DE1473400A1

DE1473400A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstoerungsfreien Pruefung von Punkt- und anderen Pressschweissungen

Info

Publication number: DE1473400A1
Application number: DE19621473400
Authority: DE
Inventors: Karl Deutsch
Original assignee: DEUTSCH PRUEF MESSGERAETE
Current assignee: DEUTSCH PRUEF MESSGERAETE
Priority date: 1962-05-23
Filing date: 1962-05-23
Publication date: 1969-01-09
Also published as: US3410983A

Description

Patentanwältin

Hannover, Adickesstr. 9

Ferniprediert 3SO*7O Postscheckkonto! 174130 Köln Bankkonto ι soagoe Dresdner Bank, Rat ingen

Hannover, den 1.8.1968

Ihr Zeichen ι _j Mein Zeidieni

BBTRIFPTi

Karl Deutsch

Wappertal-JBlb erf eld
Am Dorpweiher 60

Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Punkt- und anderen Preßschweißungen

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Punkt- und anderen Preßschweißungen sowie eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.

Punkt- und andere Preßschweißungen werden seit Jahren zum Verbinden metallischer Bauteile benutzt. Insbesondere bei hoch beanspruchten Konstruktionen, vor allem im Flugzeug - und Fahrzeugbau, wo die Schweißungen vorwiegend dynamischen Beanspruchungen unterliegen, bilden die hohen Anforderungen, die an die Schweißqualität der Bauteile gestellt werden, ein ernstes Problem für die wirtschaftliche Überwachung der Güte. Von der zerstörungsfreien Prüftechnik muß Aufschluß verlangt werden über das Auftreten und gegebenenfalls über die Aus-

809902/0519 Neue Untertaoen (απ,τϊιAfea»r.t ·β*3 d·****·™»*·«. v.<-,. g. ,907j

U73400

dehnung mechanischer Fehler, wie Poren, Risse und Spritzer. Darüberhinaus muß eine Aussage über die Werkstückbindung, selbst möglich sein .

Die Röntgendurchstrahlungsprüfung liefert zwar- sichere Aussagen über die wesentlichsten Fehler in Schweißpunkten,. doch vermag das Röntgenbild den Befund einer ungenügenden Schweißung (Klebung) nur selten wiederzugeben. Überdies ist der Prüfaufwand im Vergleich zur Herstellung der Schweißung selbst beträchtlich und der ausschließliche Einsatz dieser Prüfmethode ist aus wirtschaftlichen Gründen nicht gerechtfertigt, zumal sie keine Möglichkeit der Ausnutzung des Prüfergebnisses zur Korrektur der Schweißmaschine., für ein in Bearbeitung befindliches Werkstück bietet, da sie nur außerhalb der Schweißmaschine am fertig geschweißten Werkstück durchgeführt werden kann. Auch ist bei röntgenographischen Verfahren die Gefahr von Strahlenschäden gegeben.

Nachdem sich die Ultraschallprüfverfahren allgemein auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durchgesetzt hatten, fehlte es nicht an Versuchen, die Vorteile dieser Untersuchungsweise auch in der Punktschweißtechnik zu nutzen.

Die Prüfung fertiger Schweißverbindungen außerhalb der Schweißmaschine mittels des Ultraschallverfahrens ist jedoch nicht möglich, da keine Bezugsgröße vorhanden ist, mit

809902/0519

H73400

_ 3 der der Schallpegel verglichen werden könnte.

Es ist bereits versucht worden, diese Schwierigkeiten dadurch zu "beheben, daß man das Werkstück an der Schweißstelle vor der Schweißung und während des Durchganges des Schweißstromes durchschallt hat, wobei hierfür bereits vorgeschla- . ■ gen worden"ist, die Ultraschallschwinger auf die Punktse>iweißelektroden aufzukleben oder auf zukitten. Bei der Prüfung nach diesen bekannten Verfahren wurde lediglieh ermittelt, ob sich der aufgrund der Durchschallung der Schweißstelle erhaltene Schallpegel beim Einsetzen des Schweißstromes verringert oder gleich bleibt. Dabei ging man von der unzutreffenden Annahme, aus, daß eine Verkleinerung des Schallpegels bei Einsetzen des Schweißstromes als Kriterium für eine einwandfreie Schweißung gewertet werden kann. In Wirklichkeit ist mit den bekannten Verfahren jedoch nur eine Unterscheidung, danach möglich, ob an der zu verschweißenden Stelle eine Aufschmelzung des Materials beim Durchgang des Schweißstromes erfolgt ist oder nicht. Eine feststellung darüber, ob diese Aufschmelzung nun zu einer einwandfreien Schweißverbindung geführt hat oder nicht, ist mit den bekannten Verfahren hingegen nicht möglich, denn nachweisbar bewirken auch Risse und Poren in der Schweißlinse eine Verminderung des Schallpegels bei der Durchschallung während der Herstellung der Schweißverbindung, jedoch eine wesentlich größere Verminderung gegenüber der Gut-Schweißung.

bei den
Auch treten bei den^bekannten Verfahren angewandten Dauer-

- 4 809902/0519

-A-

schallverfahren seifest bei Anwendung der Frequenzmodulation Interferenzen auf, die eine eindeutige Amplitudenbewertung unmöglich machen. Barüberhinaus hängt "bei den bekannten Verfahren das Maßergebnis stark von Elektrodenspannungen, Temperaturschwankungen der Schwinger und Veränderungen in den Ankopperbedingungen ab.

Der Erfindung hat die Aufgabe zu Grunde gelegen, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung von Schweißstellen mittels Ultraschalles zu schaffen, das nicht nur eine einwandfreie Peststellung gestattet, ob ein Fehler vorliegt oder nicht, sondern mit dem auch die Art des Fehlers erkannt werden kann und dadurch die Möglichkeit gegeben ist, die Schweißmaschine nach einem bestimmten funktioneilen Zusammenhang automatisch oder von Hand nachzuregeln. Überdies soll das Meßergebinis von Beeinflussung durch Elektrodenspannungen, Temperaturschwankungen und Änderungen der Ankoppelbedingungen möglichst unabhängig sein.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine nur qualitative Feststellung der Änderung des Schallpegels keinen Aufschluß über die Güte der Schweißverbindung bzw. die Art des Fehlers geben kann, sondern daß eine quantitative Bestimmung der Schallpegeländerung notwendig ist« Demgemäß besteht das Verfahren nach der Erfindung darin, daß man das Werkstück an der Schweißstelle vor der Herstellung der Schweißverbindung, jedoch während der der

809902/0S19

Schweißung vorausgehenden mechanischen Einspannung (Vorpreßzeit) und nach der Herstellung der Schweißverbindung innerhalb der Erkaltungszeit des Schweißpunktes (ifachpreßzeit) mittels in die Kühlbohrung der Elektroden eingebauter TJl traschall schwinger nach dem Impulsverfahren durchschallt, daß man den Quotienten der sich auf Grund der Durchschallung vor und nach der Herstellung der Schweißverbindung ergebenden Sehallpegel meßtechnisch ermittelt und als Kriterium für die Güte der Schweißverbindung bzw. Art des Fehlers verwertet.

Die durch den Schallpegelvergleich erhaltenen Meßwerte können dann ausgenutzt werden, um weitere Fehlschweißungen zu verhindern.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht aus einer Punktschweißmaschine mit in der Kühlbohrung der Elektroden angeordneten TJltraschallschwingern, von denen der Senderschallkopf mit einem in bestimmten Zeitabständen kurzzeitig hochfrequente Spannungsimpulse erzeugenden Generator-verbunden ist, während der Empfangerschallkopf, der nicht größer^vorzugsweise jedoch kleiner ist als die Schweißlinse, über einen Verstärker und Gleichrichter mit einem Monitor verbunden ist, dem ein Speicher nachgeschaltet ist, der mit dem Verstärker über ein Hegelsystem verbunden ist, das die Verstärkerempfindlichkeit so regelt, daß die am Speicher während des

.· ■ - 6 809902/OS.1-9

U7340Q

Vorpressens anstehende Spannung einem Sollwert entspricht, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die den Monitor in einftem dem Impulstakt des Generators entsprechenden Takt, jedoch um die Impulslaufzeit ■verschoben, schaltet und ihn bei Auftreten eines Schallimpulses unmittelbar nach dem Abschalten des Schweißstromes mit einem Auswertegerät zur Ermittelung der Spannungsdifferenz zwischen Monitor und Speicher verbindet. Das Auswertegerät kann Signalzusätze aufweisen, welche Größe und Richtung seiner Anzeige durch Signale kenntlich machen.

Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Torrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Punktschweißungen mittels des Verfahrens nach der Erfindung anhand der Zeichnungen.

J?ig. 1 ist ein Blockscheme einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit eingetragener Schaltung.

i"ig. 2 zeigt die Elektroden einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Schweißmaschine.

In J?ig. 1 bezeichnet G einen Generator, in welchem in bestimmten Zeitabständen kurzzeitig hochfrequente

— 7 — 809902/0519

U73400

Spannungsimpulse erzeugt werden. Dieser Generator ist mit einem in einer Elektrode EL der Schweißmaschine in der Kühlflüssigkeit K angeordneten Schallkopf verbunden, der als Sender S wirkt.

Zwisciiem diesem Sender S und dem Empfänger E, der aus einem in die andere Elektrode $DJ in der Kühlflüssigkeit eingesetzten Empfängerschallkopf besteht, befindet sich der Prüfling P. Der Empfänger E ist mit einem Verstärker V verbunden, der die elektrische Spannung des Empfängers in einem mittels Stellglied regelbaren Verhältnis verstärkt und gleichrichtet. Dem Verstärker V ist ein Monitor M nachgeschaltet, das ist ein elektronischer Sehalter_f der die an seinem Eingang vorhandene Spannung nur bei vorhandener Hilfsspannung an seinen Ausgang weiter leitet. An den Monitor M ist ein Speicher Sp angeschlossen, der die am Speichereingang kurzzeitig anliegende Gleichspannung mittels Gleichrichter und Ladekondensator über längere Zeit speichert. Der Speicher Sp ist über ein Regelsystem R mit dem Verstärker verbunden. Dieses Regelsystem R regelt die Verstärkerempfindlichkeit so ein, daß die am Speicher Sp anstehende Spannung einem Sollwert entspricht. (Nennspannung)

A ist eine Auswerteeinheit, welche die Differenz zwischen der nach der Schweißung am Monitor auftretenden Ausgangsspannung und dem Sollwert am Speicher Sp zur Anzeige bringt und die Über- bzw. Unterschreitung einstellbarer Grenzwerte signalisiert.

8 0 9 9 0 2/0519 " ⁸ "

Eine Steuereinheit St bestimmt den zeitlichen Ablauf aller Funktionen.

Das Netzteil Ii versorgt sämtliche Aggregate mit Strom.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt?. Im Generator G wird zu bestimmten Zeitpunkten t₁ im Zeitabstand t ein hochfrequenter Spannungsimpuls erzeugt. Dieser wird dem Sender S zugeführt, und in diesem über den Piezoeffekt in einen hochfrequenten Schalldruck umgeformt. Die Schallimpulse laufen über das Koppelmedium - in diesem lall die Kühlflüssigkeit -, den Elektrodenboden, durch die zwischen den Elektroden unter Yorpreßdruck eingespannten, zu verschweißenden Bleche B über die Gegenelektrode El und deren Kühlflüssigkeit zum Empfänger E, wo sie jeweils zu einem Zeitpunkt tg eintreffen und in eine dem Schalldruck proportionale elektrische Spannung umgewandelt werden. Im Verstärker V wird diese Spannung verstärkt sowie gleichgerichtet«und über den Monitor M, der von der Steuereinheit St im Zeitabstand t , jedoch gegenüber den Zeitpunkten t.. um die Laufzeit t^ = t₂ - t^ verschoben, durchgeschaltet wird, dem Speieher Sp zugeführt. Die Regeleinheit R regelt die Verstärkerempfindlichkeit soweit nach, bis die am Speicher Sp anstehende Spannung einem Sollwert entspricht. Sobald diese Regelung abgescüflossen ist, wird von Steuersystem St der Schweißstrom angeschaltet. Uach Abschalten des Schweißstromes wird während des

9 —

809902/0519

Erkaltens in der sogenannten Nachpreßzeit die Schweißstelle wieder nach dem Impulsverfahren durchschallt. Dabei schaltet das Steuersystem St den Monitor M mit dem Auswertegerät A zusammen, so daß die nun am Monitor auftretende Spannung dem Auswertegerät A zugeführt wird, das die Differenz dieser Spannung zum Sollwert am Speicher Sp zur Anzeige bringt und je nach Größe und Richtung dieser Anzeige bestimmte lehler kennzeichnende Signale abgibt.

In ]?ig. 2 sind die zu verschweißenden Bleche mit B1 und B2 bezeichnet. Die Schweißelektroden E1 und E2 einer Schweißmaschine sind in an siehe* bekannter Weise miteinander fluchtend angeordnet; sie drücken die Bleche B1 und B2 mit vorzugebender Anpreßkraft an der zu verbindenden Stelle aufeinander. Bei der dargestellten Ausführungsform sind beide EleWroden B1 und E2 mit einer Bohrung versehen, durch die Kühlmittel K1 und E2 fließt, das durch einen Einlaßstutzen 11 und 12 einläuft und durch einen Auslaßstutzen A1 bzw. A2 abfließt. Innerhalb der Kühlmittel K1 bzw. K2 der Elektrode E1 bzw. E2 ist ^e ein Ultraschallschwinger S1 bzw. S2 so angeordnet, daß die Verbindungslienie der Mittelachsen der Sohwingerplatten mit der Mittelachse der Elektrode und damit mit der Verbindungslinie der Mittelachsen beider Elektroden zusammen fallt.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind die Schwinger sowie die Elektroden leicht auswechselbar und ihre

809902/0519

U7340Q

- ίο -

Größe kann den Prüfbedingungen optimal angepaßt werden, so daß, falls gewünscht, auch, eine partielle Durchschwingung der Schweißlinse möglich ist.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Schaltungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind mannigfache Abwandlungen desselben möglich, ohne den Grundegedanken der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche

- 11 -

809S02/0519

Claims

1473"MTO Patentansprüche;

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung τοη Punkt- und anderen Preßschweißungen mittels Ultraschalles, dadurchgekennzeichnet, daß das Werkstück an der Schweißstelle vor der Herstellung der Schweißverbindung, jedoch während der der Schweißung vorausgehenden mechanischen Einspannung und nach .der Herstellung der Sehweißverbindung innerhalb der Erkaltungszeit des Schweißpunktes (z.B. der Uachpreßzeit) mittels in die Kühlflüssigkeit der Elektrode eingebauter Ultraschallschwinger nach dem Impulsverfahren durehsöhallt wird, daß der Quotient der sieh auf Grund der Durchschallung vor und nach der Herstellung der Schweißverhindung ergebenden Schallpegel meßteohnisch ermittelt und als Kriterium für die Güte der Schweißverbindung bzw» Art des lehlers verwertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Schallpegelvergleich erhaltenen Meßwerte ausgenutzt werden, um die Maschine so zu korrigieren, daß weitere fehlerhafte Schweißungen verhindert werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Punktschweißmaschine, in deren Elektroden ein Ultraschallschwinger angeordnet ist, · dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwinger in der Kühlbohrung der Elektroden angeordnet sind und der

- 12 -

809902/051 9_ot ^_rip„_{Änderungsges}.v.> · ·ι Neue Unterlagen (Art. τ % ι Abs.2 Nr. < «**»^{s deR An eru}

Senderschallkopf (S) mit einem in "bestimmten Zeitabständen kurzzeitig hochfrequente ■ Spannungs impul se erzeugenden Generator (G) verbunden ist, während der Empfängersehallkopf (e), der nicht größer, vorzugsweise jedoch !deiner ist als die Schweißlinse, über einer Verstärker (V) und Gleichrichter mit einem Monitor (M) verbunden ist, dem ein·Speicher (Sp) nachgeschaltet ist, der mit dem Verstärker (V) über ein Regelsystem (R) verbunden ist, das die Verstärkerempfindlichkeit so regelt, daß die am Speicher (Sp) anstehende Spannung einem Sollwert "entspricht, wobei eine Steuereinheit (St) vorgesehen ist, die den Monitor (M) in ein .em dem Impulstakt des Generators (G) entsprechenden lakt, jedoch um die Impulslaufzeit verschoben, schaltet und bei Auftreten eines Schallimpulses unmittelbar nach dem Abschalten des Schweißstromes mit einem Auswertegerät (A) zur Ermittlung und Anzeige der Spannungsdifferenz zwischen Monitor und Speicher verbindet·

4« Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Signalzusätze im Auswertegrät (A), die eine selbsttätige Anzeige der Pehlerart bewirken.

809902/0519