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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bewertung einer sich
während
eines Schweissvorganges ausbildenden Schweissverbindung zwischen
wenigstens zwei Fügepartnern
unter Einsatz wenigstens eines den Bereich der sich ausbildenden
Schweissverbindung mit Ultraschallwellen durchschallenden Ultraschallsenders
sowie wenigstens eines Ultraschallempfängers, der Schalldurchlässigkeitssänderungen
der den Bereich der sich ausbildenden Schweissverbindung durchdringenden
Ultraschallwellen zur Beurteilung der Schweissverbindung registriert.
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Gattungsgemäße Verfahren
zur Bewertung von Schweissverbindungen unter Verwendung an sich
bekannter Ultraschallverfahren sind seit langer Zeit bekannt und
dienen der Qualitätsüberprüfung derartiger, meist
zwischen zwei metallischen Fügepartnern
erzeugten Schweissverbindungen. Neben der an sich bekannten nachträglichen
Durchschallung von bereits fertig gestellten Schweissverbindungen
wird beispielsweise in der
DE
43 25 878 C2 ein On-line-Bewertungsverfahren beschrieben,
mit dem es möglich
ist, Schweissvorgänge,
insbesondere im Rahmen eines Widerstands-Schweissprozesses, während des
Schweissprozesses selbst, zu vermessen und entsprechend zu bewerten.
Hierbei wird auf der Grundlage der Durchschallung und Auswertung
von transversalen Ultraschallwellen durch den Bereich der Schweissverbindung
der Zeitpunkt ermittelt, an dem die Schmelztemperatur des Schweissgutes
erreicht wird und sich eine Schweisslinse zwischen beiden Fügepartner
auszubilden beginnt, deren Schweisslinsenvolumen nach Erreichen
der Aufschmelztemperatur während
des weiteren Schweissvorganges aus der Schwächung der Scher- bzw. Transversalwellen
berechnet wird. Im übrigen
wird auch auf die vorstehende Druckschrift aus Gründen einer
weitgehend vollumfänglichen
Diskussion des übrigen,
gattungsgemäßen Standes
der Technik in Bezug auf Bewertungsverfahren zur Beurteilung von
Schweissverbindungen verwiesen.
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Zur
Erläuterung
der den bekannten Bewertungsverfahren bestehende Problematik wird
im weiteren auf 2 kurz
Bezug genommen, die schematisiert eine Standardmessanordnung zur
Durchführung
eines Schweissvorganges zum Verbinden zweier Blechbauteile im Wege
des Widerstand-Schweissens zeigt. Hierbei werden zwei als Flachbleche
ausgebildete Fügepartner 1 und 2 zumindest
teilweise in Deckung gebracht, so dass sie im Überdeckungsbereich einen zweilagigen
Blechschichtaufbau bilden. An den sich gegenüberliegenden Seiten des Blechschichtaufbaus
sind jeweils eine Schweisselektrode 3, 4 angebracht,
die jeweils über eine
vorzugsweise ebene oder ballige Kontaktfläche mit den entsprechenden
Fügepartner 1, 2 in
Berührung stehen.
Ferner ist die in der Bilddarstellung gemäß 2 obere Schweisselektrode 3 mit
einem Ultraschallsender 5 gekoppelt, der über einen
mit einer Schweissstromsteuerung 6 verbundenen Ultraschallpulsgenerator 7 angesteuert
wird. In ähnlicher
Weise ist die untere Schweisselektrode 4 mit einem Ultraschallempfänger 8 gekoppelt,
dessen Empfangssignale über
eine Auswerteeinheit 9 zur Schweisspunktbewertung 10 zugrunde gelegt
werden.
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Der
Widerstand-Schweissprozess besteht im allgemeinen aus drei Phasen.
Die erste Phase entspricht der sogenannten Vorhaltezeit, während der
kein Strom fließt,
die Schweisselektroden 3, 4 üblicherweise jedoch mit einer
Elektrodenkraft von 1 bis 4 kN über
die Kontaktflächen
gegen die Fügepartner 1, 2 drücken. An die
Vorhaltezeit schließt
sich die Stromflussphase oder Stromzeit an, in der die Fügepartner
aufgeheizt werden, bis sich zumindest im Kontaktbereich zwischen
den beiden Fügepartnern 1 und 2 eine
Schmelze in Form einer Schweisslinse 11 ausbildet. Die
Größe des sich
dabei ausbildenden Schweisslinsenvolumens ist durch die Stromstärke und
die Dauer der Stromflussphase einstellbar. An die Stromflussphase
schließt
sich letztlich die Nachhaltezeit bzw. Abkühlphase an, in der sich die
Schweisslinse abkühlt
bis sie erstarrt, erst danach öffnen
sich die Schweisselektroden und geben den Bereich der Schweissverbindung
frei. Im Regelfall sind die vorstehenden drei Phasen in etwa zeitlich
gleich lang gewählt.
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Mit
Hilfe der in 2 dargestellten
Messanordnung wird der Bereich der sich ausbildenden Schweissverbindung
während
des Schweissvorganges selbst über
die Schweisselektroden 3, 4 durchschallt. Hierzu werden
in die Schweisselektrode 4 gemäß 2 transversale Ultraschallimpulse eingeschallt,
die zunächst die
Schweisselektrode 3 und anschließend den Bereich der sich ausbildenden
Schweissverbindung durchlaufen, bis sie letztlich über die
Gegenelektrode 4 vom Ultraschallempfänger 8 empfangen werden.
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Zur
Ermittlung der Größe der sich
zwischen den Fügepartnern 1 und 2 ausbildenden
Schweisslinse während
der Stromflussphase wird der zeitliche Verlauf der transversalen
Ultraschalldurchlässigkeit
durch den Bereich der sich ausbildenden Schweissverbindung herangezogen.
Bei der Auswertung geht man in an sich bekannter Weise davon aus,
dass das Ultraschalldurchlässigkeitsverhalten
durch den sich ausbildenden Schweissverbindungsbereich für transversale
Ultraschallwellen im wesentlichen ausschließlich durch die Schweisslinsenbildung
beeinflusst wird.
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Genauere
Untersuchungen durch die Anmelderin selbst zeigen jedoch, dass die
vorstehenden, nach dem Stand der Technik angestellten Annahmen die
Realität über das
tatsächliche
Ausbreitungsverhalten von Ultraschallwellen insbesondere von Transversalwellen
nur unzureichend beschreiben, wodurch die bisherigen Aussagen die
räumliche
Ausbildung einer die Festigkeit einer Schweissverbindung bestimmenden
Schweisslinse nur unbefriedigend genau sind. So ergaben detailliertere
Analysen zur Schallausbreitung, dass die Ultraschalldurchlässigkeit
der miteinander zu verschweissenden Fügeteile nicht nur durch die
Bildung der Schweisslinse selbst beeinflusst wird, sondern auch
durch die Erwärmung
und Vergrößerung der
Kontaktzonen zwischen den jeweiligen Schweisselektroden und den
Fügepartneroberflächen sowie
der Kontaktzone zwischen den jeweiligen Fügepartnern. Es hat sich gezeigt,
dass die Ultraschallübertragung
an den Kontaktzonen stark von der Temperatur, dem Druck, der Frequenz
sowie der realen Kontaktflächengröße abhängig ist.
Vorstehende Parameter verändern
sich während
des Schweissvorganges und üben
einen nicht zu vernachlässigenden
Einfluss auf die zu bestimmende Ultraschalldurchlässigkeit
aus.
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Zur
Veranschaulichung dieser nach dem Stand der Technik bisher unberücksichtigt
gebliebenen Effekte bezüglich
des Temperatureinflusses sowie des Einflusses der Kontaktflächenvergrößerung auf
die Ultraschalldurchlässigkeit
durch eine sich ausbildende Schweissverbindung wird auf 3 verwiesen.
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3 zeigt in Diagrammdarstellung
den Verlauf der Ultraschalldurchlässigkeit durch ein 1 mm dickes Einzelblech,
das zweimalig nacheinander an ein und der gleichen Stelle im Wege
des Widerstand-Schweissens behandelt worden ist. Das Diagramm weist
eine Abszisse auf, längs
der die Schweissdauer in Millisekunden × 10 aufgetragen ist. Hierbei
ist lediglich die Stromflussphase bzw. Stromzeit von 0 bis 150 ms
sowie die Abkühlphase
zwischen 150 ms und 350 ms dargestellt. Längs der Ordinate des in 3 dargestellten Diagrammes
sind Ultraschallamplituden aufgetragen, die der Schalldurchlässigkeit
durch den Bereich der sich ausbildenden Schweissverbindung für die Ultraschallwellen
entsprechen.
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Die
in 3 dargestellten Messwerte
entsprechen Schweissungen, die mit einem Strom von 5 kA und einem
jeweiligen Elektrodendruck von 2 kN durchgeführt worden sind. Der Durchmesser
der Kontaktflächen zwischen
der Blechoberfläche
und den Schweisselektroden beträgt
etwa 4 bis 5 mm. Nachträglich
durchgeführte
Schliffe an der erkalteten Schweissstelle belegen, dass sich innerhalb
des Bleches keine Schmelzlinse ausgebildet hat.
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Nun
zeigt sich, dass sich während
der ersten Schweissung (unterer Funktionsverlauf innerhalb der Stromzeit
sowie oberer Funktionsverlauf innerhalb der Nachhaltezeit/Abkühlphase)
der Durchlässigkeitsverlauf
während
der Stromzeit nicht sehr ändert.
Die Schallschwächung
durch die Temperaturerhöhung
der Elektroden-Blechkontakte
sowie die Durchlässigkeitsverbesserung
durch die Kontakftlächenvergrößerung heben sich
in etwa auf. Erst nach Ende der Stromzeit macht sich die Kontaktflächenvergrößerung bemerkbar,
wodurch die Vergrößerung des
Elektroden-Blechkontaktes zu einem merklichen Durchlässigkeitsanstieg
in der Abkühlphase
führt.
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Bei
der Wiederholschweissung auf denselben Punkt (stark abfallender
Funktionsverlauf innerhalb der Stromzeit sowie unterer Funktionsverlauf
innerhalb der Nachhaltezeit) ändert
sich die Größe der Elektroden-Blechkontaktflächen nicht
wesentlich, was daran zu erkennen ist, dass die Ultraschalldurchlässigkeit
zu Beginn der Stromzeit und am Ende der Nachhaltezeit praktisch
gleich groß ist.
Die Schwächung
der Durchlässigkeit
während
der Stromzeit innerhalb der zweiten Schweissung wird allein durch
die Temperaturerhöhung des
Elektroden-Blechkontaktes
verursacht. Somit zeigt sich, dass es anhand des Schalldurchlässigkeitsverlaufes,
insbesondere bei der Wiederholschweissung, nicht möglich ist,
zu erkennen, ob die Schallschwächung durch
eine sich ausbildende Flüssigphase
bzw. Schmelzung im Blechinneren verursacht wird, oder lediglich durch
den Temperaturanstieg an den Elektroden-Blechkontakten. Erst, wie
eingangs erwähnt,
mit Hilfe eines nachträglichen
Anschliffes im Bereich der Schweissstelle ist es möglich festzustellen,
ob im Blechinneren eine Aufschmelzung stattgefunden hat oder nicht.
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Das
vorstehende Beispiel zeigt deutlich, dass durch ausschließliche Untersuchung
des Schalldurchlässigkeitsverhaltens
von Scherwellen bzw. Transversalwellen durch die Schweissstelle
eine nur unzureichende Aussage über
eine sich ausbildende Schweisslinse angestellt werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorstehenden Ausführungen
machen deutlich, dass eine Bewertung einer sich während eines Schweissvorganges
ausbildenden Schweissverbindung zwischen wenigstens zwei Fügepartnern
unter Einsatz wenigstens eines den Bereich der sich ausbildenden
Schweissverbindung mit Ultraschallwellen durchschallenden Ultraschallsenders
sowie wenigstens eines Ultraschallempfängers, der Schalldurchlässigkeitsänderungen
der den Bereich der sich ausbildenden Schweissverbindung durchdringenden
Ultraschallwellen zur Beurteilung der Schweissverbindung registriert,
auf der Grundlage der ausschließlichen
Detektion und Auswertung von an sich bekannten, den Bereich der
sich ausbildenden Schweissverbindung durchschallenden transversalen
Ultraschallwellen nur sehr unzureichend bzw. gar unmöglich ist.
So gilt es, ein Bewertungsverfahren anzugeben, das mit hoher Exaktheit
und Zuverlässigkeit
eine aussagekräftige
Bewertung einer Schweissverbindung ermöglicht unter Vermeidung aller
bei den bekannten Verfahren innewohnenden Unzulänglichkeiten bzw. Unsicherheiten.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Gegenstand der Unteransprüche
enthalten den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale,
die überdies auch
der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
entnommen werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
geht von der Erkenntnis aus, die Einflüsse der Kontakte zwischen den
Koppelflächen
zur Schallein- bzw. -auskopplung an den Oberflächen der Fügepartner sowie zwischen den Fügepartnern
(bis auf die Schmelzenbildung) auf das Schalldurchlässigkeitsverhalten
weitgehend zu eliminieren. Wie im weiteren detailliert ausgeführt wird,
erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren
eine nahezu ausschließliche
Ermittlung der Schmelzvorgänge
im Bereich der Fügepartner.
Aus thermodynamischen Gründen findet
der Schmelzvorgang in der Regel an der Kontaktzone der sich berührenden
Fügepartner
statt.
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Der
Fall, dass sich an anderer Stelle z.B. den Schallein- und Auskoppelstellen
Schmelzphasen bilden wird ebenfalls registriert, er stellt eine
Störung
im Schweißprozess
dar (z.B. Ausfall der Elektrodenkühlung). Er wird dadurch erkannt
dass der Schmelzprozess zu einem ungewöhnlichen Zeitpunkt auftritt.
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Dem
erfindungsgemäßen Verfahren
liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: Kontakte zwischen Festkörpern, wie
sie beispielsweise zwischen den Schweisselektroden und der Oberfläche eines
Fügepartners
sowie auch zwischen zwei unmittelbar aneinander liegenden Fügepartnern
gebildet werden, stellen keineswegs ideale vollständige Kontaktflächen mit
einer nur geringen Temperaturabhängigkeit
in Bezug auf die Ultraschalldurchlässigkeit dar. Derartige Ultraschallkontakte
stellen vielmehr reale, unvollständige
Kontakte dar, die sehr wohl eine von der Kontaktqualität abhängige Temperaturabhängigkeit
der Ultraschalldurchlässigkeit
aufweisen. Im Unterschied zu idealen Festkörperkontakten, bei denen die
gesamte Fläche
kontaktiert ist, bestehen reale Kontakte infolge der Rauigkeit aller
realen Oberflächen
lediglich aus einer Summe von Einzelkontakten. Je schlechter der
Gesamtkontakt, desto stärker
ist die Temperaturabhängigkeit
der Ultraschalldurchlässigkeit. Zur
Beschreibung des Schalldurchgangs realer Grenzflächen hat sich das so genannte
Kontaktsteifigkeitsmodell etabliert (siehe hierzu J.-M. Baik, R.B.
Thompson, Ultrasonic scattering from imperfect interfaces: A Quasi Static
Model; J. Nondestr. Eval. 4 (1984), 177ff; Kendall, K.; Tabor, D.:
Proc.Roy Soc. Lond. A 323, 321(1971); Peter B. Nagy „Ultrasonic
Classification of Imperfect Interfaces" J. NDE, S. 127, Vol. 11, 1992), gemäß dem die
Ultraschallübertragung
an Festkörperkontakten
nur wenig von der Wellenart abhängig
ist, d.h. die Schallübertragung
von longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen durch reale
unvollständige
Kontaktflächen ist
in etwa gleich ausgebildet.
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Zur
Ermittlung des Schalldurchlässigkeitsverhaltens,
beispielsweise durch einen zweischichtigen Aufbau, bestehend beispielsweise
aus zwei aneinander gefügten
Blechlagen, zeigt sich, dass sich die Gesamtschalldurchlässigkeit
durch die Blechlagen als Produkt der Schalldurchlässigkeiten
durch die einzelnen durchschallten Zonen beschreibbar ist, d.h.
im Falle des vorstehenden Zweischichtaufbaus setzt sich das Produkt aus
vier Einzeltermen zusammen, nämlich
die Durchlässigkeiten
der Elektroden-Blechkontakte (für
die Schallein- und auskopplung), die Durchlässigkeit des Blech-Blechkontaktes
sowie die Durchlässigkeit
durch das Blechinnere.
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Schließlich kann
davon ausgegangen werden, dass Flüssigkeiten, d.h. sich ausbildende
flüssige Schweisslinsen,
keine Transversalwellen zu übertragen
vermögen,
gleichwohl longitudinale Schallwellen nur unwesentlich durch die
Flüssigphase
in ihrem Ausbreitungsverhalten beeinflusst werden.
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Auf
der Basis der vorstehenden Erkenntnisse zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch aus, dass der Bereich der Schweissverbindung sowohl mit
longitudinalen als auch mit transversalen Ultraschallwellen durchschallt
wird. Zur Registrierung der beiden unterschiedlichen Ultraschallwellenarten
werden mit Hilfe des Ultraschallempfängers die zeitabhängigen Schalldurchlässigkeitsänderungen
sowohl für
die longitudinalen als auch für
die transversalen Ultraschallwellen jeweils getrennt voneinander
registriert. Zur gezielten Beseitigung der Kontakteinflüsse zwischen
den Schallein- bzw. Schallauskoppelflächen und den jeweiligen Fügepartnern
werden die zeitabhängigen
Schalldurchlässigkeitsänderungen bezüglich der
longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen ins Verhältnis gesetzt
und anhand der damit gewonnenen Verhältnisfunktion der Zeitpunkt
tS ermittelt, an dem sich im Bereich der
Schweissverbindung eine Schmelze ausbildet.
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Sowohl
der Zeitpunkt tS als auch der weitere Verlauf
der Verhältnisfunktion
dienen als Grundlage für die
Bewertung der Schweissverbindung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich nicht nur zur Untersuchung von Schweissverbindungen, die
im Wege einer Erstschweißung
zwischen zwei Fügepartner
herstellbar sind, das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei
wiederholtem Energieeintrag zwischen zwei oder mehreren bereits
in Verbindung stehenden Fügepartnern,
bspw. im Wege eines Mehrimpulsschweissens erfolgreich eingesetzt
werden. Hierbei befinden sich die Fügepartner bereits durch Vor-
oder Erstschweissungen in einem ersten stofflichen Kontakt, der
jedoch in einem weiteren nachträglichen
Schweissverfahren in überwachter
Weise verstärkt
bzw. verfestigt werden soll. Durch die unmittelbare Überwachung
der sich ausbildenden Schweisslinse lässt sich ihr Auftreten sowie
ihre Größe und damit
die Güte
der sich ausbildenden Schweissverbindung exakt angeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich
unabhängig
von der Art des Schweissverfahrens einsetzen. Sollte es neben dem
technischen Anwendungsgebiet des Fügeschweissens, sei es das Kontaktschweissen,
wie bspw. das Widerstandsschweissen, oder das Kontaktfreie Schweissen,
wie bspw. das Strahlschweissen, weitere Einsatzgebiete geben, in
denen die Überwachung
der Ausbildung einer Flüssigphase
innerhalb eines festen Mediums vermittels eines geeigneten Energieeintrags
von Bedeutung ist, z.B. die Bewertung von schmelzenden Beschichtungen,
so ist die technische Lehre des erfindungsgemäßen Verfahrens auch auf jene Anwendungsfälle übertragbar,
d.h. der dem Anspruch 1 zugrundeliegende Gedanke soll nicht ausschließlich auf
das Schweissverfahren per se beschränkt sein, sondern all jene
technischen Applikationen mitumfassen, bei denen sich durch lokale
thermische Erhitzung innerhalb eines Festkörpers räumlich begrenzte Schmelzen ausbilden,
so bspw. zur lokalen Materialstrukturumwandlung bzw. -änderung.
Derartige Umwandlungen können
bspw. zur lokalen Materialhärtung
nutzbar gemacht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
soll detailliert im weiteren unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben
werden.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1a schematisierte
Anordnung zum Durchführen
eines Schweissprozesses unter Verwendung des Widerstand-Schweissens,
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1b Diagrammdarstellung
zur Veranschaulichung des Durchlässigkeitsverlaufes
von Transversal- und Longitudinalwellen sowie
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1c Diagrammdarstellung
zur Veranschaulichung des Durchlässigkeitsverlaufes
aus dem Verhältnis
der Schalldurchlässigkeiten
von Longitudinal- zu Transversalwelle,
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2 Standardmessanordnung,
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3 Diagrammdarstellung
zur Veranschaulichung des Schalldurchlässigkeitsverlaufes zweier nacheinander
an einem 1 mm dicken Blech durchgeführten Kontaktschweissungen,
sowie
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4 modifizierte
Messanordnung zur getrennten Schalldurchlässigkeitsmessung von Longitudinal- und
Transversalwellen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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Zur
weiteren Beschreibung des Schalldurchlässigkeitsverhaltens von Longitudinal- und Transversalwellen,
die eine sich ausbildende Schweissverbindung während ihrer Entstehung, also
während
des Schweissprozesses, durchdringen bzw. mit der Schweissverbindung
in Wirkverbindung treten, sei auf die in 1a stark
schematisierte Darstellung verwiesen, die die wichtigsten, den Schallweg
von Ultraschallwellen beeinflussende Komponenten zeigt. So sei angenommen,
dass als Fügepartner 1, 2 zwei
Flachbleche miteinander über
einen flächenhaften
Presskontakt in Berührung
stehen und einen Blech-Blech-Kontakt, B-B-Kontakt, ausbilden. Für den Energieeintrag
zur Ausbildung einer thermisch bedingten Schweisslinse zwischen
den beiden Fügepartner 1, 2 sind
jeweils eine Schweisselektrode 3, 4 an den entsprechenden
Oberseiten der Bleche angebracht, die jeweils mit den Fügepartner 1, 2 einen
Elektroden-Blech-Kontakt, E-B-Kontakt, bilden. Wie bereits unter
Bezugnahme auf 2 dargestellt, die eine Standardmessanordnung
zur Beurteilung einer Schweissverbindung zeigt, werden über die
Schweisselektroden 3, 4 Ultraschallwellen in die
Fügepartner 1, 2 eingeschallt
bzw. entsprechend registriert. Typischerweise ist ein Ultraschallsender
mit der Schweisselektrode 3, entsprechend ein Ultraschallempfänger akustisch
mit der Schweisselektrode 4 gekoppelt.
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Ausgehend
von der in 1a dargestellten schematisierten
Messanordnung lässt
sich die Schalldurchlässigkeit
für die
Longitudinal- sowie Transversalwellen durch folgende mathematische
Zusammenhänge beschreiben: Dl(t)
= (EB)l(t)·(BB)l(t)·(BI)l(t)·(BE)l(t) (1) Dt(t)
= (EB)t(t)·(BB)t(t)·(BI)t(t)·(BE)t(t) (2)
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Wie
bereits vorstehend erwähnt,
verhält
sich die Ultraschallübertragung
an Festkörperkontakten,
d.h. realen Kontakten, nach dem sogenannten Kontaktsteifigkeitsmodell,
wonach sich die Ultraschallübertragung nur
wenig von der Wellenart, d.h. ob longitudinale oder transversale
Welle, abhängig
ist. Zur mathematischen, vorstehenden Beschreibung des Durchlässigkeitsverlaufes
ergibt sich die Durchschallung der in 1a dargestellten
Messanordnung als Produkte der Durchlässigkeiten an den einzelnen
durchschallten Zonen. Hierbei entsprechen die Terme EB(t) bzw. BE(t)
jeweils der Schalldurchlässigkeit
zwischen dem Elektroden-Blech-Kontakt,
der an der Grenzfläche
zwischen der Schweisselektrode 3 und dem Fügepartner 1 bzw. zwischen
dem Fügepartner 2 und
der Schweisselektrode 4 auftritt. Es kann im weiteren davon
ausgegangen werden, dass EB(t) und BE(t) in etwa gleich sind. Die
in den mathematischen Formelausdrücken 1 und 2 verwendeten tiefgestellten
Indizes l und t geben jeweils die Schalldurchlässigkeit durch die einzelnen
Kontakte für Longitudinalwellen
(l) bzw. Transversalwellen (t) an. Der Term BB(t) entspricht der
Schalldurchlässigkeit
zwischen dem Blech-Blechkontakt
zwischen den beiden Fügepartnern 1 und 2 und
letztlich der Term BI(t) entspricht der Schalldurchlässigkeit
jeweils innerhalb der Fügepartner 1 bzw. 2.
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Stellt
man dem vorstehend durch die Gleichungen 1 und 2 vorgegebenen mathematischen
Modell für die
Schalldurchlässigkeit
bezüglich
der Longitudinalwellen und Transversalwellen den tatsächlich gemessenen
Schalldurchlässigkeitsverlauf
für Longitudinal-
und Transversalwellen gegenüber,
die in der Diagrammdarstellung gemäß 1b aufgetragen
sind, so können
folgende Feststellungen getroffen werden.
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1b zeigt
ein Diagramm, längs
dessen Abszisse die Stromzeit während
des Schweissvorganges angetragen ist. Längs der Ordinate sind die gemessenen
Durchlässigkeitswerte
zu entnehmen. Bezüglich
der beiden im Diagramm eingetragenen Funktionsverläufe, entspricht
der untere Funktionsverlauf dem Durchlässigkeitsverhalten der Transversalwellen.
Der obere Funktionsverlauf stellt das Schalldurchlässigkeitsverhalten der
Longitudinalwellen dar. Die in 1b dargestellten
Messwerte sind während
eines Widerstand-Schweissprozesses an zwei jeweils 1 mm dicken unbeschichteten
Blechen gewonnen worden.
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Zu
Beginn der Schweissung ist für
beide Wellenarten ein leichter Rückgang
der Schalldurchlässigkeit zu
beobachten, der durch eine temperaturbedingte Schallschwächung am
Elektroden-Blech-Kontakt erklärbar ist.
Infolge einer unmittelbar darauffolgenden wirksam werdenden Vergrößerung des
Elektroden-Blech-Kontaktflächenbereiches
steigt die Durchlässigkeit
für beide
Wellenarten dennoch an. Erst nach etwa 30 bis 40 ms setzt eine deutlich
erkennbare Schallschwächung
für beide
Wellenarten ein, die durch die Temperaturerhöhung an dem innen liegenden
Blech-Blechkontakt hervorgerufen wird. Da die Blech-Blech-Kontaktfläche weitaus
größer ausgebildet
ist als die Elektroden-Blech-Kontaktflächen ist der temperaturerhöhende Effekt
zwischen der Blech-Blech-Kontaktfläche stärker ausgebildet als jener
vorstehend beschriebene Temperatureffekt an den Elektroden-Blech-Kontaktflächen. Bis
zum Zeitpunkt des Erreichens der Schmelztemperatur ts,
die den Schmelzzeitpunkt definiert, ab dem sich zwischen den Fügepartnern 1 und 2 eine
Schmelzlinse beginnt auszubilden, ist festzustellen, dass das Schalldurchlässigkeitsverhalten
sowohl für
die Transversalwelle als auch für
die Longitudinalwelle in gleicher Weise beschreibbar ist. Mit Erreichen
der Schmelztemperatur tS am Blech-Blech-Kontakt
zeigen die Durchlässigkeitsverläufe der
Longitudinal- und Transversalwellen jedoch einen deutlichen unterschiedlichen
weiteren Verlauf. Die Schalldurchlässigkeit der Longitudinalwelle
steigt trotz weiterer Ausbildung einer Schmelzlinse zwischen beiden
Fügepartnern
nahezu kontinuierlich an, die letztendlich bedingt ist durch die
Vergrößerung der
Elektroden-Blech-Kontaktflächen. Hingegen
zeigt das Schalldurchlässigkeitsverhalten
der Transversalwelle einen bleibenden tiefergehenden Einbruch, der
letztlich durch die sich ausbildende Schweisslinse am Blech-Blech-Kontakt
verursacht ist, weil Transversalwellen viskose oder gar flüssige Phasen
nicht zu durchdringen vermögen.
Vielmehr wird die Transversalwelle an der sich ausbildenden Schmelzlinse
regelrecht reflektiert.
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Demgegenüber wird
für die
Longitudinalwelle die kontaktbedingte Schwächung, die vor Erreichen des Schmelzzeitpunktes
am Blech-Blech-Kontakt vorliegt, durch die sich ausbildende Schmelzlinse
aufgrund eines sich einstellenden idealen Flächenkontaktes regelrecht aufgehoben,
weshalb die longitudinale Schallwellendurchlässigkeit, bedingt durch die
Verbreiterung der Schweißlinse,
auch nach Erreichen des Schmelzzeitpunktes kontinuierlich ansteigt.
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Setzt
man nun die in den Gleichungen 1 und 2 bezeichneten Schalldurchlässigkeiten
für Longitudinal- und
Transversalwellen ins Verhältnis
zueinander, so heben sich all jene Einflüsse auf, die auf beide Wellenarten
gleich einwirken. Dies betrifft insbesondere Einflüsse, die
durch die Kontaktflächenvergrößerung sowie durch
den Temperaturanstieg in den Kontaktzonen hervorgerufen werden.
Auch kürzen
sich die Terme BI
l sowie BI
t gegenseitig
weg, zumal diese bei niedrigen Frequenzen und insbesondere kurzen
Laufwegen durch die Fügepartner
in etwas gleich groß sind
und insofern keine wesentliche Rolle im Hinblick auf die Schallschwächung spielen.
Es ergibt sich daher folgender weiterer Zusammenhang:
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Vorstehende
Gleichung (3) lässt
sich in nachstehender Weise in die in Gleichung (4) vereinfachte Form
bringen, die lediglich aus zwei Termen gemäß den Gleichungen (5) und (6)
besteht.
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Hierbei
beschreibt die Gleichung (5) den Verlauf des Schalldurchlässigkeitsverhältnisses
an den Elektroden-Blech-Kontakten, der sich aufgrund einer Plastifizierung
am Elektroden-Blech-Kontakt zeitlich etwas ändern kann. Gleichung (6) beschreibt
den Verlauf des Verhältnisses
der Schalldurchlässigkeiten
am Blech-Blech-Kontakt. Dieser in Gleichung (6) wiedergegebene Term
zeigt im Bereich des Schmelzzeitpunktes tS eine
große Änderung,
der mit dem Fest-Flüssig-Übergang
zusammenhängt.
Somit ist das Verhältnis
aus longitudinaler und transversaler Schallwellendurchlässigkeit
gemäß Gleichung
(4) insbesondere im Bereich des Schmelzzeitpunktes im wesentlichen
durch den Term gemäß Gleichung
(6) bestimmt und die Kontakteinflüsse weitgehend eliminiert.
Aus Gleichung (4) kann somit der Fest-Flüssig-Übergang an einem Sprung der
Steigung leicht ermittelt werden. Hierzu sei insbesondere auf 1c verwiesen,
das ein Diagramm zeigt, in dem der Funktionsverlauf der Gleichung
(4), sprich der Durchlässigkeitsverlauf
des Verhältnisses
aus Longitudinal- und Transversalwellen-Durchlässigkeit abgebildet ist. So
steigt der Funktionsverlauf zwischen 0 ms und dem Schmelzzeitpunkt
tS, der im Fall 1b etwa
bei 50 ms liegt, kontinuierlich leicht an. Am Schmelzzeitpunkt tS erfolgt ein deutlicher Anstieg des Funktionsverlaufes,
der sich in einer deutlichen sprunghaften Änderung im Steigungsverhalten
der Funktion niederschlägt.
So erfährt
die Steigung des Funktionsverlaufes am Punkt des Schmelzzeitpunktes
tS eine erhebliche positive Änderung,
die sich letztlich durch das zeitliche Verhalten des Terms gemäß Gleichung
(6) bestimmt.
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Durch
die erfindungsgemäße Division
des Schalldurchlässigkeitsverhaltens
bezüglich
der longitudinalen und transversalen Ultraschallwellenanteilen gelingt
es, die Kontakteinflüsse,
die von den EB- und BB-Kontaktstellen herrühren, bei der Beurteilung des
akustischen Durchschallungverhaltens der sich ausbildenden Schweissstelle
nahezu vollständig
zu eliminieren. So ist es in vielen Anwendungsfällen von besonderer Bedeutung
für die
Beurteilung einer Schweissverbindung lediglich festzustellen, ob
und wann die Flüssigphase zwischen
den sich berührenden
Fügepartnern
während
des Schweissvorganges erreicht wird oder nicht. Darüber hinaus
ist die Geschwindigkeit mit der die Bildung der Schmelzphase erfolgt
ein Mittel die zu erwartende Schweißlinsengröße abzuschätzen. Die Geschwindigkeit des
Schweißlinsenwachstums
ergibt sich aus der Steigung der Verhältnisfunktion nach dem Schmelzzeitpunkt.
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Insbesondere
werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Einsatzmöglichkeiten
des Ultraschallprüfverfahrens
zur Schweisspunktbewertung entscheidend erweitert. So ist es beispielsweise
möglich, bei
mehr Mehrimpulsschweissungen, wie sie beispielsweise zum Stand der
Technik unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben
worden ist, genaue Aussagen zu treffen, ob sich eine Schweisslinse
ausgebildet hat oder nicht. Dies ist, wie einleitend ausgeführt, mit
den bisherigen Ultraschallprüfverfahren
nicht möglich.
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Insbesondere
bei Schweisskonstellationen, wie es beispielsweise beim Mikrofügen der
Fall ist, in denen der Kontaktflächeneinfluss
im Vergleich zum Einfluss der sich zwischen den Fügepartnern
ausbildenden Flüssigphase
besonders groß ist,
vermag das erfindungsgemäße Bewertungsverfahren
zuverlässige
Aussagen über
die Ausbildung von Flüssigphasen
zwischen den jeweiligen Fügepartnern
zu geben.
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Überdies
eröffnen
sich mit dem erfindungsgemäßen Bewertungsverfahren
für Schweissprozesse
vollkommen neue Anwendungsfelder, in denen der Kontaktzoneneinfluss
und die Ausbildung der Flüssigphase zeitlich
nicht getrennt werden können,
wie es beispielsweise bei kurzzeitigen Schweissprozessen, insbesondere
beim Kondensatorentladungsschweissen der Fall ist.
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Auch
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
eine zuverlässige
Analyse und Bewertung einer sich ausbildenden Schweissverbindung,
bei der der Schweissvorgang an den Kontaktflächen zwischen den Schweisselektroden
und den jeweiligen Fügepartnern
große
Veränderungen
der Kontaktflächen
bewirken, wie es beispielsweise beim sogenannten Buckelschweissen
der Fall ist. Insbesondere bei derartigen Schweissungen war es bisher
schwierig bis unmöglich,
entsprechende Bewertungen vorzunehmen.
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In
gleicher Weise eignet sich das Verfahren zur Beurteilung von Schweissungen
von Drähten
auf Blech oder Draht auf Draht. Auch in diesen Fällen verändern sich die Kontaktflächen zwischen
Elektrode und Schweissteil während
des Schweissens erheblich.
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Das
erfindungsgemäße Bewertungsverfahren
lässt sich
neben dem vorstehend beschriebenen Widerstand-Schweissen, bei dem
die Ultraschallwellen über
eine Schweisselektrode in die Fügepartner
eingekoppelt und über
eine entsprechend positionierte Gegenelektrode aus den Fügepartnern
ausgekoppelt werden, auch bei anderen, insbesondere kontaktfreien
Schweissverfahren erfolgreich anwenden. Beispielsweise ist es möglich, im
Wege eines Strahlschweissverfahrens, wie beispielsweise Laser-,
Elektronen- oder Ionenstrahlverfahren, Ultraschallwellen in geeigneter
Weise in die zu verbindenden Fügepartner
ein- bzw. auszukoppeln. Hierbei ist es jedoch erforderlich, den
Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger direkt an eine entsprechende
Oberfläche
der jeweiligen Fügepartner
akustisch anzukoppeln. Der Vorteil des Widerstand-Schweissverfahrens
im Unterschied beispielsweise zum kontaktfreien Strahlschweissen
ist darin zu sehen, dass der den Schweissprozess bewirkende Energieeintrag über die
gleiche Koppelfläche
in die Schweisspartner eindringt, über die auch die Ultraschallwellen
zur Bewertung der Schweissverbindung ein- bzw. ausgekoppelt werden. Gleichwohl
können
die vorstehenden Überlegungen
zum erfindungsgemäßen Verfahren
auch auf andere Schweissprozesstypen erfolgreich Anwendung finden.
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Das
erfindungsgemäße Vertahrensprinzip
beruht grundsätzlich
auf der gleichzeitigen Bestimmung und Auswertung der longitudinalen
und transversalen Durchlässigkeitsverläufe durch
die sich ausbildende Schweissverbindung. Die Bestimmung der Schalldurchlässigkeitsverläufe für beide
Wellenarten kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Prinzipiell
entstehen bei der Schallausbreitung in räumlich begrenzten Festkörpern durch
die Reflexion der Schallwellen an den Begrenzungsflächen immer
auch die jeweils andere Wellenart, d.h. bei der Ausbreitung einer
Transversalwelle entsteht auch ein gewisser longitudinaler Anteil
und umgekehrt. Diesen Anteil kann man durch den Einschallwinkel
und die Form des Ausbreitungsmediums beeinflussen, insbesondere
bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beim Widerstand-Schweissen, bei dem die Ultraschallwellen zunächst in
die Schweisselektrode eingekoppelt werden.
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Neben
der bereits bekannten Standardmessanordnung, wie sie in 2 dargestellt
ist, weist eine vorteilhafte Messanordnung zwei Ultraschallsender 5, 5' gemäß 4 auf,
von denen der eine Sender bevorzugt Transversalwellen 5 sowie
der andere Sender 5' bevorzugt
Longitudinalwellen über
die Schweisselektrode 3 in die Fügeteile 1, 2 einkoppeln.
Ebenfalls sieht die Gegenelektrode 4 zwei unterschiedliche
Empfänger 8, 8' vor, von denen
jeweils der eine Ultraschallempfänger
Transversalwellen sowie der andere Ultraschallempfänger Longitudinalwellen
zu detektieren vermag. Auch ist es möglich, nur mit einem einzigen
Ultraschallempfänger 8 zu
arbeiten, wobei das empfangene Signal in seine longitudinalen und
transversalen Schwingungsanteile zerlegt werden muss. Dies kann
beispielsweise dadurch geschehen, dass das Empfangssignal in zwei
verschiedenen Zeitfenstern ausgewertet wird.
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Die
Auswertung des Empfangssignals ist auch in einem gemeinsamen Zeitfenster
möglich,
sofern der longitudinale und der transversale Signalanteil in unterschiedlichen
Frequenzbereichen vorliegt. In einem derartigen Fall können beide
Schwingungsanteile durch entsprechende Frequenzfilterung des Empfangssignals selektiv
detektiert werden.
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So
konnten beispielsweise die in den 1a und 1b dargestellten
Messwerte derart erhalten werden, wobei das Empfangssignal breitbandig
empfangen und anschließend
digital gefiltert wurde. Das transversale Empfangssignal ist mit
einem Tiefpass mit einer oberen Grenzfrequenz von 150 kH ausgefiltert
worden, das longitudinale Empfangssignal wurde über einen Hochpass mit einer
unteren Grenzfrequenz von 300 kH ausgewertet.
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- 1,
2
- Fügepartner
- 3,
4
- Schweisselektroden
- 5,
5'
- Ultraschallsender
- 6
- Schweissstromsteuerung
- 7
- Ultraschallpulsgenerator
- 8,
8'
- Ultraschallempfänger
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- Schweisspunktbewertung
