DE2629244A1

DE2629244A1 - Schweisstellen-bewertungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE2629244A1
Application number: DE19762629244
Authority: DE
Inventors: Sotirios John Vahaviolos
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-07-02
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1977-02-03
Also published as: DE2629244C3; FR2316037B1; US4017810A; FR2316037A1; US3965726A; DE2629244B2; NL169228C; BE843640A; NL169228B; NL7607278A; CH604168A5

Description

BLUMBACH · WESER -BERGEN · KRÄMER ZWIRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsull 8 München 60 RadeckestraDe 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsul! 62 Wiesbaden Sonnenberger Strafte 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Vahaviolos, S.J.

Broadway

New York, N.Y. 10007, U.S.A.

Schweißstellen-Bewertungsverfahren und -vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Schweißstellen-Bewertüngsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Verfahren arbeitet für Realzeit und zerstörungsfrei unter Benutzung der von der Schweißstelle ausgesendeten mechanischen Spannungswellen, und insbesondere wird eine Schweißstelle dadurch bewertet, daß die von der Schweißstelle ausgehenden mechanischen Spannungswellen während der Phasenumwandlung fest-flüssig und während der Phasenumwandlung flüssig.-fest gemessen werden.

Die Möglichkeit der Bewertung einer Schweißstelle in Realzeit und zerstörungsfrei interessiert die Industrie sehr stark. Ein Verfahren der Überwachung eines Schweißvorgangs ist in der US-Patentschrift 3,726,.130 vom 10. April 1973 (Hurlebaus) offenbarte.Dabei werden Ultraschall-Scherwellen als Impulssignale in die beiden miteinander zu verschweißenden

MurKhsi: Kramor -Di 609885/0750 ^h ' Dr. Bergan · Zwirner

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Werkstücke von einem Wandler übertragen, der der Schweißelektrode gegenübersteht, während die Schweißoperation durchgeführt wird. Die Signale werden von dem Bereich zwischen dem schmelzenden Metall und dem festen Metall reflektiert und liefern Realzeitdaten zur Feststellung des Ausmaßes der Durchdringung einer Schweißung.

Ein weiteres Verfahren zur Überwachung eines Schweißvorganges ist in einem Aufsatz der Zeitschrift "Machine Design" vom 14. Juni 1973, Seiten 132 bis 137 von R.E. Herzog mit dem Titel "Forecasting Failures with Acoustic Emissions" enthalten. In diesem Artikel wird festgestellt, daß eine der brauchbarsten Anwendungen von akkustischer Emission das Überprüfen von Schweißstellen während ihrer Entstehung darstellt, indem Signale festgestellt und in eine Korrelation zueinander gebracht v/erden, die während, der Phasenumwandlung flüssig-fest eines Schweißbereichs ausgehen, und die Anzeige "gute oder schlechte Schweißungen" ermöglichen. Der Aufsatz von Herzog führt danach aus, daß komplexe mechanische Spannungswellen sowohl in dem Schweißzyklus als auch in der Nachschweiß-Abkühlperiode vorkommen, jedoch werden nur die Emissionen während der Nachschweiß-Abkühlperiode zur Auffindung von Fehlern, z.B. Rissen, verwendet, wie diese in dem Schweißbereich auftreten, jedoch werden die Emissionen während des Schweißzyklus ignoriert. Das bekannte Verfahren, welches die Aussendung von mechanischen Spannungswellen verwendet, misst

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deshalb nur den Betrag an Spannungsrissen,, die in dem Schweißbereich während der Nachschweiß-Abkühlperiode auftreten, um zu bestimmen, ob eine Schweißstelle gut oder schlecht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine genauere, zerstörungsfreie Bewertung in Realzeit sowohl der Stärke als auch der Qualität einer Schweißstelle ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird eine Schweißstelle dadurch bewertet, daß die von dem Schweißbereich ausgehenden mechanischen Spannungswellen gemessen v/erden, und zwar sowohl während der Phasenumwandlung fest-flüssig als auch während der Phasenumwandlung flüssig-fest. Dabei wird die Differenz der Spannungswellenenergie während der Umwandlungsperioden gemessen und mit einem vorbestimmten Referenzwert im Hinblick auf Zulässigkeit einer Schweißstelle verglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit gewissen Varianten der Einzelteile, wird anhand der Zeichnung erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den unterschiedlichen Ansichten bezeichnen

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- 4 gleiche Teile. Es zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schweißstellen-Bewertungsvorrichtung gemäß Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zahlreicher Wellenformen der Art, wie sie bei einem Oszillographen zu sehen sind, und zwar zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung!

Fig. 3 eine vereinfachte Blockschaltung eines Codierers zur Anwendung in einem Schaltungsteil (Energieprozessor) nach Fig. 1 j

Fig. 4 eine vereinfachte Blockschaltung eines Spannungssteueroszillators zur Anwendung in dem Codierer nach Fig. 3;

Fig. 5 eine vereinfachte Blockschaltung einer Zähl- und Vergleicherschaltung zur Anwendung in dem Energieprozessor nach Fig. 1; und

Fig. 6 eine vereinfachte Blockschaltung einer weiteren Zähl- und Vergleicherschaltuttg zur Anwendung in dem Energieprozessor nach Fig. 1.

Jedes Schweißverfahren findet bekanntlich in der Weise statt, daß die miteinander zu verschweißenden Werkstücke mechanisch gehalten werden, daß die Teile an ihrer gemeinsamen Zwischenfläche aufgeschmolzen werden, daß der Zusammenfluß von geschmolzenem Material herbeigeführt wird, und daß das geschmolzene Volumen erstarrt. Der Raum, in dem das Schmelzen

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auftritt, wird gewöhnlich die Schmelz-Erstarrungszone ader Schweißnaht genannt, während der Bereich, in welchem eine Veränderung der Kristallstruktur stattfindet, im allgemeinen als die Wärmeschädigungszone bezeichnet wird. Die der Zwischenfläche zuzuführende Wärme kann auf unterschiedliche Weise bereitgestellt werden, beispielsweise durch Kondensatorentladung, wobei ein pulsierender hoher Strom die Zwischenfläche der Schweißteile passiert. Die vorliegende Erfindung wird in erster Linie mit Bezug auf eine Schweißvorrichtung mit Kondensatorentladung beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß diese Beschreibung nur als Beispiel gebracht ist und für Zwecke der Erläuterung, jedoch nicht zur Beschränkung. Das erfinderische Konzept ist ebenfalls anwendbar für andere Schweißgeräte, beispielsweise Laser-Schweißgeräte.

Zwei sich überlappende Werkstücke 12 und 14 (Fig. 1) bestehen aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien und werden in passender Weise zwischen Elektroden 16 und 18 angeordnet, um zusammengeschweißt zu werden, beispielsweise durch ein Kondensatorentladungs-Schweißgerät 20. Wenn eine nicht dargestellte Betriebsspannungsquelle mit den Klemmen 22 und 24 des Schweißgerätes 20 verbunden wird, wird ein Kondensator 26 geladen. Das Schließen eines Schalters 28 bringt den Kondensator 26 zur Entladung über die Primärwicklung P eines Transformators 30, wodurch ein Stromimpuls über die Sekundärwicklung S des Transformators 30 an den Elektroden 16 und 18

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und über die Schweißteil-Zwischenfläche geliefert wird. Die Bemessung des Kondensators 26 sollte im Hinblick auf Abgabe eines Stromimpulses erfolgen, der den Schweißbereich in der Zwischenfläche der Werkstücke 12 und 14 aufschmilzt oder wenigstens plastisch verformt.

Mechanische Spannungswellen werden von dem Schweißbereich sowohl während des Schweißimpulses als auch in der Abkühlzeit ausgesendet und von einem piezoelektrischen Differenzwandler 40 festgestellt, der nachfolgend als Sensor 40 bezeichnet wird und zu der vorliegenden Schweißbewertungs-Vorrichtunggphört. Der Sensor 40 ist nach der Zeichnung mechanisch mit der Elektrode 18 für berührungsfreie Messung gekuppelt, könnte aber auch beispielsweise mit der Elektrode 16 oder mit einem der Werkstücke 12 und 14 in Verbindung stehen.

Die von dem Sensor 40 festgestellten Signale umfassen Wellen, welche a) durch andere elektrische. Bauteile in der Nähe des Systems nach Fig. 1 erzeugt werden, jedoch nicht dargestellt sind; b) in den Werkstücken 12 und 14, den Elektroden 16 und 18 oder dem Sensor 40 erzeugte Wellen, und zwar infolge solcher nicht transienten Faktoren wie Temperatur und sich ändernder Materialspannung; und c) mechanische· Spannungswellen unter Einschluß von Tiefen- und Oberflächenv/ellen, die von der Schweißstelle der Werkstücke 12 und 14 ausgehen, während diese geschweißt werden.

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Wenn in der Schweißstelle eine Phasenumwandlung eintritt, wird Energie in Form von mechanischen Spannungswellen ausgesendet, welche wiederum den Sensor 40 erregen. In Abhängigkeit von der Wellendämpfung in der Zwischenfläche bringen die wandernden mechanischen Spannungsimpulse den Sensor 40 dazu, ausgangsseitig Spannungsänderungen abzugeben, die in etwa proportional zur Amplitude der Impulse sind. Wegen der niedrigen Amplitude dieser mechanischen Spannungswellenimpulse ist es ratsam, für gute Übertragung der mechanischen Welle oder Verstärkung der Ausgangsspannung des Sensors zu sorgen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Sensor 40 über Leitungen 44 mit einem Vorverstärker 42 geringen Rauschens verbunden. Der Vorverstärker 42 ist im Hinblick auf eine Empfindlichkeit vorzugsweise im Bereich von 1-4uV ausgelegt, kann jedoch eine Empfindlichkeit jenseits dieses Berebhs, beispielsweise &nV, einschließen. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 42 wird über eine Leitung 46 an ein Bandpassfilter 48 übertragen, welches ein Durchlaßband aufweist, welches mindestens teilweise innerhalb der natürlichen Frequenz des Sensors 40 liegt, welches jedoch außerhalb des Bereiches von Störfrequenzen liegt, die von anderen Bauteilen in der Nähe des Systems erzeugt werden. Das Filter 48 stellt vorzugsweise ein Kochpassfilter der fünften oder höherer Ordnung dar, wie dieses kommerziell erhältlich ist. An der Ausgangsleitung 50 ist

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ein Widerstand 51 angeschlossen, um die Eingangsimpedanz eines Verstärkers 52 anzupassen. Das auf der Leitung 50 abgegebene Ausgangssignal des Filters 48 wird von dem "Verstärker 52 verstärkt. Es wird eine Bauform des Verstärkers 52 mit einer großen Nachfülirgeschwindigkeit bevorzugt, beispielsweise einen Operationsverstärker vom handelsüblichen Modell 715. Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 wird über eine Leitung 54 an eine Auswerteschaltung oder Energieprozessor 56 übermittelt.

Der Energieprozessor 56 empfängt die verstärkten und gefilterten Signale auf der Leitung 54 und misst die Energie der mechanischen Spannungswellen, die von dem Schweißbereich während des Phasenübergangs fest-flüssig und des Phasenübergangs flüssig-fest, letzteres in der Abkühlungsphase der Schweißstelle, ausgehen. Der Energieprozessor 56 kann Schaltungsteile aufweisen, die in Übereinstimmung mit einem sehr schnellen Analog-Digital-Wandlungsschema arbeiten. Solche Schaltung ist jedoch sehr teuer.

Fig. 3 und 4 zeigen einen neuen Energieprozessor 56 mit einer sehr schnellen, aber relativ billigen Schaltung zur Anwendung bei der vorliegenden Schweißbewertungsvorrichtung. Der neue Energieprozessor 56 weist einen in Fig. 3 dargestellten Codierer 57 auf, der eine Multiplizierschaltung 70 umfasst, welches ein Ausgangssignal auf einer Leitung 72 abgibt, welches

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das Quadrat des Eingangssignals auf der Leitung 54 darstellt. Der Energieprozessor 56 weist ferner einen Spannungssteueroszillator 74 auf. Die Multiplizierschaltung 70 kann aus einer bekannten Schaltung aufgebaut sein, beispielsweise dem Multiplizierermodell 4456 der Firma Teledyne-Philbric, Dedham, Massachussets. Der Spannungssteueroszillator 74 wandelt das quadratische amplitudenraodulierte Eingangssignal auf der Leitung 72 in ein digitales frequenzmoduliertes Ausgangssignal FM um, wobei eine Änderung der Amplitude des Eingangssignals zu einer entsprechenden Frequenzänderung oder Wiederholungsrate der digitalen Impulse des Ausgangssignals führt.

Der Spannungssteueroszillator 74 sollte vorzugsweise eine Schaltung aufweisen, die einen Frequenzbereich von ungefähr 1000 : 1 umfasst. Da konventionelle Spannungssteueroszillatoren im allgemeinen einen Frequenzbereich von bis zu 10 : 1 aufweisen, wird die neue Schaltung 74 nach Fig. 4, die einen Spannungssteueroszillator darstellt, vorzugsweise in dem vorliegenden System verwendet. Dabei liefern getrennte, im Handel erhältliche Spannungssteueroszillatoren 80, 81 und 82 ein digitales FM-Ausgangssignal, und zwar jeweils innerhalb des Bereichs von F₁ bis 10F₁, 10P₁ bis 10Of₁ und 100F₁ bis 1000P₁. Jeder Spannungssteueroszillator 80, 81 und 82 besitzt jeweils einen getrennten Ausschnittsvergleicher 84, 85 und 86, der jeweils gewissermaßen einem "Fenster" zugeordnet ist. Jeder Ausschnittsyergleicher 84, 85 und 86 vergleicht den augenblicklichen Spannungspegel des Eingangssignals

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der ^eitung 72 mit einem unterschiedlichen Anteil des Spannungsbereichs des Gesamteingangssignals und liefert ein Betätigungssignal an den zugeordneten Spannungssteueroszillator 80 bis 82, wenn« der Eingangsspannungspegel innerhalb des zugeordneten, unter Vergleich stehenden Spannungsbereichs fällt. Das Eingangssignal der Leitung 72 wird natürlich an jeden der Spannungssteueroszillatoren 80 bis 82 "gegeben.

Unter der Annahme, daß das Eingangssignal der Leitung 72 im Betrieb einen Spannungspegel aufweist, der durch den gesamten Bereich A und B ansteigt, liefert der Ausschnittsvergleicher 84 solange ein Betätigungssignal an den Spannungssteueroszillator 80, wie die Eingangsspannung innerhalb des Bereichs A ansteigt. Das Betätigungssignal des Ausschnitts™ vergleichers 84 bringt den Spannungssteueroszillator 80 dazu, ein digitales FM-Ausgangssignal auf der Leitung 88 zu erzeugen, welches von F₁ bis 10R, ansteigt, und zwar im Maße, wie der Eingangsspannungspegel entsprechend durch den Bereich A ansteigt. Wenn der Eingangsspannungspegel den unteren Rand des Bereichs B erreicht, hört der Ausschnittsvergleicher 84 auf, ein Betätigungssignal für die Spannungssteuerschaltung 80 zu erzeugen, und der Ausschnittsvergleicher 85 liefert nunmehr ein Betätigungssignal an den Spannungssteueroszillator 81. Das Betätigungssignal des Ausschnittsvergleichers 85 bringt den Spannungssteueroszillator 81 dazu, ein digitales FM-Ausgangssignal auf der Leitung 89 abzugeben, welches von

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1OF, bis 100R. ansteigt, wenn der Eingangsspannungspegel ■ entsprechend durch den Bereich B ansteigt. Entsprechendes gilt für den Ausschnittsvergleicher 86 und den Spannungssteueroszillator 82. Die Ausgangssignale der Spannungssteueroszillatoren 80 bis 82 sind an ein gemeinsames ODER-Glied angeschlossen, und werden auf der Leitung 58 an eine Zähl- und Vergleichsschaltung 60 des Energieprozessors 56 (Fig. 1) übertragen. Es versteht sich, daß weitere Ausschnittsvergleicher und Spannungssteueroszillatoren in der Art nach Fig. 4 hinzugefügt werden können, um den Operationsbereich auszudehnen. Die Spannungssteueroszillatorschaltung 74 vermeidet die Verwendung von Integratoren, die gewöhnlich bezüglich Bandbreite und Genauigkeit beschränkt sind.

Das digitale FM-Ausgangssignal des Codierers 57 (Fig. 1) wird über die Leitung 58 an eine Zähl- und Vergleicherschaltung 60 übermittelt, die ein weiteres Teil des Energiepro-2Bssors 56 darstellt und in Fig. 5 und 6 näher .dargestellt ist. Die Zähl- und Vergleicherschaltung 60 dient zur getrennten Zählung der digitalen Eingangsimpulse mit Bezug auf die Phasenumwandlung fest-flüssig und die Phasenumwandlung flüssig-fest der Schweißstelle, zur Substraktion des letzteren Zählstandes von dem ersten Zählstand, zum Vergleich des Netto-Zählwertes mit einem vorbestimmten Schwellwert und zur Erzeugung eines Signals auf der Leitung 62 für "gut" oder "nicht gut" als Ergebnis des Vergleichs.

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Die Fig. 5 und 6 stellen zwei typische Ausführungsformen der Zähl- und Vergleicherschaltung 60 dar. Das digitale FM-Eingangssignal auf der Leitung 58 wird in einem jeweiligen ersten Eingang von Gatter 101 und 102 empfangen. An den zweiten Eingängen dieser Gatter 101 und 102 werden über Leitung 64 geeignete Trigger-Impulse empfangen, die zunächst das Gatter 101 während mindestens eines Teils der Schweißperiode aktivieren, während welcher die Phasenumwandlung fest-flüssig in dem Schweißbereich stattfindet, wonach das Gatter 102 für mindestens ein Teil der Nachschweißperiode akitiviert wird, während welcher die Phasenumwandlung flüssigfest in dem Schweißbereich abläuft. Die Betätigung des Gatters .101 ermöglicht es den Impulsen der Leitung 58, welche die mechanische Spannungswellenenergie darstellen, wie diese während der Phasenumwandlung fest-flüssig an der Schweißstelle festgestellt wird, in einen Zähler 104 einzulaufen. Die Betätigung des Gatters 102 ermöglicht es den Impulsen der Leitung 58, welche die mechanische Spannungswellenenergie darstellen, wie diese während der Phasenumwandlung flüssigfest des Schweißbereiches festgestellt wird, in einen Zähler 105 einzulaufen. Die Kombination von Codierer 57 und Zähler 104 und 105 arbeitet in Übereinstimmung mit der Gleichung:

E -

und zwar innerhalb eines Maßstabsfaktors_o Die Multiplizierschaltung 70 bildet den Quadratwert der augenblicklichen

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Wellenform der Leitung 54, der Spannungssteueroszillator 74 liefert eine digitale Darstellung der kontinuierlichen Integration der quadratischen Wellenform und die Zähler 104 und 105 liefern eine Summe der Integration über die Zeitperiode der Phasentransformationen fest-flüssig flüssig-fest.

Die Energiezählstände der Zähler 104 und 105 (Fig. 5) werden zu einer Anzeigeeinrichtung 106 bzw. 107 übermittelt, wo die Ergebnisse optisch beobachtet oder für mögliche Forschungszwecke mechanisch aufgezeichnet werden können, ferner zu einer gemeinsamen Vergleicherschaltung 108 gegeben. Die Vergleicherschaltung 108 dient zur Subtraktion des Zähl-. Standes des Zählers 105 vom Zählstand des Zählers 104, ferner zum Vergleich des Nettoergebniswertes mit einem vorgegebenen Schwellwert und zur Erzeugung eines Signals auf der Leitung 62 für "gut" oder "nicht gut", in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs.

Eine alternative Schaltung für die Zähl- und Vergleieherschaltung 60 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier ersetzt ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler 112 die beiden Zähler 104 und 105, sowie die Anzeigeeinrichtung 106 und 107 nach Fig. 5. Wenn im Betrieb das Gatter 101 betätigt wird, wählt der Zähler 112 die Anzahl der auf der Leitung 58 übermittelten Impulse in Vorwärtsrichtung. Wenn danach das Gatter 102 betätigt wird,

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subtrahiert der Zähler 112 jeden Impuls der Leitung 58 von dem Gesamtzählstand, wie dieser während der Aktivierungsperiode des Gatters 101 erhalten worden war. Der Vergleicher 114 vergleicht den im Zähler 112 gespeicherten Nettowert, nach dem das Gatter 102 desaktiviert worden ist, mit einem vorgesetzten Schwellwert und erzeugt auf der Leitung 62 ein Signal "gut" oder "nicht gut" in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs. Das "gut" oder "nicht gut" Signal auf der Leitung 62 von der Zähl- und Vergleicherschaltung 60 kann zur Erregung einer nicht dargestellten visuellen oder hörbaren Einrichtung verwendet werden, die anzeigt, ob eine gute oder schlechte Schweißung vorliegt«

Die Signalgabe beruht darauf_s daß(a) je stärker der höhere Zählstand im Zähler 104 vom Zählstand im Zähler 105 abi'ieicir&j, um so größer die Stärke der Schweißung ist, und daß (b) der vorgegebene Schwellwert einem minimalen, zulässigen ¥©rt der Schweißstärke entspricht« Dieser Wert kann leicht föestiMEt werdeny beispielsweise durch Zerstörungsprüfung einer Anzahl von Probeschweißungen, die zuvor mit dem vorliegenden System aufgemessen worden sind_? wobei eine Korrelation zwischen den gemessenen Stärken zu den in.den Zählern 104 und 105 oder dem Zähler 112 erzielten Messungen für die jeweiligen Probeschweißungen errichtet wird.

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Es wurde festgestellt, daß eine relativ lineare Beziehung zwischen dem Netto erhaltenen Wert der mechanischen Spannungswellenenergie, wie in dem Vergleicher 108 nach Fig. 5 und dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 112 nach Fig. 6 "bestimmt, und der Zugstärke einer Schweißstelle besteht, die unabhängig von der Zusammensetzung der beiden Werkstücke 12 und 14 ist. Die relativ lineare Beziehung besteht unabhängig von der vom Schweißgerät 20 zugeführten Schweißenergie oder des Zustandes wie Sauberkeit der Werkstücke 12 und 14 in der zu verschweißenden Zwischenflache. Schwankungen der Schweißenergie oder des Zustandes der Werkstücke 12 und 14 führen deshalb bloß zu Variationen der mechanischen Spannungswellenenergie entlang der linearen Kurve und wiederum zu der Stärke der Schweißstelle.

Die in geeigneten Zeitabständen gelieferten Trigger-Impulse auf den Leitungen 64 zu den Gattern 101 und 102 werden vorzugsweise von einer Feststelleinrichtung 66 (Fig. 1) geliefert, die in dem Schweißgerät 20 liegt, und von einer Impulsformerstufe 68 zwischen der Feststelleinrichtung 66 und den Gattern 101 und 102 geformt. Die Feststelleinrichtung 66 liegt in dem Schweißgerät 20 sowohl zur Feststellung des Vorliegens eines Schweißimpulses, wenn sich der Kondensator 26 entlädt, als auch zur Erzeugung eines Signals auf den Leitungen 67 in Abhängigkeit hiervon zur Ansteuerung der

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Impulsformer und Taktgeberschaltung 68„ Die Feststelleinrichtung 66 kann in bekannter Weise ausgebildet sein, beispielsweise als torusförmiger Spulendetektor, der in der Sekundärschaltung des Schweißgerätes 20 liegt. Die Impulsformer- und Taktgeberschaltung 68 kann in bekannter Weise zum Empfang des von der Feststellschaltung 66 abgegebenen Signals und Erzeugung eines Trigger-Impulses ausgebildet sein, und zwar (a) an das Gatter 101 während der Schweißperiode, wenn mindestens das Zeitintervall der Phasenumwandlung fest-flüssig in dem Schweißbereich vorkommt und (b) an das Gatter 102 während der Nachschweißperiode, wenn mindestens das Zeitintervall der Phasenumv/andlung flüssig-fest in dem Schweißbereich eintritt.

In Fig. 2 stellen die Wellenformen A bis D typische, auf einem Oszillograph erscheinende Wellenformen dar, der an geeigneten Punkten der vorliegenden Schweißstellen-Bewertungsvorrichtung angeschlossen ist. Die Wellenform Ä zeichnet den Stromimpuls durch die Schweißzwischenfläche nach₉ wie dieser von der Sekundärwicklung S des Transformators 30 an die Elektroden 16 und 18 nach Schließen des Schalters 28 im Schweißgerät 20 geliefert wird. Die Wellenform B zeigt die Temperaturänderungen in dem SchweiBbereich in. Abhängig keit von dem Stromimpuls nach Wellenform A, dsr durch die Schweißzwischenfläche zwischen den Werkstücken 12 wad 14 durchgeht. Die Temperate⁵ erreicht einen Spit2eaw#rt_D wenn, die Schmelz- oder plastisol© Deformation la dess Sehweißbe«

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— Ί 7 —

reich eintritt. Die Wellenform C stellt typische Trigger-Impulse dar, die von der Impulsformer- und Taktgeberschaltung 68 erzeugt werden und an die Gatterschaltungen 101 und 102 über die Leitungen 64 übermittelt werden. Der Schweißbetätigungsimpuls wird zur Betätigung des Gatters 102 verwendet, während der Nachschweißbetatigungsimpuls zur Betätigung des Gatters 102 dient. Die Wellenform C zeigt mechanische Spannungswellen, wie diese von dem Sensor 40 während des Intervalls der Phasentransformation fest-flüssig (während der Schweißperiode) und des Intervalls der Phasentransformation flüssig-fest (während der Nachschweißperiode) festgestellt werden. Typische, an verschiedenen Punkten des vorliegenden Systems auftretende Wellenformen sind außerdem in den Fig. 1 und 3 dargestellt.

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Claims

BLUMBACH . WESER · BERGEN . KRAMER ZWIRNER - HIRSCH PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Postadresse München: Patenlconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Western Electric Company, Incorporated Vahaviolos, S.J5, 2 Broadway *~~ New York, N.Y. 10007 U.S.A. Patentansprüche

1. } Verfahren der zerstörungsfreien Bewertung einer Schweißstelle in Realzeit mit folgenden Schritten: (a)' die mechanische Spannungswellenenergie, welche von Rissen ausgeht, die sich in dem Schweißbereich während der Phasenumwandlung flüssig-fest nach Ausführung der Schweissung entwickeln, wird gemessenf
gekennzeichnet-durch: ("b) vor Ausführen des Schrittes (a) wird die mechanische Spannungswellenenergie, welche von der Materialdefor-Biation während der Phasenumwandlung fest-flüssig -des Schweiß"bereichs ausgeht, gesessen, und (c) nach dem Schritt (a) wird die Größe der Differenz zwischen der mechanischen Spannungsenergie bestimmt, die während der Phasenumwandlung fest-flüssig der.Schweißstelle und der mechanischen Spannungsenergie, die während der Nachschweiß-Phasenumwandlung flüssig-fest ausgesendet wird, gebildet, und diese Differenzgröße wird als Stärke der Schweißstelle bewertet.

München: Krs-ner · Dr. V7iwsr_- LLrichfj-iWiosbedjwiKlUL-i^-i-.ri - Dr. E-c-rgen · Zwirner

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2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß (d) ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches eine gute Schweißstelle anzeigt, wenn die Differenzgröße . einen vorbestimmten Wert übersteigt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit (a) einem Sensor zur Feststellung von mechanischen Spannungswellen, die sich in dem Material ausbreiten, und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, welches für die festgestellten Wellen repräsentativ ist,

dadurch gekennzeichnet, daß (b) eine erste Signalverarbeitungseinrichtung mit (i) einem Verstärker (42) zur Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals des Sensors und

(ii) mit einem Bandpassfilter (48) vorgesehen ist, welches mit dem Ausgang des Verstärkers (42) zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals innerhalb eines Bandpasses vorgesehen ist, welches außerhalb des Bereichs der Frequenzen liegt, die normalerweise von Bauteilen in der Nähe der Vorrichtung erzeugt werden,

und daß (c) eine zweite Signalbearbeitungseinrichtung (56, 57, 60) mit dem Ausgang der ersten Verarbeitungseinrichtung verbunden ist und zur Messung der mechanischen Spannungswellenenergie während der Zeit der ersten Phasentransformation fest-flüssig und während der Zeit der zweiten Phasentransformation flüssig-fest in dem Schweißbereich 609885/0750

dient, und daß danach die Differenz zwischen den Messungen während des ersten und zweiten Phasenumwandlungsintervalls im Hinblick auf Messung der Stärke der Schweißstelle gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3_f
dadurch gekennzeichnet, daß (d) eine Einrichtung (108, 114) zur Erzeugung eines Ausgangssignals vorgesehen ist, die eine gute Schweißung anzeigt, wenn die Größe der Differenz zwischen den Messungen des ersten und zweiten Phasenumwandlungsintervalls einen vorbestimmten Wert übersteigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalbearbeitungseinrichtung (56) eine Codiereinrichtung (57) und eine Zähleinrichtung (60) aufweist, wobei (i) die Codiereinrichtung (57) mit dem Ausgang (54) der ersten Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist und zur Erzeugung eines digitalen Signals dient, welches die Energie des Ausgangssignals der ersten Signalverarbeitungseinrichtung angibt, wobei ferner (ii) die Zähleinrichtung (60) zur Zählung der digitalen Impulse der Codiereinrichtung (57) während des ersten Intervalls der Phasenumwandlung fest-flüssig und während des zweiten Intervalls der Phasenumwandlung flüssig-fest der Schweißstelle_s sowie danach zur Bestimmung der Diffe-

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renz zwischen den Zählständen der ersten und zweiten UrawandlungsIntervalle ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß (i) die Codiereinrichtung (57) eine Multiplizierschaltung (70) zur Quadrierung des Ausgangssignals der ersten Signalverarbeitungseinrichtung und eine Spannungssteueroszillatorschaltung (74) aufweist, die mit der Multiplizierschaltung zur Erzeugung eines digitalen frequenzmodulierten Signals verbunden ist, welches die Energie des quadrierten Signals der Multiplizierschaltung anzeigt, und daß

(ii) die Zähleinrichtung (6o) zur Zählung' der digitalen Impulse der Codiereinrichtung während des ersten Intervalls der Phasenumwandlung fest-flüssig und während des zweiten Intervalls der Phasenumwandlung flüssig-fest des Schweißbereiches und danach zur Bestimmung der Differenz zwischen den Zählständen des ersten und zweiten Umwandlungsintervalls ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die SpannungssteuerOszillatorschaltung (74) eine Vielzahl von Ausschnittsvergleichern (84, 85, 86) aufweist,- wobei jeder Ausschnittsvergleicher sowohl zum

-t,

Vergleich des quadrierten Signals der Multiplizierschal-609885/0750

tung mit einem vorbestimmten Amplitudenbereich, der einen unterschiedlichen Teil des maximal möglichen Amplitudenbereichs für das quadrierte Signal darstellt, als auch zur Erzeugung eines Betätigungssignals in Abhängigkeit von der Amplitude des quadrierten Signals, welches innerhalb des jeweils vorbestimmten Amplitudenbereiches ist, ausgebildet ist, und daß eine Mehrzahl von Spannungssteueroszillatoren (80, 81, 82) vorgesehen sind, wobei jeder Oszillator einem getrennten Ausschnittsvergleicher zugeordnet ist und zur Erzeugung eines digitalen frequenzmodulierten Signals ausgebildet ist, die jeweils in einem unterschiedlichen vorbestimmten Frequenzbereich liegen und die Energie des quadrierten Signals in Abhängigkeit von dem Betätigungs signal des zugeordneten Ausschnittvergleichers anzeigenc

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