DE102011077754A1 - Device useful for welding first metal element with second metal element by resistance welding, comprises welding electrode arrangement, electric welding current supply and arrangement for monitoring welding process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft nach einem Aspekt eine Einrichtung zum Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen, umfassend: eine Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden, die einen Schweißspalt definieren und zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind und mit denen in der Schweißstellung ein Kontaktdruck zwischen dem ersten und dem zweiten Metallelement durch gemeinsames Klemmen der Metallelemente zwischen den Schweißelektroden erzeugbar ist, und eine elektrische Schweißstromversorgung zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden über die Metallelemente.According to one aspect, the invention relates to a device for welding at least one first metal element with at least one second metal element by resistance welding, comprising: a welding electrode arrangement having at least two welding electrodes which define a welding gap and are movable relative to one another between a receiving position and a welding position and with which the welding position, a contact pressure between the first and the second metal element can be generated by clamping the metal elements together between the welding electrodes, and an electric welding power supply for introducing a welding current between the welding electrodes arranged in the welding position via the metal elements.
Es ist bekannt, bei Widerstandsschweißvorrichtungen den Schweißprozess auf Basis des Schweißstroms, der Schweißspannung, des Elektrodendrucks und des Nachsetzwegs zu überwachen. Diese Größen können nur recht indirekt über den Verlauf des Schweißvorgangs Auskunft geben und lassen somit die erzielte Qualität des Schweißprozesses nicht gut erkennen.It is known to monitor the welding process based on the welding current, the welding voltage, the electrode pressure and the Nachsetzwegs in resistance welding devices. These quantities can only provide information about the course of the welding process in a rather indirect manner and thus do not clearly show the achieved quality of the welding process.
Es ist demgegenüber eine Aufgabe der Erfindung, Widerstandsschweißvorgänge direkter zu überwachen, insbesondere bezüglich der Qualität der entstandenen Schweißverbindung. Zur Lösung dieser Aufgabe wird für die eingangs genannte Einrichtung vorgeschlagen, dass diese eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung aufweist, umfassend: wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor, welcher bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfängt, und eine Auswerteeinrichtung, die dafür ausgeführt ist, wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors zu empfangen und in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium auszuwerten.By contrast, it is an object of the invention to more directly monitor resistance welding processes, in particular with regard to the quality of the welded joint that has been produced. To solve this problem, it is proposed for the device mentioned that it has an arrangement for monitoring the welding process on the basis of detected heat radiation, comprising: at least one heat radiation detector, which receives heat radiation from the region of the welding gap when welding electrodes are arranged in the welding position, and an evaluation device adapted to receive at least one of the receiving heat radiation dependent output of the heat radiation detector and to evaluate with respect to at least one monitoring criterion.
Weiterhin stellt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe nach einem weiteren Aspekt ferner bereit ein Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen mittels einer Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden, die einen Schweißspalt definieren und zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind und mit denen in der Schweißstellung ein Kontaktdruck zwischen dem ersten und dem zweiten Metallelement durch gemeinsames Klemmen der Metallelemente zwischen den Schweißelektroden erzeugbar ist, und einer elektrischen Schweißstromversorgung zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden über die Metallelemente, bei dem mittels wenigstens eines Wärmestrahlungsdetektors bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden während eines Schweißvorgangs in Folge von über die Metallelemente fließendem Schweißstrom Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfangen wird und wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium ausgewertet wird.In another aspect, the invention further provides a method for monitoring the welding process on the basis of detected thermal radiation when welding at least one first metal element to at least one second metal element by resistance welding by means of a welding electrode arrangement having at least two welding electrodes defining a welding gap and between a receiving position and a welding position are movable relative to each other and with which in the welding position, a contact pressure between the first and the second metal element by common clamping of the metal elements between the welding electrodes can be generated, and an electric welding power supply for initiating a welding current between the arranged in the welding position Welding electrodes on the metal elements, in which by means of at least one heat radiation detector angeo in the welding position During a welding operation, welding electrodes receive heat radiation from the region of the welding gap as a result of welding current flowing over the metal elements, and at least one of the receiving heat radiation-dependent output signal of the heat radiation detector is evaluated with respect to at least one monitoring criterion.
Bei einer Widerstandsschweißung wird über den Stromfluss durch die beiden zu verbindenden Materialien an der Kontaktstelle über den Kontaktwiderstand so viel Wärme erzeugt, dass die Materialien sich verbinden. Dies erfolgt im Übergang zwischen dem festen Zustand zu dem flüssigen Zustand der Materialien. Entsprechend den Materialeigenschaften entstehen durch die eingebrachte elektrische Leistung Temperaturen, die sich als Wärmestrahlung messen lassen. Die Wärmestrahlung liegt typischerweise in einem Wellenlängenbereich von ca. 3 μm bis 800 nm, also im infraroten bis rot-gelb sichtbaren elektromagnetischen Spektrum. Dies entspricht einem Temperaturbereich einer Schwarzkörperstrahlung von ca. 600°C bis 2000°C.In resistance welding, so much heat is generated by the current flow through the two materials to be connected at the pad via the contact resistance that the materials combine. This occurs in the transition between the solid state to the liquid state of the materials. Depending on the material properties, the introduced electrical power causes temperatures that can be measured as heat radiation. The heat radiation is typically in a wavelength range of about 3 microns to 800 nm, ie in the infrared to red-yellow visible electromagnetic spectrum. This corresponds to a temperature range of black body radiation of about 600 ° C to 2000 ° C.
Die Erfassung der Wärmestrahlung kann beispielsweise mit einem oder mehreren Photoelementen erfolgen, deren Empfindlichkeit z. B. zwischen 3 μm bis 0,8 μm liegt. Zweckmäßig kann ein solches Photoelement bzw. können solche Photoelemente in einer Elektrodenhalterung oder in einem Schweißarm der erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung liegen, da im Bereich der Schweißelektrode aufgrund der Elektrodengeometrie und einer häufig realisierten Kühlung in der Regel deutlich niedrigere Temperaturen auftreten und damit Wärmestrahlung nur mit deutlich größerer Wellenlänge abgestrahlt wird als von den durch die eingebrachte elektrische Leistung erhitzten Materialien, die sich verbinden sollen. Die so erfasste Wärmestrahlung hängt vom Verlauf des Schweißvorgangs ab und kann z. B. bezüglich Intensität, Verlauf und Spektrum für die Kontrolle der Schweißverbindung genutzt werden.The detection of thermal radiation can be done for example with one or more photoelements whose sensitivity z. B. is between 3 microns to 0.8 microns. Expediently, such a photoelement or such photoelements may be located in an electrode holder or in a welding arm of the welding device according to the invention, since in the region of the welding electrode due to the electrode geometry and a cooling that is frequently realized significantly lower temperatures usually occur and thus heat radiation only with a significantly longer wavelength is radiated as from the heated by the introduced electric power materials to connect. The thermal radiation thus detected depends on the course of the welding process and can, for. B. be used in terms of intensity, shape and spectrum for the control of the welded joint.
Es wird vor allem, aber nicht ausschließlich, daran gedacht, dass die erfindungsgemäße Einrichtung dafür ausgeführt ist, wenigstens einen Kontaktmetallrohling an einer Anbindungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen anzuschweißen. Hierzu kann die Einrichtung an sich bekannte Bestandteile aufweisen, etwa wie folgt: eine Halterungsanordnung zum Haltern des Trägerteils in einer Position, in welcher ein Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche des Trägerteils innerhalb des Schweißspalts liegt; eine Kontaktmetallrohlingszuführung zur Zuführung von Kontaktmetallrohlingen zu einer dem Kontaktteil-Bestückungsplatz zugeordneten Kontaktmetallrohlingsübergabeposition; eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Schweißelektroden zwischen der Aufnahmestellung und der Schweißstellung und zur Erzeugung eines Kontaktdrucks zwischen dem Trägerteil und einem jeweiligen an dem Kontaktteil-Bestückungsplatz des Trägerteils positionierten Kontaktmetallrohling durch gemeinsames Klemmen des Trägerteils und des Kontaktmetallrohlings zwischen den Schweißlektroden in der Schweißstellung; und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kontaktmetallrohlingszuführung, der Antriebseinrichtung und der Schweißstromversorgung.It is especially, but not exclusively, thought that the device according to the invention is designed to weld at least one contact metal blank to a connection surface of a metallic carrier part made of sheet metal or flat material by resistance welding. For this purpose, the device may comprise components known per se, for example as follows: a A support assembly for supporting the support member in a position in which a contact part loading space of the mounting surface of the support member is within the welding gap; a contact metal blank feeder for feeding contact metal blanks to a contact metal blank transfer position associated with the contact part loading place; drive means for moving the welding electrodes between the picking position and the welding position and for generating a contact pressure between the carrier part and a respective contact metal blank positioned at the contact part mounting location of the carrier part by clamping the carrier part and the contact metal blank together between the welding electrodes in the welding position; and a control means for controlling the contact metal blank feed, the drive means and the welding power supply.
Erfindungsgemäß wird also speziell auch eine Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an eine Anbindungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen bereitgestellt, welche umfasst: eine Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden, die einen Schweißspalt definieren und unter Veränderung der Spaltweite des Schweißspalts zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind; eine Halterungsanordnung zum Haltern des Trägerteils in einer Position, in welcher ein Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche des Trägerteils innerhalb des Schweißspalts liegt; eine Kontaktmetallrohlingszuführung zur Zuführung von Kontaktmetallrohlingen zu einer dem Kontaktteil-Bestückungsplatz zugeordneten Kontaktmetallrohlingsübergabeposition; eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Schweißelektroden zwischen der Aufnahmestellung und der Schweißstellung und zur Erzeugung eines Kontaktdrucks zwischen dem Trägerteil und einem jeweiligen an dem Kontaktteil-Bestückungsplatz des Trägerteils positionierten Kontaktmetallrohling durch gemeinsames Klemmen des Trägerteils und des Kontaktmetallrohlings zwischen den Schweißelektroden in der Schweißstellung; eine elektrische Schweißstromversorgung zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden über den Kontaktmetallrohling und das Trägerteil, zum Anschweißen des Kontaktmetallrohlings an dem Trägerteil an dessen Kontaktteil-Bestückungsplatz; und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kontaktmetallrohlingszuführung, der Antriebseinrichtung und der Schweißstromversorgung.Thus, according to the invention, a device for welding at least one contact metal blank to a connection surface of a metal carrier part made of sheet metal or flat material by resistance welding is also specifically provided, which comprises: a welding electrode arrangement having at least two welding electrodes defining a welding gap and changing the gap width of the welding gap between a receiving position and a welding position are movable relative to each other; a support assembly for supporting the support member in a position in which a contact-part insertion space of the attachment surface of the support member is within the welding gap; a contact metal blank feeder for feeding contact metal blanks to a contact metal blank transfer position associated with the contact part loading place; a drive means for moving the welding electrodes between the picking position and the welding position and for generating a contact pressure between the carrier part and a respective contact metal blank positioned at the contact part mounting position of the carrier part by clamping the carrier part and the contact metal blank together between the welding electrodes in the welding position; an electric welding power supply for introducing a welding current between the welding electrodes arranged in the welding position via the contact metal blank and the support member, for welding the contact metal blank to the support member at the contact part mounting position thereof; and a control means for controlling the contact metal blank feed, the drive means and the welding power supply.
Solche Einrichtungen sind beispielsweise bekannt aus
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an einer Anbingungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen dadurch aus, dass eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung vorgesehen ist, die umfasst: wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor, welcher bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfängt; und eine Auswerteeinrichtung, die dafür ausgeführt ist, wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors zu empfangen und in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium auszuwerten.According to the invention, the device for welding at least one contact metal blank to a bumping surface of a metal carrier part made of sheet metal or flat material by resistance welding is characterized in that an arrangement for monitoring the welding process based on detected heat radiation is provided, which comprises: at least one heat radiation detector, which in in the Welding position arranged welding electrodes receives heat radiation from the region of the welding gap; and an evaluation device, which is designed to receive at least one of the receiving heat radiation-dependent output signal of the heat radiation detector and to evaluate with respect to at least one monitoring criterion.
Betreffend die Zuführung von Kontaktmetallrohlingen sei angemerkt, dass die Kontaktteil-Übergabeposition vorteilhaft der Kontaktteil-Bestückungsposition in dem Schweißspalt entsprechen kann.With regard to the supply of contact metal blanks, it should be noted that the contact part transfer position can advantageously correspond to the contact part insertion position in the welding gap.
Um den Verlauf des Schweißvorgangs besser wiederspiegelnde Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts detektieren zu können, kann wenigstens eine der Schweißelektroden mit einem Beobachtungsdurchlass ausgeführt sein, durch den bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts austreten kann und über den der Wärmestrahlungsdetektor die Wärmestrahlung empfängt. Es wird in diesem Zusammenhang vor allem, aber nicht ausschließlich, daran gedacht, dass der Beobachtungsdurchlass als sich von einer den Schweißspalt definierenden Kontaktseite der Schweißelektrode zu einer Rückseite der Schweißelektrode erstreckender Beobachtungskanal ausgeführt ist.In order to be able to detect heat radiation from the region of the welding gap which reflects the course of the welding process better, at least one of the welding electrodes can be provided with an observation passage through which heat radiation can exit from the region of the welding gap when the welding electrodes are arranged in the welding position and via which the heat radiation detector Thermal radiation receives. In this context, it is primarily, but not exclusively, conceived that the observation passage is designed as an observation channel extending from a contact side of the welding electrode defining the welding gap to a rear side of the welding electrode.
Betreffend die Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an der Anwendungsfläche eines metallischen Trägerteils wird als besonders zweckmäßig vorgeschlagen, dass eine in der Schweißstellung an einer zur Anbringungsfläche des Trägerteils entgegengesetzten Rückseite des Trägerteils angreifende Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass ausgeführt ist. Auch in diesem Zusammenhang wird speziell an die Realisierung des Beobachtungsdurchlass als Beobachtungskanal gedacht. Dabei kann die Öffnung in der Schweißelektrode recht klein (beispielsweise kleiner als 15% der an der Rückseite des Trägerteils angreifenden Elektrodenoberfläche) gehalten werden. Durch diese Öffnung bzw. den Beobachtungsdurchlass kann die Messung der Wärmestrahlungsintensität gut erfolgen, da das umliegende Elektrodenmaterial aufgrund seiner niedrigeren Temperatur sich näherungsweise wie ein schwarzer Körper verhält und in einem bestimmbaren Verhältnis zur Temperatur der Schweißstelle steht.With regard to the device for welding at least one contact metal blank to the application surface of a metallic carrier part, it is proposed to be particularly expedient that a welding electrode engaging in the welding position on a rear side of the carrier part opposite the attachment surface of the carrier part is designed with the observation passage. Also in this context is thought specifically to the realization of the observation passage as an observation channel. In this case, the opening in the welding electrode can be kept quite small (for example less than 15% of the electrode surface acting on the rear side of the carrier part). Through this opening or the observation passage, the measurement of the heat radiation intensity can be done well because the surrounding Due to its lower temperature, the electrode material behaves approximately like a black body and is determinable relative to the temperature of the weld.
Allgemein wird vorgeschlagen, dass bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung von einem dem Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche entsprechenden, diesem entgegengesetzten Oberflächenbereich der Rückseite des Trägerteils durch den Beobachtungsdurchlass aus dem Bereich des Schweißspalts austreten kann. Ist der Beobachtungsdurchlass von dem schon angesprochenen Beobachtungskanal gebildet, so kann sich dieser zweckmäßig im Wesentlichen orthogonal zu dem zu dem Kontaktteil-Bestimmungsplatz der Anbringungsfläche entgegengesetzten Oberflächenbereich der Rückseite des Trägerteils erstrecken.In general, it is proposed that, in the case of welding electrodes arranged in the welding position, thermal radiation can emerge from the region of the welding gap from the surface area of the rear side of the carrier part which corresponds to the contact part mounting location of the mounting surface. If the observation passage is formed by the observation channel already mentioned, this can expediently extend substantially orthogonal to the surface region of the rear side of the carrier part which is opposite to the contact part-determining location of the attachment surface.
Es bestehen grundsätzlich viele Möglichkeiten, wie dafür gesorgt werden kann, dass die aus dem Bereich des Schweißspalts, insbesondere durch den Beobachtungsdurchlass austretende Wärmestrahlung ohne bzw. mit möglichst geringen Verlusten dem wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor zugeführt wird. Es bestehen auch grundsätzlich viele Möglichkeiten, wo der Wärmestrahlungsdetektor im Bezug auf den Schweißspalt bzw. die Schweißelektroden positioniert ist. Allgemein wird in diesem Zusammenhang daran gedacht, dass der Wärmestrahlungsdetektor die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts bzw. von einem/dem Oberflächenbereich eines der Metallelemente bzw. des Trägerteils über eine optische Anordnung empfängt, die vorzugsweise wenigstens eine von den folgenden Komponenten umfasst: eine Strahlungsleiteranordnung, wenigstens ein Linsenelement, und wenigstens ein Spektralfilter.In principle, there are many possibilities for ensuring that the heat radiation emerging from the region of the welding gap, in particular through the observation passage, is supplied to the at least one heat radiation detector without or with as little loss as possible. There are also basically many possibilities where the heat radiation detector is positioned with respect to the welding gap or the welding electrodes. In general, in this context, it is contemplated that the thermal radiation detector receives the thermal radiation from the region of the welding gap or from a surface region of one of the metal elements or the carrier part via an optical arrangement, which preferably comprises at least one of the following components: a radiation conductor arrangement , at least one lens element, and at least one spectral filter.
Zweckmäßig kann der Wärmestrahlungsdetektor, ggf. zusammen mit wenigstens einer zugeordneten optischen Komponente, in einer Aussparung einer die Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass haltenden Schweißelektrodenhalterung angeordnet sein.Suitably, the heat radiation detector, possibly together with at least one associated optical component, may be arranged in a recess of a welding electrode holder holding the welding electrode with the observation passage.
Eine andere Möglichkeit ist, dass der Wärmestrahlungsdetektor gesondert von einer die Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass haltenden Schweißelektrodenhalterung angeordnet ist. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass ein Eingangsende einer/der die Wärmestrahlung dem Wärmestrahlungsdetektor zuführenden Strahlungsleiteranordnung und vorzugsweise wenigstens eine zugeordnete optische Komponente in einer Aussparung der Schweißelektrodenhalterung angeordnet ist.Another possibility is that the heat radiation detector is arranged separately from a welding electrode holder holding the welding electrode with the observation passage. In this context, it can be provided that an input end of a radiation conductor arrangement which supplies the heat radiation to the heat radiation detector and, preferably, at least one associated optical component is arranged in a recess of the welding electrode holder.
Eine spektral selektive Erfassung der Wärmestrahlung kann sinnvoll sein, um den Schweißvorgang gut überwachen zu können. Hierzu kann dem Wärmestrahlungsdetektor eine Spektralfilteranordnung zugeordnet sein, die dafür ausgeführt ist, von der aus dem Bereich des Schweißspalts bzw. von einem/dem Oberflächenbereich eines der Metallelemente bzw. des Trägerteils ausgehende Wärmestrahlung wenigstens einen Wellenlängenbereich selektiv zu dem Wärmestrahlungsdetektor durchzulassen.A spectrally selective detection of the heat radiation can be useful to monitor the welding process well. For this purpose, the heat radiation detector may be assigned a spectral filter arrangement which is designed to selectively transmit at least one wavelength range to the heat radiation detector from the thermal radiation emanating from the region of the welding gap or from one / the surface region of one of the metal elements or the carrier part.
Sinnvoll kann auch sein, die Wärmestrahlung simultan betreffend verschiedener spektraler Anteile zu erfassen. Hierzu wird vorgeschlagen, dass der Wärmestrahlungsdetektor mehrere Wärmestrahlungsdetektorelemente aufweist oder dass mehrere Wärmestrahlungsdetektoren vorgesehen sind, mit denen gleichzeitig verschiedene spektrale Anteile der aus dem Bereich des Schweißspalts bzw. von einem/dem Oberflächenbereich eines der Metallelemente bzw. des Trägerteils ausgehenden Wärmestrahlung detektierbar sind. Man kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass die mehreren Wärmestrahlungsdetektorelemente bzw. die mehreren Wärmestrahlungsdetektoren unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsbandbreiten aufweisen oder/und wenigstens einem der Wärmestrahlungsdetektorelemente bzw. Wärmestrahlungsdetektoren wenigstens ein eine bestimmte spektrale Durchlassbandbreite aufweisender Spektralfilter zugeordnet ist.It can also be useful to record the thermal radiation simultaneously with respect to different spectral components. For this purpose, it is proposed that the heat radiation detector has a plurality of heat radiation detector elements or that a plurality of heat radiation detectors are provided, with which different spectral components of the heat radiation emanating from the region of the welding gap or from one / the surface region of one of the metal elements or the carrier part can be detected simultaneously. In this connection, it can be provided that the plurality of heat radiation detector elements or the plurality of heat radiation detectors have different spectral sensitivity bandwidths and / or at least one of the heat radiation detector elements or heat radiation detectors is assigned at least one spectral filter having a specific spectral transmission bandwidth.
Betreffend die Auswertung durch die Auswerteeinrichtung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, auf Basis des wenigstens einen Ausgangssignals des wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektors während eines Schweißvorgangs wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende erste Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium auszuwerten.Concerning the evaluation by the evaluation device, it is proposed that the evaluation device is designed to detect at least one first welding signature characterizing the welding process or its time profile based on the at least one output signal of the at least one heat radiation detector during a welding operation and at least one of these Evaluate monitoring criterion.
Der Begriff „Signatur” soll hier nur eines oder mehrere Merkmale der mit dem Wärmestrahlungsdetektor in Bezug auf einen Schweißvorgang erfassten Wärmestrahlung (oder auch anderer Rückschluss auf den Verlauf des Schweißvorgangs erlaubender Größen, siehe unten) ansprechen. Es kann sich um ein summarisches Merkmal, etwa eine mittlere Intensität der erfassten Wärmestrahlung über den Verlauf des Schweißvorgangs oder eine aufintegrierte Intensität der über ein Zeitintervall erfassten Intensität handeln, ebenso wie es sich auch um den Intensitätsverlauf selbst (etwa die Menge aller über einen Beobachtungszeitraum erfassten Intensitätswerte) oder/und um diesen kennzeichnende Größen handeln kann, etwa maximale Intensität, Oberschreiten bzw. nicht Überschreiten einer Intensitätsschwelle, Form der Intensitätskurve usw. Wenn hier von Intensität die Rede ist, schließt dieser Begriff auch die Intensität repräsentierende Messwerte wie die Ausgangsspannung eines Photoelements ein.The term "signature" is intended here to address only one or more features of the heat radiation detected by the heat radiation detector with respect to a welding operation (or other inference to variables permitting the course of the welding process, see below). It may be a summary feature, such as an average intensity of the detected heat radiation over the course of the welding process or an integrated intensity of the intensity detected over a time interval, as well as the intensity curve itself (such as the amount of all over a period of observation Intensity values) and / or can be around these characteristic quantities, such as maximum intensity, exceeding or not exceeding an intensity threshold, shape of the intensity curve, etc. If this is intensity, this term also includes the intensity representing measured values such as the output voltage of a photoelement.
Es wird speziell daran gedacht, dass die erste Schweißsignatur wenigstens einen Signaturwert umfasst, der summarisch, ggf. als zeitlicher Mittelwert oder als Integralwert oder als Effektivwert, die Intensität der während eines Schweißvorgangs von dem Wärmestrahlungsdetektor empfangenen Wärmestrahlung oder die Intensität wenigstens eines spektralen Anteils dieser Wärmestrahlung repräsentiert, oder/und dass die erste Schweißsignatur wenigstens einen Signaturwertverlauf umfasst, der den zeitlichen Verlauf der Intensität der während eines Schweißvorgangs von dem Wärmestrahlungsdetektor empfangenen Wärmestrahlung oder den zeitlichen Verlauf der Intensität wenigstens eines spektralen Anteils dieser Wärmestrahlung repräsentiert.It is specifically contemplated that the first welding signature comprises at least one signature value, the summation, if appropriate as time average or as integral value or as rms value, the intensity of the heat radiation received by the heat radiation detector during a welding process or the intensity of at least one spectral component of this heat radiation represents, and / or that the first welding signature comprises at least one signature value profile representing the time course of the intensity of the received during a welding operation of the heat radiation detector heat radiation or the time course of the intensity of at least a spectral portion of this heat radiation.
Zusätzlich können auch andere Rückschluss auf den Verlauf des Schweißvorgangs bzw. die Qualität der Verschweißung erlaubende Größen zur Überwachung des Schweißvorgangs mit herangezogen werden. Es wird etwa daran gedacht, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, auf Basis wenigstens eines Ausgangssignals der Schweißstromversorgung oder/und mittels wenigstens eines wenigstens eine elektrische Größe des Schweißstroms erfassenden Sensors wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende zweite Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigsten ein Überwachungskriterium auszuwerten. Die Auswerteeinrichtung kann dabei speziell und besonders vorteilhaft dafür ausgeführt sein, gemäß einem Überwachungskriterium die erste Schweißsignatur in Bezug auf die zweite Schweißsignatur auszuwerten. Es kann beispielsweise die erste Schweißsignatur in Abhängigkeit von der zweiten Schweißsignatur dahingehend beurteilt werden, ob der Schweißvorgang richtig verlaufen ist und die nötige Qualität erreicht ist.In addition, other inferences on the course of the welding process or the quality of the welding permitting quantities can be used to monitor the welding process. For example, it is thought that the evaluation device is designed to detect at least one second welding signature characterizing the welding process or its time profile based on at least one output signal of the welding power supply and / or by means of at least one sensor detecting at least one electrical variable of the welding current evaluate at least one monitoring criterion. In this case, the evaluation device can be embodied specifically and particularly advantageously for evaluating the first welding signature in relation to the second welding signature in accordance with a monitoring criterion. For example, it is possible to judge the first welding signature as a function of the second welding signature in terms of whether the welding process has proceeded correctly and the required quality has been achieved.
Die zweite Schweißsignatur kann wenigstens einen Signaturwert umfassen, der summarisch, ggf. als zeitlicher Mittelwert oder als Integralwert oder als Effektivwert, wenigstens eine elektrische Größe von i) der Stromstärke des Schweißstroms, ii) einer einen Spannungsabfall an den Metallelementen bzw. dem Kontaktmetallrohling und dem Trägerteil repräsentierenden Spannung und iii) einer in diese eingebrachten elektrischen Leistung oder Energie repräsentiert. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Schweißsignatur wenigstens einen Signaturwertverlauf umfassen, der den zeitlichen Verlauf wenigstens einer elektrischen Größe von i) der Stromstärke des Schweißstroms, ii) einer einen Spannungsabfall an den Metallelementen bzw. dem Kontaktmetallrohling und dem Trägerteil repräsentierenden Spannung und iii) einer in diese eingebrachten elektrischen Leistung oder Energie repräsentiert.The second welding signature may comprise at least one signature value which is summarily, if appropriate as time average or as integral value or as rms value, at least one electrical variable of i) the current intensity of the welding current, ii) a voltage drop across the metal elements or contact metal blank and Represent carrier voltage and iii) represents an introduced in this electric power or energy. Alternatively or in addition, the second welding signature may comprise at least one signature value profile which represents the time profile of at least one electrical quantity of i) the current intensity of the welding current, ii) a voltage representing a voltage drop across the metal elements or the contact metal blank and the carrier part, and iii) one in represents this introduced electrical power or energy.
Ferner kann die Auswerteeinrichtung vorteilhaft dafür ausgeführt sein, mittels wenigstens eines Kraftsensors den Kontaktdruck oder einen zeitlichen Kontaktdruckverlauf während des Schweißvorgangs zu erfassen oder/und mittels wenigstens eines Wegsensors ein Nachsetzen wenigstens einer der Schweißelektroden, insbesondere einen zeitlichen Verlauf des Nachsetzens oder/und einen Nachsetzweg wenigstens einer der Schweißelektroden, während des Schweißvorgangs als dritte Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium auszuwerten. In diesem Zusammenhang wird daran gedacht, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, gemäß einem Überwachungskriterium die erste Schweißsignatur in Bezug auf die dritte Schweißsignatur auszuwerten. Es kann also beispielsweise die erste Schweißsignatur in der Abhängigkeit von der dritten Schweißsignatur dahingehend beurteilt werden, ob der Schweißvorgang richtig verlaufen ist und die gewünschte Verschweißungsqualität erzielt wurde. Zweckmäßig kann die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt sein, gemäß einem Überwachungskriterium die erste Schweißsignatur in Bezug auf die zweite Schweißsignatur und in Bezug auf die dritte Schweißsignatur auszuwerten. Es kann also beispielsweise die erste Schweißsignatur in Abhängigkeit von der zweiten Schweißsignatur und in Abhängigkeit von der dritten Schweißsiggnatur dahingehend beurteilt werden, ob der Schweißvorgang richtig verlaufen ist und die zu erzielende Qualität der Verschweißung erreicht wurde.Furthermore, the evaluation device can be advantageously designed to detect the contact pressure or a temporal contact pressure profile during the welding process by means of at least one force sensor or / and by at least one displacement sensor at least one of the welding electrodes, in particular a time course of the Nachsetzens and / or Nachsetzweg at least one of the welding electrodes to detect during the welding process as a third welding signature and to evaluate these with respect to at least one monitoring criterion. In this context, it is thought that the evaluation device is designed to evaluate the first welding signature with respect to the third welding signature in accordance with a monitoring criterion. Thus, for example, the first welding signature as a function of the third welding signature can be judged as to whether the welding process has proceeded correctly and the desired welding quality has been achieved. Suitably, the evaluation device may be designed to evaluate the first welding signature with respect to the second welding signature and with respect to the third welding signature in accordance with a monitoring criterion. Thus, for example, the first welding signature can be judged as a function of the second welding signature and as a function of the third welding signature as to whether the welding process has proceeded correctly and the quality of the welding to be achieved has been achieved.
Eine besonders zuverlässige Überwachung des Schweißvorgangs kann auf Basis von Referenz-Daten erfolgen, die bei einem entsprechenden Verschweißvorgang oder mehreren entsprechenden Schweißvorgänge gewonnen wurden, mit denen ein Referenz-Gutteil erzeugt wurde, welches in einer Überprüfung, ggf. einer mechanisch zerstörenden Überprüfung, für gut und die Qualitätsanforderungen erfüllend befunden wurde. Solche Referenz-Daten können sich auf eine der angesprochenen Schweißsignaturen beziehen, insbesondere zumindest auf die erste Schweißsignatur, vorzugsweise die erste und die zweite Schweißsignatur oder die erste und die dritte Schweißsignatur, höchstvorzugsweise auf die erste, zweite und dritte Schweißsignatur. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, mit wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur zu vergleichen.A particularly reliable monitoring of the welding process can be based on reference data obtained in a corresponding welding or several corresponding welding operations, with which a reference good part was generated, which in a review, possibly a mechanically destructive check, for good and the quality requirements were met. Such reference data may relate to one of the aforementioned weld signatures, in particular at least the first weld signature, preferably the first and second weld signatures or the first and third weld signatures, most preferably the first, second and third weld signatures. In this context, it is proposed that the evaluation device is designed to compare at least one welding signature, in particular at least the first welding signature, with at least one reference welding signature.
Es kann also beispielsweise die Auswertung eines Mess-Signals eines Photoelements bzw. mehrerer Photoelemente betreffend seines zeitlichen Verlaufs mit einem entsprechenden, bei der Erzeugung des Referenz-Gutteils erfassten zeitlichen Verlauf des Photoelementmess-Signals verglichen werden, um zu entscheiden, ob die jetzt vorgenommene Verschweißung ebenfalls den Qualitätsanforderungen entspricht oder nicht.Thus, for example, the evaluation of a measurement signal of a photoelement or of a plurality of photoelements with respect to its temporal course can be compared with a corresponding time profile of the photoelement measurement signal recorded in the generation of the reference good part to decide whether or not the welding now carried out also meets the quality requirements.
Anstelle eines direkten Vergleichs mit wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur ist es bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, darauf zu überprüfen, ob sie wenigstens eine vorgegebene Referenzbedingung erfüllt. Die vorgegebene Referenzbedingung ist bevorzugt eine Bedingung, die aus mindestens einer Schweißsignatur abgeleitet wurde, die bei der Erzeugung eines Referenz-Gutteils bzw. bei der Erzeugung eines Schlechtteils gewonnen wurde, und indiziert, dass der der zu überprüfenden Schweißsignatur zugrunde liegende Schweißvorgang erfolgreich verlaufen ist bzw. nicht erfolgreich verlaufen ist.Instead of a direct comparison with at least one reference welding signature, it is preferred that the evaluation device is designed to check at least one welding signature, in particular at least the first welding signature, to determine whether it fulfills at least one predetermined reference condition. The predefined reference condition is preferably a condition which was derived from at least one welding signature which was obtained when generating a reference good part or during the generation of a bad part, and indicates that the welding process on which the weld signature to be checked has been successfully completed failed.
Eine erste Referenzbedingung kann eine Minimumsschwelle oder/und eine Maximumsschwelle für wenigstens einen Schweißsignaturwert vorsehen. Eine zweite Referenzbedingung kann eine Minimumsschwelle oder/und eine Maximumsschwelle für ein zeitliches Integral über Schweißsignaturwerte vorsehen. Eine dritte Referenzbedingung kann einen zulässigen Wertekorrektor für zeitlich aufeinander folgende Schweißsignaturwerte vorsehen.A first reference condition may provide a minimum threshold and / or a maximum threshold for at least one weld signature value. A second reference condition may provide a minimum threshold or / and a maximum threshold for a temporal integral over weld signature values. A third reference condition may provide an allowable value corrector for temporally successive weld signature values.
Es ist nicht nötig, dass immer alle grundsätzlich vorgesehenen Auswertungen durch die Auswerteeinrichtung durchgeführt werden. Beispielsweise könnte es sein, dass dann, wenn ein bestimmtes Überwachungskriterium nicht erfüllt ist, die nötige Qualität der Verschweißung sicher nicht erreicht ist, so dass keine weiteren Auswertungen sinnvoll sind. In entsprechender Weise könnte es sein, dass die Erfüllung eines anderen Überwachungskriteriums sicher die Erfüllung der Qualitätsanforderungen indiziert, so dass weitere Auswertungen ebenfalls entbehrlich sind. Es wird deswegen allgemein vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, das Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors oder/und wenigstens ein Signaturwert der ersten Schweißsignatur in Bezug auf ein erstes Überwachungskriterium auszuwerten, und wenigstens eine weitere Auswertung gemäß wenigstens einem weiteren Überwachungskriterium auf Basis des Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors oder/und auf Basis wenigstens einer von der ersten, zweiten und dritten Schweißsignatur nur dann durchzuführen, wenn das erste Überwachungskriterium erfüllt ist (alternativ: nicht erfüllt ist, je nach Formulierung des Überwachungskriteriums; siehe die folgende Anmerkung).It is not necessary that always all basically provided evaluations are carried out by the evaluation device. For example, it could be that if a certain monitoring criterion is not met, the required quality of the weld is certainly not reached, so that no further evaluations are useful. Correspondingly, it could be that the fulfillment of another monitoring criterion reliably indicates the fulfillment of the quality requirements, so that further evaluations are likewise unnecessary. It is therefore generally proposed that the evaluation device is designed to evaluate the output signal of the heat radiation detector and / or at least one signature value of the first welding signature with respect to a first monitoring criterion, and at least one further evaluation according to at least one further monitoring criterion based on the output signal of the heat radiation detector and / or based on at least one of the first, second, and third weld signatures only if the first monitoring criterion is met (alternatively: not met, depending on the wording of the monitoring criterion, see the following note).
Anzumerken ist, dass jedem Überwachungskriterium ein komplementäres Überwachungskriterium entspricht, derart, dass dann, wenn das Überwachungskriterium erfüllt ist, das komplementäre Überwachungskriterium nicht erfüllt ist, und dass dann, wenn das Überwachungskriterium nicht erfüllt ist, das komplementäre Überwachungskriterium erfüllt ist. Jede der Auswertung zugrunde legbare Fragestellung lässt sich also sowohl positiv als auch negativ formulieren.It should be noted that each monitoring criterion corresponds to a complementary monitoring criterion, such that, if the monitoring criterion is fulfilled, the complementary monitoring criterion is not satisfied, and if, if the monitoring criterion is not met, the complementary monitoring criterion is satisfied. Each questionable question can therefore be formulated both positively and negatively.
Die erfindungsgemäße Einrichtung bzw. deren Auswerteeinrichtung ist bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie oben angegeben und im Folgenden hinsichtlich bevorzugter Weiterbildungen beschrieben ausgeführt.The device according to the invention or its evaluation device is preferably designed for carrying out the method according to the invention as stated above and described below with regard to preferred developments.
Das durch die Erfindung bereitgestellte Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen kann in entsprechender Weise wie die erfindungsgemäße Einrichtung weitergebildet werden. So kann die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts durch einen Beobachtungsdurchlass, vorzugsweise einen Beobachtungskanal, zumindest einer der Schweißelektroden empfangen werden. Die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts kann spektral gefiltert werden. Das Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors kann zeitaufgelöst erfasst werden.The method provided by the invention for monitoring the welding process on the basis of detected thermal radiation during welding of at least one first metal element with at least one second metal element by resistance welding can be developed in a similar manner as the device according to the invention. Thus, the heat radiation from the region of the welding gap can be received through an observation passage, preferably an observation channel, of at least one of the welding electrodes. The heat radiation from the area of the welding gap can be spectrally filtered. The output signal of the heat radiation detector can be detected time-resolved.
Ferner können bei dem Verfahren eine oder mehrere Schweißsignaturen erfasst werden. So kann auf Basis des wenigstens einen Ausgangssignals des wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektors während eines Schweißvorgangs wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende erste Schweißsignatur erfasst werden. Ferner kann auf Basis wenigstens eines Ausgangssignals der Schweißstromversorgung oder/und mittels wenigstens eines wenigstens eine elektrische Größe des Schweißstroms erfassenden Sensors wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende zweite Schweißsignatur erfasst werden. Ferner kann mittels wenigstens eines Kraftsensors der Kontaktdruck oder ein zeitlicher Kontaktdruckverlauf während des Schweißvorgangs oder/und mittels wenigstens eines Wegsensors ein Nachsetzen der Schweißelektroden, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Nachsetzens oder/und ein Nachsetzweg der Schweißelektroden, während des Schweißvorgangs als dritte Schweißsignatur erfasst werden.Furthermore, in the method, one or more welding signatures can be detected. Thus, on the basis of the at least one output signal of the at least one heat radiation detector during a welding operation, at least one first welding signature characterizing the welding process or its temporal course can be detected. Furthermore, on the basis of at least one output signal of the welding power supply and / or by means of at least one sensor detecting at least one electrical variable of the welding current, at least one second welding signature characterizing the welding process or its time characteristic can be detected. Further, by means of at least one force sensor, the contact pressure or a temporal contact pressure curve during the welding process and / or by means of at least one displacement sensor, a readjustment of the welding electrodes, in particular a time course of the Nachsetzens and / or a Nachsetzweg the welding electrodes are detected during the welding process as a third welding signature.
Es kann wenigstens eine Schweißsignatur in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium ausgewertet werden. Bevorzugt ist, dass gemäß wenigstens einem Überwachungskriterium mehrere Schweißsignaturen in Bezug aufeinander ausgewertet werden.At least one welding signature with respect to at least one monitoring criterion can be evaluated. It is preferred that, according to at least one monitoring criterion, a plurality of welding signatures are evaluated with respect to one another.
Gemäß einem Überwachungskriterium kann die Auswertung den Vergleich wenigstens einer Schweißsignatur mit Referenz, -Daten, etwa wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur oder aus wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur abgeleiteter Daten (wie z. B. zu erreichender Mindestwert, zulässsiger Wertekorridor) umfassen. Es wird diesbezüglich vor allem an die erste Schweißsignatur, aber auch an die zweite und die dritte Schweißsignatur gedacht. According to a monitoring criterion, the evaluation may include the comparison of at least one welding signature with reference, data, for example at least one reference welding signature or data derived from at least one reference welding signature (such as minimum value to be achieved, permissible value range). In this regard, it is primarily thought of the first welding signature, but also to the second and the third welding signature.
Die Referenz-Schweißsignatur kann eine während eines Schweißvorgangs erfasste Schweißsignatur sein, die zu einer vorgegebene Anforderungen erfüllenden Verschweißung der Metallelemente geführt hat. Es wird diesbezüglich vor allem an die erste Schweißsignatur, aber auch an die zweite und die dritte Schweißsignatur gedacht. Die Referenz-Daten können aber auch Vergleichsdaten sein, die aus erfolgreichen Test-Schweißvorgängen ermittelt wurden und mit einem Überwachungskriterium auf eine aktuell aufgenommene Schweißsignatur anwendbar sind, um die Schweißqualität zu beurteilen.The reference welding signature may be a welding signature detected during a welding operation, which has resulted in a predetermined requirement of welding the metal elements. In this regard, it is primarily thought of the first welding signature, but also to the second and the third welding signature. However, the reference data may also be comparison data obtained from successful test welding operations and applicable with a monitoring criterion to a currently recorded weld signature to assess weld quality.
Bevorzugt wird wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, darauf überprüft, ob sie wenigstens eine vorgegebene Referenzbedingung erfüllt. Es wird insbesondere daran gedacht, dass die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob wenigstens ein Schweißsignaturwert eine Minimumsschwelle übersteigt oder/und eine Maximumsschwelle nicht übersteigt. Zweckmäßig ist auch, wenn die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob ein zeitliches Integral über Schweißsignaturwerte eine Minimumsschwelle übersteigt oder/und eine Maximumsschwelle nicht übersteigt. Ferner kann die Schweißsignatur darauf überprüft werden, ob zeitlich aufeinander folgende Schweißsignaturwerte in einem zulässigen Wertekorridor liegen.Preferably, at least one welding signature, in particular at least the first welding signature, is checked to see whether it fulfills at least one predetermined reference condition. In particular, it is contemplated that the weld signature is checked for whether at least one weld signature value exceeds a minimum threshold and / or does not exceed a maximum threshold. It is also expedient, if the welding signature is checked for whether a temporal integral over welding signature values exceeds a minimum threshold or / and does not exceed a maximum threshold. Furthermore, the welding signature can be checked for whether temporally successive welding signature values are within a permissible value range.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird sich, wie schon angesprochen, in der Regel darauf beziehen, die Qualität der Verschweißung zu bestimmen, auf Basis der angesprochenen Auswertung. Zweckmäßig kann das Verschweißen und können die Überwachung und Auswertung mittels einer erfindungsgemäßen Einrichtung wie vorstehend vorgeschlagen und hinsichtlich bevorzugter Weiterbildungen erläutert durchgeführt werden.As already mentioned, the method according to the invention will as a rule relate to determining the quality of the welding on the basis of the mentioned evaluation. Suitably, the welding and the monitoring and evaluation by means of a device according to the invention as proposed above and explained in terms of preferred developments can be performed.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the figures.
In
Das Schweißgerät
Bei dem Trägerteil
Das Schweißgerät wird über einen motorischen Antrieb angetrieben, der für eine Synchronität der verschiedenen Handhabungs-, Transport- und sonstigen Bewegungen einschließlich der Relativbewegung der beiden Schweißelektroden zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung sorgt.The welding device is driven by a motor drive, which ensures a synchrony of the various handling, transport and other movements including the relative movement of the two welding electrodes between a receiving position and a welding position.
Eine nähere Erläuterung der Mechanik und Steuerung eines solchen Schweißgeräts ist entbehrlich, da entsprechende Schweißgeräte gut bekannt sind. Es wird hierzu auf die folgende Patentliteratur verwiesen:
Erfindungsgemäß ist eine Prozess-Überwachung, insbesondere Qualitätsüberwachung, der Widerstandsschweißvorgänge zum Anschweißen eines jeweiligen Kontaktmetallrohlings an dem Trägerteil für die Bildung eines jeweiligen Kontaktes vorgesehen.According to the invention, a process monitoring, in particular quality monitoring, of the resistance welding processes for welding a respective contact metal blank to the carrier part is provided for the formation of a respective contact.
Eine Qualitätsüberwachung oder Prozessüberwachung von Widerstandsschweißvorgängen ist als solches bekannt und erfolgt herkömmlich beispielsweise mittels Sensoren zur Strom-, Kraft-, Weg- und Spannungsmessung, um den Schweißstrom, die Schweißspannung, den Elektrodendruck und den Nachsetzweg zu überwachen.Quality monitoring or process monitoring of resistance welding operations is known per se and conventionally for example by means of sensors for measuring current, force, displacement and voltage in order to monitor the welding current, the welding voltage, the electrode pressure and the Nachsetzweg.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Überwachung des jeweiligen Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung aus dem Schweißspalt, die ein Maß für die beim Schweißen auftretende Temperatur aufgrund der am Kontaktwiderstand zwischen den zu verbindenden Materialien eingebrachten elektrischen Leistung ist. Es wird auf den allgemein bekannten Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal eines optischen Pyrometers bzw. pyrometrischen Detektors und der Temperatur eines damit berührungslos vermessenen Objekts gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz und die gut bekannten Prinzipien der Infrarot-Thermometrie verwiesen.According to the invention, a monitoring of the respective welding process on the basis of detected heat radiation from the welding gap, which is a measure of the temperature occurring during welding due to the introduced at the contact resistance between the materials to be connected electrical power. Reference is made to the well-known relationship between the output of an optical pyrometer or pyrometric detector and the temperature of a non-contact object measured according to the Stefan Boltzmann law and the well-known principles of infrared thermometry.
Es hat sich gezeigt, dass eine absolute Temperaturbestimmung in der Regel nicht nötig ist, dass also regelmäßig eine relative Temperaturmessung ausreicht. Idealerweise wird nicht nur ein summarischer Temperaturwert (bzw. die Temperatur repräsentierender Messwert) der Auswertung zugrunde gelegt, sondern der Temperaturwertverlauf (Messwertverlauf), der mit einem geeigneten Sensorelement (Photoelement) oder mehreren derartigen Elementen aufgenommen wird. Zusätzlich kann bei der Überwachung bzw. Auswertung auch auf die schon herkömmlich in der Schweißqualitätsüberwachung herangezogenen Größen zurückgegriffen werden.It has been found that an absolute temperature determination is generally not necessary, so that regularly a relative temperature measurement is sufficient. Ideally, not only a summary temperature value (or the temperature-representing measured value) is taken as the basis of the evaluation, but the temperature value course (measured value profile), which is recorded with a suitable sensor element (photoelement) or several such elements. In addition, it is also possible to fall back on the quantities which have already been conventionally used in welding quality monitoring during monitoring or evaluation.
In den
Beim Ausführungsbeispiel erfasst der Sensor
Die durch den Beobachtungskanal
Erfolgt die Verschweißung richtig, so tritt die höchste Temperatur an der Schweißstelle, also an der Kontaktstelle zwischen den zu verschweißenden Materialien, auf. Diese Kontaktstelle ist unmittelbar für eine Temperaturmessung nicht zugänglich. Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, dass auch die gegenüber der Temperatur an der Schweißstelle niedrigere Temperatur an der Unterseite des Trägerteils für die Überwachung des Schweißvorgangs gut taugt und offenbar den Temperaturverlauf an der eigentlichen Schweißstelle gut wiederspiegelt, obwohl die Wärme der auf der unteren Schweißelektrode
Ist die Öffnung in der Elektrode
Angemerkt sei, dass ein die Wärmestrahlung erfassender Sensor alternativ auch der mit der oberen beweglichen Elektrode
Eine an sich bekannte Bestandteile wie etwa ein Trafo usw. aufweisende Schweißstromversorgung ist durch einen Funktionsblock
Ein Steuergerät
Das Steuergerät
An das Steuergerät
Vorzugsweise sind alle angesprochenen Sensoren und auf jeden Fall zumindest der Wärmestrahlungsdetektor
Im unteren Diagramm ist der Verlauf des mittels der Schweißstromversorgung
Neben dem mit dem Strommessgerät
Es kommt auch eine wellenlängenselektive Erfassung der Wärmestrahlung in Betracht, was zweckmäßig durch einen eine entsprechende Durchlassbandbreite aufweisenden Spektralfilter erfolgen kann. Vorzugsweise wird die Wärmestrahlung simultan in mehreren unterschiedlichen Bandbreiten erfasst, wofür mehrere Photoelemente vorgesehen sein können, denen jeweils ein eigener, eine bestimmte Durchlassbandbreite aufweisender Spektralfilter zugeordnet sein kann. Es hat sich aber auch gezeigt, dass auf Basis einer breitbandigen Wärmestrahlungserfassung mit einem einzigen Photoelement wie in dem Falle der Beispiele der Figuren zu guten Ergebnissen führt.It is also a wavelength-selective detection of the heat radiation into consideration, which can be done suitably by a corresponding passage bandwidth having spectral filter. Preferably, the thermal radiation is detected simultaneously in a plurality of different bandwidths, for which purpose a plurality of photoelements can be provided, to each of which a separate spectral filter having a specific bandwidth can be assigned. However, it has also been found that on the basis of a broadband thermal radiation detection with a single photoelement as in the case of the examples of the figures leads to good results.
Die vorzugsweise durch das Steuergerät
Ein erstes, sich auf das Photoelement-Ausgangssignal beziehendes Kriterium ist das Kriterium, dass das Photoelement-Ausgangssignal eine Schwelle „min” überschreiten muss. Wird die Spannungsschwelle „min” nicht überschritten, handelt es sich um einen nicht ordnungsgemäß verlaufenen Schweißvorgang, mit dem keine Verschweißung zwischen den zu verschweißenden Elementen erreicht wurde oder zumindest die Qualitätsanforderungen in Bezug auf diese Verschweißung nicht erfüllt wurden. Es wird auf die durch eine Horizontallinie repräsentierte Schwelle „min” in
Ein zweites, sich ebenfalls auf die Photoelement-Ausgangspannung beziehendes Überwachungskriterium ist in
Angemerkt sei, dass zusätzlich oder alternativ auch entsprechende Kriterien in Bezug auf den Gesamtverlauf der Photoelement-Ausgangsspannung etwa zwischen den Zeiten t1 und t5 der
Ein weiteres, besonders zweckmäßiges Überwachungskriterium ist in
Weitere Kriterien können sich auf die anderen, von den Sensoren bzw. Messgeräten
In Frage kommende Kriterien können zweckmäßig auf Basis von Vergleichs- bzw. Referenzmessungen bei erfolgreich verlaufenden Schweißvorgängen, die zu einem Referenz-Gutteil oder zu in einer Qualitätsbandbreite liegenden Teilen geführt haben, definiert werden. So können etwa die Schwelle „min”, die Schwellen für das zeitliche Integral der Ausgangsspannungskurve des Photoelements (
Auf Basis der Qualitätsüberprüfung des Schweißvorgangs kann mittels entsprechender Handhabungs- und Fördereinrichtungen eine Ausselektion der nicht den Qualitätsanforderungen genügender Teile, also von „Schlechtteilen” erfolgen, um diese aus den den Qualitätsanforderungen genügenden „Gutteilen” als Ausschuss auszusondern. Diese Aussonderung kann ggf. erst nach Trennung des Trägerteils oder Trägerbands und Vereinzelung entsprechender Einzelteile erfolgen.On the basis of the quality inspection of the welding process can be done by means of appropriate handling and conveyors Ausselektion the not quality requirements of sufficient parts, ie "bad parts" to weed out of the quality requirements "good parts" as a committee. If necessary, this sorting out can take place only after separation of the carrier part or carrier belt and separation of corresponding individual parts.
Die Überwachung des Schweißvorgangs und Qualitätsüberwachung kann insgesamt auf vielseitige Weise erfolgen, beispielsweise mit den folgenden Funktionen:
- – Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektors bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektoren bzw. mehrerer Detektorelemente eines Wärmestrahlungsdetektors hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs, insbesondere Überschreiten einer Mindestschwelle und Lage in einem Soll-Prozessfenster, die aus Vergleichsmessungen in Bezug auf ein Referenz-Gutteil bzw. mehrere Referenz-Gutteile bestimmt wurden;
- – Auswertung des Wärmestrahlungsdetektor-Messsignals bzw. solcher Wärmestrahlungsdetektor-Messsignale, die sich aufgrund einer spektralen Filterung der Wärmestrahltung ergeben;
- – Auswertung der Signalintensität für zwei oder mehr Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, ggf. unter Verrechnung der Intensitäten in der Art eines Weißabgleichs einer CCD-Digitalkamera mit drei Photoelementen;
- – Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zur eingebrachten elektrischen Leistung der Schweißsteuerung in Form des Schweißstromes, der mit der am Kontaktwiderstand zwischen den zu verschweißenden Materialien die zur Erwärmung führende eingebrachte elektrische Leistung bestimmt;
- – Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zur eingebrachten Leistung der Schweißstromversorgung in Form der aus der Spannung an den Elektroden und dem Schweißstrom ermittelten elektrischen Leistung;
- – Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zu der an den Schweißelektroden anliegenden Spannung;
- – Auswertung der resultierenden Wirkung aufgrund des Schweißstroms anhand des Integrals über die die Intensität der erfassten Wärmestrahlung repräsentierenden Wärmestrahlungsdetektorspannung (Photoelementspannung) über die Zeit;
- – Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zum Verlauf des Nachsetzens der Schweißung während des Schweißvorgangs oder/und in Beziehung zum aus der Schweißung insgesamt resultierenden Nachsetzweg;
- – Auswertung durch Setzen eines Minimalwerts für die Wärmestrahlungsintensität bzw. Photoelementspannung und weitere Auswertung nur dann, wenn dieser Minimalwert von der Messwertkurve überschritten wird.
- - Evaluation of the measurement signal of the heat radiation detector or a plurality of heat radiation detectors or a plurality of detector elements of a heat radiation detector with respect to the time course, in particular exceeding a minimum threshold and position in a target process window, which determines from comparative measurements with respect to a reference Goodteil or more reference good parts were;
- - Evaluation of the heat radiation detector measurement signal or such heat radiation detector measurement signals resulting from a spectral filtering of the heat radiation;
- - Evaluation of the signal intensity for two or more heat radiation detector elements (photoelements) with different spectral sensitivity, possibly taking into account the intensities in the manner of a white balance of a CCD digital camera with three photoelements;
- - Evaluation of the measurement signal of the heat radiation detector element (photoelements) or more heat radiation detector elements (photoelements) in relation to the introduced electrical power of the welding control in the form of the welding current, which determines with the contact resistance between the materials to be welded introduced the leading to heating introduced electrical power;
- - Evaluating the measurement signal of the heat radiation detecting element (photoelements) or more heat radiation detecting elements (photo elements) in relation to the introduced power of the welding power supply in the form of the determined from the voltage across the electrodes and the welding current electrical power;
- - Evaluation of the measurement signal of the heat radiation detecting element (photoelements) or more heat radiation detecting elements (photo elements) in relation to the voltage applied to the welding electrodes voltage;
- - Evaluation of the resulting effect due to the welding current based on the integral on the heat radiation detection voltage representing the intensity of the detected heat radiation (photoelement voltage) over time;
- Evaluation of the measurement signal of the heat radiation detector element (photoelements) or of a plurality of heat radiation detector elements (photoelements) in relation to the course of the resetting of the weld during the welding process or / and in relation to the total path resulting from the welding;
- - Evaluation by setting a minimum value for the heat radiation intensity or photoelement voltage and further evaluation only if this minimum value is exceeded by the measured value curve.
Im Zuge dieser Auswertungen können diverse mathematische Operationen wie Integration, Differentialbildung, Addition und Multiplikation und Kombination dieser Operationen angewendet werden. Zweckmäßig können auch unscharfe Verfahren (so genannte Fuzzy-Logik) für die Auswertung angewendet werden. Solche Auswertungen ermöglichen direkt oder indirekt Aussagen über die Ausbildung einer verschweißten Zone von zwei Materialien und deren Qualität. Der Verlauf der Verschweißung und die Schweiß-Prozessparameter und damit auch die zur Überwachung und Überprüfung anwendbaren Kriterien können abhängig sein von den Materialeigenschaften und der Materialgeometrie zu verschweißender Elemente. Zu nennen sind als Beispiele unterschiedliche Materialdicken, Längen und Breiten, unterschiedliche Wärmekapazitäten aufgrund unterschiedlicher Materialzusammensetzungen, unterschiedliche Geometrien des Kontakts zwischen den zu verschweißenden Materialien (beispielsweise flächiger Kontakt oder nur punktueller Kontakt etwa aufgrund von Schweißwarzen). Bei nur teilweisen Aufliegen der Schweißmaterialien aneinander kann es in besonderem Ausmaß zu Verformungen des Materials bzw. der Materialien kommen.In the course of these evaluations, various mathematical operations such as integration, differential formation, addition and multiplication and combination of these operations can be applied. Expediently, fuzzy methods (so-called fuzzy logic) can also be used for the evaluation. Such evaluations make possible, directly or indirectly, statements about the formation of a welded zone of two materials and their quality. The course of the welding and the welding process parameters and thus also the criteria that can be used for monitoring and checking may depend on the material properties and the material geometry to be welded. To name as examples are different material thicknesses, lengths and widths, different heat capacities due to different material compositions, different geometries of the contact between the materials to be welded (for example, flat contact or only punctual contact due to welding warts). With only partial contact of the welding materials to one another, deformations of the material or of the materials can occur to a particular extent.
Durch die erfindungsgemäße Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis der Wärmestrahlung lassen sich auch abweichende bzw. fehlerhafte Kontaktierungen der Materialien durch die Schweißelektroden detektieren, die im Extremfall, etwa aufgrund von Elektrodenabnutzung, zu einem zu hohen Kontaktwiderstand zwischen einer Elektrode und dem zu verschweißenden Material führen können, bis hin zur Verschiebung der Wärmezone zu der Kontaktstelle zwischen dem Material und der Schweißelektrode.Due to the monitoring of the welding process on the basis of the heat radiation according to the invention, deviating or defective contacting of the materials by the welding electrodes can be detected, which in extreme cases, for example due to electrode wear, can lead to too high a contact resistance between an electrode and the material to be welded. up to the displacement of the heat zone to the contact point between the material and the welding electrode.
Eine Einrichtung zum Verschweißen wenigstens zweier Metallelemente
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