DE102018109967A1 - Tragbare akustische vorrichtung zur in-situ-überwachung einer schweissnaht in einem werkstück - Google Patents

Tragbare akustische vorrichtung zur in-situ-überwachung einer schweissnaht in einem werkstück Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißnaht in einem Werkstück beinhaltet einen Ultraschall-Sendewandler und einen Empfangswandler. Der Ultraschall-Sendewandler beinhaltet einen Sondenkopf, der auf einer Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen angeordnet ist und eine Vielzahl von Hohlleitersonden, die orthogonal von einer ebenen Fläche vorstehen. Zwischen den einzelnen Hohlleitersonden ist ein Wellendämpfer angeordnet. Ein Empfangswandler ist darin angeordnet. Das Werkstück ist zwischen den Hohlleitersonden des Ultraschallsendewandlers und des Empfangswandlers einsetzbar. Der Ultraschallsendewandler drückt den Sondenkopf in Richtung des Empfangswandlers, sodass die Hohlleitersonden die Schweißverbindung im Werkstück kontaktieren. Die piezoelektrischen Elemente stimulieren einzeln die Hohlleitersonde, die mit der Schweißverbindung im Werkstück in Kontakt ist. Der akustische Empfangswandler ist zum Überwachen der Schweißverbindung im Werkstück angeordnet.

Description

  • EINLEITUNG
  • Auswertevorrichtungen und Verfahren können Ultraschall- oder andere akustische Signale verwenden.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Eine Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück wird beschrieben und beinhaltet einen Ultraschall-Sendewandler und einen Empfangswandler. Der Ultraschall-Sendewandler beinhaltet einen Sondenkopf, der auf einer Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Der Sondenkopf beinhaltet eine Vielzahl von Hohlleitersonden, die orthogonal von einer ebenen Oberfläche vorstehen. Zwischen den einzelnen Hohlleitersonden ist ein Wellendämpfer angeordnet. Ein Empfangswandler ist darin angeordnet. Das Werkstück ist zwischen den Hohlleitersonden des Ultraschallsendewandlers und des Empfangswandlers einsetzbar. Der Ultraschallsendewandler ist so angeordnet, dass er den Sondenkopf in Richtung des Empfangswandlers drückt, sodass mindestens eine der Hohlleitersonden die Schweißverbindung im Werkstück kontaktiert. Die piezoelektrischen Elemente sind steuerbar, um die mindestens eine Hohlleitersonde, die mit der Schweißverbindung im Werkstück in physischem Kontakt steht, einzeln anzuregen. Der akustische Empfangswandler ist zum Überwachen der Schweißverbindung im Werkstück angeordnet.
  • Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Anordnung des Ultraschallsendewandlers dahingehend, dass er den Sondenkopf in Richtung des Empfangswandlers drückt, sodass mindestens eine der Hohlleitersonden in physischem Kontakt mit einem Verbindungsbereich der Schweißverbindung im Werkstück steht.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet eine Steuerung in Verbindung mit den einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen des Ultraschallsendewandlers und des akustischen Empfangswandlers, worin die Steuerung angeordnet ist, um den Betrieb mindestens eines der einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elemente zu steuern, das einer der Hohlleitersonden des Ultraschallsendewandlers zugeordnet ist, und die Steuerung zum Überwachen des akustischen Empfangswandlers angeordnet ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen, die in einer geradlinigen Gitteranordnung angeordnet sind, worin jedes der piezoelektrischen Elemente nur einer der Hohlleitersonden zugeordnet ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet jede der Hohlleitersonden mit einem Spitzenabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er an einen Verbindungsbereich der Schweißverbindung im Werkstück angepasst werden kann, worin eine Trockenkupplung am Spitzenabschnitt angebracht ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die an der Spitze angebrachte Trockenkupplung, die ein Polymer ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Schweißverbindung des Werkstücks mit einer Vielzahl von Schweißmulden, die in einer vordefinierten Topographie angeordnet sind, worin die Vielzahl von Hohlleitersonden auf dem Sondenkopf gemäß der Vielzahl von Schweißmulden der vordefinierten Topographie angeordnet sind.
  • In einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist der akustische Empfangswandler ein Akustographiefilm.
  • In einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist der akustische Empfangswandler ein mehrteiliger akustischer Empfangswandler, der in einer geradlinigen Anordnung angeordnet ist.
  • In einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist der akustische Empfangswandler eine ebene Fläche.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Anordnung des Sondenkopfs auf dem Ultraschallsendewandler einschließlich einer ersten Konfiguration von Hohlleitersonden, die orthogonal von dessen Oberfläche vorstehen, und der Sondenkopf kann durch einen zweiten Sondenkopf ersetzt werden, der eine zweite Konfiguration der Hohlleitersonden aufweist, die orthogonal von dessen Oberfläche vorstehen, worin die erste Konfiguration von Hohlleitersonden eine Anordnung aufweist, die sich von der zweiten Konfiguration von Hohlleitersonden unterscheidet.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die erste Konfiguration von Hohlleitersonden mit einer Vielzahl von Hohlleitersonden und die zweite Konfiguration von Hohlleitersonden mit einer einzelnen Hohlleitersonde.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück, die so betrieben werden kann, dass sie eine zerstörungsfreie In-Situ-Prüfung und Untersuchung einer Schweißverbindung in einem Werkstück ermöglicht ohne Eintauchen in ein Fluidbad oder Auftragen eines Gels/Fluidkopplers.
  • Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen gilt:
    • 1 stellt schematisch eine isometrische Zeichnung einer Vorrichtung mit einem Ultraschallsendewandler und einem Empfangswandler zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück gemäß der Offenbarung dar;
    • 2 stellt schematisch eine isometrische Zeichnung einer Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück dar, die Details bezüglich Anordnung und selektiver Aktivierung der im Ultraschallsendewandler angeordneten piezoelektrischen Elemente gemäß der Offenbarung beinhaltet;
    • 3 stellt schematisch eine isometrische Zeichnung einer Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück dar, die Details bezüglich eines Sondenkopfs mit einer Vielzahl von Hohlleitersonden für den Ultraschallsendewandler gemäß der Offenbarung beinhaltet;
    • 4 stellt schematisch eine isometrische Explosionszeichnung einer Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück dar, die Details bezüglich eines Sondenkopfs und Hohlleitersonden für den Ultraschallsendewandler gemäß der Offenbarung beinhaltet;
    • 5 stellt schematisch eine isometrische Zeichnung einer Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück dar, die Details bezüglich eines Sondenkopfs mit einer Vielzahl von Hohlleitersonden und einem Wellendämpfer für den Ultraschallsendewandler gemäß der Offenbarung beinhaltet; und
    • 6 stellt schematisch eine isometrische Zeichnung einer Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück dar, die Details bezüglich einer weiteren Ausführungsform eines Sondenkopfs mit einer einzelnen Hohlleitersonde für den Ultraschallsendewandler gemäß der Offenbarung beinhaltet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung dargelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige dieser Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Des Weiteren sind die Zeichnungen vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit und Verständlichkeit werden Richtungsbezeichnungen wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, unter, unterhalb, hinten und vorn mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet. Diese und ähnliche richtungsweisende Begriffe sind nicht so auszulegen, um den Umfang der Offenbarung zu beschränken. Darüber hinaus kann die Offenbarung, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, in Abwesenheit eines Elements ausgeführt werden, das hierin nicht ausdrücklich offenbart ist.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und nicht zur Begrenzung derselben dienen, sind in den 1, 2, 3, 4 und 5 schematisch verschiedene Elemente, Perspektiven und Details einer Überwachungsvorrichtung 15 zur zerstörungsfreien in-situ-Prüfung und Prüfung einer Schweißverbindung 93 in einem Werkstück 90 dargestellt, worin die Überwachungsvorrichtung einen Ultraschallsendewandler 20 und einen akustischen Empfangswandler 40 beinhaltet, die über eine Steuerung 10 betrieben werden. Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Elemente in den verschiedenen Darstellungen. Die Schweißverbindung 93 des Werkstücks 90 ist als Überlappverbindung dargestellt, die durch Ultraschallschweißen erfolgt, wobei die hierin beschriebenen Konzepte auch auf andere Schweißverbindungen angewendet werden können, die durch andere Schweißverfahren, wie beispielsweise Punktschweißen oder Kleben, erreicht werden. In einer Ausführungsform und wie dargestellt, wird die Schweißverbindung 93 des Werkstücks 90 zwischen dem Ultraschallsendewandler 20 und dem akustischen Empfangswandler 40 angeordnet, um die in-situ-Überwachung der Schweißverbindung 93 zu bewirken. Dies kann erreicht werden, indem das Werkstück 90 in eine geeignete Position zwischen dem Ultraschallsendewandler 20 und dem akustischen Empfangswandler 40 gebracht wird, oder indem der Ultraschallsendewandler 20 und der akustische Empfangswandler 40 je nach Konfiguration in eine geeignete Position um das Werkstück 90 bewegt werden. Die Überwachungsvorrichtung 15 beinhaltet den Ultraschallsendewandler 20 und den akustischen Empfangswandler 40 und kann vorteilhaft in einer Fertigungsumgebung für die Inline-Qualitätsprüfung von Schweißnähten in einer Fertigungslinie eingesetzt werden. Die Überwachungsvorrichtung 15 beinhaltet den Ultraschallsendewandler 20 und den akustischen Empfangswandler 40 und ist funktionsfähig, um eine zerstörungsfreie in-situ Prüfung und Prüfung einer Schweißverbindung 93 in einem Werkstück 90 ohne Eintauchen der Vorrichtung in ein Fluidbad oder Anwenden eines Gel/Fluidkopplers durchzuführen.
  • In einer Ausführungsform und wie dargestellt wird die Überlappverbindung 93 des Werkstücks 90 zwischen einem ersten Element 91 und einem zweiten Element 92 gebildet, worin das erste Element 91 mit dem zweiten Element 92 geläppt und mit einem Vibrationsschweißwerkzeug verschweißt wird. Das erste Element 91 und das zweite Element 92 können aus geeigneten Polymerverbundwerkstoffen oder Metalllegierungen gefertigt werden. Das Vibrationsschweißverfahren kann die Schweißverbindung 93 erzeugen, die einen oder eine Vielzahl von Verbindungsstellen in Form von Schweißmulden 94 beinhaltet, die durch eine Kombination aus Druckbeanspruchung und Vibration verursacht werden, die durch eine Sonotrodenspitze (nicht dargestellt) auf das Werkstück 90 beim Vibrationsschweißen aufgebracht werden. Andere Schweißverfahren können andere Formen von Verbundbereichen in Verbindung mit einer Schweißnaht hervorrufen, die unter Verwendung der hierin beschriebenen Überwachungsvorrichtung 15 einer zerstörungsfreien in-situ-Prüfung und -Untersuchung unterzogen werden können.
  • Der Ultraschall-Sendewandler 20 beinhaltet einen Sondenkopf 30, der auf einer Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen 22 angeordnet ist. Der Sondenkopf 30 kann eine einzelne Hohlleitersonde (dargestellt als Element 632 in 6) oder eine Vielzahl von Hohlleitersonden 32 beinhalten, die orthogonal von einer ebenen Fläche des Sondenkopfs 30 vorstehen. Der Sondenkopf 30 ist vorzugsweise als einheitliche Vorrichtung mit einem Basisabschnitt und einer Vielzahl von Hohlleitersonden 32, wie dargestellt, gefertigt. Der Messkopf 30 kann durch dreidimensionales Bedrucken, Bearbeiten oder ein anderes geeignetes Herstellungsverfahren und -prozess hergestellt werden. Der Ultraschallsendewandler 20 ist vorzugsweise dahingehend konfiguriert, dass der Sondenkopf 30 austauschbar und mit verschiedenen Sondenkopf-Konfigurationen austauschbar ist, wie beispielsweise dem Sondenkopf 630, der in Bezug auf 6 dargestellt ist. Details der Konfiguration und Konstruktion eines Sondenkopfs werden basierend auf der spezifischen Geometrie und Anordnung der Schweißnaht des Werkstücks ausgewählt, wie beispielsweise der dargestellte Sondenkopf 30 mit Hohlleitersonden 32, die den Schweißmulden 94 der Schweißnaht 93 des Werkstücks 90 in Bezug auf 1 entsprechen. In einer Ausführung beinhaltet die Schweißverbindung 93 des Werkstücks 90 eine Vielzahl von Schweißmulden 94, die in einer vordefinierten Topographie, z.B. einer geradlinigen Anordnung, angeordnet sind, während die Hohlleitersonden 32 auf dem Sondenkopf 30 gemäß der vordefinierten Topographie der Vielzahl von Schweißmulden 94 angeordnet sind.
  • Jede der Hohlleitersonden 32 beinhaltet einen Spitzenabschnitt 34, der konform zur Schweißmulde 94 der Schweißverbindung 93 im Werkstück 90 ausgebildet ist, und eine Trockenkupplung 36 kann an dem Spitzenabschnitt 34 so angebracht werden, dass die Trockenkupplung 36 während des Betriebs zwischen dem Spitzenabschnitt der Hohlleitersonde 32 und der Schweißmulde 94 der Schweißverbindung 93 angeordnet ist. Zu den Beispielen für eine Trockenkupplung 36 zählen ein Silikoneinsatz, eine Kunststofffolie, Zellophan, ein Gummieinsatz, ein Polymereinsatz, usw. Die Trockenkupplung 36 wird eingesetzt, um die Schwingungskopplung zwischen der Hohlleitersonde 32 und der Schweißmulde 94 zu erleichtern. Diese Anordnung erübrigt die Notwendigkeit, das Werkstück 90 zur Durchführung der Messung in ein Fluid zu tauchen.
  • Zwischen den einzelnen Hohlleitersonden 32 des Sondenkopfs 30 kann ein Wellendämpfer 38 (siehe 5) zwischengeschaltet werden. Der Wellendämpfer 38 beinhaltet in einer Ausführungsform eine Vielzahl von ineinandergreifenden Elementen mit geriffelten Oberflächen, die geradlinig angeordnet und zwischen einzelnen der Hohlleitersonden 32 angeordnet sind. Der Wellendämpfer 38 absorbiert die Schwingungsenergie, die sich von einer aktivierten Hohlleitersonde 32 über den Sondenkopf 30 ausbreiten kann. Der Wellendämpfer 38 entkoppelt die einzelnen Hohlleitersonden 32 schwingungstechnisch, wenn der Sondenkopf 30 mit einer Vielzahl von Hohlleitersonden 32 als einheitliche Vorrichtung gefertigt wird. Die Schwingungsentkopplung des Wellendämpfers 38 verhindert oder minimiert unbeabsichtigte Wellenmodi und Übersprechen zwischen angrenzenden Wellenleitern 32 am Sondenkopf 30 während des Betriebs der Überwachungsvorrichtung 15.
  • Die Vielzahl der einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elemente 22 sind vorzugsweise in einem geradlinigen Raster angeordnet, z. B. wie in 2 dargestellt. Jedes der piezoelektrischen Elemente 22 ist über die Kommunikationsverbindung 14 mit der Steuerung 10 verbunden. Die Steuerung 10 beinhaltet eine Steuerroutine 12, die zum Anweisen und Steuern der individuellen Aktivierung und Deaktivierung jedes der piezoelektrischen Elemente 22 ausführbar ist. Die Ansicht der piezoelektrischen Elemente 22, die unter Bezugnahme auf 2 dargestellt ist, beinhaltet neun der piezoelektrischen Elemente, die durch die Ziffer 24 schattiert und gekennzeichnet sind, was bedeutet, dass sie selektiv aktivierbar sind, wie nachstehend beschrieben.
  • Weiterhin wird auf 2 verwiesen, wobei die neun selektiv aktivierten piezoelektrischen Elemente 24 physikalisch an eine der Hohlleitersonden angrenzen und mit dieser in Schwingungsverbindung stehen, was durch die Ziffer 33 angezeigt wird. Im Betrieb wird die durch die Aktivierung der piezoelektrischen Elemente 24 erzeugte Schwingungsenergie nur auf die Hohlleitersonde 33 des Sondenkopfs 30 übertragen. Über die nicht aktivierten piezoelektrischen Elemente 22 wird keine Schwingungsenergie direkt auf die anderen Hohlleitersonden 32 des Sondenkopfs 30 übertragen. Damit werden die piezoelektrischen Elemente 22 aktiviert, die auf ein entsprechendes Merkmal der spezifischen Ausführungsform des Sondenkopfs 30 ausgerichtet sind, beispielsweise werden in einem Fall nur die piezoelektrischen Elemente 24 aktiviert, die über der ausgewählten Hohlleitersonde 33 positioniert sind. Somit können die piezoelektrischen Elemente 22 so gesteuert werden, dass sie einzeln eine oder eine Vielzahl von Hohlleitersonden 32 stimulieren, die in physischem Kontakt mit einer Schweißmulde 94 stehen, die ein Teil der Schweißverbindung 93 im Werkstück 90 ist. Einige der piezoelektrischen Elemente 22 können eventuell keiner der Hohlleitersonden 32 zugeordnet werden. Dies können zum Beispiel nicht verwendete Elemente sein. Weiterhin können mehrere der piezoelektrischen Elemente 22 der gleichen Hohlleitersonde zugeordnet werden und in schwingungstechnischer Verbindung mit derselben der Hohlleitersonden 32 sein.
  • Der Ultraschallsendewandler 20 kann in einer Vorrichtung (nicht dargestellt) angeordnet werden, die ein oder mehrere Elemente mit einer Druckbelastung 21 beinhaltet, um den Sondenkopf 30 in Richtung des akustischen Empfangswandlers 40 zu drücken, sodass mindestens eine der Hohlleitersonden 32 physikalisch kontaktiert wird und vorzugsweise eine Druckbelastung auf die Schweißverbindung 93 im Werkstück 90 ausübt.
  • Der akustische Empfangswandler 40 kann ein Akustographie-Sensorsystem sein, das einen Akustographiefilm, eine Kamera, eine Lichtquelle usw. in einer Ausführungsform beinhaltet. Das Akustographie-Sensorsystem beinhaltet einen Film, der auf Ultraschall reagiert und somit das Erfassen von akustischen Abtastsignalen ohne Abtastung ermöglicht. Alternativ kann der akustische Empfangswandler 40 eine Anwendung vom Abtasttyp sein, wie beispielsweise ein geradliniges Array, das eine Phased-Array-Abtastung, eine Amplituden-/Zeitabtastung oder eine bürstenartige Abtastvorrichtung durchläuft. Vorzugsweise wird der akustische Empfangswandler 40 als ebene Fläche angeordnet.
  • Die Steuerung 10 ist in Verbindung mit den einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen 22 des Ultraschallsendewandlers 20 und mit dem akustischen Empfangswandler 40. Im Betrieb kann die Steuerung 10 den Betrieb des Ultraschallsendewandlers 20 steuern, um die Druckkraft 21 auf ein Musterwerkstück 90 auszuüben. Dies ermöglicht jeder der Hohlleitersonden 32 einen engen Kontakt mit einer der Schweißmulden 94 der Schweißverbindung 93 und ermöglicht eine präzise Messung, die nur auf den interessierenden Bereich, d. h. die Schweißmulde 94, fokussiert ist.
  • Die Steuerung 10 kann den Betrieb mindestens eines der einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elemente 22, das einer der Hohlleitersonden 32 des Ultraschallsendewandlers 20 zugeordnet ist, steuern, wobei dieser Betrieb als Spannungs- oder Kraftamplituden-Zeitabtastung (A-Abtastung) erfolgt. Die Steuerung 10 überwacht weiterhin die Signalausgänge des akustischen Empfangswandlers 40, die eine Signalverarbeitung zum Bewerten einer oder einer Vielzahl der Schweißmulden 94 der Schweißverbindung 93 durchlaufen. Dieser Vorgang kann ausgeführt werden, um die piezoelektrischen Elemente 22 zu durchlaufen und nacheinander zu aktivieren und den Ausgang mit dem akustischen Empfangswandler 40 in einer Ausführungsform zu überwachen. Alternativ kann dieser Vorgang ausgeführt werden, um Teilmengen der piezoelektrischen Elemente 22 zu durchlaufen und nacheinander zu aktivieren und den Ausgang mit dem akustischen Empfangswandler 40 zu überwachen. Alternativ kann dieser Vorgang ausgeführt werden, um gleichzeitig die piezoelektrischen Elemente 22 zu aktivieren und den Ausgang mit dem akustischen Empfangswandler 40 zu überwachen. Derartige Vorgänge können auf algorithmischen Code reduziert werden, der als Steuerroutine 12 ausgeführt wird, die vorzugsweise in einer ausführbaren Datei in der Steuerung 10 gespeichert ist.
  • 6 veranschaulicht einen Ultraschallsendewandler 620 mit einem Sondenkopf 630, der eine einzelne Hohlleitersonde 632 aufweist, die einen Spitzenabschnitt 634 mit einer daran befestigten Trockenkupplung 636 aufweist, die zum Überwachen einer Punktschweißung, einer Wulstschweißung, eines Niets, einer Ultraschallschweißung oder einer anderen Verbindungsgeometrie ausgelegt sein und eingesetzt werden kann. Somit ist der Sondenkopf anpassbar und rekonfigurierbar.
  • Die Begriffe „Steuerung“ und verwandte Begriffe wie Steuermodul, Modul, Steuern, Steuereinheit, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis(e) (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en), wie z. B. Mikroprozessor(en) und diesen zugeordnete nicht-flüchtige Speicherkomponenten in Form von Speicher- und Speichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriff, Festplatte usw.). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Ein- und Ausgabevorrichtungen und Schaltungen gehören Analog-/Digitalwandler und ähnliche Vorrichtungen, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuerung führt eine Reihe von Steuerroutinen aus, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden, ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und zwischen Steuerungen, Stellgliedern und/oder Sensoren kann über eine Punkt-zu-Punkt-Direktverkabelung, eine Netzwerkkommunikations-Busverbindung, eine drahtlose Verbindung oder eine geeignete Kommunikationsverbindung bewerkstelligt werden und ist durch die Leitung 14 gekennzeichnet. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen auf eine geeignete Art, darunter auch z. B. elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale durch die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren und Stellgliedbefehle, sowie Kommunikationssignale zwischen Steuereinheiten darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf eine physisch wahrnehmbare Anzeige, die Informationen übermittelt und kann eine geeignete Wellenform (z. B. elektrische, optische, magnetische, mechanische oder elektromagnetische) umfassen, wie beispielsweise Gleichstrom, Wechselspannung, Sinuswellen, Dreieckswelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die durch ein Medium laufen können.
  • Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück, umfassend: einen Ultraschallsendewandler und einen Empfangswandler; den Ultraschallsendewandler mit einem Sondenkopf, der auf einer Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen angeordnet ist; den Sondenkopf mit einer Vielzahl von Hohlleitersonden, die orthogonal von einer ebenen Oberfläche davon vorstehen; einen Wellendämpfer, der zwischen den einzelnen Hohlleitersonden angeordnet ist; und einen Empfangswandler; worin das Werkstück zwischen den Hohlleitersonden des Ultraschallsendewandlers und des Empfangswandlers einsetzbar ist; worin der Ultraschallsendewandler so angeordnet ist, dass er den Sondenkopf in Richtung des Empfangswandlers drückt, sodass mindestens eine der Hohlleitersonden die Schweißnaht im Werkstück kontaktiert; worin die piezoelektrischen Elemente steuerbar sind, um die mindestens eine Hohlleitersonde, die mit der Schweißnaht im Werkstück in physischem Kontakt steht, einzeln zu stimulieren; und worin der akustische Empfangswandler zum Überwachen der Schweißverbindung im Werkstück angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Ultraschallsendewandler so angeordnet ist, dass er den Sondenkopf in Richtung des Empfangswandlers drückt, sodass mindestens eine der Hohlleitersonden in physischem Kontakt mit einem Verbindungsbereich der Schweißverbindung im Werkstück steht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: eine Steuerung in Verbindung mit den einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen des Ultraschallsendewandlers und des akustischen Empfangswandlers; worin die Steuerung angeordnet ist, um den Betrieb mindestens eines der einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elemente zu steuern, das einer der Hohlleitersonden des Ultraschallsendewandlers zugeordnet ist; und worin die Steuerung zum Überwachen des akustischen Empfangswandlers angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen in einer geradlinigen Gitteranordnung angeordnet ist und worin jedes der piezoelektrischen Elemente nur einer der Hohlleitersonden zugeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin jede der Hohlleitersonden einen Spitzenabschnitt beinhaltet, der so konfiguriert ist, dass er an einen Verbindungsbereich der Schweißnaht im Werkstück angepasst werden kann, und worin eine Trockenkupplung an dem Spitzenabschnitt angebracht ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Schweißverbindung des Werkstücks eine Vielzahl von in einer vordefinierten Topographie angeordneten Schweißmulden aufweist; und worin die Vielzahl von Hohlleitersonden gemäß der Anordnung der Vielzahl von Schweißmulden der vordefinierten Topographie auf dem Sondenkopf angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Sondenkopf, der auf dem Ultraschallsendewandler angeordnet ist, eine erste Konfiguration von Hohlleitersonden aufweist, die orthogonal von dessen Oberfläche vorstehen; und worin der Sondenkopf durch einen zweiten Sondenkopf mit einer zweiten Konfiguration der Hohlleitersonden austauschbar ist, die orthogonal von deren Oberfläche vorstehen, worin die erste Konfiguration der Hohlleitersonden eine Anordnung aufweist, die sich von der zweiten Konfiguration der Hohlleitersonden unterscheidet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißverbindung in einem Werkstück ohne Eintauchen des Werkstücks in ein Fluidbad oder Anwenden einer Gel-/Fluidkopplung betreibbar ist.
  9. Vorrichtung zur in-situ-Überwachung einer Schweißnaht in einem Werkstück, umfassend: einen Ultraschallsendewandler mit einer Vielzahl von einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen; einen Sondenkopf, der auf dem Ultraschallsendewandler angeordnet ist und eine Hohlleitersonde beinhaltet, die orthogonal von der Oberfläche desselben vorsteht, worin die Hohlleitersonde einen Spitzenabschnitt beinhaltet und worin eine Trockenkupplung an dem Spitzenabschnitt angebracht ist; und einen akustischen Empfangswandler; worin der Spitzenabschnitt der Hohlleitersonde angeordnet ist, um die Schweißnaht im Werkstück zu kontaktieren; und worin die Vorrichtung betreibbar ist, um eine in-situ-Überwachung der Schweißnaht in dem Werkstück ohne Eintauchen des Werkstücks in ein Fluidbad zu bewirken.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend: eine Steuerung in Verbindung mit den einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elementen des Ultraschallsendewandlers und des Empfangswandlers; worin die Steuerung so angeordnet ist, dass sie den Betrieb mindestens eines der einzeln aktivierbaren piezoelektrischen Elemente anweist, das der Hohlleitersonden des Ultraschallsendewandlers zugeordnet ist; und worin die Steuerung zum Überwachen des akustischen Empfangswandlers angeordnet ist.
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