DE19542554C2

DE19542554C2 - Verfahren zur Prüfung von Schweißnähten

Info

Publication number: DE19542554C2
Application number: DE1995142554
Authority: DE
Inventors: Reinhard Noll
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2015-11-16
Also published as: DE19542554A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Schweißnähten, bei dem das Oberflächenprofil einer zu prüfenden Schweißnaht mit einem Triangulationssensor entlang wenigstens einer Meßlinie vermessen wird und die Daten dieses Oberflächenprofils mit den Daten des Oberflächenprofils einer wenigstens an einer Meßlinie durchgeführte Referenzmessung verglichen werden, wobei bei der Referenzmessung Bezugskoordinaten festgelegt und gespeichert werden, wobei bei der Referenzmessung die Lage der Meßlinien zu den Bezugskoordinaten und die Daten des Oberflächenprofils entlang dieser Meßlinien ermittelt und gespeichert werden, wobei bei der zu prüfenden Schweißnaht das Gebiet der Bezugskoordinaten mit dem Triangulationssensor abgetastet und der Triangulationssensor anhand der so gewonnenen Daten auf einer Meßlinie positioniert wird, die einer Meßlinie bei der Referenzmessung entspricht, wobei das Oberflächenprofil der zu prüfenden Schweißnaht entlang wenigstens einer Meßlinie ermittelt wird, die mit einer Meßlinie bei der Referenzmessung identisch ist, und wobei mit einer Auswerteeinheit die Daten dieses Oberflächenprofils mit den Daten des Oberflächenprofils aus der Referenzmessung verglichen werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Schweißnähten, bei dem das Oberflächenprofil einer zu prüfenden Schweißnaht vermessen und mit demjenigen einer Referenzmessung verglichen wird, um daraus Aussagen über die Identität und Unversehrtheit einer Schweißnaht oder über die Schweißqualität sowie die Einhaltung von Prozeßparametern beim Schweißvorgang zu erhalten.

Das Oberflächenprofil einer Schweißnaht hängt vom Schweißverfahren und von den Schweißparametern - wie Schutzgas, Zusatzwerkstoff, Schweißge schwindigkeit - sowie vom Material des Werkstücks ab. Unregelmäßigkeiten oder Fehler beim Schweißvorgang spiegeln sich in der Oberflächenform der Schweißnaht wieder. Als Beispiel seien genannt: Nahteinfall, ungleichmäßige Nahtbreite, Gasblasen im Schweißbad, ungleichmäßige Schweißraupe etc.

Die Feinstruktur des Oberflächenprofils einer Schweißnaht stellt darüber hinaus ein individuelles Merkmal dar, das sich zur Identitätsprüfung von Schweißnähten und den damit verbundenen Werkstücken eignet. Die Schweißnaht repräsentiert einen "Fingerabdruck", der nach dem Aufbringen vermessen wird und zu einem späteren Zeitpunkt wieder eindeutig identifiziert werden kann.

Stand der Technik

Schweißnähte werden nach dem Stand der Technik mit folgenden Methoden geprüft: Festigkeitsprüfung (Zug-, Biegebelastung, Wechsellast, Härteprüfung etc.), Schliffbilder des Nahtquerschnitts, Röntgenprüfung, Ultraschallprüfung, visuelle Inspektion. Diese Methoden liefern Aussagen über die Schweißqualität und die Einhaltung von Prozeßparametern beim Schweißvorgang. Die Prüfung der Unversehrtheit von Schweißnähten, d. h. das Erkennen einer Beschädigung oder bewußten Manipulation an einer Schweißnaht, beispielsweise bei einem Behälter mit Gefahrgut, erfolgt bislang lediglich visuell. Eine Prüfung der Identität von Schweißnähten, um damit eine Objektidentifikation durchzuführen, ist nicht bekannt.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Prüfung von Schweißnähten haben je nach Prüfungsmethode unterschiedliche Nachteile. Die Festigkeitsprüfung erfordert einen verhältnismäßig hohen geräte technischen Aufwand und ist teilweise mit Zerstörung der Schweißnaht verbunden, wie beispielsweise bei der Bruchbelastung. Dies gilt auch für die Anfertigung von Schliffbildern. Bei der visuellen Inspektion sind Beschädigungen und Manipulationen nur ab einer vom Betrachter abhängigen bestimmten Größe erkennbar, so daß kleinere Schäden in der Schweißnaht unerkannt bleiben und diese Schweißnaht als unversehrt eingestuft wird. Außerdem geht bei der visuellen Inspektion der subjektive Eindruck des Betrachters mit ein, so daß eine objektive Bewertung prinzipiell nicht möglich ist. Die Einsetzbarkeit der Röntgenprüfung hängt von der jeweiligen Bauteilgeometrie ab.

Aus dem Stand der Technik (EP 0 195 405) ist es weiterhin bekannt, mittels der optischen Triangulation das Oberflächenprofil eines beliebigen Objektes, z. B. einer Schweißnaht, zu bestimmen. Um jedoch die Schweißnaht zu prüfen, beispielsweise hinsichtlich der Identität und Unversehrtheit, ist es erforderlich, daß das Oberflächenprofil dieser Schweißnaht mit demjenigen einer Referenzmessung, die beispielsweise an einer Musterschweißnaht gewonnen wird, verglichen wird. Zur Vermeidung von Meßfehlern ist es dabei weiterhin erforderlich, daß die Abtastung des Oberflächenprofils exakt entlang der gleichen Abtastwege wie bei der Referenzmessung erfolgt, denn schon geringfügige Abweichungen im µm-Bereich verfälschen das Meßergebnis.

Aus der DE 40 37 383 A1 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen berührungsfreien Messen von Profilen beschrieben, bei dem ein Profil eines Objekts mit einem Triangulationssensor erfasst wird, der sequentiell bzw. punktweise nacheinander die betreffende Oberfläche in einem bestimmten Meßbereich abtastet. Die Anwendung des Verfahrens auf das Gebiet der Schweisstechnik ist nicht offenbart.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 44 08 291 A1 bekannt. In dieser Offenlegungsschrift wird ein Verfahren zur optischen Schweißnahtprüfung offenbart, mit dem eine automatisierte Beurteilung der Qualität einer Schweißnaht ermöglicht werden soll. Das Prüfergebnis soll eine eindeutige Gut- oder Schlechtaussage liefern. Hierzu wird mit einem Triangulationssensor das Oberflächenprofil einer zu prüfenden Schweißnaht entlang wenigstens einer Meßlinie ermittelt und mit einer Auswerteinheit die Daten dieses Oberflächenprofils mittels Referenzdaten verglichen. Die Referenzwerte sind Sollwerte, die aus Kameraaufnahmen von mindestens einem Musterwerkstück gewonnen wurden. Diese Musterschweißnaht ist jedoch physisch nicht identisch mit den später zu prüfenden Schweißnähten.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem berührungslos die Prüfung von Schweißnähten erfolgen kann, so daß auch keinerlei Präparation der Schweißnaht erforderlich ist. Diese Prüfung erfüllt verschiedene Zwecke, von denen einige nachfolgend explizit genannt werden. Zum einen kann sie als Qualitätskontrolle dienen, in dem durch Vergleich der geprüften Schweißnaht mit einer unter definierten Bedingungen hergestellten und vermessenen Musterschweißnaht solche Werkstücke dem weiteren Fertigungsprozeß entzogen werden, bei denen die geprüfte Schweißnaht bestimmte Toleranzgrenzen überschreitet. Zum anderen kann die Unversehrtheit einer Schweißnaht geprüft werden, beispielsweise um zu erkennen, ob bei einem Behälter mit Gefahrgut ein unerlaubtes Öffnen und wieder Verschließen vorgenommen wurde. Weiterhin kann die Prüfung zur Identifikation einer Schweißnaht dienen, um damit aus einer Menge gleichartiger Objekte ein bestimmtes Objekt zu erkennen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2-10 angegeben.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere darin, daß die Prüfung von Schweißnähten hinsichtlich Qualität und Einhaltung von Prozeßparametern berührungslos erfolgen kann und daß außerdem keine Präparation der Schweißnaht erforderlich ist. Außerdem ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, die Identitäts- und Verifikationsprüfung von Schweißnähten zu automatisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: Ermittlung des Oberflächenprofils einer Schweißnaht mittels Lasertriangulation

Fig. 2: Meßkurve eines Schweißnahtquerschnitts

Fig. 3: Meßkurve eines Schweißnahtlängsschnitts

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein aus zwei Teilen (1a, 1b) bestehendes Werkstück 1 dargestellt, das an der Verbindungsstelle der beiden Teile eine Schweißnaht 2 aufweist. Die Oberfläche der Schweißnaht 2 wird mit einem Triangulationssensor 3 abgetastet. Der Triangulationssensor ist mit einem Verfahrsystem verbunden, dessen Bewegungsachsen 5 und 6 so ausgerichtet sind, daß der Triangulationssensor parallel zur Oberfläche 9 des Werkstücks verfahren werden kann. Fig. 2 zeigt eine Meßkurve des Schweißnahtquerschnitts, die mit dem Triangulationssensor gewonnen wurde. Fig. 3 zeigt eine Meßkurve eines Schweißnahtlängsschnittes. Diese Schweißnahtprofile zeigen eine Fein struktur 10, deren Ausprägung eine Folge des Schweißvorganges ist.

Für die Prüfung von Schweißnähten wird nun wie folgt vorgegangen.

Zunächst wird eine Schweißnaht angefertigt, indem die zu verschweißenden Werkstückteile unter definierten Prozeßbedingungen oder unter den für den späteren Fertigungsprozeß vorgesehenen Bedingungen verschweißt werden. Das Oberflächenprofil dieser Schweißnaht dient als Referenz und wird wie zuvor unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben vermessen. Dabei werden in der Regel mehrere Quer- und Längsprofile der Schweißnaht aufgezeichnet. Damit bei der späteren Vermessung des Oberflächenprofils der zu prüfenden Schweißnaht dieselben Abtastwege abgefahren werden können, ist es erforderlich, die Lage der Meßlinien der Quer- und Längsprofile bezogen auf vorgebbare Bezugspunkte festzuhalten und zusammen mit den Daten für die Quer- und Längsprofile abzuspeichern. Als Bezugspunkt kann beispielsweise die Stoßstelle der Werkstücke am Beginn der Schweißnaht dienen. Ebenso ist es möglich, daß bei jedem Werkstück an der gleichen Stelle eine Markierung, beispielsweise durch Einlochen oder Einstanzen, vorgesehen wird.

Für die Vermessung der zu prüfenden Schweißnaht ist zunächst eine Positionierung des Triangulationssensors auf diejenigen Meßlinien erforderlich, die den Meßlinien bei der Referenzmessung entsprechen. Dabei wird für jede Meßlinie wie folgt vorgegangen. Zunächst wird das Gebiet des Bezugspunktes abgetastet, beispielsweise werden mehrere Flächenelemente um die Stoßstelle der Werkstückteile 1a, 1b am Beginn der Schweißnaht abgetastet. Aus den gewonnenen Daten ermittelt ein Rechner die Raumlage und -orientierung des Triangulationssensors und der Bewegungsachsen relativ zum Werkstück. Auf diese Weise wird ein Koordinatensystem für die weitere Abtastung der Schweißnaht festgelegt. Rechnergestützt läßt sich der Triangulationssensor nun auf eine solche Meßlinie ausrichten, deren Lage zum Referenzpunkt identisch ist mit einer Meßlinie bei der Referenzmessung. Dies kann für jede Meßlinie der Referenzmessung wiederholt werden. Im Ergebnis erfolgt somit die Abtastung der Oberfläche der zu prüfenden Schweißnaht entlang derselben Abtastwege, die bei der Referenzvermessung verwendet wurden. Mit den ermittelten Daten kann dann rechnergestützt ein Vergleich der Profilkurven der Referenzmessung mit denjenigen der zu prüfenden Schweißnaht erfolgen. Ebenfalls rechnergestützt erfolgt die Bestimmung und Bewertung der Abweichungen sowie die Anzeige der Prüfergebnisse. Erfüllt die Schweißnaht bestimmte Qualitätsanforderungen nicht, d. h. sind die Abweichungen zu groß, wird das Werkstück dem weiteren Fertigungsprozeß entzogen.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Identitätsprüfung von Schweißnähten. Auf einer Serie von Werkstücken, beispielsweise in einer Fertigungslinie, werden Schweißnähte aufgebracht. Aufgrund des spezifischen Oberflächen profils jeder Schweißnaht kann diese als "Fingerabdruck" für jedes Werkstück angesehen werden. Diese Schweißnähte werden wie beschrieben vermessen. In diesem Fall liegt dann eine Serie von Referenzmessungen vor. Zu einem späteren Zeitpunkt soll ein Werkstück der Serie anhand seiner Schweißnaht identifiziert werden. Dazu wird diese Schweißnaht erneut vermessen. Das Ergebnis wird mit den einzelnen Ergebnissen an der Serie der Werkstücke, die zuvor vermessen wurden, also den Referenzmessungen im Sinne von Anspruch 1 verglichen. Diejenige Schweißnaht, bei der die geringsten Abweichungen auftreten, ist die zu identifizierende Schweißnaht und damit das zu identifizierende Werkstück. Die Identitätsprüfung betrifft beispielsweise folgenden Fall.

Für den Transport und die Lagerung gefährlicher Güter werden häufig metallische Behälter verwendet. Aus Sicherheitsgründen müssen diese Behälter stets eindeutig identifizierbar sein. Eine übliche Markierung oder Beschriftung jedoch genügt den Sicherheitsanforderungen nicht, da diese einfach manipuliert werden kann. Aufgrund der individuellen Oberflächentopologie von Schweißnähten jedoch können diese als Siegel für derartige Behälter dienen. Deren Unversehrtheit liefert die Information, ob der Behälter unberechtigterweise geöffnet wurde. Deren individuelle Struktur dient der eindeutigen Identifikation.

Da für die Identifikationsprüfung die Anforderungen an die Richtigkeit der ermittelten Abstandswerte besonders hoch sind - typischerweise im µm-Bereich - sollte der Triangulationssensor vor jeder Schweißnahtprüfung rekalibriert werden. Dies geschieht vorzugsweise mit einem Kalibrierkörper, der in einem definierten und bekannten Abstand zur Bezugsebene des Triangulationssensors angebracht ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Werkstück

1

a erstes Werkstückteil

1

b zweites Werkstückteil

2

Schweißnaht

3

Triangulationssensor

4

Laserstrahl

5

,

6

Bewegungsachsen des Triangulationssensors

7

Stoßstelle der Werkstückteile

1

a,

1

b

8

Koordinatensystem

9

Werkstückoberfläche

10

Meßkurve des Oberflächenprofils

Claims

1. Verfahren zur Prüfung und Indentifikation von Schweißnähten, bei dem das Oberflächenprofil einer zu prüfenden Schweißnaht mit einem Triangulationssensor entlang wenigstens einer Meßlinie vermessen wird und die Daten dieses Oberflächenprofils mit den Daten des Oberflächenprofils einer wenigstens an einer Meßlinie durchgeführte Referenzmessung verglichen werden dadurch gekennzeichnet, dass bei der Referenzmessung Bezugskoordinaten festgelegt und gespeichert werden, daß bei der Referenzmessung die Lage der Meßlinien zu den Bezugskoordinaten und die Daten des Oberflächenprofils entlang dieser Meßlinien ermittelt und gespeichert werden, daß bei der zu prüfenden Schweißnaht das Gebiet der Bezugskoordinaten mit dem Triangulationssensor abgetastet und der Triangulationssensor anhand der so gewonnenen Daten auf einer Meßlinie positioniert wird, die einer Meßlinie bei der Referenzmessung entspricht, daß das Oberflächenprofil der zu prüfenden Schweißnaht entlang wenigstens einer Meßlinie ermittelt wird, die mit einer Meßlinie bei der Referenzmessung identisch ist, und daß mit einer Auswerteeinheit die Daten dieses Oberflächenprofils mit den Daten des Oberflächenprofils aus der Referenzmessung verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von gleichartigen Objekten mit Schweißnähten versehen ist und bei jedem Objekt wenigstens eine Schweißnaht für die Referenzmessung herangezogen und ihr Oberflächenprofil vermessen wird, daß mit der Auswerteinheit die Abweichung des Oberflächenprofils der zu prüfenden Schweißnaht eines Objekts von den Oberflächenprofilen der Schweißnähte bei der Referenzmessung bestimmt wird und daß das Oberflächenprofil mit der geringsten Abweichung zu einem zu identifizierenden Objekt gehört.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messlinien so gewählt sind, daß Quer- und/oder Längsprofile der Schweißnaht gemessen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Meßlinien um gekrümmte Kurven handelt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Triangulationssensor mit einem Laser ausgestattet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Triangulationssensor so ausgerichtet ist, daß die Schweißnahtlängsachse parallel zur Triangulationsebene verläuft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugskoordinaten die Koordinaten der Stoßstelle an einem Ende der Schweißnaht vorgesehen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugskoordinaten die Koordinaten einer Markierung im Bereich der Schweißnaht vorgesehen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der zu prüfenden Schweißnaht das Gebiet der Bezugskoordinaten für jede Meßlinie erneut mit dem Triangulationssensor abgetastet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder Messung ein in einem festen bekannten Abstand zum Triangulationssensor befindlicher Kalibrierkörper vermessen wird und das Ergebnis dieser Messung zur Rekalibrierung des Triangulationssensors verwendet wird.