DE19824600A1 - Prüfverfahren für die Güte einer zwei metallische Werkstücke, insbesondere Bleche oder Bänder, miteinander verbindenden Schweißnaht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Prüfverfahren für die Güte einer zwei metallische Werkstücke, insbesondere Bleche oder Bänder, miteinander verbindenden Schweißnaht, mit dem objektive Prüfergebnisse erhalten werden. Dazu werden zunächst charakteristische Sollwerte für gute Schweißnähte ermittelt, die unter gleichen Versuchsbedingungen an gleichen Proben wie die zu prüfenden Proben ermittelt werden. Als charakteristischen Sollwert und als Meßwert dienen der beim Tiefungsversuch von den Werkstücken erzeugte Körperschall und/oder eine Kraft-Weg-Kurve.

Description

Die Umformbarkeit von zusammengeschweißten Werkstücken, insbesondere laserstrahlgeschweißten Tailored Blanks, hängt entscheidend von der Güte der Schweißnaht ab. Es ist deshalb ein Anliegen der Hersteller und Anwender von zusammengeschweißten Blechen und Bändern, die Güte der Schweißnaht vor dem Umformen objektiv beurteilen zu können. Bis heute erfolgt die Prüfung der Güte einer Schweißnaht subjektiv. Aber selbst dafür braucht der Beurteilende ein hohes Maß an Erfahrung, ohne das sich keine verwertbaren Aussagen machen lassen.

Für die Beurteilung der Güte einer Schweißnaht an Blechen bedient man sich des Tiefungsversuchs nach Erichsen (DIN 50 101, Teil 1). Das dafür eingesetzte Gerät besteht aus einem ringförmigen Blechhalter mit einer ringförmigen Matrize sowie einem Stempel mit einer Kugel als Druckkörper. Um die Güte der Schweißnaht zu überprüfen, werden die Bleche zwischen Blechhalter und Matrize derart eingespannt, daß die Schweißnaht in der Mitte der Ausnehmung von Blechhalter und Matrize liegt. Der Stempel wird dann kontinuierlich gegen das Blech bewegt, bis es einreißt. Anhand der Rißausbildung wird die Nahtqualität beurteilt. Die Güte einer Schweißnaht ist nicht ausreichend, wenn der Riß im Schweißgut beginnt und entlang der Naht verläuft. Charakteristisch für nicht gute Schweißnähte ist ebenfalls die Ausbildung von mehreren Anrissen im Schweißgut, die dicht aufeinanderfolgen sowie eine im Vergleich zum Grundmaterial geringe Eindringtiefe (< 80%) der Kugel bis zum ersten beobachteten Riß haben. Bei einer guten Schweißnahtqualität dagegen verläuft der Riß konzentrisch, wobei er im Schweißgut oder im Grundmaterial beginnen kann. Charakteristisch für gute Schweißnähte ist außerdem, daß der Riß durch die gesamte Dicke der Probe verläuft und die Eindringtiefe der Kugel bis zum ersten Anriß nur geringfügig unter den Werten des Grundmaterials (< 80%) liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu schaffen, das es erlaubt, die Güte einer Schweißnaht bezüglich der Umformbarkeit objektiv zu beurteilen.

Diese Aufgabe wird mit einem Prüfverfahren für die Güte einer zwei metallische Werkstücke, insbesondere Bleche oder Bänder, miteinander verbindenden Schweißnaht gelöst, indem sie einem Tiefungsversuch nach Erichsen unterworfen wird, wobei über den Weg die Kraft und/oder der Körperschall der Werkstücke gemessen wird/werden und durch Vergleich dieses Meßwertes/dieser Meßwerte mit einem jeweils entsprechenden charakteristischen Sollwert für gute Schweißnähte die Güte der Schweißnaht beurteilt wird.

Durch den Vergleich des oder der Meßwerte mit dem oder den charakteristischen Sollwerten für gute Schweißnähte erhält man ein objektives Meßergebnis. Das Prüfverfahren kann entweder nur auf der Basis eines Kraft-Weg- Vergleichs oder auf der Basis eines Körperschallvergleichs erfolgen. Optimale Prüfergebnisse erhält man allerdings bei einer Kombination beider Verfahren. So lassen sich zum Beispiel bei einer schlechten Schweißnaht erste Risse im Schweißgut, die zum Beispiel durch Versprödung des Schweißgutes bedingt sind und weit vor dem Auftreten eines durchgehenden Risses entstehen, nicht durch Kraftmessung ermitteln, weil sie nicht zu einer meßbaren Prüfkraftreduzierung führen, wohl aber mit einer Körperschallmessung. Dagegen sind Bindefehler in der Schweißnaht besser über einen Kraft- Weg-Vergleich zu identifizieren, weil solche Bindefehler in einem deutlichen Abfall der Prüfkraft in Erscheinung treten. Solche Bindefehler können dadurch entstanden sein können, daß ein schweißender Laserstrahl die miteinander zu verschweißenden Stoßkanten der Werkstücke örtlich nicht vollständig erfaßt hat und es deshalb nicht zu einem Verschweißen gekommen ist. Der Riß entsteht in diesem Fall praktisch ohne Entstehung eines Körperschalls. Werden also beide Vergleiche gleichzeitig durchgeführt, erhält man eine umfassende Information darüber, ob die Schweißnaht gut ist.

Der oder die charakteristischen Sollwerte für gute Schweißnähte ist/sind vorzugsweise der entsprechende Mittelwert aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten festgestellten Meßwerten. Für die Ermittlung der verschiedenen Mittelwerte gibt es verschiedene Methoden.

Für den Vergleich sind die Anzahl der bis zu einem bestimmten Tiefungswert entstehenden Schallpegelpeaks oder die Summe der Amplituden der bis zu einem bestimmten Tiefungswert entstehenden Schallpegelpeaks geeignet. Besonders günstig ist es, den Schwerpunkt aller Schallpegelpeaks bis zu einem bestimmten Tiefungswert als charakteristischen Sollwert heranzuziehen. Wie dies im einzelnen geschehen kann, ist in der beiliegenden Tabelle aufgeführt.

Auch bei einem Vergleich der Meß- und Sollwerte für die Kraft und den Tiefungsweg gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann aus den Tiefungswerten des ersten Risses bei Proben der Mittelwert gebildet werden. Liegt der Tiefungswert der zu untersuchenden Naht oberhalb des gemittelten Tiefungssollwertes unter Berücksichtigung einer Standardabweichung, dann handelt es sich um eine gute Naht, liegt er unter Berücksichtigung einer Standardabweichung darunter, um eine schlechte Naht. Auch kann der charakteristische Sollwert für gute Schweißnähte die aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten ermittelte Hüllkurve für die über den Weg gemessene Kraft sein. Eine ähnliche Lösung besteht darin, daß der charakteristische Sollwert die Mittelwertkurve für die über den Weg gemessene Kraft mit einem beidseitigen Toleranzband ist. Dazu alternativ kann als charakteristischer Sollwert der ermittelte Mittelwert des Kraftmaximums oder der Tiefung beim Kraftmaximum sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Diagrammen erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Gerät für einen Tiefungsversuch nach Erichsen an zwei durch eine Schweißnaht miteinander verbundenen Blechen,

Fig. 2 zwei Diagramme der Kraft und der Schallpegelamplitude über den Weg für eine gute und eine schlechte Schweißnaht,

Fig. 3 zwei Diagramme der Kraft und der Schallpegelamplitude über den Weg für eine gute und eine schlechte Schweißnaht,

Fig. 4 ein Kraftwegdiagramm für gute Schweißnähte und eine daraus ermittelte Hüllkurve einer Probe mit guter Schweißnaht, und

Fig. 5 ein Kraftwegdiagramm mit einer ermittelten Mittelwertkurve für eine gute Schweißnaht mit einem beidseitigen Toleranzband und mit einer Kurve einer Probe mit einer schlechten Schweißnaht.

Das Gerät gemäß Fig. 1 für einen Tiefungsversuch nach Erichsen besteht aus einem ringförmigen Blechhalter 1, einer ringförmigen Matrize 2 und einem stellbaren Stempel 3. Im Stempel 3 ist ein Kraftaufnehmer 4 integriert. Außerdem ist dem Stempel 3 ein nicht dargestellter Wegmesser für den Tiefungsweg T zugeordnet. Auf der Matrize 2 ist ein Körperschallsensor 5 angeordnet. Zwischen dem Blechhalter 1 und der Matrize 2 ist eine Probe aus zwei über eine Schweißnaht 6 miteinander verbundenen Blechen 7, 8 unterschiedlicher Dicke t₁, t₂ so eingeklemmt, daß die Schweißnaht 6 in der Mitte der mittigen Ausnehmung des Blechhalters 1 und der Matrize 2 liegt. Die ringförmige Matrize 2 ist so ausgebildet, daß sie unter Berücksichtigung des Dickensprungs der beiden Bleche 7, 8 die Bleche 7, 8 einschließlich der Schweißnaht 6 auf einer geschlossenen Ringfläche einspannt.

Ein solches Gerät dient sowohl zur Ermittlung der Schallpegelamplituden tiefungswegbezogenener Körperschallsignale als auch der tiefungswegbezogenen, die Probe beaufschlagenden Kraft.

Um zu objektiven Ergebnissen für die Beurteilung der Frage zu kommen, ob eine Schweißnaht gut oder schlecht ist, ist es erforderlich, zunächst die charakteristischen Sollwerte für gute Schweißnähte zu ermitteln. Die Ermittlung dieser Sollwerte erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Ermittlung der entsprechenden Werte der zu untersuchenden Proben. Dabei baut man auf der Erfahrung auf, daß eine gute Schweißnaht sich von einer schlechten Schweißnaht in der Regel dadurch unterscheidet, daß bei einer guten Schweißnaht nur in der unmittelbaren Nähe des Auftretens eines durchgehenden Risses, der am plötzlichen Abfall des Kraftverlaufs erkennbar ist, Schallpegelsignale entstehen. Dies ist in Fig. 2, oben, dargestellt. Bei einer schlechten Schweißnaht treten dagegen in der Regel zusätzlich weit vor Auftreten des durchgehenden Spannungsrisses mehrere durch Risse im Schweißgut verursachte Schallpegelsignale auf, denen keine Verminderung der Prüfkraft zugeordnet ist, wie Fig. 2, unten, zeigt.

Um den charakteristischen Sollwert einer guten Schweißnaht für den Körperschallvergleich festzulegen, werden mehrere gleiche Proben einem Tiefungsversuch unterworfen. Der Tiefungsversuch kann bei dem Tiefungsweg T_R enden, bei dem das Kraftmaximum erreicht wird oder bei dem der Kraftanstieg eine definierte Steigung unterschreitet, weil erfahrungsgemäß auf dem weiteren Weg keine relevanten Aussagen mehr gewonnen werden können. Bei diesen Tiefungsversuchen ergeben sich für die verschiedenen Proben in der Regel unterschiedliche Schallpegelpeaks S_i bei verschiedenen Tiefungswegen T₁. Aus diesen Werten für visuell, d. h. nach der bislang praktizierten Methode, als gut beurteilte Schweißnähte wird der charakteristische Sollwert M_g (gewichteter Mittelwert, Schwerpunktlage) des Tiefungsweges T₁ nach folgender Formel gebildet:

M_g = (T₁ × S_i + T₂ × S₂ + . . . + T_n × S_n)/(S_i + S₂+ . . . + S_n).

Ist dieser Wert M_g an gleichen Proben einmal für gute Schweißnähte ermittelt, dann läßt sich in weiteren Tiefungsversuchen mit gleichen Proben deren Schweißnahtqualität nach objektiven Kriterien ermitteln. Dabei wird, wie ausgeführt, nach dem gleichen Schema wie bei der Ermittlung des charakteristischen Sollwertes der aus Messung und Rechnung sich ergebende zu vergleichende Meßwert M gebildet.

In der am Ende der Beschreibung angefügten Tabelle sind neben der beschriebenen Möglichkeit der Ermittlung des Sollwertes für den Schwerpunkt aller Schallpegelpeaks andere Möglichkeiten für charakteristische Sollwerte aufgelistet.

Das Prinzip der Ermittlung der charakteristischen Sollwerte und des anschließenden Vergleichs mit den Werten einer Probe ist in allen Fällen im wesentlichen gleich.

In Fig. 3 ist das Ergebnis für eine gute und eine schlechte Schweißnaht auf der Basis des Schwerpunktes des Tiefungswertes M_g aller Schallpegelpeaks dargestellt. Während bei der guten Schweißnaht (Fig. 3, oben) nur ein oberhalb von M_g liegendes Signal für den Körperschall gemessen wurde, wurden bei der Probe mit der schlechten Schweißnaht (Fig. 3, unten) drei unterhalb von M_g liegende Körperschallsignale und ein oberhalb von M_g liegendes Körperschallsignal ermittelt. Der nach obigem Schema gebildete Mittelwert M liegt unterhalb von M_g. Die Schweißnaht ist also schlecht.

Für die Ermittlung eines Sollwertes für gute Schweißnähte nach dem Kraftwegprinzip gibt es mehrere Möglichkeiten. In jedem Fall werden aber mehrere Proben untersucht. So wird zum Beispiel für die Beurteilung einer Schweißnaht nach der tiefungswegbezogenen Kraft aus einer Vielzahl von im Tiefungsversuch mit gleichen Proben ermittelten Kraftwegkurven für gute Schweißnähte (Fig. 4, oben) eine Hüllkurve (gestrichelt) gebildet. Da bei Kraftwegkurven im Unterschied zu Schallpegelwegkurven die Kurvenverläufe oberhalb des Kraftmaximums eine Aussage über die Schweißnahtqualität liefern, findet eine Messung auch jenseits des Kraftmaximums statt. Liegt die Kraftwegkurve der zu untersuchenden Probe innerhalb der Hüllkurve (Fig. 4, unten), dann handelt es sich um eine Probe mit einer guten Schweißnaht.

Alternativ dazu läßt sich allerdings auch eine Mittelwertkurve für die tiefungswegbezogene Kraft K_mi aus mehreren Tiefungsversuchen mit Proben guter Schweißnähte ermitteln. Ist eine solche Kraftwegkurve K_m ermittelt, dann legt man beidseits dieser Kurve ein Toleranzband B₁, B₂. Liegt die zu untersuchende Probe mit ihrem Kraftwegverlauf innerhalb der beidseitigen Toleranzbänder, dann handelt es sich um eine Probe mit einer guten Schweißnaht. Liegt sie auch nur teilweise außerhalb, dann handelt es sich um eine Probe mit schlechter Schweißnaht (vgl. Fig. 5, ausgezeichnete linke Kraftwegkurve).

Zusammenfassend ist festzustellen, daß man mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren sowohl bei einer Körperschallmessung als auch bei einer Kraftwegverlaufmessung oder einer Kombination dieser beiden Meßverfahren während des Tiefungsversuchs nach Erichsen an einer Probe aus zusammengeschweißten Blechen zu objektiven Beurteilungsergebnissen für die Güte der Schweißnaht kommt.

Claims (10)

1. Prüfverfahren für die Güte einer zwei metallische Werkstücke, insbesondere Bleche oder Bänder, miteinander verbindenden Schweißnaht, die einem Tiefungsversuch nach Erichsen unterworfen wird, wobei über den Weg die Kraft und/oder der Körperschall der Werkstücke gemessen wird/werden und durch Vergleich dieses Meßwertes/dieser Meßwerte mit einem jeweils entsprechenden charakteristischen Sollwert für gute Schweißnähte die Güte der Schweißnaht beurteilt wird.

2. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert für gute Schweißnähte der Mittelwert aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten festgestellten, entsprechenden Meßwerten ist.

3. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert die Anzahl aller bis zu einem vorgegebenen Tiefungswert auftretenden Schallpegelpeaks ist.

4. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert die Summe aller Amplituden der bis zu einem vorgegebenen Tiefungswert auftretenden Schallpegelpeaks ist.

5. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert der Tiefungswert an der Stelle des ersten Risses ist.

6. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert der Schwerpunkt der Tiefungswerte aller bis zu einem vorgegebenen Tiefungswert auftretenden Schallpegelpeaks ist.

7. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert für gute Schweißnähte die aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten ermittelte Hüllkurve für die Kurvenschar der über den Weg gemessenen Kraftverläufe ist.

8. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert für gute Schweißnähte die aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten ermittelte Mittelwertkurve für die über den Weg gemessene Kraft mit einem beidseitigen Toleranzband ist.

9. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert für gute Schweißnähte der aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten ermittelte Mittelwert des Kraftmaximums ist.

10. Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Sollwert für gute Schweißnähte der aus bei gleichen Versuchen an gleichen Werkstücken mit guten Schweißnähten ermittelte Mittelwert für die Tiefung beim Kraftmaximum ist.