ES2209509T3 - Dispositivo para la supervision de puntos de soldadura. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de soldadura con un dispositivo de supervisión para la supervisión de costuras de soldadura, caracterizado porque está previsto un sensor de radar (5) con un emisor y un receptor para la emisión y recepción, respectivamente, de radiación electromagnética en el radar y/o en la región de microondas.

Description

Dispositivo para la supervisión de puntos de soldadura.

La invención se refiere a un dispositivo de soldadura con un dispositivo de supervisión según el preámbulo de la reivindicación 1.

Habitualmente, en la fabricación industrial se realizan procesos de soldadura de forma semiautomática o totalmente automática con la ayuda de máquinas automáticas de soldar correspondientes. El proceso de soldadura propiamente dicho se puede realizar con diferentes herramientas de soldadura, por ejemplo con quemadores de soldar o, en cambio, también con la ayuda de láser. En cualquier caso, es deseable mantener un control sobre el resultado de la soldadura.

Durante el control de procesos de soldadura, especialmente en el caso de soldadura por puntos y de soldadura con bulón se intenta hasta ahora realizar una supervisión sobre la base de ultrasonido. Esto no conduce hasta ahora a resultados satisfactorios. Otros dispositivos de medición como vibrómetros por láser o similares son, por una parte, costosos y, por otra parte, muy sensibles con respecto a las influencias del medio ambiente, como humo, polvo, chispas, etc.

Por lo tanto, en muchos procedimientos de soldadura, por ejemplo en la soldadura por resistencia o soldadura por arco voltaico, es ventajosa la supervisión de la calidad de la soldadura.

Por este motivo, existen ya dispositivo de soldar con un dispositivo de supervisión (UMEAGUKWU, C. y col.; Robotic Acustic Seam Tracking: System Development and Application; IEEE Transactions on Industrial Electronics; Vol. 36; Nº 3; páginas 338 - 348; 1989). Sin embargo, estos dispositivos son comparativamente costosos y relativamente sensibles frente a las influencias exteriores del medio ambiente.

Por lo tanto, el cometido de la invención es proponer un dispositivo, con el que se puede supervisar un proceso de soldadura sin gasto grande sin contacto y es insensible frente a las influencias exteriores del medio ambiente.

Este cometido se soluciona a través de los rasgos característicos de la reivindicación 1.

A través de las medidas mencionadas en las reivindicaciones dependientes son posibles formas de realización y desarrollos ventajosos de la invención.

De acuerdo con ello, un dispositivo según la invención se caracteriza porque está presente un sensor de radar con un emisor y un receptor para la emisión y recepción, respectivamente, de radiación electromagnética en la región de microondas y/o en la región de ondas de radar.

Un sensor de radar de este tipo tiene una resolución local suficientemente alta para detectar de una manera fiable puntos de soldadura de dimensionado convención al. Puesto que la mayoría de los materiales son transparentes para la radiación de la gama de ondas indicada, un sensor de radar es insensible frente a las influencias exteriores del medio ambiente como impurezas, vapores, polvo, humo, rayos, etc. en la región del punto de soldadura. Además, un sensor de radar es independiente de las relaciones de la luz. En particular, es totalmente insensible frente a la radiación láser utilizada con frecuencia para procesos de soldadura.

Para la evaluación de la señal de recepción se pueden realizar mediciones de referencia en el caso de un proceso de soldadura correcto y los datos de medición pueden ser registrados como datos de referencia en una unidad de memoria correspondiente. Según los requerimientos de calidad del punto de soldadura se pueden prever criterios de tolerancia correspondientes para los diferentes parámetros de registro, por ejemplo intensidad o frecuencia de la radiación reflejada, dentro de la cual la señal medida corresponde a un punto de soldadura correcto con calidad deseada.

En el caso de una desviación no tolerable de la señal de medición respecto de la señal de referencia se pueden realizar diferentes reacciones. O bien se puede controlar o regular el proceso de soldadura con una variable de ajuste obtenida sobre la base de los datos de medición o, en cambio, los datos de medición registrados sirven para la detección de productos de desecho, que se pueden marcar de una manera correspondiente. En el caso de un punto de soldadura defectuoso, también sería posible solamente detener el aparato automático de soldar y, dado el caso, generar una señal hasta que se ajusten de nuevo los parámetros correctos de la soldadura a través de un operador. Según el caso de aplicación, son posibles otras posibilidades de utilización de la señal de medición a partir del sensor de radar.

En un desarrollo ventajoso de la invención, se disponen el sensor de radar y/o los objetos a soldar de tal forma que puede tener lugar un movimiento relativo entre estos dos componentes. De esta manera, según la variable y la dirección del movimiento relativo resulta un desplazamiento Doppler de la frecuencia de la señal de emisión con respecto a la señal de recepción. Con la ayuda de una unidad de evaluación correspondiente para la detección de esta diferencia de la frecuencia se obtiene un espectro de frecuencias, que no sólo depende de la velocidad relativa del sensor o bien de la superficie de reflexión, sino que depende también de otros parámetros de la superficie de reflexión, por ejemplo de la forma o del material. Por lo tanto, este espectro de frecuencias es también significativo para la calidad del punto de soldadura medido de esta manera.

En un desarrollo ventajoso de la invención, se fija el sensor de radar y al menos parcialmente la herramienta de soldadura en un soporte de fijación común. De esta manera, se obtiene una disposición que ocupa poco espacio, estando dispuesto el sensor para el control de la calidad del punto de soldadura en la proximidad inmediata del punto de soldadura. Según el caso de aplicación, se puede utilizar al mismo tiempo un eventual movimiento de la herramienta de soldadura como avance del sensor de radar con respecto al punto de soldadura a medir, para evaluar la señal Doppler, como se ha indicado anteriormente.

También sin movimiento relativo controlado entre el sensor de radar y el punto de soldadura es ventajosa una utilización de un sensor de radar Doppler, puesto que a través de la soldadura propiamente dicha son activados diferentes efectos, por ejemplo vibraciones, etc., que provocan un desplazamiento Doppler correspondiente.

En un desarrollo de la invención, se coloca, además, una guía de ondas en el sensor de radar. Una guía de ondas de este tipo puede estar constituida, de una manera similar a las guías de ondas conocidas, por material macizo o se puede configurar como conductor hueco. Cuando existe una estabilidad correspondiente de la temperatura, se puede llevar una guía de ondas a la proximidad inmediata del punto de soldadura. En este caso, se configura la guía de ondas con preferencia como conductor hueco metálico o cerámico. Un conductor hueco cerámico se provee a tal fin con elementos conductores correspondientes. Se contemplan, por ejemplo, recubrimientos superficiales, la incorporación de alambres trenzados, etc.

Una guía de ondas de temperatura estable de este tipo se puede llevar esencialmente más cerca de la región del punto de soldadura caliente que un sensor de radas sensible a la temperatura en virtud de los componentes electrónicos presentes en caso necesario.

En una forma de realización preferida de la invención, se coloca, además, un elemento de enfoque junto al sensor de radar y/o en la salida de una guía de ondas indicada anteriormente. Un elemento de enfoque de este tipo se puede aplicar, por ejemplo, en forma de un llamado radiador de cuerno o, en cambio, también, en forma de una lente de radar. Si el proceso de soldadura debe observarse en la proximidad inmediata del punto de soldadura, también se puede prestar atención en este caso a la estabilidad a la temperatura del elemento de enfoque.

Por lo tanto, en los materiales conocidos actualmente se preferirá un radiador de cuerno metálico de una lente. No obstante, también es posible, en general, que en virtud de los materiales futuros, estén disponibles también lentes con estabilidad correspondiente de la temperatura.

Las ventajas del enfoque residen en que esencialmente el punto de soldadura a observar realmente se encuentra en la región de detección de la radiación del sensor de radar y ésta ejerce, por lo tanto, la influencia predominante sobre la señal de respuesta. Por lo tanto, las modificaciones en el desarrollo del punto de soldadura se muestran de una manera correspondientemente más clara en la señal de respuesta del sensor de radar.

Con preferencia, la frecuencia de emisión del sensor de radar se selecciona de banda estrecha, pudiendo utilizarse, en general, varias frecuencias con una distancia correspondiente. De esta manera, un espectro Doppler obtiene una fuerza expresiva mayor en el caso de utilización de un movimiento relativo entre el sensor de radar y los objetos a soldar, puesto que no se produce ninguna superposición de señales de respuesta de diferentes frecuencias de emisión.

Además, se recomienda adaptar la longitud de onda de la señal del emisor a la anchura del punto de soldadura a medir. La longitud de onda debería estar en la región de la anchura de los puntos de soldadura o por debajo, para garantizar una resolución local suficiente.

Con la invención se pueden supervisar todas las configuraciones posibles de puntos de soldadura, especialmente también puntos de soldadura y costuras de soldadura.

Con el sensor de radar se supervisan, por ejemplo, el movimiento y las oscilaciones del punto de soldadura y su entorno, que se pueden detectar especialmente con el radar Doppler. Al mismo tiempo, con este proceso se puede supervisar el dispositivo de soldadura propiamente dicho, por ejemplo en el caso de la soldadura electrónica la geometría de los electrodos y el movimiento de los electrodos. De este modo es posible un control adicional del proceso, para reconocer precozmente los daños y desgastes del sistema de soldadura, especialmente de los electrodos.

Al mismo tiempo, además del control de la calidad del punto de soldadura es posible la supervisión de la posición exacta de las partes a unir por soldadura. Así, por ejemplo, en el caso de soldadura con bulón, se puede supervisar la posición del bulón y la geometría del bulón. También este método de ensayo se basa, entre otras cosas, en un análisis de las oscilaciones de la superficie de las piezas a soldar, por ejemplo de una pieza de chapa durante el proceso de soldadura.

Si se contempla un proceso de soldadura en detalle, entonces pueden resultar las siguientes etapas particulares:

1.

Las partes a soldar, por ejemplo chapa u otras partes metálicas son colocadas, por ejemplo, entre electrodos en forma de barra y se activa el proceso de soldadura.

2.

Los dos electrodos se mueven uno hacia el otro se entran en contacto con las piezas con una presión máxima predeterminada.

3.

La alimentación de corriente de los electrodos se realiza poco después del contacto y se controla a través de la posición de los electrodos.

4.

Debido a la alta densidad de la corriente y a la resistencia correspondiente del material, se calienta el material en gran medida localmente y se deforma, es decir, que se vuelve plástico y, dado el caso, incluso se vuelve líquido.

5.

Los electrodos son seguidos, siendo utilizada la profundidad de penetración de los electrodos habitualmente como parámetro de control para el proceso de soldadura. Esta profundidad de penetración es limitada, por lo demás, en general, mecánicamente.

6.

A continuación, se desconecta la alimentación de corriente y los electrodos separados liberan las piezas soldadas.

En estos procesos, es decir, especialmente en el contacto y la liberación de la pieza soldada o bien de las piezas a soldar a través de los electrodos se excitan o influyen oscilaciones presumiblemente en la soldadura de la chapa.

Así, por ejemplo, las oscilaciones del material varían típicamente en el tiempo durante la formación de las fuerzas de presión de apriete en el entorno del contacto de los electrodos. En el caso de plastificación o bien de licuación del material, se amortigua bruscamente esta oscilación y de esta manera se ejerce también claramente una influencia. Durante la separación de los electrodos y el endurecimiento implicado con ello de las piezas de soldadura se producen de nuevo vibraciones, que se diferencian claramente de las señales precedentes de las piezas no soldadas.

Estos procesos de oscilación de las piezas soldadas o bien de las chapas soldadas en la proximidad del punto de soldadura se pueden seguir sin contacto con el sensor de radar y se pueden evaluar con la unidad de evaluación correspondiente.

La variación de las vibraciones en las piezas de soldadura o bien en las chapas de soldadura funciona de la misma manera que en otros procedimientos de soldadura, por ejemplo en la soldadura con arco voltaico, que se emplea con frecuencia para la soldadura de bulones sobre piezas de chapa.

Otra forma de realización de la invención consiste en hacer oscilar a través de excitación externa la región del punto de soldadura antes, durante o después de la soldadura y en observar estas oscilaciones con uno o varios sensores de radar. Cuando las piezas no están soldadas o no están soldadas de una manera óptima, resulta en este caso un comportamiento de oscilación diferente de una soldadura correcta, que se refleja en la señal correspondiente del sensor.

Esta excitación externa se puede utilizar, por ejemplo, en la soldadura por puntos, en la que todo el proceso de soldadura se desarrolla, en general, muy rápidamente y las oscilaciones provocadas de esta manera son atenuadas de una manera relativamente rápida. A través de la excitación externa se puede controlar todavía un punto de soldadura en un instante posterior después de la atenuación de las oscilaciones provocadas durante la soldadura.

Más allá de la observación del comportamiento de oscilación, con un sensor de radar se puede observar también inmediatamente la modificación de la superficie de reflexión durante el proceso de soldadura. De esta manera, durante la transición de las regiones parciales a soldar rígidamente entre sí a la fase plástica o bien a la fase de fundición en la región del punto de soldadura se produce una modificación significativa correspondiente en la señal de radar. La superficie del punto de soldadura se modifica de nuevo durante el enfriamiento y solidificación, lo que se manifiesta, por su parte, de nuevo en la señal del sensor de radar.

Un ejemplo de realización de la invención se representa en el dibujo y se explica en detalle a continuación con la ayuda de la figura.

La figura única muestra una representación esquemática de un dispositivo de supervisión según la invención.

El dispositivo 1 se encuentra por encima de dos chapas 2, 3, que deben unirse a través de una costura de soldadura 4 por medio de un dispositivo de soldadura no representado en detalle.

Un sensor de radar 5, que contiene de una manera no reconocible en detalle un sensor así como un receptor para la emisión y recepción, respectivamente, de la radiación electromagnética deseada, se encuentra por encima de la costura de soldadura 4. El dispositivo de soldadura mencionado puede estar dispuesto, por ejemplo, cubierto a través del sensor de radar, detrás de éste. El sensor de radar 5 está provisto con una antena de cuerno 6, que está dirigido sobre la costura de soldadura.

El sensor de radar 5 está conectado a través de elementos de conexión no representados en detalle con una unidad de evaluación correspondiente y, dado el caso, con el control del dispositivo de soldadura.

La supervisión del proceso de soldadura se puede realizar, en efecto, también con sensor de radar 5 que está en relación con la costura de soldadura 4. No obstante, ha dado buen resultado utilizar para la evaluación la llamada señal Doppler, que resulta en el caso de un movimiento relativo entre el sensor de radar 5 y la costura de soldadura 4. A tal fin, en la forma de realización descrita, se mueven o bien el sensor de radar 5 o las dos chapas 2, 3 paralelamente a la costura de soldadura 4 (ver la doble flecha P), de manera que se produce un desplazamiento correspondiente de la frecuencia. Este efecto se apoya porque el sensor de radar 5 se encuentra, en efecto, en un plano que corta la costura de soldadura 4 y que está perpendicularmente a las chapas 2, 3, pero no está dirigido perpendicularmente a la costura de soldadura 4. Cuando más agudo es el ángulo de visión del sensor de radar 5 o bien de la antena de cuerno 6 con respecto a la costura de soldadura 4, tanto mayor es la repercusión de un movimiento relativo en forma de un desplazamiento Doppler de la señal de recepción.

Según el tipo de las costuras de soldadura, se utilizan diferentes frecuencias del sensor. Para costuras de soldadura láser más finas son adecuadas, por ejemplo, longitudes de onda en el intervalo de mm (es decir, en una gama de frecuencias en la proximidad de 100 GHz), para costuras de soldadura mayores de algunos cm de anchura son adecuadas y suficientes longitudes de ondas en el orden de magnitud de 1 cm (es decir, en la región de 30 GHz).

Si el soporte de fijación para la herramienta de soldar, por ejemplo para una óptica láser, lleva también el sensor de radar, entonces se consiguen de esta manera distancias cortas óptimas con tiempos de retraso correspondientemente cortos entre la soldadura y el control. El sensor de radar no perturba de ninguna manera el funcionamiento de soldadura independientemente del tipo de herramienta de soldadura. El lugar de la soldadura se puede disponer de esta manera directamente detrás del punto de soldadura, es decir, de la zona de fusión del material a soldar.

Incluso es concebible observar directamente la zona de soldadura del material que se funde durante la soldadura.

En ambos casos se pueden generar señales claras en el caso de comportamiento deficiente, por ejemplo ausencia de soldadura o en el caso de una salpicadura del material en comparación con una costura de soldadura buena. Si se observa la zona de fundición, se puede observar directamente la cocción de la fusión y su deflagración o salpicadura.

La medición, es decir, la emisión y la recepción de la radiación de radar y/o la radiación de microondas se puede realizar de una manera continua. No obstante, según el tipo de evaluación de la señal se requiere un cierto tiempo, de manera que la supervisión del proceso de soldadura se realiza a través de una secuencia de ciclos de evaluación. Con la ayuda de intervalos de tiempo de medición correspondientemente cortos, lo que es posible, por ejemplo, por medio de una potencia de ordenador correspondientemente dimensionada, se puede realizar también en tal caso una medición casi continua.

La evaluación de la señal propiamente dicha se puede realizar con todos los procedimientos conocidos y que se conocerán en el futuro de la caracterización de tensión alterna de baja frecuencia y su clasificación.

Lista de signos de referencia

1

Dispositivo

2

Chapa

3

Chapa

4

Costura de soldadura

5

Sensor de radar

6

Antena de cuerno

Claims (15)

1. Dispositivo de soldadura con un dispositivo de supervisión para la supervisión de costuras de soldadura, caracterizado porque está previsto un sensor de radar (5) con un emisor y un receptor para la emisión y recepción, respectivamente, de radiación electromagnética en el radar y/o en la región de microondas.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque está previsto un control automático del dispositivo de soldadura con la ayuda de la señal del sensor de radar.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto una detección de rechazos con la ayuda de la señal de sensor de radas.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sensor de radar (5) y/o los objetos a soldar (2, 3) están dispuestos móviles relativamente entre sí.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sensor de radar (5) y al menos parcialmente la herramienta de soldar están fijados en un soporte de fijación común.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está prevista una unidad de evaluación para la evaluación de un desplazamiento de la frecuencia entre la señal de emisión y la señal de recepción.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está prevista una guía de ondas.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la guía de ondas es un conductor hueco metálico o cerámico.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto un elemento de enfoque (6) para el enfoque de la radiación electromagnética sobre el punto de soldadura.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento de enfoque (6) comprende un radiador de cuerno (6) y/o una lente de radar.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza una frecuencia de emisión de banda estrecha con respecto al desplazamiento previsible de la frecuencia.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la longitud de ondas de la radiación irradiada está en el orden de magnitud de la anchura del punto de soldadura o menor.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está prevista una evaluación de vibraciones en la región del punto de soldadura.

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está previsto un generador de oscilaciones para la excitación de oscilaciones mecánicas de las piezas a soldar o bien de las piezas soldadas en la región del punto de soldadura.

15. Procedimiento para soldar, caracterizado porque se utiliza un dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores.