrarotkamera eine Bildwiederholrate von mindestens 300 Hz und eine Pixelanzahl von mindestens 64 × 64 Pixel aufweisen. Damit wird eine ausreichende zeitliche sowie geometrische Auflösung der Wärmefluss-Aufnahmen gewährleistet.
  • Die Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der 1–5 erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es wird gezeigt:
  • 1 zeigt die schematische Darstellung einer Materialverbindung zweier Teile A und B mittels eines Schweißpunktes.
  • 2 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung bei der Wärmedurchgangsprüfung.
  • 3 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung bei der Prüfung des Wärmeflussabtransportes.
  • 4 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung bei der Prüfung des Wärmeflussabtransportes mit der Roboterpositionierung und Laseranregung.
  • 5 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung bei der Prüfung des Wärmeflussabtransportes mit der Roboterpositionierung und Laseranregung über eine Einspiegelung.
  • Als Beispiel kann einen Schweißpunkt angenommen werden, der mit einem Blitz angeregt wird. Die Anregung des zu untersuchenden Schweißpunktes kann ohne Beschränkung des angemeldeten Verfahrens auch auf andere Art und Weise (Laser, Ultraschall, Wirbelstrom, usw.) durchgeführt werden. Dabei kann ein Wärmefluss durch diesen Schweißpunkt als schnelle Bildfolgen der Oberflächentemperatur des zu prüfenden Objektes mit Hilfe einer Infrarotkamera von der zu oder -abgewandten Seite aufgenommen werden. Somit wird der gesamte zeitliche Verlauf der Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich 2...14 μm an der Oberfläche der zu prüfenden Materialverbindung mit Bildwiederholraten von mehr als 300 Hz erfasst und zu einer Rechnereinheit weitergeleitet. Dort wird eine Echtzeit-Datenerfassung diese Bilddaten automatisch analysiert und hinsichtlich der Güte der Materialverbindung ausgewertet.
  • Dabei wird ein Phasenbild des zu untersuchenden Schweißpunktes erstellt, sodass für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet wird. Das berechnete Phasenbild stellt die Wärmeausbreitung der Anregung gemäß den lokalen Materialeigenschaften unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und Emissionsgradunterschieden der abstrahlenden Oberfläche dar. Somit wird die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes hinsichtlich des Durchmessers und der Dicke der Schweißpunktlinse sowie der Homogenität der Schweißverbindung, unter Einbezug von Kalibrierdaten, gewährleistet. Das Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass durch die Anwendung von Bildverarbeitungssoftware Störungen, z. B. durch Reflexe oder andere Umgebungseinflüsse reduziert werden.
  • Die erzielten Ergebnisse erlauben die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes mit der Prüfaussage Schweißpunkt in Ordnung (i. O.) oder Schweißpunkt nicht in Ordnung (n. i. O.) zu tätigen.
  • Die Vorrichtung, welche das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, ist im Bezug auf Kompakt- und Robustheit, sowie im Bezug auf Modularität hinsichtlich des Einsatzes insbesondere in der Automobilindustrie optimiert. Hierzu wird der Einsatz/die Kombination mehrerer High-Tech-Technologien, namentlich Roboter, Glasfasergekoppelte Laser, IR-Kamera, Datentechnik, Bildverarbeitung sowie deren produktionsgerechtes Zusammenwirken als Alleinstellungsmerkmale gesehen. Die prinzipiell möglichen Variationen bezüglich der Anregung-/Detektionsgeometrie sind in den 4 bzw. 5 gezeigt.
  • Als erfindungsgemäße Weiterbildung der Vorrichtung ist die kompakte Bauform, bei gleichzeitiger Flexibilität, und somit einer hohen Anzahl möglicher Prüfpositionen, gegeben. Eine Weiterbildung der Vorrichtung beinhaltet den Einsatz eines Spiegels zur Anregung bei der Wärmeflussdurgang-Prüfung. Alternativ dazu ist Detektion des Wärmeflusses auch über einen Spiegel möglich.
  • Zusammenfassend bietet das vorgeschlagene Verfahren eine automatische, berührungslose und zerstörungsfreie Inspektion eines Schweißpunktes, indem der zu untersuchende Schweißpunkt unabhängig von dessen Größe und Position sowie der aufgetretenen Störungen explizit detektiert und automatisch ausgewertet wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere eines Schweißpunktes, mit dem a. mittels eines abbildenden Infrarot-Bilddatenerfassung und -Auswertungssystems, das b. mit einem Echtzeit-Datenverarbeitungssystem verbunden ist, c. die Güte, Homogenität und der Durchmesser einer Schweißpunktlinse kontrolliert wird, wobei d. das Verfahren als i. Wärmedurchgangsprüfung und/oder ii. Prüfung des Wärmeabtransportes ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zeitserie der Wärmebilddaten, die a. durch die kurzzeitige Anregung der Wärmestrahlung des Schweißpunktes entstehen und b. mittels einer Infrarotkamera erfasst und in Echtzeit gespeichert werden, c. ein Phasenbild erstellt wird, sodass i. für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten ii. ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet wird, wobei d. das berechnete Phasenbild i. die Wärmeausbreitung der Anregung ii. gemäß den lokalen Materialeigenschaften iii. unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und iv. Emssionsgradunterschieden der abstrahlenden Oberfläche darstellt und somit e. unter Einbezug von Kalibrierdaten f. die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes hinsichtlich i. des Durchmessers der Schweißpunktlinse, ii. der Homogenität der Schweißverbindung sowie iii. der Dicke der Schweißpunktlinse, gewährleistet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes mit der Prüfaussage a. Schweißpunkt in Ordnung (i. O.) oder b. Schweißpunkt nicht in Ordnung (n. i. O.) gewährleistet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebilddaten mit einer Bildwiederholrate größer als 300 Hz erfasst werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Prüfort an einem zu prüfenden Bauteil verschiedene Kalibrierdatensätze in einer elektronischen Datenbank zur Verfügung stehen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des zu prüfenden Schweißpunktes a. durch eine periodische Wiederholung des Anregungspulses mit einer Frequenz von mehreren Hertz erfolgt, wobei b. eine Korrelation zwischen i. den harmonischen Funktionen dieser Frequenz und ii. einem Vielfachen dieser Frequenz untersucht wird.
  6. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zur automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere eines Schweißpunktes gemäß Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus a. einer Kurzzeit-Anregungsquelle und b. einer schnellen, hochauflösenden Wärmebildkamera, die c. mit einem Echtzeit-Datenerfassung und -Verarbeitungssystem verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs- und Detektionsquelle von einem Positionierungssystem zur pixelgenauen Position an jeden zu prüfenden Schweißpunkt gebracht wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungssystem als ein Roboter ausgebildet ist, wobei a. mit dem Roboter die Infrarotkamera und die Anregungsquelle pixelgenau an jeden zu prüfenden Schweißpunkt positioniert wird und b. auf diese Art und Weise alle zu prüfenden Schweißpunkte auf dem ganzen zu prüfenden Bauteil abgefahren werden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle a. als eine Blitzlampe ausgebildet ist, welche b. über eine Plexiglasscheibe verfügt, durch die c. eine Abschirmung der Wärmestrahlung erfolgt, wobei d. die Dicke der Plexiglasscheibe so festgelegt wird, dass sie e. das Erzeugen eines ausreichend kurzen Lichtimpuls gewährleistet.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle als ein glasfasergekoppelter Puls-Laser a. mit homogener Lichtintensitätsverteilung am zu prüfenden Bauteil und b. Pulszeiten von 1 bis 10 ms und c. Leistungsdichten von 2000 W/cm2 ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle als eine pulsartige Gasquelle, bevorzugt Luft, ausgebildet ist, bei der Pulszeiten von 1 bis 10 ms erreicht werden.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotkamera a. eine Bildwiederholrate von mindestens 300 Hz und b. eine Pixelanzahl von mindestens 64 × 64 Pixel aufweist.
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