DE202020001315U1 - Magnetic remanence analysis of welds - Google Patents

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Abstract

Schutzanspruch Anordnung zur zwei- und/oder dreidimensionalen Charakterisierung von Bauteilen, Schweiß- und Lötverbindungen (zu charakterisierendes Volumen), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung, die das zu charakterisierende Volumen durchflutet, aus einer Messanordnung, die die magnetische Restflussdichte (magnetische Remanenz) misst und aus einem Algorithmus, der das zu charakterisierende Volumen zwei- und/ oder dreidimensional abbildet, besteht.

Figure DE202020001315U1_0000
Claim for protection Arrangement for the two- and / or three-dimensional characterization of components, welded and soldered connections (volume to be characterized), characterized in that the arrangement consists of a magnetic field generating device which flows through the volume to be characterized, from a measuring arrangement which measures the residual magnetic flux density ( magnetic remanence) and consists of an algorithm that maps the volume to be characterized in two and / or three dimensions.
Figure DE202020001315U1_0000

Description

Das vorliegende Gebrauchsmuster bezieht sich auf die zerstörungsfreie Volumenprüfung zur Qualitätsanalyse von Bauteilen, sowie Schweiß- und Lötverbindungen zwischen Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften.This utility model relates to non-destructive volume testing for quality analysis of components, as well as welded and soldered connections between components made of the same or different materials with ferromagnetic properties.

Für die zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen und stoffschlüssigen Verbindungen, wie Schweiß- und Lötverbindungen, werden unterschiedliche Methoden und physikalische Effekte genutzt.Different methods and physical effects are used for the non-destructive testing of components and integral connections, such as welded and soldered connections.

Eine weit verbreitete Methode ist die Durchstrahlungsprüfung, bei welcher das Material mit einer Röntgen- oder Gammastrahlung durchstrahlt wird und über einen geeigneten Nachweis (z.B. fotografische Filme oder Halbleiterdetektoren) die Struktur des durchstrahlten Volumens abgebildet wird. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass eine komplizierte und in der Anwendung sehr aufwändige Apparatur benutzt werden muss, die Auswertung manuell erfolgt und besondere Arbeitsschutzmaßnahmen erforderlich sind. Eine automatische Prüfung ist kaum möglich.A widely used method is the radiographic test, in which the material is irradiated with an X-ray or gamma radiation and the structure of the irradiated volume is imaged using suitable evidence (e.g. photographic films or semiconductor detectors). The disadvantage of this method is that a complicated and very complex apparatus has to be used, the evaluation is carried out manually and special occupational safety measures are required. An automatic check is hardly possible.

Eine weitere Methode ist die Ultraschallprüfung. In die Oberfläche werden Ultraschallwellen eingekoppelt. Die Strukturuntersuchung bzw. Strukturdarstellung wird über die Reflektion der Schallwellen an Grenzflächen und die Laufzeit vorgenommen. Diese Methode (siehe bspw. Schutzrechte Nr. DE102015122812B4 , DE102009020076A1 , DE102010000391A1 , DE102007042325A1 , DE102009020570B4 ) wird vielseitig und vielfältig angewandt. Sie hat allerdings den Nachteil, dass sie nur bei bestimmten Materialien und Materialdicken angewendet werden kann und dass zusätzlich ein Koppelmittel zur Übertragung der Schallwellen in das zu prüfende Bauteil notwendig ist. Eine automatische Prüfung wird dadurch erheblich erschwert.Another method is ultrasound testing. Ultrasonic waves are injected into the surface. The structural investigation or structural representation is carried out via the reflection of the sound waves at interfaces and the transit time. This method (see e.g. property rights no. DE102015122812B4 , DE102009020076A1 , DE102010000391A1 , DE102007042325A1 , DE102009020570B4 ) is used in many different ways. However, it has the disadvantage that it can only be used with certain materials and material thicknesses and that an additional coupling agent is required to transmit the sound waves into the component to be tested. This makes automatic testing considerably more difficult.

Des Weiteren ist die Thermographie bekannt. Dabei werden einmalig oder periodisch über eine Wärmequelle, bspw. einen Laser oder eine leistungsstarke Lampe, Wärmeimpulse über die Oberfläche in das zu prüfende Bauteil eingebracht und die Oberflächentemperatur mit einer Infrarot-Kamera aufgezeichnet. Die Anregung und die Temperaturmessung können einseitig oder durch das Bauteil hindurch (transmissiv) erfolgen. Treten in der Probe Inhomogenitäten auf oder sind Schadstellen vorhanden, so verursachen diese unterschiedliche Wärmeströme und Temperaturverteilungen, die wiederum über einen Auswertealgorithmus erkannt und entsprechend dargestellt werden können.Thermography is also known. In this case, heat impulses are introduced into the component to be tested once or periodically via a heat source, for example a laser or a powerful lamp, and the surface temperature is recorded with an infrared camera. The excitation and the temperature measurement can take place on one side or through the component (transmissive). If inhomogeneities occur in the sample or if there are damaged areas, these cause different heat flows and temperature distributions, which in turn can be recognized by an evaluation algorithm and displayed accordingly.

Eine neue Methode ist Remanenzanalyse. Die zu untersuchende Probe wird zunächst durch ein externes Magnetfeld magnetisiert. Anschließend wird die magnetische Remanenzflussdichte (Restmagnetisierung) der Probe gemessen und bewertet. Befinden sich Inhomogenitäten oder Schadstellen im Material, entsteht ein inhomogener magnetischer Fluss, welcher eine inhomogene Remanenzflussdichte hervorruft. Die Remanenzflussdichte kann mit einen Hallsensor, linienförmig oder flächig (Array) angeordneten Hall-Sensoren oder einer Magnetfeldkamera erfasst werden. Durch Anwendung eines entsprechenden Algorithmus kann auf die Struktur im Inneren des Bauteils oder der Verbindung geschlossen werden. Der prinzipielle wissenschaftliche Funktionsnachweis dieser Methode wurde erbracht (AiF IGF-Nr.: 19.208 B). Die Remanenzanalyse ist bisher für die Prüfung von Bauteilen oder stoffschlüssigen Fügeverbindungen nicht bekannt.A new method is remanence analysis. The sample to be examined is first magnetized by an external magnetic field. The magnetic residual flux density (residual magnetization) of the sample is then measured and evaluated. If there are inhomogeneities or damaged areas in the material, an inhomogeneous magnetic flux is created, which causes an inhomogeneous residual flux density. The remanence flux density can be recorded with a Hall sensor, Hall sensors arranged in a line or flat (array) or a magnetic field camera. The structure inside the component or the connection can be concluded by using an appropriate algorithm. The basic scientific functional proof of this method has been provided (AiF IGF-No .: 19.208 B). The remanence analysis is not yet known for the testing of components or integral joints.

Im Rahmen des Gebrauchsmusters soll deshalb eine Anordnung entwickelt werden, die in der Lage ist, mittels Remanenzanalyse die innere Struktur von Bauteilen, Löt- oder Schweißverbindungen zweidimensional und/oder dreidimensional zu charakterisieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Schweiß- oder Lötverbindung aus den Grundwerkstoffen M1 sowie M2 besteht und sich zwischen diesen Materialen eine komplizierte Mischanordnung Mx befindet, die aus einem Gemisch der Materialien M1 und M2 besteht. Prinzipiell können M1 und M2 auch identisch sein. Zu erkennende Strukturen sind innere Fehler oder Unregelmäßigkeiten entsprechend ISO 5817 bzw. ISO 18279, wie z. B. Bindefehler, Lunker, Poren oder feste Einschlüsse.Therefore, within the scope of the utility model, an arrangement is to be developed which is able to characterize the internal structure of components, soldered or welded connections in two dimensions and / or three dimensions by means of remanence analysis. It is assumed that the welded or soldered connection consists of the base materials M 1 and M 2 and that there is a complicated mixing arrangement M x between these materials, which consists of a mixture of the materials M 1 and M 2 . In principle, M 1 and M 2 can also be identical. Structures to be recognized are internal defects or irregularities according to ISO 5817 or ISO 18279, such as B. binding errors, voids, pores or solid inclusions.

Ziel der Erfindung ist es, die innere Struktur des Bauteils, der Schweiß- oder Lötverbindung mit Hilfe der Remanenzanalyse zwei- und/oder dreidimensional darzustellen. Dazu wird ein Aufbau genutzt, mit welchem das zu charakterisierende Volumen magnetisiert wird. Üblicherweise geschieht dies durch eine homogene Magnetisierung. Anschließend wird mit Hilfe einer Messanordnung, bestehend aus einem Hall-Sensor, linienförmig oder flächig angeordneten Hall-Sensoren, oder einer Magnetfeldkamera die magnetische Restflussdichte des Materials vermessen. Auf der Basis der erhaltenen Messdaten bzw. der digitalen Messsignale der einzelnen Hall-Sensoren, wird über einen Algorithmus eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung der Struktur des Bauteils oder der Fügeverbindung erzeugt. Dies kann in Form von farbigen Darstellungen (Falschfarbdarstellung) oder Kontrastdarstellungen geschehen. The aim of the invention is to represent the internal structure of the component, the welded or soldered connection in two and / or three dimensions with the aid of the remanence analysis. For this purpose, a structure is used with which the volume to be characterized is magnetized. This is usually done by homogeneous magnetization. The magnetic residual flux density of the material is then measured with the aid of a measuring arrangement consisting of a Hall sensor, linear or flat Hall sensors, or a magnetic field camera. On the basis of the measurement data obtained or the digital measurement signals of the individual Hall sensors, a two- and / or three-dimensional representation of the structure of the component or the joint connection is generated via an algorithm. This can be done in the form of colored representations (false color representation) or contrast representations.

Beispielsweise wird eine zu verschweißende Anordnung, die aus zwei oder mehreren Blechen im Überlappstoß besteht, von unten und/oder oben mit Spulen magnetisiert und anschließend die verschweißte Stelle von unten und/oder oben mit der oben beschriebenen Messanordnung vermessen. Die Auswertung der Remanenzflussdichte erfolgt über den beschriebenen Algorithmus. Es ist auch möglich, andere Schweißanordnungen, wie bspw. Bolzen verschweißt mit einem Blech zu charakterisieren. Dabei erfolgt nach dem Schweißen ebenfalls eine Magnetisierung, über eine oder mehrere Spulen. Anschließend wird die Charakterisierung der Remanenz mit Hilfe der oben beschriebenen Messanordnung vorgenommen und ausgewertet.For example, an arrangement to be welded, which consists of two or more sheets in an overlap joint, is magnetized from below and / or above with coils and then the welded point is measured from below and / or above with the measuring arrangement described above. The evaluation of the residual flux density is done using the algorithm described. It is also possible to characterize other welding arrangements, such as, for example, welded studs with a sheet. Magnetization also takes place after welding via one or more coils. The remanence is then characterized and evaluated using the measurement arrangement described above.

Die Remanenzanalyse ist besonders gut automatisierbar, weil sehr kurze Prüfzeiten (wenige Sekunden) erforderlich sind, keine zusätzlichen Hilfsstoffe, wie Koppelmittel, benötigt werden und der Algorithmus einen automatischen Abgleich mit einem Sollzustand beinhalten kann. Die Anordnung zur Magnetisierung und zum Messen der Remanenzflussdichte kann z. B. durch einen Roboter oder einer anderen geeigneten Vorrichtung geführt werden. So dass mit Hilfe einer oder mehrerer Magnetisierungsspulen der zu untersuchende Bereich magnetisiert, anschließend die Magnetisierungsanordnung wegschwenkt und die oben beschriebene Messanordnung die Remanenzmessung vornimmt, auf deren Grundlage die Auswertung automatisiert erfolgt. Z. B. ist es prinzipiell möglich, dass während des Widerstandspunktschweißens die Magnetisierung über die Schweißzange erfolgt und die Remanenz danach mit Hilfe einer Hall-Sensor-Kamera erfasst wird. Dadurch kann der Arbeitsgang der Magnetisierung mit einer separaten Spulenanordnung, eingespart werden.The remanence analysis is particularly easy to automate because very short test times (a few seconds) are required, no additional auxiliaries, such as coupling agents, are required and the algorithm can include an automatic comparison with a target state. The arrangement for magnetization and for measuring the residual flux density can, for. B. by a robot or other suitable device. So that the area to be examined is magnetized with the help of one or more magnetization coils, then the magnetization arrangement swings away and the measurement arrangement described above carries out the remanence measurement, on the basis of which the evaluation is carried out automatically. For example, it is possible in principle for the magnetization to take place via the welding gun during resistance spot welding and for the remanence to then be recorded using a Hall sensor camera. As a result, the magnetization operation with a separate coil arrangement can be saved.

Das Gebrauchsmuster ist in drei Zeichnungen dargestellt.The utility model is shown in three drawings.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Bolzenbolt
22nd
BlechmaterialSheet material
33rd
Schweißgut Mx Weld metal M x
44th
MagnetisierungsspuleMagnetizing coil
55
MessanordnungMeasuring arrangement
66
AuswerteelektronikEvaluation electronics

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (15)

Schutzanspruch Anordnung zur zwei- und/oder dreidimensionalen Charakterisierung von Bauteilen, Schweiß- und Lötverbindungen (zu charakterisierendes Volumen), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung, die das zu charakterisierende Volumen durchflutet, aus einer Messanordnung, die die magnetische Restflussdichte (magnetische Remanenz) misst und aus einem Algorithmus, der das zu charakterisierende Volumen zwei- und/ oder dreidimensional abbildet, besteht.Claim for protection Arrangement for the two- and / or three-dimensional characterization of components, welded and soldered connections (volume to be characterized), characterized in that the arrangement consists of a magnetic field generating device which flows through the volume to be characterized, from a measuring arrangement which measures the residual magnetic flux density ( magnetic remanence) and consists of an algorithm that maps the volume to be characterized in two and / or three dimensions. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu charakterisierende Volumen Bereiche mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufweist.Protection claim arrangement according to point 1, characterized in that the volume to be characterized has areas with different magnetic properties. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungseinrichtung aus Spulen oder Permanentmagneten besteht, die ein Magnetfeld erzeugen, das das zu charakterisierende Volumen durchflutet.Protection claim arrangement according to items 1 and 2, characterized in that the magnetization device consists of coils or permanent magnets which generate a magnetic field which floods the volume to be characterized. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsspulen einseitig und/oder beidseitig mit gleicher oder entgegengesetzter Orientierung des Magnetfeldes eingesetzt werden.Protection claim arrangement according to items 1 to 3, characterized in that the magnetization coils are used on one and / or both sides with the same or opposite orientation of the magnetic field. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung aus einem Hall-Sensor, linienförmig oder flächig angeordneten Hall-Sensoren, oder einer Magnetfeldkamera besteht, die starr oder beweglich positioniert sind und die Remanenzflussdichte örtlich messen.Protection claim arrangement according to items 1 to 4, characterized in that the measuring arrangement consists of a Hall sensor, linear or flat Hall sensors, or a magnetic field camera, which are rigidly or movably positioned and measure the residual flux density locally. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus aus der örtlichen Remanenzflussdichte die Struktur des zu charakterisierenden Volumens bestimmt.Protection claim arrangement according to items 1 to 5, characterized in that the algorithm determines the structure of the volume to be characterized from the local residual flux density. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus die Struktur des zu charakterisierenden Volumens zweidimensional abbildet.Protection claim arrangement according to items 1 to 6, characterized in that the algorithm two-dimensionally maps the structure of the volume to be characterized. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu charakterisierende Volumen eine Schweiß- oder Lötverbindung von mindestens zwei oder mehr Teilen aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien, enthält.Protection claim arrangement according to items 1 to 7, characterized in that the volume to be characterized contains a welded or soldered connection of at least two or more parts made of the same or different materials. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung als Punktschweißverbindung, Buckelschweißverbindung oder Bolzenschweißverbindung ausgeführt ist.Protection claim arrangement according to items 1 to 8, characterized in that the welded connection is designed as a spot welded connection, projection welded connection or stud welded connection. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetfelderzeugenden Einrichtungen inner- und/oder außerhalb einer Schweißzange befinden.Protection claim arrangement according to items 1 to 9, characterized in that the magnetic field generating devices are inside and / or outside of a welding gun. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugende Einrichtung und die Hall-Sensor-Messanordnung bzw. Hall-Sensor-Kamera an einem oder mehreren Robotern montiert sind und jeweils auf die zu untersuchende Schweißverbindung positioniert werden.Protection claim arrangement according to items 1 to 10, characterized in that the magnetic field generating device and the Hall sensor measuring arrangement or Hall sensor camera are mounted on one or more robots and are each positioned on the welded connection to be examined. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Schweißverbindung mit einem Roboterschwenkarm an der Hall-Sensor-Messanordnung und magnetfelderzeugenden Einrichtung positioniert werden kann.Protection claim arrangement according to items 1 to 11, characterized in that the welded connection to be examined can be positioned with a robot swivel arm on the Hall sensor measuring arrangement and magnetic field generating device. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der magnetfelderzeugenden Einrichtung und der Messanordnung in Bezug des zu charakterisierenden Volumens mit Hilfe eines optischen Messsystems erfolgt.Protection claim arrangement according to items 1 to 12, characterized in that the positioning of the magnetic field generating device and the measuring arrangement in relation to the volume to be characterized is carried out with the aid of an optical measuring system. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung mittels optischen Systems und einem entsprechenden Positionier-Algorithmus gefunden wird.Protection claim arrangement according to items 1 to 13, characterized in that the welded connection is found by means of an optical system and a corresponding positioning algorithm. Schutzanspruch Anordnung nach Punkt 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionier-Algorithmus mit den Positionsdaten der Schweiß- und/oder Messvorrichten gekoppelt wird.Protection claim arrangement according to items 1 to 14, characterized in that the positioning algorithm is coupled with the position data of the welding and / or measuring devices.
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