DE19530416C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Auswerten eines Meßwertes während eines Schweißvorganges, insbesondere Bolzenschweißen mit Spitzenzündung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft in Verfahren zur Aufnahme und Auswertung des zeitlichen Verlaufs von bei dem Aufschweißen von metallischen Teilen, insbesondere Bolzen, auf metallische Werkstücke, wie z. B. bei dem Bolzenschweißen mit Spitzenzündung oder Hubzündung, auftretenden Schweißsignalen mit wenigstens einem Meßwertaufnehmer zur Erfassung einer charakteristischen Größe des Schweißvorganges.

Bei diesen Schweißvorgängen wird das metallische Teil, insbesondere der Schweißbolzen o. dgl., mit Hilfe eines Schweißkopfes in Richtung auf das metallische Werkstück beschleunigt. Eine Kondensatorbatterie ist mit einem Pol an dem Bolzen und mit dem anderen Pol an dem metallischen Werkstück angeschlossen. Während des Beschleunigungsvorganges wird die Kondensatorbatterie über einen Schalter o. dgl. zugeschaltet. Sobald die Zündspitze des Schweißbolzens o. dgl. in Kontakt mit dem metallischen Werkstück kommt, beginnt der Endladestrom zu fließen. Dadurch wird die Zündspitze aufgeheizt. Ein Teil der verflüssigten Zündspitze verdampft schlagartig. Aufgrund der Ionisierung in der Schweißzone wird der Lichtbogen gezündet und brennt über eine Zeitdauer im Millisekunden-Bereich, wobei die Oberfläche des Bolzens und eine annähernd gleich große Fläche des Werkstückes schmilzt. Aufgrund der Beschleunigung des Schweißbolzens durch den Schweißkopf taucht der Schweißbolzen in das Schmelzbad ein, anschließend erstarrt das Schmelzbad infolge des Wärmeentzuges durch das metallische Werkstück. Nach Beendigung der Schweißung ist der Bolzen fest mit dem metallischen Werkstück verschweißt. Im Gegensatz zu dem beschriebenen Bolzenschweißen mit Spitzenzündung wird bei dem Bolzenschweißen mit Hubzündung das Schweißgut durch einen gezogenen Lichtbogen erhitzt. Der Lichtbogen wird dadurch gezündet, daß der zunächst auf das Werkstück aufgesetzte Bolzen kontrolliert vom Werkstück abgehoben wird. Danach wird der Bolzen wieder auf das Werkstück zubewegt und taucht in das flüssige Schweißbad ein.

Es besteht allgemein das Problem, den Ablauf und die Güte des Schweißvorganges zu überwachen, um eine Aussage bzgl. der Qualität der Verschweißung über die Erfassung charakteristischer Größen des Schweißvorganges zu erhalten. Ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen ist bereits aus der EP 0 100 787 B1 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein Bolzenschweißverfahren mit Spitzenzündung offenbart, bei dem der Schweißkopf Meßmittel zur Aufnahme des zeitlichen Verlaufes von Schweißsignalen, nämlich von dem Schweißstrom, der Schweißspannung und dem Bolzenschaftweg besitzt, deren Signale an einen Meßwertanalysator in einer Steuervorrichtung geführt werden. Neben der Erfassung dieser Größen wird mittels eines Mikrophons zusätzlich der Schalldruck des Schweißgeräusches analysiert. Aus den Größen können einzelne Zeitpunkte des Schweißens, wie der Spitzenkontaktzeitpunkt, der Spitzenexplosionszeitpunkt, der Bolzenkurzschlußzeitpunkt, der Zeitpunkt des Strommaximums, die Bolzenschmelzeindringtiefe, der Bolzenschaftrückprallweg und die Kontinuität des Stromverlaufes abgeleitet werden. Diese abgeleiteten Werte werden mit charakteristischen, empirisch gewonnenen Einstellgrößen verglichen, wobei bei ein vorgegebenes Maß überschreitenden Abweichungen eine Veränderung einer der für den Schweißvorgang charakteristischen Stellgrößen eingeleitet wird. Zur Erfassung der Schweißspannung ist ein Spannungsmeßkabel, das als Koaxialkabel ausgeführt ist, vorgesehen, während der Schweißstrom über einen Meßwiderstand, der in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet ist, erfaßt wird. Neben dem Mikrophon, dessen Mikrophonkopf auf die Schweißstelle ausgerichtet ist, ist schließlich ein Potentiometerschleifer zur Erfassung der Position des Bolzenschaftes vorgesehen.

Obwohl dieses bekannte Verfahren aufgrund der Erfassung zahlreicher, für den Schweißvorgang charakteristischer Meßwerte und Auswertung derselben einen Rückschluß auf die Güte und Qualität des Schweißvorganges zuläßt, ist die aufwendige Auswertung und die Anordnung der zahlreichen Meßwertaufnehmer sehr kompliziert, kostenaufwendig und störanfällig. Wegen der Reduzierung auf nur wenige Meßwerte bzw. Schweißzeitpunkte sind keine eindeutigen, die Schweißqualität bestimmende Meßergebnisse, zu erzielen. Deshalb ist das Verfahren für eine Integration in einen automatischen Fertigungsprozeß ungeeignet. Außerdem ist es schwer möglich, eine bereits in Betrieb befindliche Schweißvorrichtung nachträglich mit diesem Erfassungs- und Auswertesystem auszurüsten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine unaufwendige, stör-unanfällige und leicht in bestehende Anlagen zu integrierende Überwachung des Verlaufs und der Qualität des Schweißvorganges ermöglicht ist. Insbesondere soll mit dem Verfahren eine automatische, reproduzierbare und quantitative Analyse des dynamischen Schweißvorgangs an sich, insbesondere für eine optimale Einstellung der den Schweißvorgang beeinflussenden Parameter, und damit eine 100%-Qualitätskontrolle in automatischen Fertigungen möglich sein.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß als Meßwertaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldaufnehmer, wie z. B. eine Spule, ein Magnetfeld- Sensor, ein Hall-Sensor o. dgl. eingesetzt wird, der benachbart des Lichtbogenbereiches der Schweißstelle angeordnet ist und zur Aufnahme der während des Schweißvorganges, im Lichtbogenbereich des Strompfades, auftretenden Magnetfelder dient und daß die Ausgangssignale des Magnetfeldaufnehmers hinsichtlich des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder bezogen auf eine bevorzugte Achse ausgewertet werden.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß ein asymmetrischer Verlauf des Lichtbogens bzw. des Schweißstromes nach dem Kurzschluß oder auch ein seitliches Heraustreten des Schmelzgutes aus dem Spalt zwischen dem metallischen Teil, insbesondere dem Bolzen und dem Werkstück einen Rückschluß auf die Qualität des Schweißvorganges zuläßt. Dabei soll unter dem Begriff "Blaswirkung" im folgenden eine unerwünscht starke Verlagerung des Lichtbogens und/oder des Schmelzgutes seitlich heraus aus dem Spalt zwischen dem Bolzen und dem Werkstück verstanden werden. Diese Blaswirkung beeinträchtigt die Qualität der Schweißung, da Energie und zur Haltbarkeit der Schweißung beitragende Schmelze verloren gehen. Auch eine Änderung des Strompfades und die damit einhergehende Asymmetrie nach dem Kurzschluß läßt darauf schließen, daß die Schweißstelle nicht homogen verschweißt, sondern nur partiell verschweißt ist, und zwar asymmetrisch zur Bolzenachse.

Die Erfindung basiert nun darauf, nicht nur den Betrag einer charakteristischen Meßgröße, insbesondere den Betrag des Schweißstromes meßtechnisch zu erfassen, sondern über den vorgesehen Magnetfeldaufnehmer auch eine Aussage über den örtlichen bzw. räumlichen zeitlichen Verlauf einer für den Schweißvorgang charakteristischen Meßgröße zu gewinnen. Nach der Erfindung bietet sich als geeignete Meßgröße an, das im Lichtbogenbereich bzw. im Bereich zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken während des Schweißvorganges auftretende Magnetfeld zu analysieren. Während ein weitgehend optimal verlaufender Schweißvorgang dadurch charakterisiert ist, daß die während des Schweißvorganges auftretenden Magnetfelder i. w. symmetrisch zu einer Vorzugsachse ausgerichtet sind, kann aus dem asymmetrischen Verlauf der Magnetfeldlinien während des Schweißvorganges auf Unregelmäßigkeiten bzw. auf nicht optimierte Schweißparameter geschlossen werden. So lassen asymmetrische Magnetfelder während der Lichtbogenphase des Schweißvorganges auf das Vorliegen einer starken Blaswirkung schließen, während nach dem Kurzschluß der zu verschweißenden Teile ein asymmetrischer Magnetfeldlinienverlauf auf einen asymmetrisch durch die Schweißverbindung fließenden Kurzschlußstrom und somit auf eine inhomogene, lediglich partielle Verschweißung der Werkstücke schließen läßt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch darin, daß nur wenige Meßgrößen für die Analyse des Schweißvorganges erfaßt werden müssen und/oder eine entsprechende Schweißvorrichtung leicht mit einem Magnetfeldaufnehmer nachrüstbar ist. Gemäß der Erfindung wertet man die Ausgangssignale des Magnetfeldaufnehmers hinsichtlich des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder bezogen auf eine bevorzugte Achse aus. Diese Asymmetrien der Magnetfelder können mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis mit dem Magnetfeldaufnehmer gemessen werden, insbesondere dann, wenn dieser eine Richtcharakteristik hat und so bzgl. der verschweißenden Werkstücke angeordnet ist, daß eine weitgehende Unempfindlichkeit auf solche Magnetfelder vorliegt, die von einem zur bevorzugten Achse symmetrischen Strom hervorgerufen werden.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Asymmetrien der Magnetfelder bezogen auf die Bolzenachse ausgewertet werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfaßt man den Zeitpunkt des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder bezogen auf die bevorzugte Achse, insbesondere Bolzenachse, während des Schweißvorganges und bewertet das seitlich unterschiedliche Auftreten dieser Asymmetrien unterschiedlich. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, den etwaig auftretenden Asymmetrien der Magnetfelder während des Schweißvorganges je nach Zeitpunkt des Auftretens eine unterschiedliche Ursache beizumessen. So läßt sich aus dem Vorliegen von Magnetfeldasymmetrien während der Lichtbogenphase auf eine zu starke Blaswirkung schließen, während Magnetfeldasymmetrien nach dem Kurzschluß auf eine unvollständige Verschweißung der Teile hinweisen.

Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnisse hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, daß man bei einem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder vor der Kurzschlußphase des Schweißvorganges, also während der Lichtbogenphase, auf ein Vorliegen von Blaswirkung schließt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß man bei dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder vor der Kurzschlußphase, welche außerhalb und/oder oberhalb eines vorbestimmten, individuell festlegbaren Grenzwertes liegen, einen Schweißparameter, insbesondere den Schweißstrom oder den Anpreßdruck o. dgl., modifiziert oder auch ein Alarmsignal auslöst. Bei der optimalen Einstellung des Schweißstromes besteht ein Zielkonflikt. Eine Vergrößerung des Schweißstroms bedingt in gewissem Rahmen eine bessere Aufheizung der Schweißstelle und damit eine bessere Haltbarkeit der Schweißung. Durch ein verstärktes Auftreten der Blaswirkung kann dieser Effekt jedoch in das Gegenteil verkehrt werden. Der Stromstärkebereich zwischen dem Mindeststrom, der für eine haltbare Schweißung erforderlich ist und der Stromstärke, bei der eine unzulässige Blaswirkung auftritt, wird mit zunehmendem Durchmesser des metallischen Teils, insbesondere des Bolzendurchmessers kleiner. Abhängig von der räumlichen Ausdehnung des metallischen Teils und/oder des Materials muß daher eine gewisse Blaswirkung in Kauf genommen werden. Diese kann bei Serienschweißungen bzw. Schweißautomaten in Abhängigkeit von statistisch schwankenden Parametern überschritten werden, was jedoch die Haltbarkeit der resultierenden Schweißung in unzulässiger Weise beeinträchtigt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden Schweißungen mit übermäßigen Blaswirkung erkannt, so daß bspw. ein Alarm ausgelöst werden kann oder aber dieser übermäßigen Blaswirkung durch Änderung eines oder mehrerer Schweißparameter entgegengewirkt werden kann.

Nach einer anderen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt man bei einem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder während der Kurzschlußphase des Schweißvorganges auf das Vorliegen einer unvollständigen, insbesondere nicht konzentrischen Verschweißung zwischen dem metallischen Teil, insbesondere dem Bolzen, und dem metallischen Werkstück. Diese vorteilhafte Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, daß nach dem Eintauchen, also nach dem Kurzschluß der Brennspannung, weiterhin ein signifikanter Strom durch die zu verschweißenden Werkstücke fließt. Wenn dieser Strom asymmetrisch ist, ist das ein Hinweis darauf, daß die Schweißung zwischen den Werkstücken nicht homogen, sondern nur partiell erfolgt ist. Eine Blaswirkung kann nach dem Kurzschließen naturgemäß nicht mehr auftreten, so daß in dieser Schweißphase auftretende asymmetrische Magnetfelder einen eindeutigen Schluß auf eine asymmetrische Schweißung zulassen. Solche Probleme treten bevorzugt bei der Schweißung von Aluminiumteilen auf.

Demgemäß hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß man bei dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder während der Kurzschlußphase, welche außerhalb und/oder oberhalb eines vorbestimmten, individuell und insbesondere materialabhängig festlegbaren Grenzwertes liegen, die Verschweißung der metallischen Teile und des Werkstückes als unzureichend bewertet und die entsprechenden Teile bzw. Werkstücke aussondert. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur eine Überwachung der Güte und Qualität des Schweißvorganges möglich, sondern bereits auch eine Qualitätskontrolle der im Entstehen befindlichen Verschweißung durchführbar.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung korrigiert man die Ausgangssignale des Magnetfeldaufnehmers mittels eines weiteren, für den Schweißvorgang charakteristischen Parameters, z. B. mittels des Schweißstromes vor Beginn des Lichtbogens und/oder nach Kurzschließen des Lichtbogens. In der Praxis wird der Strom in Bezug auf die Schweißstelle fast immer asymmetrisch vom Werkstück abgeführt, so daß auch bei Durchführung eines optimalen Schweißvorganges mit einem Auftreten asymmetrischer Magnetfelder zu rechnen ist. Allerdings sind diese Anteile der asymmetrischen Magnetfelder etwa 5 bis 10 mal geringer als diejenigen asymmetrischen Anteile, welche durch die Blaswirkung bzw. durch die asymmetrische Schweißung hervorgerufen werden. Darüber hinaus wurde erkannt, daß diese, praktisch immer vorhandenen asymmetrischen Magnetfeldanteile einerseits proportional zum Gesamtschweißstrom sind und auch während der Kurzschlußphase auftreten, so daß die Möglichkeit besteht, die Ausgangssignale des Meßwertaufnehmers durch eine Erfassung des Gesamtstromes vor Beginn des Lichtbogens und/oder nach Kurzschließen des Lichtbogens, insbesondere rechnerisch zu kompensieren. Durch diese Kompensation der gewonnenen Rohdaten wird eine noch genauere Analyse der den Schweißvorgang beeinträchtigen Effekte ermöglicht.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung zeichnet sich von Vorteil dadurch aus, daß als Magnetfeldaufnehmer eine, insbesondere mehrere Windungen aufweisende Spule vorgesehen ist. Wie praktische Versuche gezeigt haben, läßt sich mit einer solchen Spule, insbesondere das Auftreten einer unzulässig hohen Blaswirkung erfassen.

Von Vorteil ist die Windungsfläche der Spule im Bereich der Ebene des Lichtbogens oder leicht oberhalb dieser Ebene i. w. koaxial zu der Vorzugsachse, insbesondere der Bolzen o. dgl., angeordnet. Hierdurch ist es möglich, daß nur diejenigen Magnetfeldkomponenten erfaßt werden, die durch Asymmetrien des Schweißstromes in Bezug auf die Vorzugsachse bzw. die Bolzenachse hervorgerufen werden.

Von besonderem Vorteil ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der als Magnetfeldaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein Hall-Sensor, seitlich der Mantelfläche des metallischen Teils, insbesondere des Bolzen, etwa in Höhe des Lichtbogens, vorgesehen ist. Dieser Magnetfeldsensor weist insbesondere eine Richtwirkung und eine differenzierende oder auch nicht differenzierende Charakteristik auf, wobei i. w. nur diejenigen Magnetfeldkomponenten erfaßt werden, welche durch eine Asymmetrie des Schweißstromes im Lichtbogen oder nach dem Kurzschluß in Bezug auf die Vorzugsachse hervorgerufen werden. Dabei ist der Magnetfeldsensor mit seiner Achse maximaler Empfindlichkeit bevorzugt nahe der Lichtbogen-Ebene und senkrecht zur Vorzugsachse bzw. Bolzenachse angeordnet.

Zur Verbesserung der Erfassung der asymmetrischen Magnetfelder hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zwei Magnetfeldsensoren seitlich der Mantelfläche und versetzt zueinander anzuordnen.

Dabei sind die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren um etwa 60° bis 300°, bevorzugt etwa 90° oder 270°, versetzt zueinander angeordnet.

Die Magnetfeldaufnehmer sind von Vorteil als richtungsselektive Aufnehmer ausgebildet und mit ihren Achsen maximaler Empfindlichkeit nahe der Lichtbogenebene senkrecht zur Vorzugsachse angeordnet.

Schließlich hat es sich allgemein als vorteilhaft erwiesen, daß die Magnetfeldaufnehmer derart ausgebildet und im Bezug auf die zu verschweißenden Werkstücke angeordnet sind, daß sie auf solche Magnetfeldkomponenten empfindlich sind, die durch nicht parallel zur Bolzenachse verlaufende Ströme während des Schweißvorganges hervorgerufen werden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung zu verschweißender Teile mit einer Spule als Magnetfeldaufnehmer,

Fig. 2 eine schematische Anordnung zu verschweißender Teile mit einem Magnetfeldsensor als Magnetfeldaufnehmer,

Fig. 3a, 3b den zeitlichen Verlauf des Schweißstromes, der Schweißspannung und der Ausgangssignale zweier Magnetfeldsensoren (Fig. 3a, rohe Daten, Fig. 3b korrigierte Daten),

Fig. 4 eine schematische Anordnung der zu verschweißenden Teile mit zwei Magnetfeldsensoren als Magnetfeldaufnehmer,

Fig. 5 ein weiteres Beispiel für den charakteristischen Verlauf des Schweißstromes, der Schweißspannung und der Ausgangssignale von zwei Magnetfeldsensoren und

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch eine Schweißstelle bei Teilverschweißung.

In Fig. 1 ist ein Bolzen 10 schematisch dargestellt, der oberhalb eines Werkstückes 12 angeordnet und in einem Spannelement 13 angeordnet ist. Das Spannelement 13 und damit der Bolzen 10 wie auch das Werkstück 12 sind in herkömmlicher Weise an einen Kondensator angeschlossen, der über den Bolzen 10 und das Werkstück 12 zu einem geeigneten Zeitpunkt entladen wird. Mittels des Spannelements 13 wird der Bolzen 10 hin auf das Werkstück 12 (Spitzenzündung) oder zunächst weg von dem Werkstück 12 und dann hin auf das Werkstück 12 (Hubzündung) bewegt. An einem unteren, dem Werkstück 12 zugewandten Fußpunkt des Bolzens 10 ist ein Flansch 11 (vgl. Fig. 2) angeordnet. Als Magnetfeldaufnehmer ist eine, mehrere Windungen aufweisende Spule 14 vorgesehen. Dabei ist die Windungsfläche der Spule 14 im Bereich der Ebene eines Lichtbogens 18 oder leicht oberhalb dieser Ebene i. w. koaxial zu einer Bolzenachse 15 angeordnet.

Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 ist nach Fig. 2 anstelle der Spule 14 ein Magnetfeldsensor 16, insbesondere ein Hall-Sensor, seitlich der Mantelfläche des Bolzens 10, etwa in Höhe des Lichtbogens 18 oder etwas oberhalb hiervon angeordnet. Aus Fig. 2 ist auch der Verlauf der Magnetfeldlinien ersichtlich, wie sie bei einem symmetrischen Lichtbogen 18 während des Schweißvorganges auftreten. Diese Magnetfeldlinien 22 verlaufen i. w. konzentrisch zur Bolzenachse 15. In der Praxis praktisch immer vorhandene asymmetrische Magnetfeldkomponenten, welche auf einer asymmetrischen Ableitung des Schweißstromes von der Schweißstelle beruhen, sind in dieser Darstellung vernachlässigt.

Schematisch ist in Fig. 2 ein seitlich aus dem Schweißspalt austretender Teillichtbogen 20 angedeutet, der aufgrund von Blaswirkung entsteht, und zu einem asymmetrischen Verlauf der Magnetfeldlinien 24 führt.

In Fig. 4 ist eine weitere Anordnung der Magnetfeldaufnehmer abgebildet. Dabei sind zwei Magnetfeldsensoren 16, 17 seitlich der Mantelfläche des Bolzen 10 und versetzt zueinander angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 16, 17 sind um etwa 60 bis 120°, bevorzugt etwa 90°, auf einem Kreisbogen zueinander versetzt.

In Fig. 3a ist der zeitliche Verlauf des Schweißstroms durch die Bezugsziffer 26, der zeitliche Verlauf der Spannung durch die Bezugsziffer 30 und der zeitliche Verlauf des Kurzschlußstroms durch die Bezugsziffer 28 gekennzeichnet. Die Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren sind mit 32 und 33 bezeichnet. Bei diesen Daten der Fig. 3a handelt es sich um die sogenannten Rohdaten, während die entsprechenden in 3b aufgetragenen Graphen mittels eines weiteren Parameters, z. B. des Schweißstromes, vor Beginn des Lichtbogens und/oder nach Kurzschließen des Lichtbogens korrigiert worden sind, um die bei jedem, also auch bei einem optimalen Schweißvorgang vorliegenden Magnetfeldasymmetrien zu eliminieren. In Fig. 3b sind die entsprechenden, korrigierten Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren 16, 17 mit den Bezugsziffern 34 und 35 bezeichnet.

Mit T1 in den Fig. 3a, 3b ist der Beginn der Vorwärmphase, mit T2 der Beginn des Lichtbogens und mit T3 der Beginn der Kurzschlußphase des Schweißvorganges bezeichnet. Zu den Zeitpunkten T2 und während der Zeit zwischen T2a und T2b zeigen die Ausgangssignale 34, 35 der Magnetfeldsensoren 16, 17 einen stark asymmetrischen Verlauf der Magnetfeldlinien gemäß Bezugsziffer 24 (Fig. 2) an. Zu diesen Zeiten liegt eine Blaswirkung 37 vor.

Ein weiteres Diagramm ist in Fig. 5 zur Erläuterung der möglichen Interpretation der Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren 16, 17 dargestellt. Das Strom-Zeit-Diagramm ist mit 38, darin der Kurzschlußstrom mit 39 und das Spannungs- Zeit-Diagramm mit 40 bezeichnet. Die Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren 16, 17 weisen die Bezugsziffern 42, 43 auf. Zum Zeitpunkt T3 beginnt die Kurzschlußphase. Während die Ausgangssignale bei 44 (vor der Kurzschlußphase) auf das Vorliegen von Blaswirkung schließen lassen, ist das Ausgangssignal 45 (nach Beginn der Kurzschlußphase) auf eine asymmetrische Verschweißung der Teile miteinander zurückzuführen.

Der letztgenannte Effekt wird durch Fig. 6 verdeutlicht, in der ein Querschnitt 46 durch die Schweißstelle schematisch dargestellt ist. Der tatsächliche verschweißte Bereich 48 ist nur über einen Bruchteil der Querschnittsfläche vorhanden, während der größte Bereich 50 nur unverschweißt oder teilverschweißt ist.

Insgesamt ist den Signalen der Magnetfeldaufnehmer gemäß Fig. 5 zu entnehmen, daß eine Magnetfeldasymmetrie vor der Kurzschlußphase auf das Vorliegen starker Blaswirkung schließen läßt, während eine Asymmetrie der Magnetfeldlinien während der Kurzschlußphase eine unvollständige, nicht zentrische Verschweißung zwischen dem Bolzen und dem Werkstück anzeigt.

Bezugszeichenliste

10 - Bolzen
11 - Flansch des Bolzens
12 - Werkstück
13 - Spannelement
14 - Spule
15 - Bolzenachse
16 - Magnetfeld-Sensor, Hall-Sensor
17 - Magnetfeld-Sensor, Hall-Sensor
18 - Lichtbogenbereich
20 - Teillichtbogen (aufgrund von Blaswirkung)
22 - Magnetfeldlinie (von 18)
24 - Magnetfeldlinie (von 18 und 20)
26 - Strom-Zeit-Diagramm
28 - Kurzschluß-Strom (von 26)
30 - Spannungs-Zeit-Diagramm
32 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- Rohdaten
33 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- Rohdaten
34 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- korrigiert
35 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16, 17)
- korrigiert
37 - Blaswirkung
38 - Strom-Zeit-Diagramm
39 - Kurzschlußstrom (von 38)
40 - Spannungs-Zeit-Diagramm
42 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 16)
43 - Magnetfeld-Sensor Ausgangssignale (von 17)
44 - Ausgangssignale - Blaswirkung
45 - Ausgangssignale - asymmetrische Verschweißung
46 - Querschnitt durch Schweißstelle
48 - verschweißter Bereich
50 - unverschweißter Bereich

Claims (15)

1. Verfahren zur Aufnahme und Auswertung des zeitlichen Verlaufs von bei dem Aufschweißen von metallischen Teilen, insbesondere Bolzen (10), auf metallische Werkstücke (12) auftretenden Schweißsignalen mit wenigsten einem Meßwertaufnehmer zur Erfassung einer charakteristischen Größe des Schweißvorganges, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldaufnehmer eingesetzt wird, der benachbart des Lichtbogenbereiches (18) der Schweißstelle angeordnet ist und zur Aufnahme der während des Schweißvorganges im Lichtbogenbereich (18) des Strompfades, auftretenden Magnetfelder (22, 24) dient und daß die Ausgangssignale (32, 33) des Magnetfeldaufnehmers hinsichtlich des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) bezogen auf eine bevorzugte Achse ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder (22, 24) hinsichtlich des Auftretens von Asymmetrien bezogen auf die Bolzenachse (15) ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Auftretens von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) bezogen auf die bevorzugte Achse während des Schweißvorganges erfaßt und das zeitlich unterschiedliche Auftreten dieser Asymmetrien unterschiedlich bewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) vor der Kurzschlußphase des Schweißvorganges auf ein Vorliegen von Blaswirkung geschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) vor der Kurzschlußphase, welche oberhalb eines vorbestimmten, individuell festlegbaren Grenzwertes liegen, ein Schweißparameter modifiziert oder ein Alarmsignal ausgelöst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) während der Kurzschlußphase des Schweißvorganges auf das Vorliegen einer unvollständigen Schweißung zwischen dem metallischen Teil und dem metallischen Werkstück (12) geschlossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Auftreten von Asymmetrien der Magnetfelder (22, 24) während der Kurzschlußphase, welche außerhalb eines vorbestimmten, materialabhängig festlegbaren Grenzwertbereiches liegen, die Verschweißung der metallischen Teile und des Werkstückes (12) als unzureichend bewertet und die entsprechenden Teile bzw. Werkstücke (12) ausgesondert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (32, 33) des Magnetfeldaufnehmers mittels eines weiteren, für den Schweißvorgang charakteristischen Parameters korrigiert werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeldaufnehmer eine Spule (14) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungsfläche der Spule (14) im Bereich der Ebene des Lichtbogens (18) oder leicht oberhalb dieser Ebene koaxial zur Vorzugsachse angeordnet ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeldaufnehmer wenigstens ein Magnetfeldsensor (16, 17) seitlich der Mantelfläche des metallischen Teils etwa in Höhe des Lichtbogens vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetfeldsensoren (16, 17) seitlich der Mantelfläche und versetzt zueinander vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Magnetfeldsensoren (16, 17) um etwa 60° bis 300°, bevorzugt etwa 90° oder 270°, versetzt zueinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufnehmer als richtungsselektive Aufnehmer ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldaufnehmer derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie auf solche Magnetfeldkomponenten empfindlich sind, die durch nicht radial symmetrisch zur Bolzenachse (15) verlaufende Ströme während des Schweißvorganges hervorgerufen werden.