DE102007042341A1

DE102007042341A1 - Verfahren und Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von Klebverbindungen

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Publication number: DE102007042341A1
Application number: DE200710042341
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Santa Maria de Getxo Böhm; Jens Dipl.-Ing. Dippell; Manuel Fiedler; Florian Dr. Lampmann; Erwin Dipl.-Phys. Löffler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Boehm Rainer De; DIPPELL, JENS, DE; FIEDLER, MANUEL, DE
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2008-07-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von Klebebereichen auf Werkstücken, insbesondere von Klebverbindungen zwischen Strukturbauteilen im Karosserie-Rohbau. Der Klebbereich wird mit einer Anregungsquelle impulsartig erwärmt, und die dabei im Klebbereich entstehende Wärmeverteilung wird mit Hilfe einer Thermographie-Kamera aufgenommen. Die gewonnenen Daten stellen eine zeitliche Folge von Intensitätsbildern des Klebbereichs dar, deren Auswertung eine Qualitätsaussage der Klebstelle und eine Klassifikation der bei der Klebung auftretenden Fehler ermöglicht. Um eine Unabhängigkeit von Oberflächeneffekten, insbesondere der Emissivität der Werkstücke, zu erreichen, wird zur Auswertung eine normierte Intensität verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von Klebstellen auf Werkstücken, insbesondere von Klebverbindungen zwischen Strukturbauteilen im Karosserie-Rohbau.
Klebverbindungen sind im Fahrzeugbau weit verbreitet. Sie werden beispielsweise im Karosserie-Rohbau verwendet und dürfen eine bestimmte vorgegebene Festigkeit nicht unterschreiten. Ein verlässlicher Klebprozess setzt voraus, dass alle Klebstellen gleich bleibend eine hohe Qualität aufweisen. – Allerdings können beim Kleben von Blechbauteilen verschiedene Störungen auftreten, die eine Reduktion der Festigkeit der Klebverbindung zur Folge haben: So können – bei vorgegebener Presskraft und vorgegebener Klebstoffart und -menge Schwankungen in der Materialdicke und Beschichtung der zu verschweißenden Bleche (z. B. aufgrund eines Material-/Lieferantenmixes) zu Anbindungsfehlern führen. Außerdem können bei toleranzbehafteten Bauteilen, Passungsprobleme und – insbesondere bei kurz dimensionierten Flanschen – Nebenschlüsse auftreten. Es besteht ein großes Interesse an einer produktionsnahen Erkennung und Klassifizierung solcher Klebfehler, um Fehlerquellen im Serienbetrieb schnell und zuverlässig erkennen und beseitigen zu können.
Im Automobilbau erfolgt die Qualitätskontrolle von Klebverbindungen herkömmlicherweise zerstörend. Bei geschweißten Verbindungen wird mitunter auch eine Ultraschallprüfung eingesetzt, bei der die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung durch Laufzeitmessungen von Schallwellen ermittelt werden. Eine solche Messung versagt jedoch bei Klebverbindungen, da eine Klebnaht aufgrund der kristallinen Struktur des ausgehärteten Klebers kein klares verwertbares Signal oder Echo liefert.
Ebenfalls bei der Qualitätskontrolle von geschweißten Verbindungen wird als Alternative zur Ultraschallprüfung auch die Infrarotthermographie eingesetzt, die beispielsweise in der WO 01/50116 A1 beschrieben ist. Dabei wird mit Hilfe einer Anregungsquelle der Bereich der Schweißung kurzzeitig erwärmt; die infolge dieser Erwärmung vom Fügebereich abgestrahlte Wärmeintensität wird von einer ortsauflösenden elektronischen Thermographie-Kamera mit einer hohen Bildwiederholrate gemessen, deren Messwerte in einem Computer ausgewertet werden. Wie in der WO 01/50116 A1 vorgeschlagen, können aus dem Zeitverlauf der abgestrahlten Wärmeintensität, der von den Kamerapixeln aufgenommenen wird, unterschiedliche Histogramme ermittelt werden, die ein Maß für den Wärmefluss durch die Schweißzone sein sollen.
Die WO 01/50116 A1 geht bei der Auswertung des gemessenen Intensitätsverlaufs als Funktion der Zeit davon aus, dass die von den Kamerapixeln empfangene Wärmeintensität innerhalb des Beobachtungszeitraums ein Maximum durchläuft. Dies ist bei dünnen Blechen in der Regel der Fall. Dieses Verfahren versagt jedoch bei Blechverbindungen höherer Materialstärke, insbesondere bei Mehrblechverbindungen, da erfahrungsgemäß in diesen Fällen das Intensitätsmaximum bei ordnungsgemäßen Schweißungen innerhalb der Beobachtungszeit nicht erreicht wird.
Im Übrigen zeigt das Beispiel der Ultraschallmessung, dass eine einfache Übertragung eines Messprinzips von Schweißverbindungen hin zu Klebverbindungen nicht ohne weiteres oder gar nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißbereichen weiterzuentwickeln und auf die zerstörungsfreie Prüfung von Klebbereichen anzupassen. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Prüfsystem bereitzustellen, mit deren Hilfe eine zerstörungsfreie, automatisierbare Qualitätskontrolle von Klebverbindungen im Karosserie-Rohbau durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Danach wird umfasst das Prüfsystem eine Anregungsquelle zur aktiven impulsartigen Erhitzung des Klebbereichs der verbundenen Werkstücke (z. B. Bleche), eine Thermographie-Kamera zur Aufnahme einer zeitlichen Folge von Intensitätsbildern des Klebbereichs und eine Auswerteeinheit zur Auswertung und Speicherung der zeitlichen Folge der Intensitätsbilder. Anregungsquelle und Thermographie-Kamera sind vorteilhafterweise an Manipulatoren, insbesondere an Industrierobotern, befestigt, um sie gegenüber dem zu untersuchenden Prüfobjekt, z. B. einer Rohkarosserie oder einer Baugruppe zu positionieren. Zur Visualisierung der ausgewerteten Daten ist zweckmäßigerweise ein Monitor vorgesehen.
Die Aktivierung kann sowohl mittels Bottom-Flash erfolgen (transmissiv), d. h. die Bleche werden von einer Seite (unten) aktiviert und von der anderen Seite thermographisch aufgenommen, als auch mittels Top-Flash (reflexiv), d. h. die Bleche werden von der gleichen Seite aktiviert und aufgenommen. Das transmissive Verfahren zeigt in der Regel eine bessere Trennschärfe bzw. Genauigkeit, ist aber aus Platzgründen nicht immer anwendbar.
Die Thermographie-Kamera liefert eine zeitliche Folge bildhafter Intensitätsdaten der Klebstelle, die ein Maß für die zeitliche Abhängigkeit der Wärmeverteilung der Klebstelle sind. Zur Auswertung dieser bildhaften Daten wird für alle (oder für ausgewählte) Pixel (bzw. für ausgewählte, mehrere Pixel umfassende Kamerabereiche) ein normierter Intensitätsverlauf berechnet. Aufgrund der Normierung ist dieser Intensitätsverlauf unabhängig von Oberflächeneigenschaften (z. B. Farbe, Materialzusammensetzung, Struktur, ...) der betrachteten Werkstücke, insbesondere von der Emissivität. Dies führt zu einer verbesserten Vergleichbarkeit der Messdaten und zu einer zuverlässigeren Auswertung. Zur Normierung wird vorteilhafterweise ein Intensitätswert verwendet, der am Ende eines vorgegebenen Beobachtungszeitraums erreicht wird. Die Auswertung kann auf einer Beurteilung der normierten Intensität zu zwei vorgegebenen Zeitpunkten beruhen.
Alternativ können zur Auswertung auch Steigungen der Intensitätsverläufe zu bestimmten vorgegebenen Zeitpunkten verwendet werden. Hierbei kann z. B. jeweils die Steigung im Anfangsbereich der Kurve (z. B. Mittelung Bild 20–30) durch die Steigung im Endbereich der Kurve (z. B. Mittelung Bild 70–80) geteilt werden. Quotienten im Bereich von 1 weisen auf eine schlechte Anbindung (z. B. Lufteinschluss) hin, Quotienten größer als 3,5 lassen sich als gute Klebstoffanbindung identifizieren. In manchen Anwendungsfällen zeigt diese Auswertestrategie eine bessere Trennschärfe als die vorher beschriebene Vorgehensweise mit der Definition von Schwellwerten.
Durch den "Steigungsansatz" findet eine Glättung des Signals statt. Deshalb ist diese Auswertestrategie vorteilhaft, wenn man ein Thermographiesystem verwendet, das ein verhältnismäßig hohes Signalrauschen aufweist. Da die Preise von Thermographiekameras mit zunehmender Auflösung (Zeit und Temperatur) steigen, ist diese Auswertestrategie eine Möglichkeit die Kosten zu senken.
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, das Rauschen der normierten Intensitätsverläufe zur Qualitätsbewertung der Schweißverbindung zu verwenden.
Eine vierte Möglichkeit besteht in der Kombination zweier oder mehrere der oben genannten Methoden. Dadurch wird zwar der Aufwand erhöht, gleichzeitig aber auch die Erkennungsqualität verbessert.
Dieses Prüfsystem bzw. Verfahren ermöglicht eine zerstörungsfreie automatisierbare Bewertung der Qualität von Klebstellen an Automobil-Rohbaukarosserien oder Untergruppen mittels Wärmeflussthermographie. Mit einem solchen Prüfsystem können übliche Klebfehler verlässlich erkannt und klassifiziert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert
Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Klebbereichs zweier Bleche während des Klebens;
2 Schnittdarstellungen (2a–c) und Aufsichten (2d 2e) von ordnungsgemäßen Klebverbindungen (2a) und Klebfehlern (2b–2e);
3 Schematische Darstellung des Messprinzips bei der Transmissions-Infrarotthermographie (3a) und der Reflexions-Infrarotthermographie (3b) einer Klebstelle;
4 Schematische Darstellung eines Gesamtssystems zur Qualitätskontrolle von Klebverbindungen im Fahrzeug-Rohbau;
5 die von einem Kamerabereich gemessene und normierte Intensität als Funktion der Zeit bzw. Bildnummer für unterschiedliche Klebstellen;
6 Wärmebilder (6a, 6d), daraus generierte Bilder (6b, 6e) sowie visuelle Bilder nach zerstörender Prüfung (6c, 6f) für eine ordnungsgemäße Klebstelle aus zwei Klebpunkten (6a–c) und eine nicht-ordnungsgemäße Klebstelle mit einem Lufteinschluss (6d-f).
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung zweier Bauteile 1, 1', die in einem Klebbereich 2 mit Hilfe eines Klebverfahrens verbunden werden. Die Bauteile 1, 1' bestehen aus hochfestem Stahlblech, das ein- oder beidseitig mit einer Korrosionsschutzschicht 3, 3' (beispielsweise aus Zink oder einer intermetallischen Aluminium-Eisen-Verbindung) versehen sein kann; alternativ können die Bleche auch aus (beschichtetem oder unbeschichtetem) Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Mindestens eines der Bauteile 1, 1' ist im Klebbereich 2 mit einer Klebstoffraupe 4 beschichtet, wodurch nach dem Zusammenführen der Bauteile 1, 1' und der Aushärtung der Klebstoffraupe 4 eine feste Verbindung im Klebbereich 2 erreicht werden kann. Anstelle von zwei Bauteilen 1, 1' können im Klebbereich 2 auch drei oder mehr Blechschichten vorliegen, die miteinander verklebt werden; wenn im Folgenden von Klebverbindungen zweier Bleche bzw. Bauteile die Rede ist, so soll sich dies auch auf Drei- und Mehrblechklebverbindungen beziehen.
Zum Verkleben der beiden Bauteile 1, 1' wird eine bekannte Spannzange 5 mit zwei Spannfingern 6, 6' eingesetzt, die eine Spannkraft 7 auf die beiden Bauteile 1, 1' im Klebbereich 2 ausüben und die Bauteile 1, 1' dadurch aufeinander drücken. Durch Aushärten der Klebstoffraupe 4 bildet sich im Klebbereich 2 eine feste Klebverbindung 18 zwischen den beiden Bauteilen 1, 1' aus. Eine solche Klebverbindung 18 ist für die Bauteile 1, 1' wesentlich schonender als z. B. eine Schweißverbindung, insbesondere wird weder die Gefügestruktur des Blechmaterials verändert noch die Korrosionsschutzschicht 3, 3' beschädigt.
Als Folge davon entsteht zwischen den Bauteilen 1, 1' eine ausgehärtete Klebstofflinse 40 mit Durchmesser 9', die – wenn die Verklebung ordnungsgemäß durchgeführt wurde – einen vorgegebene Minimaldurchmesser 9 nicht unterschreitet (2a). Das Vorhandensein und die Größe dieser Klebstofflinse 40 ist von entscheidender Bedeutung für die Festigkeit der erzeugten Verbindung des Klebpunkts 18. (Der Klebpunkt 18 steht im Folgenden stellvertretend für sämtliche Geometrien von Klebverbindungen, insbesondere auch für lange Klebstoffnähte.)
Beim Kleben von Bauteilen 1, 1' können unterschiedliche Fehler auftreten, von denen exemplarisch in den 2b–2c schematisch dargestellt sind.
Wird die Klebstoffraupe 4 nicht gleichmäßig aufgetragen und/oder werden die Bauteile 1, 1' nicht stark genug angenähert bzw. aufeinander gepresst, so kann es lokal zu einem in Figur 2b gezeigten durchgehenden Lufteinschluss L_D zwischen den Bauteilen 1 und 1' oder zu einem in 2c gezeigten partiellen Lufteinschluss L_p zwischen einem Bauteil 1 und der Klebstoffraupe 4 kommen.
Weiterhin kann die Klebstofflinse 40 sehr klein sein; eine solche Verklebung wird als Fehler klassifiziert, wenn der Linsendurchmesser 9'' kleiner ein vorgegebener Minimalwert 9 ist, da in einem solchen Fall die geforderte Festigkeit der Klebverbindung nicht mehr gegeben ist.
Schließlich können im Falle von Bauteiltoleranzen, von Ungenauigkeiten in der Positionierung oder von Fehlern bei der Programmierung der Klebroboter die in 2d und 2e in einer Aufsicht auf die Klebstelle 2 gezeigten Fehler auftreten: dass nämlich an der vorgesehenen Stelle 17 überhaupt kein Klebpunkt 18 vorhanden ist, oder dass der Klebpunkt 18 um mehr als einen Toleranzbetrag 19 gegenüber der vorgesehenen Position 17 verschoben ist.
Zur Online-Erkennung und Klassifikation solcher Klebfehler beim Kleben an Rohbaukarosserien in der Produktion wird ein Prüfsystem 20 eingesetzt, das schematisch in 3a dargestellt ist. Das Prüfsystem 20 umfasst eine Anregungsquelle 21 (im Folgenden auch Wärmequelle genannt) zur impulsförmigen Erwärmung der Klebstelle 2 (d. h. des Klebpunktes 18 und seiner unmittelbaren Umgebung), eine Thermographie-Kamera 22 zur zeit- und ortsaufgelösten Messung der von der Klebstelle 2 ausgesandten Wärmestrahlung und eine Auswerteeinheit 23 zur Weiterverarbeitung der Messwerte und Klassifikation/Visualisierung des Klebergebnisses. Die Prüfung erfolgt zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Fertigstellung der Klebverbindung, vorzugsweise in einer im Produktionsablauf auf die Klebstation folgenden (weiteren) Arbeitsstation.
Vorzugsweise erfolgt die thermografische Messung – wie in 3a dargestellt – in Transmission; das bedeutet, dass die Anregungsquelle 21 die eine Seite 24 der verbundenen Bauteile 1, 1' bestrahlt, während die Thermographie-Kamera 22 auf der anderen, der Anregungsquelle 21 abgewandten Seite 24' der verbundenen Bauteile 1, 1' angeordnet ist. – Alternativ zur Transmissions-Messung kann die thermografische Messung auch in Reflexion erfolgen (schematisch in 3b dargestellt), was bedeutet, dass Anregungsquelle 21 und Thermographie-Kamera 22 auf derselben Seite 24' der verbundenen Bauteile 1, 1' angeordnet sind. Die hierbei gewonnenen Messwerte enthalten zwar prinzipiell ähnliche Informationen wie die in Transmission gewonnenen, zeigen jedoch andere Charakteristika. Die im Folgenden beschriebenen Auswerte- und Klassifikationsverfahren beziehen sich auf Messdaten, die in Transmission gewonnen wurden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus zur produktionsbegleitenden Serienprüfung von Klebverbindungen im Fahrzeug-Rohbau. Um die an unterschiedlichen Stellen auf der Rohbaukarosserie 25 (bzw. einer zu klebenden Baugruppe) befindlichen Klebstellen 2 erreichen zu können, sind die Anregungsquelle 21 und die Thermographie-Kamera 22 zweckmäßigerweise an Manipulatoren 26, insbesondere Industrierobotern, befestigt, die sie gegenüber der Klebstelle 2 positionieren. Anstelle der Verwendung separater Manipulatoren 26 für Anregungsquelle 21 und Thermographie-Kamera 22 können auch – wie schematisch in 4 gezeigt – beide gemeinsam an der Hand 27 eines einzigen Manipulators 26 befestigt sein, falls die Zugänglichkeit der zu beurteilenden Klebstellen 2 dies gestattet. Die Klebpunkte 18 der zu prüfenden Karosserie 25 bzw. Baugruppe werden durch den Manipulator 26 nacheinander automatisch nach einem vorher festgelegten Prüfplan angefahren, so dass sich die Klebpunkte 18 jeweils zwischen Thermographie-Kamera 22 und Anregungsquelle 21 befinden. Die Kamera 22 liefert eine zeitliche Folge von Bilddaten der Klebstelle 2. Diese Daten werden in der Auswerteeinheit 23 automatisch weiterverarbeitet und ausgewertet, um Prüfaussagen über die Qualität der Klebverbindung zu erhalten. Die Prüfergebnisse werden auf einem Monitor 28 des Prüfsystems 20 visualisiert und zur Dokumentation einer Datenbank 29 zugeführt. Zur Steuerung des Gesamtsystems ist eine Steuereinheit 30 vorgesehen, welche Steuerbefehle und/oder Mess- bzw. Prüfdaten mit einem Produktionssteuersystem 31 austauscht.
Die Anregungsquelle 21 ist eine wassergekühlte Blitzlampe mit einer räumlich homogenen optischen Leistung von > 1 J/cm² an der Klebstelle 2. Vorzugsweise wird eine marktübliche Xe-Blitzlampe verwendet, die ein geringes Gewicht hat und sehr kompakt ist. Eine solche Xe-Blitzlampe kann problemlos mit Hilfe eines Manipulators 26, insbesondere eines Industrieroboters, bewegt und positioniert werden und kann auch in räumlich beengte Bereiche eingeführt werden. Sie eignet sich also insbesondere zum Einsatz für Prüfaufgaben im Fahrzeugrohbau, wo kritische Klebverbindungen an der gesamten Rohbau-Karosserie 25 – auch in schwer zugänglichen Bereichen – überprüft werden müssen. – Alternativ kann die Lichtenergie von einer luftgekühlten Blitzlampe mit einem faseroptischen Aufsatz bereitgestellt werden; eine Faseroptik führt die Lichtenergie vom Ort der Blitzlampe an die Klebstelle 2.
Das Prüfsystem 20 misst die durch die Klebestelle 2 hindurchgeleitete Wärmemenge als Funktion des Ortes und der Zeit. Eine solche zeitaufgelöste Messung der von der Klebstelle 2 ausgehenden Infrarotstrahlung setzt zunächst voraus, dass die Anregungsquelle 21 einen zeitlich definierten, kurzen Licht puls (insbesondere Infrarotlichtimpuls) abgibt, der den Startpunkt der Messung kennzeichnet. Je dünner die zu untersuchenden Bleche 1, 1' sind, desto kürzer und prägnanter muss der Blitzimpuls sein. Im vorliegenden Prüfsystem wird die Lichtenergie dem Prüfobjekt 1, 1' über eine Zeitraum von weniger als 20 ms zugeführt.
Das Prüfsystem 20 wird insbesondere zur Kontrolle von Türrahmenverbindungen an Rohbaukarosserien 25 eingesetzt, wobei die zu untersuchenden Strukturbauteile 1, 1' in der Regel beschichtete hochfeste Stahlbleche sind. Der mittels Kleben zu verbindende Blechverbund hat hier typischerweise eine vergleichsweise große Gesamtdicke 12 von 2 mm bis 5 mm. Im Bereich der Achsanbindung kann eine Dreiblechverbindung mit eingebrachtem Klebstoff sogar eine Dicke bis zu 7 mm erreichen. Die Anforderungen, die in diesen Fällen an die Länge der von der Anregungsquelle 21 ausgesandten Pulse bzw. an die Geschwindigkeit der Thermographie-Kamera 22 gestellt werden, sind daher niedriger als in Fällen geringerer Blechdicke. Im Fall dicker Bleche genügt beispielsweise eine Kamerafrequenz von 20–50 Hz aus, um verlässliche Aussagen über die Qualität der Klebverbindung zu treffen. Bei dünneren Blechen 1, 1' sollte die Bildwiederholrate bei mindestens 50 Hz liegen. Mögliche Detektortypen für die Thermographie-Kamera 22 sind CMT (HgCdTe), InSb und Mikrobolometer.
Das zur Auswertung der Daten der Thermographie-Kamera 22 genutzte Verfahren beruht auf einer Analyse des zeitlichen Verlaufs der von einem Kamerabereich 32 empfangenen (Infrarot-)Lichtintensität. Diese Lichtintensität ist ein Maß für die Temperatur des auf diesen Kamerabereich 32 abgebildeten Bereichs 33 der Klebstelle 2, wird jedoch auch durch andere Bauteil- und Umgebungsparameter, insbesondere die Emissivität der betrachteten Bleche 1, 1', beeinflusst. Beispiele solcher von einem Kamerabereich 32 gemessenen Zeit-/Intensitäts-Verläufe 34a–34c sind im 5 dargestellt; hier sind die vom Kamerabereich 32 empfangenen Lichtmengen, gemessen in Detektoreinheiten und normiert, als Funktion der Zeit (gemessen in Bildnummern) aufgetragen. Der Kamerabereich 32 ist dabei auf die Mitte des zu untersuchenden Klebpunkts 18 ausgerichtet; die unterschiedlichen Kurven 34a–34c entsprechen Messungen, die an Klebverbindungen unterschiedlicher Qualität durchgeführt wurden.
Der Blitzimpuls 35 der Anregungsquelle 21 erfolgt bei einer Zeit t = Bildnummer 3. Vor dem Blitzimpuls 35 werden mit der Kamera 22 mehrere Bilder aufgenommen, um eine verlässliche Nulllinie der Intensität zu bestimmen. Ausgehend von dem Blitzimpuls 35 braucht die von der Anregungsquelle 21 ausgesandte Wärmeenergie, die auf der der Anregungsquelle 21 zugewandten ersten Seite 24 der Bleche 1, 1' eingestrahlt wird, einige Millisekunden, bevor sie durch die Klebstelle 2 hindurch die gegenüberliegenden Seite 24' der Bleche 1, 1' erreicht und von dort aus in Richtung Thermographie-Kamera 22 abgestrahlt wird. Dann folgt ein mehr oder weniger steiler Anstieg der von der Kamera registrierten Wärmeenergie. Entsprechend der Art bzw. Qualität der Klebverbindungen unterscheiden sich die Zeitverläufe 34a–34c durch einen unterschiedlichen Beginn des Anstiegs und eine unterschiedliche (maximale) Steigung.
Diese Merkmale können für eine systematische Auswertung genutzt werden, um aus den Zeitverläufen 34a–34c Aussagen über die Qualität der Klebverbindung bzw. über die Art des aufgetretenen Fehlers zu treffen. Wie ein Vergleich der Kurven 34a–34c mit den Ergebnissen einer zerstörenden Prüfung der zugehörigen Klebpunkte zeigt, lassen sich die unterschiedlichen Fehler, die beim Kleben auftreten können, diesen Zeitverläufen zuordnen:

– Zeitverläufe 34a, bei denen die Intensität (fast) linear bzw. leicht konvex ansteigt, sind charakteristisch für eine Klebstelle 2, in welcher die Kleberaupe unterbrochen oder nicht vorhanden ist, d. h. ein durchgehenden Lufteinschluss zwischen den Blechen 1, 1' vorliegt (siehe 2b), der eine Wärmeleitung der in die Bleche 1, 1' eingestrahlten Wärmeenergie verhindert.
– Zeitverläufe 34b, bei denen die Intensität leicht konkav ansteigt, sind charakteristisch für eine Klebstelle 2, in welcher ein partieller Lufteinschluss zwischen den Blechen 1, 1' vorliegt (siehe 2c), der die Wärmeleitung der in die Bleche 1, 1' eingestrahlten Wärmeenergie reduziert.
– Zeitverläufe 34c, bei denen die Intensität stärker konkav ansteigt (d. h. über einen spezifischen Grenzwert hinaus), entsprechen Klebstellen 2, in denen ordnungsgemäße Verklebungen vorliegen (siehe 2a).

Für die beschriebene Auswertung wird die normiere Intensität der von der Thermographie-Kamera 22 registrierten Wärmestrahlung verwendet. Die Strahlungsintensität, die von den Kamerapixeln 32 pro Zeiteinheit registriert wird, ist ein Maß für die Temperatur der Klebstelle 2, sie hängt jedoch auch von weiteren Parametern, insbesondere der Emissivität der betrachteten Bleche 1, 1', ab. Die Emissivität der Bleche 1, 1' wird maßgeblich durch eine (bzw. die Art der) Beschichtung 3, 3' beeinflusst; so zeigen beispielsweise Stahlbleche mit einer intermetallischen Alu-Eisen-Schicht eine höhere Emissivität und somit – bei gleicher Geometrie und Qualität der Verklebung – durchweg höhere gemessene Intensitätswerte als verzinkte Stahlbleche. Um die von der Thermographie- Kamera 22 empfangenen Messsignale von diesen (lokalen und bauteilübergreifenden) Effekten zu befreien, werden die von den Kameralpixeln aufgenommenen Messkurven normiert.
Hierzu wird für jedes auszuwertende Pixel bzw. jeden auszuwertenden Kamerabildbereich 32 die Strahlungsintensität I_e am zeitlichen Ende t_e des Beobachtungszeitraums (entsprechend der Bildnummer 80 in 5) ermittelt. Um die Unsicherheit aufgrund von Rauschen zu reduzierten, wird I_e vorteilhafterweise als Mittelwert mehrerer Intensitätswerte in einem Zeitintervall kurz vor der Zeit t_e verwendet. Anschließend wird der gesamte Intensitätsverlauf dieses Pixels normiert, indem jeder Intensitätsmesswert durch I_e geteilt wird.
Einige auf diese Weise für unterschiedliche Pixel ermittelten, auf die Endintensität I_e normierten Kurven 34a–c sind in 5 dargestellt. Diese Kurven beginnen alle bei Intensität I/I_e = 0 (zu dem Anfangszeitpunkt t_a) und enden bei normierten Intensität I/I_e = 1 (zum Endzeitpunkt t = t_e), unterscheiden sich jedoch bezüglich des dazwischen liegenden Kurvenverlaufs. Diese Unterschiede werden zur Klassifizierung der Widerstandsschweißungen bzw. zur Fehlererkennung verwendet. Im Folgenden werden beispielhaft einige mögliche Klassifizierungsmethoden beschrieben:

1. Auswertung durch Messung der normierten Intensität I/I_e zu zwei vorgegebenen Zeitpunkten t₁ und t₂

In einer ersten Klassifizierungsmethode werden die normierten Intensitäten I/I_e an zwei Zeitpunkten t₁ und t₂ ausgewertet, die beide im Zeitintervall zwischen t_a und t_e liegen. Durch eine hohe (H) und tiefe (T) Schwellwertbildung an diesen beiden Zeitpunkten t₁, t₂ werden die folgenden Fallgruppen unterschieden:

– Gruppe A („durchgehenden Lufteinschluss", siehe 2b): Wenn die normierte Intensität I/I_e zum früheren Zeitpunkt t₁ unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts S_1T und zum späteren Zeitpunkt t₂ unterhalb eines Schwellwerts S_2T liegt (d. h. wenn die Kurve I/I_e über den gesamten berücksichtigten Zeitbereich hinweg sehr niedrig ist, Kurve 34a in 5), ist die Kleberaupe im Sichtbereich des zugehörigen Pixels unterbrochen oder nicht vorhanden; die Verklebung ist im Bereich dieses Pixels nicht in Ordnung.
– Gruppe B („partieller Lufteinschluss", siehe 2c): Wenn die normierte Intensität I/I_e zum früheren Zeitpunkt t₁ zwischen den beiden vorgegebenen Schwellwerten S_1T und S_1H liegt und zum späteren Zeitpunkt t₂ ebenfalls zwischen den beiden vorgegebenen Schwellwerten S_2T und S_2H liegt (d. h. wenn die Kurve I/I_e über den gesamten berücksichtigten Zeitbereich hinweg in einem mittleren Bereich liegt, Kurve 34b in 5), ist die Kleberaupe im Sichtbereich des zugehörigen Pixels zwar nicht unterbrochen, aber nur mit einem Blech verbunden; die Verklebung ist im Bereich dieses Pixels nicht in Ordnung.
– Gruppe C („geklebt", siehe 2a): Wenn die normierte Intensität I/I_e zum früheren Zeitpunkt t₁ oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts S_1H und zum späteren Zeitpunkt t₂ oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts S_2H (Kurve 34c in 5), sind die Bleche im Sichtbereich des zugehörigen Pixels ordnungsgemäß verklebt.

Zur Visualisierung der Messergebnisse im Klebbereich 2 können die einzelnen Pixel entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu einer der oben aufgeführten Klassen farbcodiert auf dem Monitor 28 wiedergegeben werden. Dies ermöglicht eine schnelle Erkennung von Klebfehlern durch den Beobachter. Die 6a–c zeigen (in der Reihenfolge Wärmebild, generiertes Bild, visuelles Bild der Klebnaht nach zerstörender Prüfung) als Beispiel hierfür das Abbild zweier Klebstellen 2, im Bereich derer zwei Bleche 1, 1' punktgeklebt wurden. Man erkennt in dem generierten Bild in 10b einen näherungsweise kreisförmigen inneren Bereich 42C, in dem eine ordnungsgemäße Verklebung der Bleche stattgefunden hat („geklebt"); die diesem Bereich entsprechenden Pixel wurden als zur oben beschriebenen Gruppe C zugehörig klassifiziert. Dieser innere Bereich 42C ist umgeben von einem ringförmigen Bereich 42B, in dem Klebstoff 4 auf einem Blech vorliegt aber nicht mehr bis zum zweiten Blech reicht („partieller Lufteinschluss"); die diesem Bereich 42B entsprechenden Pixel wurden als zur oben beschriebenen Gruppe B zugehörig klassifiziert.
Außerhalb dieses Ringbereichs 42B liegt zwischen den Blechen gar kein Klebstoff mehr vor („durchgehenden Lufteinschluss"); die diesem Bereich 42A entsprechenden Pixel wurden als zur oben beschriebenen Gruppe A zugehörig klassifiziert. Die in den 6a–c dargestellte Klebverbindung ist als Ganzes ordnungsgemäß, da der innere (durch Kleben verbundene) Bereich 42C eine ausreichend große Fläche aufweist, der auf eine gute Verbindung der Bleche 1, 1' hinweist. – Die 6d–f zeigen als weiteres Beispiel das Abbild einer Klebstelle 2 mit einem Lufteinschluss im Bereich der Klebstelle 2. Diese Klebverbindung ist nicht ordnungsgemäß, da die Bleche 1, 1' im Bereich der Klebverbindung aufgrund des Lufteinschlusses geschwächt sind.
Die in 10b und 10e beispielhaft gezeigte Bewertung ist unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der betrachteten Bleche 1, 1' im Bereich der Klebstelle 2, da solche Effekte durch die Normierung herausgenommen wurden.

2. Auswertung durch Messung der normierten Intensität I/I_e zu einem Zeitpunkt t₁ und der differentiellen Intensitätsänderung in einem Zeitintervall t_L < t < t_R

In einer alternativen Klassifizierungsmethode werden die unterschiedlichen Steigungen der normierten Intensitätskurven betrachtet. Hierbei wird jeweils die Steigung im Anfangsbereich der Kurve (Mittelung Bild 20–30) durch die Steigung im Endbereich der Kurve (Mittelung Bild 70–80) geteilt. Quotienten im Bereich von 1 weisen auf schlechte Anbindung (Lufteinschluss) hin, Quotienten größer als 3,5 lassen sich als gute Klebstoffanbindung auswerten.
Die oben beispielhaft aufgeführten Klassifizierungsmethoden ermöglichen eine schnelle, verlässliche Bewertung der Art der Verbindung der Bauteile 1, 1' in dem vom Pixel bzw. Kamerabereich 32 abgebildeten Bereich 33 der Klebstelle 2. Anstelle von bzw. zusätzlich zu den oben beschriebenen Methoden sind auch Kombinationen dieser Methoden denkbar. Die resultierenden Bewertungen der Pixel bzw. der Kamerabereiche 32 können beispielsweise, wie in 4 schematisch angedeutet, Online auf einem Monitor 28 dargestellt werden und ermöglichen dann eine schnelle Visualisierung der Klebstelle: Ein Beobachter kann aus der Betrachtung der Monitorbilder unmittelbare Rückschlüsse auf die Qualität der Verklebungen bzw. die Funktionsweise des Klebsystems ziehen.
Weiterhin eignen sich die auf diese Weise ausgewerteten Pixeldaten auch für eine automatische Qualitätskontrolle. So gibt beispielsweise im Bereich einer Klebstelle 2 die Zahl der als „geklebt" klassifizierten Pixel unmittelbar Aufschluss auf die räumliche Ausdehnung der Klebstofflinse und somit auf die Qualität der Verklebung. Weist der Datensatz einer Klebstelle hingegen mehrere Pixel auf, die als „Lufteinschluss" klassifiziert wurden, so ist die betreffende Klebstelle geschwächt. Auch eine graduelle Bewertung (z. B. durch eine Feinklassifikation, z. B. nach „durchgehender Lufteinschluss", „partieller Lufteinschluss") ist denkbar, um die Schwächung einer Klebstelle 2 zu quantifizieren.

1, 1': Bauteil
2: Klebbereich
3, 3': Korrosionsschutzschicht
4: Klebstoffraupe
40: Klebstofflinse
5: Spannzange
6, 6': Spannfinger
7: Spannkraft
9: minimaler Durchmesser einer Klebstofflinse 40
9', 9'': tatsächlicher Durchmesser einer Klebstofflinse 40
17: vorgesehene Stelle für eine Klebverbindung
18: Klebverbindung, Klebpunkt
19: Toleranzbetrag (für die Verschiebung zwischen vorgesehener und tatsächlicher Position einer Klebverbindung)
20: Prüfsystem
21: Anregungsquelle
22: Thermographie-Kamera
23: Auswerteeinheit
24, 24': Seiten der verbundenen Bauteile 1, 1'
25: Rohbaukarosserie
26: Manipulator
27: Manipulatorhand
28: Monitor
29: Datenbank
30: Steuereinheit
31: Produktionssteuersystem
32: Kamerabereich
33: Abgebildeter Bereich (einer Klebstelle)
34a–c: Zeit-/Intensitäts-Verläufe
34: Blitzimpuls
42A: Bildbereich mit durchgehendem Lufteinschluss
42B: Bildbereich mit partiellem Lufteinschluss
42C: Bildbereich mit ordnungsgemäßer Verklebung
L_D: durchgehender Lufteinschluss
L_P: partieller Lufteinschluss
t: Zeit
I: gemessene Intensität (zur Zeit t)
t_a: Anfang des Beobachtungszeitraums
t_e: Ende des Beobachtungszeitraums
I_e: Strahlungsintensität am zeitlichen Ende t_e des Beobachtungszeitraums
I/I_e: normierte Intensität (zur Zeit t)
t₁: erster Zeitpunkt im Intervall [t_a, t_e]
t₂: zweiter Zeitpunkt im Intervall [t_a, t_e]
S_1T: tiefer Schwellwert der norm. Intensität zur Zeit t₁
S_1H: hoher Schwellwert der norm. Intensität zur Zeit t_1H
S_2T: tiefer Schwellwert der norm. Intensität zur Zeit t₂
S_2H: hoher Schwellwert der norm. Intensität zur Zeit t₂

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 01/50116 A1 [0004, 0004, 0005]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Klebbereichs (2) auf Werkstücken (1, 1'), insbesondere von einer Klebverbindung (18) zwischen Strukturbauteilen im Karosserie-Rohbau, bei dem – der Klebbereich (2) impulsartig erwärmt wird, – mit Hilfe einer Thermographie-Kamera (22) eine zeitliche Folge von Intensitätsbildern des Klebbereichs (2) aufgenommen wird, – wobei in mindestens einem Kamerabereich (32) bzw. Pixel die zeitliche Abhängigkeit der gemessenen Intensität ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung eine normierte Intensität (I/I_e) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Normierung die am Ende eines Beobachtungszeitraums (t_e) erreichte Endintensität (I_e) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung Werte der normierten Intensität (I/I_e) zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung Werte der normierten Intensität (I/I_e) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (t₁) und differentielle Intensitätsänderung (43C, 43D, 43E) in einem vorgegebenen Zeitintervall (t_L, t_R) verwendet werden.
Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung eines Klebbereichs (2) auf Werkstücken (1, 1'), insbesondere von einer Klebverbindung zwischen Strukturbauteilen im Karosserie-Rohbau, – mit einer Anregungsquelle (21) zur impulsartigen Erhitzung des Klebbereichs (2), – mit einer Thermographie-Kamera (22) zur Aufnahme einer zeitlichen Folge von Intensitätbildern des Klebbereichs (2), – und mit einer an die Thermographie-Kamera (22) angeschlossenen Auswerteeinheit (23) zur Speicherung und/oder Auswertung der zeitlichen Folge der Intensitätsbilder.
Prüfsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle (21) und die Thermographie-Kamera (22) an einem oder mehreren Manipulatoren (26), insbesondere an einem oder mehreren Industrierobotern, befestigt sind.
Prüfsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfsystem (20) einen Monitor (28) zur Visualisierung der von der Auswerteeinheit (23) erzeugten Daten, insbesondere von Qualitätsdaten, umfasst.