DE102020213646A1 - Verfahren und system zum testen der strukturellen integrität einer metallverbindung - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung wie etwa einer Schweißstelle. Das Verfahren umfasst ein Ausüben einer Belastung auf die Metallverbindung und ein Messen eines Widerstands eines Schaltkreises einschließlich der Metallverbindung während der Ausübung der Belastung auf die Metallverbindung. Eine strukturelle Integrität der Metallverbindung wird durch ein Vergleichen des gemessenen Widerstands mit einem Basislinienwiderstand bestimmt.

Description

  • Eine Vielzahl von Techniken zum zerstörungsfreien Testen von Schweißstellen ist allgemein bekannt, von denen jede bestimmte Nachteile aufweist. Beispielsweise bietet eine visuelle Überprüfung (oder bilderkennungsbasierte Überprüfung) einen hohen Durchsatz und eine hohe Reproduzierbarkeit, gibt jedoch keine Informationen zum Inneren der Schweißstellen. Eine visuelle Überprüfung erfordert außerdem, dass die Schweißstelle nicht durch Umhüllungen verdeckt wird. Eine radiografische Überprüfung ermöglicht auch einen hohen Durchsatz und zeigt das Innere der Schweißstelle, erfordert jedoch eine teure Ausrüstung und radiologische Abschirmung. Eine Ultraschallüberprüfung erfordert die direkte Anwendung einer Sonde oder eines Abtastkopfes an allen relevanten Schweißstellen, was eine Herausforderung in Bezug auf Automatisierung darstellt, wenn eine große Anzahl kleiner, jedoch separater Schweißstellen pro Element überprüft werden muss. In ähnlicher Weise erfordert eine Wirbelstromüberprüfung einen direkten, lokalen Kontakt, was eine beträchtliche mechanische Automatisierung notwendig macht. Außerdem sind eine Flüssigkeitsdurchdringungsüberprüfung und eine Magnetpartikelüberprüfung bekannt, jedoch erfordern diese die Anwendung eines Arbeitsmediums, oder von Partikeln, was im Allgemeinen zu umständlich für eine Hochdurchsatzherstellung relativ kostengünstiger Elemente wie etwa Batterien ist.
  • Bestehende zerstörungsfreie Techniken zum Testen von Schweißstellen können daher entweder nicht auf das Innere der Schweißstelle zugreifen, erfordern eine teure Ausrüstung, oder erfordern mehrere mechanische Kontakte pro hergestelltem Element.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung und ein Verfahren zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
  • Gemäß einem Aspekt des erfindungsgemäßen Konzepts ist ein Verfahren zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Ausüben einer Belastung auf die Metallverbindung, ein Messen eines Widerstands eines Schaltkreises einschließlich der Metallverbindung während der Ausübung der Belastung auf die Metallverbindung, und ein Bestimmen einer strukturellen Integrität der Metallverbindung gemäß einem Betrag einer Differenz zwischen dem gemessenen Widerstand und einem Basislinienwiderstand.
  • Die Metallverbindung kann eine Schweißstelle sein, etwa die Schweißstelle einer Batterie.
  • Der Widerstand kann unter Verwendung einer Vierpolerfassung (4P-Erfassung) gemessen werden, und der gemessene Widerstand sowie der Basislinienwiderstand können aus einem Realteil einer gemessenen komplexen Impedanz der Metallverbindung unter Belastung bzw. einem Realteil einer gemessenen komplexen Impedanz der Metallverbindung ohne Belastung erhalten werden.
  • Die Belastung kann eine mechanische Belastung, eine thermische Belastung, eine akustische Belastung und/oder eine elektrische Belastung sein. Die Belastung kann ausgeübt werden, indem ein elektrischer Strom durch die Metallverbindung verläuft, etwa ein pulsierender Gleichstrom durch die Metallverbindung, oder durch einen mechanischen Aktor.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erhalten des Basislinienwiderstands durch Messen eines Widerstands der Metallverbindung in der Abwesenheit einer Belastung, auf die Metallverbindung ausgeübt wird, umfassen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Konzepte ist ein System zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung vorgesehen. Das System umfasst eine Impulsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Metallverbindung zu belasten, eine Widerstandsmessvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Widerstand der Metallverbindung zu messen, während die Metallverbindung durch die Impulsvorrichtung belastet wird, und eine Testautomatisierungsplattform. Die Testautomatisierungsplattform umfasst einen Speicher, der ausführbare Anweisungen speichert, und einen Prozessor, der dazu ausgebildet ist, die aus dem Speicher abgerufenen Anweisungen auszuführen, wobei die Anweisungen bei Ausführung bewirken, dass der Prozessor eine strukturelle Integrität der Metallverbindung auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem gemessenen Widerstand und einem Basislinienwiderstand bestimmt.
  • Die Impulsvorrichtung und die Widerstandsmessvorrichtung können unter der Steuerung der Testautomatisierungsplattform betrieben werden.
  • Die Widerstandsmessvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine komplexe Impedanz der Metallverbindung zu messen, während die Metallverbindung unter Belastung steht, und die Anweisungen können bei Ausführung bewirken, dass der Prozessor eine Differenz zwischen einer Realkomponente der gemessenen Impedanz und dem Basislinienwiderstand bestimmt.
  • Die Belastung kann eine mechanische Belastung, eine thermische Belastung, eine akustische Belastung und/oder eine elektrische Belastung sein. Die Impulsvorrichtung kann einen mechanischen Aktor, der dazu ausgebildet ist, eine mechanische Belastung auf die Metallverbindung auszuüben, oder eine Stromquelle umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen pulsierenden Gleichstrom an der Metallverbindung anzulegen. Die Metallverbindung kann eine Schweißstelle sein.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Konzepte ist ein Verfahren zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Messen eines Widerstands der Metallverbindung, um eine Basislinienimpedanz der Metallverbindung zu erhalten, ein Ausüben einer Belastung auf die Metallverbindung, ein Messen eines Widerstands der Metallverbindung während der Ausübung der Belastung auf die Metallverbindung, um einen belasteten Widerstand der Schweißstelle zu erhalten, ein Bestimmen einer getesteten Differenz zwischen dem Basislinienwiderstand der Metallverbindung und dem belasteten Widerstand der Metallverbindung, und ein Vergleichen der getesteten Differenz mit einem Schwellwert. Das Testergebnis stellt eine fehlende strukturelle Integrität dar, wenn die getestete Differenz den Schwellwert übersteigt.
  • Die Metallverbindung kann eine Schweißstelle sein, und die Belastung kann eine mechanische Belastung, eine thermische Belastung, eine akustische Belastung und/oder eine elektrische Belastung sein.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1A und 1B schematische Ansichten einer Pouch-Zelle-Batterie, die ein Beispiel eines hergestellten Elements mit einer zu testenden Metallverbindung darstellt;
    • 2 ein schematisches Diagramm eines Testaufbaus zum Testen von Schweißstellen einer Pouch-Zelle-Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 3 ein Schaltungsdiagramm des Testaufbaus zum Testen von Schweißstellen einer Pouch-Zelle-Batterie aus 2;
    • 4A und 4B schematische Diagramme eines Testaufbaus zum Testen von Schweißstellen einer Pouch-Zelle-Batterie gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
    • 5 ein Flussdiagramm zur Referenz bei der Beschreibung eines Verfahrens zum Testen einer Metallverbindung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 6 ein Flussdiagramm zur Referenz bei der Beschreibung eines Verfahrens zum Testen einer Metallverbindung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
    • 7 ein Flussdiagramm zur Referenz bei der Beschreibung eines Verfahrens zum Testen einer Metallverbindung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
    • 8 ein Diagramm, das Impedanzmessungen einer Metallverbindung unter Belastung zeigt; und
    • 9 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Testautomatisierungsplattform (TAP), welche operativ gekoppelt ist mit einer Impuls- und einer Messausrüstung, gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
  • Verfahren und Systeme zum Testen der strukturellen Integrität von Metallverbindungen der erfindungsgemäßen Konzepte basieren auf Impedanzmessungen (oder Widerstandsmessungen), die es lediglich erfordern, dass zwei elektrische Kontakte hergestellt werden. Diese Kontakte erfordern keinen hohen Grad an Reproduzierbarkeit, da der Fokus auf der Beobachtung von induzierten Änderungen der Impedanz (oder des Widerstands) liegt, im Gegensatz zu absoluten Impedanzwerten (oder Widerstandswerten). Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anforderungen, die an die mechanische Automatisierung gestellt werden, welche erforderlich ist, um die Kontakte herzustellen, wodurch der Durchsatz und die Reproduzierbarkeit erhöht und die Kosten reduziert werden.
  • Ferner teilen die Verfahren und Systeme der erfindungsgemäßen Konzepte Metallverbindungen direkt auf der Basis ihrer elektrischen Eigenschaften ein. Im Kontext der Batterieherstellung und dem Schweißen von Kontakten ist es diese Eigenschaft, die von höchstem Interesse ist (beispielsweise im Gegensatz zur mechanischen Tragfähigkeit). Dies ermöglicht eine direktere Einschätzung eines relevanten Qualitätsaspekts als bestehende Ansätze, die andere Aspekte der Schweißstelle messen, etwa ihre visuelle Homogenität.
  • Die folgende Beschreibung stellt beispielhaft das Testen der Schweißstellen einer Pouch-Zelle-Batterie dar. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Konzepte in keiner Weise auf die spezielle Art der zu testenden Metallverbindung (etwa eine Schweißstelle) beschränkt, und sie sind in keiner Weise auf das hergestellte Element, das die Metallverbindung enthält, (etwa eine Batterie) beschränkt. Beispielsweise umfassen andere Arten von Metallverbindungen, die gemäß den erfindungsgemäßen Konzepten getestet werden können, Lötverbindungen und Hartlötverbindungen.
  • Im Fall von Schweißverbindungen sind die erfindungsgemäßen Konzepte ferner nicht durch die Art von Schweißprozess eingeschränkt. Beispielsweise können die Prozesse, die dazu verwendet werden, die zu testende Schweißverbindung zu bilden, MIG-Schutzgasschweißen (GAMW, Gas Metal Arc Welding), TIG - Wolfram-Inertgas-Schweißen (GTAW, Gas Tungsten Arc Welding), Stab-Lichtbogenschweißen (SMAW, Shielded Metal Arc Welding), Fülldrahtschweißen (FCAW, Flux-Cored Arc Welding), Elektronenstrahlschweißen (EBW, Energy Beam Welding), Atomarwasserstoffschweißen (AHW), Atomic Hydrogen Welding), Wolfram-Inertgas-Bogenschweißen und Plasmabogenschweißen. Gleichermaßen sind die erfindungsgemäßen Konzepte nicht auf die Art von Schweißverbindung beschränkt. Beispielsweise kann die Art der Schweißverbindung eine Überlappungsverbindung, eine Anstoßverbindung, eine Eckverbindung, eine T-Verbindung und eine Randverbindung sein.
  • 1A ist eine schematische Draufsicht auf eine Pouch-Zelle-Batterie 100 und 1 B ist eine seitliche Teilschnittansicht der Pouch-Zelle-Batterie aus 1A. Unter gemeinsamer Bezugnahme auf 1A und 1B umfasst die Pouch-Zelle-Batterie 100 eine äußere Ummantelung, bzw. eine Pouch, 10 sowie externe Elektroden 11a und 11b. In der Pouch 10 befinden sich eine oder mehrere Batteriezellen (nicht gezeigt), die elektrisch mit den externen Elektroden 11a und 11b verbunden sind. Bei diesem Beispiel sind die Batteriezellen durch das Schweißen interner Elektrodenfolien 13 an die externen Elektroden 11a und 11b mit den externen Elektroden 11a und 11b verbunden. Die resultierenden Schweißstellen sind als Bezugszeichen 12a und 12b in den 1A und 1B gezeigt. Wie am besten in 1B ersichtlich ist, sind die Schweißstellen 12a und 12b in der Pouch 10 eingeschlossen und somit für das bloße Auge oder für Bilderkennungskameras nicht sichtbar.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 ein Verfahren zum Testen der strukturellen Integrität der Schweißstellen 12a und 12b der Pouch-Zelle-Batterie 100 aus 1A und 1B gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Konzepte beschrieben.
  • Ohne eine Einschränkung durch Terminologie zu beabsichtigen, umfassen diese und andere hierin beschriebene Ausführungsbeispiele eine „Impuls“-Komponente und eine „Auslese“-Komponente.
  • Die Impulskomponente ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Art von Störung oder Belastung für die zu testende Metallverbindung bereitstellt. Beispielsweise kann die Belastung die Form einer mechanischen Belastung, einer thermischen Belastung, einer akustischen Belastung und einer elektrischen Belastung annehmen. Ein Beispiel einer mechanischen Belastung ist die Ausübung einer Druckkraft auf die Metallverbindungsstelle durch einen mechanischen Aktor. Andererseits kann die thermische Belastung beispielsweise durch eine lokale Infraroterwärmung oder einen Laser auf die Metallverbindung ausgeübt werden. Ein Beispiel einer elektrischen Belastung ist in ein relativ starker Gleichstrom oder ein relativ starker pulsierender Gleichstrom, der an die Metallverbindung angelegt wird. Die akustische Belastung kann beispielsweise die Form von Schallwellen annehmen, welche Vibrationen in der Metallverbindung induzieren.
  • Die Auslesekomponente ist gekennzeichnet durch eine Widerstandsmessung (oder Impedanzmessung) an der zu testenden Metallverbindung, während die Metallverbindung unter der Belastung der Impulskomponente steht. Diese belastungsinduzierte Widerstandsmessung wird mit einem Basislinienwiderstand verglichen, der den Widerstand der Metallverbindung angibt, während diese nicht unter Belastung steht. Der Basislinienwiderstand kann vorab oder zeitgleich mit der belastungsinduzierten Widerstandsmessung bestimmt werden. Wie zuvor erwähnt wird, liegt der Fokus auf der Änderung des Widerstands von einem nicht belasteten Zustand zu einem belasteten Zustand, statt auf Absolutwerten der Messungen selbst. Ohne an Theorien gebunden zu sein, haben die Erfinder Hypothesen dahingehend aufgestellt, dass Metallverbindungen einer relativ niedrigen strukturellen Integrität unter Belastung eine größere Instabilität aufweisen, das heißt größere Änderungen des Widerstands oder der Impedanz, als Metallverbindungen einer höheren strukturellen Integrität.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel aus 2 wird die Impulskomponente durch das Anlegen eines pulsierenden Gleichstroms an die externen Elektroden 11a und 11b unter Verwendung von Verdrahtungselektroden 13a und 13b realisiert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der pulsierende Gleichstrom eine Amplitude in dem Bereich von 1 bis 100 Ampere (beispielsweise 30 Ampere) und eine Pulsbreite im Bereich von 1 bis 60 Sekunden (beispielsweise 5 Sekunden) aufweisen.
  • Die Auslesekomponente des Ausführungsbeispiels aus 2 wird durch eine Vierpolerfassung (4P-Erfassung) realisiert. Wie in 2 gezeigt ist, ist die 4P-Erfassung also durch separate Paare von stromführenden Elektroden 14 (als Kraft) und spannungserfassenden Elektroden 15 (als Erfassung) gekennzeichnet. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Konzepte nicht auf eine 4P-Erfassung einer Impedanz beschränkt, und andere Impedanz- oder Widerstandsmesstechniken können eingesetzt werden.
  • 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das auf repräsentative Weise den elektrischen Aufbau der Konfiguration aus 2 zeigt. In 3 bezeichnet ZZelle die Impedanz der Zellen und Verbindungen in der Pouch-Zelle-Batterie 100 aus 2, und RSchweißstelle bezeichnet den Widerstand der Schweißstellen 12a und 12b aus 2. RSchweißstelle ist variabel in Bezug auf die Ausübung von Impulsen.
  • Bezugszeichen 19 aus 3 bezeichnet eine Pulsierender-Strom-Quelle, die eine Gleichspannungsquelle 15, einen Schalter 16 und eine Widerstandskomponente 17 umfasst. Die Pulsierender-Strom-Quelle 19 ist dahingehend betriebsbereit, einen pulsierenden Messgleichstrom an den elektrischen Schaltkreis einschließlich RSchweißstelle ZZelle und RSchweißstelle anzulegen.
  • Der elektrische Aufbau ist dazu ausgebildet, Änderungen der Impedanz der Schweißstellen ansprechend auf die Pulsierender-Gleichstrom-Quelle 16 ausgeübte Belastung zu messen. Die zu messende Größe ist RSchweißstelle. Das heißt, der Realteil der Schweißimpedanz weist empirisch eine höhere Diagnosevalidität auf als der Imaginärteil. Es kann daher wünschenswert sein, eine Messfrequenz für die Impedanzmessung derart auszuwählen, dass sich die Hintergrundkapazität und -induktivität der Batteriezelle aufheben. Außerdem sollte die für die Impedanzmessungen verwendete Frequenz vorzugsweise schnelle Messungen ermöglichen. In Kombination mit dem obigen Kriterium kann eine Frequenz von ungefähr 1 kHz eine gute Wahl sein. Um das Signal/Rauschen-Verhältnis (S/R-Verhältnis) der Messung zu erhöhen, kann der Impuls separat selbst moduliert werden.
  • Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das 4P-Impedanzmessverfahren eine Wechselstromquelle 20 als Kraft und einen phasenempfindlichen Voltmesser 21 als Erfassung.
  • 4A und 4B sind schematische Diagramme zur Referenz bei der Beschreibung eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Konzepte. Das gegebene Beispiel bezieht sich erneut auf das Testen der Schweißstellen, die in einer Pouch-Zelle-Batterie 100 enthalten sind, und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente, wie in Verbindung mit 2 und 3 beschrieben wird. Hier ist die Impulskomponente jedoch eine mechanische Belastung, die auf die Schweißstellen der Pouch-Zelle-Batterie 100 ausgeübt wird.
  • Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel werden Impedanzmessungen durch eine 4P-Erfassung ausgeführt. Wie in 4B gezeigt ist, umfasst die Konfiguration somit separate Paare von stromführenden Elektroden 14 (als Kraft) und spannungserfassenden Elektroden 15 (als Erfassung).
  • Der Impuls des aktuellen Ausführungsbeispiels wird durch einen mechanischen Aktor 23 bereitgestellt, der eine nach unten gerichtete oder Kompressions- oder Biege- oder Drehmomentkraft auf die Schweißstellen 12a und 12b ausübt. Wenn der mechanische Aktor mit den Schweißstellen 12a und 12b in Kontakt tritt, werden die Schweißstellen als in einem belasteten Zustand erachtet, und Impedanzmessungen werden durch die 4P-Erfassung ausgeführt. Wie bei dem als Impuls in dem Ausführungsbeispiel aus 2 und 3 angelegten pulsierenden Gleichstrom kann der mechanische Aktor periodisch nach oben und nach unten bewegt werden, um eine pulsierende mechanische Belastung auszuüben. 5 ist ein Flussdiagramm zur Referenz bei der Beschreibung eines Verfahrens zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung gemäß Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Konzepte.
  • Zuerst wird bei Schritt 501 eine Belastung auf die Metallverbindung ausgeübt. Wie zuvor erwähnt wird, kann die Metallverbindung beispielsweise eine geschweißte Verbindung, eine gelötete Verbindung oder eine hartgelötete Verbindung sein, und die Belastung kann eine Vielzahl von Formen annehmen, etwa eine mechanische Belastung, eine thermische Belastung, eine akustische Belastung und eine elektrische Belastung.
  • Danach wird bei Schritt 502 ein Widerstand eines elektrisch-leitfähigen Schaltkreises einschließlich der Metallverbindung gemessen. Der Schaltkreis kann aus der Metallverbindung allein bestehen (d. h. eine Messung kann direkt an der Metallverbindung ausgeführt werden). Alternativ können praktische Merkmale des Elements oder Gehäuses, das die Metallverbindung enthält, vorgeben, dass der Schaltkreis andere Komponenten umfasst. Siehe dazu beispielsweise die zuvor beschriebene 3, bei der der Schaltkreis ZZelle umfasst.
  • Bei Schritt 503 wird der gemessene Widerstand mit einem Basislinienwiderstand verglichen, um eine Differenz ΔR zwischen den beiden zu bestimmen. Der Basislinienwiderstand kann beispielsweise abgeleitet werden aus vorherigen Widerstandsmessungen nicht belasteter Metallverbindungen, die ähnlich ausgebildet sind und bei denen bekannt ist, dass diese eine akzeptable strukturelle Integrität aufweisen. Alternativ dazu kann der Basislinienwiderstand durch Messen eines Widerstands der zu testenden Metallverbindung bei Nichtvorhandensein der Belastung erhalten werden. Falls eine Differenz zwischen dem Basislinienwiderstand und dem gemessenen Widerstand eine vorbestimmte Schwelle ΔR-Schwelle überschreitet, wird die Metallverbindung als fehlerhaft (oder als eine unzureichende strukturelle Integrität aufweisend) erachtet. Die vorbestimmte Schwelle ΔRSchwelle kann aus Daten bestimmt werden, die für die vorherigen Messungen nicht belasteter Metallverbindungen, die ähnlich ausgebildet sind und bei denen bekannt ist, dass diese eine akzeptable strukturelle Integrität aufweisen, sowie aus vorherigen Widerstandsmessungen derselben Metallverbindungen unter Belastung abgeleitet werden.
  • 6 ist ein Flussdiagramm zur Referenz bei der Beschreibung eines Verfahrens zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung gemäß anderen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Konzepte.
  • Zunächst wird bei Schritt 601 eine Widerstandsmessausrüstung mit der Metallverbindung verbunden. Wie zuvor erwähnt wird, kann die Verbindung direkt mit der Metallverbindung vorliegen oder die Verbindung kann mit der Metallverbindung in elektrischem Kontakt mit anderen Komponenten vorliegen.
  • Danach wird bei Schritt 602 ein Widerstand an der Metallverbindung unter Verwendung der in Schritt 601 verbundenen Ausrüstung beobachtet. Diese Messung wird ausgeführt, um zu bestätigen, dass ein Kontakt erfolgreich hergestellt worden ist, und um einen Basislinienwiderstand zu erhalten, der mit darauffolgenden Messungen verglichen wird.
  • Bei Schritt 603 werden ein oder mehrere externe Impulse auf die Zelle angewendet, insbesondere auf Teile der Zelle, die sich in nächster Nähe zu der zu überprüfenden Schweißstelle befinden. Wie zuvor erwähnt wird, können die Impulse mehrere Formen annehmen. Beispiele umfassen pulsierende elektrische Ströme, mechanische Belastung durch Aktoren, lokale Erwärmung (z. B. durch Erwärmungselemente, Infrarotstrahlung oder Laser), und Ultraschall, oder Vibrationen im Allgemeinen, entweder in direktem Kontakt oder über die Luft.
  • Bei Schritt 604 wird ein Widerstand an der belasteten Metallverbindung unter Verwendung der in Schritt 601 verbundenen Ausrüstung beobachtet, um einen belasteten Widerstand zu erhalten.
  • Bei Schritt 605 wird dann eine Differenz ΔR zwischen dem belasteten Widerstand und dem Basislinienwiderstand bestimmt.
  • Danach wird bei Schritt 606 eine Bestimmung dahingehend ausgeführt, ob die Differenz ΔR eine Schwelldifferenz ΔRSchwelle überschreitet. Falls die Differenz ΔR die Schwelldifferenz ΔRSchwelle überschreitet, wird der Metallkontakt bei Schritt 608 als fehlerhaft eingestuft. Ansonsten wird der Metallkontakt bei Schritt 607 als nicht fehlerhaft eingestuft. Die Schwelldifferenz ΔRSchwelle kann aus Daten bestimmt werden, die aus vorherigen Messungen nicht belasteter Metallverbindungen, die ähnlich ausgebildet sind und bei denen bekannt ist, dass diese eine akzeptable strukturelle Integrität aufweisen, sowie aus vorherigen Widerstandsmessungen derselben Metallverbindungen unter Belastung abgeleitet werden.
  • 7 ist ein Flussdiagramm zur Referenz bei der Beschreibung eines Verfahrens zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung gemäß anderen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Konzepte.
  • Zunächst wird bei Schritt 701 eine Widerstandsmessausrüstung elektrisch mit der Metallverbindung verbunden. Wie zuvor kann die Verbindung direkt mit der Metallverbindung hergestellt werden oder die Verbindung kann mit der Metallverbindung in elektrischem Kontakt mit anderen Komponenten hergestellt werden.
  • Danach wird bei Schritt 702, ein Widerstand an der Metallverbindung unter Verwendung der in Schritt 701 verbundenen Ausrüstung beobachtet. Diese Messung wird ausgeführt, um zu bestätigen, dass der Kontakt erfolgreich hergestellt worden ist, und um einen Basislinienwiderstand zu erhalten, der mit darauffolgenden Messungen verglichen wird.
  • Bei Schritt 703 werden ein oder mehrere externe Impulse auf die Zelle angewendet, insbesondere auf Teile der Zelle, die in nächster Nähe zu der zu überprüfenden Schweißstelle stehen. Wie zuvor erwähnt wird, können die Impulse mehrere Formen annehmen. Beispiele umfassen pulsierende elektrische Ströme, mechanische Belastung durch Aktoren, lokale Erwärmung (z. B. durch Erwärmungselemente, Infrarotstrahlung oder Laser) und Ultraschall, oder Vibrationen im Allgemeinen, entweder in direktem Kontakt oder über die Luft.
  • Bei Schritt 704 wird ein Widerstand an der belasteten Metallverbindung unter Verwendung der in Schritt 701 verbundenen Ausrüstung beobachtet, um einen belasteten Widerstand zu erhalten.
  • Das Ausführungsbeispiel aus 7 ist zumindest zum Teil dadurch gekennzeichnet, dass mehrere (N) Messungen des belasteten Widerstands erhalten werden. Falls die Anzahl n einer gegebenen „n-ten“ Messung kleiner als die Anzahl (N+1) einer (N+1)-ten Messung ist, wird die Belastung bei Schritt 705 temporär entfernt und bei Schritt 706 wird n zu n+1. Bei Schritt 703 wird erneut eine Belastung auf die Metallverbindung ausgeübt und ein belasteter Widerstand wird bei Schritt 704 beobachtet, um eine weitere belastete Widerstandsmessung zu erhalten. Die Messungen werden auf diese Weise bis n = N + 1 fortgesetzt und somit N belastete Widerstandsmessungen erhalten sind.
  • Bei Schritt 707 wird eine statistische Darstellung der N belasteten Widerstandsmessungen bestimmt. Bei dem Beispiel dieses Ausführungsbeispiels ist die statistische Darstellung ein Mittelwert der N belasteten Widerstandsmessungen.
  • Bei Schritt 708 wird eine Differenz ΔR zwischen einer statistischen Darstellung (z. B. einem Mittelwert) der N belasteten Widerstandsmessungen und dem Basislinienwiderstand bestimmt.
  • Danach wird bei Schritt 709 eine Bestimmung dahingehend getätigt, ob die Differenz ΔR eine Schwelldifferenz ΔRSchwelle überschreitet, falls die Differenz ΔR die Schwelldifferenz ΔRSchwelle überschreitet, wird der Metallkontakt bei Schritt 608 als fehlerhaft eingestuft. Ansonsten wird der Metallkontakt bei Schritt 607 als nicht fehlerhaft eingestuft. Die Schwelldifferenz ΔRSchwelle kann aus Daten bestimmt werden, die aus vorherigen Messungen nicht belasteter Metallverbindungen, die ähnlich ausgebildet sind und bei denen bekannt ist, dass diese eine akzeptable strukturelle Integrität aufweisen, sowie aus vorherigen Widerstandsmessungen derselben Metallverbindungen unter Belastung abgeleitet werden.
  • 8 ist ein Diagramm von Impedanz- und Widerstandsmessungen, die aus einem vorläufigen Experiment abgeleitet sind, das an einem durch Löten kontaktierten Stück aus Metall ausgeführt worden ist. Der in dem Experiment angelegte Impuls war ein Gleichstrompuls. Während einer ersten Pulsdauer von ungefähr 1 Sekunde lag der Widerstand der Lötverbindung zunächst in der Größenordnung von 90+ Mikroohm. Dann wurde die Lötverbindung absichtlich unter Verwendung eines Schraubenziehers beschädigt, was zu einem erhöhten Widerstand von ungefähr 120 Mikroohm führte. Es ist ersichtlich, dass die beschädigte Verbindung mit einem abnehmenden Widerstand reagiert, wenn diese durch den Gleichstrompuls belastet wird.
  • 9 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Testautomatisierungsplattform (TAP) 900, die wirksam mit einer Impuls- und Messausrüstung 1000 gekoppelt ist, gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
  • Die TAP 900 weist einen Prozessor 901, einen Speicher 902, eine Datenbank 903, ein Testmodul 904 und eine Benutzerschnittstelle 905 auf. Die Testautomatisierungsplattform 900 kommuniziert mit zahlreichen Komponenten, darunter die Impuls- und Messausrüstung 1000, unter Verwendung eines Kommunikationsbusses 906.
  • Der Prozessor 901 kann jegliche Hardwarevorrichtung sein, die dazu in der Lage ist, Anweisungen, die in dem Speicher 902 gespeichert sind, gemäß dem Testmodul 904 auszuführen. Der Prozessor 901 kann die Anweisungen dahingehend ausführen, Teile von oder alle hierin beschriebenen Verfahren zu implementieren. Zusätzlich dazu kann der Prozessor 901 auf mehrere Vorrichtungen aufgeteilt sein, z. B. um Verfahren zu ermöglichen, die notwendigerweise auf verteilte Weise implementiert werden, wobei dies mehrere Gruppen an Speicher-/Prozessorkombinationen erfordert.
  • Der Prozessor 901 ist physisch und nicht flüchtig, und ist ein repräsentatives Beispiel für einen oder mehrere Prozessoren. Wie hierin verwendet, ist der Begriff „nicht flüchtig“ nicht als ewige Eigenschaft eines Zustands zu interpretieren, sondern als Eigenschaft eines Zustands, der für einen bestimmten Zeitraum andauert. Der Begriff „nicht flüchtig“ schließt insbesondere flüchtige Eigenschaften, wie etwa Eigenschaften einer Trägerwelle oder eines Signals oder anderer Formen aus, die lediglich flüchtig an einem Ort zu einem Zeitpunkt existieren. Ein Prozessor ist ein hergestellter Artikel und/oder eine Maschinenkomponente. Der Prozessor 901 der TAP 900 ist dazu ausgebildet, Softwareanweisungen auszuführen, um Funktionen, wie die in den hierin vorab beschriebenen Ausführungsbeispielen, durchzuführen. Der Prozessor 901 kann ein allgemeiner Prozessor sein oder kann ein Teil eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) sein. Der Prozessor 901 kann ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer, ein Prozessorchip, eine Steuerung, eine Mikrosteuerung, ein Digitalsignalprozessor (DSP), eine Zustandsmaschine oder eine programmierbare Logikvorrichtung sein (oder diese umfassen). Der Prozessor 901 kann außerdem ein logischer Schaltkreis, einschließlich eines programmierbaren Gatterarrays (PGA), z. B. ein feldprogrammierbares Gatterarray (FPGA), oder eine andere Art von Schaltkreis sein (oder diesen umfassen), der diskrete Gatter und/oder Transistorlogikeinrichtungen umfasst. Der Prozessor 901 kann eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) oder beides sein. Zusätzlich dazu kann jeder hierin beschriebene Prozessor mehrere Prozessoren, parallele Prozessoren oder beides umfassen. Mehrere Prozessoren können in einer einzelnen Vorrichtung oder in mehreren Vorrichtungen enthalten sein oder damit gekoppelt sein.
  • Der Speicher 902 und die Datenbank 903 können unterschiedliche Speicher wie etwa Cache- oder Systemspeicher umfassen. Der Speicher 902 und die Datenbank 903 können statische Direktzugriffsspeicher (SRAM), dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM), Flash-Speicher, Nur-Lese-Speicher (ROM) oder andere/ähnliche Speichervorrichtungen umfassen.
  • Der Speicher 902 kann mehrere Module umfassen, von denen jedes einen Satz von verwandten prozessorausführbaren Anweisungen aufweist, die einer bestimmten Funktion der TAP 800 entsprechen.
  • Die Datenbank 903 kann eine Bibliothek von gemessenen Widerständen unterschiedlicher Arten von Metallverbindungen enthalten, darunter Daten, die aus vorherigen Messungen nicht belasteter Metallverbindungen, die ähnlich ausgebildet sind und bei denen bekannt ist, dass diese eine akzeptable strukturelle Integrität aufweisen, sowie aus vorherigen Widerstandsmessungen derselben Metallverbindungen unter Belastung abgeleitet werden. Die Datenbank 903 kann ein oder mehrere maschinenlesbare nicht flüchtige Speichermedien umfassen, z. B. einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), Magnetdisketten, Speichermedien, Optikspeichermedien, Flash-Speichervorrichtungen oder ähnliche Speichermedien. Bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen kann die Datenbank 903 Anweisungen zur Ausführung durch den Prozessor 901 speichern, oder Daten, auf die hin der Prozessor 901 arbeiten kann (allein oder in Verbindung mit dem Speicher 902 und dem Testmodul 904).
  • Das Testmodul 904 ist ein Softwaremodul, das durch den Prozessor 901 ausgeführt wird, um die Impuls- und Messausrüstung zu steuern, um ein Testen von Metallverbindungen in Verbindung mit vorherigen Ausführungsbeispielen auszuführen, und Messdaten und Ergebnisse zur Speicherung der Datenbank 903 und/oder zur Anzeige an der Benutzerschnittstelle 905 zu empfangen.
  • Die Benutzerschnittstelle 905 kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Ermöglichen einer Kommunikation mit einem Benutzer umfassen. Die Benutzerschnittstelle 905 umfasst eine Grafikbenutzerschnittstelle (GUI) und Anwendungsprogrammierschnittstelle (API). Die GUI ermöglicht es Benutzern, mit der TAP 900 über eine grafische Darstellung einer Systemkonfiguration und -einstellung zu interagieren. Die API ermöglicht es Benutzern, mit der TAP 900 über einen Satz von programmierbaren Befehlen zu interagieren. Die API stellt eine Programmierschnittstelle bereit, die es Benutzern ermöglicht, die Lösung in ihrer eigenen Umgebung zu integrieren, und ermöglicht außerdem die Integration von kundenspezifischen Metallverbindungsprofilen und -bibliotheken. Die Schnittstelle kann auch dazu verwendet werden, das System für zukünftige Protokolle, sowohl verdrahtet als auch drahtlos, zu erweitern.
  • Obwohl die Offenbarung auf beispielhafte Ausführungsbeispiele Bezug nimmt, ist es Fachleuten ersichtlich, dass unterschiedliche Änderungen und Modifizierungen getätigt werden können, ohne von dem Schutzumfang und der Wesensart der vorliegenden Lehre abzuweichen. Allerdings ist zu beachten, dass die obigen Ausführungsbeispiele nicht einschränkend, sondern illustrativ sind.

Claims (10)

  1. System zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung, das folgende Merkmale aufweist: eine Impulsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Metallverbindung zu belasten; eine Widerstandsmessvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Widerstand der Metallverbindung zu messen, während die Metallverbindung durch die Impulsvorrichtung belastet wird; und eine Testautomatisierungsplattform (900), die einen Speicher (902), der ausführbare Anweisungen speichert, sowie einen Prozessor (901) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die aus dem Speicher (902) abgerufenen Anweisungen auszuführen, wobei die Anweisungen bei Ausführung bewirken, dass der Prozessor (901) eine strukturelle Integrität der Metallverbindung auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem gemessenen Widerstand und einem Basislinienwiderstand bestimmt.
  2. System gemäß Anspruch 1, wobei die Impulsvorrichtung und die Widerstandsmessvorrichtung unter der Steuerung der Testautomatisierungsplattform (900) arbeiten.
  3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Widerstandsmessvorrichtung dazu ausgebildet ist, eine komplexe Impedanz der Metallverbindung zu messen, während die Metallverbindung unter Belastung steht, und wobei die Anweisungen bei Ausführung bewirken, dass der Prozessor (901) eine Differenz zwischen einer Realkomponente der gemessenen Impedanz und dem Basislinienwiderstand bestimmt.
  4. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Belastung eine mechanische Belastung, eine thermische Belastung, eine akustische Belastung und/oder eine elektrische Belastung ist.
  5. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Impulsvorrichtung einen mechanischen Aktor (23) umfasst, der dazu ausgebildet ist, eine mechanische Belastung auf die Metallverbindung auszuüben.
  6. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Impulsvorrichtung eine Stromquelle umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen pulsierenden Gleichstrom den die Metallverbindung anzulegen.
  7. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Metallverbindung eine Schweißstelle ist.
  8. Verfahren zum Testen der strukturellen Integrität einer Metallverbindung, das folgende Schritte aufweist: Messen eines Widerstands der Metallverbindung, um eine Basislinienimpedanz der Metallverbindung zu erhalten; Ausüben einer Belastung auf die Metallverbindung; Messen eines Widerstands der Metallverbindung während der Ausübung der Belastung auf die Metallverbindung, um einen belasteten Widerstand der Schweißstelle zu erhalten; und Bestimmen einer gemessenen Differenz zwischen dem Basislinienwiderstand der Metallverbindung und dem belasteten Widerstand der Metallverbindung; und Vergleichen der gemessenen Differenz mit einem Schwellwert, wobei ein Testergebnis eine fehlende strukturelle Integrität darstellt, wenn die gemessene Differenz den Schwellwert überschreitet.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Metallverbindung eine Schweißstelle ist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Belastung eine mechanische Belastung, eine thermische Belastung, eine akustische Belastung und/oder eine elektrische Belastung ist.
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