DE102004028607A1 - Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen Download PDF

Info

Publication number
DE102004028607A1
DE102004028607A1 DE200410028607 DE102004028607A DE102004028607A1 DE 102004028607 A1 DE102004028607 A1 DE 102004028607A1 DE 200410028607 DE200410028607 DE 200410028607 DE 102004028607 A DE102004028607 A DE 102004028607A DE 102004028607 A1 DE102004028607 A1 DE 102004028607A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
workpiece
inductor
magnetic field
voltage
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE200410028607
Other languages
English (en)
Other versions
DE102004028607B4 (de
Inventor
Klaus Gisbert Dr. Schmitt
Harald Knetsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Newfrey LLC
Original Assignee
Newfrey LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Newfrey LLC filed Critical Newfrey LLC
Priority to DE102004028607.8A priority Critical patent/DE102004028607B4/de
Priority to PCT/EP2005/052524 priority patent/WO2005118201A1/en
Publication of DE102004028607A1 publication Critical patent/DE102004028607A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102004028607B4 publication Critical patent/DE102004028607B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/20Stud welding
    • B23K9/205Means for determining, controlling or regulating the arc interval

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur schädigungsfreien Prüfung einer Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung (12) zum Erwärmen eines ersten Werkstücks (14), das mit einem zweiten Werkstück (16) verfügt ist und eine Einrichtung (18) zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilung (48) aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtung zum Erwärmen ein Induktor (28) ist, mit dem ein Magnetfeld (38) erzeugbar ist, das auf das erste Werkstück wirkt (Fig. 1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen, das die folgenden Schritte aufweist: Verfügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück; Erwärmen des mit dem zweiten Werkstück verfügten ersten Werkstücks, insbesondere auf eine Temperatur von 50° bis 500°C; und optisches Erfassen einer Wärmeverteilung in einem Bereich der Verfügung des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen, die eine Einrichtung zum Erwärmen eines ersten Werkstücks, das mit einem zweiten Werkstück verfügt ist, und eine Einrichtung zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilung aufweist.
  • Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der Schrift DE 199 20 219 A1 bekannt.
  • Im Stand der Technik existieren verschiedene Prüf-Mess-Verfahren zur Qualitätskontrolle von Fügeverbindungen, insbesondere punktförmiger Schweißverbindungen.
  • Bestimmend für die Qualität einer Punktschweißverbindung ist die Wärmeentwicklung in der Zone, in der die Punktschweißverbindung entstehen soll, wobei insbesondere ein ausreichend ausgedehntes Schmelzbad zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen bzw. Werkstücken erreicht werden muss. Fließt z.B. ein elektrischer Strom, der die Wärmeentwicklung bewirken soll, nicht nur durch die Zone, wo die Punktschweißverbindung entstehen soll, sondern auch über andere Verbindungen (die üblicherweise als „Nebenschlüsse" bezeichnet werden), so kann dies die Qualität der entstehenden Punktschweißverbindung erheblich beeinträchtigen und möglicherweise verhindern, dass die Punktschweißverbindung überhaupt zustande kommt.
  • Vor allem im Zuge von automatisierten Fabrikationsprozessen besteht das Bedürfnis nach einer kontinuierlichen Beurteilung der Qualität von Punktschweißverbindungen, um ungenügende Punktschweißverbindungen sofort zu erkennen und aussondern zu können. Stichprobenartige Kontrolluntersuchungen von Punktschweißverbindungen, die oftmals zerstörerisch sind, werden u.U. nicht als ausreichend zur Sicherung der gewünschten Qualität von Punktschweißverbindungen erachtet.
  • Ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist gekennzeichnet durch mechanische Festigkeitsprüfungen von Bolzenschweißverbindungen. Diese Prüfungen werden nach statistischen Gesichtspunkten durchgeführt.
  • Ein erstes derartiges Prüfungsverfahren ist die bekannte Meißel-Methode. Hierbei wird die Schweißverbindung mechanisch bis zum Zerreißpunkt belastet. Daraus werden Rückschlüsse auf andere, nicht untersuchte Schweißverbindungen gezogen.
  • Ferner gibt es zerstörungsfreie Prüfungsmethoden, wie z.B. Ultraschall- und Röntgenstrukturanalysen. Diese stellen jedoch methodisch aufwendige Analysenmethoden dar.
  • Aus der DE 169 50 883 A1 ist ein Verfahren zum berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfen von Schweißnähten an bewegten Bahnen bekannt. Dabei werden zwei Kunststoffbahnen erwärmt und anschließend mittels Anpresswalzen verfügt. Unmittelbar nach der Verfügung wird eine der Oberflächen des so gewonnenen Schichtverbundes „online" thermografisch in Form von Zeilen erfasst. An einem so aus gescannten Zeilen bestehenden Thermografiebild kann die Temperaturverteilung nachvollzogen werden. Bei einer homogenen stoffschlüssigen Verbindung der Bahnen erhält man eine gleichmäßige Wärmeverteilung.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Überprüfung der Verbindungsqualität direkt im Anschluss an den eigentlichen Verfügungsvorgang geschehen muss, um die beim Verfügen verwendete Wärme zu thermografischen Zwecken auszunutzen. Dazu muss der Thermoscanner verhältnismäßig nah zu dem Ort der Verfügung angeordnet sein. Diese Nähe kann jedoch die Messung des Thermoscanners verfälschen, da diese von der abgestrahlten Wärme des eigentlichen Fügungsvorgangs beeinflusst werden kann.
  • Bei der bereits oben erwähnten DE 199 20 219 wird eine Fertigungsstraße vorgeschlagen, in der zwei Werkstücke flächig durch punktuelles Schweißkontaktieren miteinander verbunden werden. Um die Qualität eines Schweißpunktes zu überprüfen, ist weiter stromabwärts gelegen eine Wärmequelle installiert, die dem zu überprüfenden Schweißpunkt über einen Wärmefluss eine bestimmte Wärmemenge pro Zeiteinheit zuführt. Noch weiter stromabwärts gelegen ist anschließend ein Wärmefühler vorgesehen, der die Temperatur bzw. deren Verteilung bestimmt. Auch hier wird zur Qualitätsbestimmung die Wärmediffusion einer intakten Schweißverbindung mit ihrer Umgebung ausgenutzt. Als Wärmequellen werden Laser oder Mikroflammen vorgeschlagen.
  • Ein Nachteil dieses Prüfungsverfahrens ist, dass große Mengen an Energie benötigt werden, um die (möglicherweise bereits abgekühlten Werkstücke) ausreichend zu erwärmen, um die Thermoqualitätsprüfung durchzuführen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schädigungsfreien Prüfen der Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen zu schaffen, wobei Energie eingespart und der Überprüfungsvorgang automati sierbar ist. Insbesondere will man vom Verfügungsort unabhängig sein.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei das Erwärmen durch Erzeugen eines das zweite Werkstück durchdringenden Magnetfelds erfolgt.
  • Diese induktive Erwärmung hat den Vorteil, dass die aufgewandte Energie nahezu vollständig in Wärmeenergie umgewandelt wird, die für die Prüfung der Qualität der Verbindung erforderlich ist. Die dem Magnetfeld durch Induktion entnommene Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt, die durch Wirbelströme innerhalb des ersten Werkstücks hervorgerufen wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Magnetfeld durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung, vorzugsweise ab 1 kHz erzeugt.
  • Das Anlegen einer Wechselspannung erhöht den Grad der durch die Induktion erzeugten Wärme in den zu prüfenden Werkstücken.
  • Von Vorteil ist, wenn beim Erwärmen auch das zweite Werkstück von dem Magnetfeld durchdrungen wird.
  • So wird nicht nur lediglich im ersten Werkstück, sondern auch im zweiten Werkstück Wärme erzeugt. Es findet somit nicht nur ein Wärmefluss vom ersten Werkstück in Richtung des zweiten Werkstücks statt, sondern auch umgekehrt. Auf diese Weise kann die zur Messung erforderliche Wärmeverteilung schneller erzielt werden. Die Wärme verteilt sich gleichmäßiger.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn die Erwärmung zeitlich nach der Verfügung erfolgt.
  • Dies hat den großen Vorteil, dass die Prüfung der Qualität der Schweißverbindungen erheblich später als das eigentliche Verfügen der Werkstücke erfolgen kann. Dies ist insbesondere wichtig, wenn das Prüfverfahren in einer Fertigungsstraße, wie z.B. in der Automobilindustrie, angewendet werden soll. Die einzelnen Arbeitsstationen innerhalb einer Straße können so entkoppelt werden. So lässt sich die Flexibilität bei der Gestaltung einer Fertigungsstraße erhöhen.
  • Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Verfügen durch Schweißen, insbesondere durch Lichtbogenschweißen, erfolgt.
  • Bei dieser Art der Verfügung kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Werkstücken. Die stoffschlüssige Verbindung verstärkt den Wärmefluss zwischen den zu verbindenden Werkstücken. Die Erwärmungszeit der zu prüfenden Schweißstelle lässt sich so verkürzen, wodurch der Taktzyklus erhöht werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zum Erzeugen des Magnetfelds ein Induktor so in die Nähe des ersten Werkstücks gebracht, dass das Magnetfeld ausreichend große Wirbelströme in dem ersten Werkstück erzeugt, um das Prüfungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchführen zu können.
  • Der Induktor kann also beweglich gelagert sein, so dass er noch näher an die zu erwärmenden Werkstücke herangeführt werden kann. Er lässt sich jedoch nach dem induktiven Erwärmungsvorgang wieder entfernen, um Platz für einen Austausch der zu prüfenden Werkstücke zu schaffen, insbesondere dann, wenn die zu verbindenden Werkstücke sperrig ausgebildet sind. Auch diese Maßnahme unterstützt die Energieeinsparung beim Erwärmen, wobei jedoch ein größtmögliches Maß an Flexibilität gewahrt bleibt, was das Austauschen der Werkstücke betrifft.
  • Die Aufgabe wird des Weiteren durch eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art gelöst, bei der die Einrichtung zum Erwärmen ein Induktor ist, mit dem ein Magnetfeld erzeugbar ist, das auf das erste Werkstück wirkt.
  • Das Vorsehen eines Induktors ermöglicht die induktive Erwärmung der zu prüfenden Verbindungsstelle. Eine induktive Erwärmung ermöglicht die Einsparung von Energie zur Erwärmung.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Induktor auf einer Seite des mit dem ersten Werkstück verfügten zweiten Werkstücks angeordnet, auf der sich das erste Werkstück befindet, und die Einrichtung zum optischen Erfassen ist auf einer dieser Seite gegenüberliegenden Seite angeordnet.
  • Diese Art der Anordnung hat den Vorteil, dass die Einrichtung zum optischen Erfassen so angeordnet ist, dass die durch Induktion erzeugte Wärme in Richtung dieser Einrichtung fließt. Auf diese Weise lassen sich die Verbindungen zwischen den Werkstücken besonders gut beobachten bzw. bewerten.
  • Weiter ist es bevorzugt, wenn eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die mit dem Induktor und der Einrichtung zum optischen Erfassen gekoppelt ist.
  • Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ermöglicht die direkte Auswertung der durch die Einrichtung zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilung gewonnenen Daten. Die Steuerkomponente kann regelnd auf die Vorrichtung einwirken, um z.B. äußere Einflüsse wie Temperaturschwankungen oder eine Erwärmung des Induktors zu kompensieren.
  • Vorzugsweise ist die Einrichtung zum optischen Erfassen eine Infrarotkamera, die insbesondere mit Wellenlängen eines Bereichs von 8 bis 14 μm oder 1 bis 2 μm arbeitet.
  • Eine Infrarotthermografie bei niedriger Temperatur (z.B. T < 100°C) kann (je nach Material der Werkstücke) eine Kamera erfordern, die bei einer Wellenlänge von 8 bis 14 μm betrieben wird. Sowohl Stahl als auch Aluminium emittieren Infrarotlicht nur in geringem Maße. Dieses emittierte Licht hat eine Wellenlänge von ca. 8 bis 14 μm.
  • Eine Infrarotthermografie bei höheren Temperaturen (z.B. T < 300°C) lässt Kameras zu, die vorzugsweise bei einer Wellenlänge von 1 bis 2 μm betrieben werden. In diesem Bereich emittiert z.B. Stahl die Infrarotstrahlung optimal und negative Oberflächeneffekte verschwinden nahezu vollständig.
  • Ferner lassen sich mit einer Infrarotkamera geringste Temperaturunterschiede optisch darstellen. Dies ist für die in Frage stehende Anwendung besonders von Vorteil.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Induktor mit einer Spannungsquelle verbunden, die insbesondere eine Wechselspannung von mindestens 1 kHz liefert, wobei die Wechselspannung z.B. eine Sinusspannung, eine Dreiecksspannung oder eine Rechteckspannung sein kann.
  • Wie bereits oben erwähnt, wird durch Vorsehen einer solchen Spannung die induktive Erwärmung besonders begünstigt.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn der Induktor eine Kreisspule ist, die im Wesentlichen koaxial zu einer Längsachse des ersten Werkstücks anordenbar ist.
  • Eine Kreisspule weist in der Regel eine mittige Öffnung auf, in die das erste Werkstück eingeführt werden kann, insbesondere, wenn dieses dementsprechend ausgebildet ist. Eine Kreisspule ist auch von Vorteil, wenn das erste Werkstück ein Bolzen ist. Die mittlere Öffnung der Kreisspule kann dann den Bolzen nahezu vollständig umschließen. Die sich durch die Mitte der Spule erstreckenden Magnetfeldlinien können so den Bolzen bzw. die zu untersuchende Verbindungsstelle gut passieren.
  • Von Vorteil ist auch, wenn der Induktor aus einem ferromagnetischen Material besteht, das insbesondere jochförmig ausgebildet ist.
  • Wenn ein jochförmiger Induktor verwendet wird, so wird dieser in der Regel durch eine Spule magnetisiert werden. Durch Vorsehen eines Jochs lässt sich die magnetische Energie an einem anderen Ort als an dem Ort applizieren, an dem die das Magnetfeld erzeugende Spule vorgesehen ist. Insbesondere die Form des Jochs lässt sich beliebig gestalten. Dies erhöht die Flexibilität insofern, dass selbst komplex gestaltete Werkstücke von einem ggf. entsprechend komplex gestalteten Joch umgeben werden können, um dieses Werkstück optimal induktiv zu erwärmen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Induktor mit einem Temperatursensor gekoppelt. Für das erste Werkstück kann ein weiterer Temperatursensor vorgesehen sein, um dessen Wärme zu erfassen. Beide Temperatursensoren können mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden sein.
  • Diese Maßnahmen ermöglichen es, Temperaturschwankungen besser bei der Auswertung der Wärmeverteilung zu berücksichtigen. Temperaturschwankungen treten insbesondere dann auf, wenn die Taktzyklen der Prüfung verkürzt werden. In einem solchen Fall wird der Induktor sich selbst erwärmen und kann somit eine Fehlerquelle bei der Auswertung darstellen.
  • Um Restwärme vom Verfügungsprozess berücksichtigen zu können, kann auch die Temperatur des ersten Werkstücks gemessen werden. Anhand dieser Messung kann die Steuer- und Auswertevorrichtung erstens das Messergebnis entsprechend kompensieren und zweitens regelnd in den Prüfvorgang eingreifen, was z.B. die Stärke des die Wärme induzierenden Magnetfelds betrifft. Auf diese Weise können konstante Bedingungen für jeden einzelnen Messvorgang geschaffen werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung zum schädigungsfreien Prüfen der Verbindungsqualität von Werkstückverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2a und 2b Wärmeverteilungen, wie sie aus Sicht entlang der Linie II-II der 1 gesehen werden können;
  • 3 eine weitere Ausführungsform eines Induktors für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen immer gleiche Elemente. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird allgemein mit 10 bezeichnet.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum zerstörungsfreien Prüfen der Verbindungsqualität z.B. einer Bolzenschweißverbindung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Einrichtung 12 zum Erwärmen z.B. eines Bolzens 14, der mit einem Werkstück 16 (stoffschlüssig) verfügt ist.
  • Der Bolzen 14 ist in der 1 von oben mit dem darunter angeordneten Werkstück 16 verfügt worden. Die Station zum Verfügen ist in 1 nicht gezeigt. Die Darstellung der 1 zeigt eine Schnittansicht durch die Erwärmungseinrichtung 12 und die Werkstücke 14 und 16.
  • Eine Infrarotkamera 18 ist dem Werkstück 16 gegenüberliegend angeordnet. Die Pfeile 20 und 22 deuten den Sichtbereich der Kamera 18 schematisch an. Die Kamera 18 „blickt" in der 1 von unten auf das Werkstück 16. Der Bolzen 14 wurde auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Werkstück 16 verfügt.
  • Die Kamera 18 ist ferner mit einer Auswerteeinheit 24 verbunden. Mit der Kamera 18 können Bilder von Wärmeverteilungen aufgenommen werden. Bilder solcher Wärmeverteilungen sind schematisch in den 2a und 2b dargestellt, die nachfolgend detaillierter erläutert werden.
  • Mit der Auswerteeinheit 24 können Bilder von Wärmeverteilungen ausgewertet werden. Die Auswerteeinheit 24 ist deshalb z.B. mit einer Speichereinheit zum Speichern von Bilddaten und einer Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) versehen, wie z.B. mit einem Mikroprozessor.
  • Die Auswerteeinheit 24 ist wiederum über eine Leitung 25 mit einer Steuereinheit 26 verbunden. Die Steuereinheit 26 regelt die Energiezufuhr der Einrichtung 12.
  • Die Erwärmungseinrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine ringförmige Spule 28, die mit der Steuereinheit 26 über eine Leitung 29 verbunden ist. Die Spule 28 ist an einem vorzugsweise beweg lich gelagerten Halter 30 angebracht. Der Halter 30 kann auch durch einen Wickelkörper der Spule 28 selbst gebildet sein und ist vorzugsweise aus einem nicht magnetisierbaren Material.
  • Die Induktor- bzw. Spulenwicklung ist in der 1 durch Rechtecke dargestellt, die ein oval mit einem Kreuz bzw. mit einem Punkt beinhalten. Die Wicklung ist so ausgestaltet, dass ein in der Wicklung fließender Strom in der in 1 links dargestellten Hälfte in die Zeichenebene hinein und in der in 1 rechts dargestellten Hälfte der Spule aus der Zeichenebene herausfließt. Nach der Rechten-Hand-Regel wird somit bei Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld induziert, das, wie in 1 gezeigt, nach unten orientiert ist.
  • Magnetische Feldlinien sind in der 1 schematisch mit den Pfeilen 38 angedeutet. Die Magnetfeldlinien 38 laufen durch eine mittlere Öffnung 32 der Spule 28.
  • Aus Gründen, die später erläutert werden, kann die Vorrichtung 10 ferner eine erste Temperatursonde 34 umfassen, die an die Auswerteeinheit 24 gekoppelt ist. Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform ist die erste Temperatursonde 34 über eine Leitung 37, die Steuereinheit 26 und die Leitung 25 mit der Auswerteeinheit 24 gekoppelt. Alternativ kann die erste Temperatursonde 34 auch direkt mit der Auswerteeinheit 24 verbunden werden.
  • Die Vorrichtung 10 kann ferner eine zweite Temperatursonde 36 umfassen, die ebenfalls über eine Leitung 37, vergleichbar zu der ersten Temperatursonde 34, mit der Auswerteeinheit 24 gekoppelt ist.
  • Mithilfe der beiden Temperatursonden 34 und 36 können Temperaturschwankungen innerhalb des Systems bestimmt und durch die Auswerteeinheit 24 kompensiert werden.
  • Die Steuereinheit 26 umfasst eine (nicht dargestellt) Strom- bzw. Spannungsquelle mit der die Spule 28 mit Energie versorgt wird.
  • Durch Anlegen einer geeigneten Spannung fließt in der Spule 28 ein Strom. Der Stromfluss in der Spule induziert das Magnetfeld 38. Vorausgesetzt, der Bolzen 14 wurde zuvor innerhalb der Spulenöffnung 32 angeordnet, induziert das Magnetfeld 38 Wirbelströme innerhalb des (elektrisch leitenden) Bolzens 14, da dieser von dem Magnetfeld 38 durchdrungen wird. Die Wirbelströme innerhalb des Bolzens wiederum erzeugen (auf Grund von Reibung) die gewünschte Wärme.
  • Die Energie, die zur Wärmeerzeugung benötigt wird, wird also aus dem magnetischen Feld 38 der Spule 28 gezogen. Die so erzeugte Wärme diffundiert in Richtung des Werkstücks 16, um ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung herzustellen. Ein solcher Wärmefluss ist schematisch mit einem Pfeil 40 angedeutet.
  • Die Wärme kann natürlich nur dort zwischen dem Bolzen 14 und dem Werkstück 16 fließen, wo diese eine vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung miteinander eingegangen sind. Im Idealfall ist der Bolzen 14 vollständig stoffschlüssig mit dem Werkstück 16 verbunden. In diesem Fall ist die Wärmeverteilung homogen.
  • In den 2a und 2b ist eine solche homogene Wärmeverteilung 48 in Schwarz/Weiß-Darstellung veranschaulicht. Vorzugsweise wird die Wärmeverteilung farblich angezeigt, um besser zwischen unterschiedlichen Wärmegraden differenzieren zu können. Die Wärmegrade lassen sich der in den 2a und 2b jeweils rechts dargestellten Wärmeskala 50 entnehmen.
  • In den 2a und 2b ist jeweils ein Bild der Infrarotkamera 18 entlang der Linie II-II der 1 dargestellt. Die Darstellungen der 2a und 2b zeigen somit Bilder, wie sie mittels der Infrarotkamera 18 gewonnen werden.
  • In der Wärmeverteilung 48 der 2b erkennt man ein annähernd kreisförmiges helles Zentrum 52. Dieses Zentrum 52 entspricht ungefähr der Kontaktfläche des Bolzens 14 mit dem Werkstück 16. Da die in der 2b dargestellte Verbindung vollständig stoffschlüssig erfolgt ist, stellt sich eine homogene Wärmeverteilung ein. Der Wärmegrad nimmt radial nach außen ab. Dies rührt daher, da vorzugsweise lediglich der Bolzen 14 induktiv erwärmt wird.
  • Eine ganz andere Situation stellt sich jedoch dar, wenn die Verbindung zwischen dem Bolzen 14 und dem Werkstück 16 nicht vollständig stoffschlüssig erfolgt ist. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn es während des Vorgangs des Verschmelzens der Werkstücke (d.h. beim Verfügen) zu Lufteinschlüssen gekommen ist. An den Orten, wo es zu Lufteinschlüssen gekommen ist, wird die Wärme schlechter übertragen.
  • Eine solche Situation ist in 2a dargestellt. Man erkennt in der 2a deutlich, dass das helle Zentrum 52 in der Wär meverteilung 48 mit diskreten dunkleren Bereichen 54 versehen ist. Diese dunkleren Bereiche verdeutlichen eine geringere Temperatur. An diesen Stellen erfolgt also auch ein geringerer Wärmefluss. Die 2a stellt somit eine qualitativ schlechte Verbindung dar.
  • In 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Erwärmungseinrichtung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • Zusätzlich zu der Spule 28 ist bei dieser Ausführungsform ein Feldformer bzw. Joch 60 aus einem vorzugsweise ferromagnetischen Werkstoff vorgesehen. Der in 3 dargestellte Induktor erzeugt ein Magnetfeld 38, das vorzugsweise senkrecht zur Längsachse A des Bolzens 14 orientiert ist. Das Joch 60 weist ebenfalls eine Öffnung 32 auf, in die der Bolzen 14 eingeführt werden kann.
  • Im Unterschied zu dem Induktor der 1 regt der Induktor gemäß der 3 Wirbelströme lediglich im Bolzen 14 an. Dennoch kommt es zu dem gewünschten Wärmefluss 40.
  • Das Vorsehen des Jochs 60 hat mehrere Vorteile. Zum einen wird lediglich der Bolzen 14 induktiv erwärmt. Die magnetische Energie des Magnetfelds 38 ist im Wesentlichen zwischen den Schenkeln des Jochs 60 konzentriert. Somit kann die Energieausbeute bzw. -umwandlung noch effektiver gestaltet werden, da im Wesentlichen lediglich der Bolzen 14 induktiv erwärmt wird. Das Magnetfeld 38 außerhalb der Öffnung 32 ist vernachlässigbar gering hinsichtlich der Möglichkeit, induktiv zu erwärmen.
  • Es versteht sich, dass der Bolzen 14 lediglich eine exemplarische Ausbildung eines ersten Werkstücks darstellt, das mit dem zweiten Werkstück 16 verfügt bzw. verschweißt wird. Der bisher beschriebene Bolzen 14 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen länglichen Bolzenschaft auf. Die Form des ersten Werkstücks kann jedoch auch beliebig anders gestaltet sein. Dies kann es u.U. erforderlich machen, die Form des Jochs 60 zu verändern. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gestalt der miteinander zu verfügenden Werkstücke komplex ist.
  • Die in 3 gezeigte Form des Jochs 60 ist jedoch nur exemplarisch. Jede beliebige andere Form ist möglich.
  • In 4 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Zuerst werden die miteinander zu verfügenden Werkstücke, insbesondere durch Schweißen, miteinander verfügt (Schritt S1). Anschließend wird ein Induktor in die Nähe der zu überprüfenden Verbindungsstelle gebracht, um zumindest eines der Werkstücke induktiv zu erwärmen (Schritt S2). Nach der induktiven Erwärmung wird eine Wärmeverteilung mittels der in 1 dargestellten Infrarotkamera 18 optisch erfasst. Die so gewonnenen Daten können anschließend durch die in 1 dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit 24, 26 ausgewertet werden (Schritt S3).
  • Es versteht sich, dass der Induktor auf verschiedene Arten gebaut werden kann. Eine ungleichmäßige Verteilung der magnetischen Feldlinien kann von Vorteil sein, da dies zu einer Wärmeeinbringung führt, die zum größten Teil auf eines der Werk stücke konzentriert ist und somit den gewünschten Wärmefluss erzeugt.
  • Vorzugsweise wird die Energie zur induktiven Erwärmung mit Wechselströmen mit Frequenzen von größer als 1 kHz bereitgestellt. Die Wellenform des Wechselstroms kann unterschiedlich sein. Vorzugsweise wird ein sinusförmiger Wechselstrom verwendet. Auf diese Weise kann ein geregelter, sehr fein dosierter Wärmefluss reproduzierbar in die Verbindung eingebracht werden und auf der Werkstückrückseite Temperaturverteilungen von vorzugsweise 50 bis 500°C erzeugen. Andere Temperaturen sind jedoch möglich.
  • Die Temperaturverteilung auf der Rückseite des Werkstücks, d.h. genau gegenüber der Verbindungsstelle, wird von der Infrarotkamera erfasst und visualisiert. Die äußere Kontur der Fügezone grenzt sich farblich (in den 2a und 2b lediglich schwarzweiß dargestellt) gegenüber den benachbarten Bereichen deutlich ab. Die Flächen der Fehlstellen innerhalb der Fügezone unterscheiden sich farblich klar von den Flächen, die die stoffschlüssigen Verbindungsbereiche der Fügezone darstellen.
  • Die Auswertung erfolgt in der Regel über eine integrale Berechnung der verschiedenen Flächenanteile der Fügezone. Das Verhältnis von Flächen der Fehlstellen zu Flächen der stoffschlüssigen Verbindungen kann prozentual dargestellt werden. Darüber hinaus kann auch die Lage von Fehlstellen bewertet werden, wenn es für die dynamische Qualität einer Verbindung von ausschlaggebender Bedeutung ist, ob sich eine Fehlstelle am Rand oder in der Mitte der Fügezone befindet.
  • Diese Bewertungen können bei einer automatischen Anlage, z.B. in einer Fertigungsstraße, für jede einzelne Verbindung ausgeführt werden. Es können auch nur statistisch ausgewählte Verbindungen geprüft werden. Je nach Prüfergebnis kann die Verbindung an einer anderen Stelle der Fertigungsstraße nachgearbeitet werden.
  • Es wird abschließend festgestellt, dass durch die vorliegende Erfindung eine zerstörungsfreie und schädigungsfreie Prüfung von Fügeverbindungen, insbesondere Bolzenschweißverbindungen, ermöglicht wird. Die Bewertung der Verbindungsqualität kann computergestützt erfolgen.
  • Die Steuer- und Auswerteinheit 24, 26 kann als einzelne Vorrichtung oder, wie in 1 gezeigt, modular vorgesehen werden.

Claims (17)

  1. Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung einer Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen, das die folgenden Schritte aufweist: Verfügen (S1) eines ersten Werkstücks (14) mit einem zweiten Werkstück (16); Erwärmen (S2) des mit dem zweiten Werkstück (16) verfügten ersten Werkstücks (14), insbesondere auf eine Temperatur von 50°–500°C; und optisches Erfassen (S3) einer Wärmeverteilung (48) in einem Bereich der Verfügung des ersten Werkstücks (14) mit dem zweiten Werkstück (16); dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen (S2) durch Erzeugen eines das erste Werkstück (14) durchdringenden Magnetfelds (38) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld (38) durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung von vorzugsweise mindestens 1 kHz, erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erwärmen auch das zweite Werkstück (16) von dem Magnetfeld (38) durchdrungen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung zeitlich nach der Verfügung erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfügen durch Schweißen, insbesondere Lichtbogenschweißen, erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Magnetfelds (38) ein Induktor (28) so in Nähe des ersten Werkstücks (14) gebracht wird, dass das Magnetfeld (38) Wirbelströme in dem ersten Werkstück (14) erzeugt.
  7. Vorrichtung (10) zur schädigungsfreien Prüfung einer Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen, die eine Einrichtung (12) zum Erwärmen eines ersten Werkstücks (14), das mit einem zweiten Werkstück (16) verfügt ist, und eine Einrichtung (18) zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilung (48) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (12) zum Erwärmen ein Induktor (28) ist, mit dem ein Magnetfeld (38) erzeugbar ist, das auf das erste Werkstück wirkt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (28) auf einer Seite des mit dem ersten Werkstück (14) verfügten zweiten Werkstücks (16) angeordnet ist, auf der sich das erste Werkstück (14) befindet, und die Einrichtung (18) zum optischen Erfassen auf einer dieser Seite gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (24, 26) vorgesehen ist, die mit dem Induktor (28) und der Einrichtung (18) zum optischen Erfassen gekoppelt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (18) zum optischen Erfassen eine Infrarotkamera (18) ist, die insbesondere mit Wellenlängen eines Bereichs von 8–14 μm oder 1–2 μm arbeitet.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (28) mit einer Spannungsquelle (26) verbunden ist, die insbesondere eine Wechselspannung von mindestens 1 kHz liefert, wobei die Wechselspannung insbesondere eine Sinusspannung, eine Dreiecksspannung oder eine Rechteckspannung ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (28) eine Kreisspule (28) ist, die im Wesentlichen koaxial zu einer Längsachse (A) des ersten Werkstücks (14) anordenbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (28) aus einem ferromagnetischen Material besteht, das insbesondere jochförmig ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (28) mit einem Temperatursensor (36) gekoppelt ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Temperatursensor (36) zum Erfassen einer Temperatur des ersten Werkstücks (14) vorgesehen ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (34, 36) mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (24, 26) verbunden sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (14) ein Bolzen (14) ist.
DE102004028607.8A 2004-06-04 2004-06-04 Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen Expired - Fee Related DE102004028607B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004028607.8A DE102004028607B4 (de) 2004-06-04 2004-06-04 Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen
PCT/EP2005/052524 WO2005118201A1 (en) 2004-06-04 2005-06-02 Apparatus and method for nondestructive testing of the joint quality of stud welded joints

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004028607.8A DE102004028607B4 (de) 2004-06-04 2004-06-04 Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004028607A1 true DE102004028607A1 (de) 2005-12-22
DE102004028607B4 DE102004028607B4 (de) 2016-03-24

Family

ID=34970336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004028607.8A Expired - Fee Related DE102004028607B4 (de) 2004-06-04 2004-06-04 Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102004028607B4 (de)
WO (1) WO2005118201A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1944119A1 (de) 2007-01-15 2008-07-16 HKS-Prozesstechnik GmbH Vorrichtung zur Bewertung der Qualität von Schweissnähten durch Erfassung des Temperaturprofils der sich abkühlenden Schmelze während des Schweissens
CN108971822A (zh) * 2018-10-10 2018-12-11 桂林航天工业学院 一种基于主动红外的焊接效果监测装置及方法
DE102018215327A1 (de) * 2018-09-10 2020-03-12 Technische Universität Dresden Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bolzenschweißverbindungen

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108971712B (zh) * 2017-05-31 2021-05-07 南京理工大学 一种基于中大直径螺柱焊外观成型自动检测的补焊工艺
CN109324086A (zh) * 2018-10-14 2019-02-12 苏州阿福机器人有限公司 一种焊接绕组的焊点无损检测方法
CN111398352B (zh) * 2020-04-07 2022-11-22 四川沐迪圣科技有限公司 一种基于电磁热多物理场融合线圈的动态无损检测系统

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2641367C2 (de) * 1976-09-10 1979-04-05 Mannesmann Ag, 4000 Duesseldorf Verfahren zur kontinuierlichen zerstörungsfreien Prüfung von längs- oder spiralnahtgeschweißten Rohren
JPH03183940A (ja) * 1989-12-14 1991-08-09 Mitsubishi Electric Corp 赤外線探傷装置
US5562345A (en) * 1992-05-05 1996-10-08 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method and apparatus for thermographically and quantitatively analyzing a structure for disbonds and/or inclusions
US5376766A (en) * 1993-07-08 1994-12-27 Valmont Industries, Inc. Weld quality monitoring and control system for a tube mill
US5676867A (en) * 1995-12-28 1997-10-14 Emhart Inc. Apparatus and method for monitoring and evaluating weld quality
DE19933446C1 (de) * 1999-07-16 2001-03-22 Mtu Muenchen Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Fehlern in metallischen Bauteilen
DE10034010A1 (de) * 2000-07-13 2002-01-24 Krautkraemer Gmbh Verfahren zur Bolzenprüfung und Vorrichtung hierzu
DE10150633C5 (de) * 2001-10-12 2014-09-04 Thermosensorik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen, zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere der Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1944119A1 (de) 2007-01-15 2008-07-16 HKS-Prozesstechnik GmbH Vorrichtung zur Bewertung der Qualität von Schweissnähten durch Erfassung des Temperaturprofils der sich abkühlenden Schmelze während des Schweissens
DE102018215327A1 (de) * 2018-09-10 2020-03-12 Technische Universität Dresden Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bolzenschweißverbindungen
DE102018215327B4 (de) 2018-09-10 2022-12-22 Technische Universität Dresden Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bolzenschweißverbindungen
CN108971822A (zh) * 2018-10-10 2018-12-11 桂林航天工业学院 一种基于主动红外的焊接效果监测装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004028607B4 (de) 2016-03-24
WO2005118201A1 (en) 2005-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10297359B4 (de) Zerstörungsfreies Prüfverfahren
DE10150633C5 (de) Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen, zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere der Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen
EP0655294B1 (de) Gleichzeitige Temperaturmessungen an Laserschweissnähten mit mindestens zwei Pyrometern und Zuordnung zu Prozessparametern und Nahtqualität
EP2189786A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht und Schweißvorrichtung
WO2002059587A2 (de) Thermographieverfahren
DE2928899A1 (de) Vorrichtung zum bestimmen der mitte einer schweissnaht
DE102008046692B4 (de) Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Rührreibschweißnähten
DE102008006625B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Laserstrahlschweißens von beschichteten Platinen
DE102004028607B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung der Verbindungsqualität von Bolzenschweißverbindungen
EP4146426A1 (de) Verfahren zum analysieren eines laserbearbeitungsprozesses, system zum analysieren eines laserbearbeitungsprozesses und laserbearbeitungssystem mit einem solchen system
DE102013112244A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Strahlfügen
DE102011114547B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen von Fügeverbindungen wie eines Schweißpunktes eines gefügten Bauteils auf Oberflächenfehler und/oder innere Fehler mittels Thermografie
EP1944119B1 (de) Vorrichtung zur Bewertung der Qualität von Schweissnähten durch Erfassung des Temperaturprofils der sich abkühlenden Schmelze während des Schweissens
DE102006057802A1 (de) Verfahren und Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere von Widerstandsschweißverbindungen
DE102006043554A1 (de) Verfahren zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle mechanisch verfestigter Oberflächen austenitischer Stahlrohre
DE102022124149A1 (de) Verfahren und system zur erkennung von schweissfehlern
DE3434801A1 (de) Verfahren und vorrichtungen zur materialpruefung durch messung von elektrischer leistungsdichte-, stromdichte- oder spannungsverteilung an einem stromdurchflossenen bauteil
DE102021103881A1 (de) Verfahren und Laserbearbeitungssystem zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht
DE102007050005A1 (de) Verfahren und Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere von Widerstandsschweißverbindungen
DE19527070C1 (de) Schweißverfahren mit mehreren Hochenergie-Schweißstrahlen
WO1992010326A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur überprüfung der qualität von punktschweissverbindungen
DE2149538A1 (de) Verfahren zum Steuern der Qualitaet eines nahtgeschweissten Erzeugnisses
DE102007031982A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines Schweißvorgangs
DE4039847A1 (de) Verfahren zur ueberpruefung der qualitaet von punktschweissverbindungen
EP1188050B1 (de) Verfahren und messgerät zur erkennung der schweissnaht von längsnahtgeschweissten rohren

Legal Events

Date Code Title Description
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01M0019000000

Ipc: G01M0099000000

8110 Request for examination paragraph 44
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee