DE102005031750A1

DE102005031750A1 - Verfahren zur Online-Prüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweissen erzeugten Schweisspunkts

Info

Publication number: DE102005031750A1
Application number: DE200510031750
Authority: DE
Inventors: Werner Roye
Original assignee: GE Inspection Technologies GmbH; Nadex Co Ltd
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH; Nadex Co Ltd
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-18

Abstract

Gegenstand der Anmeldung ist ein Verfahren zur Online-Prüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts 2 zwischen zwei beschichteten Blechen 3 mittels Ultraschall. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: DOLLAR A a) Erzeugen einer Folge von Ultraschallpulsen, die einen transversal polarisierten Anteil aufweisen, DOLLAR A b) Durchschallen des zu prüfenden, mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts 2 mit der Folge von Ultraschallpulsen während der Erzeugung des Schweißpunkts 2, und DOLLAR A c) Empfangen der Folge von Ultraschallpulsen nach dem Durchtritt der Ultraschallpulse durch den Schweißpunkt 2. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Anmeldung eine Vorrichtung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Onlineprüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts zwischen zwei beschichteten Blechen mittels Ultraschall sowie eine Vorrichtung zur Onlineprüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts zwischen zwei beschichteten Blechen, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Eine in der technischen Anwendung häufig verwendete Methode zum Verbinden von elektrisch leitfähigen Blechen besteht in der Erzeugung eines die plan aufeinander liegenden Bleche verbindenden Schweißpunkts mittels elektrischem Widerstandschweißen. Hierzu werden auf die zu verschweißenden Bleche oberseitig und unterseitig Elektroden aufgesetzt und diese mit einem hohen Schweißstrom beaufschlagt. Der Schweißstrom fließt über die zwischen den Elektroden angeordneten Bleche und erhitzt diese lokal. Bei geeigneter Verfahrensführung schmelzen die aufeinander liegenden Bleche in ihrem Kontaktbereich lokal auf, wobei sich eine Schweißlinse aus flüssigem Blechmaterial ausbildet. Hat diese Schweißlinse eine ausreichende Größe erreicht, wird der Schweißstrom abgeschaltet und die flüssige Schweißlinse erstarrt. Die erstarrte Schweißlinse ist bei erfolgreicher Verfahrensführung fest mit dem Materialgefüge beider zu verschweißender Bleche verbunden und stellt somit eine hochbelastbare mechanische Verbindung zwischen den Blechen dar.
Entsprechende Verfahren werden seit langer Zeit als Standardverfahren bei der Karosserieherstellung im Fahrzeugbau verwendet. Problematisch ist jedoch bis zum heutigen Tage die Prüfung solcher mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugter Schweißpunkte bereits während ihrer Erzeugung. Trotz vielfältiger Entwicklungsanstrengungen ist es bis zum heutigen Tage nicht gelungen, im Rahmen der Großserienfertigung solcher Schweißpunkte zuverlässig einsetzbare Verfahren zu entwickeln, die eine Qualitätskontrolle von Schweißpunkten bereits während ihrer Erstellung erlauben würden.

Anstelle einer solchen grundsätzlich wünschenswerten und im Folgenden als „Onlineprüfung" bezeichneten Prüfung der erzeugten Schweißpunkte während ihrer Erstellung wird bis zum heutigen Tage auf Offlineprüfverfahren zurückgegriffen, bei denen aus einer Vielzahl erzeugter Schweißpunkte zufällig einzelne Schweißpunkte herausgegriffen werden und einer Festigkeitsprüfung unterzogen werden. Beispielsweise aus der DE 102 305 87 desselben Anmelders sind eine Vielzahl von aus dem Stand der Technik bekannten und bis zum heutigen Tage gebräuchlichen Offlineprüfverfahren für mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugte Schweißpunkte bekannt.

Wie der DE 102 205 87 ebenfalls zu entnehmen ist, stellt sich insbesondere im modernen Fahrzeugbau ein weiteres Problem bei der Erzeugung von Schweißpunkten ein, da bei der Karosserieherstellung zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit in zunehmendem Maße auf beschichtete Stahlbleche zurückgegriffen wird. Eine weitere Verbreitung gefunden hat die Verwendung von Zinkbeschichteten Stahlblechen, bei denen eine wenig Mikrometer dicke Zinkschicht galvanisch oder mittels Feuerverzinkung beidseitig auf Stahlbleche aufgebracht wird. Bei der Erzeugung von Schweißpunkten zwischen zwei dergestalt beschichteten Stahlblechen mittels elektrischem Widerstandsschweißen tritt nunmehr aufgrund der unterschiedlichen Schmelzpunkte des Stahlblechs und der Zinkbeschichtung das Phänomen auf, dass beispielsweise bei fehlerhafter Verfahrensführung des Schweißvorgangs nur die aufeinander liegenden Zinkschichten der miteinander zu verschweißenden Stahlbleche aufschmelzen und sich eine nur aus Zink bestehende Schweißlinse zwischen den Stahlblechen ausbildet. Wird der Schweißstrom in einem solchen Zeitpunkt abgestellt, so verfestigt sich die aus Zink bestehende Schweißlinse, so dass sich eine mechanische Verbindung zwi schen den aufeinander liegenden verzinkten Stahlblechen über die erstarrte Zinkschweißlinse ergibt. Eine innige Materialverbindung zwischen den Stahlblechen selbst, die bei der Schweißpunkterstellung angestrebt wird, hat jedoch nicht stattgefunden. Dennoch weist der erstellte Schweißpunkt eine gewisse mechanische Belastbarkeit auf, da auch die erstarrte Zinkschweißlinse eine – wenn auch nur schwach belastbare – mechanische Verbindung zwischen den zu verbindenden beschichteten Stahlblechen darstellt. Das Auffinden eines solchen oftmals als „Zinkkleber" bezeichneten Schweißpunktes stellt eine besondere Herausforderung für die aus dem Stand der Technik bekannten Offlineprüfverfahren dar, da Ultraschallverfahren in der Regel nicht in der Lage sind, sicher zwischen einer Zinkschweißlinse und einer Stahlschweißlinse zu unterscheiden. Hier verbleibt oftmals nur eine zerstörende Prüfung des Schweißpunkts.

Das Problem der Onlineprüfung solcher mittels elektrischen Widerstandschweißen zwischen beschichteten Blechen erzeugter Schweißpunkte ist bis zum heutigen Tage ebenfalls praktisch nur unzureichend gelöst.

Der EP 0 284 177 A1 ist eine Vorrichtung für das elektrische Widerstandschweißen sowie ein Verfahren zum elektrischem Widerstandsschweißen zu entnehmen, welches prinzipiell auf einer Onlineprüfung des sich in der Erstellung befindlichen Schweißpunktes basiert. Es basiert auf der Durchschallung des Schweißpunkts während seiner Erzeugung mit einer Folge von Ultraschallpulsen. Hierzu sind in den Elektrodenkappen der vorgeschlagenen Schweißvorrichtung ein Ultraschallsendewandler sowie ein Ultraschallempfangswandler angeordnet. Die vom Ultraschallsendewandler ausgesandte schnelle Folge von Ultraschallpulsen wird in die zu verschweißenden Bleche eingekoppelt, durchtritt den Blechbereich, in dem sich die Schweißlinse ausbildet bzw. ausbilden soll und wird über die Elektrodenkappe der zweiten Elektrode in einen Ultraschallempfangswandler eingekoppelt. Zur Onlineüberprüfung des in der Erstellung befindlichen Schweißpunkts wird die beim Durchtritt durch die aufeinander liegenden Bleche auftretende Laufzeitverzögerung der Ultraschallpulse registriert. Da die Laufzeit eines Ultraschallpulses durch die aufeinander liegenden Bleche von der Schallgeschwindigkeit im Material abhängig ist und die Schallgeschwindigkeit im festen Blech deutlich höher ist als die Schallgeschwindigkeit in der flüssigen Schweißlinse, stellt die registrierte Änderung der Laufzeitverzögerung ein Maß für das Volumen der flüssigen Schweißlinse dar. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Endpunkt für das Schweißverfahren bestimmt werden, bei dem aufgrund der gemessenen Laufzeitverzögerung darauf geschlossen werden kann, dass sich eine flüssige Schweißlinse mit ausreichendem Volumen zwischen den zu verbindenden Blechen ausgebildet hat. Wird die vorgegebene Laufzeitverzögerung erreicht, wird der Schweißstrom abgestellt. Das aus der EP 0 284 177 A1 bekannte Verfahren konnte sich nach Kenntnis des Anmelders jedoch noch im praktischen Einsatz nicht durchsetzen, so dass eine Onlineprüfung von mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkten bis zum heutigen Tage im großtechnischen Einsatz nicht durchgeführt wird. Auch lässt sich das Verfahren in der aus der EP 0 284 177 A1 ersichtlichen Form nicht auf die Schweißpunktprüfung bei beschichten Blechen erweitern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem eine Ultraschallprüfung von mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkten zwischen beschichten Blechen, insbesondere verzinkten Stahlblechen bereits während ihrer Erstellung möglich ist. Darüber hinaus ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, welche die Onlineprüfung von mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkten bereits während ihrer Erstellung ermöglicht, die zwischen beschichteten Blechen erzeugt werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 sowie durch Vorrichtungen gemäß der unabhängigen Ansprüche 7 und 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Onlineprüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts zwischen zwei beschichteten Blechen, welches auf Ultraschall basiert, weist in einer ersten Ausprägung die folgenden Verfahrensschritte auf:

a. Erzeugen einer Folge von Ultraschallpulsen, die einen transversal polarisierten Anteil aufweisen,
b. Durchschallen des zu prüfenden mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts mit der Folge von Ultraschallpulsen während der Erzeugung des Schweißpunkts,
c. Empfangen der Folge von Ultraschallpulsen nach dem Durchtritt der Ultraschallpulse durch den Schweißpunkt, und
d. zeitlich aufgelöstes Erfassen der Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen durch den Schweißpunkt während der Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts.

In einer äquivalenten Abwandlung des vorgenannten Verfahrens weist dieses die folgenden Verfahrensschritte auf:

a. Erzeugen einer Folge von Ultraschallpulsen die einen transversal polarisierten Anteil aufweisen,
b. Reflektion der Folge von Ultraschallpulsen am zu prüfenden, mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkt während der Erzeugung des Schweißpunkts,
c. Empfangen der Folge von Ultraschallpulsen nach der Reflektion der Ultraschallpulse am Schweißpunkt, und
d. zeitlich aufgelöstes Erfassen der Änderung der Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen am Schweißpunkt während der Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts.

Die erfindungsgemäßen Verfahren erlauben es erstmals, bei der Erzeugung eines Schweißpunkts zwischen zwei beschichteten Blechen mittels elektrischen Widerstandsschweißen die Ausbildung des Schweißpunkts online zu überwachen. Die Erfassung der Transmission bzw. Reflektion des transversal polarisierten Anteils der eingeschallten Ultraschallpulse erlaubt eine zuverlässige und reproduzierbare Beurteilung des erzeugten Schweißpunkts bereits während seiner Erstellung, so dass beispielsweise die Ausbildung eines Zinkklebers mit sehr guter Genauigkeit erkannt und ggf. durch geeignete Anpassung der Schweißparameter verhindert werden kann. Zumindest ist es möglich, die Ausbildung eines Zinkklebers mit guter Sicherheit zu erkennen und diese ggf. durch die Erzeugung eines in der Nähe angeordneten weiteren Schweißpunkts aufzufangen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich transversal und longitudinal polarisierte Ultraschallpulse in flüssigen Medien unterschiedlich ausbreiten. Ein longitudinal polarisierter Ultraschallpuls, der eine Kompressionswelle darstellt, erfährt beim Übergang von einem festen zu einem flüssigen Medium nur eine Änderung der Schallgeschwindigkeit, was zu Laufzeitverzögerung und – bei schräger Einschallung – zu Brechungseffekten führen kann.

Ein transversal polarisierter Ultraschallpuls hingegen stellt eine Scherwelle dar. Eine Scherwelle breitet sich in einem festen Medium ähnlich aus wie eine Kompressionswelle. Eine Ausbreitung in einem flüssigen Medium hingegen ist im Falle der Scherwelle aufgrund des verschwindenden Schermoduls der Flüssigkeit unmöglich.

Erfasst man nun die Transmission oder die Reflektion des transversal polarisierten Anteils einer Folge von Ultraschallpulsen beim Durchgang durch eine sich ausbildende Schweißlinse, so wird beim Auftreten der flüssigen Schweißlinse die Transmission einen starken Einbruch erfahren und die Reflektion eine sehr starke Zunahme. Die Stärke und Dauer des Transmissionseinbruchs bzw. die Stärke und Dauer der Reflektionszunahme zeigen somit die Ausbildung einer flüssigen Schweißlinse zwischen den zu verbindenden beschichteten Blechen an. Bei geeigneter Verfahrensführung ist es hier insbesondere möglich, das Aufschmelzen der aufeinander liegenden Oberflächenschichten der beschichteten Bleche unter Ausbildung einer ersten Schweißlinse bei niedriger Temperatur, das Verdrängen dieser ersten Schweißlinse aufgrund des Anpressdrucks der Schweißelektroden sowie das Ausbilden einer zweiten Schweißlinse zwischen den miteinander zu verbindenden Blechkernen zeitlich aufgelöst zu erfassen. Dies kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Ausbildung eines Zinkklebers zwischen zinkbeschichteten Stahlblechen zu erkennen.

Die erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich vorteilhaft dahingehend weiterentwickeln, dass die zeitaufgelöste erfasste Änderung der Transmission bzw. Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen durch bzw. am Schweißpunkt dahingehend analysiert wird, ob ein erster und ein zweiter Einbruch in der Transmission oder ob eine erste und eine zweite Zunahme in der Reflektion auftreten. Diese Weiterentwicklung bietet besondere Vorteile in einer Situation, in der das Material des Blechkerns einen anderen Schmelzpunkt aufweist als das Material der Oberflächenbeschichtung. Ein Beispiel hierfür sind wiederum zinkbeschichtete Stahlbleche. Der Schmelzpunkt von Zink liegt im Bereich von etwa 470 °C, der Schmelzpunkt des Stahlkerns liegt im Bereich von etwa 1.450 °C. Die Analyse gemäß der vorstehend genannten Weiterbildung erlaubt es, das Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials und das Aufschmelzen des Kernmaterials deutlich voneinander zu unterscheiden, was vorteilhaft zur Beurteilung der Qualität des erstellten Schweißpunkts herangezogen werden.

Die vorstehend genannte Weiterentwicklung lässt sich noch verbessern, wenn bei Auftreten eines zweiten Minimums in der Transmission bzw. eines zweiten Maximums in der Reflektion die zeitliche Dauer des Transmissionsminimums bzw. die zeitliche Dauer des Reflektionsmaximums erfasst werden. Die Dauer von Minimum oder Maximum können – ggf. unter geeigneter Berücksichtigung des anliegenden Schweißstroms sowie weiterer Materialparameter wie der Dicke der zu verschweißenden Bleche – zur Ermittlung der räumlichen Abmessungen der sich ausbildenden Schweißlinse aus dem Kernmaterial der zu verschweißenden Bleche herangezogen werden. Gegebenfalls ist auch die Erfassung der zeitlichen Dauer des ersten Transmissionsminimums bzw. des ersten Reflektionsmaximums vorteilhaft.

Das Verfahren lässt sich nochmals verbessern, wenn neben der Dauer des ersten und zweiten Transmissionsminimums bzw. des ersten und zweiten Reflektionsmaximums auch die Stärke des zweiten Transmissionseinbruchs bzw. der zweiten Reflektionszunahme erfasst wird. So deutet beispielsweise ein geringerer Einbruch der Transmission bzw. eine geringere Erhöhung der Reflektion auf die Ausbildung einer flüssigen Schweißlinse mit verringertem Durchmesser und somit auch verringerter Belastbarkeit hin.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die erzeugten Ultraschallpulse neben dem transversal polarisierten Anteil auch einen longitudinal polarisierten Anteil auf. Erfindungsgemäß wird nun zusätzlich die Änderung der Laufzeitverzögerung des longitudinal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen beim Durchgang durch den zu prüfenden Schweißpunkt zeitlich aufgelöst erfasst. Die Änderung der auftretenden Laufzeitverzögerung beim Durchgang durch den in Erzeugung befindlichen Schweißpunkt stellt ebenfalls ein Maß für die Ausdehnung der sich ausbildenden flüssigen Schweißlinse dar und kann somit vorteilhaft ergänzend zur Beurteilung der Qualität des erzeugten Schweißpunktes herangezogen werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts durch Anlegen eines Schweißstroms zum Zeitpunkt T₀ eingeleitet und durch Abschalten des Schweiß- stroms zum Zeitpunkt T_E beendet. Besondere Vorteile bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich, wenn die Erfassung der Änderung der Transmission bzw. Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen durch den bzw. am Schweißpunkt vor dem Zeitpunkt T₀ begonnen wird und über den Zeitpunkt T_E hinaus fortgesetzt wird. Wird zusätzlich noch die Änderung der Transmission des longitudinal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen durch den zu prüfenden Schweißpunkt erfasst, so wird auch hier die Erfassung vorteilhaft vor dem Zeitpunkt T₀ begonnen und über den Zeitpunkt T_E hinaus fortgesetzt. Auf diese Weise ist es möglich, das erfasste Ultraschallsignal mit dem Verlauf des Schweißstroms zu korrellieren und hierüber weitere Einblicke in den ablaufenden Schweißvorgang zu gewinnen.

Eine erfindungsgemäße erste Vorrichtung zur Onlineprüfung eines mittels elektrischen Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts zwischen zwei beschichteten Blechen weist die folgenden Merkmale auf:

a. Eine erste Schweißelektrode mit einem ersten Elektrodenschaft und einer auswechselbaren ersten Elektrodenkappe,
b. einer zweiten Schweißelektrode mit einem zweiten Elektrodenschaft und einer auswechselbaren zweiten Elektrodenkappe,
c. einen Ultraschallsendewandler, der dazu vorgesehen ist, eine Folge von Ultraschallpulsen abzugeben, welche jeweils einen transversal polarisierten Anteil aufweisen, und
d. einen Ultraschallempfangswandler, der dazu vorgesehen ist, die vom Ultraschallsendewandler abgegebene Folge von Ultraschallpulsen zu empfangen, wobei der Ultraschallsendewandler und der Ultraschallempfangswandler so ausgebildet sind, dass ein vom Ultraschallsendewandler abgegebener Ultraschallpuls über die erste Schweißelektrode durch den zwischen den beschichteten Blechen erzeugten Schweißpunkt hindurch über die zweite Schweißelektrode zum Ultraschallempfangswandler gelangen und von diesem empfangen werden kann,
e. eine Auswerteeinheit, die mit dem Ultraschallsendewandler und dem Ultraschallempfangswandler verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, die Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils der Folge der vom Ultraschallsendewandler erzeugten Ultraschallpulse durch den Schweißpunkt während der Erzeugung des Schweißpunktes zeitaufgelöst zu erfassen.

Eine äquivalente Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:

a. Eine erste Schweißelektrode mit einem ersten Elektrodenschaft und einer auswechselbaren ersten Elektrodenkappe,
b. eine zweite Schweißelektrode,
c. einen Ultraschallsendewandler, der dazu vorgesehen ist, eine Folge von Ultraschallpulsen abzugeben, welche ein transversal polarisierten Anteil aufweisen, und einen Ultraschallempfangswandler, der dazu vorgesehen ist, die vom Ultraschallsendewandler abgegebene Folge von Ultraschallpulsen zu empfangen, wobei der Ultraschallsendewandler und der Ultraschallempfangswandler so ausgebildet sind, dass ein vom Ultraschallsendewandler abgegebener Ultraschallpuls über die erste Schweißelektrode zum zwischen den beschichteten Blechen erzeugten Schweißpunkt gelangen und an diesem zumindest teilweise reflektiert werden kann, wobei der reflektierte Anteil nachfolgend über die erste Schweißelektrode zum Ultraschallempfangswandler zurückgelangen und von diesem empfangen werden kann,
d. eine Auswerteeinheit, die mit dem Ultraschallempfangswandler verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, die Änderung der Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Folge der vom Ultraschallsendewandler erzeugten Ultraschallpulse am Schweißpunkt während der Erzeugung des Schweißpunkts zeitaufgelöst zu erfassen.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglichen es, das erfindungsgemäße Verfahren in seinen beiden Ausprägungen durchzuführen, in dem sie eine solche Anordnung von Schweißelektroden, Ultraschallsendewandler und Ultraschallempfangswandler sowie eine geeignete Auswerteeinheit bereitstellen, dass die gezielte Erfassung der Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils einer Folge von Ultraschallpulsen durch den zu prüfenden Schweißpunkt während seiner Erzeugung oder die zeitaufgelöste Erfassung der Änderung der Reflektion des transversal polarisierten Anteils einer Folge von Ultraschallpulsen am zu prüfenden Schweißpunkt während seiner Erzeugung möglich ist.

Auf besonders einfache Weise lässt sich dies erzielen, wenn der erfindungsgemäß vorgesehene Ultraschallsendewandler so an der ersten Schweißelektrode angeordnet ist, dass ein vom Ultraschallsendewandler erzeugter Ultraschallpuls unmittelbar in die erste Elektrodenkappe eingekoppelt wird. Dies lässt sich beispielsweise realisieren, in dem die erste Elektrodekappe eine plane Innenfläche aufweist, und der Ultraschallsendewandler zur Einkopplung des erzeugten Ultraschallpulses in die erste Elektrodenkappe unmittelbar an der planen Innenfläche angeordnet wird.

Soll die Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils einer Folge von Ultraschallpulsen durch den zu prüfenden Schweißpunkt während seiner Erzeugung erfasst werden, so ergeben sich besondere Vorteile, wenn der Ultraschallempfangswandler ebenfalls so angeordnet wird, dass ein in die entgegengesetzt angeordnete zweite Elektrodenkappe transmittierter Ultraschallpuls unmittelbar in den Ultraschallempfangswandler ausgekoppelt wird. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass die zweite Elektrodenkappe ebenfalls ei ne plane Innenfläche ausbildet, und der Ultraschallempfangswandler zur Auskopplung des durch den zu prüfenden Schweißpunkt transmittierten Ultraschallpulses aus der zweiten Elektrodenkappe unmittelbar an der planen Innenfläche angeordnet wird. Typische Schallfrequenzen der eingeschallten Ultraschallpulse liegen im Fall der Transmissionsgeometrie im Bereich von 0,1 bis 10 MHz, bevorzugt zwischen 1 und 5 MHz. Bewährt hat sich insbesondere eine Schallfrequenz von 2 MHz, dies z.B. bei der Online-Prüfung von Punktverschweißungen zwischen verzinkten Stahlblechen mit einer Dicke von 0,7 Millimetern.

Soll hingegen die Reflektion des transversal polarisierten Anteils einer Folge von Ultraschallpulsen am zu prüfenden Schweißpunkt während seiner Erzeugung zeitaufgelöst erfasst werden, so ergeben sich besondere Vorteile, wenn der Ultraschallsendewandler wie vorstehend bereits erwähnt angeordnet wird. Der Ultraschallempfangswandler wird so an der ersten Schweißelektrode angeordnet (in die der Ultraschallsendewandler die Folge von Ultraschallpulsen einschallt), dass der am zu prüfenden Schweißpunkt reflektierte transversale Anteil der Pulsfolge unmittelbar aus der ersten Elektrodenkappe ausgekoppelt wird. Dies lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass auch der Ultraschallempfangswandler auf der planen Innenfläche der ersten Elektrodenkappe angeordnet wird. Insbesondere kann in dieser Ausgestaltung der Ultraschallempfangswandler auch mit dem Ultraschallsendewandler identisch sein. Typische Schallfrequenzen der eingeschallten Ultraschallpulse liegen im Fall der Reflektionsgeometrie im Bereich von 5 bis 50 MHz, bevorzugt zwischen 15 und 25 MHz. Bewährt hat sich insbesondere eine Schallfrequenz von 20 MHz. Die minimale mögliche Schallfrequenz ist hier im Wesentlichen durch die Dimensionen der zu verschweißenden Bleche begrenzt, da die Wellenlänge der Ultraschallpulse in der Regel gleich oder kleiner als die aufzulösenden Abmessungen sein sollte. Die maximale Schallfrequenz ist in der Regel durch die elektroakustischen Eigenschaften der Sendewandler sowie durch einsetzende Interferenzerscheinungen begrenzt.

Die Anordnung von Ultraschallsendewandler bzw. Ultraschallempfangswandler unmittelbar an den Elektrodenkappen, insbesondere an planen Innenflächen der jeweiligen Elektrodenkappen, kombiniert mit der Erfassung nur der Änderung der Transmission bzw. Reflektion des transversalen Anteils einer Folge von Ultraschallpulsen führt dazu, dass die im praktischen Einsatz einer elektrischen Punkt schweißmaschine im Rahmen einer großtechnischen Fertigung unweigerlich auftretende Abnutzung der Elektroden und deren regelmäßiger Austausch praktisch keinen Einfluss auf das Ergebnis der durchgeführten Onlineprüfung hat.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß beider vorstehend beschriebener Ausprägungen sind die relevanten Elektrodenkappen bezüglich ihrer Ultraschallführungseigenschaften dergestalt ausgebildet, dass ein in einer Elektrodenkappe propagierender transversal polarisierter Ultraschallpuls im Wesentlichen keine Transformation in ein longitudinal polarisierten Ultraschallpuls erfährt. Dies kann z.B. durch geeignete Formgebung der Elektrodenkappen sichergestellt werden. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt werden.

Beim elektrischen Widerstandschweißen tritt zwar im Wesentlichen nur eine punktuelle Erwärmung der zu verschweißenden elektrisch leitfähigen Bleche ein, jedoch tritt zumindest beim Einsatz solcher Maschinen in der großtechnischen Fertigung ebenfalls eine deutliche Erwärmung der Schweißelektroden auf. Diese wird bei kommerziell erhältlichen Maschinen für das elektrische Widerstandsschweißen kompensiert, indem die Schweißelektroden hohl ausgeführt und ständig von einem Kühlmittel durchströmt werden. Um nun eine thermische Schädigung des erfindungsgemäß vorzusehenden Ultraschallsendewandlers und/oder des Ultraschallempfangswandlers zu vermeiden, werden der Ultraschallsendewandler und/oder der Ultraschallempfangswandler in einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen so an den Schweißelektroden angeordnet, dass der Ultraschallsendewandler und/oder der Ultraschallempfangswandler ebenfalls vom Kühlmittel gekühlt werden. Insbesondere können der Ultraschallsendewandler und/oder der Ultraschallempfangswandler unmittelbar im Kühlmittel durchströmten Hohlraum im Inneren der Schweißelektroden angeordnet werden, so dass der Ultraschallsendewandler und/oder der Ultraschallempfangswandler ständig vom Kühlmittel umströmt werden.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung von Ultraschallsendewandler und Ultraschallempfangswandler an den Elektrodenkappen von hohl ausgeführten Schweißelektroden ergibt sich beispielsweise aus der in der Einleitung bereits erwähnten EP 0 284 177 . Die dort offenbarte vorgespannte Anordnung von Ultra schallsendewandler und Ultraschallempfangswandler im Inneren der kühlmitteldurchströmten Schweißelektroden, wobei Ultraschallsendewandler und Ultraschallempfangswandler auf plane Innenflächen der Elektrodenkappen aufgedrückt werden, wird durch diese Bezugnahme ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist der Ultraschallsendewandler zur Erzeugung von Ultraschallpulsen eingerichtet, die jeweils ein transversal polarisierten Anteil S_T und ein longitudinal polarisierten Anteil S_L aufweisen. Die Auswerteeinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, die Transmission des transversal polarisierten Anteils S_T und die Laufzeitverzögerung der longitudinal polarisierten Anteils S_L der Folge von Ultraschallpulsen durch den Schweißpunkt während seiner Erzeugung getrennt voneinander aufgelöst zu erfassen.

Wird hingegen auf die Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Pulsfolge abgestellt, so ist die Auswerteeinheit bevorzugt dazu eingerichtet, die Reflektion des transversal polarisierten Anteils S_T am zum prüfenden Schweißpunkt und die Laufzeitverzögerung des longitudinal polarisierten Anteils S_L der Folge von Ultraschallpulsen durch den zu prüfenden Schweißpunkt getrennt voneinander zeitaufgelöst zu erfassen. In diesem Fall ist vorteilhaft an derjenigen Schweißelektrode, in die die vom Ultraschallsendewandler erzeugte Pulsfolge eingeschallt wird, ein erster Ultraschallempfangswandler zur Erfassung der reflektierten transversalen Anteile angeordnet, und in der anderen Schweißelektrode ist ein zweiter Ultraschallempfangswandler angeordnet, um die Laufzeitverzögerung des longitudinal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen bei ihrem Durchtritt durch den zu prüfenden Schweißpunkt zu erfassen.

Schließlich wird in einer alternativen Weiterbildung ein erster Ultraschallsendewandler an der ersten Schweißelektrode angeordnet, der dazu eingerichtet ist, transversal polarisierte Ultraschallpulse abzugeben („Trans-Wandler"). In der zweiten Schweißelektrode wird ein Ultraschallempfangswandler angeordnet, der dazu eingerichtet ist, die vom „Trans-Wandler" abgegebenen transversal polarisierten Ultraschallpulse zu empfangen. Basierend auf dem Trans-Wandler und dem zugehörigen Empfangswandler wird die vorstehend beschriebene erfin dungsgemäße Vorrichtung realisiert sowie das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt. Zusätzlich wird nun an der zweiten Schweißelektrode ein zweiter Ultraschallsendewandler angeordnet, der dazu eingerichtet ist, longitudinal polarisierte Ultraschallpulse abzugeben („Long-Wandler"). Die vom Long-Wandler abgegebenen longitudinal polarisierten Ultraschallpulse durchqueren nun den in der Erstellung befindlichen Schweißpunkt in entgegen gesetzter Richtung zur Laufrichtung der transversal polarisierten Ultraschallpulse und gelangen zum Trans-Wandler. Im Trans-Wandler erzeugen die longitudinal polarisierten Ultraschallpulse des Long-Wandlers ein elektrisches Signal, welches nur eine geringe Amplitude aufweist, da der Trans-Wandler nicht auf die Umwandlung von longitudinal polarisierten Ultraschallpulsen in elektrische Signale optimiert ist. Aufgrund der hohen Transmission der longitudinal polarisierten Ultraschallpulse durch den zu prüfenden Schweißpunkt ist die Empfindlichkeit des Trans-(Sende-)Wandlers für longitudinal polarisierte Ultraschallpulse dennoch hoch genug, um ein auswertbares elektrisches Signal für die Bestimmung der Laufzeitverzögerung der longitudinal polarisierten Ultraschallpulse beim Durchqueren des Schweißpunkts z.B. für die Bestimmung (der Änderung) der Schallgeschwindigkeit in der sich ausbildenden Schweißlinse liefern zu können. Auf diese Weise lassen sich mit einem Trans-Sendewandler und einem Long-Sendewandler sowie nur einem Trans-Empfangswandler gleichzeitig die Änderung der Transmission der transversal polarisierten Ultraschallpulse sowie die Laufzeitverzögerung der longitudinal polarisierten Ultraschallpulse durch den zu prüfenden Schweißpunkt bestimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nunmehr folgenden Ausführungsbeispielen, die anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:
1: einen Schnitt durch die Schweißelektroden einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung von mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkten zwischen beschichteten Blechen,
2a bis 2d: eine schematische Darstellung der Vorgänge bei der Erzeugung eines Schweißpunkt mittels elektrischer Widerstandsschweißen zwischen beschichteten Blechen in zeitlicher Abfolge,
3: ein Diagramm, in dem exemplarisch der Verlauf verschiedener bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren gewonnener Messwerte zeitlich aufgelöst dargestellt ist,
4: ein Diagramm, in dem der Verlauf der Transmission für transversal polarisierte Ultraschallpulse durch den in Erzeugung befindliche Schweißpunkt zeitlich aufgelöst dargestellt ist,
5a bis 5c: Diagramme gemäß 3 für drei verschiedene Schweißpunkte, die unter Anwendung unterschiedlicher Schweißströme erzeugt wurden,
6a bis 6c: metallographische Schnittbilder von Schweißpunkten, welche mittels der Schweißvorgänge gemäß der 5a bis 5c hergestellt wurden, gewonnen mittels Lichtmikroskopie,
7: ein empirisch ermitteltes Diagramm, welches die Bestimmung des Schweißlinsendurchmessers anhand von Ultraschallmessgrößen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt, und
8: ein empirisch gewonnenes Diagramm, in welchem der Zusammenhang zwischen der Schweißlinsenfläche bzw. des Schweißlinsenvolumens und weiteren Messgrößen des erfindungsgemäßen Online-Messverfahrens dargestellt ist.
In 1 ist dargestellt, wie zwei beschichtete Bleche 3 mit einer Maschine zur Erzeugung von Schweißpunkten mittels galvanischem Widerstandsschweißen verschweißt werden. Eine solche Maschine, die aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt ist und daher in 1 nicht im Detail gezeigt ist, weist eine erste Schweißelektrode 10 und eine zweite Schweißelektrode 20 auf, die jeweils einen ersten/zweiten Elektrodenschaft 12/22 und eine auswechselbare erste/zweite Elektrodenkappe 14/24 aufweisen. Die Elektrodenschäfte 12/22 weisen einen beispielsweise zylindrischen Querschnitt auf und sind als Hohlschäfte ausgebildet. Die auswechselbaren Elektrodenkappen 14/24 sind mittels an sich bekannter Verfahren auf den zugehörigen Elektrodenschäften 12/22 festgelegt, beispielsweise mittels Konus-Presssitz.
Mindestens einer der Schweißelektroden 10, 20 ist in Längsrichtung beweglich, so dass zwischen die Elektrodenkappen 14, 24 ein Stapel aus beispielsweise zwei Metallblechen 3 zur Erzeugung eines Schweißpunktes 2 geführt werden kann. Zur Ausbildung des Schweißpunktes 2 werden die ersten Schweißelektrode 10 und die zweite Schweißelektrode 20 jeweils gegen die Bleche 3 geführt, bis sich ein flächiger Kontakt zwischen den Elektrodenkappen 14, 24 und den jeweils angrenzenden Metallblechen 3 ergibt. Durch Anlegen eines Schweißstroms an die Schweißelektroden 10, 20 ergibt sich eine galvanische Aufheizung der Metallbleche 3 im zwischen den aufgedrückten Elektrodenkappen 14, 24 eingeschlossenen Bereich.
Um eine übermäßige thermische Belastung der Schweißelektroden 10, 20 zu vermeiden, werden die Schweißelektroden 10, 20 mittels Durchfluss eines Kühlmittels durch die jeweiligen Elektrodenschäfte 12, 22 intensiv gekühlt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Kühlmittel über eine mittig angeordnete erste und zweite Kühlmittelzuführung 60, 70 zugeführt. Aufgrund der intensiven Kühlung der Schweißelektroden 10, 20 sowie der Geometrie des sich ausbildenden Strompfades durch die zu verschweißenden Bleche 3 ergibt sich eine maximale Erwärmung der Bleche 3 im Bereich ihres Berührpunktes mit dem jeweils benachbarten Blech 3. Bei fortgesetzter Anlegung eines Schweißstroms führt diese Erwärmung zum Aufschmelzen der Metallbleche 3 nebst eventuell aufgebrachter Oberflächenbeschichtungen und somit zur Ausbildung einer flüssigen Schweißlinse 90.
Erfindungsgemäß ist nun in der ersten Elektrodenkappe 14 der ersten Schweißelektrode 10 ein Ultraschallsendewandler 30 angeordnet, der dazu vorgesehen ist, eine Folge von Ultraschallpulsen abzugeben, welche einen transversal polarisierten Anteil aufweisen. Hierzu weist die obere Elektrodenkappe 14, welche einen im wesentlich zylindrischen Querschnitt hat, eine plane Innenfläche 16 auf. An dieser planen Innenfläche 16 unmittelbar angrenzend ist der Ultraschallsendewandler 30 angeordnet, dergestalt, dass die vom Ultraschallsendewandler 30 erzeugten transversal polarisierten Ultraschallpulse über die plane Innenfläche 16 in die Elektrodenkappe 14 eingekoppelt werden. Um eine gute Ankopplung der vom Ultraschallsendewandler 30 erzeugten Ultraschallpulse an die Elektrodenkappe 14 sicherzustellen, wird der Ultraschallsendewandler 30 mittels einer Druckfeder 32 gegen die Elektrodenkappe 14 vorgespannt. Dabei stützt sich die Druckfeder 32 rückseitig über einen Stützring 34 am ersten Elektrodenschaft 12 der ersten Schweißelektrode 10 ab. Selbstverständlich sind auch andere Montagearten des Ultraschallsendewandlers 30 möglich, der z.B. auch mittels Verkleben oder Verlöten an der planen Innenfläche 16 festgelegt werden kann.
Der Ultraschallsendewandler 30 ist über eine Zuleitung 36 mit einer externen Steuerungseinheit 80 verbunden, die u.a. dazu eingerichtet ist, die zur Ansteuerung des Ultraschallsendewandlers 30 erforderlichen Steuersignale (beispielsweise geeignete Hochspannungspulse) zu erzeugen.
In analoger Weise ist die zweite Elektrodenkappe 24 der zweiten Schweißelektrode 20 ausgebildet, an deren plane Innenfläche 26 unmittelbar angrenzend ein Ultraschallempfangswandler 40 angeordnet ist. Der Ultraschallempfangswandler 40 wird wiederum mittels einer Druckfeder 42, die sich über einen Stützring 44 am zweiten Elektrodenschaft 22 abstützt, gegen die plane Innenfläche 26 vorgespannt. Der Ultraschallempfangswandler 40 ist über eine Messleitung 46 mit der externen Steuerungseinheit 80 verbunden.
In der gezeigten Anordnung treten die vom Ultraschallsendewandler 30 in kurzer Folge erzeugten Ultraschallpulse über die plane Innenfläche 16 in die erste Elektrodenkappe 14 ein, werden in das obere zu verschweißende Blech eingekoppelt, treten in das untere zu verschweißende Blech 3 über, wobei sie den Bereich durchqueren, in dem sich der Schweißpunkt 2 ausbildet, insbesondere die sich ausbildende Schweißlinse 90, werden aus dem unteren Blech 3 in die untere Elektrodenkappe 24 ausgekoppelt und treten über die plane Innenfläche 26 in den Ultraschallempfangswandler 40 ein.
Teil der externen Steuerungseinheit 80 ist eine Auswerteeinheit 50, die dazu vorgesehen ist, die Änderung der Transmission des transversalen polarisierten Anteils der Folge der vom Ultraschallsendewandler erzeugten Ultraschallpulse durch den Schweißpunkt 2 zwischen den Blechen 3 während der Erzeugung des Schweißpunktes 2 zeitaufgelöst zu erfassen.
In einer ersten Ausgestaltung ist der Ultraschallsendewandler 30 dazu eingerichtet, im Wesentlichen nur transversal polarisierte Ultraschallpulse mit hoher Pulsfolgefrequenz zu erzeugen.
In einer alternativen Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, den Ultraschallsendewandler 30 so auszugestalten, dass die von ihm mit hoher Pulsfolgefrequenz erzeugten Ultraschallpulse sowohl einen transversal polarisierten Anteil als auch einen longitudinal polarisierten Anteil aufweisen. Insbesondere im letzteren Fall ist es ohne besondere Einrichtung des Ultraschallempfangswandlers 40 möglich, die Transmission des transversal polarisierten Anteils der Ultraschallpulse mittels der Auswerteeinheit 50 zu erfassen. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Ultraschallpulse hinreichend kurz sind und die Auswerteeinheit 50 das vom Ultraschallempfangswandler 40 empfangene Ultraschallsignal mit sehr hoher zeitlicher Auflösung abtastet. Beim Durchqueren des in Erzeugung befindlichen Schweißpunktes 2 tritt nämlich aufgrund der verschiedenen Schallgeschwindigkeiten für longitudinal und transversal polarisierte Ultraschallwellen eine zeitliche Auftrennung der Ultraschallpulse in einen transversalen Anteil und in einen longitudinalen Anteil auf. Typischerweise ist die Schallgeschwindigkeit für transversal polarisierte Schallwellen niedriger, sodass der transversal polarisierte Anteil eines Ultraschallpulses, der sowohl einen longitudinalen als auch einen transversalen Anteil aufweist, stets etwas später beim Empfangswandler 40 eintrifft als der longitudinal polarisierte Anteil. Ein ausreichendes zeitliches Auflösungsvermögen der Auswerteeinheit 50 erlaubt es bei hinreichend kurzen Pulsen daher, die Transmissions- bzw. Reflektionseigenschaften des in Erzeugung befindlichen Schweißpunktes 2 für transversal polarisierte und longitudinal polarisierte Ultraschallpulse getrennt voneinander zu erfassen und auszuwerten.
Die Bildsequenz der 2a bis 2d zeigt nunmehr modellhaft, welche Vorgänge bei der Erzeugung eines Schweißpunktes 2 zwischen zwei beschichteten Metallblechen 3 mittels elektrischem Widerstandsschweißen ablaufen. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit wurde darauf verzichtet, die Schweißelektroden der hierbei zum Einsatz kommenden Schweißmaschine zu zeigen. Vielmehr wird nur ein Schnitt durch die beiden Metallbleche 3 im Bereich des sich ausbildenden Schweißpunktes 2 gezeigt.
2a zeigt zwei aufeinander liegende verzinkte Stahlbleche 3, die mittels eines Schweißpunkts 2 miteinander verbunden werden sollen. Jedes Blech 3 weist einen Blechkern 4 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem geeigne ten Karosseriestahl besteht. Weiterhin ist jedes Blech 3 beidseitig mit einer Korrosionshemmenden Oberflächenbeschichtung 5 beispielsweise aus Zink versehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den zu verschweißenden beschichteten Blechen 3 um feuerverzinkte Stahlbleche für den Karosseriebau. Vor Beginn des Schweißvorgangs liegen die miteinander zu verschweißenden Stahlbleche 3 flächig aufeinander, so dass sich ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den aneinander grenzenden Oberflächenschichten 5, hier bestehend aus Zink, ausbildet.
2b zeigt nun schematisch denjenigen Bereich der zu verschweißenden Bleche 3, in dem sich der Schweißpunkt 2 bei Anlegen eines Schweißstroms an die oberseitig und unterseitig aufgesetzten Schweißelektroden 10, 20 ausbildet. Der angelegte hohe Schweißstrom (~1–10 kA) führt zu einer starken lokalen Erwärmung der Bleche 3, die im Wesentlichen auf denjenigen räumlichen Bereich eingegrenzt ist, der zwischen den aufgesetzten die Schweißelektroden 10 und 20 eingeschlossen ist. Die stärkste Erwärmung ergibt sich im Kontaktbereich zwischen den zu verschweißenden Blechen 3, da die außen liegenden Bereiche der zu verschweißenden Bleche 3 durch den mechanischen Kontakt mit den gekühlten Schweißelektroden 10, 20 selbst effektiv gekühlt werden.
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Verschweißung von feuerverzinkten Stahlblechen für den Karosseriebau weist das Material der aus Zink bestehenden Oberflächenbeschichtung 5 einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Materials des Blechkerns 4, welcher aus Karosseriestahl besteht. Zink weist einen Schmelzpunkt auf, der in der Größenordnung von 470 C° liegt, wogegen der verwendete Karosseriestahl einen Schmelzpunkt von über 1450 C° aufweist. Daher führt die starke lokale Aufheizung der zu verschweißenden Stahlbleche 3 zuerst zum lokalen Aufschmelzen der Oberflächenbeschichtungen 5 und zur Ausbildung einer Zinkschweißlinse 6, die aus 2b ersichtlich ist.
Da die Schweißelektroden 10, 20 der zum Einsatz kommenden Schweißmaschine mit höherem Anpressdruck auf die zu verschweißenden Bleche 3 aufgesetzt werden, der für die gesamte Dauer des Schweißvorgangs aufrechterhalten wird, wird ein starker mechanischer Druck auf die flüssige Zinkschweißlinse 6 ausgeübt, was letztlich eine Verdrängung des aufgeschmolzenen Zinks aus dem Bereich des sich ausbildenden Schweißpunkts 2 zur Folge hat. Dies ist in 2c gezeigt, in der die (auch für Zinkkleber) charakteristischen oberseitigen und unterseitigen Einprägungen im Bereich des erzeugten Schweißpunkts 2 für mittels elektrischem Widerstandschweißen erzeugte Schweißpunkte andeutet.
Wird der Schweißstrom weiter aufrechterhalten, so erhitzt sich das zwischen den Schweißelektroden 10, 20 gefangene Material der aufeinander liegenden Bleche 3 kontinuierlich weiter, bis lokal der Schmelzpunkt der nunmehr unmittelbar aufeinander liegenden Blechkerne 4 seinen Schmelzpunkt erreicht. Wird der Schmelzpunkt überschritten, so schmilzt das Material der Blechkerne 4 im Kontaktbereich zwischen den Blechen 3 lokal auf, d. h. es bildet sich eine flüssige Stahlschweißlinse 7 aus, deren Größe bei Aufrechterhalten des Schweißstroms kontinuierlich zunimmt. Ein optimaler Schweißvorgang wird dann realisiert, wenn die Stahlschweißlinse 7 in ihrem Durchmesser praktisch die Abmessungen der Kontaktflächen der Schweißelektroden 10, 20 mit den zu verschweißenden Blechen 3 erreicht hat. Bei Erreichen der optimalen Ausdehnung der Stahlschweißlinse 7 wird der anliegende Schweißstrom abgeschaltet, was zu einer raschen Abkühlung der zwischen den Schweißelektroden 10, 20 gefangenen Bleche 3 führt. Die flüssige Stahlschweißlinse 7 erstarrt unter Ausbildung eines in der Regel vom Gefüge der Blechkerne 4 abweichenden Materialgefüges. Der bei optimaler Verfahrensführung erzeugte Schweißpunkt 2 ist dann aus 2d ersichtlich. Die erstarrte Stahlschweißlinse 7 ist praktisch untrennbar mit beiden zu verschweißenden Blechen 3 verbunden.
3 zeigt nun den Verlauf verschiedener Ultraschallsignale, die bei der Erzeugung eines Schweißpunkts gemäß der Figurensequenz 2a bis 2d mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen zwei aufeinander liegenden feuerverzinkten Karosseriestahlblechen 3 gewonnen wurden. Als X-Achse ist die Zeit aufgetragen, wobei ein Intervall von 0,8 Sekunden dargestellt ist. Der Schweißstrom wird typischerweise über eine Dauer von 0,2 Sekunden aufrechterhalten, wobei mittels einer Regelung z.B. über eine Anpassung der Ausgangsspannung ein konstanter Strom von ca. 10 kA bei einer Spannung zwischen 0 und 2V eingestellt wird.
Der sich ausbildende Schweißpunkt 2 wird während seiner Erzeugung kontinuier lich mit einer Folge von kurzen Ultraschallpulsen hoher Wiederholrate durchschallt. Der hier zum Einsatz gekommene Ultraschallsendewandler 30 war dabei dazu ausgelegt, Ultraschallpulse mit einer Pulsfolgefrequenz in der Größenordnung von 1 bis 2 Kilohertz zu erzeugen. Typische Schallfrequenzen lagen hier im Bereich von 0,1 bis 10 Megahertz. Die tatsächliche Schallfrequenz im hier gezeigten Beispiel betrug 2 MHz bei einer Gesamtdicke der zu verschweißenden verzinkten Stahlbleche von jeweils etwa 0,7 Millimetern. Insgesamt ist in der Transmissionsgeometrie der Frequenzbereich von 1 bis 5 MHz besonders bevorzugt.
Die zuunterst gezeigte und mit C bezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der an den Schweißelektroden 10, 20 anliegenden Schweißspannung über der Zeit. Deutlich ist zu erkennen, dass zum Zeitpunkt 0 der Schweißstrom angelegt und zum Zeitpunkt 0,2 Sekunden abgeschaltet wurde.
Die mit B bezeichnete mittlere Kurve zeigt zeitlich aufgelöst den Verlauf der Transmissionsamplitude des transversal polarisierten Anteils der vom Ultraschallsendewandler 30 abgegebenen Pulsfolge. Der transversal polarisierte Anteil wurde dabei vom gleichzeitig vom Ultraschallsendewandler 30 erzeugten longitudinalen Anteil getrennt, indem der Ultraschallempfangswandler 40 und die nachgeschaltete Auswertungseinheit 50 mit der entsprechenden zeitlichen Auflösung betrieben wurden. Aufgrund der vorstehend bereits erwähnten Tatsache, dass die Schallgeschwindigkeit für transversal polarisierte und longitudinal polarisierte Ultraschallwellen verschieden sind, tritt beim Durchqueren des in Erzeugung befindlichen Schweißpunkts 2 eine zeitliche (und auch räumliche) Separation des longitudinalen polarisierten und des transversal polarisierten Pulsanteils auf. Da die Schallgeschwindigkeit der transversal polarisierten Ultraschallwellen unter der Schallgeschwindigkeit der longitudinal polarisierten Ultraschallwellen liegt, ist der zuerst beim Ultraschallempfangswandler 40 eintreffende Puls der longitudinal polarisierte Anteil und der nachfolgend eintreffende Puls der transversal polarisierte Anteil des vom Ultraschallsendewandler 30 abgegebenen Ultraschallpulses. Aufgrund der auftretenden zeitlichen Trennung beider Pulsanteile ist es möglich, beide Pulsanteile getrennt auszuwerten.
Noch einfacher ist die Trennung von transversal und longitudinal polarisierten Ultraschallpulsen in der in der Beschreibungseinleitung skizzierten Anordnung mit einem in verschiedenen Schweißelektroden angeordneten Trans- und Long-Sendewandlern und einem Trans-Empfangswandler, da die unterschiedlich polarisierten Ultraschallpulse hier in verschiedenen Laufrichtungen propagieren und von verschiedenen Empfangswandlern empfangen werden. Mithin stehen die elektrischen Signale von zwei getrennten Empfangswandlern zur Verfügung, die getrennt einer Auswertung zugeführt werden können.
Die Transmission des transversal polarisierten Pulsanteils weist nur bei Ausbildung eines optimalen Schweißpunkts 2 einen charakteristischen Verlauf auf. Dieser ist aus der mit B gekennzeichneten Kurve der 3 ersichtlich. Vor Anlegen der Schweißspannung weist die Transmission einen im Wesentlichen konstanten, verhältnismäßig niedrigen Wert auf, da der mechanische Kontakt zwischen den aufeinander liegenden Blechen 3 keine optimale Ankopplung des ersten Blechs 3 an das zweite Blech darstellt. Mit einsetzender Erwärmung der aufeinander liegenden Bleche 3 im Bereich des sich ausbildenden Schweißpunkts 2 tritt eine innigere mechanische Verbindung der Bleche 3 auf, welche von einer deutlichen Verbesserung der akustischen Ankopplung der Bleche 3 aneinander begleitet wird und somit zu einer deutlichen Zunahme der Transmission führt.
Beginnt jedoch die Zinkbeschichtung 4 aufzuschmelzen, so bricht die (transversale) Transmission durch den in Erzeugung befindlichen Schweißpunkt drastisch ein, da sich in der flüssigen Zinkschweißlinse 6 transversal polarisierte Ultraschallwellen nicht ausweiten können. Mit zunehmendem Durchmesser der Zinkschweißlinse nimmt daher die Transmission des transversal polarisierten Pulsanteils dramatisch ab.
Ist jedoch der Durchmesser der sich ausbildenden flüssigen Zinkschweißlinse 6 in der Größenordnung der Kontaktflächen der Schweißelektroden 10, 20 mit den zu verschweißenden Blechen 3, so führt der von den Elektroden 10, 20 auf die Bleche ausgeübte Druck zu einer Verdrängung des flüssigen Zinkmaterials aus dem Bereich des sich ausbildenden Schweißpunkts 2, was zu einer Verformung der Bleche 3 und einem In-Kontakt-gelangen der stählernen Blechkerne 4 der Bleche 3 führt. Gleichzeitig hiermit steigt die Transmission des transversal polarisierten Pulsanteils durch den in Erzeugung befindlichen Schweißpunkt 2 erneut drastisch an.
Wird der Schweißstrom weiterhin aufrechterhalten, so führt die fortgesetzte Aufheizung der Bleche 3 im Bereich des sich ausbildenden Schweißpunkts 2 zur Ausbildung einer flüssigen Stahlschweißlinse 7 im Kontaktbereich zwischen den zu verschweißenden Blechen 3. Die sich ausbildende flüssige Stahlschweißlinse 7 weist anfänglich eine kleine Querschnittsfläche relativ zur Kontaktfläche der Schweißelektroden 10, 20 mit den zu verschweißenden Blechen 3 auf, so dass nur eine gewisse Schwächung der Ultraschalltransmission für transversal polarisierte Ultraschallwellen auftritt. Die Transmission durch den Schweißpunkt 2 nimmt jedoch mit sich vergrößernder flüssiger Stahlschweißlinse 7 kontinuierlich ab und erreicht ein Minimum, sobald die Abmessungen der Stahlschweißlinse 7 im Bereich der Größe der Kontaktfläche der Schweißelektroden 10, 20 mit den zu verschweißenden Blechen 3 liegen. So lange die Stahlschweißlinse 7 flüssig ist, verharrt nun die Transmission für transversal polarisierte Ultraschallwellen im Bereich von 0. Nach Abschalten des Schweißstroms bei etwa 0,2 Sekunden tritt eine Rekristallisation der flüssigen Stahlschweißlinse 7 auf, die mit einer starken Erhöhung der Transmission für transversal polarisierte Ultraschallwellen durch den nunmehr vollständig ausgebildeten Schweißpunkt 2 einhergeht. Aufgrund der ordnungsgemäß ausgebildeten Stahlschweißlinse 7, welche praktisch untrennbar mit dem Materialgefüge der Blechkerne 4 der zu verbindenden Bleche 3 verbunden ist, ist nunmehr die Ultraschallankopplung der beiden zu verbindenden Bleche gegenüber dem Ausgangsniveau deutlich erhöht.
Das deutlich nach Abschalten des Schweißstroms auftretende, weniger klar ausgeprägte dritte Minimum der Ultraschalltransmission für transversal polarisierte Ultraschallwellen durch den Schweißpunkt 2 ist mit Re- und Umkristallisationseffekten in der sich verfestigenden Stahlschweißlinse 7 korreliert.
Die mit A bezeichnete Kurve des Diagramms der 3 zeigt schließlich den Verlauf der beim Durchgang durch den in Erzeugung befindlichen Schweißpunkt 2 auftretende Laufzeitverzögerung für longitudinale polarisierende Ultraschallpulse. Auch hier lassen sich die Ausbildung einer Zinkschweißlinse 6, die Verdrängung des aufgeschmolzenen Zinkmaterials aus dem Kontaktbereich zwischen den zu verbindenden Blechen 3 und nachfolgend die Ausbildung einer flüssigen Stahlschweißlinse 7 mit nachfolgender Rekristallisation im Kurvenverlauf identifizieren.
Der starke Anstieg der Laufzeit der longitudinal polarisierten Pulsanteile beim Durchgang durch den in Erzeugung befindlichen Schweißpunkt 2 nach Einschalten des Schweißstroms wird durch die Ausbildung einer flüssigen Zinkschweißlinse 6 zwischen den zu verbindenden Blechen 3 verursacht, da im flüssigen Zink eine deutliche Abnahme der Schallgeschwindigkeit auftritt.
Wird das flüssige Zink aus dem Kontaktbereich zwischen den Blechen 3 verdrängt, so nimmt die Laufzeitverzögerung kurzzeitig ab, da die Dicke der zu durchlaufenden flüssigen Zinkschicht abnimmt (Im gezeigten Diagramm kann der auftretende Einbruch der Laufzeitverzögerung evtl. auch durch ein Rauschen des Messsignals verursacht sein.)
Ist jedoch die flüssige Zinkschweißlinse 6 zu wesentlichen Teilen aus dem Kontaktbereich verdrängt, so nimmt die Laufzeitverzögerung aufgrund thermischer Ausdehnungseffekte in den stählernen Blechkernen 4 erneut zu. Hat eine ausreichende Erwärmung der Blechkerne 4 stattgefunden, so beginnt sich die flüssige Stahlschweißlinse 7 auszubilden, was erneut mit einer deutlichen Abnahme der Schallgeschwindigkeit und somit einer deutlichen Zunahme der Laufzeitverzögerung verbunden ist. Parallel mit der Größenzunahme der sich ausbildenden flüssigen Stahlschweißlinse 7 nimmt auch die Laufzeitverzögerung stetig zu, die ihr Maximum bei Erreichen des maximalen Stahlschweißlinsendurchmessers erreicht.
Der in der Laufzeitverzögerung auftretende Knick (d.h. die Änderung der Steigung) ist unmittelbar mit dem Aufschmelzen der Stahlkerne verbunden. Der Koeffizient „Änderung der Schallgeschwindigkeit/Änderung der Temperatur" ist für die feste und die flüssige Phase deutlich verschieden, wobei die Schallgeschwindigkeit in der flüssigen Phase deutlich schwächer mit der Temperatur variiert als in der festen Phase.
Nach Abschalten des Schweißstroms rekristallisiert die flüssige Stahlschweißlinse 7, wobei sich während des Abkühlungsvorgangs Phasenänderungen ergeben können, die ebenfalls einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit longitudinal polarisierter Ultraschallwellen in der erstarrten Stahlschweißlinse 7 haben können. Parallel verändert sich die Schallgeschwindigkeit aufgrund thermischer Effekte. Sind die Erstarrung der Stahlschweißlinse 7, Umkristallisationseffekte und die Abkühlung der Stahlschweißlinse im wesentlichen abgeschlossen, so verbleibt die Laufzeitverzögerung durch den ausgebildeten Schweißpunkt 2 auf einem gegenüber der Ausgangslage leicht erhöhten Niveau, was im wesentlichen durch das in der erstarrten Stahlschweißlinse gegenüber dem festen Ausgangsmaterial der Blechkerne 3 veränderte Materialgefüge bedingt ist.
4 zeigt nunmehr nochmals den Verlauf der mit B gekennzeichneten Kurve aus 3, d.h. den zeitabhängigen Verlauf der Transmission für transversal polarisierte Ultraschallwellen durch den sich ausbildenden Schweißpunkt 2, diesmal jedoch exemplarisch für einen anderen (ebenfalls ordnungsgemäß ausgebildeten) Schweißpunkt 2. Auch hier findet sich wieder die bereits anhand von Kurve B des Diagramms aus 3 diskutierte Abfolge aus einer Erwärmungsphase, in der die Transmission zunimmt, einem ersten Minimum, welches mit der Ausbildung einer flüssigen Zinkschweißlinse 6 korreliert ist, einem zweiten Minimum, welches mit der Ausbildung einer flüssigen Stahlschweißlinse 7 korreliert ist und einem dritten Minimum, welches mit Rekristallisationeffekten bei der Erstarrung der flüssigen Stahlschweißlinse 7 korreliert ist. Schematisch eingezeichnet ist in 4 die Breite (d.h. hier die Dauer) des ersten Minimums B und die Breite des zweiten Minimums C. Die Größen B und C können durch geeignete Verarbeitung des zeitlichen Verlaufs der Transmission für transversal polarisierte Ultraschallwellen durch den in Erzeugung befindlichen Schweißpunkt 2 messtechnisch erfasst und zur Charakterisierung des erzeugten Schweißpunkts 2 herangezogen werden.
Die Sequenz der 5a, 5b und 5c zeigt nunmehr exemplarisch Messergebnisse analog zur den in 3 diskutierten für drei verschiedene Schweißpunkte 2, die durch Anlegen unterschiedlicher Schweißströme zwischen identischen Stahlblechen 3 erzeugt wurden. 5a zeigt den Verlauf der Laufzeitverzögerung des longitudinal polarisierten Pulsanteils und der Transmission des transversal polarisierten Pulsanteils beim Durchgang durch den sich ausbildenden Schweißpunkt 2, wobei hier ein Schweißstrom in Höhe von 10 kA über eine Dauer von 0,2 Sekunden angelegt wurde. 5b zeigt den Verlauf der gleichen Messgrößen für einen Schweißstrom von 8 kA, 5c zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf der gleichen Messgrößen für den Fall, dass ein Schweißstrom von nur 7 kA für eine Zeitdauer von 0,2 Sekunden angelegt wird.
5a zeigt deutlich das Auftreten eines ersten Minimums kurzer Dauer B in der Transmission und eines zweiten Minimums von langer Dauer B. Setzt man die Dauer C des zweiten Minimums ins Verhältnis zur Dauer B des ersten Minimums, so ergibt sich hier ein Wert für C dividiert durch B von 9.
Beträgt der Schweißstrom hingegen nur 8 kA, so ergibt sich, wie aus 5b ersichtlich, ein erstes Minimum mit deutlich erhöhter Dauer B, wogegen das zweite Minimum weniger stark ausgeprägt und von kürzerer Dauer C ist. Das hier auftretende Verhältnis von C zu B beträgt nunmehr nur noch 1,86.
Beträgt der Schweißstrom schließlich nur noch 7 kA, so tritt nur noch ein einziges Minimum mit langer Dauer B auf. Identifiziert man das hier auftretende eine Minimum mit der Ausbildung einer Zinkschweißlinse, so hat das Verhältnis von C zu B den Wert 0.
Die 6a bis 6c stellen lichtmikroskopische Aufnahmen von metallographischen Schnitten dar, die von den Schweißpunkten 2 angefertigt wurden, welche bei den aus den 5a bis 5c ersichtlichen Schweißvorgängen erzeugt wurden. Alle lichtmikroskopischen Aufnahmen weisen den gleichen Maßstab auf. Die Gesamtdicke der zu verschweißenden Bleche 3 betrug jeweils etwa 0,7 Millimeter. Anhand dieser metallographischen Schnitte ist eine Klassifikation der erzeugten Schnittpunkte anhand vorgegebener Kriterien möglich. Ein oftmals verwendetes Kriterium bezieht sich auf die Dicke t der zu verschweißenden Metallbleche. Ein Schweißpunkt wird als „gut" klassifiziert, wenn für seinen Schweißlinsendurchmesser d gilt: „gut": d ≥ 4√t
Hingegen wird er als „schlecht" klassifiziert, wenn gilt: „schlecht": d < 4√t
Ein als „gut" klassifizierter Schweißpunkt weist mit hoher Wahrscheinlichkeit eine ausreichende mechanische Belastbarkeit auf. Ein als „schlecht" klassifizierter Schweißpunkt weist hingegen mit hoher Wahrscheinlichkeit eine nicht ausreichende mechanische Belastbarkeit auf.
Die Aufnahme der 6a zeigt eine sehr gut ausgeprägte Stahlschweißlinse 7, welche innig mit dem Material der miteinander zu verbindenden Bleche 3 verbunden ist und einen Durchmesser von etwa 5,3 mm aufweist. Der optische Eindruck der Stahlschweißlinse weicht ab vom optischen Eindruck der Stahlbleche, da sich das Materialgefüge der erstarrten Stahlschweißlinse 7 vom Materialgefüge in den ungestörten Blechkernen 4 der Bleche 3 unterscheidet.
Die Randbereiche der Stahlschweißlinse 7 zeigen eine geringfügig andere Textur sowohl als das umgebende ungestörte Material der Blechkerne 4 als auch als das Innere der Stahlschweißlinse 7, da in dieser „Wärmeeinflusszone" wiederum ein anderes Materialgefüge vorliegt. In der Wärmeeinflusszone hat aufgrund der Wärmeeinwirkung bereits eine Ausbildung von Kristalliten mit veränderter Kristallstruktur eingesetzt, ohne dass das Material hier aufgeschmolzen wäre. Oftmals sind diese Kristallite bei geeigneter Probenpräparation und ausreichender Vergrößerung unmittelbar optisch sichtbar.
Der in 6a gezeigte Schweißpunkt 2 ist optimal ausgebildet und wird aufgrund seiner Abmessungen als „gut" klassifiziert.
6b zeigt den Schweißpunkt 2, der durch den Schweißvorgang gemäß 5b erzeugt wurde. Bei genauem Hinsehen erkennt man im Inneren der dunkel erscheinenden grobkörnig texturierten Wärmeinflusszone einen nochmals geringfügig dunkler erscheinenden Bereich mit abweichender Textur, (welcher zur Verdeutlichung nochmals optisch hervorgehoben wurde). Dieser innerste Bereich stellt eine Stahlschweißlinse mit nur geringem Durchmesser dar, die innig mit dem Material der Blechkerne 4 der zu verbindenden Bleche 3 verbunden ist. Die bei diesem Schweißvorgang erzeugte Schweißlinse weist jedoch nur einen Durchmesser von etwa 1,5 mm auf.
Die weiterhin vorhandene, ausgedehnte, die Schweißlinse umgebende Wärmeeinflusszone stellt jedoch keinen Bereich dar, in dem das Material der Blechkerne 4 unter Ausbildung einer gemeinsamen Stahlschweißlinse 7 aufgeschmolzen war.
Vielmehr resultiert der abweichende optische Eindruck hier ausschließlich aus Umkristallisationsprozessen, die bei der Erwärmung der Blechkerne 4 im Gefüge der Stahlbleche 4 aufgetreten sind.
Bei genauem Hinsehen erkennt man weiterhin, dass außerhalb der gering ausgedehnten zentralen Stahlschweißlinse 7 in der Wärmeeinflusszone eine optisch wahrnehmbare Trennung zwischen den Blechen 3 vorhanden ist. Hier ist eine mechanische Verbindung zwischen den Blechen 3 nur über miteinander verschmolzene Zinkschichten 5 entstanden.
Aufgrund der nur geringen Ausdehnung der ausgebildeten Stahlschweißlinse 7 ist der hier erzeugte Schweißpunkt 2 als „schlecht" zu klassifizieren.
6c zeigt nun einen Schnitt durch den Schweißpunkt 2, welcher bei der Verfahrensführung gemäß 5c erzeugt wurde. Deutlich ist zu erkennen, dass sich über die gesamte Breite der verfärbten Wärmeeinflusszone eine dunkel erscheinende Trennung zwischen beiden Blechen 3 erstreckt. Hier hat offenbar keine innige Verbindung der Materialien der Blechkerne 4 stattgefunden. Allenfalls hat hier ein Aufschmelzen der Zinkbeschichtungen 5 unter Ausbildung einer Zinkschweißlinse stattgefunden, welche eine schwache mechanische Verbindung der Bleche 3 realisiert (d.h. hier liegt evtl. ein „Zinkkleber" vor).
Bereits aufgrund des verschwindenden Schweißlinsendurchmessers d (d=0) ist dieser Schweißpunkt als „schlecht" zu klassifizieren.
In 7 ist dargestellt, dass ein zur Klassifikation der erzeugten Schweißpunkte 2 geeigneter reproduzierbarer Zusammenhang zwischen dem erzielten Schweißlinsendurchmesser D und dem Verhältnis C zu B (Dauer des zweiten Minimums im Verhältnis zur Dauer des ersten Minimums) auffinden lässt. Erfasst man mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Parameter B und C, so ist es für gegebene Material- und Vorrichtungsparameter möglich, eine mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkt 2 anhand des Verhältnisses C zu B zu klassifizieren. Wird ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise bei einer Großserienfertigung von Fahrzeugkarosserien eingesetzt, so kann ein Selektionsprozess auf einer Onlinebe– wertung von mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkten auf der Ermittlung der Parameter C und B basieren, deren Verhältnis mit empirisch ermittelten Werten für ausreichend mechanisch belastbare Schweißpunkte verglichen werden kann. Liegt das Verhältnis C/B unter einem Minimalwert, so ist der geprüfte Schweißpunkt fehlerhaft, liegt C/B darüber, so ist der geprüfte Schweißpunkt ordnungsgemäß. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem Zinkbeschichtete Stahlbleche mit einer Gesamtdicke von je 0,7 mm miteinander verschweißt wurden, lag der kritische Wert für C/B bezogen auf das vorgenannte Kriterium „gut": d ≥ 4√tbei etwa 6, d.h. Schweißpunkte können wie folgt charakterisiert werden:

Claims

Verfahren zur Online-Prüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts (2) zwischen zwei beschichteten Blechen (3) mittels Ultraschall, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Erzeugen einer Folge von Ultraschallpulsen, die einen transversal polarisierten Anteil aufweisen, b. Durchschallen des zu prüfenden, mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts (2) mit der Folge von Ultraschallpulsen während der Erzeugung des Schweißpunkts (2), c. Empfangen der Folge von Ultraschallpulsen nach dem Durchtritt der Ultraschallpulse durch den Schweißpunkt (2), dadurch gekennzeichnet, dass d. die Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen während der Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts (2) zeitlich aufgelöst erfasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitaufgelöst erfasste Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen dahingehend analysiert wird, ob ein erster und ein zweiter Einbruch in der Transmission auftreten.
Verfahren gemäß Anspruch (2), dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Dauer C des zweiten Einbruchs ermittelt wird, wenn dieser auftritt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. die erzeugten Ultraschallpulse weiterhin einen longitudinal polarisierten Anteil aufweisen, und b. die Änderung der Laufzeitverzögerung des longitudinal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen während der Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts (2) zeitlich aufgelöst erfasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts (2) durch Anlegen eines Schweißstroms zum Zeitpunkt T₀ eingeleitet und durch Abschalten des Schweißstroms zum Zeitpunkt T_E beendet wird, und b. die Erfassung der Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen und/oder des longitudinal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen vor dem Zeitpunkt T₀ begonnen und über den Zeitpunkt T_E hinaus fortgesetzt wird.
Verfahren zur Online-Prüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts (2) zwischen zwei beschichteten Blechen (3) mittels Ultraschall, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Erzeugen einer Folge von Ultraschallpulsen, die einen transversal polarisierten Anteil aufweisen, b. Reflektion der Folge von Ultraschallpulsen am zu prüfenden, mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkt (2) während der Erzeugung des Schweißpunkts, c. Empfangen der Folge von Ultraschallpulsen nach der Reflektion der Ultraschallpulse am Schweißpunkt (2), dadurch gekennzeichnet, dass d. die Änderung der Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Folge von Ultraschallpulsen während der Erzeugung des zu prüfenden Schweißpunkts (2) zeitlich aufgelöst erfasst wird.
Vorrichtung (1) zur Online-Prüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts (2) zwischen zwei beschichteten Blechen (3), mit a. einer ersten Schweißelektrode (10) mit einem ersten Elektrodenschaft (12) und einer auswechselbaren ersten Elektrodenkappe (14), b. iner zweiten Schweißelektrode (20) mit einem zweiten Elektrodenschaft (22) und einer auswechselbaren zweiten Elektrodenkappe (24), c. einem Ultraschallsendewandler (30), der dazu vorgesehen ist, eine Folge von Ultraschallpulsen abzugeben, welche einen transversal polarisierten Anteil aufweisen, und einem Ultraschallempfangswandler (40), der dazu vorgesehen ist, die vom Ultraschallsendewandler (30) abgegebene Folge von Ultraschallpulsen zu empfangen, wobei der Ultraschallsendewandler (30) und der Ultraschallempfangswandler (40) so ausgebildet sind, dass ein vom Ultraschallsendewandler (30) abgegebener Ultraschallpuls über die erste Schweißelektrode (10) durch den zwischen den beschichteten Blechen (3) erzeugten Schweißpunkt (2) hindurch über die zweite Schweißelektrode (20) zum Ultraschallempfangswandler (40) gelangen und von diesem empfangen werden kann, d. einer Auswerteeinheit (50), die mit dem Ultraschallempfangswandler (40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) dazu vorgesehen ist, die Änderung der Transmission des transversal polarisierten Anteils der Folge vom Ultraschallsendewandler (30) erzeugter Ultraschallpulse durch den Schweißpunkt (2) während der Erzeugung des Schweißpunkts (2) zeitaufgelöst zu erfassen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkappen (14, 24) bezüglich ihrer Ultraschallführungseigenschaften dergestalt ausgebildet sind, dass ein in einer Elektrodenkappe (14, 24) propagierender transversal polarisierter Ultraschallpuls im wesentlichen keine Transformation in einen longitudinal polarisierten Ultraschallpuls erfährt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Ultraschallsendewandler (30) erzeugter Ultraschallpuls unmittelbar in die erste Elektrodenkappe (14) eingekoppelt wird.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a. die erste Elektrodenkappe (14) eine plane Innenfläche (16) aufweist, und b. der Ultraschallsendewandler (30) zur Einkopplung des erzeugten Ultraschallpulses in die erste Elektrodenkappe (14) unmittelbar an der planen Innenfläche (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass a. die erste Schweißelektroden (10) einen Kühlmitteldurchströmten Hohlraum (18, 28) ausbildet, und b. der Ultraschallsendewandler (30) dergestalt in diesem Hohlraum (18) angeordnet ist, dass er von Kühlmittel umströmt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass a. das die Folge der vom Ultraschallsendewandler (30) erzeugten Ultraschallpulse jeweils einen transversal polarisierten Anteil S_T und einen longitudinal polarisierten Anteil S_L aufweisen, und b. die Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist, die Transmission des transversal polarisierten Anteils S_T und die Laufzeitverzögerung des longitudinal polarisierten Anteils S_L der Folge von Ultraschallpulsen getrennt voneinander zeitaufgelöst zu erfassen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den erzeugten Schweißpunkt (3) hindurch getretener Ultraschallpuls unmittelbar aus zweiten Elektrodenkappe (24) ausgekoppelt wird, die der ersten Elektrodenkappe (14) gegenüberliegt, in die der vom Ultraschallsendewandler (30) erzeugte Ultraschallpuls eingekoppelt wurde.
Vorrichtung (1) zur Online-Prüfung eines mittels elektrischem Widerstandsschweißen erzeugten Schweißpunkts (2) zwischen zwei beschichteten Blechen (3), mit a. einer ersten Schweißelektrode (10) mit einem ersten Elektrodenschaft (12) und einer auswechselbaren ersten Elektrodenkappe (14), b. einer zweiten Schweißelektrode (20), c. einem Ultraschallsendewandler (30), der dazu vorgesehen ist, eine Folge von Ultraschallpulsen abzugeben, welche einen transversal polarisierten Anteil aufweisen, und einem Ultraschallempfangswandler (40), der dazu vorgesehen ist, die vom Ultraschallsendewandler (30) abgegebene Folge von Ultraschallpulsen zu empfangen, wobei der Ultraschallsendewandler (30) und der Ultraschallempfangswandler (40) so ausgebildet sind, dass ein vom Ultraschallsendewandler (30) abgegebener Ultraschallpuls über die erste Schweißelektrode (10) zu dem zwischen den beschichteten Blechen (3) erzeugten Schweißpunkt (2) gelangen und zumindest teilweise an diesem reflektiert werden kann, und nachfolgend über die erste Schweißelektrode (10) zum Ultraschallempfangswandler (40) gelangen und von diesem empfangen werden kann, d. einer Auswerteeinheit (50), die mit dem Ultraschallsendewandler (30) und dem Ultraschallempfangswandler (40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (50) dazu vorgesehen ist, die Änderung der Reflektion des transversal polarisierten Anteils der Folge der vom Ultraschallsendewandler (30) erzeugten Ultraschallpulse am Schweißpunkt (2) während der Erzeugung des Schweißpunkts (2) zeitaufgelöst zu erfassen.