DE10148036B4 - Verfahren zur Gewinnung von Informationen zur Bewertung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges, bei dem der Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Schweißlinse relativ zu einer Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken anhand von Signalen ermittelt wird, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges.
- Es ist allgemein bekannt, zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges den Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall zu beaufschlagen, beispielsweise durch
DE 43 25 856 C2 ,DE 43 25 878 C2 ,DE 43 25 858 C2 ,DE 198 15 041 C1 ,DE 199 37 479 A1 ,US 4 734 555 ,DE 199 15 121 A1 undDE 42 03 190 C1 . - Durch den Aufsatz ”Prüfen des Widerstandspunktschweißprozesses mit Ultraschall”, Schweißen & Schneiden 49 (1997), Heft 1, S. 15 ff. ist ein Verfahren der betreffenden Art bekannt, bei dem der Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall beaufschlagt wird. Bei dem bekannten Verfahren ist es möglich, aus den bei der Ultraschallbeaufachlagung gewonnenen Signalen das Volumen der Schweißlinse zu ermitteln.
- Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß sich die Güte der Schweißverbindung anhand der mit dem bekannten Verfahren gewonnenen Informationen nicht mit hinreichender Zuverlässigkeit beurteilen läßt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, das den Nachteil des bekannten Verfahrens nicht aufweist, bei dem sich also die Güte der Schweißverbindung mit höherer Zuverlässigkeit beurteilen läßt.
- Der Erfindung liegt die Kenntnis zugrunde, daß das Volumen der Schweißlinse allein nicht mit hinreichender Zuverlässigkeit eine Beurteilung der Güte der Schweißverbindung ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken für die Güte der Schweißverbindung von entscheidender Bedeutung ist. Dementsprechend löst die Erfindung die zugrundeliegende Aufgabe auf überraschend einfache Weise dadurch, daß die Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken anhand von Signalen ermittelt wird, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen. Ist die Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene bekannt, so läßt sich die Güte der Widerstandsschweißverbindung während des Schweißvorganges mit höherer Zuverlässigkeit beurteilen. Ergibt die Untersuchung des Bereiches der Schweißlinse beispielsweise, daß die sich bildende Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken unsymmetrisch ist, so würde die entsprechende Schweißverbindung nach ihrer Fertigstellung eine geringere Güte aufweisen als eine Schweißverbindung, bei der die Schweißlinse zu der Kontaktebene symmetrisch liegt. Da die Information über die Position der Schweißlinse bereits während des Schweißvorganges zur Verfügung steht, kann der Schweißvorgang beeinflußt werden, beispielsweise dadurch, daß eine an den Schweißelektroden anliegende Gleichspannung umgepolt wird, oder dadurch, daß Parameter des Schweißprozesses beeinflußt werden.
- Auf diese Weise ist es unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Schweißverbindungen mit hoher Güte zu erzeugen.
- Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewünscht, können die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Informationen jedoch auch dazu herangezogen werden, eine Schweißlinse zu erzeugen, die zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken unsymmetrisch ist, beispielsweise dann, wenn Werkstücke unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißt werden.
- Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß unter Verwendung von Ultraschall die Lage einer ersten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem ersten der zu verschweißenden Werkstücke und die Lage einer zweiten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem zweiten der zu verschweißenden Werkstücke ermittelt wird und daß aus den so gewonnenen Signalen die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ermittelt wird. Bei dieser Ausführungsform läßt sich die Position der Schweißlinse mit besonders hoher Zuverlässigkeit ermitteln.
- Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, daß die Lage der ersten Grenzfläche mit einer ersten Ultraschalldetektionseinheit und die Lage der zweiten Grenzfläche mit einer zweiten Ultraschalldetektionseinheit detektiert wird. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Detektion der Lage der Grenzflächen mittels separater Ultraschalldetektionseinheiten, so daß die Zuverlässigkeit weiter gesteigert ist.
- Die Detektion der Lage der Grenzflächen kann auf eine beliebige geeignete Weise unter Verwendung bekannter Verfahren erfolgen, mittels derer die von reflektierten Ultraschallwellen herrührenden Signale auswetbar sind. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindunsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Lage der ersten bzw. der zweiten Grenzfläche dadurch detektiert wird, daß die Laufzeit von Ultraschallwellen, die von einem Sender der Ultraschalldetektionseinheit emittiert, von der Schweißlinse reflektiert und von einem Empfänger der Ultraschalldetektionseinheit empfangen werden, zwischen der Ultraschalldetektionseinheit und der Schweißlinse ermittelt und aus der ermittelten Laufzeit und der Wellenlänge der Ultraschallwellen der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit von der Schweißlinse errechnet wird. Auf diese Weise ist die Auswertung besonders einfach gestaltet. Ist der Abstand der Schweißlinse vor Ultraschalldetektionseinheit bekannt, so kann aus dem Abstand der Ultraschalldetektionseinheit von der Kontaktebene auf einfache Weise der Abstand der Grenzfläche der Schweißlinse errechnet werden. Durch einen Vergleich der Abstände der beiden Grenzflächen der Schweißlinse von der Kontaktebene ist dann die Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene feststellbar.
- Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann der Abstand des Senders der Ultraschalldetektionseinheit von der Kontaktebene vorbestimmt sein oder durch Auswertung der an der Kontaktebene reflektierten Ultraschallwellen ermittelt werden, wie dies zweckmäßige Ausführungsformen vorsehen.
- Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß zusätzlich zu der Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene wenigstens teilweise die Geometrie der Schweißlinse, insbesondere deren Volumen, ermittelt wird. Bei dieser Ausführungsform sind während des Schweißvorganges mit der Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene und dem Volumen der Schweißlinse sämtliche die Güte der Schweißverbindung beeinflussenden Parameter bekannt, so daß die Güte der Schweißverbindung bereits während des Schweißvorganges besonders zuverlässig beurteilbar ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.
- Es zeigt:
-
1 eine stark schematisierte Schnittansicht durch zwei miteinander zu verschweißende Bleche vor Beginn des Schweißvorganges und -
2 in gleicher Darstellung wie1 die Bleche während des Schweißvorganges. - In
1 sind zwei Bleche2 ,4 dargestellt, die mittels eines Widerstandsschweißverfahrens miteinander verschweißt werden. Zum Erzeugen der Widerstandsschweißverbindung wird durch Schweißelektroden6 ,8 , an denen eine umpolbare Gleichspannung anliegt, ein Schweißstrom in die Bleche2 ,4 eingeleitet, der im Bereich einer Kontaktebene10 zwischen den Blechen2 ,4 zu einem Schmelzen des Materials der Bleche2 ,4 und damit zu der Bildung eines Schmelzbades einer Schweißlinse12 führt. - Aufgrund von Peltier-Wärme und Joulescher Wärme erwärmt sich die positiv gepolte Schweißelektrode stärker als die negativ gepolte Schweißelektrode, was dazu führt, daß die Schweißlinse
12 sich zu der positiv gepolten Schweißelektrode hin verschoben bildet. Ist beispielsweise die Schweißelektrode8 positiv gepolt, so bildet sich die Schweißelektrode12 zu der Schweißelektrode8 hin verschoben, wie dies in2 angedeutet ist. - Erfindungsgemäß wird die Position der Schweißlinse
12 relativ zu der Kontaktebene10 zwischen den zu verschweißenden Blechen2 ,4 anhand von Signalen ermittelt, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse12 entstehen. Dies geschieht bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß mittels einer ersten Ultraschalldetektionseinheit14 , die einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger aufweist, die Lage einer ersten Grenzfläche16 zwischen der Schweißlinse12 und dem Blech2 und mittels einer zweiten Ultraschalldetektionseinheit18 die Lage einer zweiten Grenzfläche20 zwischen der Schweißlinse12 und dem Blech4 ermittelt wird und daß aus den so gewonnenen Signalen die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene10 ermittelt wird. - Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Ultraschalldetektionseinheiten
14 ,18 mit einem vorbekannten, festen Abstand zu der Grenzfläche10 angeordnet, wobei der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit14 von der Grenzfläche10 bei diesem Ausführungsbeispiel gleich dem Abstand der Ultraschalldetektionseinheit18 von der Grenzfläche10 ist. Während des Schweißvorganges beschallt ein Sender der Ultraschalldetektionseinheit14 den Bereich der Schweißlinse12 mit Ultraschall, wobei die von der ersten Grenzfläche16 reflektierten Ultraschallsignale von einem Empfänger der Ultraschalldetektionseinheit14 empfangen werden. Aus den empfangenen Signalen wird der Abstand der Grenzfläche16 von der ersten Ultraschalldetektionseinheit14 ermittelt. In hierzu entsprechender Weise wird mittels der zweiten Ultraschalldetektionseinheit18 der Abstand der Grenzfläche20 von der zweiten Ultraschalldetektionseinheit18 ermittelt. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ultraschalldetektionseinheiten14 ,18 in den Schweißelektroden6 ,8 angeordnet. Sie können jedoch auch einer beliebigen anderen Stelle angeordnet sein - Die Ausgangssignale der Ultraschalldetektionseinheiten
14 ,18 werden einer Auswerteeinheit22 zugeführt, die zur Auswertung der Signale beispielsweise den Abstand der ersten Grenzfläche16 von der ersten Ultraschalldetektionseinheit14 mit dem Abstand der zweiten Grenzfläche20 von der zweiten Ultraschalldetektionseinheit18 vergleicht. Ergibt dieser Vergleich beispielsweise, daß der Abstand der ersten Grenzfläche16 von der ersten Ultraschalldetektionseinheit14 größer ist als der Abstand der zweiten Grenzfläche20 von der zweiten Ultraschalldetektionseinheit18 , so bedeutet dies, daß sich die Schweißlinse zu der positiv gepolten Schweißelektrode8 hin verschoben gebildet hat. Um eine symmetrische Bildung der Schweißlinse20 zu bewirken, kann dementsprechend beispielsweise die Polarität der Schweißelektroden6 ,8 umgekehrt werden, so daß dann die zunächst negativ gepolte Schweißelektrode6 positiv gepolt ist und sich stärker erwärmt als die dann negativ gepolte Schweißelektrode8 . Infolgedessen wird die zuvor unsymmetrische Bildung der Schweißlinse12 kompensiert, so daß die Schweißlinse12 im Ergebnis in der gewünschten Weise zu der Grenzfläche10 symmetrisch liegt. - Die Auswertung der von den reflektierten Ultraschallwellen herrührenden Signale kann bespielsweise wie folgt vorgenommen werden:
Vor Beginn des Schweißvorganges strahlt die Ultraschalldetektionseinheit14 Ultraschallwellen in die Bleche2 ,4 ein, die von der Kontaktebene10 zu der Ultraschalldetektionseinheit14 reflektiert und von deren Empfänger empfangen werden (vgl.1 ). Anhand der empfangenen Signale wird dann die Laufzeit der Ultraschallwellen von der Ultraschalldetektionseinheit14 zu der Kontaktebene10 und zurück ermittelt, so daß anhand der Laufzeit und der vorbestimmten Wellenlänge der Ultraschallwellen der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit14 von der Kontaktebene10 ermittelt werden kann. - Hat sich die Schweißlinse
12 nach Beginn des Schweißvorganges gebildet (vgl.2 ), so werden die Ultraschallwellen teilweise von der ersten Grenzfläche16 der Schweißlinse12 reflektiert, so daß in der oben erläuterten Weise der Abstand der Grenzfläche16 von der Ultraschalldetektionseinheit14 ermittelt werden kann. Hierbei wird durch eine geeignete Auswertung der empfangenen Signale sichergestellt, daß Reflexionen der Ultraschallwellen an der Kontaktebene10 und an der Grenzfläche zwischen den Schweißelektroden und den Blechen außer Betracht bleiben. - Ist auf diese Weise die Lage beider Grenzflächen
16 ,20 der Schweißlinse12 detektiert, so kann die Position der Schweißlinse12 relativ zu der Kontaktebene10 in der gewünschten Weise ermittelt werden.
Claims (6)
- Verfahren zur Gewinnung von Informationen zur Beurteilung der Güte von Widerstandsschweißverbindungen während des Schweißvorganges, bei dem der Bereich einer sich während des Schweißvorganges bildenden Schweißlinse mit Ultraschall beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Schweißlinse relativ zu einer Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken anhand von Signalen ermittelt wird, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Signale, die bei Reflexion der Ultraschallwellen an der Schweißlinse entstehen, die Lage einer ersten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem ersten der zu verschweißenden Werkstücke und einer zweiten Grenzfläche zwischen der Schweißlinse und einem zweiten der zu verschweißenden Werkstücke detektiert wird und daß aus den so gewonnenen Signalen die Lage der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der ersten Grenzfläche mit einer ersten Ultraschalldetektionseinheit und die Lage der zweiten Grenzfläche mit einer zweiten Ultraschalldetektionseinheit detektiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der ersten bzw. der zweiten Grenzfläche dadurch detektiert wird, daß die Laufzeit von Ultraschallwellen, die von einem Sender der Ultraschalldetektionseinheit emittiert, von der Schweißlinse reflektiert und von einem Empfänger der Ultraschalldetektionseinheit empfangen werden, zwischen der Ultraschalldetektionseinheit und der Schweißlinse ermittelt und aus der ermittelten Laufzeit und der Wellenlänge der Ultraschallwellen der Abstand der Ultraschalldetektionseinheit von der Schweißlinse errechnet wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Senders der Ultraschalldetektionseinheit von der Kontaktebene vorbestimmt ist oder durch Auswertung der an der Kontaktebene reflektierten Ultraschallwellen ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Position der Schweißlinse relativ zu der Kontaktebene wenigstens teilweise die Geometrie der Schweißlinse, insbesondere deren Volumen, ermittelt wird.
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