DE4325878C2 - Verfahren zur Bewertung von Widerstandsschweißverbindungen - Google Patents
Verfahren zur Bewertung von WiderstandsschweißverbindungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bewer
tung von Schweißvorgängen und inbesondere von Wider
standsschweißungen, unter Verwendung einer Ultraschall
quelle, die den Schweißbereich mit Ultraschallwellen
beaufschlagt, und eines Ultraschallempfängers, der
Schwächungsänderungen der Scherwellen für die Beurtei
lung der Schweißstelle registriert.
In Materials Evaluation; Nr. 47 vom August 1989, Seiten
935-943 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der
Schweißbereich bzw. der Schweißpunkt während des gesam
ten Widerstandsschweißprozesses durchschallt wird. Der
Widerstandsschweißprozeß besteht i.a. aus drei Phasen.
Die erste Phase ist die sogenannte Vorpreßzeit. In
dieser Zeit fließt kein Strom. Die Elektroden schließen
sich und es wird die Elektrodenkraft von 1-3 KN aufge
baut. Danach folgt die Stromflußphase, in der die Ble
che aufgeheizt werden. An die Stromflußphase schließt
sich die Nachpreßzeit oder Abkühlphase an. In dieser
Phase kühlt die Schweißlinse ab, erst danach öffnen
sich die Schweißelektroden. Alle drei Phasen sind im
Regelfall gleich lang.
Die Durchschallung erfolgt bei dem vorgenannten Verfah
ren mit einem longitudinalen Ultraschallgeber im Fre
quenzbereich von 2 MHz, der innerhalb der Schweißelek
troden am Elektrodenboden angebracht ist. Die Durch
schallung beginnt in der Vorpreßzeit, in der noch kein
Strom fließt und dauert bis zum Ende der Nachpreßphase.
Insbesondere wird dabei die Ultraschalldurchlässigkeit
des Schweißpunktes in der Nachpreßphase bewertet, wobei
die Abkühldauer bis zum Erreichen des Minimums der
Ultraschalldurchlässigkeit bestimmt und mit dem aufge
schmolzenen Schweißlinsenvolumen korreliert wird.
Das Minimum der Ultraschalldurchlässigkeit entsteht
nach der in diesem Artikel vertretenen Ansicht am Um
wandlungspunkt des Eisens vom austenitischen in den
ferritischen Zustand (Curiepunkt) infolge einer erhöh
ten Ultraschallabsorption an diesem Umwandlungspunkt.
Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, daß der
Schweißprozeß bereits beendet ist und die Schweißlinse
abkühlt, wenn die Schweißlinsenbewertung durchgeführt
wird. Der Schweißprozeß kann nicht mehr beeinflußt
werden. Eine als fehlerhaft erkannte Schweißung kann
allenfalls nachgeschweißt werden.
Aus der DE-AS 26 55 415 ist eine Vorrichtung zum Über
wachen eines Widerstands-Punktschweißvorgangs bekannt,
bei der der Schweißpunkt vom inneren Elektrodenboden
aus während des Stromflusses durchschallt wird, wobei
das an der gegenüberliegenden Elektrode reflektierte
Ultraschallsignal empfangen und ausgewertet wird.
In dieser Druckschrift wird über die benutzte Wellenart
nichts ausgesagt; der Verlauf der Ultraschalldurch
lässigkeit hängt aber wesentlich von der benutzten
Wellenart ab, so daß die Annahme, daß die Schalldurch
lässigkeit des Schweißpunktes während des Schweißvor
ganges zunächst ein relatives Maximum erreicht, dann
auf ein Minimum abfällt und im weiteren Verlauf wieder
auf ein zweites Maximum ansteigt, nicht nachvollziehbar
ist.
Das erste Maximum der Ultraschalldurchlässigkeit wird
dadurch erklärt, daß der Temperaturanstieg in den zu
verschweißenden Blechen den Ultraschallkontakt zwischen
den Elektroden und dem Blech sowie zwischen den Blechen
verbessert. Das darauffolgende Minimum soll davon her
rühren, daß das Schweißgut aufschmilzt. Das aufge
schmolzene Eisen erhöht die Ultraschallabsorption und
reduziert die Schalldurchlässigkeit. Der im weiteren
Verlauf der Schweißung sich ergebende erneute Anstieg
der Ultraschalldurchlässigkeit wird nicht erklärt,
obwohl - wie erst erfindungsgemäß erkannt worden ist -
dieser Anstieg wesentlich für die Bewertung des
Schweißvorganges ist. Das Bewertungsverfahren ermittelt
den Betrag des erneuten Anstieges der Ultraschalldurch
lässigkeit. Aus dieser Meßgröße wird die Größe der
Schweißlinse bestimmt. Die physikalische Erklärung für
dieses Verfahrensprinzip ist in sich widersprüchlich.
Das Verfahren beruht auf der Messung der Differenz
zweier Ultraschalldurchlässigkeitswerte.
Das in Materials Evaluation; Nr. 15 vom Oktober 1967,
Seiten 226-230 vorgeschlagene Verfahren arbeitet
ebenfalls mit Ultraschallsensoren, die hochfrequente
longitudinale Ultraschallsignale im Frequenzbereich von
2 MHz erzeugen, mit denen die Durchschallung der
Schweißpunkte durchgeführt wird.
Nach Ansicht der Autoren ist jedoch mit einer Durch
schallung des Schweißpunktes dessen Bewertung nicht
möglich, zumindest nicht in der Abkühlphase. Die Auto
ren dieses Artikels begründen dies mit einer Spaltbil
dung zwischen den Schweißelektroden und den zu ver
schweißenden Blechen. Bei der Erstarrung der Schweiß
linse schrumpft das Material, wodurch sich zwischen
Elektrode und Blech ein Spalt bildet, der die Ultra
schalldurchlässigkeit vermindert.
Weiterhin kann aus dem Verlauf der Ultraschalldurch
lässigkeit vor, während und nach der Schweißung, ledig
lich auf das Maß der Wärmeeinbringung in den Schweiß
punkt geschlossen werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird deshalb der
Verlauf der Ultraschalldurchlässigkeit des gesamten
Schweißvorganges von der Vorpreßzeit bis einschließlich
der Abkühlphase mit einem vorgegebenen Musterverlauf
verglichen. Das Verfahren analysiert jedoch nicht das
Verhalten der Ultraschalldurchlässigkeit während der
Stromflußphase.
In Materialprüfung 32 (1990) 10; Seiten 311-312 wer
den Untersuchungsergebnisse zur Ultraschallprüfung von
Punktschweißungen vorgestellt:
Bei diesen Untersuchungen wird die Schalldurchlässig
keit in der Vorpreßzeit vor Beginn des Stromflusses
verglichen mit der Ultraschalldurchlässigkeit in der
Nachpreßzeit nach Beendigung des Stromflusses.
Das Absinken der Ultraschalldurchlässigkeit der
Schweißlinse in der Abkühlphase gegenüber der höheren
Ultraschalldurchlässigkeit vor der Schweißung wird mit
einer Spaltbildung zwischen Elektrode und Blech er
klärt. Dabei wird die Ansicht vertreten, daß es wegen
der Spaltbildung zwischen Schweißelektroden und den zu
verschweißenden Blechen prinzipiell unmöglich ist, mit
einer Durchschallung der Schweißpunkte Klebeschweißun
gen zu erkennen.
Das hier beschriebene technische Handeln beschränkt
sich also auf einen Vergleich der Ultraschalldurchläs
sigkeit des Schweißpunktes vor und nach der Stromfluß
phase. Die Ultraschalldurchlässigkeit während der
Stromflußphase wird nicht analysiert.
In der russischen Druckschrift SU 57 32 90 wird ein
Verfahren zur Bewertung von Schweißvorgängen beschrie
ben, das eine Ultraschallquelle vorsieht, die den
Schweißbereich mit Scherwellen, d. h. transversalen
Wellen, beaufschlagt. Ein Ultraschallempfänger nimmt
die während des Schweißvorganges auftretende
Schwächungsänderung der Scherwellen auf, deren Verlauf
während der Abkühlphase, nach dem Ende der
Stromflußphase, ein Kriterium für die Beurteilung der
Schweißstelle bildet. Es wird die Ansicht vertreten,
daß die Scherwellendurchlässigkeit in der
Stromflußphase nicht zur Schweißpunktbewertung ge
eignet ist und es wird vorgeschlagen, den Zeitpunkt des
Wiederanstiegs der Durchlässigkeitswerte in der Ab
kühlphase zur Schweißpunktbewertung zu nutzen.
Aus den im folgenden reihenhaft aufgezählten Druck
schriften, die sich ebenfalls mit der Untersuchung der
Schallwellencharakteristik von Signalen bei Punkt
schweißprozessen befassen, sind nur allgemeine Informa
tionen über die Bildung von Punktschweißstellen zu
entnehmen. Aussagen über eine In-situ-Messung, mit
deren Hilfe die Punktschweißstelle während des gesamten
Schweißvorganges erfaßt und größenmäßig aufgenommen
werden kann, sind diesen Druckschriften nicht zu ent
nehmen.
Schließlich ist die US-Druckschrift US 3 384 733 zur
Vollständigkeit des Standes der Technik zu nennen, aus
der ebenso eine Vorrichtung zur Untersuchung von
Schweißstellen mit Hilfe Ultraschalltechniken hervor
geht. Auch diese bekannte Vorrichtung arbeitet mit
hochfrequenten Longitudinalwellen, wobei aus dem
maximalen Durchlässigkeitswert während der
Stromflußphase die Schweißpunktgröße bestimmt wird. Der
physikalische Zusammenhang zwischen dem maximalen
Durchlässigkeitswert während der Stromflußphase und der
Schweißpunktgröße wird nicht erläutert. Aus der Fig. 7
der angegebenen Druckschrift ist zu entnehmen, daß
größere Durchlässigkeitswerte in der Stromflußphase
größeren Schweißpunkten entsprechen, was mit den für
Scherwellen entwickelten Vorstellungen nicht zu verste
hen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Bewertung von Schweißvorgängen und inbesondere von
Widerstandsschweißungen, unter Verwendung einer Ultra
schallquelle, die den Schweißbereich mit Ultraschall
wellen beaufschlagt, und eines Ultraschallempfängers,
der Schwächungsänderungen der Scherwellen für die Beur
teilung der Schweißstelle registriert, anzugeben, das
eine on-line-Bewertung der Schweißung erlaubt und das
insbesondere während des Zeitraumes, währenddem ein
aufgeschmolzener Bereich existiert, Aussagen über den
Schweißvorgang sowie der Schweißbereichsgröße liefert.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im
Anspruch 1 angegeben.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Tem
peraturabhängigkeit der Ultraschalldurchlässigkeit der
Schweißlinse bzw. des Schweißpunktes in der Stromfluß
phase für die Schweißpunktbewertung zu nutzen, wobei
insbesondere die Schallschwächung von Scherwellen, also
beispielsweise transversaler Ultraschallwellen oder
Torsionswellen beim Durchgang durch flüssige Medien
genutzt wird. Erfindungsgemäß wird deshalb aus dem
Ausgangssignal des Ultraschallempfängers der Zeitpunkt
ts ermittelt, an dem die Schmelztemperatur Ts des
Schweißgutes erreicht wird, und sich eine Schweißlinse
zu bilden beginnt. Anschließend wird aus der Schwächung
der Scherwellen nach dem Erreichen der Aufschmelztempe
ratur während des Schweißvorganges das Schweißlinsen
volumen V berechnet.
Bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Vorschlä
gen, ausgenommen die in der DE-AS 26 55 415 be
schriebene Vorrichtung, wird nicht die Ultraschall
durchlässigkeit des Schweißpunktes während der Strom
flußphase analysiert. Auch in der SU 57 32 90 be
schränkt sich die Analyse der Durchlässigkeit auf die
Abkühlphase der Schweißstelle nach dem Ende der
Stromflußphase.
Die Bewertung der Ultraschalldurchlässigkeit des
Schweißpunktes während der Stromflußphase beschränkt
sich jedoch in der DE-AS 26 55 415 auf die Bestimmung
der Differenz zweier Amplitudenwerte: der Differenz
zwischen der Ultraschalldurchlässigkeit am Ende der
Stromflußphase und dem Minimalwert der Ultraschall
durchlässigkeit während der Stromflußphase. Eine physi
kalische Erklärung für diese Vorgehensweise wird nicht
gegeben. Das Bewertungsverfahren selbst steht darüber
hinaus im Widerspruch zu den Erkenntnissen der vorlie
genden Erfindung über die Temperaturabhängigkeit der
Ultraschalldurchlässigkeit der Schweißpunkte für Trans
versal- bzw. Torsionswellen.
Wesentliche Gründe für die Temperaturabhängigkeit der
Ultraschalldurchlässigkeit der Schweißpunkte sind näm
lich bisher nicht erkannt worden. Dies wird im folgen
den näher erläutert:
In den eingangs genannten Druckschriften werden unter
schiedliche Ursachen für die Veränderung der Ultra
schalldurchlässigkeit während der einzelnen Phasen des
Schweißprozesses genannt. Beispielsweise wird eine
erhöhte Schallschwächung bei der Curietemperatur oder
am Schmelzpunkt angenommen. Des weiteren wird eine
Spaltbildung zwischen den Schweißelektroden und den
Blechen für die Ultraschallschwächung in der Abkühl
phase verantwortlich gemacht.
Im Gegensatz dazu geht die Erfindung davon aus, daß die
Durchschallung des Schweißpunktes - beispielsweise von
den Schweißelektroden aus - modellmäßig als Ultra
schalldurchgang durch eine planparallele Platte be
schrieben werden kann, wobei die Elektroden die Rolle
des schallein- bzw. ableitenden Mediums spielen, und
das Schweißgut die Rolle der durchschallten Platte.
Diese Modellvorstellung gilt entsprechend auch für
andere Schweißverfahren, wie beispielsweise Laser
schweißungen, bei denen die Erfindung ebenfalls anwend
bar ist.
Erfindungsgemäß wird nun die Tatsache genutzt, daß
Scherwellen, wie Transversal- oder Torsionswellen in
Flüssigkeiten nicht bzw. schlecht ausbreitungsfähig
sind. Die Ultraschallschwächung dieser Wellen wird nach
Erreichen der Schmelztemperatur durch die Größe des
aufschmelzenden Schweißlinsenvolumens bestimmt. Aus dem
Wert der Ultraschallschwächung nach Erreichen der
Schmelztemperatur im Schweißpunkt wird direkt die Größe
des Schweißlinsendurchmessers ermittelt.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Nach Anspruch 2 kann das momentane Schweißlinsenvolumen
V zum Zeitpunkt t < ts über folgende Beziehung bestimmt
werden:
V = B′ * (D(t) - D(ts)) + C′ (12)
hierbei bedeuten:
B′, C′ experimentell bestimmte Konstanten
D(t) Ultraschalldurchlässigkeit zum Zeitpunkt t
D(ts) Ultraschalldurchlässigkeit beim Erreichen der Schmelztemperatur.
B′, C′ experimentell bestimmte Konstanten
D(t) Ultraschalldurchlässigkeit zum Zeitpunkt t
D(ts) Ultraschalldurchlässigkeit beim Erreichen der Schmelztemperatur.
Gleichung 12 drückt aus, daß die Schwächung der
Scherwellen nach Erreichen der Schmelztemperatur pro
portional zur Schweißpunktgröße ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das am Ende
der Schweißung erreichte Schweißlinsenvolumen V aus dem
Zeitraum t vom Aufschmelzzeitpunkt bis zum Ende der
Schweißung über folgende Beziehung zu bestimmen:
V = B′′ * Δt + C′′, (13)
hierbei sind B′′ und C′′ ebenfalls experimentell zu er
mittelnde Konstanten.
Gleichung 13 soll die Proportionalität zwischen der
Schweißdauer nach Erreichen des Aufschmelzzeitpunktes
und der Größe des Schweißpunktes ausdrücken.
Im Anspruch 4 ist angegeben, daß das in einem Zeitraum
Δt vom Erreichen der Schmelztemperatur bis zum Ende der
Schweißung erreichbare Schweißlinsenvolumen über fol
gende Beziehung ermittelt werden kann:
V = B′′′ (ts-D(ts)/([D(ts+δt)-D(ts)]/δt))+C′′′ (14)
Gleichung 14 drückt folgenden Zusammenhang aus: Nähert
man die Durchlässigkeitskurve im Bereich sinkender
Durchlässigkeiten durch eine Gerade an, z. B. durch eine
Ausgleichsgerade, oder aber durch eine Gerade durch den
Aufschmelzzeitpunkt ts mit der Steigung der Durch
lässigkeitskurve an diesem Punkt, dann steht der Zeit
punkt, an dem diese Gerade die Zeitachse schneidet, in
linearer Beziehung mit der Größe der Schweißstelle.
Weiterhin ist es gemäß Anspruch 9 möglich, zur Bestim
mung der Schalldurchlässigkeit D(t) des Schweißbereichs
während jeder Stromhalbwelle des Schweißstromes aus dem
Ausgangssignal A(t) des Ultraschallempfängers innerhalb
eines ersten Zeitfensters i, das gegenüber dem Ultra
schall-Sendesignal, dessen Sendepegel konstant gehalten
wird, um eine definierte Verzögerungszeit verzögert
ist, die mittlere Ultraschallenergie E1i gemäß der
folgenden zu ermitteln:
Innerhalb eines zweiten, vor oder nach dem ersten Zeit
fenster liegenden Zeitfensters, während dem keine Be
aufschlagung des Schweißgutes mit Ultraschallwellen
erfolgt, kann die durch den Schweißvorgang entstehende
mittlere Schallemissionsenergie E2j gemäß der folgenden
Gleichung ermittelt werden
Eine Alternative hierzu ist im Anspruch 10 angegeben.
Gemäß der dort angegebenen Vorgehensweise wird zur
Bestimmung der Schalldurchlässigkeit D(t) des Schweiß
bereichs während jeder Stromhalbwelle des Schweißstro
mes aus dem Ausgangssignal A(t) des Ultraschallempfän
gers innerhalb eines ersten Zeitfensters i, das gegen
über dem Ultraschall-Sendesignal, dessen Sendepegel
konstant gehalten wird, um eine definierte Verzöge
rungszeit verzögert ist, die Ultraschallgröße E1i aus
dem maximalen innerhalb dieses Zeitfensters auftreten
den Ausgangssignals A(t) ermittelt. Innerhalb eines
zweiten, vor oder nach dem ersten Zeitfenster liegenden
Zeitfensters, während dem keine Beaufschlagung des
Schweißgutes mit Ultraschallwellen erfolgt, wird die
durch den Schweißvorgang entstehende Schallemissions
größe E2j aus dem maximalen innerhalb des zweiten Zeit
fensters auftretenden Ausgangssignal A(t) ermittelt.
Die in den Ansprüche 9 oder 10 angegeben Verfahrens
schritte erlauben es, daß bestimmte Meßwerte für die
Ultraschalldurchlässigkeit D korrigiert werden, wenn
der laufend bestimmte Schallemissionspegel E2j einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die Korrektur
kann dadurch erfolgen, daß der gestörte Schalldurch
lässigkeitswert E1i durch den Mittelwert der beiden
Nachbarwerte ersetzt wird (Anspruch 12).
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfüh
rungsbeispiels näher erläutert:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus den wäh
rend der Schweißung gemessenen Werten für die Schall
durchlässigkeit D(t) die Schallgeschwindigkeit c₂(t)
im Schweißpunkt zu ermittelt.
Für Widerstandsschweißungen von Blechen können die im
folgenden angegebenen Näherungsformeln verwendet wer
den, die für den Anwendungsfall "Schalldurchgang durch
eine planparallele Platte" gelten. Bei anderen Konfigu
rationen und/oder Schweißverfahren sind die Näherungs
formeln entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall
abzuwandeln:
D(t) = 1/(1+1/4 * (m(t)-1/m(t))² * sin²(2 * Π * d/λ)) (3)
wobei
m(t) = Z₁/Z₂ und (2)
Z₁ = σ₁ * c₁(t)
Z₂ = σ₂ * c₂(t) (1)
Z₂ = σ₂ * c₂(t) (1)
In den Gl. (1)-(3) bedeuten:
Z₁ = Schallwellenwiderstand der Elektroden,
Z₂ = Schallwellenwiderstand der Schweißlinse,
m = Verhältnis der Schallwellenwiderstande Z₁/Z₂,
D = Ultraschalldurchlässigkeitsfaktor,
σ₁ = Dichte der Schweißelektroden,
σ₂ = Dichte des Schweißgutes,
c₁ = Schallgeschwindigkeit des Elektrodenmaterials,
c₂ = Schallgeschwindigkeit des Schweißgutes,
d = Dicke der Schweißbleche,
λ = Ultraschallwellenlänge.
Z₂ = Schallwellenwiderstand der Schweißlinse,
m = Verhältnis der Schallwellenwiderstande Z₁/Z₂,
D = Ultraschalldurchlässigkeitsfaktor,
σ₁ = Dichte der Schweißelektroden,
σ₂ = Dichte des Schweißgutes,
c₁ = Schallgeschwindigkeit des Elektrodenmaterials,
c₂ = Schallgeschwindigkeit des Schweißgutes,
d = Dicke der Schweißbleche,
λ = Ultraschallwellenlänge.
Aus Gleichung (3) erkennt man, daß der Durchlässig
keitsfaktor D vom Verhältnis m der Schallwellenwider
stände der Elektrode Z₁, und dem Schallwellenwiderstand
Z₂ des Schweißgutes, abhängt. Die Schallwellenwider
stände der Schweißelektrode Z₁ und des Schweißgutes Z₂
ergeben sich nach Gleichung (1) näherungsweise aus dem
Produkt von Dichte σ und Schallgeschwindigkeit c in dem
jeweiligen Medium.
Die Erfindung geht nun davon aus, daß die Änderung der
Ultraschalldurchlässigkeit des Schweißpunktes durch die
temperaturbedingte Änderung der Schallgeschwindigkeit
c₂ im Schweißpunkt verursacht wird und zwar dadurch,
daß bei einer Änderung der Schallgeschwindigkeit c₂ im
Schweißpunkt, sich nach Gleichung (1) der Schallwellen
widerstand Z₂ des Schweißpunktes verändert, während der
Schallwellenwiderstand der Elektroden Z₁ konstant
bleibt. Damit ändert sich das Verhältnis der Schallwel
lenwiderstände m und entsprechend Gleichung (3) der
Durchlässigkeitsfaktor D. Der Term mit sin² (2 * Π * d/λ)
soll im Folgenden als Konstante betrachtet und zunächst
unberücksichtigt bleiben.
Nimmt man an, daß die Schweißelektroden aus Kupfer sind
und die zu verschweißenden Bleche aus Eisen, dann ist
zu Beginn der Stromflußphase (bei Raumtemperatur) der
Schallwellenwiderstand in Kupfer (Z₁ = 20,1) kleiner,
als der Schallwellenwiderstand in Eisen (Z₂ = 25,3).
Der Durchlässigkeitsfaktor D ist damit zu Beginn der
Schweißung nach Gleichung (3): D < 1.
Beim Schweißen sinkt infolge der Temperaturerhöhung die
Schallgeschwindigkeit im Eisen und damit auch der
Schallwellenwiderstand Z₂. Die Schalldurchlässigkeit D
erreicht nach Gleichung (3) temperaturbedingt zunächst
ein Maximum, nämlich zu dem Zeitpunkt t, bei dem der
Schallwellenwiderstand des Eisens Z₂ den Wert des
Schallwellenwiderstandes der Schweißelektroden Z₁ an
nimmt; in diesem Fall ist m = 1 und nach Gleichung (3)
ist dann die Durchlässigkeit D des Schweißpunktes maxi
mal d. h. D = 1.
Bei einer weiteren Temperaturerhöhung nimmt der Schall
wellenwiderstand des Eisens weiter ab, und damit wird
auch der Durchlässigkeitsfaktor D wieder kleiner. Die
Schalldurchlässigkeit des Schweißpunktes wird bis zum
Erreichen der Schmelztemperatur durch Gleichung (3)
bestimmt. Nach Erreichen der Schmelztemperatur wird die
Schalldurchlässigkeit weiter vermindert, jetzt jedoch
durch die starke Schallschwächung von Scherwellen in
flüssigen Medien. Der Schwächungsgrad der Transversal
wellen nach Erreichen der Schmelztemperatur Ts hängt
direkt von der Größe des aufgeschmolzenen Volumens ab.
Ein erneuter Anstieg der Ultraschalldurchlässigkeit ist
deshalb im Gegensatz zu Aussagen des Standes der Tech
nik (DE-AS 26 55 415) kein Zeichen für eine gute
Schweißung, sondern läßt auf Störungen im Schweißprozeß
schließen. Vor allem aber beziehen sich die Aussagen im
Stand der Technik nicht auf Scherwellen.
Beim Punktschweißprozeß kommt es vor, daß das aufge
schmolzene Schweißgut z. B. durch Spritzerbildung oder
zu geringem Elektrodendruck während der Schweißung aus
der Schweißlinse herausgedrückt wird. In diesem Fall
geht der Schweißlinse flüssiges Schweißgut verloren,
samt der darin gespeicherten Wärmeenergie. Dieser Ef
fekt macht sich durch einen Wiederanstieg des Durch
lässigkeitsfaktors D bemerkbar.
Ausgehend von dem Zusammenhang zwischen der Ultra
schalldurchlässigkeit D und dem Schallwellenwiderstand
Z₂ im Schweißpunkt, läßt sich aus Gleichung (3) mit der
Näherung sin(a)≈a, der in Gleichung (4) dargestellte
Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit c₂ im
Schweißpunkt und dem Durchlässigkeitsfaktor D des
Schweißpunktes ableiten.
In Gleichung (4) bedeutet f die Ultraschallfrequenz.
Damit kann dem Durchlässigkeitsfaktor D(t) mit Hilfe
von Gleichung (4) die Schallgeschwindigkeit im Schweiß
gut c₂(t) zugeordnet werden. Das erfindungsgemäße Ver
fahren ermöglicht es damit, den Temperaturverlauf im
Schweißpunkt T(t) als Funktion der Schweißdauer zu
ermitteln. Dabei wird die Schallgeschwindigkeit c₂(t)
im Schweißpunkt mit einer vorgegebenen Temperaturabhän
gigkeit der Schallgeschwindigkeit c₂(T) verglichen.
Dies geschieht dadurch, daß die ermittelte Schallge
schwindigkeit c₂(t) mit einer vorgegebenen Temperatur
abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Schweißgut,
c₂ (T), verglichen wird. Dazu wird in diesem Ausfüh
rungsbeispiel für die Temperaturabhängigkeit der
Schallgeschwindigkeit im Schweißgut beispielhaft die
folgende angenommene lineare Beziehung benutzt.
T(t) = (c₂₀ - c₂(t)) * Ts/ Δc₂ (4′)
In dieser Gleichung bedeutet
c₂₀ die Schallgeschwindigkeit im Schweißgut bei Raum temperatur,
Ts die Schmelztemperatur des Schweißgutes und
Δc₂ die Differenz der Schallgeschwindigkeiten zwischen Raumtemperatur und Schmelztemperatur.
c₂₀ die Schallgeschwindigkeit im Schweißgut bei Raum temperatur,
Ts die Schmelztemperatur des Schweißgutes und
Δc₂ die Differenz der Schallgeschwindigkeiten zwischen Raumtemperatur und Schmelztemperatur.
Diese Beziehung kann durch eine für den jeweiligen
Anwendungsfall experimentell oder theoretisch ermittel
te Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit
ersetzt werden.
Im weiteren wird aus dem ermittelten Temperaturverlauf
T(t) im Schweißpunkt durch Vergleich mit der Schmelz
temperatur des Eisens Ts, der Aufschmelzzeitpunkt ts
des Schweißgutes bestimmt. Der ermittelte Aufschmelz
zeitpunkt ts kennzeichnet den Beginn der Schweißlinsen
bildung.
Der ermittelte Aufschmelzpunkt ts kennzeichnet dabei
den Beginn der Schweißlinsenbildung, wobei die ab die
sem Zeitpunkt zugeführte Energie zur Schweißlinsenbil
dung dient.
Für den zeitlichen Temperaturverlauf T(t) im Schweißgut
kann ein funktionaler Zusammenhang nach Gleichung (5)
angenommen werden.
T(t) = A * (1-exp - (B * t)) (5)
Dabei gelten für die Konstanten A und B die Beziehungen
A = J² * Ro * d/k (6)
B = k/ (cv * σ * d) (7)
In Gleichung (6) und (7) bedeuten
J die Stromdichte durch den Schweißpunkt, wobei die
Stromdichte J der Schweißstrom I dividiert durch
die Elektrodenfläche Fe ist, bzw. bei runden
Elektroden gilt mit dem Elektrodendurchmesser ⌀e
die Beziehung: J=I/ (4Π⌀e2),
Ro der spezifische elektrische Widerstand des Schweißgutes,
d die Blechdicke,
k die Wärmeleitzahl des Systems Blech/Elektrode,
σ die Dichte des Schweißgutes,
cv die spez. Wärme des Schweißgutes.
Ro der spezifische elektrische Widerstand des Schweißgutes,
d die Blechdicke,
k die Wärmeleitzahl des Systems Blech/Elektrode,
σ die Dichte des Schweißgutes,
cv die spez. Wärme des Schweißgutes.
Aus den Gleichungen (6) und (7) ergibt sich für die
Stromdichte folgender Zusammenhang:
J² = A * B * cv * σ/d (8)
Daraus leitet sich ab, daß die Stromdichte durch den
Schweißpunkt direkt proportional dem Produkt der Kon
stanten A und B ist. Die Proportionalitätskonstanten
sind bekannte Materialkonstanten.
Zur Ermittlung der absoluten Schweißlinsengröße kann
bei Messung der Stromstärke I der Elektrodendurchmesser
⌀e nach Gleichung (9)
⌀² = I² * Ro/(A * B * cv * σ) (9)
bestimmt werden. In Gleichung (9) bedeutet
I den Effektivwert der Stromstärke,
A, B die Konstanten aus Gleichung 5, Ro der spez. elektrischen Widerstand des Schweißgutes,
cv die spez. Wärme des Schweißgutes,
σ die Dichte des Schweißgutes.
I den Effektivwert der Stromstärke,
A, B die Konstanten aus Gleichung 5, Ro der spez. elektrischen Widerstand des Schweißgutes,
cv die spez. Wärme des Schweißgutes,
σ die Dichte des Schweißgutes.
Durch Verwendung einer vorgegebenen Temperaturabhängig
keit der Schallgeschwindigkeit, z. B. nach Gleichung
(4′) kann nach Gleichung (4) jedem Durchlässigkeitswert
D ein Temperaturwert in der Schweißlinse zugeordnet
werden. Ist ein erstes Minimum in der Schalldurchläs
sigkeit des Schweißpunktes erreicht worden, bedeutet
ein erneuter Anstieg der Ultraschalldurchlässigkeit
einen Abfall der Temperatur im Schweißpunkt. Unter
schreitet die Temperatur im Schweißpunkt während der
Stromflußphase einen vorgegebenen Schwellenwert z. B.
die Schmelztemperatur, ist dies ein Hinweis auf eine
Störung des Schweißprozesses und wird angezeigt.
Die Anzeige erfolgt dann, wenn ein zweites relatives
Maximum der Ultraschalldurchlässigkeit erreicht wird
und dieses Durchlässigkeitsmaximum einen vorgegebenen
Höchstwert überschreitet.
Des weiteren kann kontinuierlich die Korrektur des
Schweißlinsendurchmessers erfolgen. Wird eine Störung
in der Weise angezeigt, daß die Temperatur der Schweiß
linse für eine Zeitdauer t₃ die Schmelztemperatur un
terschreitet, dann muß das durchgeführte Verfahren zur
Ermittlung des Schweißlinsendurchmessers derart modifi
ziert werden, daß bei der Berechnung des Schweißlinsen
durchmessers nach Gleichung (13) die Zeitdauer t₃, wäh
rend der die Temperatur der Schweißlinse unterhalb der
Schmelztemperatur bleibt, von der Gesamtschweißdauer t
abgezogen wird.
Für die Ermittlung des Schweißlinsendurchmessers wird
desweiteren die starke Ultraschallschwächung von Scher
wellen, wie Transversal- bzw. Torsionswellen in flüssi
gen Medien genutzt. Während sich Longitudinalwellen in
idealen Flüssigkeiten gut ausbreiten können, sind diese
für Transversal- bzw. Torsionswellen undurchlässig.
Der Wert der Ultraschallschwächung von Transversal-
bzw. Torsionswellen hängt nach Erreichen der
Schmelztemperatur von der Größe des aufgeschmolzenen
Schweißlinsenvolumens ab. Eine maximale Schwächung wird
erreicht, wenn der aufgeschmolzene Schweißlinsendurch
messer die Größe des gesamten durchschallten Bereichs,
d. h. die Größe des Elektrodendurchmessers erreicht.
Der Schweißlinsendurchmesser kann damit direkt während
der Schweißung aus dem Betrag der Ultraschalldurch
lässigkeit nach Erreichen der Schmelztemperatur ermit
telt werden.
In der Praxis ist es vorteilhaft, den zeitlichen Ver
lauf der Ultraschalldurchlässigkeit D(t) auf den Maxi
malwert zu normieren. D.h. man dividiert die Durch
lässigkeitswerte durch den Maximalwert. Das Maximum der
Ultraschalldurchlässigkeit hat dann den Wert 1.
Der Minimalwert der normierten Ultraschalldurchlässig
keit Dmin ist dann direkt mit dem Schweißlinsendurch
messer ⌀ korreliert. Es besteht entsprechend Gleichung
(11) folgende Beziehung:
⌀ = ⌀e * (D₁-Dmin)/(D₁-D₂) (10)
D₁ Schalldurchlässigkeit am Schmelzpunkt,
D₂ Schalldurchlässigkeit bei maximaler Schweißlin sengröße
⌀e Elektrodendurchmesser.
D₂ Schalldurchlässigkeit bei maximaler Schweißlin sengröße
⌀e Elektrodendurchmesser.
D₁ und D₂ müssen durch Probeschweißungen ermittelt
werden.
Die Schweißlinsengrößenbestimmung kann gegenüber Stör
einflüssen verbessert werden, indem auch die zeitliche
Ableitung der normierten Ultraschalldurchlässigkeit
(D′(t)) ausgewertet wird.
Hierzu wird vom Beginn der Schweißung an jeweils die
Differenz der Ultraschalldurchlässigkeiten von zwei
benachbarten Durchschallungszeitpunkten bestimmt. Diese
Differenzwerte entsprechen näherungsweise der zeit
lichen Ableitung der Ultraschalldurchlässigkeit D′(t).
Ist die Differenz (2. Wert - 1. Wert) erstmals negativ,
dann ist das Maximum der Ultraschalldurchlässigkeit
überschritten. Unterschreitet im folgenden die normier
te Ultraschalldurchlässigkeit einen vorgegebenen Wert
(Aufschmelzzeitpunkt), dann werden ab diesem Zeitpunkt
die negativen Differenzwerte aufsummiert. Die Summen
bildung wird fortgeführt, solange die Differenzwerte
negativ sind und ihr Betrag größer ist als ein vorgege
bener Wert. Anschließend wird der Mittelwert D′m der
aufsummierten Werte gebildet. Aus D′m und aus dem Zeit
punkt für das Minimum der Ableitung tmin wird während
der Schweißung nach Gleichung (14) bzw. (11) der
Schweißlinsendurchmesser ⌀ errechnet.
⌀ = ⌀e * (-K1 * (D(tmin)/D′m-tmin)+K₂) (11)
K₁, K₂ Konstanten, die durch Probeschweißungen ermit
telt werden müssen,
D(tmin) ist der Wert der normierten Ultraschalldurch lässigkeit zum Zeitpunkt des Minimums der Ab leitung.
D(tmin) ist der Wert der normierten Ultraschalldurch lässigkeit zum Zeitpunkt des Minimums der Ab leitung.
Aus den bisherigen Ausführungen geht hervor, daß der
Verlauf der Ultraschalldurchlässigkeitsfaktoren in
einem Schweißpunkt als Funktion der Schweißdauer durch
den Temperaturverlauf im Schweißpunkt bestimmt wird.
Dies gilt bis zum Erreichen der Schmelztemperatur im
Schweißgut. Danach wird der Ultraschalldurchlässig
keitsfaktor durch die Größe des aufgeschmolzenen
Schweißlinsenvolumens bestimmt. Bei bekannten Materia
lien von Schweißelektroden und Schweißgut und bei be
kannter Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindig
keiten kann damit für jede Schweißstromstärke ein
Musterverlauf des Ultraschalldurchlässigkeitsfaktors
als Funktion der Schweißdauer vorherberechnet oder im
Rahmen von Probeschweißungen experimentell aufgezeich
net werden.
Durch diesen Musterverlauf ist der Temperaturverlauf im
Schweißpunkt und die Schweißlinsengröße festgelegt.
Beispielsweise müssen das Maximum der Durchlässigkeit
und die Schmelztemperatur nach vorgegebenen Zeiten er
reicht werden.
In der Praxis ist neben einer Bewertung der
Schweißpunkte eine Regelung des Schweißprozesses er
wünscht, um schlechte Schweißungen zu vermeiden. Die
Regelung des Schweißprozesses kann in der Weise erfol
gen, daß der Verlauf der Ultraschalldurchlässigkeit mit
einem vorgegebenen Musterverlauf (Sollwert) verglichen
wird. Bei Abweichungen von diesem Musterverlauf werden
die Schweißparameter, z. B. die Stromstärke entsprechend
verändert, bis die nachfolgenden Durchlässigkeitswerte
wieder mit dem Musterverlauf übereinstimmen.
Die Messung der Schallemission in einem zweiten Meßfen
ster, das z. B. jeweils direkt vor den Einschallzeit
punkten liegt, hat den Zweck Störungen bei der Bestim
mung der Ultraschalldurchlässigkeitswerte, z. B. durch
Spritzerbildung, zu erkennen. Werden in einem der zwei
ten Meßfenster Störsignale festgestellt, dann wird der
nachfolgende Meßwert entsprechend dem Störeinfluß kor
rigiert oder durch den Mittelwert der Meßwerte vor und
nach der Störung ersetzt.
Die Auswahl und die Anordnung des oder der Ultraschall
sender und des oder der Ultraschallempfänger erfolgt
entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall. Gegebenen
falls kann auch ein und derselbe Sensor als Ultra
schallsender und -empfänger verwendet werden.
Darüberhinaus ist es auch möglich, Ultraschallwellen
mit Laserstrahlen anzuregen.
Claims (16)
1. Verfahren zur on-line-Bewertung von Schweißvorgän
gen und inbesondere von Widerstandsschweißungen, unter
Verwendung einer Ultraschallquelle, die den Schweißbe
reich mit Scherwellen beaufschlagt, und eines Ultra
schallempfängers, der Schwächungsänderungen der
Scherwellen für die Beurteilung der Schweißstelle
registriert,
dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausgangssignal des
Ultraschallempfängers der Zeitpunkt ts ermittelt wird, an
dem die Schmelztemperatur Ts des Schweißgutes erreicht
wird, und sich eine Schweißlinse zu bilden beginnt,
deren Schweißlinsenvolumen V nach Erreichen der Auf
schmelztemperatur während des Schweißvorganges aus der
Schwächung der Scherwellen berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das momentane Schweißlin
senvolumen V zum Zeitpunkt t < ts über folgende Bezie
hung bestimmt wird:
V = B′ * (D(t) - D(ts)) + C′hierbei bedeuten:
B′, C′ experimentell bestimmte Konstanten
D(t) Ultraschalldurchlässigkeit zum Zeitpunkt t
D(ts) Ultraschalldurchlässigkeit beim Erreichen der Schmelztemperatur.
B′, C′ experimentell bestimmte Konstanten
D(t) Ultraschalldurchlässigkeit zum Zeitpunkt t
D(ts) Ultraschalldurchlässigkeit beim Erreichen der Schmelztemperatur.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das am Ende der Schweißung
erreichte Schweißlinsenvolumen V aus dem Zeitraum Δt
vom Aufschmelzzeitpunkt bis zum Ende der Schweißung
über folgende Beziehung bestimmt wird:
V = B′′ * t + C′′,hierbei sind B′′ und C′′ experimentell zu ermittelnde
Konstanten.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Zeitraum t
vom Erreichen der Schmelztemperatur bis zum Ende der
Schweißung erreichbare Schweißlinsenvolumen über fol
gende Beziehung ermittelt wird:
V = B′′′ (ts-D(ts)/([D(ts+δt)-D(ts)]/δt))+C′′′
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt, an dem die
Schmelztemperatur Ts erreicht wird, dadurch ermittelt
wird, daß der Zeitpunkt bestimmt wird, an dem sich die
zeitliche Änderung der Schwächung der Scherwellen von
einem vergleichsweise kleinen auf einen vergleichsweise
großen Wert ändert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - die Schallgeschwindigkeit c₂ der Scherwellen im Schweißbereich wird als Funktion der Zeit t ermittelt,
- - aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit c₂(t) im Schweißbereich wird die Temperatur T(t) des Schweißbe reichs durch Vergleich mit einer vorherbestimmten Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit c₂ (t) im Schweißgut als Funktion der Schweißdauer ermittelt,
- - aus dem Temperaturverlauf T(t) im Schweißbereich wird durch Vergleich mit der Schmelztemperatur des Schweißgutes Ts der Aufschmelzzeitpunkt ts des Schweiß gutes bestimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißvorgan
ges die Ultraschalldurchlässigkeit D(t) (Ultraschall
durchlässigkeitsfaktor) als Funktion der Zeit gemessen
und hieraus die momentane Schallgeschwindigkeit c₂(t)
im Schweißpunkt ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallgeschwindig
keit c₂(t) aus der Ultraschalldurchlässigkeit D(t)
mittels folgender Gleichung berechnet wird:
wobei bedeuten:
σ₁ Dichte der Schweißelektroden bzw. der Ultraschall quelle
σ₂ Dichte des Schweißgutes,
c₁ Schallgeschwindigkeit des Elektroden- bzw. Quellen materials,
c₂ Schallgeschwindigkeit des Schweißgutes,
d Dicke der Schweißlinse,
f Ultraschallfrequenz.
σ₁ Dichte der Schweißelektroden bzw. der Ultraschall quelle
σ₂ Dichte des Schweißgutes,
c₁ Schallgeschwindigkeit des Elektroden- bzw. Quellen materials,
c₂ Schallgeschwindigkeit des Schweißgutes,
d Dicke der Schweißlinse,
f Ultraschallfrequenz.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Schall
durchlässigkeit D(t) des Schweißbereichs während jeder
Stromhalbwelle des Schweißstromes aus dem Ausgangssig
nal A(t) des Ultraschallempfängers
- - innerhalb eines ersten Zeitfensters i, das gegen über dem Ultraschall-Sendesignal, dessen Sendepegel konstant gehalten wird, um eine definierte Verzöge rungszeit verzögert ist, die mittlere Ultraschallener gie E1i gemäß der folgender Gleichung ermittelt wird,
- - und innerhalb eines zweiten, vor oder nach dem ersten Zeitfenster liegenden Zeitfensters, währenddem keine Beaufschlagung des Schweißgutes mit Ultraschall wellen erfolgt, die durch den Schweißvorgang entstehen de mittlere Schallemissionsenergie E2j gemäß der fol genden Gleichung ermittelt wird
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Schall
durchlässigkeit D(t) des Schweißbereichs während jeder
Stromhalbwelle des Schweißstromes aus dem Ausgangssig
nal A(t) des Ultraschallempfängers
- - innerhalb eines ersten Zeitfensters i, das gegen über dem Ultraschall-Sendesignal, dessen Sendepegel konstant gehalten wird, um eine definierte Verzöge rungszeit verzögert ist, die Ultraschallgröße E1i aus dem maximalen innerhalb dieses Zeitfensters auftreten den Ausgangssignals A(t) ermittelt wird,
- - und innerhalb eines zweiten, vor oder nach dem ersten Zeitfenster liegenden Zeitfensters, währenddem keine Beaufschlagung des Schweißgutes mit Ultraschall wellen erfolgt, die durch den Schweißvorgang entstehen de Schallemissionsgröße E2j aus dem maximalen innerhalb des zweiten Zeitfensters auftretenden Ausgangssignal A(t) ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Meßwerte für die
Ultraschalldurchlässigkeit D korrigiert werden, wenn
der laufend bestimmte Schallemissionspegel E2j einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur dadurch er
folgt, daß der gestörte Schalldurchlässigkeitswert E1i
durch den Mittelwert der beiden Nachbarwerte ersetzt
wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Scherwellen transversa
le Ultraschallwellen oder Torsionsschallwellen sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke gemessen
und aus der gemessenen Stromstärke der momentane Elek
trodendurchmesser ⌀e ermittelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß für den zeitlichen Tempera
turverlauf T(t) bis zum Erreichen der Schmelztemperatur
im Schweißgut angenommen wird
T(t) = A * (1-exp - (B * t))wobei für die Konstanten A und B die Beziehungen
gelten:A = J² * Ro * d/k
B = k/(cv * σ * d)es bedeuten
J die Stromdichte durch den Schweißpunkt,
Ro der spezifische elektrische Widerstand des Schweißgutes,
d die Blechdicke,
k die Wärmeleitzahl des Systems Blech/Elektrode,
σ die Dichte des Schweißgutes,
cv die spez. Wärme des Schweißgutes.
B = k/(cv * σ * d)es bedeuten
J die Stromdichte durch den Schweißpunkt,
Ro der spezifische elektrische Widerstand des Schweißgutes,
d die Blechdicke,
k die Wärmeleitzahl des Systems Blech/Elektrode,
σ die Dichte des Schweißgutes,
cv die spez. Wärme des Schweißgutes.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß während der Schweißung
durch Änderung der Stromstärke I oder der Schweißdauer
t das Schweißergebnis beeinflußt wird.
Priority Applications (1)
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