DE4325878C2 - Verfahren zur Bewertung von Widerstandsschweißverbindungen - Google Patents

Verfahren zur Bewertung von Widerstandsschweißverbindungen

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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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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