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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder
Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses
in einer Schweißanlage, wobei ein Schweißobjekt
an einer Verbindungszone durch Aufheizung mittels eines elektrischen
Stromflusses durch die Verbindungszone aneinandergefügt
wird und wobei der elektrische Strom über eine erste und
eine zweite Kontaktstelle in das Schweißobjekt eingebracht
wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Überwachung
und/oder Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses
in einer Schweißanlage, wobei zur Erhitzung einer Verbindungsstelle
eines Schweißobjekts eine über eine erste und
zweite Kontaktstelle mit dem Schweißobjekt verbundene Regeleinheit
vorgesehen ist.
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In
einem Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozess werden
zwei Teile eines leitfähigen Schweißobjekts an
einer Verbindungszone zusammengefügt, indem die Verbindungszone
mittels elektrischen Stroms auf die erforderliche Temperatur erhitzt
wird. Beispielhaft können zwei verzinnte Kupferbauteile
durch Diffusionsschweißen verbunden werden, indem die Verbindungszone
auf ca. 700°C erhitzt wird und das Zinn in die Oberfläche
des Kupferbauteils eindiffundiert. Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesse
werden gemäß dem Stand der Technik mittels der Überwachung
und Auswertung der zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung
sowie eines Verlaufs der Kraft der die Teile eines Schweißobjekts
zusammenfügenden Zangen geregelt und hinsichtlich der Qualität
der Verbindung bewertet. Es kann auch vorgesehen sein, den Verfahrweg
der Zangen zu bewerten. Eine direkte vollständige Bewertung
der Verbindungsstelle nach erfolgtem Schweißprozess ist
nicht möglich, da die Innenfläche nicht mehr zugänglich
ist. Risse und/oder innere Defekte können nicht festgestellt
werden. Verfahren wie Computertomographie oder zerstörende
Verfahren zur Bewertung solcher inneren Defekte sind möglich, aber
zeit- und kostenaufwändig.
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Aus
der
DE 197 16 293
C2 ist ein Verfahren bekannt, nach dem bei einem Laserschweißprozess der
Schmelzbereich des Werkstückmaterials mittels einer Kamera
aufgezeichnet und aufgrund geometrischer Daten mittels Bildverarbeitung
der Schweißprozess geregelt wird. Insbesondere werden eine Schmelzbadlänge
und/oder eine Schmelzbadfläche bestimmt, um eine Tiefe
der Schweißung zu bestimmen. Eine Auswertung der Helligkeit
der Strahlung des Schmelzbades wird wegen der Störeinflüsse durch
die Laserstrahlung nicht vorgenommen.
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Aus
der
DE 198 22 924
C2 ist weiterhin ein Verfahren zur automatischen Beurteilung
bzw. Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls
bekannt, wobei diese Vorrichtung auch zur On-Line-Prozessüberwachung
in der Qualitätssicherung, beispielsweise in der Fertigung
mit einem Laserschweißverfahren, einsetzbar ist. In dieser
Schrift werden Eigenschaften des Laserstrahls bestimmt, nicht solche
des Schmelzbades.
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Aus
der
DE 101 03 255
B4 ist ein Verfahren zur automatischen Beurteilung von
Laserbearbeitungsprozessen bekannt, bei dem die Prozesse mittels
einer Kamera mit hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte
und Aufnahmegeschwindigkeit aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf
der Grundlage von Referenzdaten weiterverarbeitet werden, wobei
die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses aus
den Aufzeichnungen gewonnen werden und wobei in einem weiteren Schritt
während des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten
gegenübergestellt werden und daraus der Prozess beurteilt
wird.
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In
den Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wird
keine Beobachtung der Eigenschaften der Verbindungszone während
eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißvorgangs angegeben.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu
schaffen, die eine Überwachung und Regelung eines Widerstands-
oder Diffusions-Schweißvorgangs während einer
Schweißung einer Verbindungszone ermöglichen.
Gute und schlechte Verbindungen sollen schnell und unmittelbar nach
erfolgter Verbindung klassifiziert werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Verbindungszone
mit zumindest einer Kamera und/oder einem Strahlungs-Sensor aufgenommen
wird und dass aus einer Bildinformation der Kamera und/oder einem
Ausgangssignal des Strahlungs-Sensors auf die Güte des
Schweißprozesses geschlossen wird. Durch die Beobachtung
der Verbindungszone mit einer Kamera, insbesondere mit einer so
genannten Hochgeschwindigkeitskamera, kann mit hoher zeitlicher
Auflösung eine Helligkeitsverteilung, die eine Temperaturverteilung
repräsentiert, analysiert und bei Bedarf auch dokumentiert werden.
Es ist so eine Bewertung der Güte des Verbindungsprozesses
möglich. Eine Verbindung guter Qualität zeichnet
sich durch die Erreichung einer Mindest-Temperatur aus, die nach
einem Kalibrierschritt einer Mindest-Helligkeit entspricht. Weiterhin
zeichnet sie sich durch einen zeitlichen Verlauf und eine örtliche
Verteilung der Helligkeit aus, die von der Geometrie des Schweißobjekts
und den Materialkennwerten bestimmt werden. Demgegenüber
deuten beispielhaft schnelle starke Helligkeitsschwankungen oder
ein niedriger Wert des Helligkeitsintegrals auf eine Schlechtschweißung
hin. Die Helligkeitsschwankungen können mit der Hochgeschwindigkeitskamera
erfasst und ausgewertet werden. Vorteilhaft an der Verwendung der
Hochgeschwindigkeitskamera ist, dass auch Fehler während
des Schweißprozesses erkannt werden können, die
nach Abschluss des Prozesses auf dem Schweißobjekt nicht mehr
feststellbar sind und nur aufwändig, wie beispielhaft mittels
Computertomographie, festgestellt werden können. Eine weitere
Verbesserung des Verfahrens wird durch einen Einsatz mehrerer Kameras erzielt,
mit denen das Schweißobjekt aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln
aufgenommen werden kann. Als Strahlungs-Sensor zur Beobachtung der
Verbindungszone kann beispielhaft eine Pyrometer-Diode oder ein
anderer optischer Sensor mit hoher zeitlicher Auflösung
eingesetzt werden. Die zeitliche Auflösung des Sensors
ist ausreichend, wenn er Signale im Bereich von 1 kHz verarbeiten kann.
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Wird
aus einer Form einer Helligkeitsverteilung eines Abbilds eines Schweißbads
an der Verbindungszone die Güte der Verbindung bestimmt,
kann eine gute Schweißverbindung von einer schlechten Schweißverbindung
besonders zuverlässig unterschieden werden.
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Wird
aus einem zeitlichen Verlauf der Bildinformation die Güte
der Verbindung bestimmt, kann auf Basis von Modellen und/oder Erfahrungswerten eine
schnelle Entscheidung über gute und zu verwerfende Schweißverbindungen
getroffen werden. Insbesondere treten bei mangelhaften Kontaktstellen
an der Verbindungszone, die zu einer mangelhaften Schweißverbindung
führen können, schnelle Helligkeitsschwankungen
auf. Weiterhin stellt sich bei einem bekannten zeitlichen Verlauf
der über den elektrischen Strom eingebrachten Energie ein
für ein Schweißobjekt charakteristischer Temperatur-
und damit Helligkeits-Verlauf ein. Abweichungen von diesem zeitlichen
Helligkeitsverlauf lassen Unregelmäßigkeiten in
der Verbindung vermuten.
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Wird
erfindungsgemäß ausgenutzt, dass die Bildinformation
eine zeitliche und/oder örtliche Verteilung einer Temperatur
auf der Verbindungszone in Form einer Helligkeitsverteilung darstellt
und wird die Verteilung der Temperatur mit einer aus einem Wärmeflussmodell
und/oder einem Vorgabewert bestimmten Verteilung der Temperatur
verglichen, kann erreicht werden, dass gute und schlechte Verbindungen
erkannt und unterschieden werden können. Die Bewertung
der Verbindung kann dabei während des Schweißprozesses
oder in einem nachfolgenden Bewertungsprozess erfolgen, in dem,
beispielhaft über Bildverarbeitung, der zeitliche und/oder örtliche
Verlauf der Helligkeit bewertet wird. Als Referenzdaten können
dabei an in einem vorgeschalteten Schritt an Gut-Teilen ermittelte
Daten verwendet werden oder es kann in einem Wärmeflussmodell
die zu erwartende Temperatur- und damit Helligkeits-Verteilung bestimmt
werden.
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Eine
schnelle Bestimmung des für die Prozessbeobachtung wichtigen
Bildausschnitts ist möglich, indem der Bildausschnitt so
ausgewählt wird, dass in dem Bildausschnitt auf einer zusammenhängenden
Fläche und/oder der Fläche des segmentierten Schweißbades
ein vorgegebener integraler Helligkeitswert überschritten
wird. Diese Auswahl schränkt die zu verarbeitende Datenmenge
ein und beschleunigt daher die Auswertung. Die Auswahl des Bildausschnitts
ist wiederum in einem Vorverarbeitungsschritt der Bildverarbeitung
mit Standard-Methoden, beispielhaft in der Bilderfassungselektronik („Framegrabber"),
schnell und mit geringem Aufwand möglich.
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Wird
die mittlere Helligkeit über dem Bildausschnitt der Abbildung
der Verbindungszone bestimmt und wird der elektrische Stromfluss
durch das Schweißobjekt so geregelt, dass sich ein vorgegebener
zeitlicher Verlauf der mittleren Helligkeit des Bildausschnitts
der Abbildung der Verbindungszone und/oder der Fläche des
segmentierten Schweißbades einstellt, kann eine schnelle
und präzise Regelung und Überwachung der Temperatur
der Verbindungszone erreicht werden. Wird mit der Kamera festgestellt,
dass die Helligkeit und damit die Temperatur der Verbindungszone
zu niedrig sind, kann der Stromfluss erhöht werden und
somit eine gute Verbindung erreicht werden. Sollte trotz Ausnutzung
des vorgesehenen Regelbereichs die vorgegebene Temperatur nicht
erreicht werden, kann das Schweißobjekt als fehlerhaft
aussortiert werden.
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Wird
aus einem zeitlichen Verlauf der mittleren Helligkeit der Abbildung
der Verbindungszone eine Güte der Verbindung bestimmt,
kann auf Basis eines Wärmeflussmodells und/oder Erfahrungswerten
entschieden werden, inwiefern die Verbindungsstelle an dem Schweißobjekt
die Anforderungen erfüllt.
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Eine
Bewertung, inwiefern eine Verbindung der zur Stromzufuhr dienenden
Elektroden und dem Schweißobjekt den Erfordernissen entspricht,
wird ermöglicht, indem aus der Helligkeitsverteilung über das
Schweißobjekt eine Güte einer elektrischen Verbindung
zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle und dem Schweißobjekt
bestimmt wird. Bei ungenügender Verbindung zwischen den
Elektroden und dem Schweißobjekt, beispielhaft durch verschmutzte
Elektroden, tritt typischerweise eine hohe Temperatur an der ersten
und/oder zweiten Kontaktstelle auf. In einem solchen Fall ist nicht
die Verbindungsstelle des Schweißobjekts die bestimmungsgemäß einzige
helle Stelle in der Abbildung, wodurch ein solcher Betriebsfall
feststellbar ist und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden
können.
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Wird
die Information aus einer Auswertung der Bildinformation der Kamera
mit einer Information aus zumindest einem Wegsensor und/oder Kraftsensor
und/oder Stromsensor und/oder Spannungssensor und/oder Temperatursensor
gekoppelt, kann die Prozess-Sicherheit weiter verbessert werden
und gute und schlechte Schweißverbindungen können mit
verbesserter Sicherheit erkannt werden. Die Bewertung der Schweißverbindung
aus der Bildinformation der Kamera kann in einer solchen Plausibilitätsüberprüfung
mit der Bewertung aus den Informationen der anderen Sensoren abgeglichen
werden.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst,
indem zur Beobachtung eines Abbilds der Verbindungszone eine Kamera
vorgesehen ist und indem im Lichtweg der Kamera ein optischer Filter
vorgesehen ist. Ein solcher Filter wird vorzugsweise so gewählt,
dass er die typischen Wellenlängen passieren lässt,
die bei einem Schweißvorgang emittiert werden. Hierdurch
können beispielhaft Störungen durch Umgebungslicht
ausgeblendet werden.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines Schweißvorgangs.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung
eines Schweißvorgangs an einem Schweißobjekt 22 in
einer Schweißanlage 1, in der das Schweißobjekt 22 an
einer Verbindungszone 23 zusammengefügt werden
kann. Die Schweißanlage 1 kann als Widerstands-
oder Diffusions-Schweißanlage ausgeführt sein.
Ein Abbild 14 der Verbindungszone 23 wird mit
einer Kamera 13, insbesondere einer so genannten Hochgeschwindigkeitskamera,
aufgenommen, deren Ausgangsdaten einer Auswerteeinheit 10 zugeführt
werden. Die Auswerteeinheit 10 kann als Personal Computer
ausgeführt sein, der ein Programm zur Bilderfassung und
Auswertung enthält. Die Auswerteeinheit 10 ist
mit einer Eingabeeinheit 11 in Form einer Tastatur und
mit einer Anzeigeeinheit 12 verbunden. Weiterhin ist die
Auswerteeinheit 10 mit einer Regeleinheit 20 verbunden,
mit der der Schweißprozess geregelt werden kann. Die Regeleinheit 20 ist
mit dem Schweißobjekt 22 an zumindest einer ersten Kontaktstelle 21 und
einer zweiten Kontaktstelle 24 verbunden, so dass ein elektrischer
Strom durch das Schweißobjekt 22 geleitet werden
kann, der das Schweißobjekt 22 zumindest an der
Verbindungszone 23 erhitzt. Die Verbindung der Teile des
Schweißobjekts 22 erfolgt durch einen Widerstands-Schweißprozess
und/oder durch einen Diffusions-Schweißprozess, bei dem
zwei Kupfer-Teilstücke des Schweißobjekts 22 durch
aufgebrachtes Zinn verbunden werden, das in die Kupfer-Teilstücke
eindiffundiert und diese verbindet.
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Im
Betrieb wird das Abbild 14 der Verbindungszone 23 mit
der Kamera 13 beobachtet, in der Auswerteeinheit 10 die
Bildinformation bearbeitet und aus der örtlichen und zeitlichen
Verteilung der Helligkeitsinformation auf die Güte der
Schweißung an der Verbindungszone 23 geschlossen.
Hierbei wird die Bildinformation mit einer aus einem als „gut" bewerteten
Schweißprozess erhaltenen Bildinformation verglichen und
bewertet. Hierdurch können einerseits Fehler in tiefer
liegenden Teilen der Verbindungszone 23 erkannt werden,
die nach einer Abkühlung der Verbindungszone 23 nicht
mehr zugänglich sind und andererseits aus der Dokumentation
des Verlaufs des Prozesses Verbindungszonen 23 als „gut"
eingestuft werden, ohne dass sie, beispielhaft durch Computertomographie,
aufwändig untersucht werden müssen.
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Zur
Regelung von Strom und Spannung am Schweißobjekt 22 ist
die Regeleinheit 20 vorgesehen. Das von der Kamera 13 aufgenommene
Bild wird hinsichtlich der Helligkeit in der Verbindungszone 23 bewertet
und in der Auswerteeinheit 10 Vorgabewerte für
die Regeleinheit 20 abgeleitet. Durch eine hohe zeitliche
Auflösung der Kamera 13 von beispielhaft 10 bis
30 kHz Bildfrequenz kann eine schnelle Regelung des Prozesses erfolgen
und bei einer durch Vergleich mit einem Referenzprozess als zu niedrig
erkannten Bildhelligkeit über eine Veränderung
der Soll-Werte der Regeleinheit 20 die Stromstärke
durch das Schweißobjekt 22 erhöht werden und
die Qualität der Verbindung erhöht werden. Die hohe
Bildfrequenz ermöglicht auch eine Überwachung
und Regelung eines Schweißprozesses mit kurzer Taktdauer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19716293
C2 [0004]
- - DE 19822924 C2 [0005]
- - DE 10103255 B4 [0006]