DE102008005113A1

DE102008005113A1 - Verfahren zur Sicherung der Schweißqualität von Schweißpunkten beim Widerstandspunktschweißen einer bestimmten Materialkombination

Info

Publication number: DE102008005113A1
Application number: DE102008005113A
Authority: DE
Inventors: Ulf Niedergesäss; Martin Kraska; Martina Berg
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: DE102008005113B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung der Schweißqualität von Schweißpunkten beim Widerstandspunktschweißen einer bestimmten Materialkombination, bei dem für jeden Schweißpunkt p der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit tS, bezogen auf eine zu Beginn der Schweißzeit tS gegebene Referenzkraft FREF, ermittelt und der jeweilige Schweißpunkt p als "in Ordnung" (i. O.) bzw. "stabil" klassifiziert wird, wenn zum einen der ermittelte Kurvenverlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit tS vor deren Ende eine maximale Kraft FMax und am Ende der Schweißzeit tS eine Kraft FEnd aufweist, die kleiner als die maximale Kraft FMAX', jedoch größer als die Referenzkraft FREF ist. Erfindungsgemäß ist unmittelbar nach Ende der Schweißzeit tS der Durchmesser DL der Schweißlinse jedes als "in Ordnung" (i. O.) bzw. "stabil" klassifizierten Schweißpunktes p der vorgegebenen Materialkombination nach der Formel DL = a + bfmax + cfend zu prognostizieren, wobei die Koeffizienten a, b und c zuvor über Referenzschweißungen durch Approximieren an den jeweiligen als "in Ordnung" (i. O.) bzw. "stabil" klassifizierten Schweißpunkt p ermittelt werden, indem der Durchmesser DL der Schweißlinse meßtechnisch erfaßt wird, der ermittelte Durchmesser DL der Schweißlinse dann in einem dreiachsigen Diagramm mit den Koordinaten DL (mm); fmax und fend den Werten für fmax und fend des jeweiligen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung der Schweißqualität von Schweißpunkten beim Widerstandspunktschweißen einer bestimmten Materialkombination, bei dem für jeden der mit einer Schweißzange gesetzten Schweißpunkte p der Materialkombination der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F der Schweißzange über die Schweißzeit t_S bezogen auf eine zu Beginn der Schweißzeit t_S gegebene Referenzkraft R_REF ermittelt und der jeweilige Schweißpunkt p der Materialkombination als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifiziert wird, wenn zum einen für den jeweiligen Schweißpunkt p der ermittelte Kurvenverlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S vor deren Ende eine maximale Kraft F_MAX und am Ende der Schweißzeit t_S eine Kraft F_END aufweist, die kleiner als die maximale Kraft F_MAX, jedoch größer als die Referenzkraft F_REF ist, wobei die die Änderung der Zangenschließkraft F bedingende thermische Dehnung des Systems aus den beiden Schweißkappen der Schweißzange und dem Schweißgut durch das Einsinken der Schweißkappen in das Schweißgut überlagert wird, und wenn zum anderen jeder Schweißpunkt p der Materialkombination bei einer vorgegebenen Stärke des Schweißstroms I_S über die Schweißzeit t_S spritzerfrei ausgebildet wird.
Es ist bekannt ( US 4,419558 und "Welding Technology Corporation" Data Sheet :ML00273-Rev 1.2, Mai 2003), beim Widerstandspunktschweißen von Werkstücken zur Sicherung der Schweißqualität die bei der Ausbildung der Schweißlinse verursachte thermische Dehnung von Schweißkappen und Schweißgut zur erfassen. Hierzu wird mit einem Meßsystem für jeden mit einer servoelektrisch angetriebenen Schweißzange gesetzten Schweißpunkt der Werkstückkombination der Verlauf der thermischen Dehnung der Schweißelektroden, die durch das Wachsen der Schweißlinse verursacht wird, und damit der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F während der Schweißzeit bezogen auf ein Referenzsignal erfaßt, das der Zangenschließkraft F vor Beginn des Schmelzflusses des Schweißpunktes zugeordnet wird. Die Schweißqualität des jeweiligen Schweißpunktes der Werkstückkombination wird als „i. O. Schweißpunkt” klassifiziert, wenn für den jeweiligen Schweißpunkt der ermittelte Kurvenverlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S vor deren Ende eine maximale Kraft F_MAX und am Ende der Schweißzeit t_S eine Kraft F_END aufweist, die kleiner als die maximale Kraft F_MAX, jedoch größer als eine durch das Referenzsignal charakterisierte Kraft F_REF ist. Wird für einen Schweißpunkt ein von dem beschriebenen Kurvenverlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S abweichender Kurvenverlauf erfaßt, so identifiziert das Meßsystem den entsprechenden Schweißpunkt als „n. i. O. Schweißpunkt”.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, zur Sicherung der Schweißqualität von Schweißpunkten beim Widerstandspunktschweißen einer bestimmten Materialkombination die in genannter Weise vorzunehmende Klassifizierung der Schweißpunkte in „i. O.” bzw. „stabil” und „n. i. O.” bzw. „instabil” für jeden gesetzten Schweißpunkt durch Prognosen bezüglich des jeweiligen Schweißlinsendurchmessers und/oder der Nachsetztiefe der Schweißelektroden qualitativ zu spezifizieren. Zudem sollen in die genannte gängige Klassifikation spritzerbehaftete Schweißpunkte einbezogen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, daß

– unmittelbar nach Ende der Schweißzeit t_S der Durchmesser D_L der Schweißlinse jedes als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunktes p der vorgegebenen Materialkombination nach der Formel: DL = a + bfmax + cfend zu prognostizieren ist, wobei sind:
f_max = relative maximale Kraft F_MAX bezogen auf die Referenzkraft _FF und
f_end = relative Kraft F_END am Ende der Schweißzeit t_S bezogen auf die Referenzkraft F_REF
– die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel zuvor über Referenzschweißungen der bestimmten Materialkombination für die vorgegebene Fügeaufgabe durch Approximieren (Interpolieren) an den jeweiligen als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p der vorgegebenen Materialkombination bestimmt werden, indem der Durchmesser D_L der Schweißlinse meßtechnisch ermittelt wird,
– der ermittelte Durchmesser D_L der Schweißlinse dann in einem dreiachsigen Diagramm mit den Koordinaten D_L (mm); f_max und f_end den Werten für f_max und f_end des jeweiligen Schweißpunktes p unter Bildung einer Anordnung gestreuter Punkte (Punktwolke) zugeordnet wird, und
– durch Approximieren (Interpolieren) eine Ebene aufgespannt wird, aus deren Lage in dem dreiachsigen Diagramm die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel D_L = a + bf_max + cf_end bestimmt werden.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß für als „i. O.” bzw. „stabil” und/oder „n. i. O.” bzw. „instabil” klassifizierte Schweißpunkte p der bestimmten Materialkombination zusätzlich die Nachsetztiefe Δd der Schweißkappen der Schweißzange in das Schweißgut bzw. die Restpunktdicke des Schweißpunktes p aus dem letzteren zugeordneten Kraftsignal nach der Prognoseformel: Δd = a + bfmax +cfend,bestimmt. Hierzu werden zuvor die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel über Referenzschweißungen der bestimmten Materialkombination für die bestimmte Fügeaufgabe durch Approximieren (Interpolieren) an den jeweiligen als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p bestimmt, indem die Nachsetztiefe Δd durch Messung der Restpunktdicke des Schweißpunktes bestimmt wird, z. B. nach einem Verfahren, bei dem die geschweißte Materialkombination zerstörend geprüft wird. Die ermittelte Nachsetztiefe Δd wird in einem dreiachsigen Diagramm mit den Koordinaten Δd; f_max; f_end den Werten für f_max und f_end des jeweiligen Schweißpunktes p unter Bildung einer Punktwolke zugeordnet wird, in der durch Approximieren (Interpolieren) eine Ebene aufgespannt wird, aus deren Lage in dem dreiachsigen Diagramm die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel Δd = a + bf_max + cf_end für die Nachsetztiefe bestimmt werden.
Zur Bestimmung des Durchmessers D_L der Schweißlinse jedes Schweißpunktes p und/oder der jeweiligen Nachsetztiefe Δd an jedem Schweißpunkt p der geschweißten Materialkombination kann diese z. B. geschnitten und ein Querschliff in der Fügeebene hergestellt werden. Der Durchmesser D_L der Schweißlinse jedes Schweißpunktes p kann dann durch Messung der Gefügeränder der Schweißlinse jedes Schweißpunktes p am Mikroskop bestimmt werden. Der Durchmesser D_P jedes Schweißpunktes p ergibt sich dann gemäß DVS-Merkblatt 2916 „Prüfen von Punktschweißungen", Teil 3, Seite 2 zu: D_P = 1,15 × D_L.
Die Zangenschließkraft F der Schweißzange über die Schweißzeit t_S kann z. B. mittels eines an einem Zangenarm der Schweißzange angeordneten Piezosensors gemessen. Die Schweißzange kann servomotorisch, pneumatisch, hydraulisch oder in sonstiger geeigneter Weise angetrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren schafft die Möglichkeit, unmittelbar im Anschluß an die Schweißzeit t_S für jeden Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination, der in Auswert ung des Kurvenverlaufes der Änderung der Zangenschließkraft über die Schweißzeit t_S als „i. O.” bzw. „stabil” klassifiziert ist, diese Klassifikation des Schweißpunktes p durch konkrete Angabe des Durchmessers D_L seiner Schweißlinse genauer qualitativ zu spezifizieren, indem eine Schweißlinsengröße zu prognostizieren ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zusätzlich unmittelbar im Anschluß an die Schweißzeit t_S für jeden Schweißpunkt p unabhängig davon, ob dieser als „i. O” bzw. „stabil”; „n. i. O.” bzw. „instabil” oder „spritzerbehaftet” in Auswertung des Kurvenverlaufes der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S klassifiziert ist, eine qualitative Spezifizierung der ermittelten Klassifikation durch eine Prognose der Nachsetztiefe Δd der Schweißelektroden für jeden Schweißpunkt p bzw. der Restdicke jedes Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination am Ende der jeweiligen Schweißzeit t_S.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen weiter erläutert. In diesen sind:
1 eine schematische Darstellung einer eine Widerstandspunktschweißzange umfassenden Systemanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Sicherung der Schweißqualität von Schweißpunkten beim Widerstandspunktschweißen einer bestimmten Materialkombination,
2 ein zweiachsiges Diagramm, aus dem schematisch der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S für jeden als „i. O.” bzw. „stabil” zu klassifizierenden Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination hervorgeht,
3 ein zweiachsiges Diagramm, aus dem schematisch der Verlauf der Änderung der Zangen schließkraft F über die Schweißzeit t_S für jeden als „n. i. O.” bzw. „instabil” zu klassifizierenden Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination hervorgeht,
4 ein zweiachsiges Diagramm, aus dem schematisch der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S für einen als „spritzerbehaftet” klassifizierten Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination hervorgeht, wobei F_END nicht zwingend kleiner sein muß als F_REF,
5 ein dreiachsiges Diagramm, in dem u. a. die mikroskopisch gemessenen Schweißlinsendurchmesser D_L in mm von jeweils bei den Referenzschweißungen als „stabil” klassifizierten Schweißpunkten p der bestimmten Materialkombination bezogen auf f_max und f_end zu Punkthaufen aufgetragen und zu einer aufgespannten Ebene zur Bestimmung der Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel für den Schweißlinsendurchmesser approximiert (interpoliert) sind,
6 eine Wiedergabe des dreiachsigen Diagramms gemäß 5 aus einem anderen Blickwinkel, der die aufgespannte Ebene der Anordnung der gestreuten Schweißpunkte deutlich werden läßt.
7 ein dreiachsiges Diagramm, in dem die Nachsetztiefen Δd der Kappen der Schweißelektroden an den Schweißpunkten p der bestimmten Materialkombination zu gestreuten Punkthaufen (Punktwolken) aufgetragen und zu einer aufgespannten Ebene zur Bestimmung der Koeffzienten a, b und c der Prognoseformel für die Nachsetztiefe Δd approximiert (interpoliert) sind,
8 eine Wiedergabe des dreiachsigen Diagramms gemäß 7 aus einem anderen Blickwinkel, der die aufgespannte Ebene der Punktwolke deutlich werden läßt, und
9 eine Schnittansicht eines schematisch dargestellten Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination.
1 zeigt schematisch ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das eine Widerstandspunktschweißzange 1 mit zwei Zangenarmen 2 umfaßt, die von einem servomotorischen Antrieb 3 anzutreiben ist. Die von den Schweißelektroden 4 auf eine bestimmte Materialkombination 5 ausgeübte Zangenschließkraft F wird z. B. mittels eines Piezosensors 6 erfaßt. Weitere Sensoren 7 und 8 dienen zur Messung des Schweißstroms und der Spannung. Die von den Sensoren 6, 7 und 8 erfaßten Meßwerte werden einem Analog-Digital-Wandler 9 zugeführt, in dem die erfaßten Signale für einen ersten Rechner 10 in lesbare Signalfunktionen umgeformt werden. Dem Rechner 10 ist eine Klassifizierungseinrichtung 11 nachgeschaltet, mittels der für jeden gesetzten Schweißpunkt p der Materialkombination 5 unmittelbar am Ende der Schweißzeit t_S mit dem jeweiligen Schweißstrom I_S eine Klassifikation in eine der Kategorien „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil”, „nicht in Ordnung” (n. i. O.) bzw. „instabil” oder „Spritzer” erfolgt.
Während der jeweiligen Schweißzeit t_S für einen zu setzenden Schweißpunkt p wird die thermische Dehnung des Systems in dem vom Analog-Digital-Wandler 9 erstellten Kraftsignal erkannt. Dieser Kraftzuwachs wird durch das Einsinken der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in die sich bildende Schweißlinse der bestimmten Materialkombination 5 überlagert. Aus der Signalkombination ergibt sich ein charakteristischer Kraftsignalverlauf, der die Basis für die Einordnung des jeweiligen gesetzten Schweißpunktes p der Materialkombination 5 in eine der drei genannten Klassifikationen durch die Klassifizierungseinrichtung 11 bildet. Letzterer ist eine Bewertungseinrichtung 13 mit einem Sortierer und einem zweiten Rechner nachgeschaltet, mittels der nach erfolgter Kalibrierung für jeden als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p der Materialkombination 5 zur Spezifizierung der Schweißqualität der Durchmesser D_L der Schweißlinse zu prognostizieren ist. Zusätzlich ist zur weiteren Spezifizierung der Schweißqualität von der Bewertungseinrichtung 13 für jeden gesetzten Schweißpunkt p der Materialkombination 5 für alle drei Kategorien der Klassifizierung eine Aussage über die Nachsetztiefe Δd der Kappen 12 der beiden Schweißelektroden 4 erstellbar.
Die Potentiale der Klassifikation liegen vorteilhafterweise darin, dass die Klassifikation

– für jeden Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination im Prozeß durchgeführt werden kann,
– die Klassifikation sich einfach und ohne Kalibrierung aus dem ermittelten charakteristischen Kraftsignal ableiten läßt,
– als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierte Schweißpunkte p der vorgegebenen Materialkombination einen verhältnismäßig großen Schweißlinsendurchmesser aufweisen und
– für als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierte Schweißpunkte p der bestimmten Materialkombination nach erfolgter Kalibrierung des Systems der Schweißlinsendurchmesser D_L und die Restdicke bzw. die Nachsetztiefe Δd der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 abgeleitet werden können.

Aus der Klassifikation können weiterhin Informationen zum Zustand der Schweißanlage gewonnen werden. Wird die Klassifizierung des ermittelten charakteristischen Kraftsignals über eine beliebige Anzahl an Schweißpunkten p der vorgegebenen Materialkombination 5 graphisch dargestellt, so lassen sich Hinweise ableiten zum:

– Zustand der Kappen der Schweißelektroden,
– Lage der Schweißparameter in einem stabilen Prozeßbereich,
– Anzeichen, daß der Schweißbereich im Laufe der Zeit u. a. durch Verschleiß verlassen wird,
– Gefahr, daß der Schweißlinsendurchmesser kleiner als der zulässige D_LMin wird.

In 2 ist schematisch der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F der Schweißzange 1 über die Schweißzeit t_S bezogen auf eine zu Beginn der Schweißzeit t_S gegebene Referenzkraft F_REF für jeden als „i. O.” bzw. „stabil” zu klassifizierenden Schweißpunkt p der vorgegebenen Materialkombination 5 dargestellt. In dem dargestellten Kraftverlauf ist ein deutliches Maximum vor dem Ende der Schweißzeit t_S gegeben. In dem Kraftanstieg ist die thermische Dehnung des Systems zu beobachten. Durch das Einsinken der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in das Schweißgut wird die thermische Dehnung vom sog. Nachsetzverhalten überlagert. Dadurch sinkt die meßbare Kraft, so daß die Kraft F_END am Ende der Schweißzeit t_S kleiner als die Maximalkraft F_MAX ist. Zur Abgrenzung jedes als „i. O.” bzw. „stabil” zu klassifizierenden Schweißpunktes p gegenüber jedem als „n. i. O.” bzw. „instabil” zu klassifizierenden Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination wird eine Differenz der Kraft F_MAX zur Kraft F_END verwendet.
Der aus 2 ersichtliche Verlauf der Kraftkurve ist materialabhängig und stellt sich ein, wenn beim Setzen eines Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination 5 während der Schweißzeit t_S die Stärke des Schweißstroms I_S so gewählt ist, daß der entsprechende Schweißpunkt p nicht spritzerbehaftet ist und die thermische Dehnung des Systems durch das Einsinken der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in das Schweißgut überlagert wird. Als Ergebnis werden die Schweißlinsen der entsprechenden Schweißpunkte p der vorgegebenen Materialkombination 5 optimal ausgebildet und erreichen eine Größe, die im Verhältnis zu den Aufsetzflächen der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 ein Maximum an Verbindungsstabilität garantiert.
Steigt gemäß 3 die gemessene Zangenschließkraft F beim Setzen eines Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination 5 kontinuierlich bis zum Ende der Schweißzeit t_S an, wobei die maximale Kraft F_MAX gleich der Kraft F_END am Ende der Schweißzeit t_S ist, so ist dieser Schweißpunkt als „n. i. O.” bzw. „instabil” zu klassifizieren. Das Einsinken der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in das Schweißgut ist in dem diesem Schweißpunkt zugeordneten Kurvenverlauf der Zangenschließkraft F nicht zu erkennen.
„Instabil” klassifizierte Schweißpunkte p treten auf, wenn

– mit zu geringem Strom geschweißt wird,
– die Schweißzeit t_S zu kurz ist,
– nicht genügend Material aufschmilzt, damit sich der Schweißpunkt p optimal ausbildet.

Bei den als „instabil” klassifizierten Schweißpunkten p haben sich Schweißlinsen gebildet, die meist kleiner sind, als es die Aufsetzflächen der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 bei optimal gewählten Schweißparametern zulassen würden. Es besteht die Gefahr, das der Schweißlinsendurchmesser kleiner als der zulässige D_LMIN ist. Der Kurvenverlauf gemäß 3 gibt den Hinweis, daß die Stärke des Schweißstroms I_S bzw. die Schweißzeit t_S nicht ausreicht, um den Schweißpunkt p vollständig auszubilden. Der Kraftverlauf gemäß 3 kann sich aufgrund des zunehmenden Kappenverschleißes nach fortlaufender Anzahl von Schweißungen mit einem Anfangs „stabilen” Kraftverlauf einstellen und als Warnhinweis zum Nachfräsen der Schweißkappen 12 gesehen werden.
In 4 ist weiterhin schematisch der Kurvenverlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S bezogen auf die Referenzkraft F_REF für Schweißpunkte p der vorgegebenen Materialkombination dargestellt, die als „spritzerbehaftet” und somit ebenfalls als „n. i. O” zu klassifizieren sind. Bei Setzen derartiger Schweißpunkte p tritt aufgrund von Spritzern plötzlich ein starker Krafteinbruch auf, wie 4 zu entnehmen ist. Durch die schlagartig entweichende Schmelze reduziert sich das Volumen der Schweißlinse und die an der Oberfläche drückenden Kappen 12 der Schweißelektroden 4 setzen verstärkt nach. Dadurch sinkt die gemessene Zangenschließkraft F schlagartig. Der Kraftverlust kann hierbei gemäß 4 so groß sein, daß die Kraft F_END kleiner als die Referenzkraft F_REF wird.
Dieser Kraftverlauf, der für einen als „spritzerbehaftet” zu klassifizierenden Schweißpunkt p typisch ist, tritt auf, wenn

– schlagartig Material aus der Schmelze austritt, weil die Stärke des Schweißstroms I_S zu groß oder die Schweißzeit t_S zu lang ist,
– durch andere Einflüsse die entstehende Schmelze nicht durch den äußeren Druck der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 als Schmelzbad zusammengehalten werden kann.

Durch Verschmutzungen können Spalte zwischen der zu verschweißenden vorgegebenen Materialkombination auftreten oder Verspannungen können Gegenkräfte bedingen, wodurch jeweils die Spritzerneigung begünstigt wird.
Mit dem Auftreten von Spritzern entstehen prozeßrelevante Probleme wie z. B. lokale Überhitzungen, Festigkeitsverluste, erhöhter Verschleiß, Anlagenverschmutzungen und Verschmutzungen der Oberflächen am Produkt. Der dadurch bedingte Wartungs- und Nacharbeitungsaufwand ist kostenintensiv. Dementsprechend stellt sich das Erfordernis für eine qualitative Spezifizierung der Klassifikation.
Erfindungsgemäß wird hierzu unmittelbar nach Ende der Schweißzeit t_S für jeden als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination 5 der Schweißlinsendurchmesser nach der Formel D_L = a + bf_max + c f_end prognostiziert. Vorzugsweise wird zusätzlich für jeden gesetzten Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination 5 die Restpunktdicke bzw. die Nachsetztiefe der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in das Schweißgut nach der Formel Δd = a + bf_max + cf_end prognostiziert.
Für die Prognose des Schweißlinsendurchmesser D_L ergeben sich aus dem gemessenen charakteristischen Kraftsignal für den als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p die diesem zugeordneten jeweiligen Meßwerte für F_MAX und F_END und somit die Werte für f_max = relative maximale Kraft F_MAX bezogen auf die Referenzkraft F_REF und f_end = relative Kraft F_END am Ende der Schweißzeit t_S bezogen auf die Referenzkraft F_REF.
Die Koeffizienten a, b und c der jeweiligen Prognoseformel werden zuvor über Referenzschweißungen der vorgegebenen Materialkombination 5 für die vorgegebene Fügeaufgabe durch F_i(t) an den jeweiligen als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p der vorgegebenen Materialkombination 5 bestimmt.
Bei den Referenzschweißungen der vorgegebenen Materialkombination ist z. B. ein Vorwärmstrom über eine Zeitspanne mit einer solchen Stromstärke zu wählen, daß die vorhandene Zinkschicht aufschmilzt, das Grundmaterial jedoch ohne Veränderungen erhalten bleibt. Zudem ist für jeden Schweißpunkt p der bestimmten Materialkombination eine Schweißzeit t_S im Schweißbereich vorzugeben. Die Stromstärke ist so zu wählen, daß möglichst an der Spritzergrenze geschweißt wird. Dieser Bereich wird geeignet durch mehrere Schweißversuchsreihen (3–5) mit Stromtreppen bei jeweils einigen Wiederholungen mit einer Einstellung definiert eingegrenzt.
Beginnend mit einem verhältnismäßig kleinen Schweißstrom wird dieser schrittweise bis zu einem maximalen Wert an der Spritzergrenze gesteigert. Für die Reihen der gesetzten Schweiß punkte p mit als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkten p wird verfahrensmäßig der Schweißlinsendurchmesser bestimmt. Während der Schweißzeit t_S ist ein Kraftanstieg von ca. 5% gegeben. Der Verlauf der Kraftkurve ist materialabhängig.
Zur verfahrensmäßigen Bestimmung des Schweißlinsendurchmessers D_L im Zuge der Referenzschweißungen wird z. B. die geschweißte bestimmte Materialkombination geschnitten und ein Querschliff in der Fügeebene hergestellt. Dann wird der Durchmesser D_L der Schweißlinse des entsprechenden Schweißpunktes p durch Messung der Gefügeränder der Schweißlinse am Mikroskop bestimmt. Zur Bestimmung des Durchmessers D_P jedes Schweißpunktes p werden jeweils zwei Meßwerte im Winkel von 90° an den Materialbruchrändern erfaßt und dann gemittelt.
Zur Ermittlung der Koeffizienten a, b, und c der Prognoseformel sowohl für den Schweißlinsendurchmesser D_L als auch für den Schweißpunktdurchmesser D_P jedes als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination werden die bei den Referenzschweißungen verfahrensmäßig gemessenen Schweißlinsendurchmesser D_L bzw. Schweißpunktdurchmesser D_P in einem dreiachsigen Diagramm mit den Koordinaten D_L (mm); f_max; f_end gemäß 5 den Werten für f_max und f_end des jeweiligen Schweißpunktes p unter Bildung einer Anordnung gestreuter Punkte in Form einer Punktwolke zugeordnet. Durch Approximieren (Interpolieren) der Punktanordnung wird in dieser, wie am besten aus 6 ersichtlich ist, eine Ebene aufgespannt, aus deren Lage in dem dreiachsigen Diagramm die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel für den Schweißlinsendurchmesser D_L bzw. für den Schweißpunktdurchmesser D_P der als „i. O.” bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkte p der vorbestimmten geschweißten Materialkombination bestimmt werden.
Für ein Beispiel einer Materialkombination mit einer Blechstärke von 2 × 1,2 mm ergeben sich über die Lage der im dreiachsigen Diagramm aufgespannten Ebene folgende Werte für die Koeffizienten:
a = 6,72; b = 0,36; c = –0,42
Die Koeffizienten sind für jede Materialkombination gesondert zu ermitteln.
Zur weiteren Spezifizierung der Klassifikation der gesetzten Schweißpunkte p der bestimmten Materialkombination kann entsprechend zusätzlich die Nachsetztiefe der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in das Schweißgut bzw. die Restdicke des jeweiligen Schweißpunktes p bezogen auf alle drei oben angeführten Klassifikationen gemäß der Prognoseformel: Δd = a + bf_max + cf_end unmittelbar nach Ende der Schweißzeit t_S jedes gesetzten Schweißpunktes p der vorgegebenen Materialkombination bestimmt werden.
Hierzu werden die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel für die Nachsetztiefe Δd jedes Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination über Referenzschweißungen für die bestimmte Fügeaufgabe durch Approximieren an die gesetzten Schweißpunkte p bestimmt, indem z. B. die geschweißte bestimmte Materialkombination geschnitten und ein Querschliff in der Fügebene hergestellt wird. Anschließen wird durch Messung der Gefügeränder der Schweißlinse jedes Schweißpunktes p am Mikroskop die Restdicke des jeweiligen Schweißpunktes p ermittelt und damit die Nachsetztiefe Δd der Kappen 12 der Schweißelektroden 4 in das Schweißgut prozentual zur Stärke der bestimmten Materialkombination bestimmt.
Die gemessenen Werte der Nachsetztiefe Δd der jeweiligen Schweißpunkte p werden, wie aus 7 hervorgeht, in ein dreiachsiges Diagramm mit den Koordinaten Δd; f_max; f_end den Werten für f_max und f_end des jeweiligen Schweißpunktes p unter Bildung einer Anordnung gestreuter Punkte in Form einer Punktwolke zugeordnet. In dieser Punktwolke wird, wie am besten aus 8 hervorgeht, durch Approximieren (Interpolieren) eine aufgespannte Ebene gebildet, aus deren Lage in dem dreiachsigen Diagramm die Koeffizienten a, b, c der Prognoseformel für die Nachsetztiefe Δd für jeden Schweißpunkt p der vorgegebenen Materialkombination bestimmt werden.
Für eine Kombination von Stahlwerkstoffen ergeben sich z. B. bei einer Blechstärke von 2 × 1,2 mm über die Lage der in dem dreiachsigen Diagramm aufgespannten Ebene folgende Werte für die Koeffizienten:
a = 2,84; b = 3,35; c = –2,4
Die Koeffizienten sind auch hier für jede Materialkombination gesondert zu ermitteln.
9, die im Schnitt einen schematisch dargestellten Schweißpunkt p der geschweißten Materialkombination 5 aus zwei Blechen der Dicke t₁ bzw. t₂ zeigt, macht deutlich, daß der Durchmesser D_L der Schweißlinse des Schweißpunktes p kleiner als der Durchmesser D_P des Schweißpunktes p ist. Die Restpunktdicke des Schweißpunktes p ergibt sich über die Dicke t₁ bzw. t₂ jedes der beiden Bleche der Materialkombination 5 und die jeweilige Eindrucktiefe t_E1 bzw. t_E2 der beiden Schweißelektroden 4 zu: Restpunktdicke = t1 + t2 – tE1 – tE2
Das Verhältnis der Eindrucktiefen t_E1/t_E2 läßt Rückschlüsse auf die erreichte Oberflächengüte des Schweißpunktes p der bestimmten Materialkombination 5 zu.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4419558 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”Welding Technology Corporation” Data Sheet :ML00273-Rev 1.2, Mai 2003 [0002]
- DVS-Merkblatt 2916 „Prüfen von Punktschweißungen”, Teil 3, Seite 2 [0006]

Claims

Verfahren zur Sicherung der Schweißqualität von Schweißpunkten beim Widerstandspunktschweißen einer bestimmten Materialkombination, bei dem für jeden der mit einer Schweißzange gesetzten Schweißpunkte p der Materialkombination der Verlauf der Änderung der Zangenschließkraft F der Schweißzange über die Schweißzeit t_S bezogen auf eine zu Beginn der Schweißzeit t_S gegebene Referenzkraft F_REF ermittelt und der jeweilige Schweißpunkt p der Materialkombination als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifiziert wird, wenn zum einen für den jeweiligen Schweißpunkt p der ermittelte Kurvenverlauf der Änderung der Zangenschließkraft F über die Schweißzeit t_S vor deren Ende eine maximale Kraft F_Max und am Ende der Schweißzeit t_S eine Kraft F_End aufweist, die kleiner als die maximale Kraft F_MAX, jedoch größer als die Referenzkraft F_REF ist, wobei die die Änderung der Zangenschließkraft F bedingende thermische Dehnung des Systems aus den beiden Schweißkappen der Schweißzange und dem Schweißgut durch das Einsinken der Schweißkappen in das Schweißgut überlagert wird, und wenn zum anderen jeder Schweißpunkt p der Materialkombination bei einer vorgegebenen Stärke des Schweißstroms I_S über die Schweißzeit t_S spritzerfrei ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß – unmittelbar nach Ende der Schweißzeit t_S der Durchmesser D_L der Schweißlinse jedes als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunktes p der vorgegebenen Materialkombination nach der Formel DL = a + bfmax + cfend zu prognostizieren ist,wobei sind: f_max = relative maximale Kraft F_MAX bezogen auf die Referenzkraft F_REF und f_end = relative Kraft F_END am Ende der Schweißzeit t_S bezogen auf die Referenzkraft F_REF – die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel zuvor über Referenzschweißungen der bestimmten Materialkombination für die vorgegebene Fügeaufgabe durch Approximieren (Anpassen) an den jeweiligen als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p der vorgegebenen Materialkombination bestimmt werden, indem der Durchmesser D_L der Schweißlinse meßtechnisch ermittelt wird, – der ermittelte Durchmesser D_L der Schweißlinse dann in einem dreiachsigen Diagramm mit den Koordinaten D_L(mm); f_max und f_end den Werten für f_max und f_end des jeweiligen Schweißpunktes p unter Bildung einer Anordnung gestreuter Punkte (Punktwolke) zugeordnet wird, und – durch Approximieren (Interpolieren) eine Ebene in der Anordnung gestreuter Punkte (Punktwolke) aufgespannt wird, aus deren Lage in dem dreiachsigen Diagramm die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel D_L = a + bf_max + cf_end bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – zusätzlich die Nachsetztiefe Δd der Schweißkappen der Schweißzange bzw. die Änderung der Blechstärke der vorgegebenen Materialkombination im jeweiligen als „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p bzw. die Restdicke jedes Schweißpunktes p aus dem Kraftsignal, das jeweils dem als „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p zugeordnet ist, nach der Prognoseformel Δd = a + bfmax + cfend zu bestimmen ist, – die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel zuvor über Referenzschweißungen der Materialkombination für die bestimmte Fügeaufgabe durch Approximieren (Anpassen) an den jeweiligen als „in Ordnung” (i. O.) bzw. „stabil” klassifizierten Schweißpunkt p bestimmt werden, indem die Nachsetztiefe Δd durch Messung der Restpunktdicke des Schweißpunktes p ermittelt wird, – die ermittelte Nachsetztiefe Δd in ein dreiachsiges Diagramm mit den Koordinaten Δd; f_max; f_end den Werten für f_max und f_end des jeweiligen Schweißpunktes p unter Bildung einer Anordnung gestreuter Punkte (Punktwolke) zugeordnet wird, und – durch Approximieren (Interpolieren) eine Ebene in der Anordnung der gesreuten Punkte (Punktwolke) aufgespannt wird, aus deren Lage in dem dreiachsigen Diagramm die Koeffizienten a, b und c der Prognoseformel Δd = a + bf_max + cf_end für die Nachsetztiefe Δd bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Durchmessers D_L der Schweißlinse jedes Schweißpunktes p und/oder der jeweiligen Nachsetztiefe Δd an jedem Schweißpunkt p der geschweißten Materialkombination diese geschnitten, ein Querschliff in der Fügebene hergestellt und anschließend der Durchmesser D_L der Schweißlinse jedes Schweißpunktes p und/oder die Nachsetztiefe Δd an jedem Schweißpunkt p durch Messung der Gefügeränder der Schweißlinse bzw. der Restdicke jedes Schweißpunktes p meßtechnisch ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zangenschließkraft F der angetriebenen Schweißzange über die Schweißzeit t_S mittels eines an einem Zangenarm der Schweißzange angeordneten Piezosensors gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzange servormotorisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben wird.