DE102009031605B4

DE102009031605B4 - Verfahren zu Klassifizierung der Qualität von Schweißpunkten von Bauteilen aus verzinkten Blechen

Info

Publication number: DE102009031605B4
Application number: DE200910031605
Authority: DE
Inventors: Boris Zubert; Thomas Kempen; Dr. Kraska Martin
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2029-07-04
Also published as: DE102009031605A1

Abstract

Verfahren zur Klassifizierung der Qualität von Schweißpunkten von Bauteilen aus 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 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, dadurch gekennzeichnet, 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, HBI den Blechabstand im Bereich der Schweißlinse, HRP die Restpunktdicke, d. h. die originale Blechstärke der verzinkten Bleche vermindert um die Einsinktiefe der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung der Qualität von Schweißpunkten von Bauteilen aus 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 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.
In der Kfz-Karosserieproduktion werden Schweißpunkte immer noch in nicht unerheblichen 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.
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 Schwellwertes 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.
Weiterhin sind ein Verfahren und ein Prüfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von Punktschweißverbindungen zwischen Strukturbauteilen im Karosserie-Rohbau bekannt ( DE 102006057802 A1 ). Hiernach wird der Fügebereich mit einer robotergeführten Anregungsquelle erwärmt, und die dabei im Fügebereich entstehende Wärmeverteilung wird mittels einer vom Roboter positionierten Thermografiekamera als zeitliche Folge von Intensitätsbildern des Fügebereichs aufgenommen, wobei in mindestens einem Kamerabereich bzw. Pixel die zeitliche Abhängigkeit der gemessenen Intensität ausgewertet wird. Die Auswertung ermöglicht eine Qualitätsaussage der Fügestelle und eine Klassifikation der bei der Schweißung auftretenden Schweißfehler. Um eine Unabhängigkeit von der Emissivität der Werkstücke zu erreichen, wird zur Auswertung eine normierte Intensität verwendet.
Zur Bestimmung von Schweißpunktdurchmessern findet auch die Fast Fourier Transformation FFT (X_i, V_j, t) mit Phasenauswertung Verwendung (Ulrike Siemer, Simulation and evaluation of new thermografic techniques for the deployment in the automotive industry, ECNDT, 2006, Berlin).
Es ist jedoch anzunehmen, dass der FFT dahingehend Grenzen gesetzt sind, dass bei verzinkten Blechen die Schweißlinse aus Stahl und der Zinksaum 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.
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. Bazzi, 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.
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. Zinksäume und Schweißpunkte lassen sich anhand der ersten Hauptkomponente unterscheiden, denn die Intensitätsverläufe steigen beim Zinksaum am Rand des Thermografiefilms stärker als beim Schweißpunkt an.
Beim Widerstandspunkschweißen entsteht in jedem Bauteil aus verzinktem Blech ein sehr hoher lateraler Temperaturgradient. Dieser führt dazu, dass an Orten außerhalb der Schweißlinse Temperaturen in den Bauteilen aus verzinkten Blechen 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 Bauteile aus verzinkten Blechen in einem Bereich nahe der Schweißlinse unter Bildung eines Zinksaums kommen.
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 verzinkten Bleche, 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 Zinksaum. Der Erste ist stets größer als der Zweite. Der gemeinsame Durchmesser D_SH der Fläche von Schweißlinse und Zinksaum lässt sich auf der Basis der Hauptkomponentenanalyse ermitteln.
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 Bauteilen aus verzinkten Blechen zu sorgen.
Als impulsangeregte Thermografie der Bauteile aus verzinkten Blechen eignen sich robuste Anregungsformen wie Induktionsanregung z. B. unter Verwendung eines Würfelinduktors, Warm- oder Kaltluftimpulsanregung sowie Anregungsformen mit Flüssigkeits- oder Spraykühlung oder CO₂.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Klassifizierung der Qualität von Schweißpunkten von Bauteilen aus verzinkten Blechen gemäß der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass den aufgezeigten Anforderungen Genüge getan wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schweißlinsendurchmesser D_SL nach folgender Formel berechnet wird: D_SL = C₀ + C₁·D_SH + C₂·H_BI + C₃·H_RP + C₄·D_SH·H_BI + C₅·E_OK, wobei darstellen:

D_SL: den Schweißlinsendurchmesser.
D_SH: den thermografischen Durchmesser von Schweißlinse und Zinksaum,
H_BI: den Blechabstand im Bereich der Schweißlinse,
H_RP: die Restpunktdicke, d. h. die originale Blechstärke der verzinkten Bleche vermindert um die Einsinktiefe der Schweißelektroden,
E_OK: die Oberflächenemissivität der anregungsabgewandten Seite des Schweißpunktes,
C₀ bis C₅: Konstanten,

_SH

_BI

_RP

_OK

– der thermografische Durchmesser D_SH von Schweißlinse und Zinksaum, 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 D_SH von Schweißlinse und Zinksaum ermittelt wird,
– der Blechabstand H_BI 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 H_BI in diesem Bereich korreliert,
– die Restpunktdicke H_RP, indem über die Zeitverläufe der Impulsintensität des Thermografiefilms Radius und Lage von Schweißlinse und Zinksaum 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 H_RP korreliert,
– die Oberflächenemissivität E_OK 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 E_OK als Oberflächenemissivität erhalten wird, und
– die Konstanten C₀ bis C₅ bestimmt werden, indem zuvor der Schweißpunkt eines Referenzbauteils aus verzinkten Blechen zerstört und der Referenzschweißlinsendurchmesser R_SL-RE gemessen und die mittlere quadratische Abweichung von D_SL zum gemessenen Wert D_SL-RE aus der zerstörenden Prüfung minimiert wird, und dass dann der formelmäßig berechnete Schweißlinsendurchmesser D_SL klassifiziert wird als: i. O. wenn sich ergibt: D_SL ≥ D_SLmin oder n. i. O. wenn sich ergibt: D_SL < D_SLmin

Der minimal zulässige Durchmesser D_SLmin der Schweißlinse ist abhängig von der Dicke der verzinkten Bleche der Bauteile. So ist z. B. D_SLmin = 3,6 mm bei einer Blechdicke von 0,8 mm.
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 den 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.
Ein Zusammenhang zwischen der Größe des Blechabstandes und der Größe des Zinksaumes zeigt sich folgendermaßen:
Bei großem Blechabstand bildet sich ein kleiner Zinksaum aus, da das durch Zink zu Hüllende Volumen groß ist. Hingegen bildet sich bei kleinen Blechabständen ein großer Zinksaum aus, da das durch Zink zu füllende Volumen klein ist und der höhere Dampfdruck die Siedetemperatur des Zinks erhöht.
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 Zinksaum. Zwischen zwei großen, parallelen Stahlplatten gelten für den Wärmeaustausch die Bedingungen gemäß „Müller, Grundzüge der Thermodynamik, Springer Verlag, Berlin, 2001”.
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 kann bei Betrachtung eines kurzen Zeitzaums nach Einsetzen der Anregung die Wärmeleitung über den Bereich Schweißlinse plus Zinksaum SP/ZK vernachlässigt werden, da der Wärmeimpuls am betrachteten Art noch nicht angekommen ist.
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.
Absorptionszahlen und Emissionsverhältnisse sind gleich und relativ klein: (blankes Metall: A_i = ε_i= 0,05), d. h. Wärmestrahlung ist gegenüber Wärmeleitung vernachlässigbar.
Blechabstand bei Zinksaum 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/m³, spezifische Wärmekapazität c = 470 J/kg, Temperaturdifferent T2 – T1 = 30°K
Wärmestromdichte über Luftspalt: Q^L _|↦2 = K / D(T₁ – T₂) Temperaturhub bei vorgegebener Wärmemenge und zu erwärmendem Volumen (Stahl):
In den obigen Formeln sind:

Q^L _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
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

Aus den obigen Formeln lässt sich ablesen, dass sich der Temperaturhub Δt mit zunehmendem 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.
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 dem Zinksaum nicht möglich ist. Erst ab einem radialen Abstand von ca. 3 mm–5 mm von dem Zinksaum 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.
Während des Widerstandpunktschweißens werden die verzinkten Bleche von den Schweißelektroden mit sehr hoher Kraft von ca. 2 bis 5 kN zusammengepresst, was zur Folge hat, dass die Schweißelektroden beim Aufschmelzen der verzinkten Bleche 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.
Die Restpunktdicke H_RP, d. h. die originale Blechstärke der verzinkten Bleche vermindert um die Einsinktiefe der Schweißelektroden, wird mittels Impulsthermografie ermittelt, indem die Laufzeit des thermischen Impulses von der Anregungs- zur Aufnahmeseite der verzinkten Blechen aus dem Thermografiefilm bestimmt wird. Die Laufzeit der thermischen Impulse hängt vom Material, den thermischen Randbedingungen und der Geometrie des Schweißpunktes ab. Sind bis auf die Restpunktdicke H_RP sämtliche anderen Parameter festgelegt, so kann die Laufzeit des thermischen Impulses zur Bestimmung der Restpunktdicke H_RP genutzt werden.
Fließt beim Widerstandspunktschweißen ein – gegenüber dem i. O. Prozess – geringerer Schweißstrom durch den zu fügenden Punkt der verzinkten Bleche, so kann das zur Folge haben, dass die verzinkten Bleche 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 das Zink aufgeschmolzen, ohne sich mit dem Kupfer zu verbinden. Es bildet sich somit der Zinksaum mit einer Oberfläche, die auch im infraroten Wellenlängenbereich eine geringere Oberflächenemissivität E_OK als beim i. O-Schweißpunkt besitzt.
Werden die verzinkten Bleche bei der thermografischen Prüfung einseitig erwärmt, so ergibt sich auf der wärmequellenabgewandten Seite der verzinkten Bleche beim Auftreten eines Zinksaums infolge der geringeren Oberflächenemissivität E_OK 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.
Zur Ermittlung der Konstanten C₀ bis C₅ der obigen Formel zur rechnerischen Bestimmung des Schweißlinsendurchmesser D_SL wird als Referenz die zerstörende Prüfung des Schweißpunktes der verzinkten Bleche eines Referenzbauteils herangezogen, die in der Karosserieproduktion die akzeptierte Referenz darstellt. Hierbei wird der Schweißpunkt der verzinkten Bleche durch Ausknöpfbruch zerstört und der Schweißlinsendurchmesser D_SL-RE mit einem mechanischen Messschieber ermittelt. Dies kann geeigneterweise auch mit einem Horizontalschliff des zerstörten Referenzbauteils geschehen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
1 eine schaubildliche Darstellung eines Thermografiefilms als 3D Array
2 ein Intensität-Zeit-Diagramm für Analysefunktionen der herkömmlich angewandten Phasen Fast-Fourier-Transformation (Phasen FFT) zur Bestimmung der Schweißpunktdurchmesser,
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,
5 ein Blockschaltbild, aus dem prinzipiell das erfindungsgemäße Verfahren zur Klassifizierung von Schweißpunkten von Bauteilen aus verzinkten Blechen hervorgeht,
6 eine schematische Darstellung der verzinkten Bleche, in der als ein erster verfahrensmäßiger Messansatz der thermische Durchmesser, d. h. der gemeinsame Durchmesser D_SH von Schweißpunktlinse und Zinksaum gekennzeichnet ist,
7 ein Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die Zeitverläufe aus dem Thermografiefilm im Zusammenhang mit der Bestimmung von D_SH hervorgehen,
8 ein Intensität-Zeit-Diagramm aus der die Normierung der Zeitverläufe auf Standardnormalverteilung bei der Bestimmung von D_SH hervorgeht,
9 eine der 6 entsprechende schematische Darstellung der verzinkten Bleche, wobei jedoch als zweiter verfahrensmäßiger Messansatz der Blechabstand H_BI im Bereich der Schweißlinse gekennzeichnet ist,
10 eine der 6 entsprechende schematische Darstellung der verzinkten Bleche im verhältnismäßig großem Abstand, wobei die thermische Abstandsbestimmung in Verbindung mit einem Intensität-Zeit-Diagramm gezeigt ist, aus dem die entsprechenden Zeitverläufe hervorgehen,
11 eine der 10 entsprechende schematische Darstellung der verzinkten Bleche, jedoch bei deren verhältnismäßig geringem Abstand und in Verbindung mit dem Intensität-Zeitdiagramm entsprechend 10,
12 eine der 6 entsprechende schematische Darstellung der verzinkten Bleche, in der als dritter verfahrensmäßiger Messansatz die Restpunktdicke H_RP gekennzeichnet ist,
13 ein normiertes Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die Zeitverläufe in Verbindung mit der Bestimmung der Restpunktdicke hervorgehen,
14 ein weiteres normiertes Intensität-Zeit-Diagramm im Zusammenhang mit der Bestimmung eines repräsentativen Zeitverlaufs und Totzeitberechnung in Verbindung mit der Bestimmung der Restpunktdicke,
15 ein Intensität-Zeit-Diagramm, aus dem die Zeitverläufe in einem Bereich hervorgehen, auf dem die Oberflächenemissivität auszuwerten ist, und
16 ein Häufigkeit-Intensität-Diagramm, aus dem eine Mittelung der Maxima als eine Kenngröße für die Oberflächenemissivität hervorgeht.
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, der die gemessenen Intensitäten als Grauwerte wiedergibt, in 1 als 3D Array dargestellt ist.
Bei der FFT (x_i, y_j, 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.
Die Grenzen der herkömmlichen Verwendung der FFT zur Bestimmung des Schweißlinsendurchmessers zeigen sich jedoch dahingehend, dass bei verzinkten Blechen die Schweißlinse und der Zinksaum 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.
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 zweitgrößten 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.
Aus dem Blockschaltbild nach 5 geht prinzipiell die Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Klassifizierung von Schweißpunkten von Bauteilen aus 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:

D_SH:: gemeinsamer Durchmesser von Schweißlinse und Zinksaum
H_BI:: Blechabstand
H_RP:: Restpunktdicke
E_OK:: Oberflächenemissivität

Zudem werden im Wege einer zerstörenden Prüfung des Schweißpunktes von verzinkten Blechen eines Referenzbauteils der Durchmesser D_LS-RE der Schweißlinsendurchmesser des Referenzbauteils mechanisch ermittelt und die Konstanten C₀ bis C₅ bestimmt, indem die mittlere quadratische Abweichung des Schweißlinsendurchmessers D_SL zum gemessenen Wert des Schweißlinsendurchmessers D_LS-RE aus der zerstörenden Prüfung minimiert wird.
In einem nachgeschalteten Klassifikator F, dem die Größen der in den vier Berechnungsvorgängen jeweils berechneten geometrischen Parameter D_SH, H_IB, H_RP bzw. E_OK zugeführt werden und in dem ein vorgegebener minimaler Schweißlinsendurchmesser D_SLmin gespeichert ist, wird der Schweißlinsendurchmesser D_SL der verzinkten Bleche nach der Formel D_SL = C₀ + C₁·D_SH + C₂·H_BI + C₃·H_RP + C₄·D_SH·H_BI + C₅·E_OK berechnet und mit dem minimalen Schweißlinsendurchmesser D_SLmin verglichen.
Ergibt der Vergleich D_SL ≥ D_SLmin, so gibt der Klassifikator ausgangseitig ein i. O.-Signal bezüglich der Qualität des geprüften Schweißpunktes in den laufenden Produktionsprozess ab.
Ergibt der Vergleich hingegen D_SL < D_SLmin, so wird vom Klassifikator ausgangsseitig ein n. i. O.-Signal bezüglich der Qualität des geprüften Schweißpunktes dem laufenden Produktionsprozess zugeführt.
In 6 sind die verzinkten Bleche schematisch dargestellt und der thermografische Durchmesser bzw. der gemeinsame Durchmesser von Schweißlinse und Zinksaum D_SH als erster Messansatz gekennzeichnet. Das Intensität-Zeit-Diagramm gemäß 7 zeigt die Zeitverläufe aus dem Thermografiefilm im Zusammenhang mit der Bestimmung des thermografischen Durchmessers D_SH. 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 D_SH bestimmt.
9 zeigt entsprechend der 6 schematisch die verschweißten verzinkten Bleche, wobei der zu ermittelnde Blechabstand H_BI als zweiter Messansatz gekennzeichnet ist.
Aus den 10 und 11 geht die Bestimmung des Blechabstands H_BI 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 kameraseitigen Blech übertragene Warme wird in diesem zusätzlich durch Wärmeleitung über den Luftspalt überlagert, so dass eine Auswertung neben dem Zinksaum 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 dem Zinksaum für kurze Zeit nach der Anregung ein Messwert der Wärmeübertragung über den Luftspalt ahne Überlagerung des lateralen Wärmetransportes zu erfassen.
Wie die 10 und 11 verdeutlichen, entsteht bei einem großen Blechabstand (10) eine kleine und bei einem kleinen Blechabstand ein großer Zinksaum, wenn das aufgeschmolzene Zinkvolumen gleich groß ist. Die Größe des Zinksaums 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 umso größer, je geringer der Blechabstand wird. Aufgrund dieses Zusammenhangs zwischen Blechabstand und Größe des Zinksaums kann daher bei bekanntem gemeinsamen Durchmesser D_SH von Schweißlinse und Zinksaum 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.
12 zeigt eine der 6 entsprechende schematische Darstellung der verzinkten Bleche 1 und 2, wobei neben dem Blechabstand und dem thermischen Durchmesser D_SH als dritter Messansatz die Restpunktdicke H_RP gekennzeichnet ist.
Wie die 13 und 14 verdeutlichen, werden zur Bestimmung der Restpunktdicke gemäß dem normierten Intensität-Zeit-Diagramm der 13 die Zeitverläufe des Thermogrrafrefilms auf Standardnormalverteilung sowie Radius und Lage des Bereiches von Schweißlinse und Zinksaum normiert. Gemäß dem normierten 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 Zeitverlaufs entspricht, berechnet. Der Wert des Schnittpunkts entspricht der Totzeit.
Hierfür ist es notwendig, dass der repräsentative Zeitverlauf mit Einsetzen der Anregung beginnt.
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 E_OK für die Oberflächenemissivität.

Claims

Verfahren zur Klassifizierung der Qualität von Schweißpunkten von Bauteilen aus 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 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißlinsendurchmesser D_SL nach folgender Formel berechnet wird: D_SL = C₀ + C₁·D_SH + C₂·H_BI + C₃·H_RP + C₄·D_SH·H_BI + C₅·E_OK, wobei darstellen: D_SL den Schweißlinsendurchmesser, D_SH den thermografischen Durchmesser von Schweißlinse und Zinksaum, H_BI den Blechabstand im Bereich der Schweißlinse, H_RP die Restpunktdicke, d. h. die originale Blechstärke der verzinkten Bleche vermindert um die Einsinktiefe der Schweißelektroden, E_OK die Oberflächenemissivität der anregungsabgewandten Seite des Schweißpunktes, C₀ bis C₅ Konstanten, und dass die Parameter D_SH, H_BI, H_RP und E_OK zuvor über die Zeitverläufe der Impulsintensität aus dem Thermografiefilm jeweils wie folgt bestimmt werden: – der thermografische Durchmesser D_SH von Schweißlinse und Zinksaum, 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 D_SH von Schweißlinse und Zinksaum ermittelt wird, – der Blechabstand H_BI 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 H_BI in diesem Bereich korreliert, – die Restpunktdicke H_RP, indem über die Zeitverläufe der Impulsintensität des Thermografiefilms Radius und Lage von Schweißlinse und Zinksaum 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 wild, deren Wert mit der Restpunktdicke H_RP korreliert, – die Oberflächenemissivität E_OK 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 E_OK als Oberflächenemissivität erhalten wird, und – die Konstanten C₀ bis C₅ bestimmt werden, indem zuvor der Schweißpunkt eines Referenzbauteils aus verzinkten Blechen zerstört und der Referenzschweißlinsendurchmesser R_SL-RE gemessen und die mittlere quadratische Abweichung von D_SL zum gemessenen Wert D_SL-RE aus der zerstörenden Prüfung minimiert wird, und dass dann der formelmäßig berechnete Schweißlinsendurchmesser D_SL klassifiziert wird als: i. O. wenn sich ergibt: D_SL ≥ D_SLmin oder n. i. O. wenn sich ergibt: D_SL < D_SLmin
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als minimal zulässiger Durchmesser D_SLmin der Schweißlinse D_SLmin = 3,6 mm angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem radialen Abstand von 3,00 mm bis 5,00 mm nach außen von dem Zinksaum unmittelbar nach Anregung der verzinkten Bleche die Wärmeleitung über den Luftspalt ohne Überlagerung der vom Schweißpunkt lateral abgeführten Wärme ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Konstanten C₀ bis C₅ der Formel zur rechnerischen Bestimmung des Schweißlinsendurchmessers D_SL in einer zerstörenden Prüfung der Schweißpunkt der beiden verzinkten Bleche eines Referenzbauteils mechanisch durch Ausknöpfbruch zerstört wird und der Schweißlinsendurchmesser dann mit einem Messschieber ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Klassifizierung der zu ermittelnden Werte der Parameter D_SH, H_BI, H_RP und E_OK als i. O. oder n. i. O. ein neuronales Netz verwendet wird.