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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung einer Schweißstelle an einem stabförmigen Leiter. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Es ist bekannt, eine Schweißstelle elektrisch beziehungsweise optisch zu charakterisieren. Problematisch an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass die Charakterisierung erst an der fertig erstellten Schweißstelle, das heißt nach dem Erstarren der Schmelze, erfolgen kann. Weiterhin sind die bekannten Verfahren oftmals aufwändig und zeitintensiv.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur einfachen und schnellen Charakterisierung einer Schweißstelle bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch ein Verfahren zur Charakterisierung einer Schweißstelle an einem stabförmigen Leiter mit den Verfahrensschritten:
- A) Ausbilden der Schweißstelle am stabförmigen Leiter;
- B) Spiegeln eines Objekts an der gekrümmten Oberfläche der Schweißstelle;
- C) Bestimmen der Abbildungsgröße beziehungsweise der Abbildungsform der Spiegelung des Objekts mit einem ortsauflösenden optischen Sensor;
- D) Bestimmen der Größe beziehungsweise der Form der Schweißstelle anhand der Abbildungsgröße beziehungsweise der Abbildungsform.
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Erfindungsgemäß wird somit der Umstand genutzt, dass die Schweißstelle eine metallische reflektierende Oberfläche darstellt und aus den Reflexionseigenschaften dieser Oberfläche auf die Krümmung der Oberfläche der Schweißstelle geschlossen werden kann. Mithin wird an der Oberfläche der Schweißstelle ein Objekt gespiegelt und aus der Form beziehungsweise der Größe dieser Spiegelung auf die Eigenschaften der Schweißstelle geschlossen.
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Unter dem Begriff „Krümmung“ wird dabei die lokale Abweichung der Oberfläche von einer Ebene verstanden. Ist die Oberfläche der Schweißstelle eben, so beträgt die Krümmung Null. Je nachdem, ob die Oberfläche konvex oder konkav ist, ist die Krümmung positiv oder negativ.
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Der ortsauflösende optische Sensor kann in Form eines Fotodiodenstacks ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der ortsauflösende optische Sensor in Form einer Kamera ausgebildet.
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Der ortsauflösende optische Sensor misst vorzugsweise sowohl die laterale Größe der Schweißstelle als auch die Größe der Abbildung des Objekts in der Schweißstelle, um Tiefeninformationen der Schweißstelle zu erhalten. Aus der lateralen Größe und den Tiefeninformationen kann dann das Volumen der Schweißstelle bestimmt werden.
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Der stabförmige Leiter weist vorzugsweise Kupfer und/oder Aluminium auf.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Leiter in Form eines Hairpin-Leiters ausgebildet. Der Begriff „Hairpin“ wird nachfolgend näher erläutert:
- Zur Ausbildung von Statoren in Elektromotoren ist es bekannt, einen aus einem isolierenden Material ausgebildeten Statorkäfig bereitzustellen, in welchen sogenannte Hairpins aus einem elektrisch leitenden Material eingebracht werden. Die Hairpins können beispielsweise klammerförmig oder linear ausgebildet sein. Die Hairpin-Leiter liegen nach ihrem Einbringen in den Statorkäfig parallel zueinander und im Wesentlichen in Axialrichtung des Stators beziehungsweise des Elektromotors in dem Statorkäfig vor. Um den Umfang des Statorkäfigs herum wird eine Vielzahl solcher Hairpin-Leiter in den Statorkäfig eingebracht, die während der Montage beziehungsweise Fertigung zunächst keine mechanische und elektrische Verbindung zueinander aufweisen. Die jeweiligen freien Enden der Hairpin-Leiter werden nach dem Einbringen in den Statorkäfig und nach einer eventuellen Umformung und/oder Kürzung und einer eventuellen Vorbehandlung, beispielsweise einer Entlackung, zur Ausbildung einer vollständigen Statorwicklung, bevorzugt paarweise, miteinander gefügt, beispielsweise durch Verschweißen. Durch das Fügen werden sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den freien Enden der jeweiligen Hairpins hergestellt, so dass die nach dem Einbringen zunächst einzeln vorliegenden Hairpin-Leiter nun verbunden sind. Durch das Fügen der Hairpin-Leiter kann eine mechanisch und elektrisch miteinander verbundene, durchgehende Statorwicklung ausgebildet werden.
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Die Hairpins weisen meist einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, dessen Querschnittsfläche wesentlich größer ist als die eines zum Wickeln ausgebildeten Drahts. Dadurch wird ein gegenüber einem Draht erhöhter Stromfluss ermöglicht. Die damit erreichbare Steigerung der Leistungsfähigkeit von Elektromotoren ist insbesondere bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge vorteilhaft, da diese sehr hohen Leistungsanforderungen gerecht werden müssen.
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Die Schweißstelle kann in Form einer Schmelzperle ausgebildet werden. In diesem Fall ist das Verfahren besonders gut anwendbar, da die Schmelzperle eine halbkugelförmige Oberfläche aufweist, in der das Objekt bei stärkerer Wölbung immer kleiner abgebildet wird.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Herstellung der Schweißstelle im Verfahrensschritt A) durch einen Laser. Die schmelzflüssige Oberfläche der Schweißstelle liegt dabei vorzugsweise in der Brennebene eines Bearbeitungsobjektivs des Lasers.
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Die gespiegelte Abbildung des Objekts ist im Verfahrensschritt C) besonders leicht erfassbar, wenn das Objekt selbstleuchtend ist. Hierzu kann das Objekt Leuchtdioden aufweisen.
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Um die Geometrie und deren Bewertung in den Verfahrensschritten C) und D) einfach beurteilen zu können, kann das Objekt ringförmig ausgebildet sein.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Objekt in Form eines Leuchtrings, insbesondere in Form eines LED-Leuchtrings, ausgebildet.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Falle des Schweißens mit einem Laser konstruktiv besonders einfach ausgebildet sein, wenn der Strahlengang der Abbildung zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, koaxial zum Strahlengang des Lasers verläuft.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Strahlengang des Objekts zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, koaxial zum Strahlengang des Lasers verlaufen.
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Zur weiteren konstruktiven Vereinfachung im Falle eines Laser-Schweißverfahrens kann das Objekt im Bearbeitungsobjektiv des Lasers angeordnet sein.
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Der Verfahrensschritt C) wird vorzugsweise in-situ durchgeführt, das heißt vor dem Erstarren der Schweißstelle. Hierdurch kann die Schweißstelle noch während ihrer Erstellung korrigiert werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass die Abbildungsgröße und die Schweißdauer durch eine Gerade mit negativer Steigung korrelieren. Hierdurch kann die Bewertung der Schweißstelle im Verfahrensschritt D) besonders schnell und effektiv erfolgen. Weiterhin ist eine Korrektur der Größe der Schweißstelle durch längeres Schweißen einfach möglich.
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Vorzugsweise wird der Verfahrensschritt D) zumindest teilweise durch einen Machine-Learning-Algorithmus ausgeführt. Hierzu können eine künstliche Intelligenz beziehungsweise neuronale Netze eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung mit einem Objekt, einem ortsauflösenden optischen Sensor und einer Steuervorrichtung zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung dabei einen Laser mit einem Bearbeitungsobjektiv zur Ausbildung der Schweißstelle auf.
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Das Objekt kann selbstleuchtend und/oder ringförmig sein.
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Die Vorrichtung ist konstruktiv besonders einfach ausgebildet, wenn das Objekt im Bearbeitungsobjektiv angeordnet ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1a zeigt zwei stabförmige Leiter die durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung verschweißt werden, wobei die Schweißstelle nicht optimal ausgebildet ist.
- 1b zeigt zwei über eine Schweißstelle verbundene Leiter, wobei die Schweißstelle optimal ausgebildet ist.
- 2a zeigt das physikalische Prinzip bei der Spiegelung eines Objekts an einer gekrümmten Oberfläche.
- 2b verdeutlicht, dass eine Schweißstelle eine gekrümmte Oberfläche gemäß 2a darstellt.
- 3 zeigt weitere Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1a.
- 4a zeigt die Abnahme der Abbildungsgröße mit zunehmender Schweißdauer beziehungsweise die Zunahme der Schweißstellenlängsschnittfläche mit zunehmender Schweißdauer.
- 4b zeigt die Zunahme des Kehrwerts der Abbildungsgröße mit zunehmender Schweißdauer und die annähernd parallel dazu zunehmende Schweißstellenlängsschnittfläche mit zunehmender Schweißdauer.
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1a zeigt eine Vorrichtung 10 zur Ausbildung einer Schweißstelle 12 zwischen stabförmigen Leitern 14a, b. Die Herstellung der Schweißstelle 12 erfolgt durch einen Laserstrahl 16, der aus einem Bearbeitungsobjektiv 18 austritt. Die Schweißstelle 12 ist in Form einer Schmelzperle ausgebildet. Die Schweißstelle 12 gemäß 1a ist dabei unzureichend ausgebildet, da sie ein zu geringes Volumen beziehungsweise eine zu flache Oberseite aufweist.
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1b zeigt demgegenüber eine Schweißstelle 12, die stabförmige Leiter 14a, b verbindet und ausreichend Volumen aufweist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Charakterisierung dieser Schweißstelle 12, insbesondere bereits bei deren Herstellung.
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2a zeigt das Prinzip zur Bestimmung der Krümmung einer spiegelnden Oberfläche 20. Dabei wird ein reales Objekt 22 an der Oberfläche 20 gespiegelt, wodurch eine (imaginäre) entsteht. Die Objektgröße ist mit 26, die Abbildungsgröße mit 28 bezeichnet. Das Verhältnis von Abbildungsgröße 28 zu Objektgröße 26 hängt dabei von der Krümmung der Oberfläche 20 ab. Aus der bekannten Objektgröße 26 und der gemessenen Abbildungsgröße 28 kann daher die Krümmung der Oberfläche 20 bestimmt werden.
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2b zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Schweißstelle 12 im Längsschnitt. Die Schweißstelle 12 weist die Schweißstellenlängsschnittfläche A auf. Im gezeigten Fall ist die Schweißstellenlängsschnittfläche A halbkreisförmig ausgebildet. Die Schweißstellenlängsschnittfläche A kennzeichnet das Volumen der Schweißstelle 12. Aus 2b ist ersichtlich, dass die Schweißstellenlängsschnittfläche A von der Krümmung der Oberfläche 20 abhängt, die anhand der in 2a gezeigten Reflexion bestimmbar ist. Weiterhin kann der in Draufsicht auf die Schweißstelle 12 laterale Durchmesser der Schweißstelle 12 bestimmt werden, um zusammen mit der Krümmung das Volumen der Schweißstelle 12 zu ermitteln.
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3 zeigt die Vorrichtung 10 zur Herstellung der Schweißstelle 12, wobei die Vorrichtung 10 einen Laser 30 aufweist. Die Vorrichtung 10 weist weiterhin ein Objekt 22 in Form eines LED-Leuchtrings auf. Das Objekt 22 wird an der Schweißstelle 12 gespiegelt und von einem optischen Sensor 32 detektiert. Der optische Sensor 32 ist vorliegend in Form einer Kamera ausgebildet. Die Strahlengänge des Objekts 22, dessen Abbildung und des Lasers 30 verlaufen weitgehend koaxial. Zur Aufteilung der Strahlengänge können ein halbdurchlässiger Spiegel 34 und/oder ein Bandpassfilter 36 vorgesehen sein. Der halbdurchlässige Spiegel 34 kann in Form eines dichroiten Spiegels oder eines Lochspiegels ausgebildet sein.
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Der optische Sensor 32 kann dazu ausgebildet sein, sowohl die Größe der Abbildung des Objekts 22 als auch dessen Form zu detektieren. Die geometrische Form kann dabei beispielsweise einen Rückschluss auf eine Schieflage der Schweißstelle 12 geben. Beispielsweise kann das kreisförmige Objekt 22 in Form einer Ellipse detektiert werden, wodurch auf eine asymmetrische Ausbildung der Schweißstelle 12 geschlossen werden kann. Weiterhin kann der optische Sensor 32 dazu ausgebildet sein, die laterale Größe der Schweißstelle 12, insbesondere deren Durchmesser, zu bestimmen.
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In 4a ist der Durchmesser D der Abbildung des Objekts 22 (siehe 3) über der Schweißdauer t aufgetragen. Der Durchmesser D ist dabei mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Weiterhin ist aus 4a die Zunahme der Schweißstellenlängsschnittfläche A mit zunehmender Schweißdauer t dargestellt. Die Größe der Schweißstellenlängsschnittfläche A ist in 4a mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
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4b zeigt ähnlich dazu die Zunahme der Schweißstellenlängsschnittfläche A mit zunehmender Schweißdauer t (gezeigt durch eine durchgezogene Linie). Annähernd parallel dazu nimmt der Kehrwert der Abbildungsgröße D mit zunehmender Schweißdauer t zu.
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Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend ein Verfahren und eine Vorrichtung 10 zur Charakterisierung einer Schweißstelle 12. Dabei wird ein Objekt 22 in der Schweißstelle 12 gespiegelt und die gespiegelte mit einem optischen Sensor 32 detektiert. Aus Größe und/oder Form der wird/werden die Krümmung, das Volumen und/oder die Form der Schweißstelle 12 bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Schweißstelle
- 14a, b
- stabförmiger Leiter
- 16
- Laserstrahl
- 18
- Bearbeitungsobjektiv
- 20
- Oberfläche
- 22
- Objekt
- 24
- Abbildung
- 26
- Objektgröße
- 28
- Abbildungsgröße
- 30
- Laser
- 32
- optischer Sensor
- 34
- halbdurchlässiger Spiegel
- 36
- Bandpassfilter
- A
- Schweißstellenlängsschnittfläche
- D
- Abbildungsgröße
