DE19920219A1

DE19920219A1 - Verfahren zur Qualitätssicherung von punktförmigen Schweißverbindungen in der Serienfertigung

Info

Publication number: DE19920219A1
Application number: DE19920219A
Authority: DE
Inventors: Werner Badorrek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 1999-05-03
Publication date: 2000-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung von punktförmigen Schweißverbindungen in der Serienfertigung zwischen zwei Werkstoffen, die durch Aufschmelzen unter gegenseitigem Kontakt und nachfolgendem Abkühlen der gemeinsamen Schmelze verbunden werden. Um ein zerstörungsfreies, vom direkten Herstellungs-/Schweißvorgang unabhängiges Meßverfahren zu schaffen, welches von Sicherheitsfragen freigestellt ist, wird vorgeschlagen, daß die Schweißverbindung für eine vorbestimmte Zeit mit einer vom Schweißvorgang unabhängigen und genau bekannten Wärmemenge pro Zeiteinheit beaufschlagt wird, und daß anschließend nach einer weiteren vorbestimmten Zeit der Arbeitspunkt einer temperaturabhängigen Kennlinie oder Kennlinienschar an der beaufschlagten Schweißverbindung erfaßt und mit Referenzwerten verglichen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung von punktförmigen Schweißverbindungen in der Serienfertigung. Es existieren verschiedene Prüfmeßverfahren zur Qualitätskontrolle punktförmiger Schweißverbindungen. Ein derartiges Prüfverfahren ist die bekannte Meißelmethode. Hierbei wird die Schweißverbindung mechanisch bis zum Zerreißpunkt belastet. Daraus werden Rückschlüsse auf die anderen nicht untersuchten Schweißverbindungen gezogen.

Weiter gibt es Ultraschall- und Röntgenstrukturanalysen, die zwar eine zerstörungsfreie, aber methodisch aufwendige Analysenmethode darstellen. Für letztere ist eine umfangreiche Sicherheitsvorschrift zu beachten, so daß sie sich auf Laboranalysen beschränkt.

Die Offenlegungschrift DE-196 50 883 beschreibt ein Verfahren, das die durch Schweißen zugeführte Wärmemenge im Nahtgewebe thermographisch ermittelt und mittels einer EDV-Anlage auswertet.

Hierbei ist der technische Aufwand hoch, da eine thermographiefähige Kamera und eine EDV-Anlage zur Auswertung benötigt werden. Da das Material schnell abkühlt, ist zudem eine räumliche wie zeitliche Nähe zum eigentlichen Schweißvorgang erforderlich. Damit gibt es keine Möglichkeit, die Qualitätskontrolle von der Fertigung zu entkoppeln.

In der Offenlegungsschrift DE-43 30 904 wird ein Verfahren zur Steuerung des Schweißvorgangs beschrieben, welches auf unscharfem Verknüpfen mehrerer Merkmale des Schweißvorganges beruht. Dies erfordert einen hohen Rechenaufwand mittels einer EDV-Anlage, sog. Fuzzy-Logic-Technik. Die Messung muß, wegen der Rückkopplung des Steuervorganges, direkt beim Fertigungsvorgang erfolgen. Sie beinhaltet zudem keine Kontrolle der Schweißverbindungsqualität.

Die JP-10 024 376 beschreibt ein Verfahren, zur Steuerung einer EDV-gestützten Auswertungsvorrichtung, um die Ausrüstung der Schweißapparatur zu überwachen.

Es geht hier weder um die Kontrolle des Schweißvorganges, noch um die Kontrolle der Schweißverbindung.

Die JP-10 058 155 beschreibt ein Verfahren, um mit Druckluftsteuerung die An- und Abwesenheit von Schweißbolzen zu kontrollieren.

In der Patentschrift DE-40 39 847 geht es um ein Verfahren, in welchem die direkt nach dem Schweißvorgang an der Schweißverbindung vorhandene Wärme zweiseitig abgegriffenen und dann zu einer gemittelten Thermospannung umgewandelt wird, wobei die Thermospannung dann zur Bestimmung der Temperatur genutzt wird. Diese Messung erfolgt kontinuierlich, um einen Temperaturverlauf zu ermitteln. Dieser wird mit Referenzkurven verglichen. Daraus soll die Güte der Schweißstelle bestimmt werden.

Das Verfahren setzt stets den zweiseitigen Elektrodenkontakt mit der Schweißverbindung und mindestens einen zusätzlichen Kontakt zur Spannungsermittlung voraus. Die Meßmethode benötigt also mindestens drei Kontakte zum Werkstück sowie die komplette Unterbrechung aller mit Stromfluß verbundener Arbeitsvorgänge. D. h., für die Dauer der Messung ist jeder elektrische Schweißvorgang am Werkstück zu unterbrechen.

In der Offenlegungsschrift DE-195 40 531 wird ein Verfahren zur Qualitätskontrolle von längsausgedehnten Lötverbindungen einer Rippenstruktur zwischen zwei Platten beschrieben.

Bei Lötverbindungen handelt es sich um Metallklebeverbindungen zwischen zwei Metallen. Die Messung untersucht daher den Wärmedurchgang durch drei Werkstoffe. Zusätzlich muß die Wärme von der einen Seite zu der anderen Seite diffundieren. Das bedeutet, die Wärme muß die Werkstoffe durchqueren. Das Verfahren setzt einen zweiseitigen Werkstoffkontakt voraus. Es gibt über die Qualität der Lötverbindung auf der wärmezugeführten Seite nur unzureichend Auskunft, für die wärmeabstrahlende, bemessende Seite nur ein über eine größere Fläche gemitteltes Ergebnis. Dies alles ist nicht auf punktförmiges Schmelzen übertragbar.

In der Patentschrift DE-43 28 337 geht es um ein Verfahren, um die direkt nach dem Schweißvorgang an der Schweißverbindung vorhandenen Wärme zu einer zweiseitig gemittelten Thermospannung zwecks Bestimmung der Temperatur zu nutzen. Diese wird mit einer, vor dem Schweißvorgang bestimmten, Temperatur zu einem Temperaturgradienten verrechnet. Die Qualitätsbeurteilung der Schweißverbindung erfolgt durch den Vergleich mit Referenzdaten. Während der Meßvorgänge ist jeder stromführende Arbeitsvorgang, u. a. Elektroschweißen, am gesamten Werkstück zwingend auszusetzen. Weiter ist zwingend ein zweiseitiger Kontakt nötig. Es werden mindestens drei Kontaktpunkte am Werkstück benötigt. Da die Prozeßwärme genutzt wird, ist ein zeitlich eng begrenzter Abstand vom Schweißvorgang für die Messung einzuhalten. Es sind mindestens zwei Messungen und eine komplexe EDV-Berechnung nötig.

Alle hier aufgeführten Entwicklungen sind entweder sehr zeitaufwendig, meßvorrichtungsaufwendig, auf große Rechenkapazität angewiesen, auf Mehrpunkt- und Mehrseitenkontakt und/oder an den Schweißvorgang räumlich und zeitlich gebunden, bzw. unterbrechen gegebenfalls den Schweißvorgang.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zerstörungsfreies vom direkten Herstellungs-/Schweiß vorgang unabhängiges Meßverfahren, welches von Sicherheitsfragen freigestellt ist, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Wesentlich für die Erfindung ist die vollständige, zeitliche und räumliche Trennung sowohl der zur Messung benötigten Zuführung der Wärmemenge als auch des Meßvorgangs vom Arbeitsgang des Schweißens.

Die Erfindung hat erkannt, daß sich die Qualität der punktförmigen Schweißverbindung alleine aus der resultierenden Restwärme einer vorher in den Schweißpunkt eingeflossenen bekannten Wärmemenge bestimmen läßt.

Dabei kann im Prinzip jede Größe erfaßt werden, die direkt oder indirekt mit der Restwärme zusammenhängt. Aus dem Meßwert für diese Größe läßt sich aus den bekannten physikalischen Zusammenhängen eindeutig auf die Qualität der Schweißverbindung im Sinne einer ja/nein-Entscheidung schließen, zumindest solange eine ja/nein-Entscheidung getroffen werden muß.

Weiter hat die Erfindung erkannt, daß die Wärmezufuhr und Messung von lediglich einer Seite an das Werkstück herangeführt werden muß.

Die Erfindung kommt daher ohne Wärmedurchgangsprüfung aus. Die Erfindung ist durch die komplette Abkopplung vom Schweißvorgang jederzeit anwendbar. Daher können bei entsprechender Konstruktion der Erfindung die Schweißprozesse am Werkstück während der Untersuchung der Schweißpunkte weiter bzw. zu Ende geführt werden. Die Messung läuft also kontinuierlich zum Arbeitsprozeß mit. Sie ist nicht auf den Laborbereich beschränkt. Sie ist nicht auf Prozeßpausen angewiesen.

Ist die Umgebungstemperatur im Mittelwert bekannt und hatte die Schweißverbindung hinreichend Zeit, sich dieser anzupassen, kann auf eine Kalibrierung der Temperaturmeßvorrichtung verzichtet werden. Dies ermöglicht Messungen zur Qualitätssicherungskontrolle kontinuierlich und auch außerhalb des Arbeitsbereichs Schweißen durchzuführen.

Andernfalls läßt sich bei bekannter Umgebungstemperatur und bekannter Zeit seit dem Schweißen eine einfache Kalibrierung aus einer Rechenanlage durchführen. Es ist ebenfalls denkbar, Vorrichtungen mit vorgegebenen Referenzwerten an Werkstätten zu geben, um eine Langzeitqualitätskontrolle der verwendeten Werk- und Schweißstoffe durchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:

In Fig. 1 ist eine Fertigungsstraße 1 dargestellt, in der ein unteres Werkstück 2 flächig von einem oberen Werkstück 3 kontaktiert ist. An dieser flächigen Kontaktstelle werden die Werkstücke 2 und 3 mittels eines Schweißsystems 4, bestehend aus einer oberen Elektrode 5 und einer unteren Elektrode 6 im Punkt 7 mittels der Schmelze 8 verschweißt.

Die gesetzten Schweißpunkte 9 werden getempert/passen sich der Umgebungstemperatur an/kühlen ab.

Nun gilt es, die Qualität eines so herstellten Schweißpunktes zu überprüfen. Hierzu führt die Wärmequelle 10 über den Wärmefluß 11 dem Schweißpunkt 12 für eine genau definierte Zeit 13 eine bekannte Wärmemenge pro Zeiteinheit 14 zu.

Hierbei ist es ausführungsabhängig, wie die Wärmequelle gesteuert wird. Es kann z. B. ein Kontrollgerät 20 angeschlossen sein, an welchem sich über ein Schaltinstrument 22 die Zeit auf einer Skala 24 sowie über ein weiteres Schaltinstrument 21 die Wärmeleistung auf einer Skala 25 einstellen läßt. Andererseits ist es denkbar, die Wärmequelle 10 so zu bauen, daß die Werte fest verdrahtet sind. Als Wärmequellen können unter anderem Laser oder Mikroflammen dienen.

Nach einer weiteren definierten Zeit mißt die Apparatur 15 mittels eines Wärmefühlers 26 die Temperatur, hier am Schweißpunkt 16, und vergleicht diese mit Referenzwerten 17. Aus dem Meßwert kann eine Ja/Nein-Entscheidung getroffen werden. Die Wärmemessung läßt sich auch optisch durchführen. Diese Ja/Nein-Ent scheidung ist an der Apparatur 15 mittels zweier Lampen realisiert, JA-Lampe 18, NEIN-Lampe 19. Die Skala 23 an der Apparatur 15 soll den Vergleich mit den Referenzwerten versinnbildlichen. Wird die Restwärme im Schweißpunkt 16 mittels eines Thermoelements aufgenommen, so ist hier nur ein festverdrahteter Spannungsabgleich im Meßgerät zur Entscheidungsfindung notwendig. Dieser geringe Meßapparat-Aufwand sowie die Rechnerunabhängigkeit bedeuten extreme Flexibilität für den Meßort und die Meßzeit und reduzieren die Kosten bei der Qualitätskontrolle erheblich. Dadurch, daß die durchzuführende Messung einseitig erfolgt, ist selbst bei verwinkelten Konstruktionen die problemlose Qualitätskontrolle der Schweißpunkte möglich. Da der gesamte Qualitätskontrollvorgang aus der vorausgehenden Beaufschlagung des Schweißpunktes mit einer Wärmemenge und nachfolgend nach einer kurzen Zeit stattfindenden Restwärmebestimmung besteht, ist der Meßvorgang selbst nur von kurzer Dauer. Wird die Meßapparatur in die Fertigungsstraße eingebaut, so kann während der gesamten Qualitätskontrolle der Arbeitsprozeß "Schweißen" forgeführt werden, da bauartbedingt keine durch den Schweißvorgang störenden Thermoströme oder Thermospannungen erzeugt werden.

Im Ganzen läßt sich sagen, daß zur Qualitätsbestimmung die Wärmediffusion einer intakten Schweißverbindung mit ihrer Umgebung ausgenutzt wird. Dabei geht die Erfindung den Weg zwischen zwei Extremwerten. Eine zu hoch gemessene Temperatur läßt auf einen mangelhaften Kontakt der Schweißverbindung mit ihrer Umgebung schließen, da die Wärme nicht schnell genug in das umgebene Metall fließen kann. Eine zu hohe Temperatur tritt auch dann auf, wenn keine Schweißverbindung gesetzt wurde. Eine zu tiefe Temperatur läßt im Extremfall darauf schließen, daß anstelle einer Schweißverbindung ein Loch durch die Materialien gebrannt wurde oder eine abweichende Gefügeveränderung stattgefunden hat. Zwischen diesen Extremen gibt es eine optimale Einbindung der Randzonen der erstarrten Schmelze in das umgebende Blech, die sich in Verbindung mit einer als optimal zu bezeichnenden Gefügestruktur der Schweißverbindung im Kernbereich der Schweißzone darstellt.

Diesem Optimum ist nach der obigen Überlegung auch eine eigene Temperatur der Restwärme nach beaufschlagter Wärmemenge zugeordnet, wobei die üblichen Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen wären.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Fertigungsstraße

2

unteres Werkstück

3

oberes Werkstück

4

Schweißsystem

5

obere Elektrode

6

untere Elektrode

7

aktueller Schweißpunkt

8

Schmelze

9

abkühlende Schweißpunkte nach dem Schweißen

10

Wärmequelle

11

Wärmefluß der Dauer

13

und Leistung

14

12

mit

14

beaufschlagter Schweißpunkt

13

angestellte Zeit um

12

mit

14

zu beaufschlagen

14

Wärmemenge pro Zeiteinheit die beaufschlagt werden soll

15

Restwärmemeßvorrichtung

16

vermessener Schweißpunkt

17

Referenztabelle

18

JA-Lampe: Schweißpunkt in Ordnung

19

NEIN-Lampe: Schweißpunkt nicht in Ordnung

20

Wärmequellekontrollgerät

21

Einstellvorrichtung für die abzugebene Wärmemenge pro Zeiteinheit

22

Einstellvorrichtung für die Zeitdauer der abzugebenen Wärmemenge pro Zeiteinheit

23

Skala auf der die Referenzwerte für die Temperatur des Schweißpunktes

16

liegen

24

Heizleistungsdauerskala

25

Heizleistungsskala

26

Wärmefühler

Claims

1. Verfahren zur Qualitätssicherung von punktförmigen Schweißverbindungen in der Serienfertigung zwischen zwei Werkstoffen, die durch Aufschmelzen unter gegenseitigem Kontakt und nachfolgendem Abkühlen der gemeinsamen Schmelze verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung für eine vorbestimmte Zeit mit einer vom Schweißvorgang unabhängigen und genau bekannten Wärmemenge pro Zeiteinheit beaufschlagt wird, und daß anschließend nach einer weiteren vorbestimmten Zeit der Arbeitspunkt einer temperaturabhängigen Kennlinie oder Kennlinienschar an der beaufschlagten Schweißverbindung erfaßt und mit Referenzwerten verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Qualitätsbestimmung der Schweißverbindung nur aus der Restwärme nach der Wärmebeaufschlagung bestimmt wird, und daß hierzu temperaturabhängige Kenngrößen erfaßt und ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Genauigkeit der bestimmten Temperatur bei 0,1°C liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der Wärmezufuhr und die Messung der Restwärme von ein und derselben Seite erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindungen auf Umgebungstemperatur getempert sind, bevor der Meßprozeß ansetzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßprozeß nach einer definierten Zeit nach dem Schweißprozeß durchgeführt wird und der Wärmeausgleich mit der Umgebungstemperatur im Referenzwert der Kennlinienschar eingearbeitet ist.