ES2274320T3 - Procedimiento para evaluar una union soldada que se esta formando durante un proceso de soldadura con ondas de ultrasonidos longitudinales y transversales. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para evaluar una unión soldada entre al menos dos elementos a soldar que se está formando durante un proceso de soldadura, empleando al menos un emisor de ultrasonidos que transmite ondas ultrasónicas a través de la zona de la unión soldada que se está formando, y al menos un receptor de ultrasonidos que registra variaciones de la transmisividad acústica de las ondas ultrasónicas que atraviesan la zona de la unión soldada que se está formando, con el fin de evaluar la unión soldada, siendo atravesada la zona de la unión soldada por ondas ultrasónicas longitudinales (l) y transversales (t), caracterizado porque en cada caso se registran por separado unas de otras las variaciones de la transmisividad acústica dependientes del tiempo Dl(t) y Dt(t) para las ondas ultrasónicas longitudina- les (l) y transversales (t), y porque gracias a establecer una relación entre Dl(t) y Dt(t) se determina el instante ts en el cual se forma una masa fundida en la zona de la unión soldada, y quesirve de base para evaluar la unión soldada.
Description
Procedimiento para evaluar una unión soldada que
se está formando durante un proceso de soldadura con ondas de
ultrasonidos longitudinales y transversales.
La invención se refiere a un procedimiento para
evaluar una unión soldada que se está formando durante un proceso
de soldadura, entre al menos dos elementos a soldar, de acuerdo con
el preámbulo de la reivindicación 1 (véase, por ejemplo, el
documento DE-A-101 10 045).
Desde hace tiempo son conocidos procedimientos
para evaluar uniones soldadas, del género que se ha indicado, que
emplean procedimientos ultrasónicos en sí conocidos, y sirven para
controlar la calidad de las mencionadas uniones soldadas,
producidas en la mayoría de los casos entre dos elementos a soldar
metálicos. Además de la inspección sónica posterior de uniones
soldadas ya acabadas, en el documento DE 43 25 878 C2 se describe,
por ejemplo, un procedimiento de evaluación en línea con el cual es
posible medir procesos de soldadura, en especial en el marco de un
proceso de soldadura por resistencia, durante el propio proceso de
soldadura, y evaluarlos de modo correspondiente. En este
procedimiento, basándose en la transmisión del sonido y en el
análisis de ondas ultrasónicas transversales a través de la zona de
la unión soldada, se determina el instante en el cual se alcanza la
temperatura de fusión del material de soldadura y se comienza a
formar un botón de soldadura entre ambos elementos a soldar, y
durante el resto del proceso de soldadura, después de alcanzada la
temperatura de fusión, se calcula el volumen de dicho botón de
soldadura a partir de la atenuación de las ondas transversales. Por
lo demás, se remitirá al lector también al texto antes mencionado ya
que contiene una discusión completa y detallada del resto del
estado de la técnica, del género que se ha indicado, en lo que se
refiere a procedimientos de evaluación para evaluar uniones
soldadas.
Para ilustrar la problemática que existe con los
procedimientos de evaluación conocidos, se hará a continuación una
breve referencia a la Figura 2, que muestra de manera esquemática
una disposición habitual de medida para realizar un proceso de
soldadura destinado a unir dos piezas de chapa mediante soldadura
por resistencia. En este caso se disponen al menos parcialmente
solapados dos elementos a soldar 1 y 2, que tienen la forma de
chapas planas, de manera que en la zona de solapamiento forman una
estructura estratificada de dos capas de chapa. En cada una de las
caras opuestas de la estructura estratificada de chapa se aplican
electrodos de soldadura 3 y 4, que en cada caso tocan a los
elementos a soldar 1 y 2 respectivos, a través de una superficie de
contacto preferentemente plana o abombada. Además, en la
representación dibujada en la Figura 2, el electrodo de soldadura
superior 3 está conectado a un emisor de ultrasonidos 5, que se
regula a través de un generador de pulsos ultrasónicos 7 conectado
con el regulador de corriente de soldadura 6. De manera similar, el
electrodo de soldadura inferior 4 está unido a un receptor de
ultrasonidos 8, cuyas señales recibidas sirven de base, pasando por
una unidad evaluadora 9, para la evaluación del punto de
soldadura.
El proceso de soldadura por resistencia se
compone por regla general de tres fases. La primera fase corresponde
al denominado tiempo de preparación, durante el cual no circula
corriente, y sin embargo los electrodos de soldadura 3, 4 presionan
contra los elementos a soldar, a través de las superficies de
contacto, con una fuerza de electrodo de 1 a 4 kN. Al tiempo de
preparación sigue la fase de flujo de corriente o tiempo de
corriente, en la cual los elementos a soldar se calientan hasta que
al menos en la zona de contacto entre los dos elementos a soldar 1
y 2 se forma una masa fundida en forma de un botón de soldadura 11.
Se puede ajustar la magnitud del volumen del botón de soldadura así
formado mediante la intensidad de corriente y la duración de la fase
de flujo de corriente. A la fase de flujo de corriente sigue por
último el tiempo de mantenimiento o fase de enfriamiento, durante
el cual el botón de soldadura se enfría hasta que se solidifica, y
sólo después se abren los electrodos de soldadura y dejan libre la
zona de la unión soldada. Por regla general se elige que las tres
fases precedentes tengan una duración aproximadamente igual.
Con ayuda de la disposición de medida
representada en la Figura 2 se emite sonido hacia la zona de la
unión soldada que se está formando, durante el propio proceso de
soldadura, a través de los electrodos de soldadura 3 y 4. Para ello
se emiten impulsos ultrasónicos transversales hacia el electrodo de
soldadura 4 de acuerdo con la Figura 2, que primero recorren el
electrodo de soldadura 3 y después la zona de la unión soldada que
se está formando, hasta que por último son captados por el receptor
de ultrasonidos 8, a través del contraelectrodo 4.
Para determinar el tamaño del botón de soldadura
que se forma entre los elementos a soldar 1 y 2 durante la fase de
flujo de corriente, se recurre al curso temporal de la
transmisividad ultrasónica transversal a través de la zona de la
unión soldada que se está formando. Para el cálculo se parte, de
manera en sí conocida, del hecho de que en el comportamiento de la
transmisividad ultrasónica para ondas de ultrasonido transversales
a través de la zona de la unión soldada que se está formando
influye, de manera esencialmente exclusiva, la formación del botón
de soldadura.
Sin embargo, experimentos más precisos
realizados por el solicitante han demostrado que las suposiciones
actualmente aceptadas de acuerdo con el estado de la técnica sólo
describen de manera insuficiente la realidad, a causa del
comportamiento real de propagación de las ondas ultrasónicas, y en
especial las ondas transversales, con lo cual las afirmaciones
hechas hasta la fecha en el sentido de la estructura espacial de un
botón de soldadura que determina la solidez de una unión soldada,
son sólo insatisfactoriamente exactas. Así, análisis detallados de
la propagación sonora han demostrado que la transmisividad
ultrasónica de las piezas que han de ser soldadas entre sí se ve
influida no sólo por la formación del botón de soldadura, sino
también por el calentamiento y dilatación de las zonas de contacto
entre los respectivos electrodos de soldadura y las superficies de
los elementos a soldar, así como de la zona de contacto entre los
respectivos elementos a soldar. Se ha evidenciado que la
transmisión de ultrasonidos en las zonas de contacto depende en gran
medida de la temperatura, de la presión, de la frecuencia, y del
tamaño real de la superficie de contacto. Los parámetros citados
varían durante el proceso de soldadura, y ejercen una influencia no
desdeñable sobre la transmisividad ultrasónica que se ha de
determinar.
Para explicar estos efectos que han permanecido
hasta la fecha inadvertidos de acuerdo con el estado de la técnica,
en relación con la influencia que la temperatura y el ensanchamiento
de las superficies de contacto tienen sobre la transmisividad
ultrasónica existente a través de una unión soldada que se está
formando, se remitirá a la Figura 3.
La Figura 3 muestra, en una representación en
diagrama, el curso de la transmisividad ultrasónica a través de una
chapa única de 1 mm de grueso, que ha sido tratada dos veces
consecutivas en el mismo lugar mediante soldadura por resistencia.
El diagrama muestra un eje de abscisas en el cual se refleja la
duración de la soldadura en milisegundos x 10. En este caso se ha
representado sólo la fase de flujo de corriente, o tiempo de
corriente, desde 0 hasta 150 milisegundos (ms), así como la fase de
enfriamiento entre 150 ms y 350 ms. A lo largo de las ordenadas del
diagrama representado en la Figura 3 se indican las amplitudes del
ultrasonido, que se corresponden con la transmisividad acústica
para las ondas ultrasónicas a través de la zona de la unión soldada
que se está formando.
Los valores de medida representados en la Figura
3 corresponden a soldaduras realizadas con una corriente de 5 kA y
una presión de electrodos de 2 kN en cada uno. El diámetro de las
superficies de contacto entre la superficie de la chapa y los
electrodos de soldadura asciende aproximadamente a 4 - 5 mm. Un
pulimento realizado posteriormente sobre los puntos de soldadura
fríos prueba que no se ha formado ningún botón de soldadura dentro
de la chapa.
Se pone ahora de manifiesto que durante la
primera soldadura (curso inferior de la función dentro del tiempo
de corriente y curso superior de la función dentro del tiempo de
mantenimiento/enfriamiento) la evolución de la transmisividad
durante el tiempo de corriente no varía mucho. La atenuación del
sonido debida al incremento de la temperatura en los contactos
electrodo-chapa y la mejora de la transmisividad
debida al incremento de la superficie se compensan más o menos por
igual. Sólo cuando acaba el tiempo de corriente se hace notable el
incremento de la superficie de contacto, con lo cual el
ensanchamiento del contacto entre los electrodos y la chapa conduce
a una elevación considerable de la transmisividad en la fase de
enfriamiento.
Al repetir la soldadura en el mismo punto
(gráfica de función con pendiente fuertemente descendente durante
el tiempo de corriente y gráfica de función inferior durante el
tiempo de mantenimiento) no cambia sustancialmente el tamaño de las
superficies de contacto entre electrodos y chapa, lo que es
reconocible en que la transmisividad a los ultrasonidos al comienzo
del tiempo de corriente y al final del tiempo de mantenimiento es
prácticamente igual. La disminución de la transmisividad durante el
tiempo de corriente durante la segunda soldadura es causada
exclusivamente por el incremento de temperatura del contacto entre
electrodo y chapa. Así se pone de manifiesto que no es posible
reconocer por medio del curso de la transmisividad acústica, en
especial durante una soldadura repetida, si la atenuación sonora es
causada por la fase líquida o masa fundida que se está formando en
el interior de la chapa, o bien sólo por el aumento de temperatura
en los contactos entre electrodo y chapa. Tal como se ha dicho al
principio, sólo con ayuda de un pulimento posterior en la zona del
punto de soldadura es posible comprobar si en el interior de la
chapa ha tenido lugar o no una fusión.
El ejemplo precedente pone claramente de
manifiesto que mediante la investigación exclusiva del
comportamiento de la transmisividad acústica de ondas transversales
a través del lugar de soldadura se pueden emitir juicios sólo
insuficientes acerca de la existencia de un botón de soldadura en
formación.
Las anteriores explicaciones ponen claramente de
manifiesto que no es posible, o lo es sólo de manera muy
insuficiente, evaluar una unión soldada que se está formando durante
un proceso de soldadura entre al menos dos elementos a soldar
participantes, empleando al menos un emisor de ultrasonidos que
irradia con ondas ultrasónicas la zona de la unión soldada que se
está formando, y al menos un receptor de ultrasonidos que registra
las variaciones de la transmisividad acústica de las ondas
ultrasónicas que atraviesan la zona de la unión soldada que se está
formando, con el fin de evaluar la unión soldada, basándose de
manera exclusiva en la detección y evaluación exclusiva de ondas
ultrasónicas transversales en sí conocidas, que atraviesan la zona
de la unión soldada que se está formando. Por tanto, se debe
proporcionar un método de evaluación que haga posible una
evaluación que tenga poder asertivo, con gran exactitud y
fiabilidad, de una unión soldada, y evite todas las deficiencias e
inseguridades inherentes a los procedimientos conocidos.
En la reivindicación 1 se indica la solución a
la misión que sirve de base a la invención. Los objetos de las
reivindicaciones subordinadas contienen características que
perfeccionan ventajosamente los conceptos de la invención, y que
pueden deducirse también, por otra parte, del resto de la
descripción con referencia a los ejemplos de realización.
El procedimiento de acuerdo con la invención
parte de la idea de que se debe eliminar en la mayor medida posible
la influencia que sobre el comportamiento de la transmisividad
acústica tienen los contactos entre las superficies de conexión
para la emisión o captura de sonidos y las superficies de los
elementos a soldar, y el contacto entre los propios elementos a
soldar (hasta que se forma la masa fundida). Como se detallará más
adelante, el procedimiento de acuerdo con la invención permite
centrar casi con exclusividad los procesos de soldadura en el
ámbito de los elementos a soldar. Por razones termodinámicas, el
proceso de fusión tiene lugar, por regla general, en la zona de
contacto de los elementos a soldar contiguos.
También queda registrado el caso de que se
formen también fases fundidas en otros lugares, por ejemplo en los
lugares de conexión de entrada y conexión de salida, lo cual
representa una perturbación del proceso de soldadura (por ejemplo
fallo del enfriamiento de los electrodos). Se advierte así que el
proceso de fusión aparece en un instante que no es habitual.
El procedimiento de acuerdo con la invención se
basa en las siguientes conclusiones: los contactos entre sólidos,
por ejemplo los que se forman entre los electrodos de soldadura y la
superficie de un participante a soldar, y también entre dos
elementos a soldar situados uno inmediatamente encima de otro, no
constituyen en modo alguno superficies de contacto totalmente
ideales, con escasa dependencia de la transmisividad ultrasónica
respecto de la temperatura. Antes bien, estos contactos ultrasónicos
constituyen contactos reales e incompletos, que presentan una
dependencia de la transmisividad ultrasónica respecto de la
temperatura que es función en muy gran medida de la calidad del
contacto. A diferencia de lo que ocurre en los contactos ideales
entre sólidos, en los cuales hace contacto toda la superficie, los
contactos reales se componen, a consecuencia de la rugosidad de
todas las superficies reales, de una suma de contactos individuales.
Cuanto peor es el contacto global, más acusada es la dependencia de
la transmisividad ultrasónica respecto de la temperatura. Para
describir el paso del sonido a través de superficies límite reales
se ha establecido el denominado modelo de rigidez del contacto
(véanse para ello: J.-M. Baik, R.B. Thompson, Ultrasonic scattering
from imperfect interfaces: A Quasi Static Model; J. Nondestr. Eval.
4 (1984), página 177 y siguientes; Kendall, K.; Tabor, D.: Proc.
Roy. Soc. Lond. A 323, 321 (1971); Peter B. Nagy "Ultrasonic
Classification of Imperfect Interfaces" J. NDE, página 127,
volumen 11, 1992), según el cual la transmisión de ultrasonidos en
contactos entre sólidos depende sólo en escasa medida del tipo de
onda, es decir, la transmisión acústica de ondas ultrasónicas
longitudinales y transversales se configura de manera casi idéntica
al atravesar superficies de contacto incompletas reales.
Para establecer el comportamiento de la
transmisividad acústica, por ejemplo a través de una estructura de
dos capas compuesta, también por ejemplo, de dos planchas de chapa
colocadas una sobre otra, se observa que la transmisividad acústica
total a través de las planchas de chapa se puede describir como el
producto de las transmisividades acústicas a través de las zonas
individuales atravesadas por el sonido, esto es, en el caso de la
presente estructura bicapa el producto se compone de cuatro términos
individuales: las transmisividades de los contactos
electrodo-chapa (en la conexión de entrada y de
salida del sonido), la transmisividad del contacto
chapa-chapa, y la transmisividad a través del
interior de la chapa.
Por último, del hecho de que los fluidos, por
ejemplo los botones de soldadura líquidos que se forman, no pueden
transmitir ondas transversales, se puede deducir que la fase líquida
sólo puede influir de manera insignificante en el comportamiento de
propagación de las ondas sonoras longitudinales.
Basándose en los conocimientos antes señalados,
el procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza porque
se atraviesa la zona de la unión soldada con ondas ultrasónicas
tanto longitudinales como transversales. Para registrar los dos
tipos distintos de ondas ultrasónicas, con ayuda del receptor de
ultrasonidos se registran separadamente las variaciones de
transmisividad acústica en función del tiempo, tanto para las ondas
ultrasónicas longitudinales como para las ondas ultrasónicas
transversales. Para eliminar deliberadamente la influencia de los
contactos entre las superficies de conexión de entrada del sonido y
de salida del sonido y los participantes respectivos a soldar, se
relacionan las variaciones de la transmisividad acústica en función
del tiempo, para las ondas ultrasónicas longitudinales y para las
transversales, y por medio de la función de relación así obtenida
se establece el instante t_{s} en el cual se forma una masa
fundida en la zona de la unión soldada. Tanto el instante t_{s}
como el curso posterior de la función de relación sirven de base
para evaluar la unión soldada.
El procedimiento de acuerdo con la invención
sirve no sólo para investigar uniones soldadas que se pueden
producir por medio de una primera soldadura entre dos elementos a
soldar, sino que este procedimiento de acuerdo con la invención se
puede emplear con éxito también en el caso de un aporte repetido de
energía entre dos o más elementos a soldar que estén ya conectados,
por ejemplo en el curso de una soldadura por impulsos múltiples. En
tal caso, los elementos a soldar se encuentran ya, como consecuencia
de soldaduras previas o iniciales, en un contacto material, pero
éste debe ser reforzado o asegurado de manera controlada en otro
procedimiento de soldadura posterior. Mediante la observación
directa de los botones de soldadura que se forman, se puede deducir
tanto su aparición como su tamaño, y con ello la calidad de la unión
soldada que se está formando.
El procedimiento de acuerdo con la invención se
puede emplear con independencia del tipo de proceso de soldadura.
Si, además del sector técnico de aplicación técnica de la soldadura
de coincidencia, tanto la soldadura de contacto, por ejemplo la
soldadura por resistencia, como la soldadura sin contacto, por
ejemplo la soldadura por arco, existen otros sectores de empleo en
los cuales sea importante la observación de la formación de una
fase líquida dentro de un medio sólido por medio de un aporte
adecuado de energía, por ejemplo en la evaluación de revestimientos
en fusión, la enseñanza técnica del procedimiento de acuerdo con la
invención es trasladable a cualquier caso de aplicación, es decir,
las ideas en las que se basa la reivindicación 1 no deben quedar
limitadas exclusivamente al proceso de soldadura en sí, sino abarcar
todas las aplicaciones técnicas en las cuales se formen en el
interior de un cuerpo sólido, como consecuencia de un calentamiento
térmico local, masas fundidas espacialmente limitadas, tal como
ocurre, por ejemplo, en las transformaciones o modificaciones
locales de la estructura de materiales. Estas transformaciones
pueden aprovecharse, por ejemplo, para endurecer localmente el
material.
A continuación se describirá con detalle el
procedimiento de acuerdo con la invención haciendo referencia a las
Figuras.
A continuación se describirá ilustrativamente la
invención, sin que el concepto general de la invención quede
limitado por los ejemplos de realización, y haciendo referencia a
los dibujos. En éstos:
la Figura 1a muestra una disposición esquemática
para llevar a cabo un proceso de soldadura empleando la soldadura
por resistencia,
la Figura 1b muestra una representación en
diagrama para ilustrar el curso de la transmisividad de ondas
transversales y longitudinales, y
la Figura 1c muestra una representación en
diagrama para ilustrar el curso de la relación entre ondas
longitudinales y transversales,
la Figura 2 muestra una disposición habitual de
medida,
la Figura 3 muestra una representación en
diagrama para ilustrar el curso de la transmisividad ultrasónica de
dos soldaduras de contacto sucesivas realizadas en una chapa de 1 mm
de grueso, y
la Figura 4 muestra una disposición de medida
modificada para medir por separado la transmisividad acústica de
ondas longitudinales y transversales.
Para continuar describiendo el comportamiento de
transmisividad acústica de ondas longitudinales y transversales que
atraviesan una unión soldada que se está formando o aparecen
asociadas funcionalmente a la misma, durante su creación, es decir
durante el proceso de soldadura, se remitirá a la representación muy
esquematizada de la Figura 1, que muestra los principales
componentes que influyen en el camino sonoro de las ondas
ultrasónicas. Así, se tomarán como elementos a soldar 1 y 2, dos
chapas planas que se tocan entre sí a través de un contacto a
presión plano, y forman un contacto chapa-chapa,
denominado contacto B-B en el dibujo. Para aportar
la energía destinada a crear un botón de soldadura de origen
térmico entre las dos piezas a soldar 1 y 2, se aplica un electrodo
de soldadura 3 y 4, en cada una de las respectivas caras externas de
las chapas, que forman con los elementos a soldar 1 y 2 un contacto
electrodo-chapa, E-B. Como ya se ha
indicado en referencia a la Figura 2, que muestra una disposición
habitual de medida para evaluar una unión soldada, a través de los
electrodos de soldadura 3 y 4 se emiten hacia los elementos a
soldar 1 y 2, y se recogen de los mismos, respectivamente, ondas
ultrasónicas. Típicamente, un emisor de ultrasonidos está conectado
acústicamente al electrodo de soldadura 3, y en correspondencia un
receptor de ultrasonidos está conectado acústicamente al electrodo
de soldadura 4.
Partiendo de la disposición de medida
representada esquemáticamente en la Figura 1a, se puede describir la
transmisividad acústica para ondas longitudinales y transversales
mediante las siguientes relaciones matemáticas:
Como ya se ha indicado antes, en los contactos
entre cuerpos sólidos, es decir, contactos reales, la transmisión
de ultrasonidos se comporta según el denominado modelo de rigidez
del contacto, según el cual la transmisión de ultrasonidos depende
poco del tipo de onda, es decir, de si son ondas longitudinales o
transversales. Para la anterior descripción matemática del curso de
la transmisividad, la transmisión acústica de la disposición de
medida representada en la Figura 1 aparece como el producto de las
transmisividades en cada una de las zonas individuales atravesadas
por el sonido. En la misma, los términos EB(t) y BE(t)
corresponden respectivamente a la transmisividad acústica entre el
contacto electrodo-plancha que se crea en la
superficie límite entre el electrodo de soldadura 3 y el elemento a
soldar 1, o bien entre el elemento a soldar 2 y el electrodo de
soldadura 4. Se puede deducir, además, que EB(t) y
BE(t) son aproximadamente iguales. Los subíndices l y t
utilizados en las expresiones de las fórmulas matemáticas 1 y 2
indican en cada caso la transmisividad acústica a través del
contacto respectivo para ondas longitudinales (l) y ondas
transversales (t). El término BB(t) corresponde a la
transmisividad acústica a través del contacto
chapa-chapa entre los dos elementos a soldar 1 y 2,
y finalmente el término Bl(t) corresponde en cada caso a la
transmisividad acústica dentro del elemento a soldar 1 ó 2.
Si se confronta el modelo matemático antes
propuesto mediante las ecuaciones 1 y 2 para la transmisividad
acústica respecto a las ondas longitudinales y las ondas
transversales, con el curso realmente medido de la transmisividad
acústica para las ondas longitudinales y para las ondas
transversales, que está expuesto en la representación en forma de
diagrama de la Figura 1b, se puede constatar lo siguiente:
La Figura 1b muestra un diagrama a lo largo de
cuyas abscisas está indicado el tiempo de corriente durante el
proceso de soldadura. En las ordenadas se encuentran los valores de
transmisividad medidos. De las dos gráficas de función que aparecen
en el diagrama, la gráfica de función inferior corresponde al
comportamiento de transmisividad de las ondas transversales. La
gráfica de función superior representa el comportamiento de
transmisividad de las ondas longitudinales. Los valores de medida
representados en la figura 1b han sido obtenidos durante un proceso
de soldadura por resistencia en dos chapas sin revestir, cada una de
1 mm de grueso.
Al comienzo de la soldadura, se observa para los
dos tipos de ondas un ligero retroceso de la transmisividad
acústica, que se puede explicar por una atenuación del sonido
causada por la temperatura en el contacto
electrodo-chapa. Después de ello, y a consecuencia
del ensanchamiento, que tiene lugar inmediatamente después, de la
zona superficial de contacto electrodo-chapa, crece
la transmisividad para las dos clases de onda. Sólo al cabo de
aproximadamente 30 o 40 milisegundos aparece un debilitamiento del
sonido claramente reconocible para las dos clases de ondas, que se
puede achacar al incremento de temperatura en el contacto
chapa-chapa situado en el interior. Puesto que la
superficie de contacto chapa-chapa tiene un tamaño
mucho mayor que la superficie de contacto
electrodo-chapa, el efecto elevador de la
temperatura en la superficie de contacto chapa-chapa
es mucho más pronunciado que el efecto de temperatura en las
superficies de contacto electrodo-chapa antes
descrito. Hasta el instante en que se alcanza la temperatura de
fusión t_{s}, que define el momento de la fusión, y a partir del
cual se comienza a formar un botón de fusión entre los elementos a
soldar 1 y 2, se comprueba que el comportamiento de la
transmisividad acústica puede ser descrito del mismo modo para las
ondas transversales y para las ondas longitudinales. Sin embargo,
al alcanzar la temperatura de fusión t_{s} en el contacto
chapa-chapa, las curvas de transmisividad para las
ondas longitudinales y transversales presentan a partir de entones
un curso claramente distinto. La transmisividad acústica de la onda
longitudinal aumenta a pesar de que se continúa formando un botón
fundido entre los dos elementos a soldar de manera casi continua,
que en último término está causado por el crecimiento de las
superficies de contacto electrodos-chapa. Por el
contrario, el comportamiento de la transmisividad acústica de las
ondas transversales muestra un descenso continuo hacia valores más
bajos, que al fin y al cabo está originado por el botón de
soldadura que se está formando en el contacto
chapa-chapa, ya que las ondas transversales no
pueden atravesar fases viscosas o casi líquidas. Antes bien,
normalmente las ondas transversales se reflejan en el botón fundido
que se está formando.
En cambio, en el caso de las ondas
longitudinales, el debilitamiento causado por el contacto, que tiene
lugar en el contacto chapa-chapa antes de alcanzar
el momento de la fusión, generalmente se ve compensado por el botón
fundido que se está formando, gracias al contacto superficial ideal
que se crea, por lo cual la transmisividad a ondas sonoras
longitudinales crece de manera continua, incluso tras alcanzar el
momento de la fusión, por causa del ensanchamiento del botón de
soldadura.
Si en las ecuaciones designadas como 1 y 2 se
divide la transmisividad acústica para las ondas longitudinales
entre la transmisividad acústica para las ondas transversales, se
contrarrestan todas aquellas influencias que actúan por igual sobre
ambas clases de ondas. Esto se refiere en particular a influjos que
son provocados por el ensanchamiento de la superficie de contacto y
por el aumento de la temperatura en las zonas de contacto. También
se eliminan mutuamente los términos BI_{l} y BI_{t},
especialmente porque a estas frecuencias bajas, y por los caminos
particularmente cortos que recorren los elementos a soldar, dichos
términos tienen una magnitud aproximadamente igual, y por ello no
desempeñan ningún papel esencial en cuanto a la amortiguación del
sonido. Se obtiene por consiguiente la siguiente relación:
La anterior ecuación (3) se puede poner de la
manera siguiente en la forma simplificada de la ecuación (4), que
consta sólo de dos términos conforme a las ecuaciones (5) y (6).
en
donde
y
En este caso, la ecuación (5) describe el curso
de la relación de transmisividades acústicas en los contactos
electrodo-chapa, que puede modificarse ligeramente
en el transcurso del tiempo a causa de una plastificación en el
contacto electrodo-chapa. La ecuación (6) describe
el curso de la relación de transmisividades acústicas en el
contacto chapa-chapa. El término reproducido en la
ecuación (6) muestra una gran variación en el entorno del momento
de fusión t_{s}, que está relacionada con la transición
sólido-líquido. Así, la relación entre la
transmisividad de ondas longitudinales y transversales de acuerdo
con la ecuación (4) viene determinada esencialmente por el término
conforme a la ecuación (6), en especial en el entorno del momento de
fusión, y se puede eliminar ampliamente la influencia de los
contactos. Por tanto, a partir de la ecuación (4) se puede
establecer fácilmente la transición sólido-líquido
en un salto de la pendiente. Remítase para ello en especial a la
Figura 1c, que muestra un diagrama en el cual está representado la
gráfica de función de la ecuación (4), es decir, el curso de la
relación de transmisividades para ondas longitudinales y
transversales. Así, la gráfica de la función crece suavemente, y de
manera continua, entre 0 milisegundos y el momento de la fusión
t_{s}, que en el caso de la Figura 1 se sitúa aproximadamente en
50 milisegundos. En el momento de la fusión t_{s}, tiene lugar
una clara elevación de la gráfica de función que se traduce en una
variación repentina clara del curso de la pendiente de la función.
Así, la pendiente de la curva de función experimenta en el punto
del momento de la fusión una considerable variación positiva, que
viene determinada exclusivamente por el comportamiento temporal del
término conforme a la ecuación (6).
Mediante la división, conforme a la invención,
del comportamiento de transmisividad acústica en porciones de ondas
ultrasónicas longitudinales y transversales, se consigue eliminar
casi por completo las influencias de los contactos que se originan
en los puntos de contacto EB y BB, en la evaluación del
comportamiento acústico de transmisión sonora a través de la zona
de soldadura que se está formando. Por tanto, en numerosos casos de
aplicación, tiene una importancia especial para la evaluación de una
unión soldada, comprobar exclusivamente si se ha alcanzado o no, y
cuándo, la fase líquida entre los elementos a soldar, que están en
contacto, durante el proceso de soldadura. Además, la velocidad con
la cual tiene lugar la formación de la fase fundida constituye un
medio para determinar el tamaño del botón de fusión que cabe
esperar. La velocidad de crecimiento del botón de soldadura se
deduce de la pendiente de la función de proporción tras el momento
de la fusión.
En particular, con el procedimiento de acuerdo
con la invención se amplían de modo decisivo las posibilidades de
empleo del procedimiento de ensayo ultrasónico para la evaluación de
los puntos de soldadura. Así, por ejemplo, en el caso de soldaduras
por impulsos múltiples tales como se han descrito por ejemplo con
relación al estado de la técnica haciendo referencia a la Figura 3,
es posible emitir juicios exactos acerca de si se ha formado o no
un botón de soldadura. Esto no es posible, tal como se ha expuesto
al principio, con los procedimientos de ensayo ultrasónicos
actuales.
En el caso particular de constelaciones de
soldadura, que se presentan por ejemplo en microuniones, en las
cuales la influencia de las superficies de contacto es especialmente
grande en comparación con la influencia de la fase líquida que se
forma entre los elementos a soldar, el procedimiento de evaluación
de acuerdo con la invención ha permitido emitir juicios fiables
sobre la formación de fases líquidas entre los respectivos
elementos a soldar.
Además de ello, con el procedimiento de
evaluación de acuerdo con la invención se abren para los procesos
de soldadura campos de aplicación totalmente nuevos, en los cuales
no sea posible pueden separar en el tiempo la influencia de las
zonas de contacto y la formación de la fase líquida, tal como
ocurre, por ejemplo, en procesos de soldadura breves, en especial
en soldaduras por descarga de condensador.
El procedimiento de acuerdo con la invención
permite también el análisis y la evaluación fiables de una unión
soldada que se está formando, en la cual el proceso de soldadura en
las superficies de contacto entre los dos electrodos de soldadura y
los respectivos elementos a soldar origina grandes variaciones de
dichas superficies de contacto, como ocurre por ejemplo en las
denominadas soldaduras "con joroba". En estas soldaduras en
particular, hasta ahora era difícil y hasta imposible realizar
evaluaciones de este tipo.
Del mismo modo, el procedimiento sirve para
evaluar soldaduras de alambre a chapa, o de alambre a alambre.
También en estos casos la superficie de contacto entre electrodo y
pieza a soldar varía considerablemente durante la soldadura.
Además de para las soldaduras por resistencia
antes descritas, en las cuales las ondas ultrasónicas son
introducidas en los elementos a soldar a través de un electrodo de
soldadura, y son extraídas de los elementos a soldar a través de un
contraelectrodo colocado en la posición equivalente, el
procedimiento de evaluación de acuerdo con la invención se puede
aplicar con éxito también en otros procedimientos de soldadura, en
especial procedimientos de soldadura sin contacto. Es posible, por
ejemplo, mientras se está realizando método de un procedimiento de
soldadura por radiación, tal como por ejemplo un procedimiento por
radiación láser, de electrones o de iones, introducir ondas
ultrasónicas en los elementos a soldar, y captarlas de manera
adecuada. No obstante, es necesario para ello conectar
acústicamente el emisor de ultrasonidos, y análogamente el receptor
de ultrasonidos, directamente a una superficie del elemento a
soldar respectivo. La ventaja del procedimiento de soldadura por
resistencia respecto, por ejemplo, a la soldadura por radiación sin
contacto, se ha de apreciar en el hecho de que el aporte de energía
que da lugar al proceso de fusión penetra en el elemento a soldar a
través de la misma superficie de conexión a través de la cual son
introducidas y captadas también las ondas ultrasónicas con el fin
de evaluar la unión soldada. No obstante, los presentes
razonamientos acerca del procedimiento de acuerdo con la invención
se pueden aplicar satisfactoriamente también a otros tipos de
procesos de soldadura.
El principio del procedimiento de acuerdo con la
invención se basa fundamentalmente en la determinación y evaluación
simultánea de los cursos longitudinal y trasversal de la
transmisividad a través de la unión soldada que se está formando.
La determinación de los cursos de la transmisividad acústica para
las dos clases de ondas puede realizarse de distintas maneras. En
principio, en la difusión del sonido en cuerpos sólidos
espacialmente limitados se origina en cada caso el otro tipo de
ondas a causa de la reflexión de las ondas sonoras en las
superficies límite. Es decir, en la difusión de una onda transversal
se origina también una cierta fracción longitudinal, y a la
inversa. Se puede influir en la cuantía de dicha fracción mediante
el ángulo de emisión del sonido y la forma del medio de difusión, y
en particular al aplicar el procedimiento de acuerdo con la
invención en la soldadura por resistencia, en la cual se introducen
primeramente las ondas ultrasónicas en el electrodo de
soldadura.
Además de la disposición de medida habitual ya
conocida, tal como está representada en la Figura 2, una disposición
de medida ventajosa presenta dos emisores ultrasónicos 5 y 5' según
la Figura 4, desde los cuales se introducen en las piezas a soldar
1 y 2, a través del electrodo de soldadura 3, preferiblemente ondas
transversales desde un emisor 5, y preferiblemente ondas
longitudinales desde el otro emisor 5'. Del mismo modo, el
contraelectrodo 4 prevé dos receptores distintos 8 y 8', de los
cuales un receptor de ultrasonidos puede detectar ondas
transversales y el otro receptor de ultrasonidos puede detectar
ondas longitudinales. También es posible trabajar sólo con un único
receptor de ultrasonidos 8, debiendo entonces descomponerse la señal
recibida en sus componentes longitudinales y transversales de
vibración. Esto se puede lograr, por ejemplo, analizando en dos
ventanas temporales distintas la señal recibida.
Es posible también el análisis de la señal
recibida en una ventana temporal conjunta si los componentes
longitudinal y transversal de la señal se encuentran en distintos
rangos de frecuencia. En tal caso se pueden detectar selectivamente
los dos componentes de la vibración aplicando un filtro de
frecuencias adecuado a la señal recibida.
Así se han podido obtener, por ejemplo, los
valores de medida representados en la Figura 1a y 1b, captando en
banda ancha la señal recibida y filtrándola después de manera
digital. La señal transversal recibida ha sido filtrada con un paso
bajo de frecuencia límite superior 150 kHz, y la señal longitudinal
recibida ha sido analizada a través de un paso alto con una
frecuencia límite inferior de 300 kHz.
| 1,2 | Elementos a soldar |
| 3,4 | Electrodos de soldadura |
| 5,5' | Emisores de ultrasonidos |
| 6 | Regulador de la corriente de soldadura |
| 7 | Generador de pulsos ultrasónicos |
| 8,8' | Receptores de ultrasonidos |
| 9 | Unidad de análisis |
| 10 | Evaluación del punto de soldadura |
Claims (9)
1. Procedimiento para evaluar una unión soldada
entre al menos dos elementos a soldar que se está formando durante
un proceso de soldadura, empleando al menos un emisor de
ultrasonidos que transmite ondas ultrasónicas a través de la zona
de la unión soldada que se está formando, y al menos un receptor de
ultrasonidos que registra variaciones de la transmisividad acústica
de las ondas ultrasónicas que atraviesan la zona de la unión soldada
que se está formando, con el fin de evaluar la unión soldada,
siendo atravesada la zona de la unión soldada por ondas
ultrasónicas longitudinales (l) y transversales (t),
caracterizado porque en cada caso se registran por separado
unas de otras las variaciones de la transmisividad acústica
dependientes del tiempo D_{l}(t) y D_{t}(t) para
las ondas ultrasónicas longitudinales (l) y transversales (t), y
porque gracias a establecer una relación entre D_{l}(t) y
D_{t}(t) se determina el instante t_{s} en el cual se
forma una masa fundida en la zona de la unión soldada, y que sirve
de base para evaluar la unión soldada.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el instante t_{s} en el cual se forma
una masa fundida en la zona de la unión soldada entre los elementos
a soldar se determina localizando el punto temporal de la función
de relación entre D_{l}(t) y D_{t}(t) dependiente
del tiempo, en el cual dicha función de relación presenta el máximo
salto de la pendiente.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el al menos un emisor de ultrasonidos
transmite ondas ultrasónicas a través de una superficie de contacto
a un primer elemento a soldar, y porque el al menos un receptor de
ultrasonidos registra desde un segundo elemento a soldar las ondas
ultrasónicas que han atravesado la zona de la unión soldada, y
porque para evaluar la unión soldada sirve la siguiente función de
relación dependiente del tiempo:
en la
cual
- (EB)_{l \ ó \ t}(t) =
- transmisividad acústica en la superficie de entrada de sonido en el primer elemento a soldar, para ondas longitudinales o transversales
- (BB)_{l \ ó \ t}(t) =
- transmisividad acústica en el contacto ente los elementos a soldar, para ondas longitudinales o transversales
- (BI)_{l \ ó \ t}(t) =
- transmisividad acústica dentro de los elementos a soldar, para ondas longitudinales o transversales
- (BE)_{l \ ó \ t}(t) =
- transmisividad acústica en la superficie de salida de sonido en el segundo elemento a soldar, para ondas longitudinales o transversales
siendo (BI)^{2}_{l \ ó \
t}(t) y (EB)^{2}_{l \ ó \ t}(t)
ampliamente iguales para ondas longitudinales y transversales
suponiendo frecuencias bajas y caminos de transmisión
cortos.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el tamaño de la masa fundida que se está
formando, que se determina a partir de la magnitud de la diferencia
de pendientes de la función de relación en el instante t_{s},
sirve de base para la evaluación de la unión soldada.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la operación de
soldadura se lleva a cabo en el marco de una soldadura por
resistencia, en la cual se aplican electrodos de contacto a los
elementos a soldar, que al mismo tiempo forman superficies de
contacto con los elementos a soldar, a través de las cuales se
transmiten o se captan las ondas ultrasónicas.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la operación de
soldadura se lleva a cabo en el marco de un proceso de soldadura
sin contacto, en la cual se ponen directamente en contacto el
emisor ultrasónico y el receptor ultrasónico con los respectivos
elementos a soldar.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque se emplea como proceso de soldadura sin
contacto la soldadura por láser, por radiación de electrones o por
radiación de iones.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se utilizan como
emisores de ultrasonidos y receptores de ultrasonidos cabezas
sensoras de elementos piezoeléctricos o cabezas sensoras EMUS.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque mediante una
evaluación en línea de la unión soldada que se está formando se
generan magnitudes reguladoras a través de las cuales se influye en
la operación de soldadura.
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