EP1356273A2 - Ultraschall-sensoranordnung für horizontal polarisierte transversalwellen - Google Patents

Ultraschall-sensoranordnung für horizontal polarisierte transversalwellen

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EP1356273A2
EP1356273A2 EP02708201A EP02708201A EP1356273A2 EP 1356273 A2 EP1356273 A2 EP 1356273A2 EP 02708201 A EP02708201 A EP 02708201A EP 02708201 A EP02708201 A EP 02708201A EP 1356273 A2 EP1356273 A2 EP 1356273A2
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EP
European Patent Office
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sensors
shear wave
polarization
welding
receiver
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02708201A
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English (en)
French (fr)
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Volker Arndt
Michael Lach
Michael Platte
Heinz-Ullrich Mueller
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Karl Deutsch Pruef- und Messgeratebau & Co KG GmbH
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Karl Deutsch Pruef- und Messgeratebau & Co KG GmbH
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Karl Deutsch Pruef- und Messgeratebau & Co KG GmbH, Robert Bosch GmbH filed Critical Karl Deutsch Pruef- und Messgeratebau & Co KG GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic sensor arrangement for performing a process control in resistance spot welding according to the preamble of the independent claim.
  • the transmission signal is recorded online and its amplitude U Q is used as a control variable for the amplitude and time profile of the welding current.
  • the transverse wave is chosen because the influence of the liquid formation in the welding lens on the damping of a transmitted wave is very large with this type of wave.
  • the amplitude Uo of the transverse wave which changes significantly and characteristically in the course of the welding process, allows a reliable conclusion to be drawn about the design and size of the welding lens and can therefore be used as a control variable for a control process.
  • an ultrasound sensor arrangement is selected in which ultrasound transmitters and ultrasound receivers are attached to the outer electrode shafts or to the electrode holders (not shown here). Shear or transverse waves or torsion wave waves with a frequency of less than 1 MHz are generated. It is stated to be particularly advantageous to generate horizontally polarized transverse waves since these have a low tendency to undesired mode conversions in the case of reflections within the sound-conducting electrode holder.
  • Transversal or shear waves propagate only in solid bodies, but not in liquids.
  • the particles or atoms vibrate perpendicular to the direction of propagation of the wave.
  • the direction of oscillation of the particles or atoms is also referred to as the direction of polarization or, within an imaginary coordinate system, also as the polarization vector.
  • Transversal waves that propagate in the longitudinal direction within an elongated and laterally delimited solid, for example a plate or a hollow cylinder, are referred to as horizontally polarized if "the polarization vector of the sound wave, ie the direction of vibration of the particles or atoms, is parallel to If, for example, a transverse wave is coupled into part of the end face of a hollow cylinder and propagates in the axial direction of the cylinder, then this is horizontally polarized if its polarization vector points in a tangential direction of the cylinder.
  • the ultrasonic transmitters and receivers are so-called shear wave probes. They contain flat and usually round piezoplates of a few mm to a few cm in diameter which, when excited with an electrical voltage, perform a shear movement or, conversely, react to a received shear wave with a received voltage when received. Since the main emission direction of the sound would not be directed towards the weld metal but towards the center of the electrode when such a shear wave test head was attached directly to the outer electrode shaft, preference is given to using wedges which are attached between the test heads and the welding electrodes and an alignment of the main emission direction effect the test head to the weld metal at an angle that is clearly below 90 °, e.g. approx. 45 °. This is the only way to bundle a sufficient fraction of the sound energy towards the welding spot with this sensor arrangement.
  • the post-published DE-A-199 37 479 describes an ultrasound sensor arrangement which has been improved in this regard and in which the piezoelectric shear wave plate or the complete one in the case of transmission and / or reception Shear wave test head is mounted in a recess within the electrode shaft, in such a way that the piezoelectric plate is oriented approximately perpendicular to the electrode shaft and thus the main emission direction of the transmitter and the main reception direction of the receiver are parallel to the electrode shaft and are directed exactly towards one another.
  • Rectangular piezoelectric shear wave plates are used here. In principle, however, these can also have any other geometric shape (for example round, semicircular or diamond-shaped).
  • the polarization directions of the transmitter and receiver must match because the two ultrasound shear wave probes behave like two optical polarization filters with regard to the passage of light with regard to the amplitude of the received electrical signal: Is with exactly parallel alignment of both shear waves -Probes the maximum receive voltage U 0 , the receive voltage is U ( ⁇ ) depending on the angle ⁇ , by which the two polarization directions are rotated against each other:
  • the polarization directions of the ultrascr-all-Scr-ex-wave transmitters and receivers that are attached to the electrode shafts or integrated in the electrodes must be aligned and aligned with one another be mounted so that their polarization directions are parallel to each other. Otherwise the falls
  • the object of the present invention is to provide a sensor arrangement for shear waves which works without aligning the transmitter and receiver in such a way that the sensors can be easily replaced both during initial assembly and in the event of wear in relation to use for process control in resistance spot welding. This object is solved by the features of the independent claim.
  • the ultrasound sensor arrangement according to the invention in particular for process control in resistance welding, comprises at least one receiver which detects the ultrasound signals coming from the area to be examined, at least two piezoelectric sensors being used as receivers, which are arranged such that they are in a plane perpendicular to the Direction of propagation of a directional vector of the polarization projected to be detected has different directions. This ensures that at least one of the piezoelectric sensors detects a signal other than zero, regardless of the polarization direction of the wave to be detected. It is particularly independent of how the receiver is relative to the transmitter is arranged. As a result, complex adjustment processes can be avoided. The service life of resistance welding systems can be reduced considerably.
  • the output variables of the at least two sensors are correspondingly combined in a signal processing in order to detect a measure of the amplitude of the ultrasonic wave.
  • This link increases the sensitivity of the arrangement.
  • the types of linkage mentioned in the further dependent claims can ensure that the output signal does not fall below a certain minimum amount. This increases the evaluation reliability and thus the quality of the process control in resistance welding.
  • the piezoelectric plates are designed using stacking technology.
  • no lateral offset is achieved here, so that the sound field is recorded by both piezo plates at one and the same location.
  • the arrangement is therefore particularly suitable for any spatially inhomogeneous ultrasonic wave field.
  • the signal processing can easily compensate for the phase shift that occurs with respect to the sound propagation time by appropriate corrections.
  • the invention consists of using several identical ones instead of a single piezoelectric shear wave receiver, the polarization directions of which lie in a common plane, but have different directions within the plane, so that one another Shear wave propagating perpendicular to this plane, regardless of its polarization direction in this plane, always delivers a reception signal different from zero to at least one of the receivers, and that the reception voltages of the individual shear wave receivers are fed to an electronic circuit device which generates an output signal by suitable combination of the individual reception voltages, which differs from zero for any position of the polarization direction of the shear wave to be received and is proportional to the amplitude of the shear wave to be received.
  • the invention is based, in particular, on the knowledge that a low-frequency ( ⁇ 1 MHz) shear wave, which is introduced into the cylindrical welding electrode, which is hollow to hold the cooling water, approaches on the way to the receiver the other welding electrode spreads more or less homogeneously over the entire cross section of the welding electrode.
  • a low-frequency ( ⁇ 1 MHz) shear wave which is introduced into the cylindrical welding electrode, which is hollow to hold the cooling water, approaches on the way to the receiver the other welding electrode spreads more or less homogeneously over the entire cross section of the welding electrode.
  • the wavelength of the shear wave in the cylindrical shaft of the welding electrode is a few millimeters to a few centimeters.
  • Welding electrodes typically have an outer diameter of 15 - 30 mm and a wall thickness of 4 - 8 mm.
  • the cross section of the electrode shaft is therefore of the same or smaller order of magnitude as the wavelength.
  • the cross section of the welding electrode itself therefore already represents such a small aperture for the propagating ultrasound wave
  • FIG. 2 shows the sensor arrangement in connection with a circuit device
  • FIG. 3 shows a further sensor arrangement outside the welding electrode
  • FIG. 4 shows a sensor arrangement integrated in the welding electrode
  • FIG. 5 shows a further sensor arrangement using stack technology.
  • the two piezoelectric disks 31 and 32 designed as shear wave vibrators are positioned as receivers in a shear wave field which may be homogeneous within the area surrounded by line 33.
  • the direction of propagation 'of the shear wave is perpendicular to. Paper plane.
  • Pl and P2 are the polarization vectors (or directions of polarization) of the two piezo disks 31 and 32.
  • P3 is the polarization vector of the shear wave passing through the paper plane, ⁇ l is that between the polarization vector P3 of the shear wave and the Polarization vector Pl of the first piezo disk 31 existing
  • Angle. ⁇ 2 is that between the polarization direction P3
  • Piezo disk 32 existing angles.
  • the receive voltages Ul and U2 of the shear wave sensors 31 and 32 are then:
  • the received signal Ug always corresponds exactly to the received signal of an individual shear wave receiver, regardless of the angle ⁇ 1, with its polarization direction parallel to the polarization direction of the shear wave to be detected.
  • Polarization directions of transmitter and receiver would have to be aligned with each other.
  • the absolute values (amounts) can also be formed from U1 and U2, the two amounts can be compared and only the larger of the two values can be switched as output signal Ug. In this case, the amplitude of Ug would always be between 1 and (2) / 2:
  • the arrangement of the two or more reception sensors, the reception voltages of which are further processed according to the invention in a suitable manner - for example as described above - can be implemented in a wide variety of ways. If a sensor arrangement according to EP-A-653 061 with shear wave test heads attached to the side electrode shaft is selected for process control in resistance spot welding, then a second identical shear wave test head 52 on the electrode shaft can easily be shown on the receiver side in addition to the first shear wave test head 51 5.1 attach.
  • the installation location is chosen so that the position with respect to the longitudinal axis 55 of the electrode shaft is identical and there is only an angular offset by, for example, 90 ° (FIG. 3) in the plane perpendicular to the longitudinal axis 55 of the welding electrodes.
  • two shear wave sensors with a polarization direction offset by 90 ° can be located on the receiving side within a cross section 66 of the electrode shaft 6.1, which lies in a plane 66 perpendicular to the central axis 65 of the electrode shaft can be introduced, for example by positioning two otherwise identical piezoelectric shear wave plates 61 and 62 exactly offset by 90 °. (Fig. 4).
  • this embodiment of the invention can also be used with any spatially inhomogeneous shear wave field.
  • the offset in the direction of sound propagation only affects the reception voltages U71 and U72 as a small phase shift with respect to the sound propagation time, which can be electronically or computationally compensated or neglected in the further processing of the reception voltages according to the invention in a signal processing unit.
  • the invention is not restricted to the use of a horizontally polarized transverse wave, which is always bound to a lateral transmission medium (rod, plate, electrode shaft).
  • the invention works for any transverse wave, regardless of whether it spreads in a r'-; limited or unlimited medium.

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Abstract

Es wird eine Ultraschall-Sensoranordnung, insbesondere zur Prozesssteuerung bei Widerstandsschweissen vorgeschalagen, die zumindest einen Empfänger umfasst, der die aus dem zu untersuchenden Bereich kommenden Ultraschallsignale detektiert, wobei als Empfänger zumindest zwei piezoelektrische Sensoren (31, 32) verwendet sind, die so angeordnet sind, dass sie ihre in eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer zu detektierenden Ultraschallwelle projizierten Richtungsvektoren der Polarisation unterschiedliche Richtungen aufweisen.

Description

Ultraschall-Sensoranordnung für horizontal polarisierte Transversalwellen
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall- Sensoranordnung zur Durchführung einer Prozesssteuerung beim Widerstandspunktschweißen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs .
Das in der EP-A-653 061 beschriebene Verfahren besteht im wesentlichen darin, den vorgesehenen Schweißbereich während des Schweißvorganges mit Scher- bzw. Transversalwellen zu durchschallen, indem an den äußeren Elektrodenschäften der beiden gegenüberliegenden Schweißelektroden je ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger für Scherwellen angeordnet wird. Ausgehend vom Ultraschallsender an der einen Schweißelektrode durchläuft das Ultraschallsignal das Schweißgut - zwei oder mehrere zu verschweißende Bleche - sowie die andere Schweißelektrode bis hin zum Ultraschallempfänger, von dem es in ein messbares elektrisches_ Signal U umgewandelt wird, dessen zeitlicher Verlauf durch U = U0«sinωt dargestellt werden kann, wobei ω die Kreisfrequenz der Ultraschallwelle und t die Zeit ist. Das Durchschallungssignal wird online erfasst und dessen Amplitude UQ als Steuergröße für Amplitude und Zeitverlauf des Schweißstromes verwendet. Die Transversalwelle wird deshalb gewählt, weil der Einfluss der Flüssigkeitsbildung in der Schweißlinse auf die Dämpfung einer durchgelassenen Welle bei dieser Wellenart sehr groß ist. Die sich im Verlauf des Schweißprozesses deutlich und in charakteristischer Weise ändernde Amplitude Uo der Transversalwelle lässt einen verlässlichen Rückschluss auf die Ausbildung und Größe der Schweißlinse zu und kann somit als Stellgröße für einen Regelprozess verwendet werden.
Die grundsätzliche Durchführbarkeit des Verfahrens und die Verlässlichkeit der Prüfaussage hängt entscheidend von den verwendeten Ultraschall-Sensoren, ihrer Anordnung bezüglich der Schweißelektrode und der Schallausbreitung innerhalb der Schweißelektroden ab. Bei der Realisierung gemäß EP-A-653 061 ist eine Ultraschall-Sensoranordnung gewählt, bei der ültraschallsender und Ultraschallempfänger an den äußeren Elektrodenschäften oder an den hier nicht eingezeichneten Elektrodenhaltern befestigt sind. Es werden Scher- bzw. Transversalwellen oder Torsionswellenwellen mit einer Frequenz kleiner 1 MHz erzeugt. Als besonders vorteilhaft wird angegeben, horizontal polarisierte Transversalwellen zu erzeugen, da diese eine geringe Neigung zu unerwünschten Modenumwandlungen bei Reflexionen innerhalb des schallführenden Elektrodenhalters haben.
Transversal- oder Scherwellen breiten sich nur in festen Körpern, nicht jedoch in Flüssigkeiten aus. Bei ihnen schwingen die Teilchen bzw. Atome senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Die Schwingungsrichtung der Teilchen bzw. Atome bezeichnet man auch als Polarisationsrichtung oder innerhalb eines gedachten Koordinatensystems auch als Polarisationsvektor. Transversalwellen, die sich innerhalb eines lang gestreckten und seitlich begrenzten Festkörpers, z.B. einer Platte oder eines Hohlzylinders, in Längsrichtung ausbreiten, werden dann als horizontal polarisiert bezeichnet, wenn "der Polarisationsvektor der Schallwelle, d.h. die Schwingungsrichtung der Teilchen bzw. der Atome, parallel zu einer der seitlichen Begrenzungsflächen ist. Wird beispielsweise an einem Teil der Stirnfläche eines Hohlzylinders eine Transversalwelle eingekoppelt, die sich in axiale Richtung des Zylinders ausbreitet, so ist diese horizontal polarisiert, wenn ihr Polarisationsvektor in eine tangentiale Richtung des Zylinders zeigt.
Bei den Ultraschallsendern und -empfängern handelt es sich um sogenannte Scherwellen-Prüfköpfe. Sie enthalten ebene und zumeist runde Piezoplatten von einigen mm bis einigen cm Durchmesser, die bei Anregung mit einer elektrischen Spannung eine Scherbewegung ausführen oder umgekehrt im Empfangsfall auf eine empfangene Scherwelle mit einer Empfangsspannung reagieren. Da bei direktem Anbringen eines solchen Scherwellen-Prüfkopfes am äußeren Elektrodenschaft die Hauptabstrahlrichtung des Schalls nicht in Richtung des Schweißgutes sondern auf den Mittelpunkt der Elektrode gerichtet wäre, verwendet man bevorzugt Vorsatzkeile, die zwischen den Prüfköpfen und den Schweißelektroden angebracht' werden und eine Ausrichtung der Hauptabstrahlrichtung des Prüfkopfes zum Schweißgut unter einem Winkel bewirken, der deutlich unter 90° liegt, z.B. ca. 45°. Nur so lässt sich bei dieser Sensoranordnung ein hinreichender Bruchteil der Schallenergie auf den Schweißpunkt hin bündeln.
In der nachveröffentlichten DE-A-199 37 479 ist eine diesbezüglich verbesserte Ultraschall-Sensoranordnung beschrieben, bei der im Sende- und/oder Empfangsfall die piezoelektrische Scherwellen-Platte bzw. der komplette Scherwellen-Prüfkopf in eine Aussparung innerhalb des Elektrodenschaftes angebracht ist, und zwar in einer solchen Weise, dass die piezoelektrische Platte annähernd senkrecht zum Elektrodenschaft ausgerichtet ist und somit die Hauptabstrahlrichtung des Senders und die Hauptempfangsrichtung des Empfängers parallel zum Elektrodenschaft liegen und exakt aufeinander gerichtet sind. Auf diese Weise lässt sich im Schweißpunkt eine solche Ultraschallintensität und im Empfangsfall ein so großes Empfangssignal erzeugen, dass hinsichtlich der weiteren Auswertung zur Prozesssteuerung des Schweißvorganges ein hinreichendes Nutz-Störverhältnis vorliegt. Hierbei werden rechteckförmige piezoelektrische Scherwellenplatten verwendet. Grundsätzlich können diese jedoch auch jede andere geometrische Form (z.B. rund, halbrund oder rautenförmig) haben.
Werden - ganz allgemein betrachtet - zu untersuchende Materialbereiche mit je einem getrennten Ultraschall- Scherwellen-Sender und einem Ultraschall-Scherwellen- Empfänger durchschallt, so tritt immer die Schwierigkeit auf, dass Sender und Empfänger hinsichtlich der Polarisationsrichtung der erzeugten Scherwelle exakt aufeinander ausgerichtet werden müssen. Zur groben Orientierung des Bedieners werden bei Scherwellen-Prüfköpfen die jeweiligen Polarisationsrichtungen daher immer auf dem Gehäuse markiert. In einer Sender-Empfänger-Anordnung müssen die Polarisationsrichtungen von Sender und Empfänger deshalb übereinstimmen, weil sich die beiden Ultraschall- Scherwellen-Prüfköpfe hinsichtlich der Amplitude des elektrischen Empfangssignals wie zwei optische Polarisationsfilter hinsichtlich des Durchgangs von Licht verhalten: Ist bei exakt paralleler Ausrichtung beider Scherwellen-Prüfköpfe die maximale EmpfangsSpannung U0, so lautet die EmpfangsSpannung U (α) in Abhängigkeit vom Winkel α, um den die beiden Polarisationsrichtungen gegeneinander verdreht sind:
U(α) = Uo«cos (α) »sin (ωt) (ω = Kreisfrequenz, t = Zeit) Für α = 90° ist die Amplitude (U0»cos (α) ) der EmpfangsSpannung U(α) der Theorie nach null. Aufgrund von Beugungs- und Brechungserscheinungen sowie der natürlichen Schallfeldcharakteristik einer piezoelektrischen Scheibe wird zwar in der Regel auch bei α = 90° noch ein endlicher Wert für ü ( ) gemessen. Dieser ist jedoch so klein (1 bis 10 % von U0) , dass keine zuverlässige Auswertung des Empfangssignal-- mehr möglich ist.
Dieser Sachverhalt trifft insbesondere auch auf die oben beschriebenen Sensoranordnungen zur Prozessüberwachung beim Widerstandspunktschweißen zu: Die Polarisationsrichtungen der an den Elektrodenschäften angebrachten oder in die Elektroden.scha.fte integrierter- Ultrascr-all-Scr-exwellen- Sender und -Empfänger müssen so zueinander ausgerichtet und montiert werden, dass ihre Polarisationsrichtungen parallel zueinander liegen. Andernfalls fällt die
Durchschallungsamplitude zu gering aus.. Bei der Montage -der Scherwellen-Sensoren an die Elektrodenschäfte bzw. der Elektrodenschäfte an die Elektrodenhaiterungen, wenn die Sensoren in den Schäften integriert sind, ist ein Justierungsschritt zwingend notwendig. Dabei werden die Sensoren und/oder die Elektrodenschäfte mit den vormontierten Sensoren in einem ersten groben Schritt zunächst so lange gedreht, bis die Markierungen der Polarisationsrichtungen von Sender und Empfänger augenscheinlich parallel zueinander liegen. Anschließend erfolgt wiederum durch Verdrehen der Sensoren oder der Elektrodenschäfte eine Feinjustierung, indem die EmpfangsSpannung beobachtet und auf maximalen Wert gebracht wird. Diese Prozedur ist umständlich, zeitintensiv und fehlerträchtig, wenn sie nicht mit der gebotenen Sorgfalt ausgeführt wird. Sie kann nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden, da zur Kontrolle auch das Ultraschallsignal beobachtet und interpretiert werden muss. Im Verschleißfall der Sensoren oder der Elektrodenschäfte ist ein einfaches Auswechseln durch ungeschultes Personal nicht möglich. Durch die erforderliche Justierung muss außerdem beim Sensorwechsel eine unerwünscht lange Stillstandzeit der Schweißmaschine in Kauf genommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung für Scherwellen anzugeben, die ohne ein derartiges Ausrichten von Sender und Empfänger arbeitet, so dass in Bezug auf die Verwendung zur Prozesssteuerung beim Widerstandspunktschweißen die Sensoren sowohl bei Erstmontage als auch im Verschleißfall leicht ausgewechselt werden können. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Sensoranordnung, insbesondere zur Prozesssteuerung beim Widerstandsschweißen, umfasst zumindest einen Empfänger, der die aus dem zu untersuchenden Bereich kommenden Ultraschallsignale detektiert, wobei als Empfänger zumindest zwei piezoelektrische Sensoren verwendet sind, die so angeordnet sind, dass ihre in eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer zu detektierenden Ultraschellewelle projizierten Richtungsvektoren der Polarisation unterschiedliche Richtungen aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass zumindest einer der piezoelektrischen Sensoren unabhängig von der Polarisationsrichtung der zu detektierenden Welle ein von null verschiedenes Signal erfasst. Es ist insbesondere unabhängig davon, wie der Empfänger relativ zu dem Sender angeordnet ist. Dadurch können aufwendige Justierungsvorgänge unterbleiben. Die Standzeiten von Widerstandsschweißanlagen können dadurch erheblich reduziert werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, die Ausgangsgrößen der zumindest zwei Sensoren in einer Signal erarbeitung entsprechend zu verknüpfen zur Detektion eines Maßes der Amplitude der Ultraschallwelle. Diese Verknüpfung erhöht die Empfindlichkeit der Anordnung. Durch die in den weiteren abhängigen Ansprüchen genannten Verknüpfungsarten kann gewährleistet werden, dass das Ausgangssignal einen gewissen Mindestbetrag nicht unterschreitet. Dies erhöht die Auswertesicherheit und damit die Güte der Prozesssteuerung beim Widerstandsschweißen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, daß die piezoelektrischen Platten in Stapeltechnik ausgeführt sind. Hierbei wird insbesondere kein seitlicher Versatz erreicht, so dass das Schallfeld von beiden Piezoplatten an ein und demselben Ort aufgenommen wird. Daher eignet sich die Anordnung insbesondere für jedes räumlich inhomogene Ultraschallwellenfeld. Die Signalverarbeitung kann den hierbei bezüglich der Schalllaufzeit auftretenden Phasenversatz durch entsprechende Korrekturen leicht ausgleichen.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Die Erfindung besteht darin, statt eines einzelnen piezoelektrischen Scherwellen-Empfängers mehrere identische zu verwenden, deren Polarisationsrichtungen zwar in einer gemeinsamen Ebene liegen, innerhalb der Ebene jedoch unterschiedliche Richtungen haben, so dass eine sich senkrecht zu dieser Ebene ausbreitende Scherwelle unabhängig von ihrer Polarisationsrichtung in dieser Ebene immer an mindestens einem der Empfänger ein von null unterschiedliches Empfangssignal liefert, und dass die Empfangsspannungen der einzelnen Scherwellenempfänger einer elektronischen Schaltungsvorrichtung zugeführt werden, die durch geeignete Verknüpfung der einzelnen EmpfangsSpannungen ein Ausgangssignal erzeugt, das bei beliebiger Lage der Polarisationsrichtung der zu empfangenden Scherwelle von null unterschiedlich und der Amplitude der zu empfangenden Scherwelle proportional ist.
In Bezug auf die Anwendung zur Prozesssteuerung beim Widerstandspunktschweißen geht die Erfindung insbesondere von der Erkenntnis aus, dass eine niederfrequente (< 1 MHz) Scherwelle, die in die zylindrische und zur Aufnahme des Kühlwassers innen hohle Schweißelektrode eingeleitet wird, sich auf dem Weg zum Empfänger an der anderen Schweißelektrode mehr oder minder homogen über den gesamten Querschnitt der Schweißelektrode ausbreitet. Dies liegt daran, dass bei typischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von 3000m/s die Wellenlänge der Scherwelle im zylindrischen Schaft der Schweißelektrode einige Millimeter bis einige Zentimeter beträgt. Schweißelektroden haben typischerweise 15 - 30 mm Außendurchmesser und 4 - 8 mm Wandstärke. Der Querschnitt des Elektrodenschafts liegt daher in gleicher oder kleinerer Größenordnung wie die Wellenlänge. Der Querschnitt der Schweißelektrode selbst stellt daher für die sich ausbreitende Ultraschallwelle bereits eine so kleine Aperturöffnung dar, dass eine nahezu ungerichtete Schallausbreitung erfolgt und die Schallwelle bereits nach kurzem Laufweg den gesamten Querschnitt des Elektrodenschaftes ausfüllt. Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen die Figur 1 die prinzipielle Wirkungsweise der Sensoranordnung am Beispiel von zwei piezoelektrischen Scheiben, die unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind,
Figur 2 die Sensoranordnung in Verbindung mit einer SchaltungsVorrichtung,
Figur 3 eine weitere Sensoranordnung außerhalb der Schweißelektrode,
Figur 4 eine in die Schweißelektrode integrierte Sensoranordnung,
sowie Figur 5 eine weitere Sensoranordnung in Stapeltechnik.
Figur 1 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Sensoranordnung am einfachsten Beispiel von zwei piezoelektrischen Scheiben 31 und 32, die unter einem Winkel (αl - α2) = 90° zueinander angeordnet sind. Die beiden als Scherwellenschwinger ausgelegten piezoelektrischen Scheiben 31 und 32 werden als Empfänger in einem Scherwellenfeld positioniert, das innerhalb des von der Linie 33 umrandeten Bereichs homogen sein möge. Die Ausbreitungsrichtung 'der Scherwelle verläuft senkrecht zur . Papierebene. Pl und P2 sind die Polarisationsvektoren (beziehungsweise Polarisationsrichtungen) der beiden Piezoscheiben 31 und 32. P3 ist der Polarisationsvektor der die Papierebene durchlaufenden Scherwelle, αl ist der zwischen dem Polarisationsvektor P3 der Scherwelle und dem Polarisationsvektor Pl der ersten Piezoscheibe 31 bestehende
Winkel. α2 ist der zwischen der Polarisationsrichtung P3 der
Scherwelle und dem Polarisationsvektor der zweiten
Piezoscheibe 32 bestehende Winkel. Die EmpfangsSpannungen Ul und U2 der Scherwellensensoren 31 und 32 lauten dann:
Ul = Uo«cos (αl) «sin(ωt) = Al»sin(ωt)
U2 = Uo»cos (α2) •sin(ωt) = Uo«cos (αl - 90° ) »sin (ωt) =
Uo»sin (αl) »sin (cot) = A2«sin(ωt) (ω = Kreisfrequenz der Ultraschallwelle, t = Zeit) Von den Amplituden AI = Uo»cos(αl) und A2 = Uo»sin(αl) der Empfangssignale Ul und U2 der beiden Scherwellensensoren oder Piezoscheiben (31, 32) ist demnach mindestens eine immer von null verschieden. Gemäß Fig. 2 können die Empfangssignale Ul und U2 der beiden Scherwellensensoren bzw. Piezoscheiben 41, 42 nun einer Schaltungsvorrichtung 44 zugeführt werden, die in verschiedenster Weise eine Verknüpfung der einzelnen EmpfangsSpannungen dergestalt vornehmen kann, dass ein einziges Ausgangssignal Ug (z.B. Ug = Ag»sin (ωt) ) , resultiert, dessen Amplitude Ag mehr oder minder unabhängig von der Polarisationsrichtung der zu detektierenden Scherwelle ist.
Dieselben Betrachtungen gelten sinngemäß auch, wenn die in Fig. 1 zum Empfang verwendeten piezoelektrischen Scherwellen-Platten gegenüber der Papierebene geneigt angeordnet werden und mit der auftreffenden Wellenfront einen Winkel γ bilden, der von null verschieden ist. In diesem Fall gelten dieselben Betrachtungen für die in die Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der zu detektierenden Scherwelle projizierten Vektoren der Polarisationsrichtungen der Scherwellen-Prüfköpfe bzw. der Scherwellen-Piezoplatten.
Die nachfolgenden Beispiele der Verknüpfung der Empfangssignale im Sinne der Erfindung sind sowohl schaltungstechnisch durch analoge integrierte Schaltkreise (ICs) als auch durch Digitalisierung der Ultraschallsignale und nachfolgende Rechenoperationen leicht durchführbar:
a) Die Signale Ul und U2 der Scherwellensensoren bzw. Piezoplatten werden zunächst quadriert und dann addiert.
Ug = ul2 + U22 = Uo2»cos2 (αl)»sin2(ωt) + Uo2«sin2 (αl) »sin2 (cot) = Uo2»sin2 (ωt)
Da cos2(αl) + sin2(αl) immer 1 beträgt, ist die resultierende Amplitude des Empfangssignals völlig unabhängig vom Winkel αl immer Uo2, dem Quadrat Empfangsspannungsamplitude eines einzelnen Scherwellenempfängers bei paralleler Ausrichtung seiner Polarisationsrichtung zur Polarisationsrichtung der zu detektierenden Scherwelle.
b) Ausgehend vom Fall a) wird das Ergebnis noch radiziert:
Ug = = Uo«|sin(ötf)|
In diesem Fall entspricht das Empfangssignal Ug unabhängig vom Winkel αl immer exakt dem Empfangssignal eines einzelnen Scherwellenempfängers bei paralleler Ausrichtung seiner Polarisationsrichtung zur Polarisationsrichtung der zu detektierenden Scherwelle.
C) Von beiden EmpfangsSpannungen werden die Absolutwerte (Beträge) gebildet und addiert:
Ug= = üo»|sin(örf)|»(|cos(orl)| + |sin(αl)| )
Auch dieses Ergebnis ist bei fester Zuordnung der Polarisationrichtungen der Sende- und Empfänger-Sensoren zueinander, wie es beim Einsatz in
Widerstandspunktschweißanlagen nach Montage der Sensoren in die Schweißzangen der Fall ist, bereits völlig hinreichend: Die Amplitude von Ug wäre in diesem Fall Uo» ( |cos(αl)j + |sin(c )| ) und würde in Abhängigkeit von der Montage der Sensoren bzw. dem Winkel (αl) immer zwischen 1 und v2 betragen, jedoch niemals 0. Somit wäre unabhängig vom Winkel αl immer eine ausreichende EmpfangsSpannung vorhanden, ohne dass die
Polarisationsrichtungen von Sender und Empfänger aufeinander ausgerichtet werden müssten.
d) Von Ul und U2 können auch zunächst die Absolutwerte (Beträge) gebildet werden, beide Beträge einem Vergleich unterzogen und jeweils nur der größere von beiden Werten als Ausgangssignal Ug geschaltet werden. In diesem Fall läge die Amplitude von Ug immer zwischen 1 und ( 2 ) /2 :
Ug = Max ( |-7l| , ) = Uo» |sin(όtf)| «Max ( |cos(orl)| , |sin(αl)| )
Die Anordnung der zwei oder mehr Empfangssensoren, deren EmpfangsSpannungen erfindungsgemäß in geeigneter Weise - z.B. wie oben beschreiben - weiter verarbeitet werden, kann in verschiedenster Weise realisiert werden. Wird zur Prozesssteuerung beim Widerstandspunktschweißen eine Sensoranordnung gemäß EP-A-653 061 mit am seitlichen Elektrodenschaft angebrachten Scherwellen-Prüfköpfen gewählt, so lässt sich gemäß Fig. 3 auf der Empfängerseite neben dem ersten Scherwellenprüfkopf 51 einfach ein zweiter identischer Scherwellen-Prüf öpf 52 am Elektrodenschaft 5.1 anbringen. Der Montageort wird so gewählt, dass die Position bezüglich der Längsachse 55 des Elektrodenschaftes identisch ist und lediglich ein Winkelversatz um z.B. 90° (Fig. 3) in der Ebene senkrecht zur Längsachse 55 der Schweißelektroden besteht. Bei einer Sensoranordnung gemäß DE-A-199 37 479 mit in den Elektrodenschäften integrierten Sensoren können auf der Empfangsseite innerhalb eines Querschnitts 66 des Elektrodenschaftes 6.1, welcher in einer Ebene 66 senkrecht zur Mittelachse 65 des Elektrodenschaftes liegt, zwei Scherwellensensoren mit um 90° versetzter Polarisationsrichtung eingebracht werden, z.B. indem zwei sonst identische piezoelektrische Scherwellenplatten 61 und 62 genau um 90° versetzt positioniert werden. (Fig. 4) .
Statt zwei oder mehrere Scherwellen-Empfangssensoren nebeneinander im Ultraschall-Scherwellenfeld anzuordnen, besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, Scherwellen-Sensoren mit erfindungsgemäßem Versatz der Polarisationsrichtungen an ein und demselben Ort im Schallfeld zu positionieren. Fig. 5 zeigt dies am einfachen Beispiel von nur zwei verwendeten Empfangssensoren mit um 90° versetzter Polarisationsrichtung: Hier wird der Sachverhalt ausgenutzt, dass Piezowandler auch in Stapeltechnik ausgelegt und hergestellt werden können. In Fig. 5 werden dementsprechend zwei identische Scherwellen-Piezoplatten 71, 72 mit um 90° versetzten Polarisationsrichtungen P71, P 72 fluchtend übereinandergestapelt . Die beiden Scherwellen- Piezoplatten 71, 72 sind dabei z.B. durch flächenhaftes Verkleben oder Verlöten akustisch leitend miteinander verbunden. Elektrische Zuleitungen 78, 79 sind so an den Oberflächen der Piezoscheiben angebracht, dass an ihnen die EmpfangsSpannungen U71, U72 der beiden Piezoplatten 71, 72 separat abgegriffen werden können. Weitere Einzelheiten des Wandleraufbaus, wie Schutzschichten oder Dämpfungskörper, werden entsprechend dem Stand der Technik ausgelegt. Sie sind in Fig. 5 weggelassen, da sie nicht Gegenstand der Erfindung sind und zur Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung nicht weiter benötigt werden.
Ultraschall-Prüfköpfe in Stapeltechnik gemäß Fig. 5 sind zwar in der Praxis grundsätzlich aufwendiger herzustellen als herkömmliche Prüfköpfe mit nur einer Lage Piezoelemente. Im vorliegenden Fall besteht jedoch der grundlegende Vorteil, dass zwischen den einzelnen Piezoplatten bzw. Sensoren keinerlei seitlicher Versatz besteht, sondern das Scherwellen-Schallfeld von beiden Piezoplatten bis auf einen Versatz in Schallausbreitungsrichtung an ein und demselben Ort aufgenommen wird. Daher kann diese Ausführung der Erfindung auch bei jedem räumlich inhomogenen Scherwellenfeld verwendet werden. Der Versatz in Schallausbreitungsrichtung wirkt sich bei den Empfangsspannungen U71 und U72 lediglich als kleine Phasenverschiebung bezüglich der Schalllaufzeit aus, die bei der weiteren erfindungsgemäßen Verarbeitung der Empfangsspannungen in einer Signalverarbeitungseinheit elektronisch oder rechnerisch kompensiert oder vernachlässigt werden kann.
Die Erfindung ist nicht eingeschränkt auf die Verwendung einer horizontal polarisierten Transversalwelle, die immer an ein seitliches Übertragungsmedium (Stab, Platte, Elektrodenschaft) gebunden ist. Die Erfindung funktioniert für jede Transversalwelle, unabhängig davon, ob sie sich in einem ϊ'- ;renzten oder unbeσrenztem Medium ausbreitet.

Claims

Ansprüche
1. Ultraschall-Sensoranordnung, insbesondere für Transversal- beziehungsweise Scherwellen, mit zumindest einem Empfänger, der die aus dem zu untersuchenden Bereich kommenden Ultraschallsignale detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfänger zumindest zwei piezoelektrische Sensoren (31, 32) verwendet sind, die so angeordnet sind, dass ihre in eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer zu detektierenden Ultraschallwelle projizierten Richtungsvektoren der Polarisation (Pl, P2) unterschiedliche Richtungen aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31, 32) so angeordnet sind, dass die Richtungsvektoren der Polarisation (Pl, P2) vorzugsweise um 90° versetzt sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgrößen der zumindest zwei Sensoren (31, 32) einer Signalverarbeitung (44) zugeführt werden, die in Abhängigkeit von den
Ausgangsgrößen der Sensoren (31, 32) ein .Ausgangssignal liefert, welches ein Maß für die Amplitude der zu detektierenden Ultraschallwelle ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31, 32) in einer Ebene vorzugsweise nebeneinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31, 32) aus piezoelektrischen Platten (71, 72) bestehen, die fluchtend aufeinandergestapelt sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (31, 32) in den Schaft einer Elektrode (6.1) zum Widerstandsschweißen integriert sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung der Ausgangsgrößen der Sensoren (31, 32) darin besteht, die quadrierten Einzelsignale zu addieren und/oder aus dem Summanden die Wurzel zu bilden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung der Ausgangsgrößen der Sensoren (31, 32) darin besteht, die Beträge der Einzelsignale zu addieren.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung der Ausgangsgrößen der Sensoren (31, 32) darin besteht, nur das jeweils größere der Einzelsignale der weiteren Verarbeitung zuzuführen.
0.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Prozesssteuerung oder Prozessüberwachung beim Widerstandsschweißen.
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