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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen optischen Prüfung von Schweißstellen, wie Schweißpunkten oder Schweißnähten, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein bei der Herstellung von Fahrzeugen hauptsächlich eingesetztes Fügeverfahren zur Verbindung von Blechen ist das Punktschweißverfahren, bei dem die Schweißpunkte durch Widerstandsschweißen mittels einer Schweißzange hergestellt werden. Zur Kontrolle von Schweißpunkten wurden unterschiedliche Prüfverfahren entwickelt.
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Ein bislang noch häufig angewandtes Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle von Schweißpunkten ist die zerstörende Prüfung mit Hammer und Meißel. Dieses Prüfverfahren kann jedoch nur für Stichproben eingesetzt werden und erfordert wegen der damit verbundenen Zerstörung von Schweißpunkten das Setzen von mehr Schweißpunkten als eigentlich benötigt, was zu längeren Fertigungszeiten und entsprechend höheren Kosten führt.
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Ein anderes bekanntes Prüfverfahren zur Qualitätskontrolle von Schweißpunkten basiert auf Ultraschallprüfung. Diese Prüfverfahren ist jedoch relativ ungenau und dementsprechend unzuverlässig.
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In der
DE 19740 024 C1 ist ein berührungsloses bildaufnehmendes Prüfverfahren für die Qualitätsbeurteilung von Schweißpunkten beschrieben, bei dem sofort nach Beendigung des Schweißvorganges der optische Abdruck der Schweißverbindung erfasst und im Arbeitsspeicher eines Bildbearbeitungssystems als Grauwertbild hinterlegt wird. Dieses Grauwertbild wird dann automatisch durch ein im Bildbearbeitungssystem gespeichertes Prüfprogramm analysiert, wobei zunächst die Lage des Schweißpunktes im Bild grob bestimmt wird, der Schweißpunkt detailliert vermessen wird und eine Vielzahl von Antastpunkten entlang der Schweißkontur aufgestellt werden. Die von den Konturpunkten abgeleiteten Durchmesser und Mittelpunkte, sowie ihre Streuungen, stellen Formmerkmale des Schweißpunktes dar. Zusätzlich werden Merkmale über die Helligkeitsintensität und die Anlassfarben des Schweißpunktes berechnet. Schließlich wird der Schweißpunkt anhand von erkannten Merkmalen klassifiziert, wobei ein Klassifikator mit für jeweilige Entscheidungsklassen typischen Muster automatisch parametriert wird, so dass die Klassifizierung an sich ändernde Umgebungsbedingungen angepasst werden kann. Dieses Prüfverfahren soll zwar wesentlich genauer als das Ultraschallprüfverfahren sein, ist jedoch gleichwohl noch verbesserungsfähig.
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In der
DE 199 35 777 A1 ist eine Vorrichtung zum hochpräzisen Beurteilen der Güte von Schweißstellen beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Temperaturmesseinrichtung, die die Oberflächentemperatur eines zu schweißenden Teils an einer Schweißstelle nach dem Schweißen misst, eine Entscheidungseinrichtung, die beurteilt, ob ein gemessener Temperaturwert höher als ein zum Vergleich dienender Referenztemperaturwert ist, und eine Steuerungseinrichtung, die eine Schweißmaschine auf der Grundlage des Beurteilungsergebnisses der Entscheidungseinrichtung steuert. Die Temperaturmesseinrichtung besteht dabei aus einem Wärmestrahlungspyrometer. Alternativ kann die Vorrichtung eine Detektiereinrichtung aufweisen, die die Farbe oder den Glanz eines zu schweißenden Teils an einer Schweißstelle nach dem Schweißen detektiert, eine Entscheidungseinrichtung, die beurteilt, ob der detektierte Farb- oder Glanzwert höher als ein zum Vergleich dienender Farb- bzw. Glanz-Referenztemperaturwert ist, sowie wiederum eine Steuerungseinrichtung, die eine Schweißmaschine auf der Grundlage des Beurteilungsergebnisses der Entscheidungseinrichtung steuert.
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Die
DE 4 039 847 A1 offenbart ein Verfahren zur Überprüfung der Qualität von Punktschweißverbindungen, bei dem die am Schweißpunkt unmittelbar nach Durchführung der Schweißeng herrschende Temperatur durch Abgreifen der zwischen den zu verschweigenden Teilen bzw. an der Elektrode durch das Schweißen induzierten thermoelektrischen Spannung ermittelt und zur Grundlage der Qualitätsbeurteilung gemacht wird.
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Aus der
DE 199 62 918 A1 gehen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien, berührungslosen Messung einer Werkstoffoberfläche, insbesondere eines geschweißten, beschichteten und/oder Verbundwerkstoffes hervor. Das Verfahren umfasst das Beaufschlagen eines vorbestimmten Flächenbereiches mit einer modulierten Strahlung, das berührungslose hinsichtlich der Oberflächenstrahlungs- bzw. reflexionseigenschaften des Flächenbereiches kompensierte Erfassen von vom Flächenbereich reflektierten, absorbierten und/oder emittierter Strahlung und ein rechnergestütztes Auswerten eines erfassten Signals in Abhängigkeit von einer Zeit nach dem Ende der Modulation, einer Frequenz und/oder Amplitude der reflektierten und/oder emittierten Strahlung sowie einer Flächendimension des Flächenbereiches.
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Ferner ist aus der
DE 4 408 921 A1 ein Verfahren zur optischen Schweißnahtprüfung unter Anwendung des Lichtschnittverfahrens bekannt. Dabei werden in einem definierten Zeitabstand mit einer Kamera Aufnahmen eines auf den Prüfling mittels einer Laserlichtquelle projizierten Lichtstreifens gemacht. Der Lichtstreifen wird durch schräge Beleuchtung aufgebracht, wodurch ein Versatz des Lichtstreifens durch die Schweißnaht erfolgt. Der Versatz des Lichtstreifens wird durch Auswertung des Kamerabildes erfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißpunkten sowie Schweißnähten anzugeben, die sich durch ein Höchstmaß an Genauigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch die Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität einer zu prüfenden Schweißstelle anhand von mindestens drei gleichzeitig durchgeführten Messungen beurteilt wird, umfassend
- a) eine Lasermessung zur Erfassung des Glanzes der zu prüfenden Schweißstelle als indirektes Maß für die Temperatur der Schweißstelle,
- b) eine Temperaturmessung zur Erfassung der Temperatur oder Farbtemperatur der zu prüfenden Schweißstelle, und
- c) eine Interferenzmessung zur Erfassung der Wellenlänge der von der zu prüfenden Schweißstelle als Licht emittierten Temperaturstrahlung.
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Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung umfasst im Wesentlichen:
- – eine Laserlichtquelle, deren Laserstrahl auf eine zu prüfende Schweißstelle richtbar ist,
- – eine Einrichtung zur Erfassung von Laserlicht, welches von der zu prüfenden Schweißstelle reflektiert wird,
- – eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur oder Farbtemperatur der zu prüfenden Schweißstelle,
- – eine Einrichtung, die ein von der Wellenlänge der als Licht emittierten Temperaturstrahlung abhängiges Interferenzbild erzeugt,
- – eine Einrichtung zur Erfassung des erzeugten Interferenzbildes, und
- – einen Rechner, der aus dem erzeugten Interferenzbild eine entsprechende Wellenlänge berechnet.
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Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die ein Ausführungsbeispiel darstellende Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
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1 den funktionalen Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und der Wellenlänge der von ihm emittierten Temperatur- oder Wärmestrahlung,
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2 das Abkühlverhalten eines Schweißpunktes,
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3 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung, und
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4 die Funktion einer in der Prüfvorrichtung gemäß 3 verwendeten Lochmaske.
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Das Planck'sche Strahlungsgesetz (Verteilungsgesetz) beschreibt die Abhängigkeit der von einem schwarzen Körper emittierten Strahlung von seiner Temperatur und von der Wellenlänge der Strahlung. Danach hängt der vom schwarzen Körper emittierte spektrale Strahlungsfluss allein von dessen Temperatur und der jeweils emittierten Wellenlänge ab.
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Ein schwarzer Körper hat die Eigenschaft, auf allen Wellenlängen bei einer bestimmten Temperatur ein Maximum Wärme abzustrahlen. Trägt man die Strahlungsintensität über der Wellenlänge auf, ergibt sich nach dem von Max Planck entwickelten Strahlungsgesetz (Verteilungsgesetz) bei einer konstanten Temperatur T des schwarzen Körpers mit der Zunahme der Wellenlänge λ, ein Anstieg der Intensität. Nach einem Maximum nimmt die Intensität bei T = konstant wieder ab. Die Intensität der Strahlung nimmt bei allen Wellenlängen mit steigender Temperatur des Strahlers zu, d. h. die Kurven höherer Temperatur liegen, über den gesamten Wellenlängenbereich betrachtet, über denen niederer Temperatur. Der Physiker Wien hat die Lage der Maxima der jeweils einer konstanten Temperatur zugeordneten Kurven im Intensität-Wellenlängen-Diagramm untersucht und festgestellt, daß die Maxima der Kurven mit zunehmender Temperatur bei kleineren Wellenlängen liegen. Nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz gilt: Λmax = 0,289779ff[1 O2 ~ m/K].
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Damit ist es möglich, die Temperatur eines schwarzen Strahlers aus der Intensitätsverteilung der Strahlung zu ermitteln. Reale Strahler weichen in ihrem Verhalten von dem des schwarzen Strahlers ab. Sie verhalten sich entsprechend dem Verteilungsgesetz von Planck, strahlen aber weniger intensiv.
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Ein glühender Stahlblock mit einer Temperatur von 1500 K emittiert langweiliges, im Rotbereich liegendes, sichtbares Licht und im Infrarotbereich liegende, unsichtbare Wärmestrahlung. Die beginnende Rotglut besitzt eine Farbtemperatur von ca. 798 K und sendet Licht mit einer Wellenlänge von ca. 5518 nm aus. Ein weißglühender Stahlblock besitzt dagegen eine Farbtemperatur von ca. 1773 K und sendet Licht mit einer Wellenlänge von ca. 1931 nm aus.
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1 zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und der Wellenlänge der von ihm emittierten Temperatur- oder Wärmestrahlung. Auf der Abszisse ist die Wellenlänge der emittierten Strahlung in Nanometer und auf der Ordinate die Temperatur des Körpers in Kelvin aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Strahlung umso kurzweiliger ist, je höher die Temperatur des emittierenden Körpers ist. 1 macht deutlich, dass von der Wellenlänge einer von einer glühenden bzw. heißen Schweißstelle emittierten. Strahlung auf die Temperatur bzw. umgekehrt von der Temperatur der Schweißstelle auf die Wellenlänge der von ihr emittierten Strahlung geschlossen werden kann.
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Zur Ermittlung der Wellenlänge wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Interferenzmessung durchgeführt. Interferenz ist eine Wellenüberlagerung, bei welcher die aus zwei Wellen mit den Amplituden a und b kombinierte Welle die Amplitude c = a + b aufweist. Die Intensität der kombinierten Welle ist c2 = (a + b)2 = a2 + 2ab + b2.
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Anhand des Interferenzbildes, welches aus hellen und dunklen optischen Streifen besteht, lässt sich die Wellenlänge der von einer Schweißstelle emittierten Strahlung relativ genau berechnen. Die Ergebnisse der Interferenzmessung und der Temperaturmessung werden interpoliert.
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Desweiteren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Lasermessung zur Erfassung des Glanzes der zu prüfenden Schweißstelle durchgeführt. Unter Glanz wird die optische Eigenschaft von Licht reflektierenden Oberflächen verstanden. Der Glanz wird definiert als das Verhältnis des spiegelnd reflektierten Lichtes zum diffus reflektierten Anteil. Bei sehr glatten Flächen überwiegt die gerichtete Reflektion, bei rauhen Flächen dagegen die diffuse Streuung.
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Ein kalter Schweißpunkt besitzt eine andere Rauhigkeit (Rauhtiefe) als ein heißer Schweißpunkt, denn ein heißer Schweißpunkt hat eine entspanntere Oberfläche als ein kalter Schweißpunkt. Die Rauhtiefe bzw. der Glanz des Schweißpunktes ist somit ein indirektes Maß für die Temperatur des Schweißpunktes.
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Bei der Herstellung von Fahrzeugkarosserien werden meist zwei, mitunter aber auch drei Blechteile durch Punktschweißtechnik miteinander verbunden. Anhand der Oberflächentemperatur des jeweiligen Schweißpunktes lässt sich auf die Güte der Schweißpunktverbindung schließen. Sollte während des Punktschweißens von zwei oder drei Blechteilen keine Schweißverbindung entstehen, so wird der Schweißpunkt wegen der relativ kleinen Masse des Schweißpunktes extrem heißer sein, als beim Zustandekommen einer Schweißverbindung und der entsprechenden größeren Masse des Schweißpunktes. Ein solcher extrem heißer Schweißpunkt wäre somit eindeutig als fehlerhaft zu beurteilen. Dementsprechend ist bei zwei durch Punktschweißen zusammengefügten Blechteilen der jeweilige Schweißpunkt aufgrund der kleineren Masse des Schweißpunktes heißer als ein Schweißpunkt von drei durch Punktschweißen miteinander verbundenen Blechteilen. Allgemein lässt sich somit feststellen, dass ein frisch hergestellter Schweißpunkt umso heißer ist, je dünner die zu verbindenden Bleche sind bzw. je geringer die Masse des Schweißpunktes ist. Umgekehrt gilt, je dicker die Masse des Schweißpunktes ist bzw. je dicker die zu verbindenden Bleche sind, desto kühler ist der frisch hergestellte Schweißpunkt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Temperatur, vorzugsweise die Farbtemperatur der jeweiligen Schweißstelle (z. B. Schweißpunkt) gemessen. Hierzu wird eine Photodiode verwendet.
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Hinsichtlich der Temperatur- bzw. Farbtemperaturmessung ist zu berücksichtigen, dass mit dieser Messung die Punktschweißtemperatur nicht unmittelbar gemessen wenden kann, da zunächst die Schweißzange geöffnet und von der Punktschweißstelle entfernt werden muss, bevor die Messung beginnen kann. Bei Beginn der Messung hat sich der Schweißpunkt bereits um einen relativ großen Betrag abgekühlt. Zur Ermittlung der tatsächlichen Punktschweißtemperatur (Kerntemperatur) wird die Temperatur vom Beginn der Messung bis zum Unterschreiten einer bestimmten Temperatur, z. B. einer Temperatur von 525°C, bewertet und anhand des so erfassten Temperaturverlaufes durch Extrapolation über ein zeitliches Abkühlfenster die tatsächliche Punktschweißtemperatur (Kerntemperatur) errechnet (vgl. 2). Auf diese Weise lässt sich die tatsächliche Punktschweißtemperatur (Kerntemperatur) während des Schweißvorgangs genau ermitteln.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Qualität einer zu prüfenden Schweißstelle anhand der genannten drei Messungen (Temperaturmessung bzw. Farbtemperaturmessung, Wellenlängenmessung und Glanzmessung) beurteilt, die gleichzeitig durchgeführt werden. Die gleichzeitige Durchführung der drei Messungen schließt eine Fehlbeurteilung aus, da alle drei Messungen automatisch verglichen und auf Plausibilität überwacht werden.
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Eine Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun mit Bezug auf die 3 und 4 der Zeichnung erläutert.
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Die in 3 schematisch dargestellte Prüfvorrichtung besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 1, an dem drei rohrförmige Abzweige 2, 3, 4 ausgebildet sind, die im wesentlichen rechtwinklig zur Längsmittelachse M des Gehäuses 1 abzweigen. Am unteren Ende des rohrförmigen Gehäuses 1 ist eine aus zwei bikonvexen Sammellinsen 5, 6 bestehende Optik 7 angeordnet, die mittels einer Fokussiereinrichtung 8 parallel zur Längsmittelachse M des rohrförmigen Gehäuses 1 nach unten bzw. nach oben zur Einstellung der Brennweite B verfahrbar ist.
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An dem die Optik 7 und die Fokussiereinrichtung 8 aufweisenden Gehäuseteil ist ein Halter 9 angebracht, an dem eine Laserlichtquelle 10 schwenkbar gelagert ist. Oberhalb des die Optik 7 aufweisenden Gehäuseteils ist ein teleskopartig ein- und ausfahrbares Stellglied 11 befestigt, dessen äußeres Ende am oberen Ende der Laserlichtquelle 10 angelenkt ist. Das teleskopartig verstellbare Stellglied 11 dient der Justierung des Einfallswinkels des von der Laserlichtquelle 10 ausgehenden Laserstrahls 12 auf eine Bildebene 13, in welcher sich eine zu prüfende Schweißstelle befindet. Die Verstellung des Stellgliedes 11 erfolgt automatisch in Abhängigkeit eines von einem optischen Schärfesensor 14 abgegebenen Stellsignals. Der optische Schärfesensor 14 ist in dem im wesentlich rechtwinklig vom rohrförmigen Gehäuse 1 abzweigenden Rohrabschnitt 4 angeordnet, der dem Rohrabschnitt 2 gegenüberliegt.
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Die Laserlichtquelle 10 erzeugt einen Laserstrahl 12, der vorzugsweise eine Wellenlänge von etwa 670 nm besitzt. Von dem auf die Bildebene 13 bzw. die zu prüfende Schweißstelle auftreffenden Laserlicht, wird ein bestimmter Anteil in Richtung der Längsmittelachse M des rohrförmigen Gehäuses 1 der Prüfvorrichtung reflektiert. Die Größe des Anteils des reflektierten Laserlichtes ist von der Rauhtiefe der zu prüfenden heißen Schweißstelle (Schweißpunkt) sowie von der Farbtemperatur der Schweißstelle abhängig.
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Im rohrförmigen Gehäuse 1 ist auf Höhe des rechtwinklig abzweigenden Rohrabschnitts 2 ein erster Strahlenteiler 15 angeordnet. Der Strahlenteiler 15 lenkt den überwiegenden Teil des reflektierten Laserlichtes auf eine am Ende des Rohrabschnitts 2 angeordnete Photodiode 16 ab. Mittels der Photodiode 16 wird der Glanz der zu prüfenden Schweißstelle erfasst. Die Photodiode 16 gibt ihr Meßsignal an eine Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) ab. Hinter bzw. oberhalb des Strahlenteilers 15 ist ein laserlichtsperrender Filter 17 zur Sperrung des transmittierten Teils des reflektierten Laserlichtes angeordnet.
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Die von der zu prüfenden Schweißstelle als Licht emittierte Temperaturstrahlung wird ebenfalls über die Optik 7 erfasst und gelangt über den ersten Strahlenteiler 15 und den Sperrfilter 17 zu einem zweiten Strahlenteiler 18, der im rohrförmigen Gehäuse 1 auf Höhe des davon abzweigenden Rohrabschnitts 3 angeordnet ist. Ein Teil der von der zu prüfenden Schweißstelle als Licht emittierten Temperaturstrahlung wird von dem zweiten Strahlenteiler 18 auf eine am Ende des Rohrabschnitts 3 angeordnete Photodiode 19 umgelenkt, die der Erfassung der Temperatur bzw. Farbtemperatur der zu prüfenden Schweiß stelle dient. Auch die Photodiode 19 gibt ihr Meßsignal an die oben erwähnte (nicht gezeigte) Auswerteeinrichtung ab.
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Der durch den zweiten Strahlenteiler 18 hindurchtretende Lichtanteil 20 (Temperaturstrahlung) trifft auf eine Lochblende 21, die zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, gleich ausgebildete Spaltöffnungen 22, 23 aufweist und dementsprechend zwei voneinander getrennte Lichtstrahlbereiche a, b erzeugt (vgl. 4). Oberhalb bzw. hinter der Lochmaske 21 ist ein Diffusor 24 angeordnet, der aus den beiden Lichtstrahlbereichen a, b ein Interferenzbild erzeugt. Je nach Wellenlänge des von der zu prüfenden Schweißstelle emittierten Lichtes (Temperaturstrahlung) erzeugt der Diffusor 24 unterschiedliche Interferenzbilder. Das jeweilige Interferenzbild wird durch eine CC'D-Kamera 25 erfasst, die am oberen Ende des rohrförmigen Gehäuses 1 angebracht ist. Anhand des jeweiligen Interferenzbildes lässt sich die Wellenlänge des von der zu prüfenden Schweißstelle emittierten Lichtes berechnen. Die Berechnung der Wellenlänge erfolgt mittels eines in der oben erwähnten (nicht gezeigten) Auswerteeinrichtung integrierten Rechners. Die Auswerteeinrichtung ist mit Einrichtungen zur Anzeige und Speicherung der Meßergebnisse versehen.
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Wie erläutert, werden die Lasermessung, die Farbtemperaturmessung sowie die Interferenz- bzw. Wellenlängenmessung gleichzeitig durchgeführt, um eine zusammenführende, exakte Aussage über die Beschaffenheit der jeweils geprüften Schweißstelle zu erhalten. Dabei werden die gleichzeitig durchgeführten Messungen miteinander verglichen und bei Auftreten eines Widerspruchs zwischen den miteinander verglichenen Meßwerten gegebenenfalls wiederholt. Das jeweilige Prüfergebnis wird unmittelbar in einer Aufzeichnungseinrichtung gespeichert und auf einem geeigneten Medium dokumentiert.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass durch die Erfindung eine berührungslose Online-Meßmethode zur Prüfung von Schweißstellen, insbesondere Schweißpunkten, zur Verfügung gestellt wird, bei der die Prüfung von Schweißstellen, deren Bewertung, Speicherung und Dokumentation der Meßergebnisse in Echtzeit erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Prüfvorrichtung erfüllen somit höchste Anforderungen an die Qualitätssicherung bei der Herstellung von Schweißverbindungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- rohrförmiges Gehäuse
- 2
- abzweigender Gehäuseabschnitt
- 3
- abzweigender Gehäuseabschnitt
- 4
- abzweigender Gehäuseabschnitt
- 5
- Sammellinse
- 6
- Sammellinse
- 7
- Optik
- 8
- Fokussiereinrichtung
- 9
- Halter
- 10
- Laserlichtquelle
- 11
- Stellglied (Justiereinrichtung)
- 12
- Laserstrahl
- 13
- zu prüfende Schweißstelle (Bildebene)
- 14
- Schärfesensor
- 15
- Strahlenteiler
- 16
- Photodiode
- 17
- Sperrfilter
- 18
- Strahlenteiler
- 19
- Photodiode
- 20
- transmittierter Lichtanteil
- 21
- Lochmaske
- 22
- Spaltöffnung
- 23
- Spaltöffnung
- 24
- Diffusor
- 25
- CCD-Kamera
- B
- Brennweite
- M
- Längsmittelachse
