DE2636857A1

DE2636857A1 - Schweisstellen-bewertungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE2636857A1
Application number: DE19762636857
Authority: DE
Inventors: Mansoor Ali Saifi; Sotirios John Vahaviolos
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-08-18
Filing date: 1976-08-16
Publication date: 1977-03-10
Also published as: SE7608885L; ES450778A1; IT1070499B; BE845217A; DE2636857C3; NL7609121A; JPS5225690A; FR2321694A1; CA1079843A; DE2636857B2; GB1527528A; CH608619A5; US4007631A

Description

BLU&/JBACH - WESER · BERGEN· KRAMER ZWIRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse Mönchen: PaJenlconsull «München«) RadeckesTraBe 43 Telefon (089)683603/883604 Telex 05-212313 Posi a dresse Wiesbaden: PalenJconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

WIS!EM1N EI₁ECfRIG COMPANY, . , Saif i 2-4

3ÜG0HF0M2ED '

ΈΜ YORK (N,Y.) U.S.A.

Schweißstellen-Bewertungsverfahren und —vorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißstellen-Bewertungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, auf eine ausgeführte Schweißstelle sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens«

Das Verfahren arbeitet in Realzeit und zerstörungsfrei unter Benutzung der von der Schweißstelle ausgesendeten mechanischen Spannungswellen, und insbesondere der während η Zeitintervalle des Schweißzyklus ausgesendeten Wellen, wobei nci 4, wonach die für die Intervalle erhaltenen Meßwerte mit vorbestimmten annehmbaren Bereichejifür diese Meßwerte verglichen werden, die aus entsprechenden Messungen der Intervalle ausgewählt*und mit vorbestimmten Verhältnissen zwischen Messungen für zwei

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München: Kramer · Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zv/irner

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26 3 6GbV

oder mehr Intervalle entsprechen.

Die Möglichkeit der Bewertung einer Schweißstelle in Realzeit und zerstörungsfrei trifft seit langer Zeit auf starkes Interesse der Industrie. Ein Verfahren der Überwachung eines Schweißvorganges ist in der US-PS 3 726 (Hurlebaus) vom 10.4.1973 offenbart. Dabei werden Ultraschall-Scherwellen als Impulssignale in die beiden miteinander zu verschweißenden Yferkstücke von einem Wandler übertragen, der der Schweißelektrode gegenübersteht, während die Schweißoperation durchgeführt wird. Diese 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 Schweißvor-

ganges ist in einem Aufsatz der Zeitschrift "Machine ^!

Design" vom 14.6.1973, 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 akustischer L Emission das Überprüfen von Schweißstellen während ihrer

Entstehung darstellt, indem Signale festgestellt und in eine Korrelation zueinander gebracht werden, die während der Phasenumwandlung flüssig-fest eines Schweißbereichs

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copy

ausgehen, und die Anzeige "gute oder schlechte Schweissungen" ermöglichen. Der Aufsatz von Herzog führt ferner 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.

In jedem Schweißverfahren wird der Bereich von zwei oder mehreren, in innigem Kontakt stehenden Materialien aufgeschmolzen und verschmolzen. Die zum Aufschmelzen benötigte Energie kann entweder durch einen Stromimpuls, wie beispielsweise bei der Widerstandsschweißung oder der KondensatorentladungGschweißung, oder durch einen Strahlungsimpuls eines Lasers bereitgestellt werden. Für eine laufende Bestimmung der Qualität und des Ausmasses einer Schweißung ist es wünschenswert, die Realzeitentwickluftg des vollständigen Schweißprozesses zu überwachen, so also den Beginn der Aufheizung, die Phasenumwandlung festflüssig, das Schmelzen und die Wiedererstarrung der Schweißstelle, da jede dieser Aspekte und v/eitere Fakto-. ren die Qualität und/oder das Ausmaß der Schweißung beeinflussen. . .

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche den vollständigen Schweißprozeß zu bewerten 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 während η Zeitintervalle des Schweißzyklus von der Schweißstelle ausgehenden Spannungswellen gemessen v/erden, wobei n=t4 ist, und die während der Intervalle erhaltenen Meßwerte mit vorbestimmten zulässigen Meßv/ertbereichen verglichen werden, die aus entsprechenden Messungen der Intervalle ausgewählt werden und die vorbestimmten Verhältnissen zwischen zwei oder mehreren Intervallen entsprechen.

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

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild

einer Schweißstellen-Bewertungsvorrichtung gemäß Erfindung,

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Fig. 2 eine vereinfachte Blockschaltung

eines Energieprozessors nach Fig. 1,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Spannungssteueroszillators, der in dem Energieprozessor nach Fig. angewendet ist,

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild

einer Taktschaltung sowie der Informationszähl- und Wiedergabeschaltung 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. Die der Zwischenfläche zuzuführende Wärme kann auf unterschiedliche Weise bereitgestellt werden, beispielsweise durch einen Laser, wobei ein Strahlenbündel auf die Werkstücke im Bereich der erwünschten Schweißstelle geworfen wird. Die vorliegende Erfindung wird in erster Linie mit Bezug auf eine Laserschweißvorrichtung beschrieben. Es versteht sich Jedoch, daß diese Beschreibung nur als Beispiel gebracht ist und für Zwecke der Erläuterung, nicht jedoch zur Beschränkung dient. Das erfinderische Konzept ist

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ebenfalls anwendbar für andere Schweißgeräte, beispielsweise Kondensatorentladung-Schweißgeräte.

Zwei sich überlappende Werkstücke 12 land 14 (Fig. 1) bestehen aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien und werden in passender Weise zur Beschießung durch einen Laser 16 mit einem Laserstrahl 18 angeordnet. Wenn die Werkstücke 12 und 14 aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wird das Werkstück aus dem Material mit dem höheren Schmelzpunkt vorzugsweise in der Nähe des Lasers angeordnet, damit der austretende Laserstrahl 18 das höher schmelzende Material zuerst trifft. Wenn der Laserstrahl zuerst auf dem Material mit dem niedrigen Schmelzpunkt auf treffen würde, entstünde die Neigung der Verdampfung, bevor genügend Wärme auf das Material mit dem höheren Schmelzpunkt übertragen worden ist. Das Laserstrahlenbündel 18 ist demnach darauf abzustimmen, daß gerade genügend Energie zur AufSchmelzung oder plastischen Deformierung des Materials im Zwischenbereich der Werkstücke 12 und 14 abgegeben wird, ohne daß Material verdampft oder sonstwie verlorengeht.

Mechanische Spannungswellen werden von dem Schweißbereich sowohl während des Schweißimpulses als auch in der Abkühlungszeit ausgesendet und von einem piezoelektrischen Differenzwandler 20 festgestellt, der nachfolgend als Sen-

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sor 20 bezeichnet wird und zu der vorliegenden Schweißbewertungs-Yorrichtung gehört. Der Sensor 20 ist nach der Zeichnung mechanisch mit dem Werkstück 14 gekuppelt, könnte aber auch beispielsweise mechanisch mit dem Werkstück 12 oder einem Teil der Laserschmelzvorrichtung verbunden sein, die entweder mit dem Werkstück 12 oder 14 in Verbindung steht. Der Sensor weist ein Meterialteil auf, deren Masse-Schallgeschwindigkeit eng der Schallgeschwindigkeit des Materials der Werkstücke 12 und 14 entspricht.

Die von dem Sensor 20 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 oder dem Sensor 20 erzeugte Wellen, und zwar infolge solcher nichttransienter Faktoren,wie Temperatur und sich ändernde Materialspannung, und (c) mechanische Spannungswellen unter Einschluß von Tiefen- und Oberflächenweilen, die von der Schweißstelle der Werkstücke 12 und 14 ausgehen, während diese geschweißt werden.

Während des Schweißverfahrens wird Energie aus dem Schweißbereich in der Form von mechanischen Spannungswellen abgegeben, weihe wiederum zusammen mit möglicherweise uner-

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wünschten mechanischen Wellen, die von anderen elektrischen oder mechanischen Bauteilen und in den Werkstücken 12 und 14 erzeugt werden, den Sensor 20 erregen. In Abhängigkeit von der Wellendämpfung in der Zwischenfläche bringen die wandernden mechanischen Spannungsimpulse den Sensor 20 dazu, ausgangsseitig Spannungsänderungen abzugeben, die in etwa proportional zur Amplitude der Impulse sind. Der Sensor 20 sollte jedoch vorzugsweise so ausgewählt werden, daß seine Eigenfrequenz, die beispielsweise 1 MHz betragen kann, in den Frequenzbereich der von der Schweißstelle ausgehenden Spannungswellen fällt, aber vorzugsweise außerhalb des Frequenzbereiches der unerwünschten mechanischen Wellen ist, die von anderen Quellen stammen. In dieser Weise wirkt der Sensor 20 als Filter und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches in erster Linie für die von der Schweißstelle ausgehenden Spannungswellen repräsentativ ist und möglicherweise einen kleinen Anteil von im wesentlichen abgeschwächten unerwünschten mechanischen Wellen von anderen Quellen einschließt. Wegen der niedrigen Amplitude dieser mechanischen Spannungswellenimpulse ist es ratsam, für gute Übertragung der mechanischen Wellen oder Verstärkung der Ausgangsspannung des Sensors zu sorgen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Sensor 20 über Leitungen 24 mit einem Vorverstärker 22 geringen Rauschens verbun-

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den. Der Vorverstärker 22 ist im Hinblick auf eine Empfindlichkeit vorzugsweise im Bereich von 1 bis 4/UV ausgelegt, kann jedoch eine Empfindlichkeit jenseits dieses Bereiches einschließen. In jedem Fall soll der Vorverstärker 22 genügend empfindlich für die spezielle Anwendung sein.

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 22 wird über eine Leitung 26 an ein Bandpassfilter 28 übertragen, welches ein Durchlaßband aufweist, welches mindestens teilxieise innerhalb der Eigenfrequenz des Sensors 20 liegt, jedoch außerhalb des Bereichs von schwachen Störfrequenzen, die von den Bauteilen in der Nähe des Systems erzeugt v/erden. Das Filter 28 läßt so nur die verstärkten elektrischen Signale des Sensors 20 durch, welche für die von der Schweißstelle emittierten Spannungswellen repräsentativ sind, während gleichzeitig verstärkte elektrische Signale des Sensors eliminiert werden, welche unerwünschte mechanische Wellen von anderen Quellen darstellen. Das Filter 28 stellt vorzugsweise ein Hochpassfilter der fünften oder höheren Ordnung dar, wie dieses kommerziell erhältlich ist. An der Ausgangsleitung 30 ist ein Widerstand 31 angeschlossen, um die Eingangsimpedanz eines Verstärkers 32 anzupassen. Das auf der Leitung 30 abgegebene Ausgangssignal des Filters 28 wird von dem Verstärker 32 verstärkt. Es wird eine Bauform des Verstär-

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kers 32 mit einer großen Nachführgeschwindigkeit bevorzugt, beispielsweise einen Operationsverstärker vom handelsüblichen Modell 715. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 wird über eine Leitung 34 an eine Auswerteschaltung oder einen Energieprozessor 36 übermittelt.

Der Energieprozessor 36 empfängt die verstärkten und gefilterten Signale auf der Leitung 34 und codiert die von der Schweißstelle ausgehenden mechanischen Spannungswellen sowohl für die Schweißimpulse als auch für die Abkühlintervalle und bildet ein digitales Signal.

Der Energieprozessor 36 kann Schaltungsteile aufweisen, die in Übereinstimmung mit einem sehr schnellen Analog-Digital-Wandlungsschema arbeiten. Eine solche Schaltung ist im allgemeinen jedoch sehr teuer.

Fig. 2 und 3 zeigen einen neuen Energieprozessor 36 mit einer sehr schnellen, aber relativ billigen Schaltung . zur Anwendung bei der vorliegenden Schweißbewertungsvorrichtung. Der Energieprozessor 36 weist eine Multiplizierschaltung 70 auf, welche ein Ausgangssignal auf einer Leitung 72 abgibt, welches das Quadrat des Eingangssignals auf der Leitung 34 darstellt. Der Energieprozessor 36 weist ferner einen SpannungsSteueroszillator 74 auf. Die Multiplizierschaltung 70 kann eine Anzahl von Einzel-

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schaltungen enthalten und beispielsweise aus dem Multipliziermodell 4456 der Firma Teledyne-Philbric, Dedham (Massachusetts) aufgebaut sein. Der Spannungssteueroszillator 74 wandelt das quadratische amplitudenmodulierte Eingangssignal auf der Leitung 72 in ein digitales frequen2moduliertes Ausgangssignal FM um, wobei eine Änderung der Amplitude des Eingangssignals zu einer entsprechenden Frequenzänderung oder Wiederholungsrate der digitalen Impulse des Ausgangssignals führt.

Der Spannungssteueros2illator 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, einen Spannungssteueroszillator darstellende Schaltung 74 nach Fig. 3 in dem vorliegenden System vorzugsweise 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 1Of₁, 1Of₁ MsIOOf₁ und 10Of₁ bis 100Of₁. Die Frequenz f₁ kann eine beliebige Frequenz sein und beispielsweise 1 kHz betragen. Jeder Spannungssteueroszillator 80, 81 und 82 besitzt jeweils einen getrennten Ausschnittsvergleicher 84, 85 und 86, der jeweils gewissermaßen einem "Fenster" zugeordnet ist. Jeder Aus-

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schnittsverglelcher 84, 85 und 86 vergleicht den augenblicklichen Spannungspegel des Eingangssignals der Leitung 72 mit einem unterschiedlichen Anteil des Spannungsbereichs des Gesainteingangssignals und liefert ein Betätigimgssignal an den zugeordneten Spannungssteueroszillator 80 bis 82, wenn der Eingangsspannungspegel innerhalb des zugeordneten, unter Vergleich stehenden Spannungsbereichs A, B oder C fällt. \IeTm. beispielsweise der max. Eingangssignal-Spannungsa&plitudenbereich bei 1,5V festgestellt wird, dann könnten die Ausschnittsvergleicher 84, 85 und 8β den Eingangsspannungspegel mit einem Spannungsamplitudenbereich von 0 bis 0,5V (Bereich A), 0,5 bis 1,0V (Bereich B) und 1,0 bis 1,5V (Bereich C) jeweils vergleichen. Das Eingangssignal der Leitung 72 wird natürlich auch jedem der Spannmigssteueroszillatoren 80 bis 82 zugeführt.

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 Ausschnittsvergleichers 84 bringt den Spannungssteuercszillator 80 dazu, ein digitales FM-Ausgangssignal auf der Leitung 88 zu erzeugen, welches von f^ bis 1Of^ ansteigt,

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und zwar in dem 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, dessen Frequenz von 1Of.. bis 10Of.. ansteigt, wenn der Eingangsspannungspegel entsprechend durch den Bereich B ansteigt. Die Ausgangssignale der Spannungssteueroszillatoren 80 bis 82 sind an ein gemeinsames ODER-Glied 90 angeschlossen und werden auf der Leitung 38 an eine Informationszähl- und Wiedergabeschaltung 40 übertragen. Daher kann das Ausgangssignal der Spannungssteueroszillatorschaltung 74 Serienimpulse aufweisen, deren Frequenz zwischen f-j und 100Of^ rangiert, in direkter Entsprechung zu den Spannungsamplitudenschwankungen des Eingangssignals an die Spannungssteueroszillatorschaltung 74 im maximalen Eingangssignal-Amplitudenbereich, einschließend die Bereiche A bis C, steht. Es versteht sich, daß weitere Ausschnittsvergleicher und Spannungssteueroszillatoren in der Art nach Fig. 3 hinzugefügt werden können, um den Operationsbereich auszudehnen. Bei der Spannungssteuer-

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Oszillatorschaltung 74 sind Integratoren vermieden worden, die gewöhnlich bezüglich Bandbreite und Genauigkeit beschränkt sind.

Das digitale FM-Ausgangssignal des Energieprozessors 36 wird über die Leitung 38 an die Informationszähl- und Wiedergabeschaltung 40 übermittelt, die zur getrennten Zählung der digitalen Eingangs signale mit Bezug auf η vorbestimmte Zeitintervalle des Schweißzyklus dient, wobei η ^4 ist und jedes Zeitintervall einem unterschiedlichen Aspekt des Schweißzyklus zugeordnet ist bzw. diesem entspricht. Typische Aspekte des Schweißzyklus schließen beispielsweise den Beginn der Aufheizung, die getrennte Fest-Plüssig-Phasenumwandlung des Materials in den beiden Werkstücken 12 und 14 in dem Schweißbereich, die Materialverschmelzung oder den Materialausstoß in dem Schmelzbereich nach dem Aufschmelzen, Abkühlungsspannungen, die während der Erstarrung der Schweißstelle vorkommen, und die Bildung von Rissen in der Postschweißperiode. Fig. 4 zeigt eine typische Ausbildung der Informationszähl- und Wiedergabeschaltung 40 und der Taktschaltung 42 nach Fig.

Das digitale FM-Ausgangssignal des Energieprozessors 36 wird gemäß Fig. 4 auf der Leitung 38 empfangen und an den jeweiligen Eingang von Zählern 101a bis 101 η gegeben^ wobei der Zähler 101 η der letzte Zähler in einer Reihe von

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η Zählern darstellt. Jeder der Zähler 101a bis 101η dient, sobald betätigt, zur Zählung der auf der Leitung 38 empfangenen digitalen Impulse mit Bezug auf einen getrennten Aspekt des Schweißzyklus. Die Taktgeberschaltung 42 gibt die notwendigen Betätigungssignale an die Zähler 101a bis 101η ab, um den Teil des digitalen Eingangssignals in den jeweiligen Zähler für den betreffenden Aspekt richtig einzuleiten, der dem jeweiligen zu messenden Aspekt des Schweißzyklus zugeordnet ist. Die Kombination des Energieprozessors 36 (Fig. 2) und der Zähler 101a bis 101η arbeitet in Übereinstimmung mit der Gleichung:

E = Tv²(t)dt
0«^

und zwar innerhalb eines Maßstabsfaktors zur Messung der Spannungswellenenergie E während eines Zeitintervalls von 0 bis T für jeden der Aspekte des zu messenden Schweißzyklus. Die Multiplizierschaltung 70 bildet den Quadratwert der augenblicklichen Wellenform des Signals der Leitung 34, der Spannungssteueroszillator 74 liefert eine, digitale Darstellung der kontinuierlichen Integration der quadratischen Wellenform und jeder der Zähler 101a bis 101η liefert eine Summe der Integration über eine spezielle Zeitperiode entsprechend dem jeweiligen Aspekt des zu messenden Schweißzyklus.

Die Taktschaltung 42 kann in bekannter Weise ausgebildet

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sein und ist in Fig. 4 unter Einschluß von Zeitgebern 102a bis 102n und Gatter 103a bis 103n dargestellt. Jeder der Zeitgeber 102a bis 102n wird intern oder durch Verbindung mit einem äusseren Programm 46 über Leitungen 48 voreingestellt, um für eine vorbestimmte Zeitperiode nach Betätigung, aktiviert zu sein und während dieser Zeit an die Eingangsleitung des jeweils zugeordneten Gatters 103a bis 103n über Leitungen 104 ein Ausgangssignal abzugeben. Der Zeitgeber 102a und ein zweiter Eingang jedes der Gatter 103a bis 103n sind über eine Leitung 72 mit dem Ausgang der Laserstromversorgung und der Triggerschaltung 50 verbunden. Die Laserstromversorgung und Triggerschaltung 50 kann eine an sich bekannte Schaltung, beispielsweise eine Fotodiode, enthalten, die sowohl zur Feststellung der Erregung des Lasers 16 als auch gleichzeitig zur Abgabe eines Triggeriinpulses auf der Leitung 52 dient, der während des gesamten Schweißzyklus fließt. Die Ausgänge der Gatter 103a bis 103n sind wiederum über Leitungen 44 mit dem zweiten Eingang der Zähler 101a bis 101n jeweils verbunden.

Zu Zwecken der Beschreibung der Wirkungsweise des vorliegenden Geräts sei angenommen, daß (a) die Werkstücke 12 und 14 aus Monel bzw. Kupfer bestehen, (b) es erwünscht ist, die von dem Schweißbereich ausgehende Spannungswellenenergie für folgende Aspekte des Schweißzyklus zu mes-

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1. Das elastische Verhalten des Materials des Werkstückes 12 (Monel), welhes Information mit Bezug auf die Reflektion und Absorption des Lichts in dem Material liefert,

2. Die Fest-Flüssig-Phasenumwandlung des Monel des Werkstückes 12 in dem Schweißbereich,

3. Die Fest-Flüssig-Phasenumwandlung von Kupfer des Werkstückes 14 in dem Schweißbereich,

4. Die aus der Mischung der beiden geschmolzenen Metalle in dem Schweißklumpen sich ergebende Spannung, auch als Materialausdehnung oder -ausstoß bekannt,

5. Die Flüssig-Fest-Phasenumwandlung des Schweißklumpens bzw. der Schweißstelle,

6. Die thermale Abkühlung und Spannungsausbildung des Schweißbereichs sowie

7. Die Bildung von Abkühlungsrissen.

Unter die obige Annahme fällt noch (c), daß das Zeitintervall innerhalb des Schweißzyklus zuvor experimentell für jeden der obigen Aspekte bestimmt worden ist und entweder in jedem der jeweiligen Zeitgeber 102a bis 102n voreingestellt worden ist, wobei η = 7 für die sieben Zeitgeber gemäß obigen Aspekten ist, oder in ein externes Programm 46 eingegeben worden ist.

Im Betrieb werden die Werkstücke 12 und 14 in sich überlappender Lage zu dem Laser 16 ausgerichtet. Der Laser 16

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wird dann unter solchen Bedingungen vorzugsweise betrieben, daß Schmelzen oder plastische Deformation eintritt, aber keine Verwerfung oder Verdampfung des Materials der Werkstücke 12 und 14, wobei gleichzeitg die Tiefe der Eindringung der Verschweißung gesteuert wird. In Abhängigkeit von dem Einschaltzustand des lasers 16 erzeugt die Laserversorgungs- und Triggerschaltung 50 einen Triggerimpuls, der sich über den gesamten Schweißzyklus erstreckt und über die Leitung 52 an die Taktgeberschaltung 42 übertragen wird. Das Auf treffen des Laserstrahls 18 auf den Schweißbereich während des Schweißzyklus führt dazu, daß Spannungswellen ausgesendet werden, die sich auf die verschiedenen Aspekte des auszumessenden Schweißzyklus beziehen, aber nicht notwendigerweise auf diese beschränkt sind. Wie zuvor beschrieben, werden die ausgesendeten Spannungswellen von folgenden Bauteilen festgestellt und verarbeitet: Sensor 20, Vorverstärker 22, Filter 28, Verstärker 32 und Energieprozessor 36, die ein digitales Signal auf der Leitung 38 entsprechend der augenblicklichen mechanischen Spannungswellenenergie erzeugen.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird der auf der Leitung 52 laufende Triggerimpuls gleichzeitig an den einen Eingang sowohl der Zeitgeberschaltung 102a und jedes der sieben Gatter 103a bis 103n gegeben, wobei η = 7 ist, d.h., ein Gatter und ein zugeordneter Zeitgeber sind jedem Aspekt

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des zu messenden Schweißzyklus zugeordnet. Das auf der Leitung 38 geführte digitale Signal wird gleichzeitig einem ersten Eingang jedes der sieben Zähler 101a bis 101η zugeführt, wobei η = g bzw. 7 ist (je ein Zähler für Jeden Aspekt des zu messenden Schweißzyklus). In Abhängigkeit von dem Triggerimpuls auf der Leitung 52 wird der Zeitgeber 102a nach einer vorbestimmten eingebauten Verzögerung erregt und liefert einen kontinuierlichen Betätigungsimpuls auf der Leitung 104 an das Gatter 103a, während einer Zeitperiode T1 entsprechend der Periode, wenn das digitalisierte Signal bezüglich der mechanischen Spannungswellenenergie für den ersten Aspekt des zu messenden Schweißzyklus am Eingang der Zähler 101a bis 101g ankommt. Das Zusammentreffen eines Triggerimpulses auf der Leitung 72 und eines Betätigungsimpulses des Zeitgebers 102a auf der Leitung 104 schaltet das Gatter 103a durchlässig und führt dazu, daß ein Betätigungsimpuls über die Leitung 44 an den Zähler 101a übertragen wird. Der Betätigungsimpuls des Gatters 103a an den Zähler 101a bringt nur den Zähler 101a dazu, die über die Leitung 38 ankommenden Impulse zu zählen, da die Zähler 101b bis 101g während dieser Zeitperi'ode gesperrt sind. Wenn der Zeitgeber 102a gesperrt wird, wird über die Leitung 106 ein Impuls an den Zeitgeber 102b übertragen, wodurch der Zeitgeber 102b während der Zeitperiode T2 erregt v/ird, was der Periode entspricht, während der das digitalisierte Signal bezüglich der mechani-

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sehen Spannungswellenenergie für den zweiten Aspekt des Schweißzyklus an dem Eingang der Zähler 101a bis 101g empfangen wird. Wenn der Zeitgeber 102b erregt wird, wird das Gatter 103b betätigt und liefert die Leitung 44 ein Betätigungssignal an den Zähler 101b, wobei das digitale Eingangssignal in den Zähler 101b geschaltet wird und die mechanische Spannungswellenenergie mit Bezug auf den zweiten Aspekt des Schweißzyklus gemessen wird. Die Zeitgeber 102c bis 102g, die Gatter 103c bis 103g und die Zähler 101c bis 101g werden in ähnlicher Weise nacheinander betätigt und stellen gewissermaßen ein "Fenster" dar, in welchem die mechanische Spannungswellenenergie mit Bezug auf jeden speziellen Aspekt des zu messenden Schweißzyklus in den zugeordneten Zähler geschaltet ist.

Nachdem die von dem Schweißbereich für jeden der sieben Aspekte emittierte mechanische Spannungswellenenergie gemessen und in den Zählern 101a bis 101g aufgezeichnet worden ist, können die in jedem Zähler stehenden Werte vorzugsweise sichtbar gemacht und mit vorbestimmten zulässigen Energiewertbereichen für jeweils einen Aspekt verglichen werden und/oder mit vorbestimmten Verhältniswerten zwischen zwei oder nehreren entsprechenden Aspekten verglichen werden oder über Leitungen 54 an geeignete Vergleichseinrichtungen 56 übertragen werden, die in der Lage sind, in ähnlicher Weise die aufgezeichneten Werte mit vor-

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bestimmten zulässigen Bereichen der Energiewerte für ^eden Aspekt und/oder vorbestimmten entsprechenden Verhältniszahlen zwischen den gemessenen Energien von zwei oder mehreren der Aspekte zu vergleichen, um die Qualität der speziellen Schweißung zu bestimmen. Typische Beispiele und Betrachtungen in dieser Beziehung sind folgende: (a) eine schlechte Schweißung kann dadurch angezeigt werden, wenn ein großer Zählstand für den Aspekt des elastischen Verhaltens entsprechend dem obigen Aspekt 1 erhalten wird, wodurch angezeigt wird, daß zwar genügend Energie in dem Schweißbereich zur Bildung der Verschweissung absorbiert worden ist, jedoch wird ein kleiner Zählstand mit Bezug auf den Materialkombinationsaspekt (obiger Aspekt 4) erhalten oder (b) eine zulässige Schweissung kann dadurch angezeigt sein, daß mit Bezug auf den Materialkombinationsaspekt ein besserer als mittlerer Zählstand erhalten worden ist und ein geringer Zählstand mit Bezug auf die Nachschweiß-Rißbildung (obiger Aspekt 7). Die Vergleichseinrichtung 56 kann vorzugsweise eine Schaltung zur Erzeugung eines Gut-Schlecht-Signals auf-weisen, welches über die Leitung 58 an eine nichtgezeigte visuelle oder höhrbare Signalgabeeinrichtung führt und die eine zulässige oder nichtzulässige Schweißung anzeigt. Beispielsweise kann ein Gut-Signal zur Anzeige einer zulässigen Schweißung erzeugt werden, wenn jedes der aufgezeigten Werte und/oder der miteinander zu vergleichenden Verhält-

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nisse beispielsweise die minimalen vorbestimmten zulässigen Werte für diese Werte und /oder Verhältnisse übersteigen, und ein Schlecht-Signal kann zur Anzeige einer unzulässigen Schweißung erzeugt werden, wenn eine oder mehrere der aufgezeichneten Werte und/oder zu vergleichenden Verhältnisse die minimal vorbestimmten zulässigen Werte für die Werte und/oder Verhältnisse nicht erreichen. Es versteht sich, daß die vorbestimmten zulässigen Meßbereiche des Energiewertes für jeden Aspekt und/oder jedes vorbestimmte Verhältnis zwischen zwei oder mehreren der gemessenen Aspekte mit denen entsprechende Energiemeßwerte und/oder entsprechende Verhältnisse nachfolgend zu vergleichen sind, leicht bestimmt werden können. Beispielsweise kann jeder vorbestimmte Meßbereich des Energiewertes und/oder jedes vorbestimmte Verhältnis durch Schaffung einer vorbestimmten Anzahl von Probeschweißungen des gleichen Typs, wie nachfolgend getestet, geschaffen werden, wobei die Bedingungen variiert werden, beispielsi-zeise Eingangsenergie an die Schweißstelle und Lichtduiäilässigkeit der Werkstücke 12 und 14 an der Schweißzwischenfläche, während die Werte der Schweißwellenenergie für jeden Aspekt aufgezeichnet werden. Die gemessenen mechanische! Schweißwellenenergiewerte können dann in Beziehung mit Daten gebracht werden, die während der Untersuchung und dem Test erhalten werden, beispielsweise Zerstörungsuntersuchungen der Probeschweißungen mit Bezug auf die Schweißstelle, Schweißstärke

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usw., um die vorbestimmten Energiewert-Bereiche und die vorbestimmten Verhältniswerte zu bestimmen.

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Claims

BLUMBACH . WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN PostadrGSse München: Patentconsult 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 COMPAN*1, Saifi 2-4 INCORPORATED NWYORK (N.Y.) U.S.A. Patentansprüche

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bewertung einer Schweißstelle in Realzeit unter Benutzung der mechanischen Spannungswellenauss endung,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Schweißzyklus in η Zeitintervalle aufgeteilt wird, wobei n^Lh ist und jedes Intervall einem unterschiedlichen Aspekt entspricht, wie sich diese in der Schweißzone während des Schweißzyklus darbieten, daß die von dar Schweißzone während jedes der Intervalle ausgesendete, mechanische Spannungswellenenergie gemessen und

daß die Güte einer speziellen Schweißung dadurch bestimmt wird, daß die für die η Zeitintervalle erhaltenen

München: Kramer · Dr. Weser · Hirse!) —Wiesbaden: Blurr.bach ■ Dr. Bergen · Zwirner

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Messungen und Meßwertverhältnisse mit einem Satz von vorbestimmten zulässigen Bereichen für Meßwerte verglichen werden, die aus einer Kombination von entsprechenden Meßwerten der η Zeitintervalle und dem entsprechenden Verhältnis zwischen mindestens zwei der Intervallmessungen ausgewählt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß vor der Meßung der mechanischen Spannungswellenenergie, die von der Schweißzone während jedes der η Intervalle eines Schweißzyklus emittiert wird,

die in dem Material der Werkstücke sich ausbreitende mechanische Wellenenergie festgestellt und ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches repräsentativ für die festgestellten Wellen ist,
daß das elektrische Signal verstärkt und daß das verstärkte elektrische Signal zur Bildung eines analogen Ausgangssignals innerhalb eines Durchlaßbandes gefiltert wird, welches im wesentlichen nur die festgestellten Spannungswellen enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches eine zulässige Schweißung anzeigt, wenn die Ergebnisse der Vergleiche anzeigen, daß die mitein-

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ander zu vergleichenden Meßwerte und Meßwertverhäitnisse den minimalen vorbestimmten zulässigen Wert für diese Messungen und Meßwertverhältnisse übersteigen.

4. Geschweißtes Werkstück einschließlich einer Schweißzone, die nach, dem Verfahren des Anspruches 1 bestimmt worden ist,

gekennzeichnet durch eine Kombination der Eigenschaften der verschweißten Metalle in der Schweißzone, die durch einen Vergleich der Energieverhältniswerte bestimmt wurde, wie diese von der Schweißzone während η Zeitintervalle des Schweißzyklus erhalten wurden, wobei nhh ist und der Vergleich mit vorbestimmten Verhältniswerten durchgeführt wurde.

5. Vorrichtung zur Feststellung und Messen von mechanischen Spannungswellen, die von einem Schweißbereich zwischen einem ersten und einem zweiten, miteinander zu verschweissenden Werkstücken ausgehen, zur zerstörungsfreien Bewertung der Verschweißung in Realzeit gemäß Anspruch 1, mit einem Sensor zur Feststellung der in dem Material der Werkstücke sich ausbreitenden mechanischen Spannungswellen und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, welches repräsentativ für die festgestellten Wellen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste signalverarbeitende Einrichtung
. i) einen Verstärker (22) zur Verstärkung des elektrischen

Ausgangssignals des Sensors (20) und ii) ein Bandpassfilter (28) aufweist, welches an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist und zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals dient, welches innerhalb eines Durchlaßbandes außerhalb des Bereichs von Frequenzen fällt, die normalerweise durch Bauteile in der Nähe der Vorrichtung erzeugt werden, und daß eine zweite signalverarbeitende Einrichtung (32,36, 40,42,46,56) an dem Ausgang der ersten signalverarbeitenden Einrichtung (20,22,28) angeschlossen ist und zur Bestimmung der Zulässigkeit der Schweißung dient, indem die Spannungswellenenergie in jedem von η Intervallen eines Schweißzyklus gemessen wird, wobei n<Z 4 ist und jedes Intervall einem unterschiedlichen Aspekt entspricht, wie dieser in dem Schweißbereich während des Schweißzyklus vorkommt, wobei ferner die Meßwerte mit vorbestimmten zulässigen Meßwertbereichen verglichen werden, die aus Kombinationen von entsprechenden Meßwerten der η Zeitintervalle und den entsprechenden Verhältniswerten zwischen mindestens zwei Zeitintervall-Meßwerten ausgewählt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalverarbeitungseinrichtung

i) eine Codiereinrichtung (36) aufweist, die an den Ausgang der ersten Signalverarbeitungseinrichtung (22,28)

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angeschlossen ist und zur Erzeugung eines digitalen Signals dient, welches für die Energie des Ausgangssignals der ersten Signalverarbeitungseinrichtung indikativ ist, und daß die zweite Signalverarbeitungseinrichtung ferner eine Zähleinrichtung (40) zum getrennten Zählen der digitalen Impulse der Codiereinrichtung während jedes von η Zeitintervallen besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinrichtung (36) eine Multiplizierschaltung (70) zur Quadrierung des Ausgangssignals der ersten Signalverarbeitungseinrichtung und eine Spannungssteuer-Oszillatorschaltung (74) aufweist, die an die Multiplizierschaltung angeschlossen ist und zur Erzeugung eines digitalen frequenzmodulierten Signals dient, welches die Energie des quadrierten Signals der Multiplizierschaltung anzeigt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (40) zur getrennten Zählung der digitalen Impulse eine Mehrzahl von η Zähler (101a bis 101n), für jedes der η Zeitintervalle eines, sowie Zeitgeber (102a bis 102n) aufweist, die zur Schaltung des von der Codiereinrichtung kommenden und jedem der η Zeitintervalle zugeordneten digitalen Signals auf den jeweiligen Zähler (101a bis 101n) dient.

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ORIQWAL SNSPECTlD

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8_f dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Energieverar— beitsmgseinrichtmig eine Vergleichseinrichtung {5S} aufweist,, die zum Vergleich der Meßwerte aus einer Kombination von ausgewählten MeBwerten der η Zeitintervalle bzw. den Meßwertverhaltnis zwischen mindestens zweien dieser Zeitintervalle mit vorbestimmten zulässigen Bereichen für derartige Meßwerte und ihre Verhältnisse sowie zur Erzeugung eines Äusgangssignals dient, welches eine zulässige Schweißung anzeigt,, wenn ^eder der verglichenen Meßwerte und Meßwertverhältttisse den minimalen vorbestimmten zulässigen ¥ert für derartige Meßwerte und ihre Verhältnisse übersteigt.

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