DE1923132A1

DE1923132A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle thermisch hergestellter mechanischer Verbindungen

Info

Publication number: DE1923132A1
Application number: DE19691923132
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. M GOIn Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-05-06
Filing date: 1969-05-06
Publication date: 1970-11-19
Also published as: GB1309772A; FR2047386A5; US3648009A; JPS5327226B1

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. H. Nsgendank

Dipl. tnq. H. Hauck

Dipl. FIr,:. VV. Schmitz

8 München 15, Mozartstr.23

Tel. 5 380586

Karl-Heinz Steigerwald

8 München 55

Haderunstraße la 2. Mai 1969

Anwaltsakte M-72o

Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle thermisch hergestellter mechanischer Verb indungen

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Kontrolle von durch thermische Verbindungs- oder Pügeverfahren, insbesondere Schweißen, hergestellten mechanischen Verbindungen.

; Bei der Verbindung zweier Werkstücke durch thermische Verbindungs- oder Fügeverfahren wie Schweißen, Löten oder dergleichen 1st es wesentlich, die Qualität der Verbindung mit ausreichender Sicherheit festzustellen. Hierzu verwendete man bisher im wesentlichen zwei Arten von Verfahren: Erstens sogenannte zerstörende Prüfungen, bei welchen die Verbindung durch mechanische Belastung wieder zerstört oder auf andere Weise aufgetrennt und ihre Eigenschaften untersucht werden, und zweitens zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden wie z.B. Röntgenaufnahmen oder Ultraschallmethoden usw.

Es besteht in der Fachwelt Übereinstimmung, daß die bekannten

- 1 009847/0418

zerstörungsfreien Prüfungen von Schweißnähten eine wirklich zuverlässige Aussage über deren Qualität grundsätzlich nicht gestatten. Aus diesem Grunde werden thermische Fügeverfahren bei ; lebenswichtigen und hochbeanspruchten Verbindungen nicht oder j nur zurückhaltend eingesetzt. Man verzichtet dabei auf günsti gere Konstruktionsformen und Kosteneinsparungen.

! ferner

j Besondere Schwierigkeiten ergeben sich/bei modernen Hochleistungs- Schweißverfahren wie z.B. Widerstandsschweißen, Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen und Reibungsschweißen, bei denen die Erhitzung der zu verbindenden Werkstücke eng auf die Bereiche der zu verbindenden Flächen konzentriert werden kann. Damit werden sowohl die zur Verbindung notwendige Wärmemenge als auch die Dauer der Wärmeeinwirkung auf ein Minimum reduziert. Während dadurch einerseits schweißtechnische Vorteile erzielt werden können, \ ergeben sich andrerseits verfahrenstechnische Schwierigkeiten.

Diese bestehen Insbesondere darin, daß es sehr genau darauf ankommt, daß die zugeführte Wärme genau den Werkstückbereich erfaßt, der zur Erzielung der Verbindung erhitzt werden muß, und daß der Erhitzungsvorgang selbst den richtigen Verlauf nimmt. 1st dies nicht der Fall, so reicht die eingebrachte Wärme nicht aus, um die Verbindung In der ganzen gewünschten Ausdehnung herzustellen bzw. wird der Fügevorgang empfindlich gestört, und es ergeben sich Fügefehler.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, welche es gestatten, die Qualität einer nach dem Prinzip der Vermischung der Werkstoffe zweier oder mehrerer Werkstücke entlang ährei⁸ Berührungsflächen entstandenen

- 2 009847/0418

BAD ORIGINAL

Fügezone, Insbesondere einer Schweißnaht, mit einer wesentlich höheren Sicherheit zerstörungsfrei zu prüfen, als dies bisher der Fall war.

Nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß während des thermischen Verbindungsverfahrens die sich im Bereich der herzustellenden Verbindung einzustellende Temperaturverteilung wenigstens stellenweise erfaßt und zur Aussage über die Qualität der Verbindung herangezogen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit schon während des Verbindungsverfahrens die gewünschten Aussagen über die Qualität der Verbindung erhalten, so daß es einer nachträglichen besonderen Prüfung normalerweise nicht mehr bedarf. Das erfindungsgemäße Verfahren 1st aber auch besonders zuverlässig, well sich schon geringe Abweichungen von der optimalen Verfahrensführung in verhältnismäßig starken Veränderungen der während des Verbindungsvorganges entstehenden zeitlichen und örtlichen Temperaturverteilung wiederspiegeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt besonders eindeutige und klare Aussagen über das erzielte Verbindungsergebnis bei solchen thermischen Fügeverfahren, deren Ablauf so gestaltet ist, daß während der thermischen Herstellung der Verbindung zwischen zwei oder mehreren Werkstücken jeder Punkt der beteiligten Werkstücke nur einmal einen Temperaturzyklus von Ausgangstemperatur über ein Temperaturmaximum bis zurück zur Ausgangs- bzw. Abkühlungstemperatur durchläuft. Solche Schweißvorgänge sind, falls sie nicht

- 3 -0 0 9 8 Z₁ 7 / 0 6 1 8

durch andere Prozesse in anderer Weise gestört werden, zum Beispiel das Widerstandsschweißen, das Reibungsschweißen und, Strahlungsschweißen wie beispielsweise Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen, wenn sie in geeigneter Weise durchgeführt werden.

In den meistenPällen ist es ausreichend, wenn zur Erfassung der Temperaturverteilung die Temperaturen an mehreren vorgegegeben Meßstellen der zu verbindenden Werkstücke erfaßt werden. Während des Verbindungsverfahrens wird an Jeder Stelle der zu verbindenden Werkstücke ein bestimmter zeitlicher Temperaturverlauf entstehen, der für den Ablauf des Verbindungsverfahrens charakteristisch ist und ferner in charakteristischen Beziehungen zu den Temperaturverläufen an anderen Stellen steht, so daß

- 3a -

009847/0418

durch zusammenfassende Betrachtung der an mehreren Meßstellen erfaßten Temperaturverläufe eine sehr zuverlässige Aussage über den Ablauf des Verbindungsverfahrens und die Qualität der dabei entstehenden Verbindung möglich ist. Bei der Anwendung der Erfindung bei der Herstellung einer Verbindung entlang einer Naht durch Bewegen eines thermischen Werkzeuges, Insbesondere eines Elektronenstrahls, relativ zu den Werkstücken entlang der Naht 1st es besonders zweckmäßig, zur Erfassung der Temperaturverteilung die Temperaturen in vorgegebenen Abständen beiderseits der Naht zu erfassen. Bei einer derartigen Arbeltsweise sind

ein Unsymmetrien der Energiefopelsung besonders zuverlässig erkennbar.

Die Meßstellen können kontinuierlich mit dem Werkzeug welterbewegt werden; dies vereinfacht ersichtlich die Auswertung. Die Meßstellen können aber auch relativ zu den Werkstücken ortsfest sein; dies hat in bezug auf die erzielbare Meßgenauigkeit Vorteile. Ein Weiterwandern der Meßstellen kann auch dadurch erzielt werden, daß nacheinander Temperatursignale mehrerer in bezug auf die Werkstücke stationärer Temperaturmeßelemente abgenommen werden.

Da vielfach die zu verbindenden Werkstücke während der verbindenden Bearbeitung nur schwer zugänglich sind, beispielsweise bei VerbIndungsverfahren, die im Vakuum ausgeübt werden, kann eine Arbeltswelse besonders zweckmäßig sein, bei der aus der Temperaturverteilung der Werkstücke, insbesondere mittels Wäraestrahlung, ein Bild des Bereichs der herzustellenden Verbindung erzeugt und die Temperaturverteilung in Form der Intensltäts-

- 4 -009847/CU18

verteilung auf den Bild erfaßt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens kann dann darin bestehen, daß bei der Bilderzeugung in an sich bekannter Welse eine Umwandlung von Wärmestrahlen in sichtbares Licht vorgenommen wird und die Tem» peraturverteilung in Form der Helligkeitsverteilung auf dem Bild erfaßt wird.

Das erflndungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen sind bei serienweiser Herstellung gleichartiger Verbindungen in gleichartigen Werkstücken besonders geeignet. Dabei kann man zweckmäßig so vorgehen, daß zunächst in einer Anzahl von Versuchen durch Anwendung von in vorbestlnmter Weise wechselnden Arbeits-bedingungen, Registrierung der zugehörigen erfaßten zeltlichen und örtlichen Temperaturverteilungen und zerstörende Untersuchung der erhaltenen Verbindungen eine einer optimalen Verfahrensführung entsprechende optimale Temperaturverteilung ermittelt wird, daß dann die dieser optimalen Verfahrensführung entsprechenden Arbeitsbedingungen bei der Herstellung der Verbindungen angewendet werden, daß die sich dabei einstellenden Temperaturverteilungen erfaßt werden und daß bei äußerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegenden Abweichungen der erfaßten Temperaturverteilung von der optimalen Temperaturverteilung die hergestellte VerbIndung verworfen wird. Dabei kann die Anzahl der Versuche entsprechend der gewünschten Sicherheit der Verfahrenskontrolle gewählt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß aus der erfaßten Temperaturverteilung wenigstens ein Signal abgeleitet und zur

0Q9847~/0418

Steuerung oder automatischen Regelung der Parameter des thermischen Verbindungsverfahrens verwendet wird. Bei der Herstellung einer Verbindungsnaht mit Hilfe eines die Naht entlang bewegten thermischen Werkzeuges kann man dabei mit Vorteil so vorgehen, daß die Erfassung der Temperaturverteilung wenigstens zum Teil an Meßstellen erfolgt, die In der Bewegungsrichtung des thermischen Werkzeuges vor dem Werkzeug liegen. Dabei muß die anwendbare Scnwelßgeschwlndigkelt beachtet werden. ^: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Temperaturverteilung mehrere Meßelemente in vor- ™ gegebener Anordnung in oder an den zu verbindenden Werkstücken vorgesehen sind. Bei der Herstellung einer zwischen zwei Seiten eines Werkstückes ganz oder teilweise durchgehenden Verbindung sind solche Meßelemente zweckmäßigerweise auf beiden Seiten vorgesehen. Bei der Herstellung einer Verbindung längs einer Naht 1st es vorteilhaft, zu beiden Seiten der Naht Meßelemente vorzusehen. Dies ermöglicht insbesondere bei symmetrischer Anordnung der Meßelemente sehr einfach eine Aussage über die Qualität der Verbindung auf Grund der Unterschiede der Temperatursignale, die | von zueinander symmetrischen Meßelementen geliefert werden.

Die Meßelemente können relativ zum Werkstück sowohl ruhend als auch bewegt angewendet werden, Im erstgenannten Pail ist außer der einfachen Möglichkeit, die Meßelemente am oder im Werkstück anzubringen, eine besonders für Serienfertigung wertvolle Möglichkeit dadurch gegeben, daß die Meßelemente an einer mit den zu verbindenden Werkstücken mit vorgegebener gegenseitiger Orientierung lösbar verbindbaren Halterung derart angebracht

- 6 -009847/0418

sind, daß sie beim Verbinden der Halterung mit den Werkstücken an vorgegebenen Meßstellen der Werkstücke wirksam werden, z.B. sich an die Werkstückoberfläche vorzugsweise federnd anlegen oder mit geringem Abstand vor der Werkstückoberfläche liegen, was insbesondere dann in Frage kommt, wenn die Heßelemente als Strahlungsempfänger ausgebildet sind.

Auch in dem Fall, daß die Neßelernente.relativ zum Werkstück bewegt werden, ist eine Ausfuhrungsform zweckmäßig, bei der die Meßelernente an einer Halterung angebracht sind; in diesem Fall ist die·Halterung zusammen mit dem die Verbindung herstellenden thermischen Werkzeug in vorgegebener Welse relativ iu den Werkstücken bewegbar, und bei einer derartigen Bewegung treten die ' Meßelemente entlang vorbestimmter Bewegungsbahnen mit vorbestimmten Oberflächenbereichen der Werkstücke in temperatur-*· ■essende Beziehung. Vorzugswelse liegen dabei die Meßelemente in federndem Schleifkontakt an den Werkstücken am; es ist aber natürlich auch hier möglich, die Meßelemente mit geringem Abstand vor der Werkstückoberfläche zu halten.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform 1st gekennzeichnet durch einen Sollwertgeber, der synchron mit dem Fortschreiten des Verbindungsvorganges ein Programm von Sollwerten für die während des VerbindungsVorganges von den Meßelementen abgegebenen Teaperaturmeßslgnale liefert. Dazu gehört vorzugsweise eine Vergleichseinrichtung, die die Sollwerte mit den Temperaturmeßsignalen vergleicht und entsprechende Dlffernzsignale liefert. i
Mit einer solchen Ausführungsform kann man in sehr einfacher .

■ - 7 009847/0418

Weise, nämlich in Form der Differenzen zwischen den Sollwertsignalen und den von den Meßelementen gelieferten Signalen, eine direkte Aussage über den Grad der Abweichung von einer gewünschten Optimalqualität erhalten; diese Aussage läßt sich z.B. zur Selektierung unbrauchbarer Werkstücke verwenden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung 1st gekennzeichnet durch eine von den Temperaturmeßsignalen der Meßelemente steuerbare Regeleinrichtung, die auf Parameter des Verbindungsverfahr ens in dem Sinn einwirkt, daß die Temperaturmeßsignale oder daraus abgeleitete Meßsignale im Bereich vorgegebener Sollwerte verbleiben.

Statt die Temperaturverteilung direkt am Werkstück zu erfassen, was manchmal Schwierigkeiten bereitet, beispielsweise bei im Vakuum arbeitenden Verbindungsverfahren, kann man auch den Umweg über ein von den Werkstücken entworfenes Bild wählen; eine dafür geeignete Ausfuhrungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Temperaturunterschiede ansprechendes Abbildungssystem, insbesondere ein auf Wärmestrahlung ansprechendes optisches System, für den zu verbindenden Bereich der Werkstücke vorgesehen ist und daß die Meßelemente in der Bildfläche des Abbildungssystems statt an oder in den Werkstücken angeordnet sind.

Die Meßelemente können nach einem beliebigen Meßprinzip arbeiten, das z.B. nach den vorliegenden Arbeitsbedingungen ausgewählt wird. So können z.B. die Prinzipien der Widerstands-thermometer, der Thermoelemente, der Strahlungsmeßgeräte, der Ausdehnungsthermometer und dergleichen verwendet werden. Eine weniger naheliegende

- 8 -009847/0418

Möglichkeit, die besonders bei mit hohen Temperaturen arbeitenden Verbindungsverfahren an ferromagnetische]! Werkstoffen verwendbar ist, besteht darin, daß die MeSalernente als auf die magnetische Permeabilität der Werkstücke ansprechende Meßelemente ausgebildet sind. Mit derartigen Meßelementen kann man beispielsweise besonders gut den Verlauf der der Curie-Temperatur entsprechenden Isothermen abfühlen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können in zahlreichen Fällen nicht nur zur Prüfung von thermisch hergestellten Verbindungen, sondern auch allgemein zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angewendet werden; dabei wird In den zu untersuchenden Bereich des Werkstückes ein Wärmestrom eingespeist, und die sich ergebende Temperaturverteilung wird wenigstens stellenweise erfaßt und als Maß für die Qualität der untersuchten Werkstückbereiche verwendet. Ersichtlich entspricht dabei der zu untersuchende Bereich dem Bereich einer herzustellenden Verbindung und die Einspeisung des Wärmestromes der Anwendung eines thermischen Verbindungswerkzeuges, z.B. einer

Flamme, einer Bogen- oder Funkenentladung, einem Elektronen-

elnem elektrischen Strom oder Laserstrahl, einer Quelle von Reibungswärme/oder dergleichen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Flg. 1 eine schematische Draufsicht auf zwei Werkstücke während ihrer Verbindung entlang einer Naht mit Hilfe einer Elektronenstrahlschweißung,

-9 -009847/0411

Fig. 2 . eine scheaatIsche Darstellung der Unterseite der in Fig. 1 geseigten Werkstacke,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-B der Flg. 1,

Fig. Ί eine scheaatIsehe graphische Darstellung der seitlichen Tepperaturverl&ufe an den in Flg. 1 angedeuteten Meßstellen,

^! Fig. 5 eine scheaatische graphische Darstellung der Temperatur-

j verteilung beiderseits einer Schweißnaht der in den

■ Flgn. 1 bis 3 geseigten Art,

Fig. 6, 7 und 8 schematische Darstellungen entsprechend den

Flgn. 1, 2 und 3» Jedoch für den Fall eines schrig aus der Nahtfläche herausrufenden Elektronenstrahls,

Flgn. 9, Io und 11 schenatische Darstellungen entsprechend den Flgn. 1, 2 und 3» jedoch für den Fall eines gekrönt verlaufenden Elektronenstrahls,

' Fign. 12, iy und 14 scheaatisehe Darstellungen entsprechend den Flgn. 9, Io und 11, jedoch für den Fall, daß die KrOaaung des Elektronenstrahls nur in einen, eng begrenzten Bereich vorliegt,

{ Fign. 15 bis 18 scheaatische Darstellungen verschiedener mug- <

licher Anordnungen von Meßelementen,

- Io -009847/0418

Fig. 19 eine schematische Darstellung einer mit den Werkstücken lösbar verbindbaren Halterung für die Heßelemente,

Fig. 2o eine schematische Darstellung einer zusammen mit einem thermischen Werkzeug relativ zu den Werkstücken bewegbaren Halterung für die Heßelemente,

Flg. 21 eine teilweise perspektivische schematische Darstellung möglicher Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 22 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt zwei Werkstücke 2 und 4, die durch Elektronenstrahlschweißen an der Berührungsfläche 6 stumpf miteinander verbunden werden sollen. Der schweißende Elektronenstrahl 8 tritt senkrecht zur Zeichenebene in die Berührungsfläche 6 ein und bewegt sich relativ zu den Werkstücken in Richtung des Pfeiles 26. Er hinterläßt die Verbindungszone 28. Die Linie A_O-B_Q deutet eine mit dem schweißenden Elektronenstrahl 8 mitbewegte Querschnittsfläche an, und man kann sich weitere Querschnittsflächen A₁-B₁, A₀-B₀....A -B_ denken, die mit vorgegebenen Abständen hinter der Schnittfläche A -B_Q folgen. Die Linien Io, 12 und 14 deuten einen möglichen Verlauf von Isothermen an, die die zu einem bestirnten Zeitpunkt vorliegende Temperaturverteilung in den drei Betrachtungsflächen kennzeichnen. Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf der Temperatur T an den In Fig. 1 angedeuteten Heßstellen 16, l8, 2o, 22 und 24 an der Oberfläche der

- 11 -009847/0418

Werkstücke in Abhängigkeit von' der Zeit t an. Es ist klar, daß in allen relativ zu den Werkstücken ortsfesten Schnitten beim Durchgang des Strahls eine stets gleiche zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung abläuft, unter der Voraussetzung, daß die Werkstücke gleichförmig und In Richtung der Schweißnaht praktisch unendlich ausgedehnt sind und mit konstanten Schweißparametern gearbeitet wird. Registriert man daher z.B. die Temperatur in zwei Punkten gleichen Abstandes rechts und links von der Schweißnaht in dem Schnitt A_Q-B₀, der sich mit dem schwelssenden Elektronenstrahl durch die Werkstücke fortbewegt, so muß - λ falls der Strahl die Berührungsfläche 6 der Werkstücke genau symmetrisch trifft - stets die gleiche Temperatur gemessen werden« Weicht der Strahl von der Symmetrie ab, so ergibt sich sofort eine Änderung der relativen Energieeinspeisung in die beiden Werkstücke, die in der Nähe der Schweißnaht zu erheblichen Temperaturveränderungen führt.

Zur anschaulichen Darstellung der beschriebenen Situation ist in Fig. 5 der sich beim Elektronenstrahlschweißen rechts und links von der Schweißnaht an der Werkstückoberfläche einstellende ' Temperaturverlauf in einem in bezug auf die Werkstücke stationären Schnitt für die Zeitpunkte t , t. und t~ schematisch dargestellt, wobei t_Q etwa dem Schweißzeltpunkt entspricht und t^, t₂,....spätere Zeltpunkte sind. X 1st der seitliche Abstand von der Schweißnaht 6, T die Temperatur. Man sieht, daß die unteren Flanken von t_Q so steil sind, daß sich schon geringfügige Verschiebungen in x-Richtung durch erhebliche Temperaturänderungen anzeigen.

- 12 -009847/0418

Eine besondere Situation ergibt sich beim Elektronenstrahlschweißen dadurch, daß dieser Vorgang im allgemeinen im Vakuum oder unter stark vermindertem Luftdruck (bzw. Schutzgasdruck) durchgeführt wird. Wie die Erfahrung zeigt, 1st der Wärmeübergang zwischen zwei sich eng berührenden Werkstückoberflächen im Vakuum trotz guter Bearbeitung sehr schlecht, da hier die bei Normaldruck zwischen beiden Flächen befindliche dünne Gasschicht fehlt, die für die Energieübertragung durch Wärmeleitung die wesentliche Rolle spielt. Trotz guter Bearbeitung und Anpassung berühren sich nämlich die Werkstfickoberflachen nur in wenigen Punkten, wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden. Durch diesen schlechten Wärmekontakt wird eine unsymmetrische Energieeinspeisung an der Schweißstelle besonders starke Veränderungen der Temperaturfelder hervorrufen. Dies tritt besonders dann kraß in Erscheinung, wenn der Elektronenstrahl die Naht stellenweise ver-

fehlt und die Energie nur einseitig einspeist.

Erfindungsgemäß werden die beschriebenen Erscheinungen dazu aus-

!genutzt, um fehlerhafte Schweißvorgänge zu erkennen. Beispiele • für zwei derartige Fälle zeigen die Flgn. 6 bis 8 bzw. 9 bis

'anhand der Verschweißung zweier Werkstücke 2, 4 entlang einer Naht 6 mittels eines Elektronenstrahls 8, der in Richtung des Pfeiles 26 entlang der Naht oder Stoßfuge 6 weiterbewegt wird und eine Schmelzzone 28 hinterläßt, lo, 12, 14 sind weitere Iso-

jthermen. In den Fign. 6 bis 8. ist der einfache Fall gezeigt, daß der Elektronenstrahl vom Verlauf der Trennflächen in ihrem

!unteren Teil abweicht. Das sich dabei einstellende Bild der Temperaturverteilung hat eine ganz typische Gestalt. Ähnlich 1st es mit dem in den Flgn. 9 bis 11 gezeigten Fall. Hier ist ange-

- 13 - „ . 009847/0418

nommen, daß der Elektronenstrahl z.B. durch ein im Bereich der Werkstücke vorhandenes Magnetfeld gekrümmt wird und dadurch den mittleren Teil der Trennflächen verfehlt, während er oben und unten symmetrisch liegt und die entstehende Schweißnaht ein äußerlich einwandfreies Bild ergibt. Auch für diesen Fall ergibt sich ein typischer Verlauf der Isothermen, aus dem sich die Art des Fehlers und seine Lager ermitteln läßt.

^! Im allgemeinen werdenFehler, wie sie in den Fign. 6 bis 11 dargestellt sind, nicht über die ganze Länge der Schweißnaht gleichmäßig auftreten. In den Fign. 12 bis 14 ist daher ein Fall geder

zeigt, bei dem/in den Fign. 9 bis 11 gezeigte Fehler nur auf einem kurzen Stück der Schweißnaht auftritt. Er zeigt sich nun durch eine deutliche Einbuchtung im Verlauf der Isothermen an.

Abgesehen von den hier geschilderten Beispielen, bei denen es sich um Abweichungen der eingespeisten Energie von der Lage der Verbindungsflächen handelt, gibt es noch andere Fehler, die durch einen ungünstigen Verlauf des Temperaturzyklus selbst hervorgerufen werden können. Hierbei handelt es sich z.B. um Lunker- und Porenbildung, unerwünschte Ausscheidungen bzw. metallurgische Veränderungen, Neigung zur Nikrorißbildung usw. Es hat sich gezeigt, daß sich solche Fehler weitgehend ausschalten lassen, wenn die Art der Energieeinspeisung ausreichend flexibel steuerbar und in ausreichend engen Toleranzen reproduzierbar ist. Dies 1st besonders beim Elektronenstrahlschweißen der Fall, ; wo die Art der Energieeinspeisung in die Schweißstelle durch strahloptische Mittel vielseitig steuerbar und vorausbestimabar

-H-

009847/0418

4b

: 1st. Auf diese Welse läßt sich der Ablauf der Temperaturzyklen

^: ß

; im schwert echnischen Sinne optimieren. Es besteht jedoch eine

ί verfahrenstechnische Schwierigkeit darin, die Wechselbeziehung zwischen Werkstück und Energiequelle, z.B. einem Elektronenstrahl,

; ausreichend zuverlässig in den Griff zu bekommen, um eine

j »sreichende Sicherheit dafür zu haben, daß der gewünschte thermische Vorgang an den Werkstücken tatsächlich abläuft. Hier kann

! das erfindungsgemäße Verfahren so angewendet werden, daß der

Temperaturverlauf an geeigneten Heßstellen des Werkstückes oder

j an geeignet in gleicher Lage zur Schweißstelle entlang des Werkstücks geführten Meßstellen gemessen wird und diese Meßwerte

^! unmittelbar zur Steuerung des Elektronenstrahls herangezogen bzw. zur Aussage über das Schweißergebnis verwendet werden.

: Die Fig. 15 bis 18 zeigen wiederum am Beispiel thermischer Ver-

schweißungen zweier Werkstücke 2, Ί entlang einer Stoßfläche oder Naht 6 einige mögliche Anordnungen von Meßelementen für den Fall, daß jeweils die Meßelemente zusammen mit dem thermischen Schweißwerkzeug, z.B. einem Elektronenstrahl, relativ zu den Werkstücken bewegt werden. Die Einwirkungsstelle des Werkzeuges ist wieder mit 8 bezeichnet, und der Pfeil 26 gibt die Richtung an, in der das Werkzeug relativ zu den Werkstücken bewegt wird, wobei die Schweißnaht 28 gebildet wird.

Fig. 15 erläutert einen sehr einfachen Fall, der gleichwohl für zahlreiche Anwendungsfälle zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Hierbei sind zu beiden Seiten der Naht 6 nahe an der Einwirkungsstelle 8 des thermischen Werkzeuges je ein Meßelernent 32, 34

- 15 -009847/0418

symmetrisch zur Naht vorgesehen. Je nach der angewandten Schweißgeschwindigkeit kann es auch zweckmäßig sein, die Meßelemente etwas vor oder etwas hinter der Einwirkungsstelle 8 zu halten. Mit der in Fig. 15 dargestellten Anordnung lassen sich beispielsweise Unsymmetrien in der Energiezufuhr, wie sie durch einen nicht genau auf die Naht 6 eingestellten Elektronenstrahl erzeugt sein können, ohne weiteres als Differenz der von den Meßelementen 32, 34 gemessenen Temperaturen erkennen, wobei das Vorzeichen der Differenz die Richtung der Abweichung von der ideal symmetrischen Energiezufuhr angibt. Auch Inhomogenitäten des Werkstückmaterials machen sich In gleicher Welse bemerkbar.

Fig. 16 zeigt eine Anordnung, bei der außer den bereits beschriebenen Meßelementen 32, 34 noch zwei weitere Paare 36, und 4o, 42 von Meßelementen vorgesehen sind. Dabei wird das am weitesten vorn liegende Paar 36, 38 am deutlichsten die Verhältnisse bei der Energiezufuhr und während des Schmelzvorganges wiedergeben, während die Meßsignale der welter hinten liegenden Paare 32, 34 und 4o, 42 auch mehr oder weniger stark von den Erstarrungsvorgängen In der Schmelzzone 28 beeinflußt werden. Man erhält so ehe differenziertere Aussage.

Flg. 17 zeigt eine Anordnung, bei der außer dem In Flg. 15 gezeigten Paar 32, 34 ein weiter vorn und näher bei der Naht 6 liegendes Paar 44, 46 verwendet wird.

Fig. 18 zeigt zusätzliche Paare 36, 38; 4o, 42; 48₄ 5o und 52, 54, die zum Teil einen größeren Abstand von der Naht 6 haben. Solche

- 16 -QO$847/0418

weiter außen liegenden Meßelemente sind besondere geeignet, um ein summarisches Gutesignal zu liefern.

In den meisten Fällen wird man hei der Herstellung von Verbin» düngen, die sich zwischen zwei Selten eines Werkstückes erstrek» ken, auf beiden Seiten Meßelemente vorsehen, um die Aussagesicherheit zu erhöhen und ungewollte Schrägstellungen des Werkzeuges relativ zum Werkzeug erkennen zu können.

Fig. 19 erläutert schematisch eine zweckmäßige Art der Anwendung von relativ zu den Werkstücken vorhandenen Meßelementen, Obwohl es sich in manchen Fällen, z.B. bei der Fertigung hochwertiger Einzelstücke oder kleiner Serien, auch lohnen dürfte, die Meßelemente direkt auf den Werkstücken fest anzubringen, z.B. anzukitten oder anzuschweißen, wird doch in den meisten Fällen eine rasch lösbare Verbindung zwischen den Meßelementen und den Werkstücken zweckmäßiger sein. Nach Fig. 19 verwendet man dazu zweckmäßigerweise eine Halterung 56, etwa in Form einer auf die Oberfläche der Werkstücke 2, 4 absenkbaren Platte 58, an der Paßmittel 60 zur genauen gegenseitigen Orientierung mit den Werkstücken vorgesehen sind; die Platte 58 hat ferner einen Schlitz 62, um den Durchtritt des thermischen Werkzeuges zu den Werkstücken 2, 4 zu gestatten, und trägt die Meßelemente 64, 66 derart, daß beim Absenken der Platte 58 auf die Werkstücke 2, 4 die Meßelemente sich fest an die Oberflächen der Werkstücke anlegen. Bei zum Werkstück ruhenden Meßelementen kann man entweder die Signale aller Meßelemente beobachten und vorzugsweise mit einem durch Versuche ermittelten optimalen Muster vergleichen,

- 17 -00 984 7/0418

ι oder schrittweise in der Reihe der Meßelemente nur jeweils in ', einer bestimmten Lagebeziehung zum Werkzeug stehende Meßelemente benutzen. Man erhält auf diese Weise ein Weiterwandern der Meßstellen entsprechend der Relativbewegung zwischen dem Werkzeug ! und den Werkstücken.

j Fig. 2o erläutert nochmals einen FaIl₃ bei dem die Meßelemente ! zusammen mit dem Werkzeug relativ zu den Werkstücken 2, 4 bewegt werden. Zu diesem Zweck sind die Meßelemente 68, 7o an einer

relativ zum Werkzeug, z.B. einem Elektronenstrahl, ortsfesten, I j also relativ zu den Werkstücken 2, 4 bewegbaren Halterung 72 so

! angebracht, daß sie an den Oberflächen der Werkstücke anliegen und sich während der durch den Pfeil 7¹I bezeichneten Relativbe-

wegung zwischen den Werkstücken und dem Werkzeug auf den Werkstücken entlangbewegen. Die Halterung 72 hat wieder einen Schlitz : 76 für den Durchtritt des Werkzeuges.

Verwendet man Meßelemente, die als Strahlungsempf-änger arbeiten, so kann man auch einen möglichst geringen Abstand zwischen den Heßelementen und den Werkstücken belassen; diese Arbeitsweise hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, daß die Messung stark von Zufälligkelten der Beschaffenheit der Werkstückoberfläche abhängt.

In den hier dargestellten Beispielen wurde im wesentlichen davon ausgegangen, daß die Werkstücke in Schweißrichtung zylindrisch • sind. Der allgemeine Fall 1st natürlich der einer beliebigen j Werkstückform. Die Verteilung bzw. Anordnung der Meßstellen hat

sich dann sinngemäß der sich verändernden Form des Werkstückes I anzupassen. Dabei können erfindungsgemäß Meßstellen nicht nur

- 18 -0098^7/0418

an allen äußerlich zugänglichen Stellen der Werkstücke angebracht werden« sondern auch an deren Innenräume. Damit sind sowohl mate-

ι rialumschlossene Hohlräume als auch Im Material selbst wirksame

j Meßstellen und Meßmethoden gemeint.

Einen Einfluß auf den Temperaturverlauf haben natürlich auch alle auf das Werkstück eindringende sonstige Wärmezufuhr- und abfuhrvorgänge, gleich ob durch Wärmeleitung oder Wärmezu- und abstrahlung oder durch sonstige Prozesse indirekt hervorgerufen. So können Halte- und Spannvorrichtungen den Temperaturverlauf beeinflussen. Ebenso ist es möglich, daß die Geometrie und Temperatur der das Werkstück umgebenden Wände und Gegenstände durch Strahlungswechselwirkung die Werkstücktemperatur beeinflußt. Erfindungsgemäß werden daher auch alle diese Einflüsse berücksichtigt bzw. so gestaltet, daß ein optimales Meßergebnis im Sinne einer Aussage über das Ergebnis der in Herstellung befindlichen mechanischen Verbindung erzielbar ist.

' Flg. 21 dient zur Erläuterung mehrere Möglichkeiten, die das 'erfindungsgemäße Verfahren bieten kann, Zwei Werkstücke 2, 4

die in einer nicht dargestellten Haltevorrichtung zusammengehalten !werden, werden entlang einer Berührungsfläche oder Naht 6 mittels j eines Elektronenstrahls 78 miteinander verschweißt. Der Strahl 78 .

wird in einer Strahlquelle 80 erzeugt. Da das Elektronenstrahl-

- l8a 009847/0418

schweißen an sich bekannt 1st, werden die dabei üblichen Einrichtungen wie Fokussierelnrichtungen, Vakuumpumpen und dergleichen hier nicht beschrieben.

Die Werkstücke ruhen auf zwei Stangen 82, 84, die in Nuten zweier Tragarme 86, 88 längs verschiebbar sind. Die Tragarme 86, 88 sind an Ihren Enden starr mit Seitenwänden verbunden und bilden zusammen mit ihnen eine Wiege, die um eine Achse 9o schwenkbar an einem Grundgestell gelagert ist. In der Figur sind nur die eine Seltenwand 92 und ein zugehöriger Teil des Grundgestellt 94 dargestellt. Die. Schwenkachse 9o geht durch die Oberkante der Naht 6. Zur Verschiebung der Stangen 82, 84 dient ein Getriebemotor Hl, der an der Seltenwand 92 befestigt 1st und ein Ritzel 96 trägt, das in eine Zahnung 98 der Stange 82 eingreift. Zur Schwenkung der Wiege dient ein Getriebemotor M2, der an Grundgestell 94 befestigt ist und auf einen starr mit der Seltenwand 92 verbundenen Zahnbogen loo arbeitet, der mit der Schwenkachse 9o konzentrisch 1st.

Ferner 1st noch ein Getriebemotor M3 vorgesehen, der das Grundgestell 94 In Richtung des Doppelpfeils Io2 seitlich verschieben kann. Mit der Zahnung 98 der Stange 82 kämmt ferner ein Rad Io4, das an einer mit mehreren Kurvenscheiben I06, I08, Ho, 112 besetzten Steuerwelle 114 befestigt 1st. Die Kurvenscheiben arbeiten mit Abtastern zusammen und erzeugen Signale In Signal-

als gebern 116, II8, 12o, 122, die beispielsweise/Potentiometer ausgebildet sind; diese Signale werden Verstärkern VH, V12, VI3, V14 zugeführt.

- 19 -009847/0418

Die sich in den Werkstücken 2, 4 ausbildende Temperaturverteilung wird von insgesamt 2o Meßelementen erfaßt, von ctenezi fünf (EIl-E15) auf der Oberseite des einen Werkstückes 2, fünf (E-22 bis E25) auf der Unterseite des einen Werkstücks 2, fünf (E31-E35) auf der Oberseite des anderen Werkstücks 4 und fünf (E41-E45) auf der Unterseite des anderen Werkstücks 4 symmetrisch zur Verbindungsfläche 6 angeordnet sind. Die Meßelemente sind in bezug auf die Werkstücke 2, 4 stationär und können in der beschriebenen Weise an einer besonderen (Xn Flg. 21 nicht dargestellten) Halterung befestigt sein, die mit vorbestimmter Orientierung lösbar mit den Werkstücken verbunden ist.

Die Meßelemente sind in der dargestellten Weise an Verstärker Vl, V2, V3 und V4 angeschlossen und so geschaltet, daß in den Ausgängen 124, 126, 128, 13o dieser Verstärker jeweils die Summe der von den angeschlossenen Meßelementen gelieferten Temperatursignale erscheint. Dies ist z.B. bei Meßelementen, die mit Thermoelementen arbeiten, einfach durch Reihenschaltung der Thermoelemente erreichbar. Bei der in Fig. 21 dargestellten Anordnung erscheint somit im Ausgang des Verstärkers Vl ein Signal, das der Summe der Temperaturmeßsignale der Meßelemente Eil bit E15 entspricht, usw.

Die Ausgänge 124 und 126 der Verstärker Vl bzw. V2 liegen an den Eingängen eines weiteren Verstärkers V5, der die Differenz der Ausgangssignale aus Vl und V2 bildet. Entsprechend wird mit einem weiteren Verstärker V6 die Differenz der Ausgangssignale aus V3 und V4 gebildet, mit einem Verstärker V7 die

- 2o -009847/0418

Differenz aus Vl und V3, und mit einem Verstarker V8 die Differenz aus V2 und V4. Je nach der Art der gewünschten Kontrolle kommt man mit einem mehr oder weniger großen Teil der beschriebenen Verstärker aus. Auch 1st es besonders bei nicht zu dicken Werkstücken ausreichend, nur an einer Seite, z.B. der Oberseite, Meßelemente vorzusehen.

Man erkennt aber ohne weiteres, daß bei symmetrischer Anordnung gleichartiger Meßelemente an Werkstücken, die zumindest in einem genügend großen Bereich um die Naht 6 herum als gleichartig angesehen werden können, die Auegangssignale aus Vl und V3 sowie die Ausgangssignale aus V2 und V4 ständig etwa einander gleich sind, solange die Schweißung durchgehend mit gleichmäßiger Verteilung der Schweißenergie erfolgt. Die Verstärker V7 (=Vl-V3) und V8 (sV2-V4) liefern dann das Ausgangssignal Null, und die Verstärker V5 (=V1-V2) und V6 (=V3-VU) liefern etwa gleiche, aber normalerweise von Null verschiedene Auegangssignale (da die Strahlenergie an der Unterseite der Werkstücke geringer 1st als an der Oberseite). Treten Abweichungen von diesen geschilderten einfachen Beziehungen auf, so liegen Schweißfehler vor. Man kann die. erhaltenen Signale zur Steuerung oder automatischen Regelung des Schweißvorganges benutzen. So zeigt das Auftreten eines Ausgangsslgnales an V7 (=V1-V3) am, daß der Strahl 78 nicht genau in die Verbindungsfläche 6 einfällt, und man kann dann mit Hilfe des Getriebemotors M3 die Werkstücke relativ zum Strahl verschieben, bis V7 wieder das Ausgangssignal Null zeigt. Dieser Vorgang kann automatisiert werden; in Fig. 21 ist eine entsprechende Regeleinrichtung 132 amgedeutet, deren Punk-

- 21 -0Q9847/0A18

tion keiner näheren Erläuterung*bedarf.

Wenn V8 (=V2-V4) ein verhältnismäßig großes Ausgangssignal liefert, V7 jedoch nahe bei Null bleibt, tritt der Strahl 78 zwar

noch richtig in die Verbindungsfläche 6 ein, weicht jedoch in i
I tieferen Werkstückbereichen von dieser Lage nach einer Seite ab.

j In diesem Fall kann man durch Kippen der Werkstücke um die Achse

I 90 mittels des Getriebemotors M2 einen Ausgleich schaffen. Auch i
dieser Vorgang läßt sich leicht automatisieren, wobei als Meßj größe des Regelvorgangs zweckmäßig eine Signalkombination aus V7 ! und V8 gewählt wird. In Fig. 21 ist der einfachere Fall darge-

^! stellt, daß die den Getriebemotor M2 steuernde Regeleinrichtung nur von V8 (=V2-VM) gesteuert wird. Normalerweise kann man

auf die zuletzt beschriebene Korrektur durch Kippen oder Schwenken verzichten, so daß die dafür vorgesehenen Teile entfallen ikönnen (M2, V8, loo, 13¹O · Die Ausgangssignale der Verstärker V5 (=V1-V2) und V6 (=V3-VH) können beispielsweise als Maß für t die Gleichförmigkeit der Schweißnaht in Richtung ihrer Tiefe angesehen werden. Dementsprechend kann man diese Signale zur Steuerung oder Regelung der Strahlintensität verwenden. Dafür

geeignete Einrichtungen sind In Fig. 21 nicht dargestellt.

Bei symmetrische* Schweißverlauf sind ferner die Ausgangssignale der Verstärker V5(*Vi-V2) und V6 (=V3-V4) einander etwa gleich, j so daß man auch die Differenz V5-V6 bilden und zu Steuer- oder Regelzwecken verwenden kann.

Schließlich kann man auch ein Signal gewinnen, das mit der Schweißgeschwindigkeit zusammenhängt, beispielsweise aus der

- 22 809847/0418

Frequenz der Wechselkomponente'des Ausgangssignals von Vl oder V3 · oder noch einfacher aus der Größe des Mittelwerts des Ausgangssignals von Vl oder V3. Je schneller die Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstücken ist, umso größer wird die Frequenz der Wechselkomponenten in den Ausgängen der Summlerverstärker Vl und V2, und umso kleiner wird der Mittelwert der Signale in diesen Ausgängen.

In vielen Fällen liegen die herzustellenden Verbindungen unsymmetrisch in den Werkstücken, so daß sich die beschriebenen einfachen summarischen Kriterien nicht oder nur nach mehr oder weniger komplizierten Veränderungen anwenden lassen. Dennoch 1st auch in solchen Fällen eine sehr zuverlässige Kontrolle möglich. Zu diesem Zweck macht man eine Anzahl von Schweißversuchen mit genau gleichen, der gestellten Aufgabe entsprechenden Werkstücken. Dabei verwendet man jeweils etwas andere Schweißparameter (Strahlgeometrie, Strahlleistung, Schweißgeschwindigkeit usw.). Man prüft die erhaltenen gesehweißten Verbindungen durch zerstörende Untersuchungen und stellt dabei fest, welche der angestellten Versuche optimale Ergebnisse brachten, Bei allen Versuchen registriert maa die sich während des Schweißens einstellende Temperaturverteilung.

Sodann schweißt man die für die geplante Verwendung vorgesehenen Werkstücke mit denselben Schweißparametern wie bei dem Versuch, der die optimalen Ergebnisse gebracht hatte _s und erfaßt wiederum die sich während des Sefeweißens ergebende Temperaturverteilung. Stimmt diese adfc der Tengieraturverteilung des optimalen Versuchs

- 23 - ι

00 984 7/04 18

überein, so besteht eine hohe Sicherheit dafür, daß die Schweißung ebenfalls optimal verlief. Diese Sicherheit kann durch Steigerung der Versuchsanzahl und Verwendung zahlreicher Meßstellen bei der Ermittlung der Temperatur verteilung immer so weit gesteigert werden, daß sie der Sicherheit entspricht, mit der bestimmte mechanische Kenngrößen und Festigkeiten vom Werkstoff oder Halbzeug selbst erwartet werden können.

In Flg. 21 ist angedeutet, wie man den beschriebenen Vergleich der *ährend des Schweißens erfaßten Temperaturverteilung mit der durch Versuche ermittelten optimalen Temperaturverteilung bequem ausführen kann. Zu diesem Zweck ist ein Programmgeber mit entsprechend geformten Kurvenscheiben Io4, I06, I08 und Ho vorgesehen. Die Kurvenscheibe Io4 liefert über ihren Abtaster und den zugehörigen Signalgeber VH während des Weitertransports eier Werkstücke relativ zum schweißenden Elektronenstrahl einen Signalverlauf, der dem aus den Vorvevsuchen ermittelten optimalen Signalverlauf im Ausgang des Verstärkers Vl entspricht. Entsprechend liefert die Kurvenscheibe I06 den optimalen Signalverlauf in bezug auf den Verstärker V2, die Kurvenscheibe I08 für Y3» und die Kurvenscheibe Ho für V4.

Somit hat nan In den Signaldifferenzen VIl-Vi, Vi2-V2, VI3-V3 und V14-V4, die z.B. in einer (nicht dargestellten) Vergleichseinrichtung gewonnen werden, direkt ein Maß fir die Abweichimg des gerade untersuchten Schweißverlaufs von de» optimalen Verlauf.

Anders gesagt: die von den Kurvenscheiben Ic4_s IeS, I08 und Ho gelieferten Signale sind Sollwerte, die von üem. Verstärkern Vl,

009847/0418

V2, V3 und V4 gelieferten Signale slrad Istwerte _s und die Differenz zwischen Sollwert und Istwert bildet ein Fehlersignal. Dieses Fehlersignal kann in bekannter Meise entweder ssu Regelswecken oder einfach zum Selektieren von Werkstücken verwendet werden, bei denen die Abweichungen von der ©ptimalen Temperatu^vertellung ein bestimmtes Toleranzmaß überschreitest.

Aus den vorstehenden Darlegungen ist klar, das. die in Fig. 21 zum Zweck der Erläuterung dargestellten Maßnahmen je nach den bei der praktischen Anwendung der Erfindung vorliegenden Verhältnlssen nur zwa Teil erforderlich sind. Insbesondere, ist bei Verwendung mMesraer Schweißgeräte_s insbesondere Elektronen-. atratslschweiSgeräte, die Reproduzierbarkelt der Strahlführung OMi Strahlsteuerung so gut, daß'man auf eia Maehregeln der einmal eingestellten Schweißparameter in väslen Fällen verzichten kann, so daß die eigentliche Verfabgaskontrolle, z.B. mit Hilf© des Prograasgebere Io*l-i22_s YII-Vi^₉ in uen T©r#2fgrund tritt.

Falls man, wie Im Zusammenhang mit Fig. 21 bessteiefeeza«, sowohl Regelvorgänge als auch die Verfahrene- oder W©jrk$t©ffk©ntrolle haben möchte,'tritt das Problem auf, wie man uir@@3?@aheiden soll, ob erfaßte Abweichungen oder Veränderungen der Te^peraturvertellung von Schweißfehlern oder Werkstoffehlern oder von ohne Schaden korrigierbaren Regelabweichungen herrühren. Eine Unterscheidung ist normalerweise jedoch leicht möglich, da die durch Schweißfehler qüqw Wsrkstoffehler hervorgerufenen Veränderungen · der TemperaturverSsilung wesentlich sprunghafter auftreten als

- 25 009847/0418

normale Regelabweichungen. Dieser Unterschied kann in bekannter, j Weise in Weichenschaltungen, die Verzögerungs- oder Differen- ! zierglieder aufweisen, zur Trennung in Kontrollsignale und Regelsignale ausgenutzt werden.

Es ist klar, daß man bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit ι und "Auflösung" der erfaßten Temperaturverteilung eine ent-' sprechend größere Anzahl von Meßelementen in zweckentsprechender ! Verteilung verwenden wird, z.B. Je zwei oder drei Reihen von j Meßelementen'beiderseits einer Naht.

Es besteht bei Verwendung von relativ zu den Werkstücken stationären Meßelementen nach Art der Fig. 21 auch die Möglichkeit, Jeweils nur die in der Nähe des Werkzeuges befindlichen Meßelemente zu verwenden, was durch eine in Abhängigkeit von der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken gesteuerte Umschalteinrichtung (nicht dargestellt) leicht bewerkstelligt werden kann.

Es versteht sich ferner, daß man insbesondere bei verhältnis- ! mäßig langen Verbindungsnähten vorzugsweise von Meßelementen Gebrauch machen wird, die zusammen mit dem Werkzeug relativ zu den Werkstücken bewegt werden (vgl. z.B. Fig. 2o). In diesem Fall

gelten die zu Fig. 21 gemachten Ausführungen entsprechend, wobei j man sich die Meßelemente E11-E15, E21-E25, E31-E35 und EH1-E45 j als relativ zur Strahlquelle 8o ruhend vorzustellen hat.

■ Flg. 22 erläutert schematisch den Fall, daß die Erfassung der Temperaturverteilung nicht an den Werkstücken selbst, sondern an

- 26 009847/0418

einem Bild der Werkstücke erfolgt. Die Werkstücke 2, 4, die entlang einer Naht 6 mittels eines Elektronenstrahls 78 verschweißt werden sollen, sind in der Arbeitskammer 136 der Elektronenstrahlschweißmaschine unter Vakuum angeordnet. Ein Infrarot-Abbildungssystem 138 entwirft über eine Abtast- und Steuerschaltung I4o auf einem Bildschirm 142 ein Bild 2^f, 4' der Werkstücke, ihrer Naht 6' und der Schweißzone 28'. Die Helligkeit der einzelnen Bildpunkte entspricht der Temperatur des zugehörigen Gegenstandspunktes. Auf dem Bildschirm 142 1st eine Halterung 146 mittels eines Motors 148 In Richtung des Bildes 6' der Schweißnaht verschiebbar. Der Motor 148 wird synchron mit dem Vorschub der Werkstücke 2, 4 in der Arbeitskammer 136 angetrieben, so daß die auf der Halterung 146 angebrachten Meßelemente 148-158, die hier beispielsweise als auf sichtbares Licht ansprechende Photozellen oder Photoelemente ausgeführt sin können, sich zusammen mit dem Bild 8* des Strahlauftreffbereichs entlang des Bildes 6' der Naht bewegen.

Anordnungen der in Fig. 21 dargestellten Art haben den Vorteil, daß man ohne Eingriff In die Arbeitskammer beliebige Änderungen der Verteilung der Meßelemente vornehmen kann. Selbstverständlich kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 21 eine In bezug

auf das Bild 2', 4* der Werkstücke ruhende Anordnung von Meßelementen verwendet werden.

Wenn man die Erfindung allgemein zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung beliebiger Werkstücke verwenden will., hat man nur statt des Schweißwerkseuges eine andsr© tfgriäsquelle, dl© das Werkstück- ;

- 27 -

0098 47/0418

gefüge nicht verändert, anzuwenden, z.B. einen entsprechend schwächeren Elektronenstrahl, um einen zur Prüfung brauchbaren Wärmestrom in das Werkstück elnzu speisen. Im übrigen verläuft das Prüfverfahren dann genau so wie bei der Herstellung einer mechanischen Verbindung. Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens 1st jedoch in der Möglichkeit zu sehen, daß man bei der thermischen Herstellung von mechanischen Verbindungen schon während des Verbindungsvorganges eine zuverlässige Aussage über die Qualität der Verbindung erhält.

Andere Ausführungsformen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

- 28 -

009847/0418

Claims

Dr. Inn. H i« r-.-denk

Din^!. jr.f; !'·. H .-.dc

■Dipl. i*i-./>. V. Schmilz

β München 1S, «4 oeortitr.23

Te! 5380586

Karl -Hein? Stci.rerwe] ei

I-rinjhen - b^rz 2. Mai 1 -i6J

Haderunstrafie la Anwaltsakte- M-720

Patentansprüche

1.] Verfahren zur Kontrolle von durch thermische Verbindungsverfahren, insbesondere Schweißen, hergestellten mechanischen Verbindungen, dadurch |-ekennzeichnet, da3 während des thermischen Verbindung?Verfahrens die sich im Bereich der herzustellenden Verbindung einstellende Temperaturverteilung wenigstens Btellenweise erfaßt und als MaS für die Qualität der Verbindung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetj, daß zur Erfassung der Temoeraturverteilung die Temperaturen an mehreren vorgegebenen MeQstelien der zu verbindenden Werkstücke erfaßt werden.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, angewendet bei der Herstellung einer Verbindung entlang einer Naht durch Bewegen eines thermischen Merkzeuges, insbesondere eines Elektronenstrahls,

— 1 —

0098*7/04 11 BADOR₁Q₁NAL

relativ zu den Werkstücken entlang der Naht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Temperaturverteilung die Temperaturen an beiderseits der Naht liegenden Meßstellen erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen mit dem Werkzeug weiterbewegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen relativ zu den Werkstücken ortsfest sind.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Weiterwandern der Meßstellen dadurch erzielt wird, da3 nacheinander Temperaturmeßsignale mehrerer in bezug auf die Werkstücke stationärer Temperaturmeßelemente abgenommen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Temperaturverteilung der Werkstücke, insbesondere mittels Wärmestrahlung, ein Bild des Bereichs der herzustellenden Verbindung erzeugt und die Temperaturverteilung in Form der Intensitätsverteilung auf dem Bild erfaßt wird. .

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bilderzeugung in an sich bekannter Weise eine Umwandlung von Wärmestrahlung in sichtbares Licht vorgenommen wird und die Temperaturverteilung in Form der Helligkeitsverteilung auf dem Bild erfaßt wird.

- 2 -9-84 7/04 18

BAD ORIGINAL

a i

y. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzelchfnet, daß bei serienweiser Herstellung von gleichartigen Verbin-' düngen in gleichartigen Werkstücken zunächst in einer Anzahl,vok Versuchen durch Anwendung von in vorbestimmter Weise.wechseln- i den Arbeitsbedingungen, Registrierung der zugehörigen erfaßten i zeitlichen und örtlichen Temperaturverteilungen und zerstörende!

Untersuchung der erhaltenen Verbindungen eine einer optimalen j Verfahrensführung entsprechende optimale Temperaturverteilung ermittelt wird, daß dann die dieser optimalen Verfahrensfüh- j rung entsprechenden Arbeitsbedingungen bei der Herstellung der 1 | Verbindungen angewendet werden, daß die sich dabei einstellenden Temperaturverteilungen erfaßt werden und daß bei außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegenden Abweichungen der erfaßten Temperaturverteilung von der optimalen Temperaturverteilung die hergestellte Verbindung verworfen wird.

0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Versuche entsprechend der gewünschten Sicherheit der Verfahrenskontrolle gewählt wird.

1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus der erfaßten Temperaturverteilung wenigstens ein Signal abgeleitet und zur Steuerung oder automatischen Regelung von Parametern des thermischen Verbindungsverfahrens verwendet wird.

/04 t

bad original

12. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Temperaturverteilung wenigstens zum Teil an Meßstellen erfolgt, die in der Bewegungsrichtung des thermischen Werkzeuges vor dem Werkzeug liegen.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Temperaturverteilung mehrere Meßelemente (32a, 34a,.. 42aj 32b, 34b,...42b) in vorgegebener Anordnung in oder an den zu verbindenden Werkstücken (1,2) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellun g einer zwischen zwei Seiten eines Werkstücks ganz oder teilweise durchgehenden Verbindung auf beiden Seiten des Werkstücks Meßelemente vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung einer Verbindung längs einer Naht zu beiden Seiten der Naht Meßelemente vorgesehen sind. i

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15* dadurch gekennzeichnet;^ daß die Meßelemente (46,66) an einer mit den zu verbindenden Werkstücken (2,4) mit vorgegebener gegenseitiger Orientierung lösbar verbindbaren Halterung (56) derart angebracht sind, daß sie beim Verbinden der Halterung mit den Werkstücken an vorgegebenen Meßstellen der Werkstücke wirksam werden.

BAD ORiGIMAL - 4 -

oast kTt 04 tt

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche IjJ bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (68,70) an einer Halterung angebracht sind, die zusammen mit dem die Verbindung herstellenden thermischen Werkzeug in vorgegebener Weise relativ zu den Werkstücken bewegbar ist, wobei die Meßelemente entlang ve !-bestimmter Bewegungs bahnen mit vorbestimmten Oberflächenbereichen der Werkstücke (2,4) in temperaturmessende Beziehung treten.

ld. Vc!'richtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Keielemente in federndem Schleifkontakt an den Werkstücken anliefen.

1'-}. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch einen Sollwertgeber (104-122, V11-V14), der synchron mit dem Portschreiten des Verbindungsvorganges ein Programm von Sollwerten für die während des Verbindung Vorganges von den Meselementen (EU-EI5, E21-E25, E3I-E35, E41-E45) abgegebenen TemperatürmeJsionale liefert.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Veri.leichseinrichtung, die die Sollwerte nit den Temperatürmeβ-Signalen vergleicht und entsprechende Differenzsignale liefert.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1} bis 20, gekennzeichnet durch eine von den Temperaturmeßsignalen der Meßelemente steuerbare Regeleinrichtung, die auf Parameter des Verbindungsver-

009847/0418

BAD ORJGJNAL

fahrens in dem Sinn einwirkt, daß die Temperaturmeßsignale oder daraus abgeleitete Meßsignale im Bereich vorgegebener Sollwerte verbleiben.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch J oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Temperaturunterschiede ansprechendes Abbildungssystem, insbesondere ein auf Wärmestrahlung ansprechendes optisches Abbildungssystem für den zu verbindenden Bereich der Werkstücke vorgesehen ist und daß die Meßelemente in der Bildfläche des Abbildungssystems statt an oder in den Werkstücken angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche IjJ bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente als auf die magnetische Permeabilität der Werkstücke ansprechende Meßelemente ausgebildet skid.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch seine allgemeine Anwendung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Werkstücken, wobei in den zu untersuchenden , Bereich des Werkstücks ein Wärmestrom eingespeist und die sich! ergebende Temperaturverteilung wenigstens stellenweise erfaßt und als Maß für die Qualität des untersuchten Werkstückbereichs verwendet wird.

- β 009847/(H 18