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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Messverfahren zum Bestimmen einer
Eigenschaft, insbesondere eines Stoffwiderstandes oder einer Stoffwiderstandsfunktion
wenigstens eines durch Widerstandsschweißen zu verschweißenden Bleches
vor dem Schweißvorgang
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein
Widerstandsschweißverfahren
zum Verschweißen
wenigstens zweier Bleche an wenigstens einem Berührungspunkt miteinander. Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung eine Widerstandsschweißvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 27.
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Widerstandsschweißen, insbesondere
das Widerstandspunktschweißen,
ist allgemein bekannt. Das Widerstandspunktschweißen ist
ein Pressschweißverfahren,
das auf der partiellen Erwärmung
der zu verbindenden Werkstücke
beruht. In einem engen Stromkanal fließt ein Strom von mehreren Kiloampere,
der das Metall aufschmilzt und so zur Verbindung der Werkstücke führt. Die
Widerstände
in dem beim Schweißen
gebildeten Schweißstromkreis
spielen bei der Erwärmung
und damit für
das Aufschmelzen eine entscheidende Rolle, da sie maßgeblich
an der Wärmeerzeugung
beteiligt sind.
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Es
ist bekannt, während
des Schweißprozesses
eine Widerstandskurve aufzunehmen und die Widerstandskurve bei Überwachungsstrategien
als Prozessparameter zu verwenden. Beim Widerstandsschweißen befinden
sich die zu verschweißenden
Bleche zwischen zwei Elektroden und die Widerstandskurve bezieht sich üblicherweise
auf den Widerstand, der sich zwischen den beiden Elektroden einstellt.
Aus dem Widerstandsverlauf, der auch Widerstandskurve genannt wird,
können
Rückschlüsse auf
den Prozessablauf oder auf Störeinflüsse gezogen
werden. Insbesondere gehören
hierzu folgende Aspekte:
- – Störeinflüsse können sich im Schweißprozess,
entweder sporadisch, insbesondere bei Einzelstörungen wie z. B. bei einer
Randbereichsschweißung,
oder schleichend, insbesondere bei Veränderungen während der Serienproduktion
wie z. B. der Kappenabnutzung im Widerstandsverlauf widerspiegeln
und entsprechend beeinflusst werden.
- – Teilisolationen
zwischen den zu verschweißenden
Werkstücken
als auch eine schlechte Passung wirken sich durch eine Erhöhung des
Widerstands besonders am Beginn des Schweißprozesses aus.
- – Nebenschlüsse, die
oftmals durch benachbarte bereits angebrachte Schweißpunkte
verursacht werden, als auch eine Abnutzung der Schweißelektroden
verändern
den Widerstand.
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In
der
DE 10 334 478 wird
die Widerstandskurve am Beginn des Schweißprozesses ausgewertet. Demnach
wird zu Beginn des Schweißverfahrens,
bevor das eigentliche Schweißen,
nämlich
das Aufschmelzen, beginnt, der Verlauf des Prozesswiderstandes bzw.
der Prozessimpedanz gemessen und mit einem Sollwiderstand bzw. einer
Sollimpedanz verglichen. Unterschreitet die gemessene Widerstandskurve
den Sollwert, so wird der eigentliche Schweißvorgang gestartet und ein
zum Aufschmelzen erforderlicher Schweißstrom gesteuert. Die dort
beschriebene Überwachung
beschränkt
sich ausschließlich auf
eine vorgeschaltete Test- und eine evtl. notwendige Vorwärmphase.
Wird eine einfache Soll-Impedanz unterschritten, gilt die Schweißstelle als
störungsfrei
und der Schweißprozess
wird freigegeben.
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Nachteilig
hierbei ist, dass lediglich der Beginn des Schweißprozesses,
der in der Test- und/oder Vorwärmphase
liegt, betrachtet wird und Ergebnisse während des Schweißprozesses
unbeachtet bleiben. Zudem werden lediglich statische Soll-Impedanzen verwendet. Änderungen
von Einzelwiderständen,
nämlich
der Stoff- und Übergangswiderstände, werden
nicht berücksichtigt
und eine Differenzierung zwischen beiden Widerstandsarten erfolgt
nicht. Insbesondere ist hierbei nachteilig, dass die Soll-Impedanzen
an jede Schweißaufgabe
manuell neu anzupassen sind.
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Um
Blechhalbzeuge hinsichtlich einer Eingangskontrolle und/oder Fertigungsüberwachung
zu vermessen wird im DVS-Merkblatt 2929 vom Deutschen Verband für Schweißtechnik
(DVS) ein Verfahren angegeben, mit dem Widerstände als wichtigstes Merkmal
gemessen werden können.
Das Merkblatt lehnt sich an die internationale Norm ISO/CD 18594
an. Die beiden im Merkblatt vorgestellten Verfahren sind durch:
- a) niedrige Ströme von maximal 10 A bei konstantem
Messstrom und von maximal 1000 A veränderlichem Messstrom,
- b) lange Messzeiten von bspw. 15 s bei konstantem Messstrom
bzw. langsamen Stromanstiegen von bspw. 100 A/ms bei veränderlichem
Messstrom und
- c) separaten Messeinrichtungen mit genauesten Anforderungen
charakterisiert.
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Bei
diesem Messverfahren wird das Metall kaum erwärmt, so dass von der Messung
eines „Kaltwiderstandes” gesprochen
werden kann.
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Für diese
Methode sind spezielle Messvorrichtungen notwendig, deren Anschaffung
und Betrieb mit einem großen
Aufwand verbunden sind. Insbesondere für kleinere Unternehmen kann
es daher notwendig werden Dienstleister mit der Prüfung zu
beauftragen.
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Gemäß solcher
Untersuchungen wird somit das jeweilige Werkstück mit einem kleinen Prüfstrom beaufschlagt
und daraus versucht, einen Durchgangswiderstand des betreffenden
Werkstücks
bzw. Bleches zu ermitteln. Zum Messen werden ebenfalls Elektroden
verwendet, die gegen das zu prüfende
Werkstück
dabei gepresst werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass neben
dem zu ermittelnden Durchgangswiderstand immer auch die beiden Kontaktwiderstände zwischen
Elektrode und Blech bzw. Blech und Elektrode mitgemessen werden.
Diese beiden Kontaktwiderstände
liegen üblicherweise
um Größenordnungen über dem
Durchgangswiderstand und verändern
sich zudem sehr schnell, so dass die Wiederholbarkeit von Messungen
des ”Kaltwiderstandes” sehr schlecht
ist. Im Übrigen
sind, um überhaupt
eine auswertbare Messung erwarten zu dürfen, Randbedingungen äußerst genau
einzuhalten. Zu diesen Randbedingungen gehören insbesondere die Verwendung
definierter Messelektroden als auch die Verwendung genau definierter
Anpresskräfte
und Messströme.
Außerdem
liegen die Messströme
weit außerhalb
der späteren
Schweißströme, sodass
der erfasste Kaltwiderstand oftmals kein ausreichendes Abbild der
zu erwartenden Widerstände
beim Schweißen
liefert.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 038 786 A1 ist
eine Steuerung einer Schweißvorrichtung
bekannt. Demnach wird ein Verfahren zum Steuern einer Schweißvorrichtung
offenbart, wobei die Schweißvorrichtung
wenigstens eine Schweißelektrode
aufweist, die mit wenigstens einer veränderbaren elektrischen Bezugsgröße betrieben
wird und wobei diese elektrische Bezugsgröße durch eine Steuereinrichtung gesteuert
wird. Die Steuerung der elektrischen Bezugsgröße erfolgt unter Berücksichtigung
eines Referenzdatensatzes, der charakteristisch für einen
durchzuführenden
Schweißvorgang
ist und wobei der Referenzdatensatz aus wenigstens einem aufgezeichneten
Schweißablauf
erzeugt wird.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 053 438 A1 ist
ein Verfahren zur Überwachung von
Punktschweißungen
zweier elektrisch leitender Bauteile bekannt. Bei diesem Verfahren
wird nach dem Schweißen
die Elektrodenkraft aufrechterhalten und nach einer Wartezeit für eine bestimmte
Prüfzeit
ein Primärprüfstrom durch
den Schweißtransformator
geleitet, wobei der durch die Schweißelektroden fließende Strom
(Prüfstrom)
ermittelt, mit zuvor ermittelten Werten verglichen und daraus auf
die Qualität
der Schweißung
geschlossen wird. Der Primärprüfstrom kann
so gewählt
werden, dass an der Schweißstelle
zumindest geringfügig
Werkstoff aufschmilzt.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, Lösungen zum Überwinden oder Verringern zumindest
eines der vorgenannten Nachteile vorzuschlagen. Insbesondere soll
ein verbessertes Messverfahren zum verlässlicheren Bestimmen eines
Stoffwiderstandes und ein verbessertes Widerstandsschweißverfahren
mit verbesserter Prozessüberwachung
geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Messverfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 vorgeschlagen, bei dem der Prüfstrom so gesteuert wird, dass
er zu einer signifikanten Erwärmung
des Blechs führt,
ohne jedoch einen Schweißvorgang
auszuführen.
Die Bestimmung betrifft somit einen Stoffwiderstand, der auch Durchgangswiderstand
genannt wird. Von Bedeutung ist hier insbesondere der absolute Widerstandswert.
Es kommt jedoch auch eine Widerstandsfunktion in Betracht, die beispielsweise
von anderen Parametern, wie einer gemessen Temperatur und/oder einem
Strom, abhängen
kann. Nachfolgend wird nur der Begriff Stoffwiderstand verwendet,
der sich dabei auch auf eine etwaige Stoffwiderstandsfunktion bezieht.
Außerdem
beziehen sich Widerständen
bzw. Widerstandsfunktionen oder -verläufe auf den Stoffwiderstand,
wenn nichts anderes angegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird der
Stoffwiderstand mit einem so hohen Prüfstrom gemessen, dass eine
signifikante Erwärmung
des betreffenden Blechs erfolgt. Es wird somit ein so genannter
Warmwiderstand gemessen. Dabei wird das Blech mit einem hohen Strom
beaufschlagt, der mehrere kA betragen kann, und dabei wird die Spannung
gemessen. Durch den viel größeren Strom
ist die Spannung um Größenordnungen
höher als
bei einer bisher im Stande der Technik untersuchten Kaltmessung
und folglich verursachen die Randbedingungen deutlich kleinere Störeinflüsse. Hierdurch
kann auch eine Verbesserung der Wiederholbarkeit der Messergebnisse
erzielt werden. In Beispieluntersuchungen lag die Streuung der Messergebnisse
im Bereich von nur einigen μΩ.
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Darüber hinaus
werden die Bleche beim Schweißen
ebenfalls durch den hohen Strom erwärmt. D. h. die durch die Messung
des Warmwiderstands ermittelten Werte liegen im Bereich derer die
auch beim Schweißen auftreten und spiegeln somit, im Vergleich zu
einer Kaltmessung, die tatsächlichen
Verhältnisse
signifikant besser wider.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann und wird üblicherweise
mit der eigentlichen Schweißmaschine durchgeführt und
entsprechend kann ein Mehraufwand vermieden werden, und es ermöglicht,
neben der Widerstandsmessung noch das thermische Verhalten der Bleche
zu bewerten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sollte der Prüfstrom
möglichst
den Werten des späteren
Schweißstroms
entsprechen, d. h. für
das Stahlschweißen
Größenord nungen
zwischen 6 kA und 12 kA erreichen sowie für das Mikroschweißen ab einigen
wenigen 100 A bis zu 5 kA betragen. Hierdurch wird ein so hoher
Strom beim Messen bereitgestellt, dass von der Messung eines Warmwiderstandes
ausgegangen werden kann. Zur Verringerung etwaiger Streuungen können mehrere
Messungen für
jedes Blech aufgenommen werden.
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Bevorzugt
ist das erfindungsgemäße Messverfahren
dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfstrom ein vorbestimmter, insbesondere
standardisierter Stromverlauf verwendet wird. Somit wird ein Prüfstrom vorgegeben
und insbesondere bei weiteren Messungen wird wieder derselbe Strom
zu Grunde gelegt, um eine Wiederholbarkeit und bei unterschiedlichen
vermessenden Blechen eine bessere Vergleichbarkeit zu erreichen.
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Eine
weitere Ausführungsform
betrifft ein Messverfahren, bei dem der Prüfstrom über einen Sollverlauf vorgegeben
wird und der Sollverlauf einen Sprung aufweist und/oder kontinuierlich
ansteigt, insbesondere zu Beginn einen Sprung aufweist. Durch die
Verwendung eines Sollverlaufs für
den Prüfstrom
sind verschiedene Stromverläufe
vorgebbar um dadurch bei Bedarf bestimmte Reaktionen des zu vermessenden
Blechs anzuregen. Wird zu Beginn ein Sprung vorgesehen, so kann
auch hierdurch ein entsprechendes dynamisches Verhalten besser untersucht
werden. Außerdem
werden durch den Sprung zumindest zeitweise Abweichungen zwischen
Soll- und Istwert erreicht, die Aufschluss über die Dynamik des Systems
geben.
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Bevorzugt
ist das Messverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand
bzw. Widerstandsverlauf anhand des bzw. eines Sollverlaufs für den Prüfstrom ermittelt
wird. Demnach wird für
die Auswertung gezielt der Sollwert statt dem Istwert verwendet,
um hierdurch einen genaueren Bezugswert zu erhalten. Wird der Sollwert
mit einem Sprung am Anfang verwendet, so ergibt sich – im Gegensatz
zu dem Fall, wenn der Istwert verwendet wird – sofort ein entsprechend großer Wert,
mit entsprechend erhöhter
Genauigkeit.
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Das
Messverfahren ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Parameter oder Verläufe eine
Anpresskraft der Elektroden, eine Einsinktiefe der Elektroden in
die jeweilige Blechoberfläche
und/oder eine Temperatur des Bleches überwacht werden. Die Anpresskraft
der Elektroden gegen das zu prüfende
Blech hat einen wesentlichen Einfluss auf den jeweiligen Übergangswiderstand zwischen
Elektrode und Blech. Die Überwachung
betrifft sowohl die Einstellung und Steuerung einer geeigneten Anpresskraft,
die üblicherweise
in dem Bereich liegt, bei dem auch das spätere Widerstandsschweißen durchgeführt wird,
und sie kann auch das Überprüfen der
tatsächlich
eingestellten Anpresskraft betreffen. Eine Überwachung der Einsinktiefe
und damit verbunden üblicherweise
eine Wegmessung gibt weitere Aufschlüsse über den erreichten Kontakt,
insbesondere die Kontaktfläche
zwischen Elektrode und Blech und der metallischen Härte des
Materials. Durch das Erwärmen
des Bleches wird dieses wie auch beim Schweißen weicher und kann damit
zu einer entsprechenden Einsinktiefe führen. Durch eine Temperaturmessung
und gegebenenfalls über
eine Steuerung oder Einstellung des Messstromes kann die Temperatur
des Bleches und damit das spezifische Erwärmungsverhalten des Materials
erkannt werden.
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Insgesamt
ist bei einer Ausführungsform
wünschenswert,
die Randbedingungen beim Messen des Stoffwiderstandes des betreffenden
Bleches möglichst
nahe an die Bedingungen beim späteren
Verschweißen heranzuführen.
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Dennoch
wird bevorzugt bei der Messung zum Bestimmen eines Stoffwiderstandes
jeweils nur ein Blech untersucht. Dies ist insbesondere auch deshalb
wichtig, weil hierdurch der Übergangswiderstand
zwischen zwei Blechen, der eine erhebliche Unsicherheit birgt und
daher zu einer sehr ungenauen Messung führen würde, nicht vorhanden ist.
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Vorzugsweise
werden gemessene bzw. überwachte
Parameter bzw. deren Verläufe
zum Ermitteln von Materialeigenschaften des Bleches und/oder seiner
Oberfläche
ausgewertet. Dies kann im einfachsten Fall bedeuten, dass nur beim
Einhalten bestimmter Toleranzbereiche die jeweilige Messung ausgewertet
wird und andernfalls eine Wiederholung der Messung gegebenenfalls
unter Veränderung
der Messbedingungen vorgenommen wird. Weiterhin kommt eine quantitative
Berücksichtigung
in Betracht, bei der beispielsweise aus Anpresskraft und Einsinktiefe
der Elektroden ein Stoffwiderstand abgeleitet wird. Eine solche
Ableitung kann auch im Laufe der Zeit durch Aufnahme von Erfahrungswerten
erst ermittelt werden. Die Ermittlung von Materialeigenschaften
der Oberfläche,
ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil beim elektrischen Widerstandsschweißen üblicherweise
Bleche mit einer Beschichtung verwendet werden, dessen Oberflächeneigenschaften
hierdurch berücksichtigt
werden können.
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Außerdem können durch Änderungen
im Messstrom oder anderer Messparametern, wie z. B. der Anpresskraft,
dynamische Widerstandsverläufe
aufgenommen werden, die wiederum Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften
zulassen.
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Eine
Ausführungsform
schlägt
ein Messverfahren vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das
wenigstens eine Blech mit einem Strom mit vorbestimmtem Stromverlauf
belastet wird und basierend auf diesem Stromverlauf wenigstens ein
Kennwert zum Klassifizieren des Blechs ermittelt wird. Somit wird
ein Stromverlauf vorgegeben, und darauf basierend wenigstens ein
Wert erfasst, der das Blech klassifizieren soll. Ein solcher Wert
kann z. B. ein Widerstand sein, aber es kommen auch Werte in Betracht,
die keinen genauen oder gar keinen physikalischen Wert des Blechs
wiedergeben, sondern bspw. nur im wesentlichen zu einer Wiedererkennbarkeit
einen Wert aufweisen sollen, der sich bei einer Wiederholung der
Messung bzw. Erfassung für das
gleiche Blech ebenfalls wieder einstellt. Bevorzugt weist der Stromverlauf über die
Zeit wenigstens zwei Strompulse auf, wobei solche Strompulse schräge Flanken
aufweisen können.
Durch die Verwendung von Strompulsen wird das untersuchte Blech
auch dynamisch angeregt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird zur Bestimmung des wenigstens einen Kennwertes abhängig von
dem Stromverlauf ein Widerstandsverlauf ermittelt. Über einen
solchen Widerstandsverlauf können
Eigenschaften des Bleches erkannt werden. Bevorzugt wird wenigstens
ein Kennwert aus der nachfolgend angegebenen Gruppe von Möglichkeiten
bestimmt. Zu den Werten dieser Gruppe gehört:
- – eine spezifische
Widerstandsmaßzahl
zum Charakterisieren des spezifischen Widerstandes des Bleches. Diese
Widerstandsmaßzahl
wird insbesondere durch Messung eines einzelnen Widerstandes ermittelt
bzw. durch diesen Widerstandswert gebildet;
- – eine
Gesamtwiderstandsmaßzahl
zur Charakterisierung eines Durchschnittswiderstandes des Blechs. Eine
solche Gesamtwiderstandsmaßzahl
kann aus einer Vielzahl von Messwerten ermittelt werden, indem bspw.
der Mittelwert der Messwerte verwendet wird;
- – eine
Erwärmungskennzahl
zum Charakterisieren des Erwärmungsverhaltens
des Blechs in einem vorgewärmten
Zustand insbesondere bei Stromfluss. Eine solche Erwärmungskennzahl
ist ein Maß für einen
Widerstandsanstieg und wird vorzugsweise unter Berücksichtigung
nur eines Strompulses ermittelt;
- – eine
Wärmeniveaukennzahl
zum Charakterisieren des Erwärmungs-
und Abkühlungsverhaltens
des Blechs, die insbesondere von einem Temperaturanstieg bei einem
Strompuls und einem Temperaturabsinken bei einer Strompause mit
beeinflusst ist;
- – einen
Oberflächenkennwert
zur Charakterisierung einer Oberfläche des Bleches, insbesondere
einer Beschichtung des Bleches. Hierfür wird wenigstens eine Messung
ausgewertet, die durch die Oberflächenbeschichtung beeinflusst
wird.
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Vorzugsweise
wird aus einem oder mehreren Kennwerten ein Klassifizierungswert
ermittelt. Es werden hierzu mehrere Kennwerte zusammengefasst, um
einen einzelnen Klassifizierungswert zu erhalten, wie z. B. durch
Aufaddieren der einzelnen Kennwerte. Oder es wird ein einzelner
Kennwert als ein Klassifizierungswert interpretiert.
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Eine
weitere Ausführungsform
schlägt
vor, dass das Verfahren für
wenigstens ein zweites Blech wiederholt wird unter Anwendung desselben
vorbestimmten Stromverlaufs und/oder Beibehaltung weiterer Randbedingungen,
insbesondere unter Verwendung gleicher Elektrodenkappen und/oder
unter Anwendung gleicher Anpresskräfte der Elektroden gegen die
Bleche. Durch die Wiederholung für
ein zweites, insbesondere unbekanntes Blech bei Beibehaltung der
wesentlichen Parameter wird eine Vergleichsmöglichkeit geschaffen, bei der
Abweichungen im Ergebnis primär
auf das geänderte
Blech zurückzuführen ist.
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Günstig ist
es, wenn abhängig
von dem wenigstens einen ermittelten Kennwert bzw. Klassifizierungswert
dem Blech wenigstens ein Schweißparameter
und/oder eine Materialsorte zugeordnet und/oder die Oberfläche des
Blechs klassifiziert wird. Die Schweißparameter werden hierbei im
einfachsten Fall unter Verwendung der Kennwerte oder Klassifizierungswerte
aus einer zuvor aufgestellten Tabelle entnommen. Auf diese Weise
kann auch eine Materialsorte und auch eine Oberfläche zugeordnet
werden. Bei dem Aufsuchen der Schweißparameter sind üblicherweise
auch die übrigen
zu verschweißenden
Bleche zu berücksichtigen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Kennzahl
bzw. ein Klassifizierungswert für
jedes von wenigstens zwei zu verschweißenden Blechen ermittelt wird
und abhängig
von den ermittelten Kennzahlen bzw. Klassifizierungswert eines der
Bleche als bestimmendes Blech ausgewählt wird. Dabei wird unter
einem bestimmenden Blech dasjenige verstanden, das bei mehreren,
verschiedenen zu verschweißenden
Blechen für
einen Schweißprozess
dominant ist. Es wurde nämlich
erkannt, dass bei zwei oder mehr zu verschweißenden Blechen oft eines so
dominant ist, dass ein Berücksichtigen
nur des Widerstandes bzw. Widerstandsverlaufs dieses bestimmenden
Bleches als Referenzwiderstand für
alle zu verschweißenden Bleche
ausreichend ist. Üblicherweise
ist das Blech mit dem größten Widerstandswert
das bestimmende Blech.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird zusätzlich
wenigstens eine Eigenschaft, insbesondere ein Abnutzungsgrad, an
den Elektroden angebrachter Kappen erfasst. Beim Widerstandsschweißen sind
die Elektroden an ihren Spitzen, also im Kontaktbereich zu dem zu
verschweißenden
Blech, mit so genannten Kappen versehen. Der Übergang des Stromes zwischen
den Elektroden und dem Blech erfolgt somit an diesen Kappen. Der Übergangswiderstand
zwischen Elektrode und Blech sowie Größe und Verlauf des Stromkanals durch
die Bleche hängt
daher maßgebend
von dem Kontaktbereich zwischen der jeweiligen Kappe und dem Blech
ab. Die Kappen verändern
sich jedoch mit der Zeit, insbesondere über die Anzahl der mit ihnen
vorgenommenen Schweißpunkte.
Hierdurch verändert
sich insbesondere die Kappenoberfläche und damit Kontaktwiderstand
und Kontaktfläche.
Hierbei kann der Unterschied zwischen einer neuen und einer abgenutzten Kappe
mitunter so groß sein,
dass eine Messung zur Klassifizierung von Oberfläche und Stahlsorte unbrauchbar
wird. Abgesehen davon können
abgenutzte Kappen zu einer fehlerhaften Schweißung führen. Eine Berücksichtigung
erfolgt im einfachsten Fall so, dass bei einem zu starken Abnutzungsgrad
eine Schweißung oder
Klassifizierungsmessung zunächst
unterbleiben und erst ein Kappentausch erfolgt, um anschließend die Schweißung oder
Messung mit neuen Kappen durchzuführen. Alternativ sind Maßnahmen
zur Kappenpflege (Schleifen oder Fräsen) möglich, wenn die Abnutzung nicht
zu weit fortgeschritten ist.
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Ebenso
kann eine quantitative Berücksichtigung
erfolgen, wenn zunächst
zumindest für
bestimmte Kappen und Bleche Informationen über einen Zusammenhang zwischen
Kappenzustand und resultierendem Übergangswiderstand ermittelt
wurde.
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Gemäß einer
Ausgestaltung erfolgt eine Erfassung der Kappeneigenschaften dadurch,
dass die Elektroden mit aufgesetzten Kappen ohne dazwischen angeordnetem
Blech direkt in Kontakt gebracht und mit einem Kappenprüfstrom beaufschlagt
werden und der qualitative und/oder der quantitative Verlauf einer
aus dem Kappenprüfstrom
resultierenden elektrischen Spannung bzw. eines entsprechenden Widerstandes
ausgewertet wird. Somit kann ein im Wesentlichen unabhängiger Kappentest
erfolgen, der nicht auf Erfahrungswerte, wie beispielsweise ein
Kappenabnutzungsgrad in Abhängigkeit
von einer Schweißzykluszahl
angewiesen ist.
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Die
Veränderungen
der Kappen während
ihrer Arbeit können
unterschiedliche Ursachen und Effekte haben. Einerseits kommt es
durch einen Aufsetzprall und die Anpresskräfte zu mechanischen Veränderungen der
Kontaktflächen,
die entweder flächig
oder ballig ausgeführt
sind. Andererseits entstehen durch die zu verschweißenden Bleche
und dabei insbesondere durch deren Oberflächenbeschichtungen Verschmutzungen
an den Kappen. Es ist klar, dass solche Veränderungen weder gleichmäßig noch
gut vorhersehbar erfolgen. Durch den Kappentest gemäß einer
Ausführungsform
kann somit der jeweils aktuelle Zustand der Kappe ermittelt werden.
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Vorzugsweise
werden für
die Kappen Kennwerte ermittelt, die mit Referenzwerten verglichen
werden. Sind die Abweichungen des ermittelten Kennwertes größer als
ein vorbestimmter Wert, sind die Kappen zu tauschen.
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Eine
weitere Ausführungsform
schlägt
vor, dass unmittelbar nach einem Kappentausch ermittelte Kappeneigenschaften,
insbesondere ein ermittelter Widerstandswert als Grundwert bzw.
Grundwerte zu Grunde gelegt werden. Hierbei wird davon ausgegangen,
dass nach dem Kappentausch eine neue Kappe vorliegt und die von
ihr ermittelten Werte daher einen eine neue Kappe charakterisieren
den Grundwert repräsentieren.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein
Widerstandsschweißverfahren
gemäß Anspruch
20 vorgeschlagen. Demnach erfolgt eine Prozesssteuerung während des
Schweißvorganges,
also während
die zu verschweißenden
Bleche lokal aufgeschmolzen werden. Die Prozesssteuerung beschränkt sich
somit nicht auf einen Start eines Schweißvorgangs, sondern begleitet
vielmehr den Schweißvor gang.
Eine ausschließliche Messung
des Widerstandes von Elektrode zu Elektrode während dem Schweißvorgang
wird nicht allein durchgeführt,
sondern es erfolgt vielmehr zusätzlich
die Berücksichtigung
wenigstens eines vorab ermittelten Stoffwiderstandes, insbesondere
des Widerstandes eines bestimmenden Bleches. Dabei wird von den
zu verschweißenden
Blechen nicht für
alle ein vorab ermittelter Widerstandswert berücksichtigt, sondern nur von
einigen, insbesondere von einem, nämlich bevorzugt von dem bestimmenden
bzw. dominanten Blech.
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Bevorzugt
wird daher von den zu verschweißenden
Blechen eines mit dominanten Widerstandswerten, bzw. das mit den
gegenüber
den übrigen
Blechen höchsten
Widerstandswerten ausgewählt,
insbesondere als bestimmendes Blech und nur der Widerstand dieses
ausgewählten
Bleches gemessen und/oder als Referenzwiderstand berücksichtigt.
Die Auswahl eines bestimmenden Bleches erfolgt bevorzugt unter Zuhilfenahme
wenigstens eines Kennwertes und/oder eines Klassifizierungswertes,
wie oben ausgeführt
wurde.
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Bevorzugt
wird der Referenzwiderstand und/oder wenigstens ein weiterer Parameter,
insbesondere der Referenzwiderstand des bestimmenden Blechs mit
einem erfindungsgemäßen Messverfahren
ermittelt, indem insbesondere ein Prüfstrom verwendet wird, der
zu einer signifikanten Erwärmung
des jeweiligen Blechs führt.
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Bevorzugt
wird vorab eine Soll-Differenzwiderstandskurve als Differenz zwischen
einem Gesamtwiderstand und dem Referenzwiderstand bestimmt und der
Schweißprozess
erfolgt abhängig
von der Soll-Differenzwiderstandskurve. Dabei wird als Referenzwiderstand
eine Widerstandskurve eines oder mehrerer ausgewählter Bleche, insbesondere
des bestimmenden Blechs aufgenommen. Der Gesamtwiderstand betrifft
den Widerstand aller zu verschweißender Bleche zusammen, wenn
diese – vorab
zum Einstellen – verschweißt werden
und dabei gleichzeitig gemessen wird. Die so ermittelte Soll-Differenzwiderstandskurve
wird den weiteren Schweißprozessen
mit diesen Blechen, insbesondere sich anschließende Serienschweißungen hinterlegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird zur Vorbereitung einer Serienschweißung wenigstens einer der folgenden
Schritte durchgeführt:
- – Festlegen
von Schweißparametern
abhängig
eines geplanten Schweißprozesses.
Zur Vorbereitung der geplanten Schweißung ist insbesondere der zu
verwendende Schweißstrom,
die Anpresskraft der Elektroden gegen die zu verschweißenden Bleche
und die Zeitdauer als Schweißparameter
vorzugeben. Diese können
auch anhand einer oben beschriebenen Klassifizierung der zu verschweißenden Bleche
ausgewählt
oder zumindest beeinflusst werden. Die Schweißparameter können für den gesamten,
geplanten Schweißprozess
festgelegt werden, aber es kommt auch ggf. eine Anpassung der Parameter
beim Schweißen
in Betracht, so dass dann die Festlegung der Schweißparameter
als Festlegung von Anfangswerten zu verstehen ist;
- – Optimieren
von Schweißparametern
durch wiederholtes Schweißen
und überprüfen des
jeweils erzielten Schweißergebnisses
zur Vorbereitung eines Serienschweißprozesses. Hierbei werden
zunächst
Schweißparameter
festgelegt, die in einem iterativen Prozess verbessert werden können;
- – Bestimmen
wenigstens eines Kennwertes jedes der zu verschweißenden Bleche,
insbesondere mit einem Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen
Ausführungsformen;
- – Auswählen eines
bestimmenden Blechs. Eine solche Auswahl kann aufgrund einer Vielzahl
von Möglichkeiten
erfolgen. Hierzu gehört
die Auswahl abhängig
von Erfahrungswerten, abhängig
von bekannten Widerstandswerten aller beteiligter Bleche und insbesondere
Auswahl desjenigen Bleches mit dem größten Widerstand, und/oder zur
Auswahl des bestimmenden Bleches wird eine der oben beschriebenen
Klassifizierungsverfahren eingesetzt;
- – Erfassen
einer Widerstandskennlinie eines bzw. des bestimmenden Blechs unter
Verwendung der zum Schweißen
eingestellten Schweißparameter
als Bezugskurve. Hierzu wird nur das bestimmende Blech einem Schweißstrom ausgesetzt.
Es werden neben dem Schweißstrom
auch die übrigen
Schweißparameter so
eingestellt, wie sie für
die vorbereitete Schweißung
vorgesehen sind;
- – Durchführen von
Justierschweißungen,
bei denen die zu verbindenden Bleche insbesondere mit den zum Schweißen eingestellten
Schweißparametern
verschweißt
werden zum Aufnehmen wenigstens eines Widerstandsverlaufs als für eine Serienschweißung zu
Grunde zu legende Prozesskurve. Dieser Widerstandsverlauf kann auch
als Gesamtwiderstand bezeichnet werden, weil alle beteiligten Bleche
in der zu verschweißenden
Konstellation verwendet werden;
- – Erstellen
einer Soll-Differenzkurve als Differenz zwischen der Bezugskurve
des Bestimmenden Bleches, die auch als Referenzkurve bezeichnet
werden kann und der Prozesskurve bzw. Gesamtwiderstandskurve;
- – Festlegen
eines Toleranzbereichs um die Soll-Differenzkurve. Dieser Toleranzbereich
dient beim Durchführen
der so vorbereiteten Schweißung
der Überprüfung, ob
etwaige Abweichungen noch tolerierbar sind.
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Vorzugsweise
wird vorgeschlagen, dass während
des Schweißprozesses
Schweißparameter
verändert
werden, um Abweichungen zwischen der ermittelten Differenzwiderstandskurve
und der Soll-Differenzwiderstandskurve zu verringern. Insbesondere
kann bei Abweichungen die Stromstärke verändert werden. Es kommt aber
auch die Veränderung
anderer Parameter in Betracht, wie die Veränderung der Schweißzeit.
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Bevorzugt
wird eine qualitative und/oder quantitative Bewertung des jeweils
durchgeführten
Schweißvorgangs
ermittelt und/oder ausgegeben. Somit kann die Qualität des durchgeführten Schweißvorgangs
bewertet und damit eine Abschätzung
der resultierenden Schweißverbindung
gegeben werden. Dabei gibt die Prozesssteuerung nach dem Schweißen eine
detaillierte Information über
den Schweißvorgang
insbesondere über
die Abweichung der Ist- von der Soll-Differenzkurve und dem Grad der automatisch
vorgenommenen Parameteranpassungen. Die ausgegebenen Informationen
können
sofort ausgewertet werden als auch als Prüfbericht oder sogar in einem
Prüfzertifikat
abgelegt werden.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls
eine Widerstandsschweißvorrichtung
vorgeschlagen, die dazu vorbereitet ist, wenigstens zwei Bleche
an wenigstens einem Punkt miteinander zu verschweißen und
ein erfindungsgemäßes Widerstandsschweißverfahren
mit einer Prozesssteuerung auszuführen und/oder die dazu vorbereitet
ist, ein erfindungsgemäßes Messverfahren
auszuführen.
Eine solche Widerstandsschweißvorrichtung
umfasst zumindest eine Leistungseinheit zum Erzeugen des Stromes,
insbesondere auch mit einem Transformator, eine Prozesseinheit zum
Steuern des Stromes und zum Durchführen der Prozesssteuerung und/oder
zum Durchführen
des Messverfahrens und eine Schweißzange einschließlich Zuleitungen.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden
Figuren beschrieben.
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1 zeigt
schematisch die Anordnung eines Blechs zwischen zwei Elektroden
zum Messen eines Stoffwiderstandes gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt
mehrere gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung aufgenommene Widerstandsmessreihen schematisch.
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3 zeigt
einen mit einem Sprung behafteten Stromverlauf für eine Widerstandsbestimmung.
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4 zeigt
ein Stromprofil mit vier Pulsen zum Bestimmen von Widerstandswerten
von Blechen oder Kappen.
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5 zeigt
Widerstandsverläufe
verschiedener Bleche bei Bestimmung der Widerstandsverläufe unter
Verwendung eines Stromprofiles nach 4.
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6 zeigt
Messpunkte in einem Widerstandsverlauf eines Bleches gemäß 5 zum
Klassifizieren des Blechs.
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7 zeigt
schematisch die Veränderung
bzw. Abnutzung der Kappen.
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8 zeigt
Widerstandswerte für
Kappen unterschiedlicher Abnutzung bei Verwendung eines Stromprofils
gemäß 4.
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9 zeigt
eine Bezugs- und Prozesswiderstandskurve nach einer Justierung sowie
eine Soll-Differenzwiderstandskurve einschließlich Toleranzbereich
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10 zeigt
eine Bezugswiderstandskurve und Soll-Differenzwiderstandskurve einschließlich Toleranzbereich
gemäß 9 und
eine Prozesswiderstandskurve mit resultierender Ist-Differenzwiderstandskurve einer
ungenügenden
Schweißung.
-
11 zeigt
ein Ablaufdiagramm einer Klassifizierung.
-
12 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Schweißprozesses.
-
1 verdeutlicht
das Messen eines Stoffwiderstandes R7 eines
Bleches 7. Zum Messen des Stoffwiderstandes R7 wird
lediglich das Blech 7 zwischen den Elektroden 3, 4 angeordnet.
Die Übergangswiderstände R5 und R6 zwischen
Elektrode 3 und Blech 7 bzw. Blech 7 und
der Elektrode 4 lassen sich durch diesen Aufbau nicht vermeiden.
Unter anderem aus diesem Grund wird das erfindungsgemäße Messen
des ”Warmwiderstandes” vorgeschlagen.
Dabei wird das Blech mit mehreren kA beaufschlagt und dabei die
Spannung gemessen. Durch den viel größeren Strom ist die Spannung
um Größenordnungen
höher als bei
einer ”Kaltmessung” und die
Randbedingungen verursachen deutlich kleinere Störeinflüsse. Die Wiederholbarkeit der
Messergebnisse liegt dadurch im Bereich von einigen μΩ.
-
Entsprechende
Untersuchungen wurden durchgeführt,
bei denen für
vier unterschiedliche Bleche der Warmwiderstand gemessen wurde.
Zu jedem Blech wurden 10 einzelne Messungen aufgenommen und es ergaben
sich somit vier Messreihen A bis D. 2 zeigt
diese vier Messreihen. Dabei sind die jeweiligen Widerstandswerte
in μΩ über die
Anzahl der Messungen aufgetragen.
-
Die
dargestellten Messreihen zeigen eine Wiederholbarkeit, die im Bereich
von einigen μΩ liegt.
Lediglich die Messreihe D zeigt größere Abweichungen. Die Ursache
liegt darin, dass bei der Messreihe D die Werte in einem dynamischen
Bereich, also bei einem Stromanstieg von über 200 kA/s, ermittelt wurde.
-
Es
ist zu erwähnen,
dass neben der guten Wiederholbarkeit, also den geringen Schwankungen,
auch die tatsächlich
ermittelten Werte des ”Warmwiderstandes” weitestgehend
denen entsprechen, die auch beim Schweißen auftreten. Die Messung
des ”Warmwiderstandes” spiegelt
somit auch in absoluter Hinsicht besser die tatsächlichen Verhältnisse
wider.
-
Beim
Widerstandsschweißen
ist grundsätzlich
auch die Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes zu beachten. Mit Temperaturänderungen innerhalb der zu
untersuchenden Materialien gehen entsprechende Widerstandsänderungen
einher. Die folgende Tabelle zeigt am Beispiel der beiden Stahlsorten
DP600 und TRIP700 die Zusammenhänge
zwischen Temperaturen und spezifischen Widerständen:
| Temperatur
[°0] | 300 | 600 | 900 | 1.200 |
| DP600
spez. Widerstand [μΩ·cm] | 53 | 88 | 120 | 129 |
| TRIP700
spez. Widerstand [μΩ·cm] | 62 | 92 | 123 | 131 |
Tabelle
1
-
Die
Werte haben zu der Erkenntnis geführt, dass:
- – eine deutliche
Veränderung
des Widerstandes mit der Temperatur und
- – die
Widerstandswerte für
unterschiedliche Materialien, bei gleicher Temperatur, relativ ähnlich sind.
-
Daher
wurde erkannt, dass durch Stromänderungen,
insbesondere durch Wechsel zwischen Stromfluss und Strompause, Temperaturänderungen
und damit Widerstandsänderungen
in den zu untersuchenden Blechen hervorrufen werden können. Die
Bleche werden hierzu thermisch gestresst. So führt eine Stromflusszeit zum
Ansteigen der Temperatur und eine Strompause entsprechend umgekehrt
zum Abfall der Temperatur mit entsprechenden Auswirkungen auf die
Widerstände.
-
Auf
diese Weise lassen sich Aussagen hinsichtlich Widerstands- und Temperaturverhalten
der zu fügenden
Bleche treffen und daraus wiederum Rückschlüsse auf das Schweißverhalten
ziehen.
-
Werden
nur die stationären
oder zumindest quasistationären
Widerstände
betrachtet, so lassen sich die Unterschiede zwischen verschiedenen
Materialien aus den unterschiedlichen spezifischen Widerständen erkennen.
Es wurde nun erkannt, dass durch ein besonderes Verfahren zusätzliche
Unterschiede bzw. unterschiedliche Verhalten angeregt werden können die
zur besseren Differenzierung ausgenutzt werden können. Bei bisher üblichen
Anwendungen steigt der Schweißstrom – genauer
gesagt sein vorgegebener Sollwert – kontinuierlich, insbesondere
linear aus dem Nullpunkt heraus an. Dementgegen beginnt in einer
vorgeschlagenen Ausführungsform
der Sollwert des Schweißstroms
mit einem Sprung, wie in der 3 dargestellt
ist, von 0 auf 1,85 kA.
-
Es
wird sich nun zu Nutze gemacht, dass der Istwert des resultierenden,
also tatsächlich
fließenden Stroms,
nicht diesem Sprung exakt folgen kann, sondern kontinuierlich ansteigt.
Dieser Anstieg wird, neben den Eigenschaften der Stromquelle, vom
Widerstand im Schweißstromkreis
bestimmt. Kleine Widerstände, wie
für das
Material DP600 in der 3, führen zu schnellen Anstiegen,
während
große
Widerstände
wie für das
Material BTR in 3, langsame Stromanstiege zur
Folge haben.
-
Wenn
die Widerstandsberechnung auf den Strom-Sollwert bezogen wird – was gemäß einer
Ausführungsform
vorgeschlagen wird – könnten sich
folgende Vorteile ergeben:
- 1. Da der Sollwert
unabhängig
von den Bedingungen im Schweißstromkreis
ist, ergibt sich ein fester Bezugspunkt, der genutzt werden kann,
wenn unterschiedliche Blecharten detektiert werden sollen.
- 2. Die Berechnung der Widerstände im Bereich des Nullpunkts,
die interessante Zusatzinformationen liefern kann, wird wesentlich
genauer. Während
die Ist-Ströme
annähernd
Null sind und sich damit im Bereich größerer Messungenauigkeiten befinden,
bewegt sich der Sollwert wegen des Sprungs am Anfang sofort in einem
sicheren Messbereich. Insbesondere wird eine Division durch Null
vermieden.
- 3. Dieses Verfahren kann auch bei Anlagen mit Primärstromregelung
angewendet werden, bei dem der tatsächlich im Sekundärkreis fließende Strom
nicht gemessen wird.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
wird vorgeschlagen, die einzelnen Bleche mit einem fest vorgegebenen
Stromprofil zu belasten, das für
unterschiedliche Bleche unverändert
bleibt. Außerdem
sollten gleiche Bedingungen beibehalten werden. Hierzu gehört z. B.
gleiche Elektrodenkappen und gleiche Anpresskräfte zu verwenden. Hieraus lässt sich
dann ein Klassifizierungssystem für Blechsorten wie folgt erstellen
bzw. angeben.
-
Für die Darstellung
des Ausführungsbeispieles
wird von folgendem Stromprofil ausgegangen, wie es in 4 dargestellt
ist.
-
Demgemäß sind 4
Strom-Pulse vorgesehen, die etwas unterschiedliche Amplituden und
Breiten aufweisen. Außerdem
beginnen die Strom-Pulse jeweils mit einer Flanke.
-
Werden
die verschiedenen Bleche belastet, so ergeben sich differenzierte
Widerstandsverläufe.
Die 5 zeigt die Widerstandsverläufe von 4 verschiedenen Blechen:
- – DX54
mit 1,20 mm Blechdicke
- – DP600
mit 1,00 mm Blechdicke
- – TRIP700
mit 1,80 mm Blechdicke
- – BTR
mit 1,15 mm Blechdicke.
-
Da
alle Widerstandskurven ohne Abzug des Grundwiderstandes, der den
Widerstand im Schweißstromkreis
bei kurzgeschlossenen Elektroden angibt, aufgezeichnet wurden, muss
dieser Grundwiderstand bei der Auswertung berücksichtigt werden.
-
Es
wird nun vorgeschlagen, die Kurven nach verschiedenen Kriterien
auszuwerten:
- a) Maßzahl 1: Ermittlung einer Maßzahl für den spezifischen
Widerstand des jeweiligen Bleches: Ein exakter spezifischer Widerstand
lässt sich
kaum ermitteln, weil eben der Effekt der Erwärmung dazu kommt. Aber im Sinne
einer vergleichenden Messung können
sich zuverlässige
Werte ergeben. Hierbei wird der Grundwiderstand, nämlich der
Widerstand des kurzgeschlossenen Schweißstromkreises, berücksichtigt, der
beim Kappentest ermittelt wird. Es wird somit in bekannter Weise
ein spezifischer Widerstand ermittelt, wobei Fehler in Kauf genommen
werden, indem das Ergebnis lediglich als Maßzahl für den spezifischen Widerstand
aufgefasst und verwendet wird, die als Vergleichswert dienen kann.
- b) Maßzahl
2: Bestimmung einer Maßzahl
für den
Gesamtwiderstand der Bleche. Dabei werden mehrere Widerstandswerte über der
durchgeführten Messung
berücksichtiget.
Dabei finden auch Temperaturveränderungen
eine Berücksichtigung,
d. h. ein sich schneller erwärmendes
Material wird höhere
Werte erzielen.
- c) Maßzahl
3: Kennzahl für
das Erwärmungsverhalten
des Materials im leicht vorgewärmten
Zustand. Dazu wird der Widerstandsanstieg jeweils des zweiten Pulses
der in 5 gezeigten Widerstandsverläufe ausgewertet, weil hierbei
das Blech auf Grund des jeweils ersten Pulses bereits vorgewärmt ist.
- d) Maßzahl
4: Quantitative Bewertung des Wärmeniveaus
eines Bleches. Hierzu werden sämtliche
Pulse berücksichtigt,
so dass mehrere Phasen der Erwärmung
und Abkühlung
einfließen.
-
Die
Auswertung der oben gezeigten Kurven kann z. B. in der Art erfolgen,
dass von jedem Puls jeweils vier Messpunkte M entsprechend der 6 bestimmt
werden.
-
Bei
Berechnung der vier Kennzahlen für
jede der in
5 dargestellten Widerstandskurven,
ergeben sich die folgenden Ergebnisse:
| | DX54 | DP600 | TRIP700 | BTR |
| Maßzahl 1:
spezifischer Widerstand | 6 | 19 | 35 | 94 |
| Maßzahl 2:
Gesamtwiderstand | 10 | 23 | 50 | 111 |
| Maßzahl 3:
Erwärmungsverhalten | 6 | 27 | 37 | 29 |
| Maßzahl 4:
Wärmeniveau | 25 | 75 | 73 | 179 |
| Werkstoffkennwert
(Summe 1 bis 4) | 46 | 144 | 195 | 413 |
Tabelle
2
-
Wie
in der Tabelle 2 dargestellt, kann aus den 4 unterschiedlichen Maßzahlen
z. B. durch Summenbildung ein Werkstoffkennwert als Klassifizierungskennwert
gebildet werden, wie in Tabelle 2 in der letzten Zeile angegeben
ist. Damit ergibt sich eine Kennzahl, die das zu verschweißende Material
hinsichtlich Widerstands- und Temperaturverhalten charakterisiert.
Diese Klassifizierungskennwerte für die Materialeigenschaften
werden auch als „Spot
Welding Index Number 2” oder „swin2” bezeichnet.
-
Stahlbleche
in modernen Fügeaufgaben
tragen grundsätzlich
eine Beschichtung. Da diese ebenfalls Einfluss auf das Schweißverhalten
hat, kann auch für
die Beschichtung eine Maßzahl
nach oben beschriebenem Schema ermittelt werden. Da sich die Beschichtung
hauptsächlich
auf den ersten Prüfpuls
auswirkt, weil sie danach üblicherweise
weggebrannt ist, wird auch nur dieser ausgewertet. Für die in
5 dargestellten Widerstandskurven
ergibt sich dann für
jedes Blech ein Oberflächenkennwert
als entsprechender Klassifizierungskennwert nach der folgenden Tabelle
3, der als „Spot
Welding Index Number 1” oder „swin1” bezeichnet wird:
| | DX54 | DP600 | TRIP700 | BTR |
| Oberflächenkennwert | 24 | 25 | 53 | 227 |
Tabelle
3
-
Damit
ergibt sich eine Charakterisierung der Materialien bzw. Bleche über zwei
Werte, nämlich
jeweils den Oberflächenkennwert
(swin1) und den Werkstoffkennwert (swin2).
-
Diese
sind für
die Beispielmaterialien in der folgenden Tabelle 4 angegeben:
| DX54 | DP600 | TRIP700 | BTR |
| 24/46 | 25/144 | 53/195 | 227/413 |
Tabelle
4
-
Die
gewonnenen Werte, insbesondere die Kennwerte, geben bereits Aufschluss über die
untersuchten Materialen und können
bspw. als Vergleichswerte dienen.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird darüber
hinaus vorgeschlagen, die Werte noch weiter auszuwerten. Hierfür werden
zwei Ansätze
zum Auswerten vorgeschlagen.
-
Gemäß einem
ersten Ansatz wird die Klassifizierung der Materialsorte und Art
der Oberflächenbeschichtung
vorgeschlagen. Hierzu kann auch anhand von allgemeiner Materialkenntnis
und/oder anhand von Erfahrungswerten eine Klassifizierung vorgenommen
werden.
-
In
der Schweißpraxis
kommt es immer wieder vor, insbesondere in der Karosseriereparatur
und der kleinindustriellen Stahlverarbeitung, dass die zu verschweißenden Stahlsorten
für das
jeweilige Blech unbekannt sind. Dadurch können allgemeine Schweißempfehlungen
nicht angewandt werden, was die Parameterwahl erschwert und die
Gefahr von Fehlschweißungen
deutlich erhöht.
-
Gemäß einem
Beispiel erfolgt eine Klassifizierung anhand der Kennwerte gemäß der folgenden
Tabelle 5:
| Oberflächenkennwert | Oberfläche | Werkstoffkennwert | Stahlsorte |
| kleiner
100 | verzinkt | kleiner
100 | weicher
Tiefziehstahl |
| 101
bis 300 | aluminiert | 101
bis 300 | hochfester
Stahl (HSS) |
| größer 300 | organisch
beschichtet | größer 300 | Bohrstahl
(BTR) |
Tabelle
5
-
Je
nach Aufgabenstellung und vorliegenden Messbedingungen ist auch
eine feinere Abstufung, insbesondere bei den Stahlsorten, möglich.
-
Als
zweiter Ansatz zur weiteren Auswertung wird vorgeschlagen die Auswahl
von Schweißparametern vorzunehmen:
Hierbei
kann die Auswertung gemäß Tabelle
5 genutzt werden, oder die Kennwerte werden direkt ausgewertet, wobei
weitere Kenntnisse, insbesondere über die Anordnung der Bleche
in der Verbindung und damit über
die Reihenfolge der Kennwerte genutzt werden. Hieraus lassen sich
Schlussfolgerungen zur Parameterwahl ableiten. In einem Beispiel
werden dafür
Schweißparameter
aus einer früheren
Anwendung übernommen,
bei der die Kennwerte und Randbedingungen gleich oder ähnlich dem
aktuellen Prüfergebnis
sind.
-
7 zeigt
schematisch einen Ablauf, bei dem mehrere Schweißpunkte hintereinander gesetzt
werden. SP1 bis SP6 stehen dabei für bis zu 1000 Punkten, die
zum Verbinden zweier Bleche 7 und 8 gesetzt wurden.
Die beiden Elektroden 3 und 4 wurden dafür allmählich entlang
der Bleche 7 und 8 bewegt. Natürlich kann eine solche Bewegung
auch dadurch erfolgen, dass die Elektroden 3 und 4 feststehen
und stattdessen die Bleche 7, 8 bewegt werden.
Gemäß der schematischen
Darstellung wurden Elektroden 3 und 4 mit Kappen 13 bzw. 14 eingesetzt,
die im Wesentlichen ballig ausgeführt sind. Die 7 veranschaulicht
dabei, dass von dem ersten Schweißpunkt SP1 bis zum letzten
Schweißpunkt
SP6 die Spitze ständig
belastet wird und sich dadurch verändert. Hierzu kommt es insbesondere
durch einen Aufsetzprall und die entsprechenden Anpresskräfte zu mechanischen
Veränderungen
der Kontaktflächen,
die grundsätzlich
entweder flach oder ballig ausgeführt sind.
-
Durch
die zu verschweißenden
Bleche und dabei insbesondere durch deren Oberflächenbeschichtungen entstehen
häufig
Verschmutzungen an den Kappen.
-
Um
den jeweiligen Zustand, insbesondere den Grad der Abnutzung zu erkennen,
wird ein Kappentest durchgeführt.
Der Kappentest verläuft
in ähnlicher
Weise, wie die oben beschriebenen Klassifizierungsmessungen der
Bleche. Allerdings werden hier weniger Parameter aus den Kurven
gewonnen, es werden nämlich nur
am Beginn jedes Pulses und am Ende des 1. Pulses Messwerte aufgenommen,
wie in der 8 gezeigt ist.
-
Zu
dem Beispiel gemäß
8 sind
die Werte W1 bis W5 zu den beiden Widerstandskurven der neuen und
der gebrauchten Kappen in der folgenden Tabelle 6 zusammengestellt:
| | W1 | W2 | W3 | W4 | W5 |
| neue
Kappen | 101 | 85 | 107 | 105 | 105 |
| gebrauchte
Kappen | 149 | 113 | 117 | 111 | 109 |
Tabelle
6
-
Der
Wert am Ende des 1. Pulses (W2) bei neuen Kappen dient als Grundwiderstand,
also als Widerstand des kurzgeschlossenen Schweißstromkreises, wie er auch
bei den oben beschriebenen Klassifizierungsmessungen benötigt wird.
-
Die
Verknüpfung
der Widerstandswerte bei einer Prüfung mit Kappenkurzschluss
liefert das Ergebnis für
die Bewertung der Kappen und wird gemäß der folgenden Formeln für den Wert
W ausgewertet:
Es bedeutet: W = W1 – ⌀(W3; W4;
W5) ≤ 0:Es
liegen neue Kappen vor und W2 wird als Grundwiderstand GW gespeichert W = W1 – ⌀(W3; W4;
W5) > GW
-
Die
Kappen sind gebraucht. Der Wert GW ist dabei ein Grenzwert, der
zuvor festgelegt wurde.
-
In
den Beispielen gemäß Tabelle
6 ergibt sich:
Für
neue Kappe: W = 101 – 106 = –5
-
Es
liegt eine neue Kappe vor und es ergibt sich als Grundwiderstand
= 85 μΩ.
-
Für die gebrauchte
Kappe: W = 149 – 112 = 37
-
Wenn
der Wert GW z. B. bei 30 liegt, dann ist die Kappe zu tauschen.
-
Das
Verfahren kann in der Genauigkeit angepasst werden, wenn dieses
z. B. bei bestimmten Kappenformen notwendig ist. So könnte für die Berechnung
von W noch die Erhöhung
von W2 gegenüber
dem Grundwiderstand berücksichtigt
werden, was entsprechend bei der Festlegung des Grenzwertes GW zu
beachten ist.
-
Die
Veränderungen
der Kontaktfläche
wirken sich tatsächlich
erheblich auf die Messergebnisse aus. Dies soll durch die 8 verdeutlicht
werden.
-
Bei
den durchgeführten
Messungen lag jedes Mal ein gleicher Stromverlauf zu Grunde, wie
er in der 4 dargestellt ist. Der Schweißstrom steigt
in jedem Impuls von 5 kA bis auf 8 kA an. Ein resultierender Widerstand
bei ”guten” Kappen,
insbesondere bei neuen Kappen ist in der 8 dargestellt,
in der auch der Verlauf eines resultierenden Widerstands mit ”gebrauchten” Kappen
gegenübergestellt
ist, wobei mit diesen gebrauchten Kappen bereits 1000 Schweißpunkte
gesetzt wurden. Neben den jeweiligen Absolutwerten der gegenübergestellten
Widerstandsmessungen unterscheiden sich die ermittelten Widerstände auch
in ihrem Verlauf über
die Zeit.
-
Die Änderungen
der Kappeneigenschaften, d. h. die Veränderungen in den Widerstandskurven,
wie sie in 8 dargestellt sind, vollziehen
sich allmählich.
Dabei ist nicht vorherzusehen, wie und insbesondere wann genau sie
sich vollziehen und es sollte daher herausgefunden werden, wann
ein Punkt erreicht ist, an dem die Kappen so weit abgenutzt sind,
dass sie ein falsches, also ein nicht mehr brauchbares Ergebnis
bei mit ihnen durchgeführter
Widerstandsmessung liefern.
-
Ebenso
führen
die Veränderungen
an den Kappen zu verschlechterten Schweißergebnissen, die dann zum
Wechseln der Kappen führen.
Aus diesem Zusammenhang lässt
sich, neben der Bedeutung des Kappenzustandes für die Widerstandsmessung, auch
die Möglichkeit
ableiten, über
die Bestimmung des Kappenzustands den Zeitpunkt zu ermitteln, zu
dem die Kappen zu wechseln sind, um das Schweißergebnis wieder in den geforderten
Qualitätsbereich
zurückzuführen.
-
Um
den Zustand der Kappen zu bestimmen, wird gemäß einer Ausführungsform
ein Kappentest vorgeschlagen. Dabei werden die Kappen im Kurzschluss,
also ohne dazwischen angeordnetem Blech mit einem Strom belastet.
Insbesondere Ablagerungen und mechanische Veränderungen der Kappen wirken
sich auf den Verlauf des resultierenden Widerstandes aus. Ein Ergebnis
für den
resultierenden Widerstandsverlauf ist in 8 einmal
bei neuen Kappen und einmal bei alten Kappen dargestellt. Der Absolutwert
kann genutzt werden, indem er bei neuen Kappen gespeichert und bei
einem weiteren Kappentest dann mit den neu bestimmten Werten verglichen
wird. Hierbei hängt
das erzielte Ergebnis maßgeblich
von den bei der Bestimmung eines solchen Referenzwertes verwendeten
Kappen ab.
-
Eine
vorgesehene Plausibilitätsprüfung des
Kappentests stellt sicher, dass beim Abgleich tatsächlich neue
Kappen verwendet werden.
-
Eine
weitere Ausführungsform
schlägt
jedoch vor, die Widerstandskurven qualitativ auszuwerten. Es hat
sich herausgestellt, dass die Kappen sich oftmals genauer beurteilen
lassen, wenn die Veränderungen
in der aufgenommenen Widerstandskurve beurteilt werden, d. h. wenn
die Überhöhungen in
den Strompulsen beurteilt werden. Anhand der Größe der Überhöhungen lässt sich auch die Schärfe der
Kontrolle einstellen, also die genaue Grenze vorgeben, ab der ungeeignete,
also zu alte Kappen vorliegen. Erfindungsgemäß wurde nämlich unter anderem erkannt,
dass ein insbesondere direkter Zusammenhang zwischen Kappenzustand, Überhöhungen in
den beim Kappentest aufgenommenen Widerstandsverläufen, den
Verfälschungen
bei der Widerstandsmessung und in der Verschlechterung der Schweißergebnisse,
wie oben beschrieben wurde, besteht. Vorzugsweise sollte beim Kappentest
mehr als ein Puls mit Überhöhungen in
den Kurven vorkommen, um hierdurch genauere Ergebnisse zu erzielen.
-
Um
die erfindungsgemäße Prozessüberwachung
zu realisieren, werden gemäß einer
Ausführungsform
folgende Schritte vorgeschlagen, die auch unter Bezugnahme auf die 9 und 10 näher erläutert werden:
- a) Ausgehend von der vorgeschriebenen Schweißaufgabe
d. h. entsprechend der zu verschweißenden Bleche werden die Schweißparameter
ermittelt. Hierzu wird bevorzugt eine Klassifizierung eingesetzt,
wie sie oben im Zusammenhang mit 5 und den
Tabellen 2 bis 5 beschrieben wurde.
- b) Optimierung der Schweißparameter,
mit denen eine sichere Serienproduktion durchgeführt werden kann.
- c) Durchführung
von Klassifizierungsmessungen mit jedem der zu verschweißen Bleche,
insbesondere wie oben im Zusammenhang mit 5 und den
Tabellen 2 bis 5 beschrieben wurde.
- d) Auswahl eines „Bestimmenden
Bleches”,
das dasjenige Blech mit den höchsten
Klassifizierungswerten ist. Aus den 4 Blechen, die oben beispielhaft
angeführt
werden, wäre
das der BTR-Stahl mit dem Oberflächen-
bzw. Materialkennwert 227 bzw. 413.
- e) Aufzeichnung der Widerstandskennlinie für das „Bestimmende Blech” mit den
Schweißparametern
gemäß der Optimierung
nach b). Diese Widerstandskurve ist in 9 als Bezugskurve
dargestellt und wird in der Steuerung gespeichert.
- f) Durchführung
von Justierschweißungen.
Hierzu werden alle zu verbindenden Bleche mit den Parametern nach
Punkt b) verschweißt.
Von den Justierschweißungen
werden die Widerstandsverläufe
als Prozesskurven aufgenommen. Eine solche Prozesskurve ist in der 9 dargestellt.
- g) Überprüfung der
Ergebnisse der Justierschweißungen.
Bei guten Ergebnissen wie z. B. ausreichender Punktdurchmesser,
der im genannten Beispiel 6,3 mm betrug, wird die Bezugskurve von
der Prozesskurve abge zogen, woraus sich die Soll-Differenzwiderstandskurve
ergibt, die in 9 als Sollkurve gezeigt ist. Die
Sollkurve wird als Basis für
die folgenden Überwachungen
gespeichert.
- h) Abschließend
wird um die Sollkurve ein Toleranzbereich gelegt, der gemäß dem Beispiel
nach Figur F mit ±20 μΩ festgelegt
wurde.
-
Damit
ist die Steuerung für
die Durchführung
einer Serienproduktion vorbereitet – sie ist auf die konkrete
Schweißaufgabe
justiert.
-
Während der
Serienproduktion, d. h. bei jedem Schweißpunkt prüft die Steuerung in einer einfachen Ausführung, ob
die Istkurve, nämlich
die Ist-Differenzwiderstandskurve
außerhalb
des Toleranzbereichs liegt. Diese Istkurve ergibt sich dabei aus
einer punktweisen Subtraktion der aktuell gemessenen Prozesskurve
minus der gespeicherten Bezugskurve. Eine solche Ist-Differenzwiderstandskurve
ist in 10 als Istkurve dargestellt.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 10 durchläuft
die Ist-Differenzwiderstandskurve, die dort als Istkurve bezeichnet
ist, zunächst,
nämlich
in den ersten 20 ms, den Toleranzbereich, verlässt ihn und bleibt dann für mehr als
150 ms deutlich unterhalb desselben und kehrt erst bei 200 ms in
den Toleranzbereich zurück.
Das Beispiel zeigt somit eine gravierende Abweichung. Verursacht
wurde sie letztlich durch einen Spalt zwischen den Blechen. In der
dargestellten Beispielschweißung
kam auch kein Schweißpunkt
zu Stande, sodass das Schweißergebnis
auch mit schlecht zu bewerten ist.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung wird der Abgleich zwischen Soll- und Istkurve bereits während der
Schweißung
ausgeführt.
Kommt es zu Abweichungen werden dann die Parameter angepasst, um die
Istkurve schnellstmöglich
in den Toleranzbereich zurückzuführen. Im
oben gezeigten Beispiel wäre
demgemäß der Strom
angehoben worden. Alternativ hätte
man auch die Schweißzeit
verlängern
können,
weil die Istkurve am Ende wieder im Toleranzbereich lag.
-
Bei
dem beispielhaften Klassifizierungsablauf gemäß 11 wird
ein festes Prüfprogramm
verwendet, das für
alle zu klassifizierenden Bleche gleich ist. Insbesondere werden
feste Werte für
den Prüfstrom,
die Zeit, für
die der Strom fließt,
und die Anpresskraft, mit der die Elektroden gegen das jeweilige
Blech gepresst werden, in Block K2 eingestellt. Auch weitere Randbedingungen
sind beizubehalten, wie beispielsweise die Verwendung gleicher Kappen.
-
Mit
den eingestellten Werten wird dann in Block K4 für jedes zu untersuchende Blech
einzeln ein Prüfstrom
gemäß 4 eingeprägt und eine
Widerstandskurve wie in 6 veranschaulicht aufgenommen.
Dabei werden von der Widerstandskurve die in 6 dargestellten
Punkte gemessen und daraus in Block K6 Kennwerte, nämlich die
Maßzahlen
1 bis 4 gemäß Tabelle
2 berechnet.
-
Anschließend werden
in Block K8 aus den Kennwerten die Klassifizierungswerte, nämlich die
so genannten swin2 und swin1 berechnet bzw. direkt aus den Messpunkten
gewonnen. Beispiele sind jeweils in der letzten Zeile der Tabelle
2 und 3 für
den Wertstoffkennwert (swin2) bzw. Oberflächenkennwert (swin1) angegeben.
In Block K10 erfolgt schließlich
eine Auswertung der Klassifizierungswerte. Als Auswertung kann jedem untersuchten
Blech eine Materialsorte in Block K12 zugeordnet werden. Weiterhin
können
anhand der ermittelten Klassifizierungswerte in Block K14 Schweißparameter
bestimmt werden und es kommt die Festlegung des bestimmenden Blechs
in Block K16 in Betracht.
-
Schließlich werden
die Blöcke
K2 bis K10 und wenigstens einer der Blöcke K12, K14 und K16 für das jeweils
nächste
zu untersuchende Blech wiederholt.
-
Das
Durchführen
eines Schweißprozesses
beginnt mit der Auswahl der Schweißparameter gemäß Block
S2 in der 12. Hierzu gehört die Auswahl
des Schweißstroms,
der Schweißdauer
und des Anpressdrucks.
-
In
Block S4 erfolgt eine Schweißung
mit den eingestellten Parametern und das Schweißergebnis wird in Block S6 überprüft. Hierzu
wird bspw. der Durchmesser des erhaltenen Schweißpunktes untersucht. Wenn das
Schweißergebnis
nicht ausreichend ist, kehrt der Vorgang zu Block S2 zurück und es
wird einer oder mehrere der Schweißparameter verändert oder
neu eingestellt. Wenn das Schweißergebnis befriedigend ist,
wird der letzte Schweißparametersatz
den weiteren Prozessen zu Grunde gelegt.
-
Gemäß dem Block
S8 wird nun wenigstens eine Justierschweißung vorgenommen. Hierzu wird
zunächst
das bestimmende Blech in Block S10 ausgewählt. Diese Auswahl kann unter
Verwendung einer Klassifizierung gemäß 11 erfolgen
und das bestimmende Blech wird demnach in Block K16 bestimmt.
-
Mit
dem bestimmenden Blech wird nun als Teil der Justierung eine Bezugskurve
bzw. eine Referenzwiderstandskurve aufgenommen. Hierzu wird nur
das bestimmende Blech zwischen den Elektroden angeordnet und mit
einem Schweißstrom
belastet, wobei die Parameter gemäß eingestellt werden, die in
Block S2 zuletzt eingestellt und gemäß Block S6 ausgewählt wurden.
Ebenfalls mit diesen Parametern wird nun eine Prozesskurve bzw.
Gesamtwiderstandskurve aufgenommen, wobei ein Schweißvorgang
mit allen zu verschweißenden
Blechen durchgeführt
und dabei der Widerstandsverlauf aufgenommen wird. Schließlich wird
als Differenz zwischen der Bezugswiderstandskurve und der Gesamtwiderstandskurve
eine Soll-Differenzwiderstandskurve berechnet, die allen nachfolgenden
Schweißungen
zu Grunde gelegt wird. Schließlich
wird um die Soll-Differenzwiderstandskurve noch ein Toleranzbereich
gelegt. Diese drei Kurven nebst Toleranzbereich sind in 9 dargestellt.
-
Ein
Serienschweißprozess
ist somit vorbereitet, der gemäß Block
S12 durchgeführt
wird. Während
des Schweißens
wird dann immer eine Prozesskurve bzw. Gesamtwiderstandskurve aufgenommen
und zusammen mit der Referenzwiderstandskurve durch Differenzbildung
eine Ist-Differenzwiderstandskurve gebildet und mit der Soll-Differenzwiderstandskurve
verglichen und insbesondere das Einhalten des Toleranzbereichs überprüft. Entsprechend
können
die genannten Schweißparameter
beim Schweißen
verändert
werden und/oder es erfolgt eine Bewertung des Schweißergebnisses
in Block S14.
-
Für die nächste Verschweißung für dieselben
oder die gleichen Bleche braucht nur das Verfahren in Block S12
und ggf. mit Block S14 wiederholt zu werden.