DE102011102010A1

DE102011102010A1 - Method for determining quality of e.g. weld seam, for interconnecting conductor lugs of single cells for manufacture of cell block of motor car battery in automobile industry, involves determining quality based on image data density value

Info

Publication number: DE102011102010A1
Application number: DE201110102010
Authority: DE
Inventors: Michael BRANDNER; Andreas Leitz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-03-29

Abstract

The method involves optically detecting optical image data of a surface region of a weld seam (S) by an image capture unit, where the weld seam is produced from two components (1, 2) of different materials by a beam welding method i.e. laser beam welding method. The optical image data is evaluated with respect to a predefinable surface parameter e.g. color value and/or gray value, such that a value of image data density is determined corresponding to the surface parameter. The quality of the weld seam is determined based on the value of the image data density.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Qualität einer Schweißnaht.The invention relates to a method for determining the quality of a weld.

In vielen Bereichen der herstellenden Industrie und insbesondere im Bereich der Automobilindustrie kommen zur Herstellung eines Endprodukts unterschiedliche Schweißverfahren zum Einsatz. Beispielsweise werden bei der Herstellung eines Zellblocks für ein Kraftfahrzeug, der aus einer Vielzahl von Einzelzellen besteht, Ableiterfahnen benachbarter Einzelzellen mittels eines Strahlschweißverfahrens stoffschlüssig miteinander verbunden.In many sectors of the manufacturing industry and in particular in the automotive industry, different welding processes are used to produce a final product. For example, in the production of a cell block for a motor vehicle, which consists of a plurality of individual cells, discharge tabs of adjacent individual cells are connected to one another by means of a beam welding method.

Es ist bekannt und üblich, die Qualität von Schweißnähten oder Schweißpunkten zu überprüfen. Dazu sind aus dem Stand der Technik verschiedene zerstörungsfreie (z. B. computertomographische bildgebende Verfahren) oder zerstörende Prüfverfahren (wie z. B. metallographische Präparation) bekannt, deren Durchführung insbesondere im Rahmen einer Serienproduktion als aufwändig gilt.It is known and customary to check the quality of welds or welds. For this purpose, various non-destructive (eg computer tomographic imaging methods) or destructive test methods (such as, for example, metallographic preparation) are known from the prior art, the implementation of which is considered to be expensive, in particular in the context of series production.

Aus der DE 43 43 058 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Qualität von Produkten und insbesondere Stückgut bekannt, bei dem eine Bilderfassungseinheit eingesetzt wird, die eine Vielzahl von bildgebenden Sensoren umfasst. Die Funktionsweisen der unterschiedlichen bildgebenden Sensoren beruhen auf verschiedenen physikalischen Messprinzipien. Insbesondere können optische Bilderfassungseinheiten wie beispielsweise Farbkameras eingesetzt werden. Die bildgebenden Sensoren sind so ausgerichtet, dass ein gemeinsamer Erfassungsbereich erfasst wird. Die Signale unterschiedlicher Sensoren werden bildpunktweise in ein Klassenbild umgewandelt.From the DE 43 43 058 A1 For example, a method is known for determining the quality of products, and in particular general cargo, in which an image acquisition unit is used, which comprises a large number of imaging sensors. The functions of the different imaging sensors are based on different physical measurement principles. In particular, optical imaging units such as color cameras may be used. The imaging sensors are aligned so that a common detection area is detected. The signals from different sensors are converted pixel by pixel into a class image.

Es ist Aufgabe der vorlegenden Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Qualität einer Schweißnaht anzugeben.It is an object of the present invention to provide a method for determining the quality of a weld which is improved over the prior art.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Qualität einer Schweißnaht mit den charakterisierenden Merkmalen das Anspruchs 1.This object is achieved by a method for determining the quality of a weld with the characterizing features of claim 1.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der Qualität einer Schweißnaht werden erfindungsgemäß Bilddaten zumindest eines Bereichs einer Oberfläche der Schweißnaht optisch mittels einer Bilderfassungseinheit erfasst. Die so erfassten optischen Bilddaten werden hinsichtlich eines vordefinierbaren Oberflächenparameters derart ausgewertet, dass ein zu dem Oberflächenparameter korrespondierender Wert einer Bilddatendichte bestimmt wird. Anhand des Wertes der Bilddatendichte wird die Qualität der Schweißnaht ermittelt.In a method for determining the quality of a weld seam, according to the invention, image data of at least one region of a surface of the weld is detected optically by means of an image capture unit. The optical image data thus acquired are evaluated with respect to a predefinable surface parameter in such a way that a value of an image data density corresponding to the surface parameter is determined. Based on the value of the image data density, the quality of the weld seam is determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Qualität ermöglicht eine zerstörungsfreie und zuverlässige Prüfung der gesamten Schweißnaht, die besonders schnell durchgeführt werden kann, da nur die Oberfläche der Schweißnaht optisch erfasst werden muss. Die Auswertung der erfassten Bilddaten kann in Echtzeit von einer Auswerteeinheit der Bilderfassungseinheit erfolgen. Das Verfahren zur Ermittlung der Qualität ist somit besonders dazu geeignet, in einen automatisierten Produktionsablauf integriert zu werden und somit zur Qualitätssicherung der hergestellten Produkte kosteneffizient beizutragen. Insbesondere kann so ein Produktionsausschuss von hergestellten Produkten und somit die Stückkosten reduziert werden.The inventive method for determining the quality allows a non-destructive and reliable testing of the entire weld, which can be carried out very quickly, since only the surface of the weld must be optically detected. The evaluation of the captured image data can be done in real time by an evaluation unit of the image acquisition unit. The method for determining the quality is therefore particularly suitable for being integrated into an automated production process and thus contributing cost-effectively to the quality assurance of the manufactured products. In particular, such a production scrap of manufactured products and thus the unit costs can be reduced.

Das Verfahren zur Ermittlung der Qualität ist besonders geeignet, Schweißnähte oder Schweißpunkte zu überprüfen, die mittels eines Strahlschweißverfahrens, insbesondere eines Laserstrahlschweißverfahrens hergestellt worden sind.The method for determining the quality is particularly suitable for checking weld seams or spot welds which have been produced by means of a beam welding method, in particular a laser beam welding method.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren zur Ermittlung der Qualität dazu verwendet, die Güte und Eigenschaften einer Schweißverbindung zu überprüfen, bei der unterschiedliche Werkstoffe, beispielsweise Kupfer und Aluminium, miteinander verschweißt werden. Eine mögliche industrielle Anwendung ist die Herstellung von Zellblöcken für Kraftfahrzeugbatterien, die aus einer Vielzahl von Einzelzellen bestehen. Dabei werden im Zellblock benachbarte Einzelzellen zueinander in Reihe geschaltet, indem stromführende Ableiterfahnen unterschiedlicher Polarität mittels einer Verschweißung elektrisch leitfähig verbunden werden. Typischerweise bestehen die Ableiterfahnen der beiden Elektroden der Einzelzelle ausbildet aus unterschiedlichen Werkstoffen. In vielen Fällen sind die Elektroden aus Kupfer und Aluminium gebildet, wobei zur Reihenverschaltung der Einzelzellen diese Materialien mittels der Schweißverbindung stoffschlüssig verbunden werden.Advantageously, the method for determining the quality is used to check the quality and properties of a welded joint, in which different materials, such as copper and aluminum, are welded together. One possible industrial application is the manufacture of cell blocks for automotive batteries consisting of a plurality of single cells. In the cell block adjacent individual cells are connected in series to each other by electrically current-carrying Ableiterfahnen different polarity are connected by means of a weld. Typically, the arrester lugs of the two electrodes of the single cell are made of different materials. In many cases, the electrodes are formed of copper and aluminum, wherein the series connection of the individual cells, these materials are materially connected by means of the welded joint.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to figures.

Dabei zeigen:Showing:

1A und 1B schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsdarstellung einer Schweißnaht von geringer Eindringtiefe, 1A and 1B FIG. 2 is a schematic top view and a cross-sectional view of a weld of low penetration, FIG.

2A und 2B schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsdarstellung einer Schweißnaht von hinreichender Qualität und 2A and 2 B schematically a plan view and a cross-sectional view of a weld of sufficient quality and

3A und 3B schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsdarstellung einer Schweißnaht von zu großer Eindringtiefe. 3A and 3B schematically a plan view and a cross-sectional view of a weld of too great a depth of penetration.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Bei einer stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen mittels eines Schweißverfahrens ist insbesondere die Eindringtiefe der Verschweißung ein geeignetes Qualitätsmerkmal, die eine Durchmischung der miteinander verbundenen Materialien und somit die Qualität der Schweißnaht S oder der Schweißpunkte charakterisiert. Diese Eindringtiefe ist nach dem aktuellen Stand der Technik einer zerstörungsfreien Messung nicht direkt zugänglich. Allerdings lassen geeignete Oberflächenparameter, die beispielsweise eine Oberflächenfärbung oder eine Oberflächenstruktur umfassen können, Rückschlüsse auf die Eindringtiefe und die damit verbundene Durchmischung der verschweißten Materialien zu.In a cohesive connection of components by means of a welding process, in particular the penetration depth of the weld is a suitable quality feature which characterizes a thorough mixing of the interconnected materials and thus the quality of the weld S or the welds. This penetration depth is not directly accessible according to the current state of the art of nondestructive measurement. However, suitable surface parameters, which may include, for example, a surface coloration or a surface structure, allow conclusions about the penetration depth and the associated mixing of the welded materials.

Eine Schweißnaht S von hinreichender Qualität weist somit eine charakteristische Oberflächenfärbung in einem entsprechenden Farbbereich auf. Ebenso weist eine Schweißnaht S von entsprechender Güte eine charakteristische Oberflächenstruktur auf. Liegt der erfasste Farbbereich oder Grauwert der Oberflächenstruktur und die Oberflächenstruktur selbst in einem bestimmten Wertebereich, so kann daraus geschlossen werden, dass die Güte der Schweißnaht S ausreichend ist.A weld S of sufficient quality thus has a characteristic surface color in a corresponding color range. Likewise, a weld S of appropriate quality on a characteristic surface structure. If the detected color range or gray value of the surface structure and the surface structure itself lie in a specific value range, then it can be concluded that the quality of the weld S is sufficient.

Insbesondere wenn unterschiedliche Materialien miteinander verschweißt werden, so ist auch eine Charakterisierung der Güte der Schweißnaht S durch die Oberflächenfärbung möglich. Beispielsweise weist eine Schweißverbindung zwischen einem Kupfermaterial und einem Aluminiummaterial bei ausreichender Durchmischung, welche mit einer genügenden Eindringtiefe korrespondiert, eine charakteristische Färbung der Schweißnaht S auf.In particular, if different materials are welded together, then a characterization of the quality of the weld S by the surface coloration is possible. For example, a welded joint between a copper material and an aluminum material with sufficient mixing, which corresponds to a sufficient penetration depth, a characteristic coloration of the weld S on.

1A und 1B zeigen schematisch ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2, die mittels einer Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Verschweißung erfolgte in diesem Fall durch das Kupfermaterial des ersten Bauteils 1, welches auf der der Schweißeinrichtung zugewandten Seite liegt, das sich teilweise mit dem Aluminiummaterial des darunter angeordneten zweiten Bauteils 2 vermischt hat. 1B zeigt eine Schnittdarstellung der Schweißverbindung. Die schematisch dargestellte Schweißnaht S weist nur eine geringe Durchmischung und Eindringtiefe auf und ist somit von geringer Qualität. Entsprechend weist eine äußere Oberfläche der Schweißnaht S eine rötliche Färbung auf, was darauf schließen lässt, dass hauptsächlich das Kupfermaterial des ersten Bauteils 1 aufgemischt worden ist und die Schweißnaht S nicht genügend tief in das Aluminiummaterial des zweiten Bauteils 2 eingedrungen ist. 1A and 1B show schematically a first component 1 and a second component 2 , which are integrally connected by means of a welded joint. The welding took place in this case by the copper material of the first component 1 , which lies on the side facing the welding device, which partially with the aluminum material of the second component arranged underneath 2 has mixed. 1B shows a sectional view of the welded joint. The schematically illustrated weld S has only a low mixing and penetration depth and is thus of low quality. Accordingly, an outer surface of the weld S has a reddish color, indicating that mainly the copper material of the first component 1 has been mixed and the weld S not deep enough in the aluminum material of the second component 2 has penetrated.

2A und 2B zeigen eine weitere Schweißverbindung zwischen dem in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer gefertigten ersten Bauteil 1 und dem aus Aluminium gefertigten zweiten Bauteil 2. Wie insbesondere in der schematischen Schnittdarstellung 2B ersichtlich, weist die Schweißnaht S eine hinreichende Eindringtiefe auf. Die Materialien des ersten und des zweiten Bauteils 1, 2 sind genügend durchmischt, so dass die Schweißnaht S eine ausreichende Güte aufweist. Entsprechend weist die Oberflächenfärbung der Schweißnaht S in der betrachteten Anordnung eine charakteristische Färbung, in diesem Fall eine charakteristische Gelbfärbung, auf. 2A and 2 B show a further welded joint between the first component made of copper in this embodiment 1 and the second component made of aluminum 2 , As in particular in the schematic sectional view 2 B can be seen, the weld S has a sufficient depth of penetration. The materials of the first and the second component 1 . 2 are sufficiently mixed, so that the weld S has a sufficient quality. Accordingly, the surface coloration of the weld S in the arrangement under consideration has a characteristic color, in this case a characteristic yellowing.

3A und 3B zeigen eine Schweißverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 1, 2 in einer Draufsicht und einer Schnittdarstellung. Die dargestellte Schweißnaht S weist eine zu große Eindringtiefe und eine zu starke Durchmischung der miteinander verbundenen Kupfer- und Aluminiummaterialien auf. Dementsprechend ist die Oberflächenfärbung der Schweißnaht S in der betrachteten Anordnung von dem zu stark aufgemischten Aluminiummaterial des zweiten Bauteils 2 dominiert. Die in der Draufsicht von 3A schematisch dargestellte Oberfläche der Schweißnaht S erscheint in diesem Fall somit grau. 3A and 3B show a welded connection between the first and the second component 1 . 2 in a plan view and a sectional view. The illustrated weld S has too great a penetration depth and an excessive mixing of the interconnected copper and aluminum materials. Accordingly, the surface coloration of the weld S in the considered arrangement of the over-mixed aluminum material of the second component 2 dominated. The in the top view of 3A shown schematically surface of the weld S appears gray in this case.

Zur Ermittlung der Qualität der Schweißnaht S wird eine nicht näher dargestellte Bilderfassungseinheit derart angeordnet, dass zumindest ein Oberflächenbereich der Schweißnaht S im optischen Erfassungsbereich der Bilderfassungseinheit liegt. Der zumindest erfasste Bereich B der Oberfläche der Schweißnaht S ist in den 1A, 2A und 3A schematisch dargestellt. Mittels der Bilderfassungseinheit werden optische Daten der Oberfläche des Schweißnaht S erfasst, die Informationen über die Oberflächenfärbung und/oder die Oberflächenstruktur der Schweißnaht S beinhalten.In order to determine the quality of the weld S, an imaging unit (not shown) is arranged in such a way that at least one surface area of the weld S lies in the optical detection area of the image acquisition unit. The at least detected area B of the surface of the weld S is in the 1A . 2A and 3A shown schematically. By means of the image acquisition unit, optical data of the surface of the weld S are acquired, which contain information about the surface coloration and / or the surface structure of the weld S.

Vorteilhafterweise umfasst die Bilderfassungseinheit zur optischen Erfassung zumindest eine Farbkamera, die ein Digitalbild der Oberfläche der Schweißnaht S aufnimmt.Advantageously, the image acquisition unit for optical detection comprises at least one color camera which records a digital image of the surface of the weld S.

Bei der optischen Erfassung der Oberfläche der Schweißnaht S wird diese vorzugsweise von geeigneten und für den jeweiligen Anwendungsfall speziell ausgelegten Beleuchtungseinheit möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet, um Reflexionen und/oder Schattenbildungen zu vermeiden, die andernfalls eine korrekte Auswertung und/oder die korrekte Erfassung der optischen Daten beeinträchtigen könnten.In the optical detection of the surface of the weld S, this is preferably as evenly lit by suitable and specially designed for each application lighting unit to avoid reflections and / or shadowing that would otherwise affect a correct evaluation and / or the correct detection of the optical data could.

Die erfassten optischen Bilddaten werden mit einem vordefinierbaren Oberflächenparameter in Beziehung gebracht. Beispielsweise wird als Oberflächenparameter eine Oberflächenfärbung oder ein Farbbereich für die Oberflächenfärbung identifiziert, die zu einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht S korrespondiert. Aus dem bekannten erfassten Bereich B der Schweißnaht S und den erfassten Bilddaten lässt sich dann eine Bilddatendichte bestimmen, die zu dem Oberflächenparameter korrespondiert. The acquired optical image data is related to a predefinable surface parameter. For example, a surface coloration or a color range for the surface coloration which corresponds to a high-quality weld seam S is identified as the surface parameter. An image data density corresponding to the surface parameter can then be determined from the known detected region B of the weld S and the captured image data.

So wird beispielsweise bei der Ermittlung der Qualität der Schweißverbindung S zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 1, 2, die entsprechend aus Kupfer bzw. aus Aluminium gefertigt sind, eine charakteristische gelbe Oberflächenfärbung bestimmt, die auf eine Schweißverbindung von hinreichender Güte schließen lässt und als Oberflächenparameter gewählt. Die zu diesem Oberflächenparameter korrespondierende Bilddatendichte kann ermittelt werden, indem einfach die Anzahl der Bildpunkte („Pixel”) im erfassten Bereich B gezählt wird, die zu dieser charakteristischen Oberflächenfärbung korrespondiert.For example, when determining the quality of the welded joint S between the first and second components 1 . 2 , which are respectively made of copper or aluminum, determines a characteristic yellow surface color, which indicates a weld joint of sufficient quality and chosen as surface parameters. The image data density corresponding to this surface parameter can be obtained by simply counting the number of pixels ("pixels") in the detected region B that corresponds to this characteristic surface coloration.

Eine hinreichende Qualität der Schweißnaht S wird identifiziert, wenn der Wert der Bilddatendichte innerhalb eines vordefinierbaren Wertebereichs liegt.A sufficient quality of the weld S is identified if the value of the image data density lies within a predefinable value range.

Liegt also die Anzahl der charakteristisch gefärbten Bildpunkte innerhalb vorgebbarer Grenzen, so besteht die überprüfte Schweißnaht S die Qualitätskontrolle. Liegt dagegen die Anzahl der charakteristisch gefärbten Bildpunkten unterhalb bzw. oberhalb von vordefinierbaren Grenzwerten, so wird eine zu geringe bzw. eine zu starke Eindringtiefe der Schweißverbindung identifiziert und entsprechend eine Schweißverbindung von minderer Qualität festgestellt.Thus, if the number of characteristically colored pixels within predeterminable limits, so the checked weld S is the quality control. If, on the other hand, the number of characteristically colored pixels lies below or above predefinable limit values, then a penetration depth which is too small or too strong is identified and accordingly a weld of inferior quality is determined.

Das Verfahren zur Ermittlung der Qualität der Schweißnaht S ist besonders dazu geeignet, in eine automatisierte Serienproduktion integriert zu werden, um Schweißverbindungen von Halbzeugen oder hergestellten Produkten fortlaufend während der Produktion zu überprüfen. Dabei wird die optische Erfassungseinheit vorteilhafterweise zusätzlich dazu eingesetzt, um fertigungsrelevante Parameter, wie z. B. die Lage und/oder Ausrichtung von Bauteilen während der Fertigung zu überprüfen.The method of determining the quality of the weld S is particularly suitable for being integrated into an automated series production in order to continuously check welded joints of semi-finished products or manufactured products during production. In this case, the optical detection unit is advantageously used in addition to production-relevant parameters such. B. to check the position and / or orientation of components during manufacture.

Das Verfahren zur Ermittlung der Qualität ist besonders dazu geeignet, Schweißnähte S zu untersuchen, die mittels eines Strahlschweißverfahrens, insbesondere eines Laserstrahlschweißverfahrens hergestellt wurden. Diese kommen beispielsweise bei der Verschweißung von Ableiterfahnen von Einzelzellen zur elektrischen Verschaltung eines Zellblocks für eine Kraftfahrzeugbatterie zum Einsatz. Die beiden zu verschweißenden Ableiterfahnen sind typischerweise aus Aluminium und aus Kupfer gefertigt. Beim Verschweißen entsteht eine typische Färbung durch das Vermischen des Aluminiums und des Kupfers, so dass die Güte dieser so hergestellten Schweißnaht S gut durch die Oberflächenfärbung charakterisiert werden kann.The method for determining the quality is particularly suitable for examining weld seams S which have been produced by means of a beam welding method, in particular a laser beam welding method. These are used, for example, in the welding of conductor tabs of individual cells for the electrical connection of a cell block for a motor vehicle battery. The two collector tabs to be welded are typically made of aluminum and copper. During welding, a typical coloration results from the mixing of the aluminum and the copper, so that the quality of the weld S thus produced can be well characterized by the surface coloration.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4343058 A1 [0004]

Claims

Method for determining the quality of a weld seam (S), characterized in that optical image data of at least one region of a surface of the weld seam (S) are detected optically by means of an image capture unit, the optical image data are evaluated with respect to a predefinable surface parameter such that a value of one the image data density corresponding to the surface parameter is determined, the quality of the weld seam (S) being determined on the basis of the value of the image data density.

A method according to claim 1, characterized in that as a feature of the quality of the weld (S) a sufficiently high quality is identified if the value of the image data density is within a predefinable value range.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the predefinable surface parameter comprises a color value and / or a gray value.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the image data density corresponding to the surface parameter is characterized by a number of pixels in a detected region (B) of the weld seam (S).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the weld seam (S) is produced by means of a beam welding process.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the weld seam (S) has two components ( 1 . 2 ) made of different materials.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the optical detection, the surface of the weld seam (S) is uniformly illuminated by a lighting unit.