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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung einer Schweißnaht nach
Patentanspruch 1.
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Bei
modernen Laserschweißverfahren
werden sehr dünne
Schweißnähte erzeugt.
Dabei wird der Laserstrahl entlang einer Fügelinie, an der zwei Werkstücke aneinander
anliegen, gefahren. Geringe Abweichung der Führungslinie des Laserstrahls
von der gewünschten
Fügelinie
kann zu Spannungen und Qualitätseinbußen in der
Schweißnaht
führen.
Um die Qualität
des Schweißvorganges
in der Produktion zu überwachen,
ist es notwendig, Stichproben zu entnehmen, die Schweißnaht zu
zersägen,
ein Schliffbild anzufertigen und das Schliffbild unter dem Mikroskop
zu begutachten. Hierbei handelt es sich um ein sehr aufwendiges
Verfahren, durch das keine zeitnahe Rückmeldung zur Prozesskontrolle
möglich
ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bewertung
einer Schweißnaht
bereitzustellen, das für
die genannte Schweißnaht
zerstörungsfrei
ist und zur Prozesskontrolle eingesetzt werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Bewertung einer Schweißnaht mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bewertung einer Schweißnaht
umfasst folgende Schritte: Ein Energiestrahl, insbesondere ein Strahl
aus Ultraschallimpulsen, wird senkrecht zur Schweißnahtebene
in eine Idealschweißnaht
eingebracht. Es folgt eine Messung der Reflexion des Energiestrahls,
woraus eine Kalibrierungskurve zur Idealschweißnaht erstellt wird. Diese
Kalibrierungskurve enthält
Kennwerte der Reflexionen des Energiestrahls als Funktion der Position
des Energiestrahls im Bezug auf eine Fügestelle. Die Fügestelle
ist hierbei die Fläche,
an der sich zwei Werkstücke,
die zu verschweißen
sind, berühren
und aneinander anliegen.
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Im
Weiteren wird der gleiche Energiestrahl in eine Realschweißnaht eingebracht,
es wird ebenfalls die Reflexion des Energiestrahls gemessen und
die so ermittelten Kennwerte der Reflexionen mit der Kalibrierungskurve
verglichen.
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Die
Kennwerte der Reflexionen, die bei der Untersuchung der Realschweißnaht ermittelt
werden, werden in die Kalibrierungskurve eingetragen. Unterscheidet
sich der Kennwert der Reflexion der Realschweißnaht für den Bereich der Fügestelle, also
der Übergang
zwischen den beiden Werkstücken,
von dem Kennwert der Reflexion der Kalibrierungskurve, so ist das
ein Indiz dafür,
dass der Laserstrahl versetzt zur Fügestelle verlaufen ist. Dies
kann, wenn der Versatz des Laserstrahls einen kritischen Wert überschreitet,
zu unerwünschten
Spannungen in der Schweißnaht
führen,
weshalb in einem solchen Fall die Justierung des Laserstrahls während der
Produktion angepasst werden müsste.
Das beschriebene Verfahren ist zerstörungsfrei und kann praktisch direkt
nach dem Schweißverfahren
angewendet werden. Es ist somit möglich, den Produktionsprozess zeitnah
auf etwaige Fehler zu untersuchen, und diesen zu korrigieren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung werden Reflexionsmuster
des Energiestrahls mit einem Bildverarbeitungsverfahren ausgewertet.
Diese Auswertung wird zur Erstellung der Kalibrierungskurve herangezogen.
Bei diesem Bildverarbeitungsverfahren können Filter verwendet werden,
die bestimmte Bereiche des Reflexionsmusters herausfiltern. Neben
den Filtern können
auch andere Auswertungskriterien, die auf bestimmte Charakteristika
der Reflexionsmuster abgestimmt sind, herangezogen werden. Die gefilterten
Werte und/oder die durch Auswertekriterien erhaltenen Werte des
Reflexionsmusters können
miteinander verknüpft
werden. Ein Reflexionswert, der in der Kalibrierungskurve eingetragen
wird, kann somit aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt sein.
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Unter
Bildverarbeitungsverfahren wird hierbei jegliches Verfahren verstanden,
das zur manuellen oder auch rechnergestützten Auswertung von gemessenen
Reflexionswerten dient.
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Als
Energiestrahl wird, wie bereits erwähnt, bevorzugt ein Ultraschallimpulsstrahl
verwendet. Hierbei wird die Energie in Form von longitudinalen Schallwellen
in die Schweißnaht
eingebracht. Grundsätzlich
ist es für
das erfindungsgemäße Verfahren jedoch
auch möglich,
den Energiestrahl in Form von elektromagnetischen Wellen einzubringen.
Dies kann beispielsweise in Form von Röntgenstrahlen geschehen. Im
Falle der Verwendung von elektromagnetischen Strahlen kann der hier
verwendete Begriff der Reflexion auch Transmission bedeuten, da
Röntgenstrahlen
in einer Schweißnaht
weniger reflektiert werden als durch diese hindurch dringen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand der vorliegenden Figuren näher beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine
Idealschweißnaht
und die Abtastung mittels Ultraschallimpulsen und
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2 die
Untersuchung einer Realschweißnaht
und das Vergleichen mit der Kalibrierungskurve.
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Das
beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Untersuchung einer
jeglichen Schweißnaht.
Besonders vorteilhaft anzuwenden ist es jedoch bei Schweißnähten, bei
denen unterschiedliche Materialien aneinander geschweißt werden.
Dies ist beispielsweise bei einer Kombination eines Gusseisenwerkstoffes
mit einem Vergütungsstahl
der Fall. Im Folgenden soll kurz auf die Besonderheit und das Herstellungsverfahren
einer derartigen Schweißnaht
eingegangen werden.
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Beim
Verschweißen
eines Werkstückes
aus Vergütungsstahl
mit einem Graugusswerkstoff 6 gemäß 1 liegen
beispielsweise folgende Kohlenstoffgehalte in Gew.-% in den Werkstoffen
vor:
Gusseisen, GGG 60: 3,2 Gew.-% Kohlenstoff (C)
Vergütungsstahl
C 45: 0,45 Gew.-% C
Es wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt.
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Bei
der Berechnung des Kohlenstoffgehaltes wird stets idealisierend
davon ausgegangen, dass von jedem Werkstoff dasselbe Volumen in
die Schweißnaht
eingeht.
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Daraus
ergibt sich als arithmetisches Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
in der Schweißnaht, von (3,2% + 0,45%)/2 = 1,85%
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Dieser
Kohlenstoffgehalt von 1,85 Gew.-% liegt zwar im vorteilhaften Intervall
von 1 Gew.-% bis 2
Gew.-%, ganz besonders vorteilhaft ist jedoch der Bereich von etwa
1,5 Gew.-% Kohlenstoff in der Schweißnaht. Es hat sich erwiesen,
dass eine gezielte Erhöhung
des Kohlenstoffgehaltes in der Schweißnaht auf einen Wert zwischen
1 Gew.-% und 2 Gew.-%
einen besonders guten Kompromiss zwischen einerseits einer möglichst
geringen Härte
und einer möglichst
hohen Duktilität
bewirkt. Um diesen Kohlenstoffgehalt von 1,5 Gew.-% einzustellen,
ist es zweckmäßig, einen
Versatz der Schweißnaht
in den Bereich des Vergütungsstahles
durchzuführen.
Hierdurch wird dem Schweißgut
weniger als 50 Volumen-% an Gusswerkstoff und mehr als 50 Volumen-%
Vergütungsstahl
zugeführt,
was eine Reduktion des Kohlenstoffgehaltes in der Schweißnaht zur Folge
hat.
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Die
Schweißnaht 2 ist üblicherweise
sehr schmal, sie beträgt
in einem unteren Bereich in Richtung zur Schweißwurzel etwa 0,5 mm und in
einem oberen Bereich in Richtung zur Schweißnahtoberseite etwa 1,1 mm.
Hierbei verjüngt
sich die Schweißnaht
von einer Oberseite zu einer Unterseite. Eine derartige Schweißnaht kann
bevorzugt durch ein Laserschweißverfahren
erzielt werden. Weitere mögliche
Schweißverfahren
sind das Elektronenstrahlschweißen,
das Plasmaschweißen,
aber grundsätzlich
auch Hybridschweißverfahren
sowie MAG, MIG oder WIG-Verfahren.
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Die
Schweißnaht
wird nach dem Schweißen aus
einer Temperatur von oberhalb 1000°C abgeschreckt, wodurch in der
Schweißnaht
ein austenitisches Gefüge
erhalten bleibt. Dieser Restaustenit mit einem Kohlensloffgehalt
von etwa 1,5 Gew.-% weist eine – für ein Gefüge mit diesem
Kohlenstoffgehalt – hohe
Duktilität
auf, wobei die Härte
vergleichsweise gering ausfällt.
Die Kombination aus niedriger Härte und
hoher Duktilität
in Verbindung mit der sehr schmalen Schweißnaht führt dazu, dass die Schweißnaht auch
dynamischen Beanspruchungen gut widerstehen kann.
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In 1 ist
nun der Querschnitt durch eine derartige Schweißnaht dargestellt. Die Darstellung
ist der besseren Übersichtlichkeit
halber stark verzerrt worden, in der Realität sind derartige Schweißnähte sehr
dünn und
schmal. Diese Idealschweißnaht 2 läuft nach
unten spitz zu und liegt mit ihrer Mitte direkt auf einer Fügestelle 12,
an der die Werkstücke 4 und 6 aneinandergefügt sind.
Das bedeutet, der Laserstrahl, der zum Verschweißen verwendet wird, ist genau
auf der Fügestelle 12 positioniert
worden.
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Im
Weiteren wird nun ein Ultraschallimpulsgeber oder Ultraschallprüfkopf 15 senkrecht
zur Schweißnahtebene über der
Schweißnaht 2 positioniert,
der Ultraschallimpulse 16 auf die Schweißnaht 2 aussendet.
Alternativ kann der Ultraschallimpulsgeber auch neben der Schweißnaht 2 positioniert werden.
Die Ultraschallimpulse 16 werden von den Martensitplättchen in
der Schweißnaht 2 reflektiert und
von dem Ultraschallimpulsgeber 15, der in diesem Beispiel
sowohl als Ultraschallimpulssender als auch als Ultraschallimpulsempfänger arbeitet,
aufgenommen. Mit Hilfe eines Manipulators wird die Fläche der
Schweißnahtebene
abgetastet. Dabei werden die Amplituden der Ultraschallimpulsreflexionen
ortsgetreu von einem Rechner erfasst und zu einem farbkodierten
Ultraschall-C-Bild zusammengestellt. Das Ultraschall-C-Bild enthält also
die Ortsinformationen und die dazugehörenden Ultraschall-Impuls-Reflexionsamplituden.
Das Ultraschall-C-Bild zeigt die örtliche Verteilung der Schweißnahtstrukturen,
hier insbesondere die Verteilung, Anzahl, Größe und Ausrichtung der Martensitplättchen innerhalb
der Schweißnaht.
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Im
Ultraschall-C-Bild wird ein komplexes Reflexionsmuster dargestellt,
das mithilfe eines Bildverarbeitungsverfahrens 18, bevorzugt
auf einen Rechner ausgewertet wird. Bei diesem Bildverarbeitungsverfahren 18 können beispielsweise
Filter angewendet werden, die die verschiedenen Frequenzbereiche aus
dem Reflexionsmuster herausfiltern. Neben diesen Filtern für Frequenzbereiche
können
auch weitere Auswertungskriterien herangezogen werden, die das Reflexionsmuster
noch weiter beeinflussen. Die Kombination derartiger Filter und
Auswertekriterien führt
zu einem Wert, der für
eine ganz bestimmte Gefügestruktur
charakteristisch ist. Diese Gefügestruktur
ist bei der Idealschweißnaht
wiederum in einem ganz bestimmten Abstand von der Mitte der Schweißnaht, also
der Fügestelle 12 entfernt.
Dieser charakteristische Abstand wird mit x bezeichnet. Die Mitte
der Schweißnaht
erhält
den Wert x0.
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In
der Kalibrierungskurve 8, die in 1 oberhalb
der Schweißnaht 2 dargestellt
ist, werden die durch das Bildverarbeitungsverfahren 18 ermittelten
Reflexionswerte R auf der Y-Achse dieses Diagramms aufgetragen,
wobei der jeweilige Abstand x von der Fügestelle x0 auf
der X-Achse aufgetragen wird. Hieraus ergibt sich die Kalibrierungskurve 8 mit den
verschiedenen charakteristischen Reflexionswerten 10. Zur
Kalibrierung werden selbstverständlich
nur endlich viele Messwerte vorgenommen, die dann zu der Kalibrierungskurve 8 zusammengefügt werden.
Zwei exemplarische Kalibrierungsmessungen sind durch die Ultraschallwellen 16 und
die Ultraschallgeber 15 in 1 dargestellt,
sie sind mit gestrichelten Linien mit den entsprechenden Reflexionswerten 10 in
der Kalibrierungskurve 8 verbunden.
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Bei
der 1 dargestellten Vorgehensweise verlaufen die vom
Ultraschallgeber 15 ausgesandten Ultraschallimpulse senkrecht
zur Schweißnaht
und gleichzeitig parallel zur Fügeebene,
also der Ebene, in der sich die miteinander zu verschweißenden Werkstücke 4 und 6 die
zu verschweißen
sind, berühren
und aneinander anliegen. Alternativ dazu kann der Ultraschallgeber
auch seitlich angeordnet sein, so dass die Ultraschallimpulse senkrecht
zur Fügeebene
verlaufen. So kann der Ultraschallgeber an einer seitlichen Begrenzungsfläche des
Werkstücks 4 oder
alternativ an einer seitlichen Begrenzungsfläche des Werkstücks 6 angeordnet
sein. In diesen Fällen verlaufen
die ausgesandten Ultraschallimpulse jeweils durch das Werkstück 4 bzw. 6 hindurch
sowohl senkrecht zur Schweißnaht
als auch senkrecht zur Fügeebene.
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In 2 ist
nun eine Realschweißnaht 14 dargestellt,
deren Mitte 20 nicht auf der Fügestelle 12 liegt.
Bei dieser Realschweißnaht 14 ist
entweder gewollt oder auch ungewollt der Laserstrahl neben der Fügestelle 12 geführt worden.
Um diese Abweichung der Mitte 20 der Realschweißnaht 14 und
der Fügestelle 12 zu
detektieren, wird das folgende Verfahren angewandt. Der Ultraschallgeber 15 wird
auf die Mitte 20 der Realschweißnaht 14 gesetzt.
Ultraschallwellen 16 werden auf diesen Punkt ausgestrahlt
und die Reflexion analog zu 1 beschrieben,
gemessen. Die gemessenen Reflexionsmuster an dieser Stelle werden über dasselbe
Bildverarbeitungsverfahren 18 ausgewertet und zu einem
charakteristischen Reflexionswert 22 umgerechnet. Dieser
Reflexionswert 22 wird nun in die Kalibrierungskurve 8 eingegeben,
und wie mit der gestrichelten Linie in 2 dargestellt,
der dazugehörige
Abstand x1 von der Fügestelle 12 ermittelt.
Durch dieses Verfahren kann herausgefunden werden, ob die Mitte
der Realschweißnaht 14 auf
der Fügestelle 12 liegt
und wenn nicht, wie weit sie von dieser Fügestelle 12 entfernt
ist. In einem Produktionsprozess kann hierzu ein erlaubtes Intervall
angegeben werden, in dem sich die Abweichung der Schweißnaht 14 von
der Fügestelle 12 bewegen
darf oder soll. Liegt die Realschweißnaht 14 außerhalb
des Intervalls, kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden, die in
den Produktionsprozess rückgemeldet
wird und bei den nächsten
zu schweißenden
Bauteilen zu einer Korrektur der Nahtposition verwendet werden kann.
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Auch
bei der Realschweißnaht
kann, wie oben beschrieben, der Ultraschallgeber analog zu der bei
der Idealschweißnaht
vorgesehen Anordnung, seitlich angeordnet sein.
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Bei
der Auswahl des Bildverarbeitungsverfahrens 18 und der
damit verknüpften
Filter und angewendeten Auswertungskriterien ist es zweckmäßig, die
Verknüpfung
dieser Filter und Auswertungskriterien so zu gestalten, dass die
resultierende Kalibrierungskurve 8 über den Verlauf der Schweißnaht hinweg
entweder kontinuierlich ansteigt oder kontinuierlich fällt. Weißt sie ein
Maximum oder ein Minimum auf, so kann das dazu führen, dass die Abweichung von
der Fügestelle 12 nicht
eindeutig durch den Reflexionswert 22 ermittelt werden
kann.
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In
dem vorliegenden Beispiel bei der Kombination von einem Vergütungsstahl
und einem Gusseisen ist der Werkstoff 4 auf der linken
Seite der Stahl, wobei der Werkstoff 6 auf der rechten
Seite das Gusseisen ist. Die Kalibrierungskurve 8 weist
für dieses
Beispiel bei einem Schweißnahtversatz
in den Stahl auf der linken Seite einen niedrigeren Kennwert der
Reflexion R auf als auf der rechten Seite im Grauguss.