EP1060051A1 - Testing a weld seam - Google Patents

Testing a weld seam

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Publication number
EP1060051A1
EP1060051A1 EP99904675A EP99904675A EP1060051A1 EP 1060051 A1 EP1060051 A1 EP 1060051A1 EP 99904675 A EP99904675 A EP 99904675A EP 99904675 A EP99904675 A EP 99904675A EP 1060051 A1 EP1060051 A1 EP 1060051A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weld seam
welding
weld
height
sheet metal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99904675A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Wildmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elpatronic AG
Original Assignee
Elpatronic AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elpatronic AG filed Critical Elpatronic AG
Publication of EP1060051A1 publication Critical patent/EP1060051A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/035—Aligning the laser beam

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for testing the weld seam of a weld connection made in the butt joint by deep welding with a laser beam.
  • tailored blanks Usage-tailored and welded sheet metal parts, so-called "tailored blanks", are being used increasingly in particular in the automotive industry. On the one hand, savings in raw material can be achieved and process planning and execution can be simplified.
  • Such "tailored blanks” are made by laser welding in the butt joint. The edges of two complementarily cut sheet metal parts are butted against each other, fixed with a clamping device and passed through a welding station equipped with a laser. In particular, high-power lasers are used for this, with which deep welding can be carried out.
  • welding plane which is spanned by the weld seam and the laser beam.
  • the stability and thus the quality of the weld seam of the depth welding process depends on numerous parameters, for example the welding speed, the properties of the laser and the properties of the workpieces, especially the edge surface and the edge course.
  • the gas dynamic conditions ie the type of supply of the process gas, the extraction of the welding smoke and the ventilation of the laser beam tube are of considerable importance. All of these parameters are in a complex and unstable equilibrium during the welding process.
  • a disturbance in the equilibrium position due to accidental changes in the influencing variables can lead to a brief interruption of the deep welding and irregular ejection of the melt from the welding bath.
  • the locally missing metal is replenished by the liquid welding bath.
  • drop-like material deposits can extend over the entire width of the weld seam in a length of 0.5 mm to 5 mm and have a height of approximately 1 mm. Since this ejected and deposited material no longer flows back into the welding capillary, a crater, a furrow or a gap forms in the weld seam before such a drop-like deposit.
  • Such welding errors occur regularly when welding with high-power lasers and are generally not tolerated according to the specifications for the weld seam quality of welded connections with laser beam as defined in ISO 13919-1.
  • the method disclosed in this document is based on the detection of the weld seam profile by means of an optical system. Evaluation devices can then assess whether the weld seam profile of the welded connection of sheet metal parts meets the quality requirements or not. With this method, welding profile measurements are carried out approximately every 15 mm.
  • a method and a device are to be created with which welding defects, in particular craters, furrows, gaps and / or material accumulations along the weld seam can be detected in a simple manner and thus the fulfillment of the specifications mentioned in ISO 13919-1 can be checked.
  • This object is achieved according to the invention with a method for welding seam testing in accordance with claim 1 and with a device with the features of claim 5.
  • means are provided for detecting the welding errors mentioned in a butt joint by means of deep welding with a laser beam of sheet metal parts by means of which the weld seam height is continuously scanned along the weld seam. This means that craters, furrows and crevices as well as the material accumulations described above on the weld seam can be recorded.
  • sampled height values are transmitted to a display and / or evaluation device.
  • the evaluation device can compare the sampled values with the various quality levels of ISO 13919-1, display the exact positions of the welding defects and / or save the measured data.
  • the method according to the invention is therefore characterized by an extremely simple measuring principle, which allows a simple device structure and is a reliable, uncomplicated and inexpensive method for welding seam inspection and detection of welding defects.
  • a mechanically deflectable needle is provided, the deflection of which can be converted, for example, with the aid of piezo crystals into electrical signals.
  • Figure 1 is a schematic view of a flawless weld.
  • FIG. 3 shows a schematic view of a weld seam with crater formation
  • Fig. 5 is a schematic representation of a preferred embodiment
  • FIG. 1 schematically shows a weld seam 11 of a weld connection of two sheet metal parts 12 and 13 of different thickness which was made in the butt joint by deep welding with a laser beam.
  • the weld seam width 14, the height Profile 15 perpendicular to the weld seam and the surface structure 16 along the weld seam depend on the welding parameters, such as the properties of the laser, the properties of the workpieces, in particular the edge surface, the edge course and edge preparation, as well as the thickness of the sheet edges and the welding speed - speed.
  • the width of the weld seam 14 can vary from 0.3 to 1.3 mm.
  • the weld seam 11 In the case of a welded connection of sheet metal parts that conforms to the standard, the weld seam 11 generally has a scale-like surface structure 16 whose variations in the weld seam height along the weld seam are in the range of a few hundredths of a millimeter, for example 0.02 mm.
  • sheet metal part refers to metallic, preferably made of steel flatware, such as e.g. Metal strips, metal sheets or metal plates of any size, thickness and surface.
  • the welded connection of sheet metal parts described here relates to a connection made by welding between two sheet metal edges, wherein the sheet metal edges can have different thicknesses and do not necessarily have to originate from two separate sheets, but can also belong to a previously rounded one-piece sheet metal, for example.
  • butt joint is used here to denote the position of sheet metal parts whose sheet metal edges are butted and fixed against one another.
  • welding seam height includes depressions as well as elevations of the weld seam.
  • FIG. 2 shows schematically the situation at the location of the welding process.
  • a high-power laser beam 21 strikes the sheet metal parts 22 and 23 to be welded (the latter not shown).
  • the incident energy of the laser beam 21 leads to the melting of the sheet metal parts 22, 23 and forms a welding bath 27.
  • the heat caused by the laser beam 21 generates a plasma 24 which forms a deep and narrow capillary 25 in the welding bath 27.
  • the relative movement R of the laser beam 21 and sheet metal parts 22, 23 creates a zone 26 behind the weld pool 27 with solidified weld metal, which forms the weld seam. It can be seen from FIG.
  • the liquefied metal 28 lying in front of the laser beam 21 switches to the rear side 29 of the laser beam 21 due to the relative movement R during the welding process and is preferably deposited on the top of the zone 26.
  • the capillary 25 fills with liquid weld metal when the balance of the plasma 24 is disturbed, and therefore no or only a partial weld connection is established. If the laser beam 21 strikes an already existing welding bath 27, larger quantities of the liquid weld metal can be ejected explosively. These ejections are usually deposited behind the welding beam on the welding seam and can be clearly recognized as teardrop-shaped deformations.
  • the weld seam 31 shown in FIG. 3 of a welded connection between two sheet metal parts 32 and 33 of the same thickness has a welding defect in the form of a crater 34, a drop-shaped material deposit 35 being located directly behind.
  • craters also known as pinholes with a diameter of approx. 0.1 mm and more, can have different depths, typically do not extend over the entire width of the weld seam and are preferably located in the middle of the weld seam.
  • the teardrop-shaped "material deposits 35" lead to weld seam elevations which can extend over the entire width of the weld seam and have a length of approximately 0.5 mm to approximately 5 mm and a height of several tenths of a millimeter. 8th
  • the schematic view of a weld seam 41 shown in FIG. 4 between two sheet metal parts 42, 43 of the same thickness has a welding defect in the form of a weld seam gap 44, a drop-shaped material deposit 45 being located directly behind this column 44.
  • Such weld seam gaps generally have a length of 0.05 to 0.2 mm and typically do not extend over the entire weld seam, but have a width of approximately 0.2 mm.
  • the weld seam gaps 44 are often in the form of holes with a diameter of approximately 0.2 mm.
  • the drop-shaped material deposits 45 lead to weld seam elevations which have a height of several tenths of a millimeter.
  • FIG. 5 schematically shows a device for carrying out the method according to the invention.
  • Optical means 54 are preferably used to scan the height of the weld seam along the weld seam 51 of a weld connection of two sheet metal parts 52, 53 with different thicknesses.
  • these optical means 54 comprise three optical distance meters equipped with semiconductor lasers, which are preferably arranged at an inclination angle of 30 ° from the surface normal.
  • a detector needle is used instead of the optical detectors, which is guided along the weld seam 51.
  • the deflections of this detector needle can be converted into electrical signals with the aid of piezo crystals, which in turn are processed with corresponding threshold value circuits.
  • the structure of these detectors is not part of the present invention and is not explained in detail here. What is essential for the selection of suitable detectors is their ability to detect height differences of the order of several tenths of a millimeter. tern safe and easy to determine. In particular, it should be possible to detect weld seam elevations of this magnitude.
  • the advantages of the method according to the invention can be seen in the simplicity of the detection of welding defects - in particular by the sole detection of weld seam elevations - during deep welding with high-power lasers. In addition, the continuous scanning of the weld seam leads to a reliable detection of these welding errors.

Abstract

The testing of weld seams obtained by laser welding of a butt joint poses considerable difficulties. According to the invention, to detect welding defects the weld seam length is scanned continuously along the weld seam and welding defects are detected on the basis of excessively raised areas of the weld seam.

Description

SchweissnahtprüfungWeld inspection
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schweissnahtprüfung einer im Stumpfstoss durch Tiefenschweissung mit Laserstrahl erfolgten Schweiss- verbindung gemass Obergriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method and a device for testing the weld seam of a weld connection made in the butt joint by deep welding with a laser beam.
Verwendungsspezifisch zugeschnittene und verschweisste Blechteile, sogenannte "tailored blanks", finden insbeson- dere in der Automobilindustrie eine immer breitere Anwendung. Damit können einerseits Einsparungen an Rohmaterial erzielt werden und kann die Prozessplanung und Prozessdurchführung vereinfacht werden. Solche "tailored blanks" werden durch Laserschweissen im Stumpfstoss angefertigt. Dabei werden die Kanten zweier komplementär geschnittener Blechteile stumpf gegeneinandergestossen, mit einer Klemmvorrichtung fixiert und durch eine mit einem Laser ausgestatteten Schweissstation geführt. Insbesondere werden dafür Hochleistungslaser verwendet, mit denen eine Tiefen- schweissung vorgenommen werden kann.Usage-tailored and welded sheet metal parts, so-called "tailored blanks", are being used increasingly in particular in the automotive industry. On the one hand, savings in raw material can be achieved and process planning and execution can be simplified. Such "tailored blanks" are made by laser welding in the butt joint. The edges of two complementarily cut sheet metal parts are butted against each other, fixed with a clamping device and passed through a welding station equipped with a laser. In particular, high-power lasers are used for this, with which deep welding can be carried out.
Hochleistungslaser führen ausser zum Schmelzen auch zum Verdampfen des Metalls und zur Bildung eines Plasmas. Der Dampfdruck des sich oberhalb und im Bereich der Schmelze befindlichen Plasmas öffnet eine schmale und tiefe Kapillare im Schmelzbad. Die sich oberhalb des Ξchmelzbades, dem sogenannten Schweissbad, bildende Plasmawolke bzw. Plasmafackel kann allerdings zu heiss und zu dicht werden, was eine Abschirmung der Laserstrahlung und einen Unterbruch des Schweissprozesses zur Folge haben kann. In der Regel wird deshalb ein Prozessgas, meist Helium oder Argon zur Kühlung des Plasmas und damit zur Verringerung seiner Dichte zugeführt. Bei der Tiefenschweissung mit Laserstrahl fliesst laufend flüssiges Metall in die Kapillare, welches unter Umständen wieder explosionsartig ausgeworfen werden kann. Die meisten dieser Auswürfe bzw. Spritzer fliegen innerhalb der "Schweissebene" , die durch die Schweissnaht und den Laserstrahl aufgespannt wird. Die Stabilität und damit die Schweissnahtqualität des Tiefenschweissprozesses hängt von zahlreichen Parametern ab, bspw. der Schweissgeschwindigkeit , den Eigenschaften des Lasers und der Beschaffenheit der Werkstücke, insbeson- dere der Kantenoberfläche und dem Kantenverlauf. Für ein reproduzierbares und gleichmässiges Schweissergebnis sind die gasdynamischen Verhältnisse, d.h. die Art der Zuführung des Prozessgases, die Absaugung des Schweissrauchs und die Belüftung des Laserstrahlrohrs von erheblicher Bedeutung. All diese Parameter befinden sich während des Schweisspro- zesses in einem komplexen und labilen Gleichgewicht.In addition to melting, high-power lasers also lead to vaporization of the metal and the formation of a plasma. The vapor pressure of the plasma located above and in the area of the melt opens a narrow and deep capillary in the weld pool. However, the plasma cloud or plasma torch that forms above the melting bath, the so-called welding bath, can become too hot and too dense, which can result in shielding of the laser radiation and an interruption in the welding process. As a rule, a process gas, usually helium or argon, is supplied to cool the plasma and thus to reduce its density. During deep welding with a laser beam, liquid metal continuously flows into the capillary, which under certain circumstances can be thrown out again explosively. Most of these sputts or spatter fly within the "welding plane", which is spanned by the weld seam and the laser beam. The stability and thus the quality of the weld seam of the depth welding process depends on numerous parameters, for example the welding speed, the properties of the laser and the properties of the workpieces, especially the edge surface and the edge course. For a reproducible and uniform welding result, the gas dynamic conditions, ie the type of supply of the process gas, the extraction of the welding smoke and the ventilation of the laser beam tube are of considerable importance. All of these parameters are in a complex and unstable equilibrium during the welding process.
Eine Störung der Gleichgewichtslage durch zufällige Veränderungen der Einflussgrössen kann zum kurzzeitigen Unter- bruch der Tiefenschweissung und unregelmässigen Auswürfen der Schmelze aus dem Schweissbad führen. Bei kleineren ausgeworfenen Materialmengen wird das lokal fehlende Metall durch das flüssige Schweissbad wieder ergänzt. Werden jedoch substantielle Mengen ausgeworfen, so findet keine Ausheilung statt und es kommt zu tropfenartige Materialablagerungen auf der Schweissnaht. Diese Materialablagerungen können sich über die gesamte Schweissnahtbreite in einer Länge von 0.5 mm bis 5 mm erstrecken und eine Höhe von ca. 1 mm aufweisen. Da dieses ausgeworfene und abgela- gerte Material nicht mehr in die Schweisskapillare zurück- fliesst, entsteht vor einer solchen tropfenartigen Ablagerung ein Krater, eine Furche oder ein Spalt in der Schweissnaht. Derartige Schweissfehler treten regelmässig beim Schweissen mit Hochleistungslasern auf und werden nach den in ISO 13919-1 definierten Spezifikationen zur Schweissnahtqualität von Schweissverbindungen mit Laserstrahl im allgemeinen nicht toleriert.A disturbance in the equilibrium position due to accidental changes in the influencing variables can lead to a brief interruption of the deep welding and irregular ejection of the melt from the welding bath. With smaller quantities of material ejected, the locally missing metal is replenished by the liquid welding bath. However, if substantial amounts are ejected, there is no healing and there is drop-like material deposits on the weld seam. These material deposits can extend over the entire width of the weld seam in a length of 0.5 mm to 5 mm and have a height of approximately 1 mm. Since this ejected and deposited material no longer flows back into the welding capillary, a crater, a furrow or a gap forms in the weld seam before such a drop-like deposit. Such welding errors occur regularly when welding with high-power lasers and are generally not tolerated according to the specifications for the weld seam quality of welded connections with laser beam as defined in ISO 13919-1.
Es sind deshalb verschiedene Verfahren bekannt, mit welchen die Qualität einer Schweissnaht geprüft werden soll. Insbesondere sind dem Fachmann Verfahren zur Schweissnahtprüfung beim Tiefenschweissen mit Laserstrahl im Stumpf- εtoss, bspw. aus dem Patent (Soudronic) bekannt.Various methods are therefore known with which the quality of a weld seam is to be checked. In particular, the person skilled in the art is familiar with methods for welding seam testing during deep welding with a laser beam in the butt εtoss, for example from the patent (Soudronic) known.
Das in dieser Druckschrift offenbarte Verfahren beruht auf der Detektion des Schweissnahtprofils mittels eines optischen Systems. Auswerteeinrichtungen können dann bewerten, ob das Schweissnahtprofil der Schweissverbindung von Blechteilen den Qualitätsanforderungen entspricht oder nicht. Bei diesem Verfahren werden ca. alle 15 mm Schweisspro- filmessungen vorgenommen.The method disclosed in this document is based on the detection of the weld seam profile by means of an optical system. Evaluation devices can then assess whether the weld seam profile of the welded connection of sheet metal parts meets the quality requirements or not. With this method, welding profile measurements are carried out approximately every 15 mm.
Andere bekannte Schweissnahtprüfverfahren, wie bspw. in der US-4,827,099 beschrieben, überwachen den Schweissprozess selbst und beruhen auf der Detektion des von der Plasmawolke emittierten UV-Lichtes und der von den glühenden Schweissspritzern emittierten IR-Strahlung. Schweissfehler werden bei diesem Verfahren durch Vergleich der gemessenen Spektralwerte mit gespeicherten Referenzwerten detektiert. Ein derartiges Verfahren zur Schweiεsprozessüberwachung verlangt ein aufwendiges Erstellen von Referenzwerten und erfordert einen komplizierten Detektionsaufbau. Leider treten dabei immer wieder Falschmeldungen auf, da bei diesem Verfahren im wesentlichen nur zwei Messgrössen des komplexen Schweissprozesses berücksichtigt werden.Other known welding seam testing methods, such as described in US Pat. No. 4,827,099, monitor the welding process itself and are based on the detection of the UV light emitted by the plasma cloud and the IR radiation emitted by the glowing welding spatter. With this method, welding errors are detected by comparing the measured spectral values with stored reference values. Such a method for welding process monitoring requires complex creation of reference values and requires a complicated detection structure. Unfortunately, false messages always occur, since this method essentially only takes two measurement variables of the complex welding process into account.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver- fahren und eine Vorrichtung zur Schweissnahtprüfung beim Tiefenschweissen mit Laserstrahl im Stumpfstoss zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht aufweisen und insbesondere imstande sind, Schweissnähte in einfacher Weise und verlässlich zu prüfen.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device for welding seam testing during deep welding with a laser beam in the butt joint, which do not have the disadvantages of the known methods and devices and in particular are able to test weld seams in a simple and reliable manner.
Insbesondere soll ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, mit welchen Schweissfehler, insbesondere Krater, Furchen, Spalten und/oder Materialanhäufungen entlang der Schweissnaht in einfacher Weise detektiert werden können und damit die Erfüllung der in ISO 13919-1 genannten Spezifikationen kontrolliert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem Verfahren zur Schweissnahtprüfung gemass Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Ins- besondere werden zur Erfassung der genannten Schweissfehler bei einer im Stumpfstoss durch Tiefenschweissung mit Laserstrahl erfolgten Schweissverbindung von Blechteilen Mittel vorgesehen, mit denen die Schweissnahthöhe längs der Schweissnaht kontinuierlich abgetastet wird. Damit können sowohl Krater, Furchen und Spalten als auch die oben beschriebene Materialanhäufungen auf der Schweissnaht erfasst werden.In particular, a method and a device are to be created with which welding defects, in particular craters, furrows, gaps and / or material accumulations along the weld seam can be detected in a simple manner and thus the fulfillment of the specifications mentioned in ISO 13919-1 can be checked. This object is achieved according to the invention with a method for welding seam testing in accordance with claim 1 and with a device with the features of claim 5. In particular, means are provided for detecting the welding errors mentioned in a butt joint by means of deep welding with a laser beam of sheet metal parts by means of which the weld seam height is continuously scanned along the weld seam. This means that craters, furrows and crevices as well as the material accumulations described above on the weld seam can be recorded.
Da bei der Tiefenschweissung mittels Hochleistungslaser Schweissfehler in der Schweissnaht immer von nachliegenden tropfenförmigen Materialablagerungen begleitet sind, welche eine über die gesamte Schweissnahtbreite signifikante Schweissnahtüberhöhung erzeugen, werden in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens lediglich die Schweissnahtüberhöhungen detektiert.Since in deep welding by means of high-power lasers, welding defects in the weld seam are always accompanied by droplet-like material deposits which produce a significant increase in weld seam width over the entire weld seam width, in a preferred embodiment of the method according to the invention only the weld seam peaks are detected.
Es versteht sich, dass die abgetasteten Höhenwerte einer Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtung übermittelt werden. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung die abgetasteten Werte mit den verschiedenen Qualitätsabstufungen der ISO 13919-1 vergleichen, die genauen Positionen der Schweissfehler anzeigen und/oder die gemessenen Daten speichern.It is understood that the sampled height values are transmitted to a display and / or evaluation device. In particular, the evaluation device can compare the sampled values with the various quality levels of ISO 13919-1, display the exact positions of the welding defects and / or save the measured data.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich also durch ein äusserst einfaches Messprinzip aus, welches einen einfachen Vorrichtungsaufbau zulässt und ein verlässliches, unkompliziertes und kostengünstiges Verfahren zur Schweissnahtprüfung und Erfassung von Schweissfehlem darstellt.The method according to the invention is therefore characterized by an extremely simple measuring principle, which allows a simple device structure and is a reliable, uncomplicated and inexpensive method for welding seam inspection and detection of welding defects.
Dieses einfache Messprinzip erlaubt es, verschiedensteThis simple measuring principle allows a wide variety
Mittel zum kontinuierlichen Abtasten der Schweissnahthöhe längs der Schweissnaht einzusetzen. Es versteht sich, dass alle dem Fachmann bekannten Mittel zur Distanzmessung verwendet werden können. Als geeignete Mittel können optische Distanzmesser gesehen werden, mit denen die Schweissnaht kontinuierlich abgetastet werden kann.Use means for continuous scanning of the weld seam height along the weld seam. It goes without saying that all means known to those skilled in the art can be used for distance measurement. Optical distance meters with which the weld seam can be scanned continuously can be seen as suitable means.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsge ässen Verfahrens ist eine mechanisch auslenkbare Nadel vorgesehen, deren Auslenkung bspw. mit Hilfe von Piezokristallen in elektrische Signale umgewandelt werden kann.In a further embodiment of the method according to the invention, a mechanically deflectable needle is provided, the deflection of which can be converted, for example, with the aid of piezo crystals into electrical signals.
Als Mittel zum Abtasten der Schweissnahthöhe längs der Schweissnaht können handelsübliche Vorrichtungen zur Di- stanzmessung verwendet werden.Commercially available devices for distance measurement can be used as a means for scanning the height of the weld seam along the weld seam.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs- beispiels und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigtThe invention will be explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment and with the aid of the figures. It shows
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer fehlerfreien Schweissnaht;Figure 1 is a schematic view of a flawless weld.
Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Tiefenschweiss- prozess;2 shows a schematic illustration of the deep welding process;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Schweissnaht mit Kraterbildung ;3 shows a schematic view of a weld seam with crater formation;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Schweissnaht mit Spalte;4 shows a schematic view of a weld seam with gaps;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bevorzugtenFig. 5 is a schematic representation of a preferred
Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.Embodiment of the device according to the invention.
Figur 1 zeigt schematisch eine Schweissnaht 11 einer im Stumpfstoss durch Tiefenschweissung mit Laserstrahl erfolgten Schweissverbindung zweier Blechteile 12 und 13 unterschiedlicher Stärke. Die Schweissnahtbreite 14, das Höhen- profil 15 senkrecht zur Schweissnaht und die Oberflächenstruktur 16 längs der Schweissnaht sind abhängig von den Schweissparametern, wie z.B. den Eigenschaften des Lasers, der Beschaffenheit der Werkstücke, insbesondere der Kanten- Oberfläche, des Kantenverlaufs und der Kantenvorbereitung, sowie der Stärke der Blechkanten und der Schweissgeschwin- digkeit. So kann bspw. die Schweissnahtbreite 14 von 0.3 bis 1.3 mm variieren. Bei einer der Norm entsprechenden Schweissverbindung von Blechteilen besitzt die Schweissnaht 11 im allgemeinen eine schuppenartige Oberflächenstruktur 16 deren Variationen in der Schweissnahthöhe längs der Schweissnaht im Bereich von wenigen Hunderstel Millimetern, bspw. 0.02 mm liegen.FIG. 1 schematically shows a weld seam 11 of a weld connection of two sheet metal parts 12 and 13 of different thickness which was made in the butt joint by deep welding with a laser beam. The weld seam width 14, the height Profile 15 perpendicular to the weld seam and the surface structure 16 along the weld seam depend on the welding parameters, such as the properties of the laser, the properties of the workpieces, in particular the edge surface, the edge course and edge preparation, as well as the thickness of the sheet edges and the welding speed - speed. For example, the width of the weld seam 14 can vary from 0.3 to 1.3 mm. In the case of a welded connection of sheet metal parts that conforms to the standard, the weld seam 11 generally has a scale-like surface structure 16 whose variations in the weld seam height along the weld seam are in the range of a few hundredths of a millimeter, for example 0.02 mm.
Der hierin verwendete Ausdruck "Blechteil" bezieht sich auf metallisches, vorzugsweise aus Stahl angefertigtes Flachzeug, wie z.B. Metallbänder, Metallblätter oder Metallplatten beliebiger Grosse, Stärke und Oberfläche. Die hierin beschriebene Schweissverbindung von Blechteilen bezieht sich auf eine durch Schweissen angefertigte Verbindung zweier Blechkanten, wobei die Blechkanten unterschiedliche Stärke aufweisen können und nicht notwendigerweise von zwei getrennten Blechen stammen müssen, sondern auch einem bspw. vorgängig gerundeten einteiligen Blech angehören können. Der Begriff "Stumpfstoss" wird hierin verwendet, um die Position von Blechteilen, deren Blechkanten stumpf gegeneinandergestossen und fixiert werden, zu bezeichnen. Der Begriff "Schweissnahthöhe" umfasst Vertiefungen ebenso wie Überhöhungen der Schweissnaht.The term "sheet metal part" used herein refers to metallic, preferably made of steel flatware, such as e.g. Metal strips, metal sheets or metal plates of any size, thickness and surface. The welded connection of sheet metal parts described here relates to a connection made by welding between two sheet metal edges, wherein the sheet metal edges can have different thicknesses and do not necessarily have to originate from two separate sheets, but can also belong to a previously rounded one-piece sheet metal, for example. The term "butt joint" is used here to denote the position of sheet metal parts whose sheet metal edges are butted and fixed against one another. The term "weld seam height" includes depressions as well as elevations of the weld seam.
Figur 2 zeigt schematisch die Situation am Ort des Schweissprozesses. Dabei trifft ein Hochleistungslaser- strahl 21 auf die zu verschweissenden Blechteile 22 und 23 (letzeres nicht dargestellt) . Die auftreffende Energie des Laserstrahls 21 führt zur Schmelzung der Blechteile 22, 23 und bildet ein Schweissbad 27. Darüberhinaus erzeugt die vom Laserstrahl 21 verursachte Hitze ein Plasma 24, welches im Schweissbad 27 eine tiefe und schmale Kapillare 25 ausbildet. Durch die Relativbewegung R von Laserstrahl 21 und Blechteilen 22, 23 entsteht hinter dem Schweissbad 27 eine Zone 26 mit verfestigtem Schweissgut, welche die Schweiss- naht bildet. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass das vor dem Laserstrahl 21 liegende verflüssigte Metall 28 wegen der Relativbewegung R während des Schweissprozesses auf die Rückseite 29 des Laserstrahls 21 ausweicht und sich bevorzugt auf der Oberseite der Zone 26 ablagert. Dabei bildet sich eine schuppenförmige Oberflächenstruktur. Mit Hilfe dieser Figur lässt sich auch verstehen, dass sich die Kapillare 25 bei Störungen des Gleichgewichtes des Plasmas 24 mit flüssigem Schweissgut füllt, und deshalb keine oder nur eine partielle Schweissverbindung zustande kommt. Trifft der Laserstrahl 21 auf ein bereits bestehendes Schweissbad 27, können grössere Mengen des flüssigen Schweissguts explosionsartig ausgeworfen werden. Diese Auswürfe lagern sich in aller Regel hinter dem Schweiss- strahl auf der Schweissnaht ab und sind als tropfenförmige Verformungen deutlich zu erkennen.Figure 2 shows schematically the situation at the location of the welding process. A high-power laser beam 21 strikes the sheet metal parts 22 and 23 to be welded (the latter not shown). The incident energy of the laser beam 21 leads to the melting of the sheet metal parts 22, 23 and forms a welding bath 27. In addition, the heat caused by the laser beam 21 generates a plasma 24 which forms a deep and narrow capillary 25 in the welding bath 27. The relative movement R of the laser beam 21 and sheet metal parts 22, 23 creates a zone 26 behind the weld pool 27 with solidified weld metal, which forms the weld seam. It can be seen from FIG. 2 that the liquefied metal 28 lying in front of the laser beam 21 switches to the rear side 29 of the laser beam 21 due to the relative movement R during the welding process and is preferably deposited on the top of the zone 26. This creates a scale-like surface structure. With the help of this figure, it can also be understood that the capillary 25 fills with liquid weld metal when the balance of the plasma 24 is disturbed, and therefore no or only a partial weld connection is established. If the laser beam 21 strikes an already existing welding bath 27, larger quantities of the liquid weld metal can be ejected explosively. These ejections are usually deposited behind the welding beam on the welding seam and can be clearly recognized as teardrop-shaped deformations.
Die in Figur 3 gezeigte Schweissnaht 31 einer Schweissverbindung zweier Blechteile 32 und 33 gleicher Stärke weist einen Schweissfehler in Form eines Kraters 34 auf, wobei sich direkt nachliegend eine tropfenförmige Materialablagerung 35 befindet. Derartige Krater, auch als Pinholes mit einem Durchmesser von ca. 0.1 mm und mehr bekannt, können unterschiedliche Tiefen aufweisen, erstrecken sich typi- scherweise nicht über die gesamte Schweissnahtbreite und befinden sich vorzugsweise in der Mitte der Schweissnaht. Die tropfenförmige" aterialablagerungen 35 führen zu Schweissnahtüberhöhungen, welche sich über die gesamte Schweissnahtbreite erstrecken können und eine Länge von ca. 0.5 mm bis ca. 5 mm und eine Höhe von mehreren Zehntel Millimetern aufweisen. 8The weld seam 31 shown in FIG. 3 of a welded connection between two sheet metal parts 32 and 33 of the same thickness has a welding defect in the form of a crater 34, a drop-shaped material deposit 35 being located directly behind. Such craters, also known as pinholes with a diameter of approx. 0.1 mm and more, can have different depths, typically do not extend over the entire width of the weld seam and are preferably located in the middle of the weld seam. The teardrop-shaped "material deposits 35" lead to weld seam elevations which can extend over the entire width of the weld seam and have a length of approximately 0.5 mm to approximately 5 mm and a height of several tenths of a millimeter. 8th
Die in Figur 4 dargestellte schematische Ansicht einer Schweissnaht 41 zwischen zwei Blechteilen 42, 43 gleicher Stärke weist einen Schweissfehler in Form einer Schweiss- nahtspalte 44 auf, wobei sich direkt hinter dieser Spalte 44 eine tropfenförmige Materialablagerung 45 befindet. Derartige Schweissnahtspalten weisen in der Regel eine Länge von 0.05 bis 0.2 mm auf und erstrecken sich typischerweise nicht über die gesamte Schweissnaht, sondern besitzen eine Breite von ca. 0.2 mm. Die Schweissnahtspalten 44 liegen oft in Form von Löchern mit einem Durchmesser von ca. 0.2 mm vor. Die tropfenförmigen Materialablagerungen 45 führen zu Schweissnahtüberhöhungen, welche eine Höhe von mehreren Zehntel Millimeter aufweisen.The schematic view of a weld seam 41 shown in FIG. 4 between two sheet metal parts 42, 43 of the same thickness has a welding defect in the form of a weld seam gap 44, a drop-shaped material deposit 45 being located directly behind this column 44. Such weld seam gaps generally have a length of 0.05 to 0.2 mm and typically do not extend over the entire weld seam, but have a width of approximately 0.2 mm. The weld seam gaps 44 are often in the form of holes with a diameter of approximately 0.2 mm. The drop-shaped material deposits 45 lead to weld seam elevations which have a height of several tenths of a millimeter.
Figur 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Zum Abtasten der Schweissnahthöhe längs der Schweissnaht 51 einer Schweissverbindung zweier Blechteile 52, 53 mit unterschiedlicher Stärke werden bevorzugt optische Mittel 54 verwendet. Bei dieser Ausführungsform umfassen diese optischen Mittel 54 drei mit Halbleiterlasern ausgestattete optische Distanzmesser, die vorzugsweise in einem Neigungswinkel von 30° von der Oberflächennormalen angeordnet sind.FIG. 5 schematically shows a device for carrying out the method according to the invention. Optical means 54 are preferably used to scan the height of the weld seam along the weld seam 51 of a weld connection of two sheet metal parts 52, 53 with different thicknesses. In this embodiment, these optical means 54 comprise three optical distance meters equipped with semiconductor lasers, which are preferably arranged at an inclination angle of 30 ° from the surface normal.
In einer weiteren Ausführungsform wird anstelle der optischen Detektoren eine Detektornadel verwendet, welche entlang der Schweissnaht 51 geführt wird. Die Auslenkungen dieser Detektornadel können mit Hilfe von Piezokristallen in elektrische Signale umgewandelt werden, welche wiederum mit entsprechenden Schwellwertschaltungen verarbeitet werden. Es versteht sich, dass der Fachmann auch andere ihm geeignet erscheinende Distanzmesser, bspw. Ultraschall- sensoren, in Betracht ziehen kann. Der Aufbau dieser Detektoren ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung und wird hier nicht näher erläutert. Wesentlich für die Wahl von geeigneten Detektoren ist deren Fähigkeit, Höhenunterschiede in der Grössenordnung von mehreren Zehntel Millime- tern sicher und in einfacher Weise feststellen zu können. Insbesondere sollen damit Schweissnahtüberhöhungen in dieser Grössenordnung detektiert werden können.In a further embodiment, a detector needle is used instead of the optical detectors, which is guided along the weld seam 51. The deflections of this detector needle can be converted into electrical signals with the aid of piezo crystals, which in turn are processed with corresponding threshold value circuits. It goes without saying that the person skilled in the art can also consider other distance meters which appear suitable to him, for example ultrasound sensors. The structure of these detectors is not part of the present invention and is not explained in detail here. What is essential for the selection of suitable detectors is their ability to detect height differences of the order of several tenths of a millimeter. tern safe and easy to determine. In particular, it should be possible to detect weld seam elevations of this magnitude.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens resp. der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in der Einfachheit der Detektion von Schweissfehlem - insbesondere durch die alleinige Detektion von Schweissnahtüberhöhungen - beim Tiefenschweissen mit Hochleistungslasern zu sehen. Darüberhinaus führt die kontinuierliche Abtastung der Schweissnaht zu einer sicheren Detektion dieser Schweissfehler . The advantages of the method according to the invention. The device according to the invention can be seen in the simplicity of the detection of welding defects - in particular by the sole detection of weld seam elevations - during deep welding with high-power lasers. In addition, the continuous scanning of the weld seam leads to a reliable detection of these welding errors.

Claims

10 Patentansprüche 10 claims
1. Verfahren zur Schweissnahtprüfung einer im Stumpfstoss durch Tiefenschweissung mit Laserstrahl er- folgten Schweissverbindung von Blechteilen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Schweissfehlem die Schweissnahthöhe längs der Schweissnaht kontinuierlich abgetastet wird.1. Method for checking the weld seam of a welded connection of sheet metal parts in the butt joint by deep welding with a laser beam, characterized in that the weld seam height is continuously scanned along the weld seam in order to detect welding defects.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissfehler anhand von Schweissnahtüberhöhungen detektiert werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the welding defects are detected on the basis of weld seam elevations.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, dass die Schweissnahthöhe mit einer mechanischen Nadel abgetastet wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the weld seam height is scanned with a mechanical needle.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissnahthöhe mit einem optischen Distanzmesser abgetastet wird.4. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the weld seam height is scanned with an optical distance meter.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissnahthöhe mit einem akustischen Distanzmesser abgetastet wird.5. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the weld seam height is scanned with an acoustic distance meter.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemass Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Erfassung von Schweissfehle eine Abtasteinrichtung zum kontinuierlichen Abtasten der Schweiεs- nahthöhe längs der Schweissnaht aufweist.6. The device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it has a scanning device for detecting welding defects for continuous scanning of the weld seam height along the weld seam.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung Mittel zur Detektion von Schweissnahtüberhöhungen aufweist. 117. The device according to claim 6, characterized in that the scanning device has means for the detection of weld seam elevations. 11
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung mindestens eine mechanische Nadel umfasst.8. Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the scanning device comprises at least one mechanical needle.
9. Vorrichtung nach einem der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung mindestens einen optischen Distanzmesser umfasst.9. Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the scanning device comprises at least one optical distance meter.
10. Vorrichtung nach einem der Anspruch 6 oder 7, da- durch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung mindestens einen akustischen Distanzmesser umfasst. 10. Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the scanning device comprises at least one acoustic distance meter.
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