-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Werkstücken sowie eine Steuereinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung und ein Widerstandsschweißgerät.
-
Stand der Technik
-
Mittels Schweißprozessen wie beispielsweise dem Widerstandsschweißen können Werkstücke stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Beispielsweise werden im Zuge des automatisierten Karosserierohbaus durch robotergeführte Schweißzangen unterschiedliche Werkstücke, z.B. Bleche, mittels Widerstandsschweißen miteinander verschweißt. Im Zuge des Widerstandsschweißens werden zwei Schweißelektroden einer Schweißzange zunächst auf die zu verschweißenden Werkstücke zubewegt und gegen einen Schweißpunkt der Werkstücke gepresst, bis eine vorgegebene Elektrodenkraft erreicht ist. Anschließend erfolgt der eigentliche Schweißprozess, im Zuge dessen die Schweißelektroden für die Dauer einer Schweißzeit mit einem Schweißstrom bestromt werden, wodurch eine Widerstandserwärmung der beiden zu verschweißenden Werkstücke zwischen den Schweißelektroden erfolgt und die Werkstücke bis zum Erreichen einer erforderlichen Schweißtemperatur erhitzt werden.
-
Es ist bekannt, die zu verschweißenden Werkstücke während des Schweißprozesses mit Ultraschall zu durchschallen und z.B. eine Schallabsorptionsrate bzw. einen nach der Durchschallung verbleibenden Restschallpegel für die Steuerung bzw. Regelung des Schweißprozesses zu verwenden.
-
Beispielsweise offenbart die
DE 976 313 C , für einen Schweißvorgang beim Widerstandsschweißen an einer Schweißstelle einen Ultraschallgeber und -empfänger anzubringen, dessen Ausgang Schaltmittel beeinflusst, die den Schweißvorgang steuern.
-
Die
DE 103 13 288 A1 offenbart beispielsweise ein Verbindungselement zum Verbinden und/oder Fixieren einer Elektrode mit einem Elektrodenarm einer Widerstandsschweißanlage, wobei das Verbindungselement einen Sensor zur Einleitung von Ultraschallwellen in die Elektrode und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen aufweist.
-
Aus der
DE 103 12 459 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Bewertung einer sich während eines Schweißvorganges ausbildenden Schweißverbindung bekannt, wobei ein Bereich der sich ausbildenden Schweißverbindung mit longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen durchschallt wird, wobei Schalldurchlässigkeitsänderungen der den Bereich durchdringenden longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen registriert werden, wobei anhand einer Verhältnisbildung dieser Schalldurchlässigkeitsänderungen ein Zeitpunkt ermittelt wird, an dem sich im Bereich der Schweißverbindung eine Schmelze ausbildet und wobei dieser Zeitpunkt als Grundlage für die Bewertung der Schweißverbindung dient.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Werkstücken sowie eine Steuereinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung und ein Widerstandsschweißgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Widerstandsschweißgeräts ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in analoger Art und Weise.
-
Die Erfindung basiert darauf, wenigstens eine der Schweißelektroden mit wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern, insbesondere piezoelektrischen Sensoren, vorzugsweise einer Anordnung bzw. Matrix aus solchen Aufnehmern, auszustatten und anhand der Messsignale den Schweißvorgang ortsaufgelöst zu überwachen.
-
Beim Widerstandsschweißen werden die zwei Schweißelektroden gegen einen Schweißpunkt der Werkstücke gepresst. Die Schweißelektroden sind insbesondere Teil einer Schweißzange. Während einer sogenannten Schließphase bzw. Schließzeit werden die zwei Schweißelektroden der Schweißzange zweckmäßigerweise auf die Werkstücke bzw. auf den Schweißpunkt zubewegt. Im Zuge einer sog. Kraftaufbauphase werden die zwei Schweißelektroden gegen den Schweißpunkt gepresst, bis eine vorgegebene Elektrodenkraft erreicht ist. Im Zuge eines Schweißprozesses werden die Schweißelektroden mit einem Schweißstrom bestromt, insbesondere für die Dauer einer vorgegebenen Schweißzeit.
-
In wenigstens einer ersten Schweißelektrode der zwei Schweißelektroden sind wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer angeordnet. Von den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern wird jeweils ein Messsignal erzeugt. Die von den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern erzeugten Messsignale werden ortsaufgelöst ausgewertet und in Abhängigkeit von der Auswertung wird eine Maßnahme durchgeführt. Insbesondere betrifft bzw. beeinflusst die Maßnahme den Schweißprozess. Als Maßnahme können der Schweißprozess oder einzelne Phasen des Schweißprozesses insbesondere in Abhängigkeit von der Auswertung durchgeführt bzw. beeinflusst werden. Die Ortsauflösung entsteht durch die Mehrzahl der Ultraschallaufnehmer, die an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Dasselbe gilt auch für die zweite Schweißelektrode, in der ebenfalls wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer angeordnet sein können. So können ortsaufgelöste Messungen auf beiden Seiten der Werkstücke durchgeführt werden.
-
Vorteilhafterweise ist wenigstens in einer zweiten Schweißelektrode der zwei Schweißelektroden wenigstens ein Ultraschallsender angeordnet. Von dem wenigstens einen Ultraschallsender wird bevorzugt ein Ultraschallsignal ausgesendet, so dass die Messsignale von den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern insbesondere jeweils in Abhängigkeit von dem ausgesendeten Ultraschallsignal erzeugt werden. Insbesondere stellt das Ultraschallsignal ein Testsignal dar, welches von dem wenigstens einen Ultraschallsender durch die Werkstücke hindurch ausgesendet wird und dabei in verschiedenen Bereichen der Werkstücke auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden kann, insbesondere abhängig von den speziellen Eigenschaften dieser Bereiche. Je nachdem wie das ausgesendete Ultraschallsignal in den Werkstücken beeinflusst wird, werden von den Ultraschallaufnehmern ortsaufgelöst unterschiedliche Messsignale erzeugt, welche ortsaufgelöst Rückschlüsse über die Eigenschaften verschiedener Bereiche der Werkstücke ermöglichen. Dasselbe gilt auch für die erste Schweißelektrode, in der ebenfalls wenigstens ein Ultraschallsender angeordnet sein können.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann, insbesondere wenn gleichzeitig die Schweißstelle mit Ultraschall durchschallt wird, mit den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern die Qualität der Schweißverbindung ortsaufgelöst bewertet werden, um daraus entsprechende Maßnahmen abzuleiten, wie nachfolgend erläutert werden soll.
-
Vorteilhafterweise werden die Schweißelektroden im Zuge eines Schweißprozesses mit einem Schweißstrom bestromt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird während des Schweißprozesses von dem wenigstens einen Ultraschallsender das Ultraschallsignal ausgesendet, also vorzugsweise während die Schweißelektroden mit dem Schweißstrom bestromt werden. Die Messsignale werden von den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern jeweils in Abhängigkeit von dem ausgesendeten Ultraschallsignal erzeugt und ausgewertet. Als Maßnahme wird vorteilhafterweise der Schweißprozess in Abhängigkeit von der Auswertung ortsaufgelöst überwacht. Das Ultraschallsignal wird von dem wenigstens einen Ultraschallsender insbesondere durch die Werkstücke hindurch ausgesendet, ferner insbesondere durch einen Bereich der Werkstücke hindurch, in welchem die Werkstücke miteinander verschweißt werden. Insbesondere werden die Werkstücke in einem vorgegebenen Bereich um den Schweißpunkt herum durchschallt. Das Ultraschallsignal durchdringt somit einen Bereich, in welchem die Werkstücke während des Schweißprozesses aufgeschmolzen werden und in welchem die Schweißverbindung der Werkstücke gebildet wird. Durch den Schweißprozess und das Aufschmelzen der Werkstücke verändern sich insbesondere Eigenschaften des diesen Bereich durchdringenden Ultraschallsignals.
-
Durch die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer wird es nun ermöglicht, das von dem Ultraschallsender ausgesendete und die Werkstücke durchdrungen habende Ultraschallsignal ortsaufgelöst zu empfangen. Mittels einer Vielzahl verschiedener Ultraschallaufnehmer, die zweckmäßigerweise an unterschiedlichen Positionen in der zweiten Schweißelektrode angeordnet sein, wird das die Werkstücke durchdrungen habende Ultraschallsignal an verschiedenen Stellen empfangen. Insbesondere wird das von dem Ultraschallsender ausgesendete Ultraschallsignal in unterschiedlichen Bereichen der Werkstücke auf unterschiedliche, individuelle Weise beeinflusst, insbesondere abhängig davon, wie diese Bereiche jeweils im Zuge des Schweißprozesses beeinflusst werden. Zweckmäßigerweise werden von den einzelnen Ultraschallaufnehmern jeweils derartige von unterschiedlichen Bereichen der Werkstücke individuell beeinflusste Ultraschallsignale empfangen. Die Ultraschallaufnehmer sammeln somit insbesondere ortsaufgelöste Informationen aus verschiedenen Bereichen der Werkstücke, welche ortsaufgelöst Rückschlüsse über den Schweißprozess in den Werkstücken zulassen.
-
Im Zuge der Auswertung der Messsignale kann somit online während der Durchführung des Schweißprozesses überwacht werden, wie dieser Prozess ortsaufgelöst in unterschiedlichen Bereichen der Werkstücke abläuft. Durch das vorliegende Verfahren wird somit nicht nur eine zeitaufgelöste, sondern auch eine ortsaufgelöste Überwachung eines Widerstandsschweißprozesses mit Hilfe von Ultraschallsignalen ermöglicht. Zu diesem Zweck werden mehrere Ultraschallaufnehmer genutzt, um das von einem einzigen Ultraschallsender ausgesendete Ultraschallsignal zu erfassen, welches die Werkstücke während des Schweißprozesses durchdrungen hat.
-
Vorzugsweise werden als Maßnahme in Abhängigkeit von der Auswertung ein Fortschritt und/oder eine Qualität des Schweißprozesses ortsaufgelöst überwacht. Durch insbesondere kontinuierliches Senden und Empfangen des Ultraschallsignals kann zweckmäßigerweise überwacht bzw. beobachtet werden, wie sich verschiedene Bereiche der Werkstücke durch den Schweißprozess verändern. Beispielsweise kann somit rückgeschlossen werden, wann welche Bereiche der Werkstücke aufgeschmolzen werden, wann sich die verschiedenen Werkstücke stoffschlüssig miteinander verbinden und wie weit der Schweißprozess somit fortgeschritten ist. Ferner kann nachvollzogen werden, ob sich verschiedene Bereiche der Werkstücke durch den Schweißprozess in einer gewünschten Weise verändern und ob diese Veränderungen einer gewünschten Qualität entsprechen.
-
Insbesondere wird in Abhängigkeit von der Auswertung der Schweißprozess in zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Bereichen der Werkstücke überwacht. Insbesondere können somit gezielt bestimmte Flächen bzw. Volumina innerhalb der Werkstücke während des Schweißprozesses überwacht werden. Zweckmäßigerweise können Anzahl und Anordnung der Ultraschallaufnehmer in der zweiten Schweißelektrode derart gewählt werden, dass eine gezielte Überwachung gewünschter Bereiche möglich ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Ultraschallaufnehmer ferner verwendet, um eine Positionierung der Schweißelektroden zu überprüfen. Zu diesem Zweck kann mit den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern eine Kraftverteilung bzw. Druckverteilung in den Werkstücken gemessen werden, anhand welcher bewertet werden kann, ob die Schweißelektroden richtig zueinander ausgerichtet sind, wie nachfolgend erläutert werden soll.
-
Vorteilhafterweise wird von den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern während einer Schließphase jeweils das Messsignal erzeugt. Im Zuge dieser Schließphase werden die Schweißelektroden vor Beginn des Schweißprozesses auf die Werkstücke bzw. auf den Schweißpunkt zubewegt. Die Messsignale werden ausgewertet und in Abhängigkeit von der Auswertung wird als Maßnahme vorzugsweise überwacht, ob die Schweißelektroden in einer vorgegebenen Weise relativ zu den Werkstücken positioniert sind. Die Messsignale betreffen in diesem Fall insbesondere Druck, welcher in den Werkstücken erzeugt wird, wenn die Schweißelektroden die Werkstücke berühren. Durch Auswerten dieser Messsignale kann insbesondere eine ortsaufgelöste Druckverteilung innerhalb der Elektrodenkappe bestimmt werden. Von dieser Druckverteilung kann insbesondere darauf rückgeschlossen werden, an welchen Stellen die Schweißelektroden die Werkstücke berühren. Durch die Auswertung kann somit zweckmäßigerweise überwacht werden, ob die Schweißelektroden relativ zu den Werkstücken in vorgegebener Weise positioniert sind, insbesondere koaxial und ferner insbesondere ohne Versatz oder Verkanten.
-
In vorteilhafter Weise kann in die Überwachung der Schweißelektrodenpositionierung während der Schließphase ferner der Ultraschallsender einbezogen werden. Zu diesem Zweck wird während der Schließphase von dem wenigstens einen Ultraschallsender das Ultraschallsignal ausgesendet und von den wenigstens zwei Ultraschallaufnehmern wird jeweils das Messsignal erzeugt. Die Messsignale werden ausgewertet und in Abhängigkeit von der Auswertung wird als Maßnahme vorzugsweise überwacht, ob die Schweißelektroden in der vorgegebenen Weise relativ zu den Werkstücken positioniert sind. Somit wird insbesondere im bereits im Zuge der Schließphase ein Ultraschallsignal als das Testsignal ausgesendet. Insbesondere kann die Positionierung der Schweißelektroden somit mit erhöhter Präzision überprüft werden.
-
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode in einem zweidimensionalen Muster angeordnet. Die Ultraschallaufnehmer bilden insbesondere ein Array bzw. eine Matrix und sind insbesondere derart in der ersten Schweißelektrode angeordnet, dass ihre Haupterstreckungsrichtungen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Ausrichtung der einzelnen Ultraschallaufnehmer kann dabei jeweils identisch sein, so dass die Ultraschallaufnehmer bzw. deren Haupterstreckungsrichtungen zweckmäßigerweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Ebenso ist es denkbar, dass die einzelnen Ultraschallaufnehmer jeweils verschiedene Ausrichtung besitzen. Insbesondere kann die Ausrichtung der einzelnen Ultraschallaufnehmer in dem zweidimensionalen Muster derart gewählt werden, dass gezielt gewünschte Bereiche der Werkstücke überwacht werden können.
-
Alternativ oder zusätzlich sind die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der ersten Schweißelektrode angeordnet. Insbesondere besitzen sämtliche Ultraschallaufnehmer während des Schweißprozesses somit einen identischen oder zumindest im Wesentlichen identischen Abstand zu den Werkstücken.
-
Zweckmäßigerweise können Anzahl und Anordnung der Ultraschallaufnehmer gewählt werden, um ein spezielles Array bzw. eine spezielle Matrix von Ultraschallaufnehmern zu erhalten.
-
Vorteilhafterweise sind drei Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode angeordnet, vorzugsweise in Form eines Dreiecks. Die drei Ultraschallaufnehmer liegen dabei insbesondere in der Ebene senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung und bilden zweckmäßigerweise die Ecken eines Dreiecks, beispielsweise eines gleichseitigen Dreiecks.
-
Vorzugsweise sind vier Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode angeordnet. Bevorzugt sind diese vier Ultraschallaufnehmer in Form eines Vierecks angeordnet, beispielsweise eines Quadrats oder Rechtecks. Bevorzugt können diese vier Ultraschallaufnehmer auch in Form eines Dreiecks mit einem Mittelpunkt angeordnet sein, wobei beispielsweise drei Ultraschallaufnehmer die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden und der vierte Ultraschallaufnehmer kann in dem Schwerpunkt dieses Dreiecks liegen.
-
Vorteilhafterweise sind fünf Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode angeordnet, vorzugsweise in Form eines Fünfecks oder Vierecks mit Mittelpunkt. Vorteilhafterweise können auch sechs Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode angeordnet sein, bevorzugt in Form eines Sechsecks. Es versteht sich, dass auch andere zweckmäßiger Anordnungen dieser fünf bzw. sechs Ultraschallaufnehmer denkbar ist.
-
Vorzugsweise sind sieben Ultraschallaufnehmer in der ersten Schweißelektrode angeordnet. Bevorzugt sind diese sieben Ultraschallaufnehmer in Form von drei parallelen Reihen angeordnet, wobei in einer mittleren Reihe drei Ultraschallaufnehmer angeordnet sind und in zwei äußeren Reihen je zwei Ultraschallaufnehmer.
-
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer jeweils als piezoelektrischer Sensor, insbesondere als piezoelektrischer Druck- und/oder Schallsensor ausgebildet. Beispielsweise können die Ultraschallaufnehmer jeweils als gedruckte Spots von piezoaktiven Polymeren ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer vorzugsweise jeweils eine piezoelektrische Keramik, z.B. Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), aufweisen und in geeigneter Weise, z.B. als kleine Plättchen oder Quader, in die Schweißzange eingelassen und geeignet elektrisch kontaktiert sein Piezoelektrische Keramiken sind in der Praxis verbreitet und bewährt, z.B. für Klopfsensoren in PKW. Alternativ oder zusätzlich können die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer vorzugsweise jeweils als kapazitiver Sensor, insbesondere als kapazitiver Druck- und/oder Schallsensor ausbildet sein, beispielsweis als kapazitiv arbeitendes Mikrofon. Ganz besonders bevorzugt sind die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer so ausgebildet, dass sie sowohl als Empfänger als auch als Sender betrieben werden können. Vorzugsweise werden solche Ultraschallaufnehmer dann in beiden Elektroden angeordnet. Dies ermöglicht ohne zusätzlichen Aufwand, in beide Richtungen durch die Werkstücke hindurch zu messen, um eine noch bessere Ortsauflösung bei der Messung zu erreichen.
-
Bevorzugt sind die wenigstens zwei Ultraschallaufnehmer unter einer Elektrodenkappe der ersten Schweißelektrode angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist der wenigstens eine Ultraschallsender vorzugsweise unter einer Elektrodenkappe der zweiten Schweißelektrode angeordnet. Insbesondere können Ultraschallsender bzw. Ultraschallaufnehmer weiter verwendet werden, wenn Elektrodenkappen z.B. aufgrund von Verschließerscheinungen ausgetauscht werden.
-
Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung für den Karosserierohbau, insbesondere für automatisierte Schweißprozesse im Karosserierohbau, vorzugsweise im Zuge einer Fahrzeugproduktion. Insbesondere werden dabei Bleche miteinander verschweißt, um die Karosserie eines Fahrzeugs herzustellen. Im Zuge des Herstellungsprozesses einer einzigen Karosserie können bis zu mehrere tausend Schweißpunkte (z.B. ca. 5.000 Schweißpunkte für ein Mittelklasse-Fahrzeug) automatisiert bearbeitet werden. Durch das Verfahren können die einzelnen Schweißpunkte mit bestmöglicher Qualität verschweißt werden.
-
Eine erfindungsgemäße Steuereinheit (Recheneinheit), z.B. eine Schweißsteuerung des Widerstandsschweißgeräts, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Steuereinheit bzw. Schweißsteuerung kann beispielsweise als SPS (speicherprogrammierbare Steuerung), als NC (Numerical Control) oder CNC (Computerised Numerical Control) ausgebildet sein.
-
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißgeräts, welches dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
- 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
-
In 1 ist ein Schweißgerät zum Widerstandsschweißen schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
-
Mit dem Schweißgerät 100 können Werkstücke 120 durch Widerstandsschweißen miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Beispielsweise werden die Werkstücke 120 im Zuge eines Karosserierohbaus miteinander verschweißt, wobei insbesondere eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs hergestellt wird. Als Werkstücke werden hier beispielsweise zwei Bleche 121 und 122 aus Aluminium miteinander verschweißt.
-
Das Schweißgerät 100 weist eine Schweißzange 110 mit zwei Schweißelektroden 111 und 112 mit Elektrodenkappen 111a, 112a auf sowie eine Steuereinheit (Schweißsteuerung) 160, welche beispielsweise als SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) ausgebildet sein kann und dazu eingerichtet ist, den Widerstandsschweißprozess zu regeln.
-
Im Zuge des Widerstandsschweißens werden die Schweißelektroden 111 und 112 zunächst während einer sog. Schließphase bzw. Schließzeit auf die Bleche 121 und 122 zubewegt und während einer sog. Kraftaufbauphase an einem Schweißpunkt 125 gegen die Bleche 121 und 122 gedrückt, bis eine vorgegebene Elektrodenkraft erreicht ist. Anschließend werden die Schweißelektroden 111 und 112 während des eigentlichen Schweißprozesses für die Dauer einer Schweißzeit mit einem Schweißstrom bestromt, wodurch eine Widerstandserwärmung der Bleche 121 und 122 am Schweißpunkt 125 erfolgt und es zu einem Verflüssigen der Oberflächen der Bleche 121, 122 kommt, wodurch eine Schweißverbindung 123 zwischen den Blechen 121 und 122 erzeugt wird.
-
Um Fortschritt und Qualität des Schweißprozesses ortsaufgelöst in den Blechen 121, 122 überwachen zu können, ist in der Schweißelektrode 112, welche im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als erste Schweißelektrode 112 bezeichnet wird, eine Vielzahl von Ultraschallaufnehmern 140 angeordnet, die jeweils beispielsweise als piezoelektrische Druck- bzw. Schallsensoren ausgebildet sein können. In der anderen Schweißelektrode 111, im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als zweite Schweißelektrode 111 bezeichnet, ist ein Ultraschallsender 130 angeordnet. Der Ultraschallsender 130 ist dabei beispielsweise unter der Elektrodenkappe lila angeordnet und die Ultraschallaufnehmer 140 beispielsweise unter der Elektrodenkappe 112a. Es versteht sich, dass der Ultraschallsender 130 auch in der Schweißelektrode 112 angeordnet sein kann und die Ultraschallaufnehmer 140 in der Schweißelektrode 111. Ebenso können in beiden Schweißelektroden 111, 112 sowohl Ultraschallsender als auch Ultraschallaufnehmer angeordnet sein, ganz besonders bevorzugt solche Elemente, die sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschallaufnehmer betrieben werden können, z.B. piezoelektrische Elemente.
-
In 1 ist ferner ein Querschnitt durch die Schweißelektrode 112 entlang der Linie A-A dargestellt. Wie Anhand dieses Querschnitts zu erkennen ist, ist eine Vielzahl von beispielsweise zehn Ultraschallaufnehmern 141 bis 150 in der Schweißelektrode 112 angeordnet. Die Ultraschallaufnehmer 141 bis 150 sind als ein Array bzw. eine Matrix in einem zweidimensionalen Muster angeordnet, insbesondere in einer Ebene senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Schweißelektrode 112. Durch ein derartiges Array von Ultraschallaufnehmern 140 können Ultraschallsignale von den Blechen 120 ortsaufgelöst empfangen werden.
-
Im dargestellten Beispiel sind die zehn Ultraschallaufnehmer in drei parallelen Reihen angeordnet, wobei in einer mittleren Reihe vier Ultraschallaufnehmer 144, 145, 146 und 147 angeordnet sind und in zwei äußeren Reihen je drei Ultraschallaufnehmer 141, 142 und 143 bzw. 148, 149 und 150.
-
Obgleich in 1 ein Array aus zehn Ultraschallaufnehmern dargestellt ist, versteht sich, dass Anzahl und Anordnung der Ultraschallaufnehmer variieren können. Beispielsweise kann auch ein Array aus sieben Ultraschallaufnehmern in drei parallelen Reihen verwendet werden, wobei in einer mittleren Reihe drei Ultraschallaufnehmer angeordnet sind und in zwei äußeren Reihen je zwei Ultraschallaufnehmer.
-
In dem oben beschriebenen Fall, in dem in beiden Schweißelektroden Elemente angeordnet sind, die sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschallaufnehmer betrieben werden können, weist auch die Schweißelektrode 111 anstelle des Senders 130 ein solches Array auf.
-
Der Ultraschallsender 130 ist dazu vorgesehen, ein Ultraschallsignal durch die Bleche 121, 122 hindurch zu senden. Die Ultraschallaufnehmer 140 sind jeweils vorgesehen, um ein Messsignal zu erzeugen. Diese Messsignale können beispielsweise in Abhängigkeit von dem Ultraschallsignal erzeugt werden, welches von dem Ultraschallsender 130 ausgesendet wird. Ebenso können die Messsignale beispielsweise in Abhängigkeit von Druck auf die Elektrodenkappe 112a erzeugt werden. Die Steuereinheit 160 ist ferner dazu eingerichtet, den Ultraschallsender 130 zum Aussenden eines Ultraschallsignals anzusteuern und die von den Ultraschallaufnehmern 140 erzeugten Messsignale auszuwerten.
-
Um den Schweißprozess mit Hilfe des Ultraschallsenders 130 und der Ultraschallaufnehmer 140 durchzuführen und insbesondere ortsaufgelöst zu überwachen, ist die Steuereinheit 160 ferner, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, welche in 2 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt ist und nachfolgend in Bezug auf die 1 und 2 erläutert wird.
-
Zunächst werden im Zuge der Schließphase 210 die Schweißelektroden 111, 112 in Schritt 211 auf die Bleche 120 zubewegt, bis sie diese berühren. Wenn die Schweißelektroden 111, 112 die Bleche 120 berühren, wird in Schritt 212 in den Elektrodenkappen Druck erzeugt. In Schritt 213 werden in Abhängigkeit von diesem Druck von den Ultraschallaufnehmern 140 jeweils Messsignale erzeugt. In Schritt 214 werden diese von den Ultraschallaufnehmern 140 erzeugten Messsignale ausgewertet und es wird als eine Maßnahme überwacht, ob die Schweißelektroden 111, 112 in einer vorgegebenen Weise relativ zu den Werkstücken 121, 122 koaxial ohne Versatz oder Verkanten positioniert sind. Insbesondere wird dabei bestimmt, ob der Druck rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt der Elektrode, welche zweckmäßigerweise auch der Mittelpunkt des Arrays ist, ist.
-
Wenn beispielsweise die Schweißelektrode 111 mit dem Ultraschallsender 130 nicht zentrisch über Schweißelektrode mit den Ultraschallaufnehmern 140 angeordnet ist, so wird dies über eine Laufzeitdifferenz des Ultraschallsignals zu den unterschiedlichen Ultraschallaufnehmern 140 messbar.
-
Wenn beispielsweise die Schweißelektroden 111 und 112 nicht durchgehend flächig auf den Werkstücken aufliegen oder die Werkstücke nicht durchgehend flächig aufeinanderliegen (also Schweißelektroden und/ oder Werkstück(e) verkantet sind), so ist ein Luftspalt im Aufbau zwischen Ultraschallsender und Ultraschallaufnehmern vorhanden, welcher das empfangene Signal z.B. in Intensität und/oder räumlicher Verteilung verändert.
-
Im Zuge der Auswertung der Messsignale kann rückgeschlossen werden, an welchen Stellen die Schweißelektroden 111 und 112 die Bleche 121 und 122 wie stark berühren, d.h. die Auswertung ist ortsaufgelöst. Wenn dabei im Zuge der Auswertung in Schritt 214 bestimmt wird, dass die Schweißelektroden 111, 112 die Bleche 120 nicht korrekt an dem Schweißpunkt 125 berühren, werden die Schweißelektroden 111 und 112 in Schritt 216 neu positioniert und es wird erneut mit Schritt 211 begonnen.
-
Wenn hingegen in Schritt 214 bewertet wird, dass die Schweißelektroden 111, 112 die Bleche 120 in vorgegebener bzw. korrekter Weise an dem Schweißpunkt 125 berühren, wird in Schritt 215 mit der Kraftaufbauphase begonnen, im Zuge derer die Schweißelektroden 111, 112 weiter gegen den Schweißpunkt 125 gepresst werden, bis eine vorgegebene Elektrodenkraft erreicht ist.
-
Daraufhin wird der eigentliche Schweißprozess 220 durchgeführt, im Zuge dessen die Schweißelektroden 111, 112 in Schritt 221 mit einem Schweißstrom bestromt werden. Während dieser Bestromung bzw. während des Schweißprozesses wird in Schritt 222 von dem Ultraschallsender 130 ein Ultraschallsignal durch die Bleche 120 ausgesendet, insbesondere durch die entstehende Schweißverbindung 130. In Schritt 223 werden von den Ultraschallaufnehmern 140 jeweils Messsignale erzeugt in Abhängigkeit von dem ausgesendeten Ultraschallsignal, welches die Bleche 120 durchdrungen hat. In Schritt 224 werden diese Messsignale ausgewertet.
-
Das von dem Ultraschallsender 130 ausgesendete Ultraschallsignal wird in unterschiedlichen Bereichen der Bleche 120 auf unterschiedliche Weise beeinflusst, je nachdem wie diese Bereiche im Zuge des Schweißprozesses beeinflusst werden. Von den einzelnen Ultraschallaufnehmern 141 bis 150 werden jeweils derartige von unterschiedlichen Bereichen der Bleche 120 individuell beeinflusste Ultraschallsignale empfangen. Durch Auswertung der durch diese Ultraschallsignale erzeugten Messsignale kann in Schritt 224 als Maßnahme der Schweißprozess ortsaufgelöst überwacht werden. Insbesondere kann eine Projektion der Schweißverbindung auf das Array vermessen werden.
-
Im Zuge der Auswertung wird in Schritt 224 beispielsweise bewertet, wie weit der Schweißprozess fortgeschritten ist und ob der Schweißprozess bzw. die erzeugte Schweißverbindung 130 eine vorgegebene Qualität aufweisen. Beispielsweise kann die Größe des aufgeschmolzenen Bereichs bestimmt werden. Es kann auch die Form bzw. die laterale Verteilung des aufgeschmolzenen Bereichs zwischen den Elektroden analysiert werden.
-
Wenn in Schritt 224 - insbesondere anhand der Größe und/oder Form des aufgeschmolzenen Bereichs - bestimmt wird, dass der Schweißprozess komplett durchgeführt wurde und dass die Qualität der Schweißverbindung 130 vorgegebenen Kriterien entspricht, wird der Schweißprozess in Schritt 225 beendet. Dabei wird in Schritt 225 beispielsweise die Bestromung der Schweißelektroden 111, 112 beendet und die Elektroden 111, 112 werden von den Blechen 120 wegbewegt.
-
Wenn hingegen in Schritt 224 bestimmt wird, dass der Schweißprozess komplett durchgeführt wurde, die Qualität der Schweißverbindung 130 jedoch nicht vorgegebenen Kriterien genügt, wird in Schritt 226 eine entsprechende Maßnahme durchgeführt, beispielsweise eine Nachbearbeitung der Schweißverbindung 130.
-
Durch die vorliegende Erfindung wird somit nicht nur eine zeitaufgelöste, sondern auch eine ortsaufgelöste Überwachung des Widerstandsschweißprozesses mit Hilfe eines Arrays aus einer Vielzahl verschiedener Ultraschallaufnehmer ermöglicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 976313 C [0004]
- DE 10313288 A1 [0005]
- DE 10312459 A1 [0006]
