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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung der Qualität
von Schweißpunkten von Fügepartnern wie verzinkten
Blechen mittels impulsangeregter Thermografie wie Induktionsthermografie des
fertig geschweißten Bauteils im Bereich des Schweißpunktes,
der normalerweise aus einer Schweißlinse als geschmolzener
Zone und einem Schweißkleber (Zinksaum) als um letztere
herumliegende nicht geschmolzene Zone besteht, wobei die Oberflächentemperaturverteilung,
die sich durch den im Bauteil entstehenden Wärmefluss auf
der anregungsabgewandten Seite des Bauteils ergibt, von einer Thermografiekamera
in ihrem örtlichen und zeitlichen Verlauf bildgebend gemessen
wird und von einem mit letzterer gekoppelten Rechner die erfassten Intensitätszeitverläufe
ausgewertet werden.
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In
der Kfz-Karosserieproduktion werden Schweißpunkte immer
noch in nicht unerheblichem Maße zerstörend geprüft,
auch wenn sich alternativ die zerstörungsfreie manuelle
Ultraschallprüfung etabliert hat, bei der jeder Schweißpunkt
durch korrektes Aufsetzen eines Prüfkopfes von Hand auf
das Bauteil zu prüfen ist. Die fachgerechte Einstellung
von Bewertungshilfen für die Ultraschallprüfgeräte
erfordert jedoch erfahrenes Prüfpersonal.
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Es
ist ein Verfahren zur automatischen berührungslosen und
zerstörungsfreien Prüfung einer Schweißverbindung
mindestens zweier Fügepartner aus gleichen oder unterschiedlichen
Materialien bekannt (
DE
10 2006 061 794 B3 ), das als Untersuchung von Infrarotbildern
ausgebildet ist. Hierbei wird ein Prüfling von mindestens
einer Quelle angeregt und der dabei entstehende Wärmefluss
von mindestens einem Infrarotsensor in einer Serie von Thermobildern
erfasst. Die Thermobilder und die aus der Bildserie gewonnenen Ergebnisbilder
verschiedener Typen, die einen Wärmefluss in Transmission und/oder
in Reflektion mit zeitlicher und räumlicher Auflösung
darstellen, werden dann untersucht. Hierbei wird die entstehende
Schweißlinse in einem Ergebnisbild, das die Wärmeflussdynamik
durch die Schweißverbindung darstellt, als Bereich aus
einer Reihe von Bereichen der Wärmeflussdynamik derart ermittelt,
dass diese Bereiche aus Bildpunkten oberhalb eines dynamischen Schwellwerte
bestehen, der vom maximalen zum minimalen Schwellwert variiert wird.
Der maximale Schwellwert entspricht dann dem Spitzenwert der Wärmeflussdynamik
und der minimale Schwellwert liegt oberhalb der Wärmeflussdynamik
des Bildhintergrundes, sodass diese Bereiche der Wärmeflussdynamik
nach einer sprunghaften Vergrößerung ihres Umfangs
untersucht werden, die auf die gesuchte Schweißlinse hindeutet.
Die Schweißlinse wird dann nach ihrer Position und Größe
bewertet.
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Zur
Bestimmung von Schweißpunktdurchmessern findet auch die
Fast Fourier Transformation FFT (Xi, Yj, t) mit Phasenauswertung Verwendung (Ulrike
Siemer, Simulation and evaluation of new thermographic techniques
for the deployment in the automotive industry, ECNDT, 2006, Berlin).
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Es
ist jedoch anzunehmen, dass der FFT dahingehend Grenzen gesetzt
sind, dass bei verzinkten Blechen die Schweißlinse aus
Stahl und die Haftzone aus Zink nicht zu unterscheiden sind. Dies
kann dadurch begründet sein, dass die Amplitudeninformationen
bei der Phasenauswertung verloren gehen, die Analysefunktion A cos(ωt
+ Φ) nicht problemspezifisch ist und Nachbarschaften nicht
berücksichtigt werden.
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Im
Vergleich zur Fast Fourier Transformation besitzt die Hauptkomponentenanalyse
(HKA) zur Darstellung eines Signals in einer problemspezifischen
orthogonalen Basis ein größeres Potential (RAJIC
N, Principal component thermography for flaw contrast enhancement
and flaw depth characterisation in composite structures, Composite
structures, vol. 58, no4, (2002), pp. 521–528, S.
Marinetti, E. Grinzato, P. G. Bison, E. Bozzi, M. Chimenti, G. Pieri, O.
Salvetti, Statistical analysis of IR thermographic sequences by
PCA, Infrared Physics & Technology, Volume
46, Issues 1–2, December 2004, Pages 85–91).
Bei der Hauptkomponentenanalyse stellt die erste Hauptkomponente
den größten Teil des Signals und die zweite Hauptkomponente
den zweitgrößten Anteil des Signals dar. Die Vorgehensweise
ist derart, dass die Intensitäten für jeden Zeitverlauf
auf Standardnormalverteilung normiert werden, worauf die Bestimmung
der Kovarianzmatrix der normierten Zeitverläufe erfolgt.
Die Eigenvektoren der Kovarianzmatrix bilden dann die neue Basis,
und die Größe der Eigenwerte ordnet die Eigenvektoren
ihrem Informationsgehalt nach. Betrachtet werden nur die Hauptkomponenten
mit großem Informationsgehalt.
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Festzuhalten
ist, dass die Hauptkomponentenanalyse ein größeres
Potential als die Fourieranalyse besitzt, Graubilder zu liefern,
auf deren Grundlage Zinkkleber von i. O. Schweißpunkten
zu unterscheiden sind. Die thermografisch erfassten Intensitätsverläufe
können zum Großteil durch die Überlagerung
von zwei Hauptkomponenten erklärt werden, und zwar eine
Erwärmung der verschweißten Bleche mit der Zeit
durch die erste Hauptkomponente und eine starke, kurzfristige Erwärmung
und anschließende Abkühlung durch laterale Wärmeleitung
durch die zweite Hauptkomponente. Zinkkleber und Schweißpunkte
lassen sich anhand der ersten Hauptkomponente unterscheiden, denn
die Intensitätsverläufe steigen beim Zinkkleber
am Rand des Thermografiefilms stärker als beim Schweißpunkt
an.
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Beim
Widerstandspunkschweißen entsteht in jedem Fügepartner
ein sehr hoher lateraler Temperaturgradient. Dieser führt
dazu, dass an Orten außerhalb der Schweißlinse
Temperaturen in den Fügepartnern bestehen, die ein Schmelzen
der Zinkschicht bewirken. Gleichzeitig verdampft das Zink im Bereich
und nahe der Schweißlinse und kondensiert unter Umständen
an Orten niedriger Temperatur außerhalb der Schweißlinse.
Wenn sich die zufügenden Bleche in einem sehr geringen
Abstand voneinander befinden, kann es folglich zu einer Verlötung
der Fügepartner in einem Bereich nahe der Schweißlinse unter
Bildung einer Haftzone kommen.
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Da
diese Zinkverlötung normalerweise eine Dicke zwischen 5
bis 15 μ hat, bewirkt sie während einer aktiven
thermografischen Untersuchung eine äußerst geringe
Veränderung eines thermischen Impulses durch den Fügepunkt.
Schwankungen der Materialparameter der Fügepartner, der
Emissivität und der Fügepunktgeometrie haben einen
deutlich stärkeren Einfluss auf die kameraseitig emittierte
Wärme, so dass thermografisch eine Unterscheidung von Zinkschicht
und Schweißlinse aus Stahl nicht möglich ist.
Dennoch besteht ein Zusammenhang zwischen der Größe
des Querschnitts der Schweißlinse in Fügeebene
und dem gemeinsamen Querschnitt von Schweißlinse und Haftzone.
Der Erste ist stets größer als der Zweite. Der
gemeinsame Durchmesser DSH der Fläche
von Schweißlinse und Zinksaum (Haftzone) lässt
sich auf der Basis der Hauptkomponentenanalyse ermitteln.
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Zielsetzung
der vorliegenden Erfindung ist es, unter Verwendung einer robusten
Anregungstechnik für die Thermografie für die
Möglichkeit einer Inline-Qualitätssicherung für
das Widerstandspunktschweißen mittels Thermografie als Alternative
zur personenintensiven und zerstörenden Prüfung
von Schweißpunkten von Fügepartnern wie verzinkten Blechen
zu sorgen.
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Als
impulsangeregte Thermografie der Fügepartner eignen sich
robuste Anregungsformen wie Induktionsanregung z. B. unter Verwendung
eines Würfelinduktors, Warm- oder Kaltluftimpulsanregung sowie
Anregungsformen mit Flüssigkeits- oder Spraykühlung
oder CO2.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Klassifizierung
der Qualität von Schweißpunkten von Fügepartnern
wie verzinkten Blechen gemäß der eingangs erwähnten
so auszubilden, dass den aufgezeigten Anforderungen Genüge
getan wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Schweißlinsendurchmesser DSL nach
folgender Formel berechnet wird: DSL =
C0 + C1·DSH + C2·HBI + C3·HRP + C4·DSH·HBI + C5·EOK, wobei
darstellen:
- DSL
- den Schweißlinsendurchmesser,
- DSH
- den thermografischen
Durchmesser von Schweißlinse und Zinksaum (Haftzone),
- HBI
- den Blechabstand im
Bereich der Schweißlinse,
- HRP
- die Restpunktdicke,
d. h. die originale Blechstärke der Fügepartner
vermindert um die Einsinktiefe der Schweißelektroden,
- EOK
- die Oberflächenemissivität
der anregungsabgewandten Seite des Schweißpunktes,
- C0 bis
C5
- Konstanten,
und dass die Parameter DSH,
HIB, HRP und EOK
zuvor über die Zeitverläufe
der Impulsintensität aus dem Thermografiefilm jeweils wie
folgt bestimmt werden: - – der thermografische
Durchmesser DSH von Schweißlinse
und Zinksaum (Haftzone), indem die Zeitverläufe der Impulsintensität
aus dem Thermofilm auf Standardnormalverteilung normiert werden,
nach Maskierung von Bereichen, die weniger als sämtliche
Blechlagen enthalten, eine Hauptkomponentenanalyse für
die normierten Zeitverläufe der Impulsintensität
erfolgt, dann ein binäres Bild mittels Schwellwertanalyse
auf dem Koeffizientenbild der ersten Hauptkomponente bestimmt wird
und daraus durch Hough-Transformation der thermografische Durchmesser
DSH von Schweißlinse und Zinksaum
(Haftzone) ermittelt wird,
- – der Blechabstand HBI im Bereich
der Schweißlinse, indem das Koeffizientenbild der ersten
Hauptkomponente erstellt und die Koeffizienten außerhalb
des Schweißpunktes und außerhalb der Maskierung
gemittelt werden, wobei der erhaltene Mittelwert mit dem Blechabstand
HBI in diesem Bereich korreliert,
- – die Restpunktdicke HRP, indem über
die Zeitverläufe der Impulsintensität des Thermografiefilms Radius
und Lage von Schweißlinse und Zinksaum (Haftzone) auf Standardnormalverteilung
normiert werden, in diesem Bereich ein repräsentativer Zeitverlauf
der Impulsintensität durch Mittelung oder Wahl des Zeitverlaufes
der Impulsintensität bestimmt wird, bei dem das Maximum
zuerst erreicht wird, und dann die Totzeit berechnet wird, deren
Wert mit der Restpunktdicke HRP korreliert,
- – die Oberflächenemissivität EOK der anregungsabgewandten Seite des Schweißpunktes,
indem auf dem Koeffizientenbild zur ersten Hauptkomponente eine
Schwellwertanalyse zur Bestimmung eines Bereiches durchgeführt
wird, auf dem die Oberflächenemissivität auszuwerten
ist, dann die Bestimmung der Maxima der Zeitverläufe der Impulsintensität
in diesem Bereich erfolgt und über die Mittelung der Maxima
die Kenngröße EOK als
Oberflächenemissivität erhalten wird, und
- – die Konstanten C0 bis C5 bestimmt werden, indem zuvor der Schweißpunkt
eines Referenzbauteils aus den Fügepartnern (aus den verzinkten Blechen)
zerstört und der Referenzschweißlinsendurchmesser
RSL-RE gemessen und die mittlere quadratische
Abweichung von DSL zum gemessenen Wert DSL-RE aus der zerstörenden Prüfung
minimiert wird, und
dass dann der formelmäßig
berechnete Schweißlinsendurchmesser DSL klassifiziert
wird als:
i. O. wenn sich ergibt: DSL ≥ DSLmin oder
n. i. O. wenn sich ergibt:
DSL < DSLmin
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Der
minimal zulässiger Durchmesser DSLmin der
Schweißlinse ist abhängig von der Blechdicke der Fügepartner.
So ist z. B. DSLmin = 3,6 mm bei einer Blechdicke
von 0,8 mm.
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Bei
Bewertung des Wärmeflusses aufgrund der Intensitätszeitverläufe
im gefügten Bauteil vom anregungsseitigen Blech zum gegenüberliegenden Blech
zeigt sich, dass der Hauptteil der Wärme über den
Schweißpunkt übertragen und lateral abgeleitet wird.
Ein kleiner Teil der Wärme wird über den Spalt zwischen
den Blechen als sog. Nebenwegübertragung übertragen
und ist in seiner Größe von der Spaltgeometrie
abhängig. Bei einem verhältnismäßig kleinen
Spalt zwischen den Blechen bewirkt die auf dem Nebenwegen übertragene
Wärmemenge am Rand des anregungsabgewandten Bleches ein
Ansteigen der Temperatur mit der Zeit. Bei einem verhältnismäßig
breiten Spalt zwischen den Blechen ist die auf den Nebenwegen übertragene
Wärmemenge klein und bewirkt am Rand des anregungsabgewandten
Bleches nur einen geringen Anstieg der Temperatur über
die Zeit. Die Schlussfolgerung ist somit, dass der Abstand der gefügten
Bleche thermografisch bestimmt werden kann.
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Ein
Zusammenhang zwischen der Größe des Blechabstandes
und der Größe der Haftzone (des Zinksaumes) zeigt
sich folgendermaßen:
Bei großem Blechabstand
bildet sich eine kleine Haftzone aus, das das durch Zink zu füllende
Volumen groß ist. Hingegen bildet sich bei kleinen Blechabständen
eine große Haftzone aus, da das durch Zink zu füllende
Volumen klein ist und der höhere Dampfdruck die Siedetemperatur
des Zinks erhöht.
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Wie
durch thermografische Untersuchung von zwei unverschweißten
Blechen nachgewiesen ist, zeigen sich bei isolierter Betrachtung
der Wärmeübertragung über den Luftspalt
die gleichen Effekte wie bei der Wärmeübertragung
im Bereich Schweißlinse plus Zinkkleber (Haftzone). Zwischen
zwei großen, parallelen Stahlplatten gelten für
den Wärmeaustausch die Bedingungen gemäß „Müller,
Grundzüge der Thermodynamik, Springer Verlag, Berlin, 2001".
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Für
einen Vergleich von berechneten und gemessenen Temperaturhub sei
folgendes angenommen:
In genügend großem
Abstand nach außen von dem die Schweißlinse SL
umgebenden Zinksaum ZK (Haftzone) kann bei Betrachtung eines kurzen
Zeitraums nach Einsetzen der Anregung die Wärmeleitung über
den Bereich Schweißlinse plus Zinksaum (Haftzone) SP/ZK
vernachlässigt werden, da der Wärmeimpuls am betrachteten
Ort noch nicht angekommen ist.
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Durch
Erwärmung dehnt sich die Luft im radialsymmetrischen Spalt
aus. Innerhalb des Zeitraums von Δt = 0,5 s kann das Nachströmen
kalter Luft von außen vernachlässigt werden, d.
h. Konvektion ist gegenüber Wärmeleitung vernachlässigbar.
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Absorptionszahlen
und Emissionsverhältnisse sind gleich und relativ klein
(blankes Metall: Ai = εi = 0,05), d. h. Wärmestrahlung
ist gegenüber Wärmeleitung vernachlässigbar.
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Blechabstand
bei Zinkkleber D
ZK ungefähr 0,05
mm, Blechabstand bei Schweißlinse D
SL ungefähr
0,35 mm (jeweils mit Fühllehre gemessen);
Blechdicke
D = 0,8 mm, Grundfläche A, Volumen V = A·D
Wärmeleitfähigkeit
von Luft: κ = 0,023 W/mK, Dichte von Stahl ρ =
7850 kg/m
3, spezifische Wärmekapazität
c = 470 J/kg, Temperaturdifferent T2 – T1 = 30°K
Wärmestromdichte über
Luftspalt:
Temperaturhub bei vorgegebener
Wärmemenge und zu erwärmendem Volumen (Stahl):
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In
den obigen Formeln sind:
- QL 1 → 2
- Wärmestromdichte
zwischen der Stahlplatte 1 nach Stahlplatte 2
- κ
- Wärmeleitfähigkeit
der Luft, die sich zwischen den beiden Stahlplatten befindet
- D
- Abstand der beiden
parallelen Stahlplatten.
- T1 – T2
- die Temperaturdifferenz
zwischen den Stahlplatten
- ΔT:
- die Temperaturdifferenz
nach der Zeit
- Δt:
- die betrachtete Zeitspanne
- ρ
- die Dichte der Stahlplatte
mit geringerer Temperatur
- V
- das Volumen der Stahlplatte
mit geringerer Temperatur
- c
- die spezifische Wärmekapazität
der Stahlplatte mit geringerer Temperatur
- A
- die Fläche
der Stahlplatte mit geringerer Temperatur
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Aus
den obigen Formeln läßt sich ablesen, dass sich
der Temperaturhub Δt mit zunehmenden Blechabstand verringert.
Wegen der geringen Emissivität und Absorption ist der Wärmetransport
durch Wärmestrahlung deutlich geringer als aufgrund der Wärmeleitung.
Wärmekonvektion kann aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit
und der kurzen Beobachtungsdauer vernachlässigt werden.
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Der
obige Zusammenhang ist beim Schweißpunkt entsprechend gegeben,
wobei zusätzlich die über den Luftspalt übertragene
Wärme im kameraseitigen Bereich von der Wärmeleitung über den
Luftspalt überlagert wird, so dass eine Auswertung des
Luftspaltes unmittelbar neben der Haftzone nicht möglich
ist. Erst ab einem radialen Abstand von ca. 3 mm–5 mm von
der Haftzone nach außen kann für kurze Zeit nach
der Anregung Information bezüglich der Wärmeübertragung über
den Luftspalt ohne Überlagerung der vom Schweißpunkt
lateral abgeführten Wärme ermittelt werden.
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Während
des Widerstandpunktschweißens werden die Fügepartner
von den Schweißelektroden mit sehr hoher Kraft von ca.
2 bis 5 kN zusammengepresst, was zur Folge hat, dass die Schweißelektroden
beim Aufschmelzen der Fügepartner im Bereich der sich bildenden
Schweißlinse geringfügig in die Bleche einsinken.
Wie stark dieses Einsinken ist, hängt u. a. vom aufgeschmolzenen
Stahlvolumen ab, das zugleich maßgeblich die Größe
der Schweißlinse bestimmt. Der gegebene Zusammenhang zwischen dem
Einsinken der Schweißelektroden in das aufgeschmolzene
Stahl der Bleche und dem Durchmesser bzw. der Querschnittsfläche
der Schweißlinse kann somit für die Bestimmung
der Größe der Schweißlinse genutzt werden.
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Die
Restpunktdicke HRP, d. h. die originale Blechstärke
der Fügepartner vermindert um die Einsinktiefe der Schweißelektroden,
wird mittels Impulsthermografie ermittelt, indem die Laufzeit des
thermischen Impulses von der Anregungs- zur Aufnahmeseite der Fügepartner
aus dem Thermografiefilm bestimmt wird. Die Laufzeit des thermischen
Impulse hängt vom Material, den thermischen Randbedingungen
und der Geometrie des Schweißpunktes ab,. Sind bis auf
die Restpunktdicke HRP sämtliche
anderen Parameter festgelegt, so kann die Laufzeit des thermischen
Impulses zur Bestimmung der Restpunktdicke HRP genutzt
werden.
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Fließt
beim Widerstandspunktschweißen ein – gegenüber
dem i. O. Prozess – geringerer Schweißstrom durch
den zu fügenden Punkt der Fügepartner, so kann
das zur Folge haben, dass die Fügepartner im Extremfall
unverbunden bleiben bzw. nur durch aufgeschmolzenes Zink verbunden
werden. Von außen ist dies z. T. durch ein verändertes
visuell wahrnehmbares Erscheinungsbild der Fügestelle zu
erkennen. Während sich bei hohem Schweißstrom
und damit einhergehend hoher Fügetemperatur das Zink des
Blechs mit dem Kupfer der Schweißelektroden zu Messing
verbindet, wird bei niedrigen Temperaturen lediglich des Zink, ohne
sich mit dem Kupfer zu verbinden. Es bildet sich somit der sog.
Kleber mit einer Oberfläche, die auch im infraroten Wellenlängenbereich
eine geringere Oberflächenemissivität EOK als beim i. O-Schweißpunkt besitzt.
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Werden
die Fügepartner bei der thermografischen Prüfung
einseitig erwärmt, so ergibt sich auf der wärmequellenabgewandten
Seite der Fügepartner beim Auftreten einer Klebers infolge
der geringeren Oberflächenemissivität EOK eine geringere Wärmeabstrahlung
als dies bei einem i. O. Schweißpunkt der Fall ist. Im
Thermografilm sind diese Unterschiede in den absoluten Werten der
Maxima der Intensitätsverläufe im Bereich der
Fügestelle zu erkennen.
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Zur
Ermittlung der Konstanten C0 bis C5 der obigen Formel zur rechnerischen Bestimmung
des Schweißlinsendurchmesser DSL wird
als Referenz die zerstörende Prüfung des Schweißpunktes
der Fügepartner eines Referenzbauteils herangezogen, die
in der Karosserieproduktion die akzeptierte Referenz darstellt.
Hierbei wird der Schweißpunkt der Fügepartner
durch Ausknöpfbruch zerstört und der Schweißlinsendurchmesser
DSL-RE mit einem mechanischen Messschieber
ermittelt. Dies kann geeigneterweise auch mit einem Horizontalschliff
des zerstörten Referenzbauteils geschehen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In
diesen sind:
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1 eine
schaubildliche Darstellung eines Thermografiefilms als 3D Array
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2 ein
Intensität-Zeit-Diagramm für Analysefunktionen
der herkömmlich angewandten Phasen Fast-Fourier-Transformation
(Phasen FFT) zur Bestimmung der Schweißpunktdurchmesser,
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3 ein
Intensität–Zeit-Diagramm, aus dem alle normierten
Intensitätsverläufe im Zusammenhang mit der Hauptkomponentenanalyse
hervorgehen,
-
4 ein
Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die ersten drei Hauptkomponenten
hervorgehen,
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5 ein
Blockschaltbild, aus dem prinzipiell das erfindungsgemäße
Verfahren zur Klassifizierung von Schweißpunkten von Fügepartnern
wie verzinkten Blechen hervorgeht,
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6 eine
schematische Darstellung der Fügepartner, in der als ein
erster verfahrensmäßiger Messansatz der thermische
Durchmesser, d. h. der gemeinsame Durchmesser DSH von
Schweißpunktlinse und Zinksaum (Haftzone) gekennzeichnet
ist,
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7 ein
Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die Zeitverläufe
aus dem Thermografiefilm im Zusammenhang mit der Bestimmung von
DSH hervorgehen,
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8 ein
Intensität-Zeit-Diagramm aus der die Normierung der Zeitverläufe
auf Standardnormalverteilung bei der Bestimmung von DSH hervorgeht,
-
9 eine
der 6 entsprechende schematische Darstellung der Fügepartner,
wobei jedoch als zweiter verfahrensmäßiger Messansatz
der Blechabstand HIB im Bereich der Schweißlinse
gekennzeichnet ist,
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10 eine
der 6 entsprechende schematische Darstellung der Fügepartner
im verhältnismäßig großem Abstand,
wobei die thermische Abstandsbestimmung in Verbindung mit einem
Intensität-Zeit-Diagramm gezeigt ist, aus dem die entsprechenden
Zeitverläufe hervorgehen,
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11 eine
der 10 entsprechende schematische Darstellung der
Fügepartner, jedoch bei deren verhältnismäßig
geringem Abstand und in Verbindung mit dem Intensität-Zeitdiagramm
entsprechend 10,
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12 eine
der 6 entsprechende schematische Darstellung der Fügepartner,
in der als dritter verfahrensmäßiger Messansatz
die Restpunktdicke HRP gekennzeichnet ist,
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13 ein
normierte Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die Zeitverläufe
in Verbindung mit der Bestimmung der Restpunktdicke hervorgehen,
-
14 ein
weiteres normierte Intensität-Zeit-Diagramm im Zusammenhang
mit der Bestimmung eines repräsentativen Zeitverlaufs und
Totzeitberechnung in Verbindung mit der Bestimmung der Restpunktdicke,
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15 ein
Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die Zeitverläufe
in einem Bereich hervorgehen, auf dem die Oberflächenemissivität
auszuwerten ist, und
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16 ein
Häufigkeit-Intensität-Diagramm, aus dem eine Mittelung
der Maxima als eine Kenngröße für die
Oberflächenemissivität hervorgeht.
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Aus
den in den 1 und 2 dargestellten
Diagrammen lässt sich die herkömmliche Vorgehensweise
bei der Verwendung der FFT zur Bestimmung des Schweißlinsendurchmessers
ablesen, wobei der Thermografiefilm, die der die gemessenen Intensitäten
als Grauwerte wiedergibt, in 1 als 3D Array
dargestellt ist.
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Bei
der FFT (Xi, Yj,
t) ergibt sich die Phase des ersten Fourierkoeffizienten als Graubild.
Es erfolgt dann eine Schwellwertanalyse zur Bestimmung eines Binärbildes
und nachfolgend ein Kreis-Fit auf Basis des Binärbildes.
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Die
Grenzen der herkömmlichen Verwendung der FFT zur Bestimmung
des Schweißlinsendurchmessers zeigen sich jedoch dahingehend,
dass bei verzinkten Blechen die Schweißlinse und der Zinksaum
(Haftzone) nicht zu unterscheiden sind. Dies kann darin begründet
sein, dass die Amplitudeninformationen bei der Phasenauswertung
verloren gehen (vgl. 2), die Analysefunktion A cos(ωt
+ Φ) nicht problemspezifisch ist und Nachbarschaften nicht
berücksichtigt werden.
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Im
Vergleich zur FFT mit Phasenauswertung besitzt die Hauptkomponentenanalyse
(HKA) ein größeres Potential zur Darstellung eines
Signals in einer problemspezifischen orthogonalen Basis. Bei der
Hauptkomponentenanalyse stellt die erste Hauptkomponente den größten
Teil des Signals und die zweite Hauptkomponente den zweigrößten
Teil des Signals dar. Mit den ersten drei Hauptkomponenten lassen
sich 99% des Signals rekonstruieren. 3 zeigt
in einem Intensität-Zeit-Diagramm alle normierten Intensitätsverläufe.
Aus 4 gehen dann im Intensität-Zeit-Diagramm
die ersten drei Hauptkomponenten hervor.
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Aus
dem Blockschaltbild nach 5 geht prinzipiell die Vorgehensweise
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Klassifizierung
von Schweißpunkten von Fügepartnern wie verzinkten
Blechen hervor. Gemäß Block A wird aus der aktiven
Thermografie ein Thermografiefilm der Oberflächentemperaturverteilung,
die sich durch den im Bauteil entstehenden Wärmefluß auf
der anregungsabgewandten Seite des Bauteils ergibt, entsprechend
ihrem örtlichen und zeitlichen Verlauf erstellt. Aus dem
Thermografiefilm werden anschließend in vier Berechnungsvorgängen,
die durch die Blöcke B bis E in 5 dargestellt
sind und die zeitlich gleichzeitig ablaufen können, die
vier Parameter größenmäßig bestimmt:
- DSH:
- gemeinsamer Durchmesser
von Schweißlinse und Zinksaum (Haftzone)
- HBI:
- Blechabstand
- HRP:
- Restpunktdicke
- EOK:
- Oberflächenemissivität
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Zudem
werden im Wege einer zerstörenden Prüfung des
Schweißpunktes von Fügepartner eines Referenzbauteils
der Durchmesser DLS-RE der Schweißlinsendurchmesser
des Referenzbauteils mechanisch ermittelt und die Konstanten C0 bis C5 bestimmt,
indem die mittlere quadratische Abweichung des Schweißlinsendurchmessers
DSL zum gemessenen Wert des Schweißlinsendurchmessers DLS-RE aus der zerstörenden Prüfung
minimiert wird.
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In
einem nachgeschalteten Klassifikator F, dem die Größen
der in den vier Berechnungsvorgängen jeweils berechneten
geometrischen Parameter DSH, HIB,
HRP bzw. EOK zugeführt
werden und in dem ein vorgegebener minimaler Schweißlinsendurchmesser
DSLmin gespeichert ist, wird der Schweißlinsendurchmesser
DSL der Fügepartner nach der Formel DSL = C0 +
C1·DSH +
C2·HBI +
C3·HRP +
C4·DSH·HBI + C5·EOK
berechnet und mit dem minimalen Schweißlinsendurchmesser
DSLmin verglichen.
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Ergibt
der Vergleich DSL ≥ DSLmin,
so gibt der Klassifikator ausgangseitig ein i. O.-Signal bezüglich der
Qualität des geprüften Schweißpunktes
in den laufenden Produktionsprozess ab.
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Ergibt
der Vergleich hingegen DSL < DSLmin,
so wird vom Klassifikator ausgangsseitig ein n. i. O.-Signal bezüglich
der Qualität des geprüften Schweißpunktes
dem laufenden Produktionsprozess zugeführt.
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In 6 sind
die Fügepartner schematisch dargestellt und der thermografische
Durchmesser bzw. der gemeinsame Durchmesser von Schweißlinse
und Zinksaum (Haftzone) DSH als erster Messansatz
gekennzeichnet. Das Intensität-Zeit-Diagramm gemäß 7 zeigt
die Zeitverläufe aus dem Thermografiefilm im Zusammenhang
mit der Bestimmung des thermografischen Durchmessers DSH.
Wie aus dem Intensität-Zeit-Diagramm nach 8 hervorgeht,
werden die Zeitverläufe auf Standardnormalverteilung normiert.
Dann werden Bereiche des Bauteils mit nur einer Blechlage maskiert
und die Hauptkomponentenanalyse (HKA) für die normierten
Zeitverläufe durchgeführt. Mittels Schwellwertanalyse auf
dem Koeffizientenbild der ersten Hauptkomponente wird ein binäres
Bild bestimmt. Mittels Hough-Transformation wird anschließend
der gesuchte Durchmesser DSH bestimmt.
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9 zeigt
entsprechend der 6 schematisch die verschweißten
Fügepartner, wobei der zu ermittelnde Blechabstand HBI als zweiter Messansatz gekennzeichnet
ist.
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Aus
den 10 und 11 geht
die Bestimmung des Blechabstands HBI bei
verhältnismäßig großem bzw.
verhältnismäßig geringem Abstand der verzinkten
Bleche 1 und 2 hervor, wobei das anregungsseitige Blech 1 warm und
das kameraseitige Blech 2 kalt ist, die Pfeile die Wege der Wärmeübertragung
kennzeichnen und die Größe der Pfeile der Wärmemenge
entsprechen. Die über die Schweißlinse zum kaneraseitigen
Blech übertragene Wärme wird in diesem zusätzlich
durch Wärmeleitung über den Luftspalt überlagert,
so dass eine Auswertung neben dem Zinksaum (Haftzone) nicht möglich
ist. Wie in den 10 und 11 jeweils
durch einen Messfühler 3 gekennzeichnet ist, ist erst ab
einem Abstand von ca. 3,00 mm bis 5,00 mm von der Haftzone für
kurze Zeit nach der Anregung ein Messwert der Wärmeübertragung über
den Luftspalt ohne Überlagerung des lateralen Wärmetransportes
zu erfassen.
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Wie
die 10 und 11 verdeutlichen, entsteht
bei einem großen Blechabstand (10) eine
kleine und bei einem kleinen Blechabstand eine große Haftzone,
wenn das aufgeschmolzene Zinkvolumen gleich groß ist. Die
Größe der Haftzone hängt zum einen von
dem Volumen des aufgeschmolzenen und verdampften Zink und zum anderen
von dem Blechabstand im Bereich der Schweißlinse ab. Bei gleichem
verflüssigtem Zinkvolumen wird die mit diesem Volumen maximal
verlötbare Fläche umso größer,
je geringer der Blechabstand wird. Aufgrund dieses Zusammenhangs
zwischen Blechabstand und Größe der Haftzone kann
daher bei bekanntem gemeinsamen Durchmesser DSH von
Schweißlinse und Haftzone aus dem Blechabstand auf die
Größe der Schweißlinse zurückgeschlossen
werden. Über die mit dem jeweiligen Messfühler
3 ermittelten Zeitverläufe in dem jeweils zugeordneten
Intensität-Zeit-Diagramm in 10 bzw. 11 wird
ein Koeffizientenbild der ersten Hauptkomponente erstellt. Die Koeffizienten
werden dann außerhalb des Schweißpunktes und außerhalb
der Maskierung gemittelt. Der erhaltene Wert korreliert jeweils
mit dem Blechabstand in diesem Bereich.
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12 zeigt
eine der 6 entsprechende schematische
Darstellung der Fügepartner 1 und 2, wobei neben dem Blechabstand
und dem thermischen Durchmesser DSH als
dritter Messansatz die Restpunktdicke HRP gekennzeichnet
ist.
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Wie
die 13 und 14 verdeutlichen, werden
zur Bestimmung der Restpunktdicke gemäß dem Normierten
Intensität-Zeit-Diagramm der 13 die
Zeitverläufe des Thermografiefilms auf Standardnormalverteilung
sowie Radius und Lage des Bereiches von Schweißlinse und
Haftzone normiert. Gemäß dem Normierte Intensität-Zeit-Diagramm
der 14 wird in dem relevanten Bereich ein repräsentativer
Zeitverlauf durch Mittelung oder Wahl des Zeitverlaufs bestimmt,
bei dem das Maximum zuerst erreicht wird. Anschließend
erfolgt eine Totzeitberechnung, deren erhaltener Wert mit der Restpunktdicke
korreliert. Bei der Totzeitberechnung wird für den stark
ansteigenden Bereich des repräsentativen Zeitverlaufs eine
Regressionsgerade sowie ihr Schnittpunkt mit einem konstanten Intensitätsverlauf,
dessen Wert dem ersten Wert des repräsentativen Zeitverlufs
entspricht, berechnet. Der Wert des Schnittpunktes entspricht der
Totzeit. Hierfür ist es notwendig, dass der repräsentative
Zeitverlauf mit Einsetzen der Anregung beginnt.
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Als
vierter verfahrensmäßiger Messansatz wird zudem
die Oberflächenemissivität eingeführt, wie
aus 6 ersichtlich ist. Die Auswertung der Oberflächenemissivität
ist aus dem Intensität-Zeit-Diagramm gemäß 15 und
dem Häufigkeit-Intensität-Diagramm gemäß 16 ablesbar.
Zunächst wird über die Zeitverläufe aus
dem Thermografiebild das Koeffizientenbild zur ersten Hauptkomponente gebildet
und mittels der Schwellwertanalyse auf dem Koeffizientenbild ein
Bereich bestimmt, auf dem die Oberflächenemissivität
ausgewertet werden soll. Wie aus 15 ablesbar
ist, werden dann die Maxima der Zeitverläufe in diesem
Bereich bestimmt. Gemäß 16 erfolgt
dann die Mittelung der Maxima als Kenngröße EOK für die Oberflächenemissivität.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006061794
B3 [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Ulrike Siemer,
Simulation and evaluation of new thermographic techniques for the
deployment in the automotive industry, ECNDT, 2006, Berlin [0004]
- - RAJIC N, Principal component thermography for flaw contrast
enhancement and flaw depth characterisation in composite structures,
Composite structures, vol. 58, no4, (2002), pp. 521–528 [0006]
- - S. Marinetti, E. Grinzato, P. G. Bison, E. Bozzi, M. Chimenti,
G. Pieri, O. Salvetti, Statistical analysis of IR thermographic
sequences by PCA, Infrared Physics & Technology, Volume 46, Issues 1–2,
December 2004, Pages 85–91 [0006]
- - „Müller, Grundzüge der Thermodynamik,
Springer Verlag, Berlin, 2001” [0017]
