DE102010036508B4

DE102010036508B4 - Verfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Schweissnaht

Info

Publication number: DE102010036508B4
Application number: DE102010036508.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulze Bernd
Original assignee: Koki Technik Transmission Systems GmbH
Current assignee: Koki Technik Transmission Systems GmbH
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: DE102010036508A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Schweißnaht in oder auf einem Material, wobei das Material im Bereich der Schweißnaht aufgeschmolzen und einer Spektralanalyse unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einem aufschmelzenden Strahl Bohrlöcher in das Material im Bereich der zu untersuchenden Schweißnaht gebohrt werden, wobei die Bohrlöcher einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen, wobei eine Mehrzahl von Bohrlöcher über den Bereich einer Schweißnaht platziert und ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Schweissnaht in oder auf einem Material.
Stand der Technik
Aufgrund von ausgiebigen Zeitstandversuchen ist nachgewiesen, dass die Schweissnahtgeometrie einen wesentlichen Faktor für die Güte und Qualität einer Schweissnaht repräsentiert. Eine in einer zulässigen Bandbreite liegende Schweissnahtgeometrie reflektiert ein optimales Zusammenwirken der Schweissparameter Temperatur, Druck und Geschwindigkeit auch bei sich ändernden Witterungseinflüssen während des Schweissvorgangs. Beispielsweise stellt immer ein Problem dar, möglichst genau einen Fügeweg, d. h., die Dickenminderung im Nahtbereich, möglichst exakt und direkt an der Schweissstelle zu erfassen, um das Ergebnis unmittelbar in den Schweissvorgang einfliessen zu lassen. Eine zu weit von der Schweissstelle entfernte Messstelle bewirkt erst nach einer gewissen Länge einer fehlerhaften Schweissnaht eine Korrektur der Schweissparameter in der Schweissmaschine.
Aus der DD 237 888 A1 ist beispielsweise eine Mess- und Prüfvorrichtung für Schweissnahtkonturen bekannt. Dabei bezieht sich diese Erfindung insbesondere auf das Ausmessen der Schweissnahtdickenfunktion sowie zur genauen Geometriebestimmung beliebiger Konturen. Ziel ist es, das Ausmessen der tatsächlichen Lage einer Kehlnaht in einem Bauteil an beliebigen vielen Einzelstellen zu ermöglichen. Dazu ist eine Mess- und Prüfvorrichtung so zu gestalten, dass in einer Ebene quer zur Kehlnaht eine Erfassung der Aussenkontur gewährleistet wird und Aussagen über die Schrägstellung der Bauteile sowie über einen Schweissverzug erhalten werden können. Dies geschieht mit einem abtastenden Prüfschieber.
Auch die DD 255 204 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen und Aufzeichnen von Schweissnahtquerschnitten. Über eine exakte Schweissnahtquerschnittserfassung kann eine genaue Bewertung der Schweissnaht vorgenommen werden. Dabei ist die erfindungsgemässe Vorrichtung mit einer zwingenförmigen Spanneinrichtung an einer geschliffenen Stirnnaht anzusetzen, wobei die Spanneinrichtung eine Führungsschiene trägt. Dieser sind zwei Schiebeelemente zugeordnet, wobei das eine Schiebeelement mit einem winkelverstellbaren Messteil sowie mit einem Messschenkel und das andere Schiebeelement mit einer Aufzeichnungsunterlage ausgebildet ist. Mit dem Messteil steht ein Messpunktübertragungselement in Wirkverbindung.
Die WO 96/00881 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Messanordnung zum Messen der Schweissnahtgeometrie beim Verschweissen von Überlappnähten, Bandnähten, Drahtnähten und Auftragsnähten, die erwärmt und anschliessend mittels Andrückelementen mit einer vorgegebenen Fügekraft zusammengefügt werden. Dabei wird der Abstand der Andrückelemente beim Zusammenfügen mittels Sensorelementen kontaktlos erfasst und aus der Differenz zwischen der gesamten Materialdicke der unverschweissten Materialien und dem Abstand der Andrückelemente der Fügeweg als Mass für die Güte der Schweissnaht ermittelt.
Bekannt sind ferner zur Bestimmung der Schweissnahtgeometrie metallografische Untersuchungen. Für diesen Untersuchungen werden Proben aus dem geschweissten Bauteil herausgeschnitten, präpariert und Schliffbilder erzeugt. Anhand dieser Schliffbilder werden die Geometrie- und Gefügedaten analysiert. Die Bauteile werden mit dieser Methode zerstört und der Aufwand zur Präparation ist sehr hoch.
Eine Bestimmung der Schweissnahtgeometrie kann auch auf optischem Wege erfolgen. In der EP 0 978 343 A2 wird ein Verfahren zur Qualitätsprüfung von Schweissstellen beschrieben, bei dem mit einer Kamera ein Bild der Schweissstelle aufgenommen, das Bild mit Referenzbildern verglichen und aus dem Vergleich eine Aussage über die Qualität der Schweissstelle gewonnen wird. Die Schweissstelle wird längs zweier zueinander senkrechter Linien, die zumindest annähernd durch den Mittelpunkt der Schweissstelle verlaufen, hinsichtlich der optischen Eigenschaften untersucht. Die optischen Eigenschaften werden in Bezug zu den Abmessungen der Schweissstelle gesetzt, und eine Qualitätsaussage wird durch Vergleich einer Relation von optischen Eigenschaften und Abmessungen der Schweissstelle mit einer entsprechenden, anhand von Referenzbildern gewonnenen Relation geliefert.
Die DE 297 07 777 U1 beschreibt eine Einrichtung zur automatischen, berührungslosen, optischen Prüfung von Schweissnähten, wobei der Prüfling auf geeigneten Haltern in der Prüfstation fixiert wird. Die Schweissnähte werden aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet und mit positionsempfindlichen optischen Sensoren, vorzugsweise Flächen-CCD-Kameras beobachtet. Diese Beobachtungen werden an eine automatische Auswertestation übergeben. Ähnliches wird auch in der DE 198 07 182 A1 und der DE 10 2008 011 349 A1 beschrieben.
Schlussendlich beschreibt die DE 195 42 554 A1 ein Verfahren zur Prüfung von Schweissnähten, wobei mit einem Triangulationssensor das Oberflächenprofil einer Schweissnaht als Referenz vermessen wird. Bezugskoordinaten werden festgelegt und gespeichert. Die Referenzmessung erfolgt entlang wenigstens einer Messlinie, wobei jeweils die Lage der Messlinie zu den Bezugskoordinaten ermittelt wird. Diese so ermittelten Daten werden gespeichert.
Daneben ist aus der DE 10 2008 006 625 A1 ein Verfahren zum Laserschweissen bekannt bei der eine Spektralanalyse durchgeführt wird. Ausserdem ist auch aus der DE 10 2007 028 080 A1 ein Spektralapparat bekannt.
Weiter wird auch auf die DE 101 60 623 A1 verwiesen, welche ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorganges offenbart zuletzt wird auf die US 3,712,736 verwiesen, aus der ein Verfahren einer optischen Spektographie bekannt ist.
Mit all diesen Methoden ist jedoch nur eine oberflächliche Beurteilung einer Schweissnaht möglich. Wie die Schweissnaht im Inneren aussieht und aufgebaut ist, kann nicht ermittelt werden.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Schweissnaht in oder auf einem Material bereit zu stellen, welches eine wesentlich genauere Aussage vor allem auch über den Aufbau der Schweissnaht zulässt.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt der kennzeichnende Teil des Anspruchs 1.
Jeder Werkstoff besitzt ein charakteristisches Linienspektrum. In Abhängigkeit von der Konzentration einzelner Legierungsbestandteile sind die Linien des Spektrums ausgebildet und lassen sich als Unterscheidungsmerkmal nutzen. Beim Schweissen von unterschiedlichen Werkstoffen sind diese voneinander detektierbar.
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass beispielsweise mittels eines Lasers im Bereich der Schweissnaht ein Loch „gebohrt” wird. Bei diesem Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm entsteht ein so genanntes Keyhole. Im Keyhole wird beim Aufschmelzen des Materials durch den Laserstrahl ein Plasma erzeugt. Dieses Plasma wird durch ein Spektrometer analysiert. Wenn z. B. ein erzeugtes Bohrloch von einem zum anderen Werkstoff wechselt, so ändert sich auch das durch das Spektrometer zu erkennende Spektrum. Die Tiefe des gebohrten Loches ist über den Laserstrahl abbildbar. Wenn zudem diese Werkstoffe miteinander verschweisst wurden, sind diese Änderungen des Spektrums ebenfalls erkenn- und auswertbar.
Es werden mehrere Bohrlöcher über die Bereiche einer Schweissnaht platziert und ausgewertet, so dass Rückschlüsse auf die erzielte Schweissnahtgeometrie möglich sind.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Schweißnaht in oder auf einem Material, wobei das Material im Bereich der Schweißnaht aufgeschmolzen und einer Spektralanalyse unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einem aufschmelzenden Strahl Bohrlöcher in das Material im Bereich der zu untersuchenden Schweißnaht gebohrt werden, wobei die Bohrlöcher einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen, wobei eine Mehrzahl von Bohrlöcher über den Bereich einer Schweißnaht platziert und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufschmelzen des Materials ein Plasma erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch ein Spektrometer analysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aufschmelzende Strahl ein Laserstrahl ist.