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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.
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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.
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Ein
solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der Schrift
DE 199 20 219 A1 bekannt.
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Im
Stand der Technik existieren verschiedene Prüf-Mess-Verfahren zur Qualitätskontrolle von Fügeverbindungen,
insbesondere punktförmiger Schweißverbindungen.
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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.
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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.
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Ein
Verfahren gemäß dem Stand
der Technik ist gekennzeichnet durch mechanische Festigkeitsprüfungen von
Bolzenschweißverbindungen.
Diese Prüfungen
werden nach statistischen Gesichtspunkten durchgeführt.
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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.
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Ferner
gibt es zerstörungsfreie
Prüfungsmethoden,
wie z.B. Ultraschall- und Röntgenstrukturanalysen.
Diese stellen jedoch methodisch aufwendige Analysenmethoden dar.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der eingangs erwähnten Art
gelöst,
wobei das Erwärmen
durch Erzeugen eines das zweite Werkstück durchdringenden Magnetfelds
erfolgt.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
das Magnetfeld durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer
Wechselspannung, vorzugsweise ab 1 kHz erzeugt.
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Das
Anlegen einer Wechselspannung erhöht den Grad der durch die Induktion
erzeugten Wärme in
den zu prüfenden
Werkstücken.
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Von
Vorteil ist, wenn beim Erwärmen
auch das zweite Werkstück
von dem Magnetfeld durchdrungen wird.
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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.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die Erwärmung
zeitlich nach der Verfügung
erfolgt.
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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.
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Besonders
gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Verfügen durch Schweißen, insbesondere durch
Lichtbogenschweißen,
erfolgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Vorsehen eines Induktors ermöglicht
die induktive Erwärmung
der zu prüfenden
Verbindungsstelle. Eine induktive Erwärmung ermöglicht die Einsparung von Energie
zur Erwärmung.
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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.
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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.
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Weiter
ist es bevorzugt, wenn eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen
ist, die mit dem Induktor und der Einrichtung zum optischen Erfassen gekoppelt
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner
lassen sich mit einer Infrarotkamera geringste Temperaturunterschiede
optisch darstellen. Dies ist für
die in Frage stehende Anwendung besonders von Vorteil.
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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.
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Wie
bereits oben erwähnt,
wird durch Vorsehen einer solchen Spannung die induktive Erwärmung besonders
begünstigt.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn der Induktor eine Kreisspule ist, die im
Wesentlichen koaxial zu einer Längsachse
des ersten Werkstücks
anordenbar ist.
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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.
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Von
Vorteil ist auch, wenn der Induktor aus einem ferromagnetischen
Material besteht, das insbesondere jochförmig ausgebildet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum schädigungsfreien
Prüfen
der Verbindungsqualität
von Werkstückverbindungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2a und 2b Wärmeverteilungen,
wie sie aus Sicht entlang der Linie II-II der 1 gesehen werden
können;
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines Induktors für
eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Auswerteeinheit 24 ist wiederum über eine Leitung 25 mit
einer Steuereinheit 26 verbunden. Die Steuereinheit 26 regelt
die Energiezufuhr der Einrichtung 12.
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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.
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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.
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Magnetische
Feldlinien sind in der 1 schematisch mit den Pfeilen 38 angedeutet.
Die Magnetfeldlinien 38 laufen durch eine mittlere Öffnung 32 der
Spule 28.
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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.
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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.
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Mithilfe
der beiden Temperatursonden 34 und 36 können Temperaturschwankungen
innerhalb des Systems bestimmt und durch die Auswerteeinheit 24 kompensiert
werden.
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Die
Steuereinheit 26 umfasst eine (nicht dargestellt) Strom- bzw. Spannungsquelle
mit der die Spule 28 mit Energie versorgt wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform einer
Erwärmungseinrichtung 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
in 3 gezeigte Form des Jochs 60 ist jedoch
nur exemplarisch. Jede beliebige andere Form ist möglich.
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In 4 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Steuer- und Auswerteinheit 24, 26 kann als einzelne
Vorrichtung oder, wie in 1 gezeigt, modular vorgesehen
werden.