DE102008046692A1

DE102008046692A1 - Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Rührreibschweißnähten

Info

Publication number: DE102008046692A1
Application number: DE200810046692
Authority: DE
Inventors: Jürgen Silvanus; Jürgen Dr. Steinwandel; Georg Völlner
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: DE102008046692B4

Abstract

Es werden Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Rührreibschweißnähten beschrieben, welche mittels eines Rührreibwerkzeugs (1) zwischen zwei Fügepartnern (2, 3) erzeugt werden. Erfindungsgemäß erfolgt im Bereich der Schweißnaht (5, 6) ein lokaler Wärmeeintrag und an mindestens einem der Fügepartner (2, 3) wird ein durch den lokalen Wärmeeintrag verursachter Wärmefluss erfasst (10), wobei der erfasste Wärmefluss zumindest teilweise die zu prüfende Schweißnaht (5, 6) durchdringt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, welche durch Rührreibschweißen mittels eines Rührreibwerkzeugs zwischen zwei Fügepartnern erzeugt werden, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Rührreibschweißen ist eine Technik, die zum Verbinden zweier Fügepartner mit Vorteil genutzt werden kann. Ein Rührreibwerkzeug umfaßt einen Stift oder Pin, der in bekannter Weise unter Druck, Rotation und Vorwärtsbewegung entlang beispielsweise einer Stoßfuge von miteinander zu verbindenden Platten eingerieben wird. Das durch das Rühren erhitzte und verflüssigte Material in einer dabei erzeugten Schweißzone bildet nach dem Abkühlen die Schweißnaht. Zur Gewährleistung zuverlässiger Schweißnähte, welche vorgegebene Festigkeitsanforderungen erfüllen, ist es notwendig, dass eine genügende Durchschweißung der Naht erfolgt. Ungenügende Durchschweißungen, die in Form von Materialtrennung an der Schweißnahtunterseite vorliegen, können mittels herkömmlicher als zerstörungsfreier Prüfmethode vorgesehener Ultraschalluntersuchung nicht detektiert werden, wenn sie in einer Tiefe von typischerweise mehr als 0,2 mm liegen.
Aus der DE 101 39 687 C1 ist es bekannt, beim Rührreibschweißen die Temperatur der Schweißzone mittels eines Temperatursensors zu erfassen, der eine im Pin des Rührreibwerkzeugs angeordnete Meßstelle aufweist, um den Schweißvorgang entsprechend gemessenen Temperaturwerten zu steuern.
Aus der EP 0 655 294 A1 ist es bekannt, beim Stumpfnaht-Laserschweißen von Blechen, insbesondere von ungleich dicken Blechen, hinter der Erstarrungsfront an zwei Stellen die Temperatur zu messen und die Temperaturmeßwerte zur Kontrolle des Schweißprozesses zu nutzen.
Schließlich ist es aus der EP 1 075 892 A2 bekannt, die Qualität einer Rollschweißnaht von miteinander verbundenen Blechen mittels mehreren Pyrometern zu prüfen, welche die Temperaturen in unmittelbarer Nähe des wandernden Schweißortes und die Temperaturen der durch die Schweißwärme beeinflußten beiderseitigen Nachbarzonen erfassen, die in einer Auswerteeinrichtung mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Rührreibschweißnähten zu schaffen, welche eine zuverlässige Detektion von nicht oder ungenügend verschweißten Fügepartnern ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, die durch Rührreibschweißen mittels eines Rührreibwerkzeugs zwischen zwei Fügepartnern erzeugt werden, geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass im Bereich der Schweißnaht ein lokaler Wärmeeintrag erfolgt und an mindestens einem der Fügepartner ein durch den lokalen Wärmeeintrag verursachter Wärmefluß erfaßt wird, wobei der erfaßte Wärmefluß zumindest teilweise die zu prüfende Schweißnaht durchdringt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, fehlerhafte Schweißnähte an nicht oder nur ungenügend verschweißten Fügepartnern zuverlässig zu detektieren. Es ist möglich, ungenügende Durchschweißungen auch von tieferen Bereichen der Schweißnaht zu de tektieren, welche herkömmlich mittels Ultraschalltechnik als zerstörungsfreie Prüfmethode nicht detektiert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der erfaßte Wärmefluß zum Detektieren von Fehlern der Schweißnaht mit einer Referenz verglichen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der durch das Rührreibwerkzeug beim Schweißen selbst erzeugte lokale Wärmeeintrag an mindestens einem der Fügepartner nahe der Schweißnaht erfaßt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der lokale Wärmeeintrag der Schweißung nachgeschaltet an einem der ehemaligen Fügepartner vorgenommen und der Wärmefluß zumindest an dem anderen ehemaligen Fügepartner erfaßt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der lokale Wärmeeintrag durch Wärmepulse erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmefluß mittels Thermographie erfaßt.
Der Wärmefluß kann mittels einer Wärmebildkamera oder eines Infrarotscanners erfaßt werden.
Weiter wird durch die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für die zerstörungsfreie Prüfung von Rührreibschweißnähten geschaffen, welche eine Einrichtung zur Erfassung des Wärmeflusses an mindestens einem der Fügepartner umfaßt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zum lokalen Eintrag von Wärme an einem der ehemaligen Fügepartner vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Einrichtung zum lokalen Eintrag von Wärme für die Erzeugung von Wärmepulsen vorgesehen.
Die Einrichtung zum lokalen Eintrag von Wärme und die Einrichtung zur Erfassung des Wärmeflusses können dem Rührreibwerkzeug in Schweißrichtung nachgeschaltet sein.
Die Einrichtung zur Erfassung des Wärmeflusses kann eine Wärmebildkamera oder ein Infrarotscanner sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung zur Erfassung des Wärmeflusses mit einer Referenzeinrichtung gekoppelt, welche dazu vorgesehen ist, mindestens ein Referenzmuster für den erfaßten Wärmefluß vorzugeben, wobei eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, welche zum Vergleich des von der Einrichtung erfaßten Wärmeflusses mit dem Referenzmuster dient und ein das Ergebnis der Prüfung anzeigendes Signal erzeugt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematisierte perspektivische Ansicht, die zwei Fügepartner darstellt, welche mittels eines Rührreibschweißwerkzeugs verschweißt werden, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die durch das Rührreibschweißwerkzeug eingetragene Wärme zum Zwecke einer zerstörungsfreien Prüfung der Schweißnaht erfaßt wird;
2 eine schematisierte Querschnittsansicht zweier bereits mittels Rührreibschweißen miteinander verbundener Fügepartner, welche einer zerstörungsfreien Prüfung hinsichtlich der Qualität der Rührreibschweißnaht unterzogen werden, indem ein lokaler Wärmeeintrag der Schweißung nachgeschaltet an einem der ehemaligen Fügepartner vorgenommen und der Wärmefluß an dem anderen ehemaligen Fügepartner erfaßt wird; und
3 eine schematisierte Querschnittsansicht von zwei mittels Rührreibschweißen verschweißten Fügepartnern ähnlich 2, welche jedoch als Referenz den Wärmefluß für den Fall einer perfekten Schweißnaht zeigt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine zerstörungsfreie Prüfung einer Schweißnaht, welche durch Rührreibschweißen mittels eines Rührreibwerkzeugs 1 zwischen zwei Fügepartnern 2, 3 erzeugt wird. Die Fügepartner 2, 3 sind an einem Stoß 5 zusammengefügt und werden entlang desselben relativ zu dem Rührreibwerkzeug 1 bewegt. Das Rührreibwerkzeug 1 wird in an sich bekannter Weise unter Druck und Rotation entlang der Fügestelle 5 (Stoß) auf die Fügepartner 2, 3 zur Einwirkung gebracht. Unter Wirkung des Rührreibwerkzeugs 1 erfolgt eine Verflüssigung des Materials der Fügepartner 2, 3 im Bereich der Fügestelle 5, so dass sich eine Schweißzone 6 ergibt, welche nach dem Erstarren die Fügepartner 2, 3 miteinander verbindet.
Für die Prüfung der Schweißnaht 5, 6, welche durch die Fügestelle 5 und die Schweißzone 6 gebildet ist, ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Einrichtung 10 zur Erfassung des Wärmeflusses vorgesehen, welcher von dem Rührreibwerkzeug 1 ausgeht und den Fügepartner 2 durchströmt. Dieser Wärmefluß weist je nach Qualität der Schweißnaht 5, 6 ein charakteristisches Muster auf, das für eine zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnaht 5, 6 ausgewertet werden kann. Die Stärke und Art des Wärmestroms von dem Rührreibwerk zeug 1 in die (ehemaligen) Fügepartner 2, 3 erfolgt nämlich u. a. in Abhängigkeit von der Tiefe der Schweißzone 6, und ist geringer, wenn die Fügestelle 5 nur oberflächlich verschweißt ist, in der Tiefe aber noch als quasi Fuge besteht.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt der Schweißung nachgeschaltet, also in Schweißrichtung hinter dem Rührreibwerkzeug 1, ein lokaler Wärmeeintrag an einem der ehemaligen Fügepartner, hier am Fügepartner 2. Der hierdurch bedingte Wärmefluß wird am anderen ehemaligen Fügepartner 3 mit einer Einrichtung 10 zur Erfassung des Wärmeflusses aufgenommen. Der Wärmestrom von einer entsprechenden Einrichtung 20 für einen lokalen Eintrag von Wärme an dem einen ehemaligen Fügepartner 2 zu dem anderen ehemaligen Fügepartner 3 ist wiederum abhängig von der Tiefe und damit der Qualität der Schweißnaht 5, 6. Wie die in 2 schematisiert gezeigten Wärmeflußlinien zeigen, ist der Wärmefluß durch eine intakte Schweißzone 6 naturgemäß größer als durch einen nicht durchgeschweißten Bereich der Fügestelle 5, wo die Wärmeleitung aufgrund der Unstetigkeit des Materials schlechter ist.
Das Erfassen des Wärmeflusses erfolgt bei den beiden in 1 und in 2 dargestellten Ausführungsbeispielen durch Thermographie. Die Einrichtung 10 zur Erfassung des Wärmeflusses kann eine Wärmebildkamera sein oder ein Infrarotscanner, welcher den Wärmefluß an mindestens einem der Fügepartner 2, 3 mehr oder weniger nahe der Schweißnaht 5, 6 erfaßt und eine entsprechende Darstellung desselben erzeugt.
Der von der Einrichtung 10 erfaßte Wärmefluß wird gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen mit einer Referenz verglichen, um die Qualität der Schweißnaht 5, 6 zu beurteilen und Fehler, wie zum Beispiel eine nicht vollständige Durchschweißung der Fügestelle über ihre gesamte Tiefe, zu detektieren. Eine solche Referenz kann durch eine Referenzeinrichtung 30 vorgesehen sein, welche geeignet ist, mindestens ein Referenzmuster für den erfaßten Wärmefluß vor zugeben, wobei eine Vergleichseinrichtung 40 vorgesehen ist, welche zum Vergleich des von der Einrichtung 10 erfaßten Wärmeflusses mit dem Referenzmuster der Referenzeinrichtung 30 dient und die ein das Ergebnis der Prüfung anzeigendes Signal erzeugt. Das Referenzmuster kann insbesondere das Wärmebild oder eine entsprechende Darstellung des Wärmeflusses sein, wie er von der Einrichtung 10 für den Fall einer korrekten Schweißnaht erfaßt werden würde. Andererseits kann das Referenzmuster alternativ oder zusätzlich ein Wärmebild oder eine entsprechende Darstellung sein, wie es für den Fall bestimmter Fehler auftreten würde. Das von der Einrichtung 10 erfaßte Wärmebild kann somit mit einem oder mehreren Referenzmustern verglichen werden, welches jeweiligen guten oder schlechten Qualitäten der Schweißnaht 5, 6 entspricht und das Ergebnis des Vergleichs ist dann davon abhängig, mit welchem Referenzmuster das von der Einrichtung 10 tatsächlich erfaßte Wärmebild am ehesten übereinstimmt. Das oder die verwendeten Referenzmuster sind naturgemäß abhängig von der Art, dem Material, der Abmessung, der Dicke und sonstigen Eigenschaften der Fügepartner 2, 3, der Umgebungstemperatur und sonstiger Eigenschaften der Umgebung, welche die Wärmeabgabe von den Fügepartnern 2, 3 beeinflussen, sowie natürlich von dem verwendeten Rührreibwerkzeug und dessen Betriebsparametern. Mit anderen Worten, die Parameter bei der Schweißung, deren Ergebnis geprüft werden soll, müssen zumindest im wesentlichen die gleichen sein wie die Parameter, welche für die Erzeugung des oder der Referenzmuster gültig waren. Das Referenzmuster kann beispielsweise auf der Grundlage von Probeschweißungen erzeugt werden, es kann aber auch im Rahmen einer Simulation berechnet werden.
Die Referenzeinrichtung 30, welche geeignet ist, mindestens ein Referenzmuster für den erfaßten Wärmefluß vorzugeben, und die Vergleichseinrichtung 40, welche zum Vergleich des von der Einrichtung 10 erfaßten Wärmeflusses mit dem Referenzmuster der Referenzeinrichtung 30 dient und die ein das Ergebnis der Prüfung anzeigendes Signal erzeugt, können beispielsweise durch einen entsprechend programmierten Computer verwirklicht sein.
3 zeigt exemplarisch ein Referenzmuster für eine Schweißung, wie sie in 2 gezeigt ist, für den Fall einer korrekten, vollständigen Durchschweißung über den gesamten Querschnitt der ehemaligen Fügepartner 2, 3. Es ist ersichtlich, dass der lokale Wärmeeintrag durch die Einrichtung 20 gleichmäßig über die Schweißnaht zum anderen Fügepartner 3 erfolgt, was bei 2 nicht der Fall ist.
Der lokale Wärmeeintrag mittels der Einrichtung 20 kann in geeigneter Weise, insbesondere in Form von Wärmepulsen erfolgen. Diese werden so gesteuert, dass reproduzierbare Bedingungen gegeben sind. Die Wärmepulse können in geeigneter, an sich bekannter Weise erzeugt werden, beispielsweise elektrisch, induktiv, durch Wärmestrahlung, durch Laserstrahlung oder in einer anderen geeigneten Weise.

1: Rührreibwerkzeug
2, 3: Fügepartner
5: Fügestelle, Stoß
6: Schweißzone
10: Einrichtung zur Erfassung des Wärmeflusses
20: Einrichtung zum lokalen Eintrag von Wärme
30: Referenzeinrichtung
40: Vergleichseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10139687 C1 [0003]
- EP 0655294 A1 [0004]
- EP 1075892 A2 [0005]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schweißnähten, welche durch Rührreibschweißen mittels eines Rührreibwerkzeugs (1) zwischen zwei Fügepartnern (2, 3) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Schweißnaht (5, 6) ein lokaler Wärmeeintrag erfolgt und an mindestens einem der Fügepartner (2, 3) ein durch den lokalen Wärmeeintrag verursachter Wärmefluß erfaßt wird, wobei der erfaßte Wärmefluß zumindest teilweise die zu prüfende Schweißnaht durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erfaßte Wärmefluß zum Detektieren von Fehlern der Schweißnaht (5, 6) mit einer Referenz verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Rührreibwerkzeug (1) beim Schweißen selbst erzeugte lokale Wärmeeintrag an mindestens einem der Fügepartner (2, 3) nahe der Schweißnaht (5, 6) erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Wärmeeintrag der Schweißung nachgeschaltet an einen der ehemaligen Fügepartner (2) vorgenommen wird und dass der Wärmefluß zumindest an dem anderen ehemaligen Fügepartner (3) erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Wärmeeintrag durch Wärmepulse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmefluß mittels Thermographie erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmefluß mittels einer Wärmebildkamera erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmefluß mittels eines Infrarotscanners erfaßt wird.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für die zerstörungsfreie Prüfung von Rührreibschweißnähten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10) zur Erfassung des Wärmeflusses an mindestens einem der Fügepartner (2, 3).
Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20) zum lokalen Eintrag von Wärme an einem der ehemaligen Fügepartner (2).
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum lokalen Eintrag von Wärme für die Erzeugung von Wärmepulsen vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zum lokalen Eintrag von Wärme und die Einrichtung (10) zur Erfassung des Wärmeflusses dem Rührreibwerkzeug (1) in Schweißrichtung nachgeschaltet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur Erfassung des Wärmeflusses eine Wärmebildkamera ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur Erfassung des Wärmeflusses ein Infrarotscanner ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur Erfassung des Wärmeflusses mit einer Referenzeinrichtung (30) gekoppelt ist, welche dazu vorgesehen ist, mindestens ein Referenzmuster für den erfaßten Wärmefluß vorzugeben, sowie dass eine Vergleichseinrichtung (40) vorgesehen ist, welche zum Vergleich des von der Einrichtung (10) erfaßten Wärmeflusses mit dem Referenzmuster (30) dient und ein das Ergebnis der Prüfung anzeigendes Signal erzeugt.