DE102004030381B3

DE102004030381B3 - Verfahren zur Online-Qualitätsprüfung beim Reibrührschweißen

Info

Publication number: DE102004030381B3
Application number: DE102004030381A
Authority: DE
Inventors: Tommy Brunzel; Ulrike Dipl.-Ing. Henneboehle; Jürgen Silvanus
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-24

Abstract

Verfahren zur Online-Qualitätsprüfung beim Reibrührschweißen, wobei ein Reibrührwerkzeug (3) unter drehender Bewegung und Druckbeaufschlagung in das Material zu verschweißender Werkstücke (1a, 1b) eingeführt und entlang der Verbindungsstelle (2) der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung und/oder die während des Reibrührschweißprozesses auftretenden Schwingungen des Reibrührwerkzeuges (3), der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) oder anderer durch den Schweißprozess angeregter Elemente in Abhängigkeit der Zeit gemessen werden und anschließend mittels Fourier-Transformation in Frequenz-/Amplitudenspektren umgewandelt werden, und dass die ermittelten Frequenz-/Amplitudenspektren zur Qualitätsprüfung der erzeugten Schweißverbindung mit Referenzwerten verglichen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Online-Qualitätsprüfung beim Reibrührschweißen gemäß Patentanspruch 1.
Das Reibrührschweißen oder „Friction Stir Welding" (FSW) wird bekanntlich zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt. Dieses einfache, saubere und innovative Fügeverfahren zeichnet sich durch sein hohes Automatisierungspotenzial sowie dem Wegfall des Erfordernisses von Nieten und Überlappungen aus, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden und das Gewicht daraus hergestellter Strukturen reduziert wird.

Beim Reibrührschweißen, wie es beispielsweise in WO 93/10935 A1 beschrieben ist, werden bekanntlich zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke in Kontakt gebracht und in dieser Position gehalten. In das Werkstückmaterial wird zu beiden Seiten der Kontakt- bzw. Verbindungsstelle ein Reibrührwerkzeug, das aus härterem Material als das Werkstückmaterial besteht, unter drehender Bewegung eingeführt. Dabei erzeugt das Reibrührwerkzeug Reibungswärme und die gegenüberliegenden Werkstoffbereiche entlang der Verbindungsstelle nehmen daraufhin einen plastifizierten Zustand ein. Das Reibrührwerkzeug wird entlang der Verbindungsstelle vorwärts bewegt, so dass das vor dem Reibrührwerkzeug befindende Werkstückmaterial gegenüberliegender Werkstoffbereiche plastifiziert und die plastifizierten Bereiche hinter dem Reibrührwerkstoff erhärten. Bevor das Material völlig erhärtet, wird das Reibrührwerkzeug aus dem Werkstückmaterial entfernt. Materialien, wie beispielsweise Metalle, deren Legierungen, Metallverbundmaterialien (sogenannte MCCs) oder geeignete Plastikmaterialien können auf diese Weise miteinander verschweißt werden.

Das Reibrührschweißen zeichnet sich zwar durch eine hohe Nahtfestigkeit sowie durch ein beträchtliches Gewichtseinsparungspotenzial aus, allerdings existieren derzeit keine zuverlässigen Online-Qualitätssicherungssysteme, mit denen bereits während des Reibrührschweißprozesses bzw. unmittelbar danach die Qualität der hergestellten Schweißverbindung zuverlässig überprüfen werden kann. Bisher ist hierzu ein aufwendiger, dem Reibrührschweißprozess nachgeschalteter Verfahrensablauf erforderlich, was Ultraschall-, Röntgen- sowie Wirbelstrommessungen umfasst. Derzeit müssen alle diese drei zerstörungsfreien Testverfahren durchgeführt werden, um eine zuverlässige Aussage über die Qualität der Schweißverbindung zu erhalten. Dies erfordert nicht nur einen hohen zeitlichen sondern auch apparativen Aufwand, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.

Darüberhinaus ist aus Druckschrift US 6,497,355 B1 ein System zum Steuern des Schweißstiftes einer Reibrührschweiß-Vorrichtung bekannt, wobei das Eindringen des Schweißstiftes in miteinander zu verschweißende Werkstücke kontrolliert wird.

Aus DE 101 17 854 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Erfassung der Qualität und zur Steuerung und Regelung von Pressschweiß- und Schmelzschweißprozessen bekannt, wobei ein Schweißstrom I(t) erfasst und mindestens zweimal nach der Zeit t differenziert wird, woraufhin das erhaltene Ableitungssignal einer frequenzabhängigen Dämpfung bzw. Verstärkung unterzogen und anschließend nochmals nach der Zeit t differenziert wird. Das erhaltene Bewertungssignal wird für ergebnisrelevante Prozessvariable mit einer Qualitätsgröße, wie der Festigkeit der Schweißverbindung, korreliert, bevorzugt durch ein neuronales Netzwerk.

Zudem ist aus DE 34 29 776 C2 ein Verfahren zur Qualitätskontrolle beim Ultraschallschweißen sowie eine zugehörige Vorrichtung bekannt, wobei der Leistungsverlauf bzw. der daraus ermittelbare Schweißenergieverlauf während des Schweißvorganges abschnittsweise auf Übereinstimmung in abschnittsweise unterschiedlich vorgebbaren Toleranzbereichen verglichen wird.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges und einfaches Verfahren zur Online-Qualitätsprüfung beim Reibrührschweißen zu schaffen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckbeaufschlagung und/oder die während des Reibrührschweißprozesses auftretenden Schwingungen des Reibrührwerkzeuges, der zu verschweißenden Werkstücke oder anderer durch den Schweißprozess angeregter Elemente in Abhängigkeit der Zeit gemessen werden und anschließend mittels Fourier-Transformation in Frequenz/Amplitudenspektren umgewandelt werden, und dass die ermittelten Frequenz/Amplitudenspektren zur Qualitätsprüfung der erzeugten Schweißverbindung mit Referenzwerten verglichen werden.

Durch das Erfassen der während des Reibrührschweißens auftretenden Prozess- und steuerungsspezifischen Kräfteschwankungen und Schwingungsbilder kann eine Qualitätsprüfung der erzeugten Schweißverbindung bereits während des Schweißvorganges bzw. unmittelbar danach, d.h. „online", erfolgen. Durch den Vergleich mit bekannten, elektronisch abgelegten Referenzwerten kann somit schnell entschieden werden, ob eine Schweißverbindung dem qualifizierten Soll entspricht oder nicht. Die Schwingungsbilder sind dabei von den jeweiligen Prozessparametern und den spezifischen Randbedingungen abhängig, und demnach beispielsweise je nach Zustellkraft, Anstellwinkel des Reibrührschweißwerkzeuges, Werkzeuggeometrie, Drehzahl, Vorschub etc. unterschiedlich.

Zur Auswertung bzw. Weiterverarbeitung der gemessenen zeitabhängigen Druckbeaufschlagung und/oder der zeitabhängigen Schwingungen wird typischerweise eine Fast-Fourier-Transformation verwendet, da sie die Bestimmung und Darstellung der Spektren gemessener Zeitsignale in Echtzeit erlaubt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die Druckbeaufschlagung, d.h. die Zustellkraft des Reibrührwerkzeuges mit einem Dehnungsmesssensor, einem piezoelektrischen Element, einem magnetostriktiven Element, einer Druckmessfolie oder dergleichen gemessen. Diese zusätzlichen Messelemente können ohne größeren Aufwand an dem Reibrührwerkzeug oder an dessen Halterung (Futter) angebracht werden, so dass bestehende Maschinenapparaturen mit geringem Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgerüstet werden können.

Alternativ kann die Druckbeaufschlagung während des Reibrührschweißprozesses auch über die Maschinensteuerung des Reibrührwerkzeuges direkt erfasst werden. Auch hierzu sind lediglich geringe Modifikation bestehender Apparaturen erforderlich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die während des Reibrührschweißprozesses auftretenden Schwingungen mittels Mikrowellensensor gemessen. Dabei können entweder die Schwingungen des Reibrührwerkzeuges, die Schwingungen der zu verschweißenden Werkstücke oder Schwingungen anderer durch den Schweißprozess angeregter Elemente erfasst werden. Derartige Element können geeignete bestehende Apparaturkomponenten oder zusätzlich angebrachte Elemente sein, deren Schwingungsmessung gegebenenfalls einfacher durchzuführen ist als die anderer Bauteile bzw. Werkstücke, die eventuell schlecht zugänglich sind. Die Messung der Schwingung der verschweißenden Werkstücke ist allerdings auf Grund der damit einhergehenden direkten Messung vorteilhaft.

Der Mikrowellensensor misst dabei vorzugsweise Distanzänderungen zwischen ihm und dem Reibrührwerkzeug, zwischen ihm und der Oberfläche der zu verschweißenden Werkstücken bzw. zwischen ihm und einem zusätzlichen Element. Die Verwendung eines Mikrowellensensors ist vorteilhaft, da er robust, billig, hochauflösend bezüglich der Messfrequenz ist, und zudem geringe Abstände erfassen kann. Alternative kann ein Laser zur Messung der Distanzänderungen verwendet werden. Durch das Messen mechanischer Schwingungen mittels Mikrowellensensor wird im Vergleich zur reinen Druckmessung gemäß erstem Ausführungsbeispiel eine höhere Auflösung erzielt. Zudem ist mit einem Mikrowellensensor eine Messung bei höheren Frequenzen möglich. Darüber hinaus ist bei der Auswertung der Schwingungsbilder ein Rückschluss auf die Prozessparameter und entsprechende Randbedingungen möglich, so dass der Informationsgehalt größer und damit die Aussagekraft besser ist. Bei der reinen Kraftmessung ist hingegen nur ein Rückschluss auf kraftbedingte Phänomene möglich.

Der Mikrowellensensor zeichnet typischerweise in einem Bereich von 260 μm–4,5 mm Distanzen mit einer Frequenz von 996 Hz auf.

Vorteilhafterweise ist der Mikrowellensensor möglichst nahe am Reibrührwerkzeug, an der Oberfläche der zu verschweißenden Werkstücke bzw. anderer geeigneter Elemente angeordnet. Der Abstand beträgt vorzugsweise ca. 0,5 mm. Aber auch Abstände bis ca. 10 mm sind möglich.

Gemäß einer dritten Ausführungsform werden sowohl die Druckbeaufschlagung des Reibrührwerkzeuges während des Reibrührschweißprozesses als auch die mechanischen Schwingungen des Reibrührwerkzeuges, der zu verschweißenden Werkstücken oder anderer geeigneter Elemente gemessen und entsprechend weiterverarbeitet. Eine derartige Anordnung hat einerseits den Vorteil der Redundanz. Andererseits ist durch eine entsprechende Korrelation bzw. Verknüpfung der Messdaten eine höhere Aussagequalität gewährleistet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen in näheren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des bekannten Reibrührschweißverfahrens;
2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Druckbeaufschlagung des Reibrührwerkzeuges;
3a gemessene Druckbeaufschlagung des Reibrührwerkzeuges als Funktion der Zeit;
3b das Frequenz-/Amplitudenspektrum der Fast-Fourier-transformierten Messwerte aus 3a;
4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der während des Reibrührschweißprozesses auftretenden mechanischen Schwingungen der zu verschweißenden Werkstücke;
5a die bei einer Anordnung gemäß 4 mittels Mikrowellensensor erfasste Distanzmessung zwischen Mikrowellensensor und der Oberfläche der zu verschweißenden Werkstücke;
5b–d Frequenz-/Amplitudenspektren der Fast-Fourier-transformierten Messdaten aus 5a, für die Zeitbereiche b) 30–40 s, c) 40–50 s bzw. d) 50–60 s.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des bekannten Reibrührschweißprozesses, wobei zum besseren Verständnis der nachfolgenden 2 und 4 ein x-/y-/z-Koordinatensystem eingezeichnet ist. Wie in 1 zu sehen ist, stehen die zu verbindenden Werkstücke 1a und 1b entlang der Verbindungslinie 2 miteinander in Kontakt. In diesem Zustand werden die Werkstücke 1a, 1b durch eine in 1 nicht dargestellte Vorrichtung gehalten bzw. befestigt. Zum Verschweißen der beiden Werkstücke 1a und 1b wird ein Reibrührwerkzeug 3 unter drehender Bewegung (s. Pfeilrichtung 4) derart unter Druckbeaufschlagung in das Material der zu verbindenden Werkstücke 1a, 1b eingeführt, dass der an dem unteren Ende des Werkzeuges 3 angeordnete Pin 5 in das Werkstückmaterial zu beiden Seiten der Verbindungslinie 2 eindringt. Das Reibrührwerkzeug 3 wird dann entlang der Verbindungslinie 2 (s. Pfeilrichtung 6) geführt. Dabei wird das sich vor dem Reibrührwerkzeug 3 befindende Material plastifiziert und erhärtet hinter dem Reibrührwerkzeug 3. Bevor das Material völlig erhärtet, wird das Reibrührwerkzeug 3 bzw. der Pin 5 aus dem Werkstückmaterial entfernt.
Um während des Reibrührschweißprozesses die Qualität der erzeugten Schweißverbindung kontinuierlich überprüfen zu können, wird gemäß einer ersten Ausführungsform die Druckbeaufschlagung des Reibrührwerkzeuges 3 während des Reibrührschweißprozesses gemessen. Hierzu zeigt 2 eine Schnittansicht in z-/y-Richtung, die das Pin-Werkzeugs 3 und die zu verschweißenden Werkstücke 1a, 1b zeigt. Zur Messung der Zustellkraft F_z ist das Reibrührwerkzeug 3 zusätzlich mit einem Sensor versehen, der in 2 mit Bezugsziffer 7 bezeichnet ist. Dieser Sensor ist beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen, ein piezoelektrisches Element, ein magnetostriktives Element oder eine Druckmessfolie und kann ohne Probleme in bestehende Maschinenapparaturen integriert werden. Alternativ kann die Zustellkraft F_z des Reibrührwerkzeuges 3 und somit die Druckbeaufschlagung auf die zu verbindenden Werkstücke 1a, 1b während des Reibrührschweißprozesses auch direkt über die Maschinensteuerung des Reibrührwerkzeuges 3 erfasst werden.
3 zeigt exemplarisch die gemessene Zustellkraft F_z als Funktion der Zeit, wobei als Messsensor 7 ein Dehnungsmessstreifen verwendet wurde. Die so ermittelten Messdaten werden anschließend mittels Fast-Fourier-Transformation in ein Frequenz-/Amplitudenspektrum umgewandelt, was in 3b dargestellt ist. Um eine Aussage über die Qualität der Schweißverbindung zu treffen, werden die ermittelten Frequenz-/Amplitudenspektren gemäß 3b mit Referenzwerten verglichen. Die Referenzwerte sind hierzu elektronisch abgelegt und werden mathematisch mit den ermittelten Spektren auf bekannte Weise verglichen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird die Online-Qualitätsprüfung basierend auf während des Reibrührschweißprozesses auftretenden mechanischen Schwingungen durchgeführt. Hierzu ist, wie in 4 schematisch in einer z-/x-Schnittansicht dargestellt, ein Mikrowellensensor 8 am Reibrührwerkzeug 3 angeordnet. Der Mikrowellensensor 8 erfasst dabei entweder die mechanischen Schwingungen des Reibrührwerkzeuges 3 oder die mechanischen Schwingungen der zu verbindenden Werkstücke 1a, 1b. Alternative können auch die mechanischen Schwingungen eines anderen Bauteils (z.B. eines zusätzlichen, nicht dargestellten Elementes, das durch den Schweißprozess angeregt wird) gemessen werden. Der in 4 dargestellte Mikrowellensensor 8 ist über einen höhenverstellbaren Adapter derart an dem Reibrührwerkzeug 3 befestigt und gegen die Oberfläche der Werkstücke 1a, 1b ausgerichtet, dass er während des Reißrührschweißprozesses in einem Abstand von 70 mm vor dem Reibrührwerkzeug 3 herläuft. Zudem ist er in y-Richtung soweit zur Seite versetzt, dass nicht über den Stoß gemessen wird. Der Abstand zwischen Mikrowellensensor 8 und der Oberfläche der Werkstücke 1a, 1b ist dabei so klein wie möglich. Typischerweise wird ein Abstand von 0,5 mm verwendet. Aber auch Abstände bis 10 mm sind möglich. Die Auflösung des Mikrowellensensors 8 ist dabei umso höher, je kleiner der Abstand zwischen Mikrowellensensor 8 und Werkstückoberfläche ist. Als Messgröße wird die Distanz zwischen Mikrowellensensor 8 und Werkstückoberfläche gewählt.
5a zeigt die während des Reibrührschweißprozesses gemessene Entfernung zwischen Mikrowellensensor 8 und Werkstückoberfläche als Funktion der Zeit, für eine 6013 T6 Probe mit 4 mm Dicke. Dabei betrug die Drehzahl 1850 Umdrehungen pro Minute, die Vorschubgeschwindigkeit 700 mm/min und die Zustellkraft 15 kN. Ein Mikrowellensensor der Firma MTS wurde dabei so positioniert, dass der Abstand zur Werkstückoberfläche 1,5 mm betrug. In diesem Abstand liegt die Auflösung des verwendeten MTS-Sensors bei 13 bis 14 μm. Die mit einer geeigneten Software ausgelesenen Messdaten wurden abgespeichert und mittels Fast-Fourier-Transformation in ein entsprechendes Frequenz/Amplitudenspektrum umgewandelt. 5b–d zeigen die mittels Fast-Fourier-Transformation umgewandelten Messdaten für einen Zeitbereich von 30–40 s, 40–50 s bzw. 50–60 s. Durch einen Vergleich mit entsprechenden Referenzmesswerten kann aufgrund von Verschiebungen der Resonanzfrequenzen bzw. der Amplituden der Resonanzpeaks eine Aussage über die Qualität der hergestellten Schweißverbindung online getroffen werden. Somit kann bereits während oder unmittelbar nach der Schweißung eine Aussage über die Qualität der Schweißverbindung gemacht werden.
Die Durchführung der Qualitätsprüfung basierend auf mittels Mikrowellensensor erfassten mechanischen Schwingungen hat gegenüber dem Auswerteverfahren, das lediglich auf Druckbeaufschlagungsmessungen basiert, den Vorteil, dass eine höhere Auflösung erzielt wird und höhere Messfrequenzen möglich sind. Zudem ist der Rückschluss auf mehrere Parameter (z.B. Zustellkraft, Anstellwinkel des Reibrührschweißwerkzeuges, Werkzeuggeometrie, Drehzahl, Vorschub etc.) möglich.
Gemäß einer dritten Ausführungsform werden während des Reibrührschweißverfahrens sowohl die Druckbeaufschlagung als auch die mechanischen Schwingungen, wie voranstehend beschrieben, erfasst. Auf diese Weise ist eine redundante Auslegung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich und eine detailliertere Interpretation durch Korrelation der Messdaten möglich.

Claims

Verfahren zur Online-Qualitätsprüfung beim Reibrührschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reibrührwerkzeug (3) unter drehender Bewegung und Druckbeaufschlagung in das Material zu verschweißender Werkstücke (1a, 1b) eingeführt und entlang einer Verbindungsstelle (2) der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) geführt wird, wobei die Druckbeaufschlagung und/oder die während des Reibrührschweißprozesses auftretenden Schwingungen des Reibrührwerkzeuges (3), der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) oder anderer durch den Schweißprozess angeregter Elemente in Abhängigkeit der Zeit gemessen werden und anschließend mittels Fourier-Transformation in Frequenz-/Amplitudenspektren umgewandelt werden, und dass die ermittelten Frequenz-/Amplitudenspektren zur Qualitätsprüfung der. erzeugten Schweißverbindung mit Referenzwerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Druckbeaufschlagung ein Dehnungsmessstreifen, ein piezoelektrisches Element, ein magnetostriktives Element oder eine Druckmessfolie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung über die Maschinensteuerung des Reibrührwerkzeuges (3) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Reibrührwerkzeuges (3), der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) oder der anderen durch den Schweißprozess angeregten Elemente mittels Laser gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Reibrührwerkzeuges (3), der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) oder der anderen durch den Schweißprozess angeregten Elemente mittels Mikrowellensensor (8) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellensensor (8) Distanzänderungen zwischen ihm und dem Reibrührwerkzeug (3), der zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) oder der anderen durch den Schweißprozess angeregten Elemente erfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellensensor (8) in einem Bereich von 260 μm–4,5 mm Distanzen mit einer Frequenz von 996 Hz aufzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellensensor (8) zwischen 0 und 10 mm, bevorzugt 0,5 mm, vom Reibrührwerkzeug (3), von den zu verschweißenden Werkstücke (1a, 1b) oder von den anderen durch den Schweißprozess angeregten Elemente beabstandet ist.