DE102009008034B3

DE102009008034B3 - Multisensorvorrichtung und deren Verwendung zur Inline-Überwachung der Qualtiät von Schweißnähten beim Schutzgasschweißen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102009008034B3
Application number: DE200910008034
Authority: DE
Inventors: Thomas Gigengack; Selahattin Kaya; Karl-Heinz Horras; Falk Schneider
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 2009-02-08
Filing date: 2009-02-08
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Multisensorvorrichtung zum Erfassen verschiedener Prozesseigenschaften beim thermischen Fügen mit Lichtbogenprozessen. Um eine Qualitätsprüfung einer Schweißnaht auf engstem Raum zu ermöglichen, zeichnet sich die Multisensorvorrichtung erfindungsgemäß aus durch - einen Multisensor (1) in Form einer miniaturisierten Baueinheit aus einer - mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie (2), von der Prozessgeräusche zu erfassen sind, - einer mit der mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie (2) an deren oberem Ende (4) verbundenen Photodiode (3), von der Lichtemission aus dem Lichtbogen zu erfassen ist, und - einem mit der mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie (2) ebenfalls an deren oberem Ende (4) verbundenen GMR-Sensor (5), von dem vom Lichtbogen ausgehende magnetische Signale zu erfassen sind, - wobei jeweils an der Piezofolie (2), der Photodiode (3) und dem GMR-Sensor (5) Anschlüsse (12) für Datenleitungen (13) vorgesehen sind, und durch - ein dem Multisensor (1) zugeordnetes Richtrohr (8), von dem über seine untere Öffnung (10) der Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufzunehmen und zur Piezofolie (2) und zur Photodiode (3) zu leiten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Multisensorvorrichtung zum Erfassen verschiedener Prozesseigenschaften beim thermischen Fügen mit Lichtbogenprozessen sowie einen Verbund der Multisensorvorrichtung mit einem Schweißbrenner zum Metallschutzgasschweißen (MSG).
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer derartigen Multisensorvorrichtung bei einem Verfahren zur Inline-Überwachung der Qualität von Schweißnähten beim Schutzgasschweißen von Bauteilen.
Die regelmäßige Qualitätsprüfung von Schweißnähten in der Serienproduktion sowie die Nacharbeit fehlerhafter oder qualitativ unzureichender Fügestellen verursachen einen verhältnismäßig hohen Aufwand an Personal, Zeit und Kosten im Fertigungsablauf z. B. der Automobilindustrie.
Geeigneterweise werden zur Qualitätsbeurteilung von Schweißnähten an Bauteilen schon während des Schweißvorgangs Meßdaten für Strom, Spannung und Akustik aus dem Schweißprozeß gewonnen und automatisiert verarbeitet, um im Verlauf des Schweißprozesses eine i. O./n. i. O.-Entscheidung treffen zu können.
Aus der US 2004/0034608 A1 ist eine Sensorvorrichtung zum Erfassen verschiedener Prozesseigenschaften beim thermischen Fügen mit Lichtbogenprozessen bekannt, wobei der Sensor in einem Richtrohr angebracht ist, dessen eines Ende auf den Lichtbogen gerichtet ist. Hierbei kann der Sensor zum Erfassen des Lichtbogens ein Licht-, Magnetfeld- oder Schallsensor sein.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur Überprüfung von Schweißnähten während des Schweißprozesses ( DE 103 51 579 A1 ), bei dem ein Teil der Strahlungsintensität, die vom Lichtbogen erzeugt wird, nach dem Durchdringen eines Intensitätsminderers von einem fotoempfindlichen Detektor erfasst wird und das Signal des Detektors von einer digitalen Rechnereinheit mathematisch aufbereitet und für die Überprüfung der Schweißnähte ausgewertet wird.
Sensoren für Schall, Licht und Druck gehen schließlich als bekannt hervor aus der US 2008/0023449 A1 und dem Fachbeitrag „Aufbau eines Überwachungssystems zur Online-Kontrolle von MSG-Schweißprozessen auf Basis akustischer Signale und Auswertung mittels Algorithmen zur Spracherkennung” von DILTHEY, U. Prof,; HICHRI, H. in: Schweißen und Schneiden 56 (2004), Heft 10, S. 528–537.
Die Erfindung setzt sich in diesem Zusammenhang zum Ziel, eine Qualitätsprüfung der Schweißnaht auf engstem Raum zu realisieren und somit eine Multisensorvorrichtung gemäß der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, die sich zur Erfassung von drei verschiedenen Prozesseigenschaften so eng wie möglich an den Schweißbrenner positionieren lässt.
Mit der in den Patentansprüchen 1 bis 27 beschriebenen Erfindung wird das genannte Ziel realisiert.
So wird Aufgabe der Erfindung erfindungsgemäß gelöst durch einen Multisensor in Form einer miniaturisierten Baueinheit aus einer

– mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie, von der Prozessgeräusche zu erfassen sind,
– einer mit der mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie an deren oberen Ende verbundenen Photodiode, von der Lichtemission aus dem Lichtbogen zu erfassen ist, und
– einem mit der mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie ebenfalls an deren oberen Ende verbundenen GMR-Sensor, von dem vom Lichtbogen ausgehende magnetischer Signale zu erfassen sind,
– wobei jeweils an der Piezofolie, der Photodiode und dem GMR-Sensor Anschlüsse für Datenleitungen vorgesehen sind, und durch
– ein dem Multisensor zugeordnetes Richtrohr, von dem über seine untere Öffnung der der Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufzunehmen und zur Piezofolie und zur Photodiode zu leiten ist.

Vorzugsweise ist die Piezofolie zu einem Hohlzylinder geformt, der am oberen Ende von der Photodiode plan abgedeckt ist und an dessen Außenmantel der GMR-Sensor positioniert ist, wobei die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors über der oberen Öffnung des dem Multisensor zugeordneten Richtrohres gehaltert positioniert ist. Die Photodiode kann einen kreisförmigen Grundriss aufweisen, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Außenmantels des von der Piezofolie gebildeten Hohlzylinders ist.
Geeigneterweise ist der der Lichtemission zugewandten Stirnfläche der Photodiode ein Transmissionsfilter vorgeschaltet, der in dem von der Piezofolie geformten Hohlzylinder gehaltert ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung sind an dem Innenmantel der teilzylindrisch geformten Piezofolie die Photodiode und der GMR-Sensor angelötet. Die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors aus der teilzylindrisch geformten Piezofolie, der Photodiode und dem GMR-Sensor sind hier innerhalb des Richtrohres an dessen oberem Ende gehaltert positioniert. Der Multisensor kann in dem Richtrohr gehaltert sein, indem der Außenmantel der teilzylindrisch geformten Piezofolie am Innenmantel des Richtrohres an dessen oberem Ende fixiert ist. Die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors kann auch auswechselbar innerhalb des Richtrohres an dessen oberem Ende gehaltert sein. Vorzugsweise ist die Öffnung am oberen Ende des Richtrohres zum Schutz der in letzerem positionierten miniaturisierten Baueinheit des Multisensors durch eine abnehmbare Schutzkappe abzudecken.
Der Querschnitt des Richtrohres kann beliebig gestaltet sein, insbesondere kreisförmig oder oval. Auch kann das Richtrohr zwecks Anpassung an den Schweißbrenner zu seiner unteren Öffnung hin gekrümmt verlaufen, lokal am Brenner aufsetzbar sein und aus Kunststoff bestehen, wobei an dem unteren Ende des Richtrohres ein gegen Hitze resistenter hohlzylindrischer Aufsatz zu verbinden ist, der auswechselbar ist. Bevorzugt besteht der auswechselbare Aufsatz aus Aluminium. Zusätzlich kann der Innenmantel des Richtrohres mit einer Verspiegelung zum besseren Leiten der Lichtemission versehen sein. Geeigneterweise ist der zur unteren Öffnung des Richtrohres gekrümmt verlaufende Teil des letzteren mit dem vertikal verlaufenden oberen Teil des Richtrohres über ein Gelenk verbunden. Es können jedoch auch mehrere zueinander benachbarte, sich in Richtung der Länge des Richtrohres erstreckende Abschnitte des Richtrohres jeweils über ein Gelenk miteinander verbunden sein.
Auch kann das Richtrohr als flexibles schlauchartiges Element ausgebildet sein, dessen Kontur über seine Länge zwecks Anpassung an die Position des Schweißbrenners veränderbar ist.
Zu bemerken ist, dass mit dem Begriff „unteres Ende” der Piezofolie und des Richtrohres das dem Lichtbogen zugewandte Ende der Piezofolie und des Richtrohres und mit dem Begriff „oberes Ende” der Piezofolie und des Richtrohres das dem Lichtbogen abgewandte Ende der Piezofolie und des Richtrohres gemeint ist.
Mit der Piezofolie werden die Prozessgeräusche aufgenommen, wobei der Luftschall über das Richtrohr abgegriffen wird, das unterhalb des aus der Piezofolie gebildeten Hohlzylinders zu positionieren ist. Zur Vermeidung eines Schalldrucks sind vorzugsweise über die Länge des Richtrohres im Abstand zueinander angeordnete Schalldruckminderungslöcher vorgesehen.
Die Piezofolie ist ein durchsichtiger Film aus hochpolarisiertem Polyvinylidenfluorid (PVDF). Proportional zum Einwirken äußerer Kräfte entsteht im Material eine elektrische Ladung, die über die metallisch beschichtete Außenflächen abgegriffen werden kann. Umgekehrt erfolgt beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine proportionale Verformung. Beim Piezofoliensensor wird der direkte piezoelektrische Effekt genutzt. Die Piezofolie eignet sich insbesondere zur Erfassung von dynamischen Vorgängen, Druckschwankungen, Schwingungen oder Wechsellasten. Durch das dünne Folienmaterial, die gute Flexibilität, den verhältnismäßig großen Dynamikbereich und die weite Bandbreite des Piezofoliensensors ist dieser für die Erfassung von akustischen Signalen gut geeignet.
Elektrotechnisch gesehen bildet die Piezofolie einen Kondensator, der auf mechanische Laständerungen mit einer proportionalen elektrischen Ladungsänderung reagiert. Da piezoelektrische Materialien anisotrop sind, variieren ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften je nach Richtung der angreifenden Kraft, der Dehnung oder des elektrischen Feldes.
Der GigantMagnetoResistive Effekt des GMR-Sensors reagiert auf Magnetfeldänderungen, die Indikatoren magnetischer, elektrischer oder mechanischer Parameter sein können. Der GMR-Sensor erfasst daher magnetische Signale, die beim Schweißen vom Lichtbogen ausgehen, und wandelt diese Signale unmittelbar in ein elektrisches Signal um.
Der Verbund der Multisensorvorrichtung der eingangs genannten Art mit einem Schweißbrenner mit Gasdüse zum Metallschutzgasschweißen (MSG) zeichnet sich dadurch aus, dass

– die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors aus der zumindest teilzylindrisch geformten Piezofolie, der Photodiode und dem GMR-Sensor und das dem Multisensor zugeordnete Richtrohr am Schweißbrenner gehaltert sind,
– wobei die den Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufnehmende Öffnung des Richtrohres auf einer Höhe mit der Gasdüse des Schweißbrenners positioniert ist, und
– der Luftschall sowie die Lichtemission aus dem Lichtbogen beim Schutzgasschweißen mit dem Schweißbrenner durch das Richtrohr hinderungsfrei zur Piezofolie und der Photodiode des Multisensors gelenkt sind.

Bevorzugt ist die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors aus der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie, der das obere Ende des Hohlzylinders abdeckenden Photodiode und dem am Außenmantel des von der Piezofolie gebildeten Hohlzylinders positionierte GMR-Sensor in einem Schutzgehäuse aufgenommen, das am oberen Ende des Schweißbrenners gehaltert ist. Hierbei mündet die obere Öffnung des am Schweißbrenner gehalterten Richtrohres im Schutzgehäuse unterhalb des von der Piezofolie gebildeten Hohlzylinders. Der von der unteren Öffnung des Richtrohres aufgenommene Luftschall sowie die Lichtemission aus dem Lichtbogen werden durch das Richtrohr auf die den Hohlzylinder bildende Piezofolie und die den Hohlzylinder abdeckende Photodiode des Multisensors hinderungsfrei gerichtet.
Am Richtrohr kann eine spannfederartige Halterungseinrichtung vorgesehen sein, die an Außenmantel des Richtrohres anliegt, diesen teilweise umfasst, sich in Richtung der Länge des Richtrohres erstreckt und über dessen oberes Ende hinausragt. Mit der spannfederartigen Halterungseinrichtung ist das Richtrohr am Schweißbrenner geeignet zu haltern. Die spannfederartige Halterungseinrichtung des Richtrohres kann auch aus zwei spiegelbildlich an dessen Außenmantel anliegenden und -gesehen in Umfangsrichtung des Richtrohres- im Abstand zu einander positionierten identischen Spannelementen gebildet sein, die sich in Richtung der Länge des Richtrohres erstrecken.
Zum Haltern eines Richtrohres mit ovalem Querschnitt an dem Schweißbrenner kann die spannfederartige Halterungseinrichtung geeigneterweise nur von einem Spannelement gebildet sein, das – gesehen im Querschnitt seiner Längserstreckung – die Form eines sich über annähernd 120° erstreckenden offenen Kreisrings aufweist, der mit dem Abschnitt seines Innenmantels, der seiner Öffnung gegenüberliegt, am Außenmantel des Richtrohres mit ovalem Querschnitt anliegt und mit seinen Endabschnitten, die in Umfangsrichtung einander gegenüberliegen und die Öffnung des offenen Kreisring begrenzen, am Außenmantel des Schweißbrenners halternd angreifen.
Von dem jeweiligen Anschluss der teilzylindrisch bzw. zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie, der Photodiode und des GMR-Sensors kann jeweils eine Datenleitung über einen A/D-Wandler zu einem Prozessrechner geführt sein, von dem die aufgenommenen Messsignale auszuwerten sind und dem ein Signalkomparator nachgeschaltet ist. In dem Signalkomparator ist ein einstellbarer Schwellwert zu speichern. Der n. i. O.-Ausgang des Signalkomparators ist zur Steuerung des Schweißbrenners zwecks Einleitung einer Korrekturschweißung oder Ausschaltung des Schweißbrenners rückgekoppelt. Der i. O.-Ausgang des Signalkomparators bewirkt die kontinuierliche Fortsetzung des Schweißbrennerbetriebs.
Das Verfahren zur Inline-Überwachung der Qualität von Schweißnähten beim Schutzgasschweißen von Bauteilen, bei dem die erfindungsgemäße Multisensorvorrichtung unmittelbar am Schweißbrenner einer Schweißanlage zu positionieren ist, zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

– beim Schutzgasschweißen der Bauteile werden jeweils signalmäßig von der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie, der Photodiode und dem GMR-Sensor des Multisensors Prozessgeräusche bzw. die Lichtemission aus dem Lichtbogen bzw. vom Lichtbogen ausgehende magnetische Signale erfasst,
– die entsprechenden Messsignale werden jeweils von einem dem Multisensor nachgeschalteten A/D-Wandler nach dessen triggermäßigem Einstellen auf einen Schwellwert mit Hysterese aufgenommen und dann
– in einer Filterstufe des dem A/D-Wandler nachgeschalteten Prozessrechners gefiltert,
– darauf werden in einer Messwerterfassungsstufe des Prozessrechners für jedes der von dem Multisensor aufgenommenen Messsignale die statistischen Momente 3. Ordnung (Schiefe) und 4. Ordnung (Wölbung) der Verteilung der Datenwerte sowie die Gesamtsignalenergie ermittelt und einer Fensterungsstufe zugeführt,
– in der jeder Signalverlauf in mehrere Segmente konstanter Länge zerlegt und in jedem Segment die Schiefe, die Wölbung und die Signalenergie bestimmt wird, wobei die Analyse der Signalverläufe mit einer Fensterbreite mit einer vorgegebenen Anzahl Werte wie 10 000 erfolgt,
– darauf werden größere Schwankungen in den abgeleiteten Größen in einer Glättungsstufe des Prozessrechners geglättet,
– anschließend werden von allen Stellen, an denen die abgeleiteten Größen den einstellbaren Schwellwert über- oder unterschreiten, der jeweilige Wert der Über- oder Unterschreitung in einer Peakerkennung des Prozessrechners registriert und
– zugleich für alle erfassten Messsignale in einem Histogramm alle Überschreitungen und Unterschreitungen der abgeleiteten Größen ortsaufgelöst aufsummiert, und
– von dem dem Prozessrechner nachgeschalteten Signalkomparator, in dem der einstellbare Schwellwert im Histogramm gespeichert ist, wird dann entweder
– bei Überschreitung des einstellbaren Schwellwertes im Histogramm durch ein n. i. O.-Signal ein Schweißfehler angezeigt, die Position der Fehlstelle anhand der Länge der Schweißung rechnerisch ermittelt und entsprechend eine Rückkopplung zur Steuerung des Schweißbrenners der Schweißanlage zwecks Beseitigung des Schweißfehlers oder zum Ausschluss des fehlerhaften Bauteils aus dem Schweißprozess aktiviert, oder
– bei Nichtüberschreitung des einstellbaren Schwellwertes im Histogramm durch ein i. O.-Signal des Signalkomparators der Schweißprozess der Schweißanlage kontinuierlich gesteuert fortgesetzt.

Die Auswertung der von dem Multisensor erfassten und dem A/D-Wandler zugeführten Messsignale mittels der statistischen Momente „Schiefe” und „Wölbung” der Datenverteilung sowie über die Gesamtsignalenergie vermeidet eine komplizierte Datenverarbeitung, da die Signale gleich im Zeitbereich analysiert und ausgewertet werden.
Das statistische Moment „Schiefe” einer Verteilung von Datenwerten gibt an, wie stark die Verteilung der Datenwerte von einer symmetrischen Verteilung abweicht. In der Statistik ist die Schiefe einer Zufallsvariablen X das auf die dritte Potenz der Standardabweichung bezogene zentrale Moment 3. Ordnung:
Die Schiefe ist ein Maß für die Symmetrie der Wahrscheinlichkeitsverteilung zum Mittelwert. Da die Gaußsche Normalverteilung die Schiefe Null hat, ist die Schiefe ein geeignetes Instrument, um eine beliebige Verteilung mit betragsmäßig positiver Schiefe mit der Normalverteilung zu vergleichen. Eine Verteilung wird rechtsschief oder Linksteil genannt, wenn der Hauptteil der Verteilung auf der linken Seite konzentriert ist. Entsprechend wird eine Verteilung linksschief oder Rechtsteil genannt, wenn der Hauptteil der Verteilung auf der rechten Seite liegt. Die aus den Stichproben geschätzte Schiefe wird durch das dritte Moment der Verteilung bestimmt.
Ein fehlerloser Schweißprozess weist eine stabile symmetrische Verteilung auf. Die Schiefe liegt dann konstant bei Null. Sobald eine typische Veränderung im Zeitsignal auftritt, verlagert sich zu dem Zeitpunkt die Konzentration auf die linke oder die rechte Seite der Verteilung. Die Verteilung ist dann ungleich Null und weist auf einen Fehler beim Schweißen hin.
Das statistische Moment „Wölbung” (Kurtosis) ist ein Maß für die Art der Verteilung an den Rändern (Seiten). Die Wölbung einer statistischen Verteilung X ist definiert als normierte Form des vierten zentralen Moments:
Die geschätzte Kurtosis wird nach folgender Formel berechnet:
Das statistische Moment Wölbung beschreibt die Abweichung des Verlaufs der gegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung zum Verlauf der Normalverteilung. Verteilungen werden entsprechend ihrer Wölbung wie folgt eingeteilt:

Wölbung = 0: normalgipflig (mesocurtic). Bei Normalverteilung N (0,1) mit Erwartungswert 0 und Standardabweichung 1 ist die Wölbung = 0.
Wölbung > 0: steilgipflig oder supergauß'sch (leptocurtic). Es handelt sich hierbei um im Vergleich zur Normalverteilung spitzere Verteilungen, d. h. Verteilungen mit ausgeprägten Peaks.
Wölbung < 0: flachgipflig oder supergaußförmig (platycurtic). In diesem Fall wird von einer im Vergleich zur Normalverteilung abgeflachten Verteilung gesprochen.

Eine negative oder positive Wölbung zeigt eine fehlerhafte Schweißnaht an. Die Betrachtung der Wölbung eignet sich somit zusammen mit der Berechnung der Schiefe für eine Überwachung der Qualität des Schweißprozesses und für die Fehleridentifizierung bei einem Schweißprozess.
Ergänzend zur Signalauswertung mit den statistischen Momenten Schiefe und Wölbung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schweißprozess auch mittels der Gesamtsignalenergie bewertet. Zur Messung der Intensität des Schweißprozesses ist die Gesamtsignalenergie wie folgt definiert:
Die obere und untere Grenze a und b charakterisieren den Zeitverlauf des gesamten Schweißprozesses. Die Gesamtsignalenergie ergibt sich aus dem Flächenintegral einer Signalkurve zwischen den vorgegebenen Zeitgrenzen a und b.
Je höher die Signalamplitude beim Schweißen wird, umso größer wird die Gesamtsignalenergie und umso deutlicher unterscheidet sich der Signalfehler von dem fehlerfreien Signal. Die Gesamtsignalenergie komplettiert somit beim erfindungsgemäßen Verfahren neben Schiefe und Wölbung den Verfahrensschritt der Auswertung zur Fehlererkennung bei dem MAG-Schweißprozess.
Größere Schwankungen in den abgeleiteten Größen sind vor der Peakerkennung mit verschiedenen Glättungsfiltern zu beseitigen. Nach der Glättung werden in der Peakerkennung alle Stellen, an denen die abgeleiteten Größen wie Schiefe, Wölbung und Gesamtsignalenergie einen einstellbaren Wert über- oder unterschreiten, registriert und in einem Histogramm über alle Signale zusammengeführt. Der Schwellwert der Peakerkennung wird in Prozent des Median des Signals angegeben.
In dem Histogramm werden alle Über- und Unterschreitungen der abgeleiteten Größen ortsaufgelöst aufsummiert. Bei Fehlern in der Schweißung ist ein Fehler in mehreren Signalen vorhanden und zeigt sich als Ausschlag in den abgeleiteten Größen wie Schiefe, Wölbung und Gesamtsignalenergie, wobei die aufsummierten Ausschläge an einer oder mehreren Stellen einen einstellbaren Schwellwert im Histogramm überschreiten und als Fehler mit der entsprechenden Position angezeigt werden. Die maximale Höhe eines Histogramms ist 9, wenn jede der drei abgeleiteten Größen der maximal 3 Eingangsgrößen an der gleichen Stelle einen Fehler aufzeigt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass Histogrammwerte unter vier nur statistische Schwankungen darstellen und erst Histogramme mit über fünf aufsummierten Histogrammwerten auf reale Fehler in der Schweißung hindeuten. Über die Länge der Schweißung sind die Positionen der Fehlstellen rückrechenbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Analysierung und Auswertung der Meßsignale unmittelbar im Zeitbereich, so dass sich eine aufwendige Datenvorverarbeitung erübrigt. Um die gesamte Bandbreite an Schweißfehlern abzudecken, müssen die abgeleiteten Größen wie Schiefe, Wölbung und Gesamtsignalenergie zusammen bei der Auswertung berücksichtigt werden. Da die auszuwertenden Kennlinien für die verschiedenen Fehlerarten differenzierbare Spitzenwerte haben, kann die nachfolgende Klassifikation i. O. oder n. i. O. der Schweißqualität verhältnismäßig einfach und ohne einen großen Rechenaufwand gelöst werden.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen weiter erläutert. In diesen sind:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung im Verbund mit einem Schweißbrenner beim MSG-Schweißen zweier Bauteile,
2 eine perspektivische Ansicht des Multisensors der ersten Ausführungsform der Multisensorvorrichtung
3 und 4 in perspektivischer Ansicht zwei verschiedene Ausführungsformen des Richtrohres der Multisensorvorrichtung zum Abgreifen und Richten des Luftschalls und der Lichtemission aus dem Lichtbogen,
5 bis 8 Seitenansichten weiterer verschiedener Ausführungsformen des Richtrohres der Multisensorvorrichtung,
9 eine perspektivische Ansicht des Richtrohres nach 3, jedoch mit einer Halterungseinrichtung,
10 eine perspektivische Ansicht eines Richtrohres aus Kunststoff mit ovalem Querschnitt und mit einem am unteren Ende des Richtrohres vorgesehenen, gegen Hitze resistenten Aufsatz aus Aluminium sowie mit der Halterungseinrichtung gemäß 9,
11 einen Draufsicht auf einen unterhalb des Multisensors geführten Schnitt durch einen Verbund der Multisensorvorrichtung mit dem Schweißbrenner, an dem ein Richtrohr kreisförmigen Querschnitt gehaltert ist,
12 eine Draufsicht auf einen Schnitt entsprechend der 11, wobei der Querschnitt des am Schweißbrenner gehalterten Richtrohres ovalförmig ist,
13 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung,
14 eine Draufsicht auf einen Schnitt in der Ebene A-A in 13,
15 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung,
16 eine Draufsicht auf einen Schnitt in der Ebene B-B der 15 und
17 ein Blockschaltbild, aus dem schematisch die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der Multisensorvorrichtung bei der Überwachung der Schweißqualität beim Schweißen einer Schweißanlage mit Rückkopplung der Anlagensteuerung hervorgehen.
Aus den 1 und 2 geht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäße Multisensorvorrichtung zum Erfassen verschiedener Prozesseigenschaften beim thermischen Fügen mit Lichtbogenprozessen hervor, die einen Multisensor 1 in Form einer miniaturisierten Baueinheit (2) aufweist, die aus einer zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie 2, einer Photodiode 3, die das obere Ende 4 des von der Piezofolie 2 gebildeten Hohlzylinders abdeckt, und einem GMR-Sensor (Gigant Magnet Resistor-Sensor) 5 gebildet ist, der auf dem Außenmantel 6 des von der Piezofolie 2 gebildeten Hohlzylinders positioniert ist. Von der Piezofolie 2 werden Prozessgeräusche erfasst, während die Photodiode 3 und der GMR-Sensor 5 die von den thermischen Fügeprozessen ausgehende Lichtemission bzw. die vom Lichtbogen ausgehenden magnetischen Signale erfassen.
Wie 1 zeigt, ist unterhalb des unteren Endes 7 des von der Piezofolie 2 gebildeten Hohlzylinders mit Abstand zu diesem ein Richtrohr 8 angeordnet, über dessen unterer Öffnung 10 der Luftschall sowie die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufzunehmen und dann vom Richtrohr 8 zur Piezofolie 2 bzw. zur Photodiode 3 zu lenken ist.
Wie 2 zeigt, weist die Photodiode 3 bei der ersten Ausführungsform des Multisensors 1 geeigneterweise einen kreisförmigen Grundriss auf, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Außenmantels 6 des von der Piezofolie 2 gebildeten Hohlzylinders ist, wobei die nach außen weisende Stirnfläche 11 der Photodiode 3 plan ist. Der Photodiode 3 kann ein Transmissionsfilter vorgeschaltet sein, der in dem von der Piezofolie 2 geformten Hohlzylinder zu haltern ist. An der Piezofolie 2, der Photodiode 3 und dem GMR-Sensor 5 sind jeweils Anschlüsse 12 für Datenleitungen 13 vorgesehen, wie aus 17 ersichtlich ist.
Der Querschnitt des Richtrohres 8 kann beliebig gestaltet sein. Vorzugsweise ist der Querschnitt jedoch kreisförmig (3) oder oval (16). Weiterhin können über die Länge des Richtrohres 8 im Abstand zueinander Schalldruckminderungslöcher 9 vorgesehen sein (3).
Das Richtrohr 8 kann aus Kunststoff gebildet sein, wobei an seinem unteren Ende 14 ein auswechselbarer Aufsatz 15 aus einem gegen Hitze resistenten Material wie Aluminium anzuschrauben ist (4). Das Richtrohr 8 kann auch so ausgeführt sein, dass es zu seiner unteren Öffnung 10 hin gekrümmt verläuft (5). Für eine verbesserte Leitung der Lichtemission im Richtrohr 8 kann dessen Innenmantel 16 eine Verspiegelung 17 aufweisen (6). Auch kann das Richtrohr 8 als flexibles schlauchartiges Element ausgebildet sein, dessen Kontur zur Verbesserung seiner Anpassungsfähigkeit veränderbar ist. Bei starrer Ausbildung des Richtrohres 8 kann hingegen zu Anpassungszwecken der zur unteren Öffnung 10 des Richtrohres 8 gekrümmt verlaufende Teil 18 des letzteren über ein Gelenk 19 mit dem zur oberen Öffnung 20 des Richtrohres 8 hin verlaufenden oberen Teil 21 des letzteren verbunden sein (7). 8 zeigt eine der 7 entsprechende Ausführungsform des Richtrohres 8, bei der zur Verbesserung der Anpassungsfähigkeit des Richtrohres mehr als zwei benachbarte, sich in Richtung der Länge des Richtrohres 8 erstreckende Abschnitte 22 des letzteren jeweils über ein Gelenk 19 miteinander verbunden sind.
1 zeigt schematisch einen Verbund der ersten Ausführungsform der Multisensorvorrichtung mit einem Schweißbrenner 23 mit Gasdüse 24 beim Metallschutzgasschweißen von zwei Bauteilen 25, wobei die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors 1 aus der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie 2, der Photodiode 3 und dem GMR-Sensor 5 in einem Schutzgehäuse 26 vorgesehen ist, das am Oberteil 27 des Schweißbrenners 23 gehaltert ist. Das Richtrohr 8 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist in enger Nachbarschaft zum Schweißbrenner 23 und zu diesem parallel positioniert, wobei die den Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufnehmende untere Öffnung 10 des Richtrohres 8 auf einer Höhe mit der Gasdüse 24 des Schweißbrenners 23 angeordnet ist. Die obere Öffnung 20 des Richtrohres 8 ist im Schutzgehäuse 26 im Abstand zum unteren Ende 7 des von der Piezofolie 2 gebildeten Hohlzylinders des Multisensors 1 positioniert. Der Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen sind somit beim Schutzgasschweißen mit dem Schweißbrenner 23 durch das Richtrohr 8 hindurch zu der den Hohlzylinder bildenden Piezofolie 2 bzw. auf die Photodiode 3 hinderungsfrei gerichtet.
9 zeigt das in 3 dargestellte Richtrohr 8 mit einer spannfederartigen Halterungseinrichtung 28, mit der, wie aus 11 hervorgeht, das Richtrohr 8 mit kreisförmigem Querschnitt sicher an dem Schweißbrenner 23 zu halten ist. Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform ist die spannfederartige Halterungseinrichtung 28 des Richtrohres 8 aus zwei identischen Spannelementen 29 gebildet, die am Außenmantel 30 des Richtrohres 8 spiegelbildlich anliegen und – gesehen in Umfangsrichtung des Richtrohres 8 – im Abstand zueinander positioniert sind. In der in 11 gezeigten gehalterten Position des Richtrohres 9 an dem am Oberteil 27 des Schweißbrenners 23 greifen die jeweils einander entsprechenden Endkanten 31 der beiden identischen Spannelemente 29 klemmend am Außenmantel 30 des Richtrohres 8 bzw. des Schweißbrenner 23 an und haltern somit das Richtrohr 8 sicher am Schweißbrenner 23. 10 zeigt die zweiteilige Ausführungsform der spannfederartigen Halterungseinrichtung 28 nach 9 in Position an einem Richtrohr 8 aus Kunststoff mit ovalem Querschnitt, an dessen unterem Ende 14 der gegen Hitze resistente Aufsatz 15 aus Aluminium auswechselbar vorgesehen ist.
Um ein Richtrohr 8 mit ovalem Querschnitt geeignet an dem Schweißbrenner 23 zu haltern, kann die spannfederartige Halterungseinrichtung 28 auch einteilig so ausgebildet sein, dass der zu ihrer Längsrichtung geführte Querschnitt die Form eines offenen Ringelementes aufweist, das sich etwa über 120° erstreckt. In der gehalterten Position des Richtrohres 8 mit ovalem Querschnitt am Schweißbrenner 23 liegt dann gemäß 12 der Abschnitt des Innenmantels der einteiligen spannfederartigen Halterungseinrichtung 28, der der Öffnung letzterer gegenüberliegt, am Außenmantel 30 des Richtrohres 8 mit ovalem Querschnitt an. Die die Öffnung begrenzenden Endkanten 31 der einteiligen spannfederartigen Halterungseinrichtung 28 greifen hierbei am Schweißbrenner 23 klemmend an und gewährleisten somit eine sichere Halterung des Richtrohres 8 an dem Schweißbrenner 23.
Aus den 13 und 14 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung ersichtlich, bei der die Piezofolie 2 des Multisensors 1 teilzylindrisch geformt ist und die Photodiode 3 und der GMR-Sensor 5 an dem Innenmantel 32 der teilzylindrisch geformten Piezofolie 2 angelötet sind. Wie 13 zeigt, ist die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors 1 aus der teilzylindrisch geformten Piezofolie 2, der Photodiode 3 und dem GMR-Sensor 5 innerhalb des Richtrohres 8 an dessen oberen Ende 33 positioniert, wobei der Außenmantel 34 der teilzylindrisch geformten Piezofolie 2 am Innenmantel 16 des Richtrohres 8 fixiert ist. Die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors 1 der zweiten Ausführungsform der Multisensorvorrichtung kann auch auswechselbar innerhalb des Richtrohres 8 gehaltert sein.
Aus den 15 und 16 geht eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung hervor, bei der das Richtrohr 8 einen muschelförmigen Querschnitt aufweist und die teilzylindrisch geformte Piezofolie 2 konturenmäßig an die Kontur der Basiswand des Muschelform des Querschnitts des Richtrohres 8 angepasst ist. Auch hier sind die Photodiode 3 und der GMR-Sensor 5 an den Innenmantel 32 der Piezofolie 2 angelötet. Die miniaturisierte Baueinheit des Multisensor 1 ist entsprechend der zweiten Ausführungsform der Multisensorvorrichtung innerhalb des Richtrohres 8 an dessen oberen Ende 33 positioniert.
Zum Schutz der innerhalb des Richtrohres 8 gehalterten miniaturisierten Baueinheit des Multisensors 1 der zweiten und der dritten Ausführungsform ist jeweils die obere Öffnung 33 des Richtrohres 8 von einer abnehmbaren Schutzkappe 36 abzudecken, wie aus 13 und 15 zu ersehen ist.
Vorzugsweise liegen die Länge des Richtrohres 8 der Multisensorvorrichtung im Bereich von 100 bis 150 mm und der Durchmesser im Bereich von 5 bis 10 mm. Der Durchmesser und die Höhe des von der Piezofolie 2 gebildeten Hohlzylinders der miniaturisierten Baueinheit des Multisensors 1 der ersten Ausführungsform betragen vorzugsweise 20 mm bzw. 30 mm. Die Abmessungen der teilzylindrisch geformten Piezofolie 2 der miniaturisierten Baueinheit des Multisensors 1 der zweiten und dritten Ausführungsform des Multisensorvorrichtung entsprechen in etwa den zuvor genannten Abmessungen des Multisensors 1.
Wie 17 zeigt, ist aus dem Schutzgehäuse 26 der miniaturisierten Baueinheit des Multisensors 1 von dem jeweiligen Anschluss 12 der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie 2, der Photodiode 3 und dem GMR-Sensor 5 jeweils eine Datenleitung 13 zu einem A/D-Wandler 36 geführt, dem ein Prozessrechner 37 eines Steuerungssystems einer Schweißanlage nachgeschaltet ist. Ausgangsseitig ist der Prozessrechner 37 mit einem Signalkomperator 42 verbunden, von dem eine Rückkopplung 43 zum Schweißbrenner 23 der Schweißanlage geführt ist.
Die Positionierung der erfindungsgemäßen Multisensorvorrichtung an dem Schweißbrenner 23 einer Schweißanlage ermöglicht eine effektive Inline-Überwachung der Qualität von Schweißnähten beim Schutzgasschweißen von Bauteilen. Wie aus den 17 hervorgeht, werden beim Schutzgasschweißen der Bauteile 25 (1) signalmäßig jeweils von der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie 2, der Photodiode 3 und dem GMR-Sensor 5 des Multisensors 1 Prozessgeräusche bzw. die Lichtemission aus dem Lichtbogen bzw. vom Lichtbogen ausgehende magnetische Signale erfasst. Die entsprechenden Messsignale werden dann jeweils von einem dem Multisensor 1 nachgeschalteten A/D-Wandler 36 aufgenommen und digitalisiert, der zuvor triggermäßig einzustellen ist. Triggerbedingungen sind ein einstellbarer Schwellwert mit Hysterese und entweder die steigende oder fallende Flanke innerhalb oder außerhalb eines gewählten Schwellwertes oder Fensters. Üblicherweise wird Stromzuführung zum Triggern benutzt, mittels der mit dem Zünden des Lichtbogens die Messung gestartet und beendet wird.
Die digitalisierten Messsignale werden dann in einer Filterstufe des dem A/D-Wandler 36 nachgeschalteten Prozessrechners gefiltert, bevor anschließend für jedes der von dem Multisensor 1 aufgenommenes Messsignal mittels einer Messwerterfassungsstufe 38 des Prozessrechners 37 die statistischen Momente 3. Ordnung (Schiefe) und 4. Ordnung (Wölbung) sowie der Gesamtenergiegehalt rechnerisch ermittelt und einer Fensterungsstufe 39 zugeführt. In der Fensterungsstufe 39 wird jedes Messsignal in mehrere Segmente konstanter Länge zerlegt und in jedem Segment werden die Schiefe, die Wölbung und die Signalenergie bestimmt, wobei die Analyse der Signalverläufe mit einer Fensterbreite einer vorgegebenen Anzahl Werte wie 10 000 erfolgt.
In einer anschließenden Glättungsstufe des Prozessrechners werden größere Schwankungen in den abgeleiteten Größen wie Schiefe, Wölbung und Gesamtsignalenergie mittels verschiedener Glättungsfilter wie Zero-Phase, Savitzky-Golay- und Medianfilter beseitigt.
Anschließend wird in einer Peakerkennung 40 des Prozessrechners von allen Stellen, an denen ein Ausschlag in den abgeleiteten Größen wie Schiefe, Wölbung und Gesamtsignalenergie den einstellbaren Schwellwert über- oder unterschreitet, der jeweilige Wert der Über- oder Unterschreitung registriert. In einer Histogrammbildungsstufe 41 werden dann für alle erfassten Messsignale in einem Histogramm alle Überschreitungen und Unterschreitungen der abgeleiteten Größen ortsaufgelöst aufsummiert.
Von dem Signalkomparator 42, der mit dem Ausgang des Prozessrechners 37 verbunden ist und in dem der einstellbare Schwellwert im Histogramm gespeichert ist, wird dann alternativ entweder

– bei Überschreitung des gespeicherten einstellbaren Schwellwertes im Histogramm durch ein n. i. O-Signal ein Schweißfehler angezeigt und nach Ermittlung der Fehlstelle anhand der Länge der Schweißung durch den Prozessrechner 37 entsprechend die Rückkopplung 43 zur Steuerung des Schweißbrenners 23 der Schweißanlage zur Beseitigung des Schweißfehlers oder zum Ausschuss des fehlerhaften Bauteils aus dem Schweißprozess aktiviert, oder
– bei Nichtüberscheitung des einstellbaren Schwellwertes im Histogramm ein i. O.-Signal des Signalkomparators 42 der Schweißprozess der Schweißanlage kontinuierlich gesteuert fortgesetzt.

1: Multisensor
2: Piezofolie
3: Photodiode
4: oberes Ende des von der Piezofolie gebildeten Hohlzylinders
5: GMR-Sensor
6: Außenmantel des Hohlzylinders
7: Unteres Ende des Hohlzylinders
8: Richtrohr
9: Schalldruckminderungslöcher
10: untere Öffnung des Richtrohres
11: nach außen weisende Stirnfläche der Photodiode
12: Anschlüsse für Datenleitungen
13: Datenleitungen
14: unteres Ende des Richtrohres
15: Aufsatz
16: Innenmantel des Richtrohres
17: Verspiegelung
18: gekrümmter Teil des Richtrohres
19: Gelenk
20: obere Öffnung des Richtrohres
21: oberer Teil des Richtrohres
22: zueinander benachbarte Abschnitte des Richtrohres
23: Schweißbrenner
24: Gasdüse
25: Bauteile
26: Schutzgehäuse
27: Oberteil des Schweißbrenners
28: spannfederartige Halterungseinrichtung
29: Spannelemente
30: Außenmantel des Richtrohres
31: Endkanten der Spannelemente
32: Innenmantel der teilzylindrisch geformten Piezofolie
33: oberes Ende des Richtrohres
34: Außenmantel der teilzylindrisch geformten Piezofolie
35: Schutzkappe
36: A/D-Wandler
37: Prozessrechner
38: Messwerterfassungsstufe
39: Fensterungsstufe
40: Peakerkennung
41: Histogrammbildungsstufe
42: Signalkomparator
43: Rückkopplung

Claims

Multisensorvorrichtung zum Erfassen verschiedener Prozesseigenschaften beim thermischen Fügen mit Lichtbogenprozessen, gekennzeichnet durch – einen Multisensor (1) in Form einer miniaturisierten Baueinheit aus einer – mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie (2), von der Prozessgeräusche zur erfassen sind, – einer mit der mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie (2) an deren oberem Ende (4) verbundenen Photodiode (3), von der Lichtemission aus dem Lichtbogen zu erfassen ist, und – einem mit der mindestens teilzylindrisch geformten Piezofolie (2) ebenfalls an deren oberem Ende (4) verbundenen GMR-Sensor (5), von dem vom Lichtbogen ausgehende magnetische Signale zu erfassen sind, – wobei jeweils an der Piezofolie (2), der Photodiode (3) und dem GMR-Sensor (5) Anschlüsse (12) für Datenleitungen (13) vorgesehen sind, und durch – ein dem Multisensor (1) zugeordnetes Richtrohr (8), von dem über seine untere Öffnung (10) der Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufzunehmen und zur Piezofolie (2) und zur Photodiode (3) zu leiten ist.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezofolie (2) zu einem Hohlzylinder geformt ist, der an seinem oberen Ende (4) von der Photodiode plan abgedeckt ist und an dessen Außenmantel (6) der GMR-Sensor (5) positioniert ist, und dass die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) über der oberen Öffnung (20) des letzterem zugeordneten Richtrohres (8) gehaltert angeordnet ist.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode (3) einen kreisförmigen Grundriß auweist, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Außenmantels (6) des von der Piezofolie (2) gebildeten Hohlzylinders ist.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der der Lichtemission zugewandten Stirnfläche der Photodiode (3) ein Transmissionsfilter vorgeschaltet ist, der in dem von der Piezofolie (2) gebildeten Hohlzylinder gehaltert ist.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innenmantel (32) der teilzylindrisch geformten Piezofolie (2) die Photodiode (3) und der GMR-Sensor (5) leitend befestigt sind und die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) aus der teilzylindrisch geformten Piezofolie (2), der Photodiode (3) und dem GMR-Sensor (5) innerhalb des Richtrohres (8) an dessen oberen Ende (4) gehaltert angeordnet sind.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) in dem Richtrohr (8) gehaltert ist, indem der Außenmantel (34) der teilzylindrisch geformten Piezofolie (2) am Innenmantel (32) des Richtrohres (8) fixiert ist.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) auswechselbar innerhalb des Richtrohres (8) gehaltert ist.
Multisensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (20) am oberen Ende (33) des Richtrohres (8) durch eine abnehmbare Schutzkappe (35) abzudecken ist.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Richtrohres (8) beliebig zu gestalten ist.
Multisensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Richtrohres (8) kreisförmig ist.
Multisensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Richtrohres (8) oval ist.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Richtrohr (8) zu seiner unteren Öffnung (10) hin gekrümmt verläuft.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Richtrohr (8) aus Kunststoff besteht und an seinem unteren Ende (14) mit einem gegen Hitze resistenten hohlzylindrischen Aufsatz (15) verbunden ist, der auswechselbar ist.
Multisensorvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Aufsatz (15) aus Aluminium besteht.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (16) des Richtrohres (8) eine Verspiegelung (17) aufweist.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abschnitte (22) des Richtrohres (8), die benachbart sind und sich in Richtung der Länge des Richtrohres (8) erstrecken, über ein Gelenk (19) miteinander verbunden sind.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Richtrohr (8) als flexibles schlauchartiges Element ausgebildet ist, dessen Kontur über seine Länge veränderbar ist.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Richtrohres (8) im Bereich von 100 mm bis 150 mm und der Durchmesser im Bereich von 5 bis 10 mm liegen.
Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) eine Höhe von 30 mm hat.
Multisensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Piezofolie (2) gebildete Hohlzylinder der miniaturisierten Baueinheit des Multisensors (1) eine Höhe von 30 mm und einen Durchmesser von 20 mm hat.
Verbund einer Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Schweißbrenner (23) mit Gasdüse (24) zum Metallschutzgasschweißen (MSG), dadurch gekennzeichnet, dass – die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) aus der zumindest teilzylindrisch geformten Piezofolie (2), der Photodiode (3) und dem GMR-Sensor (5) und das dem Multisensor (1) zugeordnete Richtrohr (8) am Schweißbrenner (23) gehaltert sind, – wobei die den Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen aufnehmende untere Öffnung (10) des Richtrohres (8) auf einer Höhe mit der Gasdüse (24) des Schweißbrenners (23) positioniert ist und – der Luftschall sowie die Lichtemission aus dem Lichtbogen beim Schutzgasschweißen mit dem Schweißbrenner (23) durch das Richtrohr (8) hinderungsfrei zur Piezofolie (2) und auf die Photodiode (3) des Multisensors (1) gelenkt sind.
Verbund nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass – die miniaturisierte Baueinheit des Multisensors (1) aus der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie (2), der das obere Ende des Hohlzylinders abdeckenden Photodiode (3) und dem am Außenmantel 6) des Hohlzylinders positionierten GMR-Sensor (5) in einem Schutzgehäuse (26) aufgenommen ist, das am Oberteil (27) des Schweißbrenners (23) gehaltert ist, und dass – die obere Öffnung (20) des am Schweißbrenner (23) gehalterten Richtrohres (8) im Schutzgehäuse (26) unterhalb des von der Piezofolie (2) gebildeten Hohlzylinders beabstandet mündet, – wobei der Luftschall und die Lichtemission aus dem Lichtbogen, die von der unteren Öffnung (10) des Richtrohres (8) aufzunehmen sind, durch das Richtrohr (8) auf die den Hohlzylinder bildende Piezofolie (2) und die den Hohlzylinder abdeckende Photodiode (3) hinderungsfrei gelenkt sind.
Verbund nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass am Richtrohr (8) eine spannfederartige Halterungseinrichtung (28) vorgesehen ist, die den Außenmantel (30) des Richtrohres (8) teilweise umfasst, sich in Richtung der Länge des Richtrohres (8) erstreckt, über das obere Ende (33) des Richtrohres (8) hinausragt und mit der das Richtrohr (8) am Schweißbrenner (23) zu haltern ist.
Verbund nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die spannfederartige Halterungseinrichtung (28) des Richtrohres (8) aus zwei identischen Spannelementen (29) gebildet ist, die spiegelbildlich am Außenmantel (30) des Richtrohres (8) anliegen und – gesehen in Umfangsrichtung des Richtrohres (8) – im Abstand zueinander positioniert sind.
Verbund nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die spannfederartige Halterungseinrichtung (28) des Richtrohres (8) von einem einteiligen Spannelement (29) gebildet ist, dessen Grundriss die Form eines offenen kreisförmigen Ringelementes hat, das sich über annähernd 120° erstreckt.
Verbund nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass von dem jeweiligen Anschluss (11) der teilzylindrisch oder zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie (2), der Photodiode (3) und des GMR-Sensors (5) jeweils eine Datenleitung (13) über einen A/D-Wandler (36) zu einem Prozessrechner (37) geführt ist, mit dessen Ausgang ein Signalkomparator (42) verbunden ist, von dessen n. i. O.-Ausgang eine Rückkopplung (43) zum Schweißbrenner (23) der Schweißanlage zwecks Korrektur der Schweißung oder Außerbetriebsetzung des Schweißbrenners (23) geführt ist, und dessen i. O.-Ausgang die Fortsetzung des kontinuierlichen Betrieb des Schweißbrenners (23) veranlasst.
Verfahren zur Inline-Überwachung der Qualität von Schweißnähten beim Schutzgasschweißen von Bauteilen unter Verwendung einer an einem Schweißbrenner einer Schweißanlage zu positionierenden Multisensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 20 und eines Verbundes nach einem der Ansprüche 21 bis 26, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – beim Schutzgasschweißen der Bauteile (25) werden jeweils signalmäßig von der zu einem Hohlzylinder geformten Piezofolie (2), der Photodiode (3) und dem GMR-Sensor (5) des Multisensors (1) Prozessgeräusche und die Lichtemission aus dem Lichtbogen und vom Lichtbogen ausgehende magnetische Signale erfasst, – die entsprechenden Messsignale werden jeweils von dem dem Multisensor (1) nachgeschalteten A/D-Wandler (36) nach dessen triggermäßigem Einstellen auf einen Schwellwert mit Hysterese aufgenommen und – in einer Filterstufe des dem A/D-Wandler (36) nachgeschalteten Prozessrechners (37) gefiltert, – darauf werden in einer Messwerterfassungsstufe (38) des Prozessrechners (37) für jedes der von dem Multisensor (1) aufgenommenen Messsignale die statistischen Momente 3. Ordnung (Schiefe) und 4. Ordnung (Wölbung) sowie die Gesamtsignalenergie ermittelt und einer Fensterungsstufe (39) des Prozessrechners (37) zugeführt, – in der jeder Signalverlauf in mehrere Segmente konstanter Länge zerlegt und in jedem Segment die Schiefe, die Wölbung und die Signalenergie bestimmt wird, wobei die Analyse der Signalverläufe mit einer Fensterbreite mit einer vorgegebenen Anzahl Werte (z. B. 10 000) erfolgt, – darauf werden größere Schwankungen in den abgeleiteten Größen mittels Glättungsfiltern in einer Glättungsstufe des Prozessrechners (37) beseitigt, – anschließend werden von allen Stellen, an denen die abgeleiteten Größen den einstellbaren Schwellwert über- oder unterschreiten, der jeweilige Wert der Über- oder Unterschreitung des einstellbaren Schwellwertes in einer Peakerkennung (40) registriert, – in einer Histogrammbildungsstufe (41) werden dann für alle erfassten Messsignale in einem Histogramm alle Überschreitungen und Unterschreitungen der abgeleiteten Größen ortsaufgelöst aufsummiert, – von einem dem Prozessrechner (37) nachgeschalteten Signalkomparator (42), in dem der einstellbarer Schwellwert im Histogramm gespeichert ist, wird dann entweder – bei Überschreitung des gespeicherten einstellbaren Schwellwertes im Histogramm durch ein n. i. O.-Signal ein Schweißfehler angezeigt, die Position der Fehlstelle anhand der Länge der Schweißung rechnerisch ermittelt und entsprechend die Rückkopplung (43) zur Steuerung des Schweißbrenners (23) der Schweißanlage zur Beseitigung des Schweißfehlers oder zum Ausschluss des fehlerhaften Bauteils (25) aus dem Schweißprozess aktiviert, oder – bei Nichtüberschreitung des einstellbaren Schwellwertes im Histogramm durch ein i. O.-Signal des Signalkomparators (42) der Schweißprozess der Schweißanlage kontinuierlich gesteuert fortgesetzt.