DE102004015733A1

DE102004015733A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten

Info

Publication number: DE102004015733A1
Application number: DE200410015733
Authority: DE
Inventors: Hartmut Hoffmann; Horst-Dieter Prof. Dr. Ing.habil. Tietz; Manfred Prof. Dr. Ing.habil. Dietz; Mario Dipl.-Ing. Werner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, insbesondere von Laserschweißnähten, wobei in einem eine Schweißnaht aufweisenden Werkstück im Bereich der Schweißnaht ein Wirbelstrom induziert wird, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von der Struktur des Werkstückes in einem Aufnehmer eine elektrische Spannung induziert. Zur Verbesserung der Tiefenauflösung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass vor der Induktion des Wirbelstromes eine Vormagnetisierung des Werkstückes zumindest in dem Bereich erfolgt, in dem nachfolgend der Wirbelstrom induziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, insbesondere von Laserschweißnähten, wobei in einem eine Schweißnaht aufweisenden Werkstück im Bereich der Schweißnaht ein Wirbelstrom induziert wird, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von der Struktur des Werkstückes in einem Aufnehmer eine elektrische Spannung induziert.
Ein solches Verfahren ist als so genannte Wirbelstromprüfung bekannt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren der zerstörungsfreien Werkstückprüfung, das auf den Prinzipien der elektromagnetischen Induktion beruht. Eine von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossene Spule, eine Wirbelstromsonde, induziert in einem elektrisch leitfähigen, nicht notwendig ferromagnetischen Werkstück oberflächennahe Wirbelströme, deren Magnetfeld auf die Spule rückwirkt. Der Spule und Werkstück aufweisenden Anordnung kann eine komplexe Impedanz zugeordnet werden. Bei bekannten Wirbelstromprüfgeräten wird die komplexe Impedanzebene auf einem Monitor zur Abbildung gebracht, wobei der ungestörten Werkstückoberfläche ein fester Arbeitspunkt entspricht. Wird die Wirbelstromsonde über eine Inhomogenität an der Oberfläche, beispielsweise einen Oberflächenriss, geführt, so erfährt der Arbeitspunkt eine Auslenkung in der Impedanzebene, die einen Fehlernachweis darstellt.
Die Wirbelstromprüfung wird in der Bohrloch-, Schweißnaht- und Rohrinnenprüfung auf Oberflächenfehler eingesetzt. Sie ist darüber hinaus auch zu einer Fehlerdetektion unter nicht leitenden Oberflächenbeschichtungen (zum Beispiel Farben und Lacke), zur Fehlergrößenbestimmung, Leitfähigkeitsmessung sowie zur Identitätsprüfung von Metallen geeignet. Nachteilig vor allem bei der Prüfung von Schweißnähten mit der bekannten Wirbelstromprüfung ist eine vergleichsweise geringe Tiefenauflösung, die das Einsatzgebiet der Wirbelstromprüfung einschränkt.
Weitere bekannte Schweißnahtprüfverfahren sind Ultraschallprüfverfahren und optische Verfahren, die unter Verwendung einer Thermographiekamera zur Anwendung kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine verbesserte Tiefenauflösung aufweist und eine Separierung von Fehlern erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem vor der Induktion des Wirbelstromes eine Vormagnetisierung des Werkstückes zumindest in dem Bereich erfolgt, in dem nachfolgend der Wirbelstrom induziert wird. Mit der erfindungsgemäßen Vormagnetisierung wird vorteilhaft eine Erhöhung der Permeabilität des Werkstücks bewirkt, wodurch die Eindringtiefe des Wirbelstromes in das Werkstück erhöht wird. Außerdem können auf diese Weise vorteilhaft Permeabilitätsdifferenzen in dem Werkstück, die beispielsweise herstellungsbedingt vorhanden sind, ausgeglichen werden. Aufgrund der erhöhten Eindringtiefe des Wirbelstromes in das Werkstück bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine erheblich vergrößerte Tiefenauflösung gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Besonders vorteilhaft ist es, dass das erfindungsgemäße, kostengünstige Verfahren geeignet ist für eine Anwendung in der Großserienproduktion, zum Beispiel bei der Herstellung von Kraftfahrzeugkarosserien. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten beliebiger Struktur und Nahtform geeignet. Jedoch ist es als Wirbelstromverfahren besonders gut anwendbar für die zerstörungsfreie Prüfung von Laserschweißnähten, die eine vergleichsweise geringe Nahtdicke und einen vergleichsweise geringen Nahtquerschnitt aufweisen. Als Kompromiss zwischen einer möglichst niedrigen Prüffrequenz für eine hohe Eindringtiefe des Wirbelstromes in das Werkstück und einer möglichst hohen Prüffrequenz für eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Prüfverfahrens wurde für ein beispielhaftes Verfahren als aussagekräftige Messergebnisse sicherstellende Prüffrequenz ein Wert von in etwa 10 kHz gefunden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Erkennung von Querschnittsverformungen, Einfälle und Einzüge einer Schweißnaht sowie von Poren, Decklagefehlern und Bindefehlern in der Schweißnaht. Die in dem Aufnehmer induzierte elektrische Spannung ist ein Maß für den Fehler in der Schweißnaht. Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung werden insbesondere auch unter der Oberfläche der Schweißnaht liegende Fehler, zum Beispiel unter der Oberfläche liegende Poren, die beispielsweise mit einer Ultraschallprüfung nicht zu erkennen sind, und Bindefehler, erkannt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden in dem Werkstück gleichzeitig Wirbelströme mit unterschiedlicher Wirbelstromfrequenz induziert. Diese Wirbelstromfrequenzen können weiterhin und vorzugsweise, zum Beispiel mit Hilfe einer elektronischen Steuerungsvorrichtung, an die im Einzelfall vorliegende Geometrie des geschweißten Werkstücks angepasst sein. Somit ist eine Fehlererfassung und Fehlerauswertung in verschiedenen Tiefenlagen des Werkstücks, insbesondere in Tiefenlagen entsprechend Einzelblechdicken eines zusammengeschweißte Bleche aufweisenden Werkstücks, möglich.
Es ist vorstellbar, dass ein erfindungsgemäßes Schweißnahtprüfungsverfahren vollkommen automatisch abläuft. Hingegen wird eine Kontrollfunktion eines Bedieners in einfacher Weise dadurch unterstützt, dass gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die in dem Aufnehmer induzierten elektrischen Spannungen auf einem Bildschirm graphisch zur Anzeige gebracht werden. Der Bediener kann dann auf Basis des angezeigten Signalverlaufs unmittelbar in das dem Prüfverfahren vorausgehende Schweißverfahren eingreifen. Ein Eingriff des Bedieners kann auch in einem grundsätzlich automatisch ablaufenden Verfahren erfolgen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die in dem Aufnehmer induzierten elektrischen Spannungen nach ihrer Phasenlage ausgewertet.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die in dem Aufnehmer induzierten elektrischen Spannungen nach ihrer Verstärkung ausgewertet werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Auswertung der elektrischen Spannung für jede Wirbelstromfrequenz gesondert und für eine Überlagerung unterschiedlicher Wirbelstromfrequenzen vorgenommen. Dadurch ist eine umfassende Analyse der Art der detektierten Fehler sowie eine Separierung von möglichen Störeinflüssen der Schweißnahtoberfläche gewährleistet.
Grundsätzlich ist es für ein definiertes Messsignal von Vorteil, einen Prüfkörper in definiertem Abstand über die zu prüfende Schweißnaht zu führen. Eine besonders hohe Funktionssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann erreicht, wenn entsprechend einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine den Wirbelstrom erzeugende Sonde zur Induktion des Wirbelstroms in dem Werkstück in einem Abstand von 0,3 bis 0,5 mm entlang der Schweißnaht geführt wird. Der geringe Abstand der Sonde zur Oberfläche des Werkstücks erhöht zum einen das Wirkfeld, das in das zu prüfende Werkstück eingebracht wird, und zum anderen die Eindringtiefe des Wirbelstroms in das Werkstück. Außerdem werden gleichzeitig die Empfindlichkeit und die Wahrscheinlichkeit des Nachweises von kleinen Fehlstellen, insbesondere mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm, verbessert. Weiterhin ergibt sich vorteilhaft eine gesteigerte Reproduzierbarkeit der Fehlstellenerkennung.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist ein Ausführungsbeispiel davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. In der Zeichnung zeigt in jeweils schematisierter Darstellung
1 eine Fehlerstelle in einer Schweißnaht im Querschnitt und
2 einen Signalverlauf entlang der Schweißnaht nach 1.
In 1 ist eine Materialpaarung mit einem ersten Blech 1, das eine Stärke von 2 mm aufweist, und einem zweiten Blech 2, das eine Stärke von 0,8 mm aufweist, dargestellt. Die beiden Bleche 1, 2 sind mittels einer Schweißnaht 3, einer in einem Laserschweißprozess erzeugten so genannten Lasernaht, miteinander verbunden. Die Schweißnaht 3 weist eine Fehlerstelle 4 in Form einer Pore 5 auf.
2 zeigt in einer graphischen Darstellung auf einem Bildschirm 6 ein Ergebnis einer Wirbelstromprüfung, die entlang der Schweißnaht 3 aus 1 mittels einer Wirbelstromsonde vorgenommen worden ist. Bei der Wirbelstromprüfung erfolgt eine an der Schweißnaht ausgerichtete und dieser nachgeführte Vorwärtsbewegung der Wirbelstromsonde. Mittels einer optisch oder mechanisch, zum Beispiel mit Hilfe eines auf dem Werkstück abgestützten und abrollenden Rades, arbeitenden Abstandhalteeinrichtung wird die Wirbelstromsonde in geringem Abstand von 0,3 bis 0,5 mm über der Schweißnaht gehalten, ohne dass es zu einer Kollision von Wirbelstromsonde und Werkstück kommt. In der Graphik nach 2 sind Signalspannungen U (in Volt) über einer Abtastungslänge s (in Millimeter) entlang der Schweißnaht aufgetragen. Ein erster Signalverlauf 7 ergibt sich bei Störstellenfrequenz, ein zweiter Signalverlauf 8 bei Lasernahtfrequenz und ein weiterer Signalverlauf 9 bei Mixfrequenz. Es ist zu erkennen, dass sich die Lage und die Größe der Pore 5 aus 1 aus den Signalverläufen eindeutig bestimmen lassen: Die Pore 5 liegt in einem Bereich zwischen 32 mm und 36 mm der Abtastungslänge s, wobei eine örtliche Konzentration bei in etwa 35 mm vorliegt; das Ausmaß der Pore 5 ist aus der Mixsignaldarstellung (siehe Signalverlauf 9) ersichtlich.

1: Blech
2: Blech
3: Schweißnaht
4: Fehlerstelle
5: Pore
6: Bildschirm
7: Signalverlauf
8: Signalverlauf
9: Signalverlauf

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, insbesondere von Laserschweißnähten, wobei in einem eine Schweißnaht aufweisenden Werkstück im Bereich der Schweißnaht ein Wirbelstrom induziert wird, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von der Struktur des Werkstückes in einem Aufnehmer eine elektrische Spannung induziert, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Induktion des Wirbelstromes eine Vormagnetisierung des Werkstückes zumindest in dem Bereich erfolgt, in dem nachfolgend der Wirbelstrom induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkstück gleichzeitig Wirbelströme mit unterschiedlicher Wirbelstromfrequenz induziert werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Aufnehmer induzierten elektrischen Spannungen auf einem Bildschirm graphisch zur Anzeige gebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Aufnehmer induzierten elektrischen Spannungen nach ihrer Phasenlage ausgewertet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Aufnehmer induzierten elektrischen Spannungen nach ihrer Verstärkung ausgewertet werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der elektrischen Spannung für jede Wirbelstromfrequenz gesondert und für eine Überlagerung unterschiedlicher Wirbelstromfrequenzen vorgenommen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Wirbelstrom erzeugende Sonde zur Induktion des Wirbelstroms in dem Werkstück in einem Abstand von 0,3 bis 0,5 mm entlang der Schweißnaht geführt wird.