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| Abb. 1: Prinzip der Widerstandspunktschweißung | Abb. 2: a) Geschweißter Punkt, b) Scherbruch c) und Ausknöpfbruch |
Die dabei entstehende Schweißverbindung wird als Schweißpunkt bezeichnet. Er besteht aus dem erstarrten Schmelzvolumen, Schweißlinse genannt und üblicherweise einer umgebenen Ringzone, in der eine teilweise Preßschweißung erfolgt sein kann.
Die Schweißbarkeit eines Punktes ist abhängig von:
- der Schweißeignung des Werkstoffes
- der notwendigen Schweißsicherheit durch die Konstruktionsvorgaben
- den fertigungstechnischen Möglichkeiten
Für den Konstrukteur spielt die Schweißsicherheit eine maßgebende Rolle.
Der Punkt kann auf Scherzug, Kopfzug, Schälen, Torsion oder auch kombiniert beansprucht werden.
Abb.3: Reine Beanspruchung der Punktschweißung auf a) Scherzug b) Kopfzug,
c) Schälen d) Torsion
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Bei der Beanspruchung auf Scherzug können die höchsten Kräfte je Schweißpunkt übertragen werden. Daher sollte man konstruktiv möglichst auf Scherzug beanspruchen und andere Beanspruchungsarten so gering wie möglich halten.
Aber gerade bei verformungsfähigen Bauteilen mit komplizierter Geometrie lässt sich die Belastung nur bedingt berechnen. Grund dafür ist, daß:
- die Kraftverteilungen und Spannungsmaxima schlecht ermittelbar sind
- die elastischen und plastischen Verformungen des Bauteils unter Krafteinwirkung zu Veränderungen des Kraftflusses und der Spannungen führen.
- der Gestalteinfluß punktgeschweißter Bauteile für statische wie auch dynamische Auslegung schwierig vorzubestimmen ist.
Aus diesen Gründen ist es unumgänglich, punktgeschweißte Konstruktionen auch über Belastungsversuche zu testen.
Die für die Fertigung vorgegebene Größe einer Punktschweißung ist der Linsendurchmesser. Er korreliert mit der Festigkeit einer Punktschweißverbindung am besten und wird metallografisch ermittelt. Der in der Praxis üblicherweise ermittelte Punktdurchmesser ist ca. 1,2 x größer als der Linsendurchmesser und wird über die Bruchfläche oder über die Ausknöpffläche ermittelt. Der erforderliche Linsendurchmesser ist abhängig von der Wanddicke bzw. Wanddickenkombination, wobei für die Festlegung immer das Blech mit der geringsten Blechdicke maßgebend ist.
Natürlich auch gehen die fertigungstechnischen Parameter ein, wenn es um die Aus-führungsgüte eines Schweißpunktes geht. Diese wären hauptsächlich
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In der einfachsten Form gilt der Zusammenhang
| Q = I2 x R x t |
| Wärmemenge = (Schweißstrom)2 x Widerstand x Schweißzeit |
Je mehr Wärme, je größer die Schmelze, je größer der Punktdurchmesser.
Sehr entscheidend geht hierbei der Widerstand ein, der sich als Gesamtwiderstand
zusammensetzt aus:
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- dem Stoffwiderstand der Elektroden
- den Übergangswiderständen
- Elektrode - Werkstück
- Werkstück - Werkstück
- den Stoffwiderständen der Werkstücke
Diesen Widerständen muß man unterschiedliche Bedeutung beimessen. Bedeutungsvoll für die Linsenbildung sind im Wesentlichen der Übergangs-widerstand zwischen den Blechen sowie deren Stoffwiderstände. Unerwünscht und zum Teil schädlich für das Schweißergebnis sind die Übergangswiderstände zwischen Elektrode und Blech, sowie die Stoffwiderstände der Elektroden.
Nun gibt es bei der Fertigung einige Störgrößen, die die Schweißqualität des Punktes wesentlich beeinträchtigen können. Die folgende Auflistung gibt eine Auswahl der Hauptstörgrößen.
- Störgrößen aus dem Fertigungsumfeld, schlechte Passung:
Sie kann im Extremfall dazu führen, daß keine Schweißverbindung entsteht - zu kleine Randabstände:
führen zu Quetschungen, Spritzern, Beschädigung der Elektrode etc. - Nebenschluß:
Strom sucht sich den Weg des geringsten Widerstandes z. B. durch einen nahe-liegenden bereits geschweißten Punkt, durch aufeinanderliegende Blechkanten etc. - Netzschwankungen
- Störgrößen aus dem Material:
- Unterschiede in den Grundmaterialeigenschaften, wie Analyse, Festigkeit usw.
- Unterschiede in den Beschichtungen, wie z. B. Schichtdicke, Schichtaufbau etc.
- Störgrößen aus der Schweißanlage:
- Wartungszustand
- Elektrodenzustand (Verschleiß)
- Zustand des Kühlsystems der Elektroden und der Maschine (à Widerstand wird durch Erwärmung größer!)
Die Fülle der beeinflussenden Parameter läßt eine einfache Bewertung der Qualität eines Schweißpunktes ohne spezielle Prüfung kaum zu. Daraus ergibt sich der Bedarf für ein Prüfverfahren mit qualitativer und quantitativer Aussage, das folgende Eigenschaften haben sollte:
- schnelle Darstellung des Prüfergebnisses, möglichst sogar online
- Messung des realen Linsendurchmessers
- Erkennung von Fertigungsfehlern
- Erkennung einer Klebeschweißung ohne ausreichende Linsenbildung
- Dokumentationssystem mit Datenbank
- Anpaßmöglichkeit des Prüfsystems auf verschiedene Werkstoffe
Abb. 4: Prüfkopf Grundsätzlich ergibt sich beim Aufsetzen eines solchen Prüfkopfes auf ein Blech folgende Echofolge: |
Abb. 5: Echofolge beim Aufsetzen des Prüfkopfes auf ein Blech
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Abb. 6: Echofolge bei einem Blech
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Abb. 7: Echofolge bei einem gut durchgeschweißten Punkt.
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Abb. 8: Echofolge bei zu kleinem Linsendurchmesser, Haftzone schwach ausgeprägt.
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Abb. 9: Echofolge bei zu kleinem Linsendurchmesser, Haftzone stärker ausgeprägt.
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Abb. 10: Echofolge bei einem Schweißpunkt mit Pore.
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Abb. 11: Abtasten eines Schweißpunktes mit einem kleinen Prüfkopf. |
Der Bedarf an belastbaren zerstörungsfreien Prüfverfahren ist vor allem deshalb gegeben, weil zerstörende Prüfmethoden einen erheblichen Anfall an Prüfschrott" und damit hohe Kosten verursachen.
Als wichtigstes zerstörungsfreies Prüfverfahren wird seit Beginn der 60er Jahre die Ultraschallprüfung in verschiedensten Varianten herangezogen. Nach vielen Fehlschlägen zeichnet sich erst seit Einführung von breitbandigen Hochfrequenzprüfköpfen (10 bis 20 MHz) mit Fokussierung und Vorlaufstrecke eine gewisse Akzeptanz dieser Prüftechnik bei den Anwendern ab /5/. Allerdings ist auch hier noch Skepsis angebracht, denn sowohl die Hersteller der Prüfgeräte als auch die Anwender betonen, daß ein erfolgreicher Einsatz nur mit gezielter Schulung und großer Erfahrung des Prüfpersonals möglich ist /1/. Die Notwendigkeit der Schulung für das Prüfpersonal ist einerseits für das "Handling" des Prüfkopfes (Treffen der Punktmitte, Optimieren der Einschallrichtung) andererseits für die korrekte Interpre-tation der Bildschirmanzeigen unumgänglich.
Geprüft wird mit einem auf den Linsendurchmesser abgestimmten hochfrequenten Prüfkopf mit Wasservorlaufstrecke und einer flexiblen Gummimembran, die eine Ankopplung auf den teils deformierten Kontaktoberflächen ermöglicht. Der Prüfkopf kann durch Krümmung der Membran auch mit einer leichten Fokussierung versehen sein. Ferner wird ein hochauflösendes Ultraschallgerät benötigt.
Das heißt, nach dem Sendeimpuls bekommt man in Abhängigkeit der Wasser-vorlaufstrecke ein Eingangsecho Wasser/Stahl und eine entsprechende Rück-wandechofolge aus der Blechdicke. Dieser Vorgang wiederholt sich dann mit abgeschwächter Energie in einer zweiten Echofolge, die nicht zur Auswertung herangezogen wird.
Abbildung 6 zeigt den Echoverlauf eines normalen ferritischen Bleches mit Textur. Man sieht eine langsam abklingende Echofolge (geringe Dämpfung).
In Abbildung 7 sieht man ein typisches Bild eines gut durchgeschweißten Punktes. Der Echoabstand ist größer, d. h. in diesem Fall verdoppelt, was auf eine gute Aufschmelzung schließen läßt. Auch die Dämpfung ist größer geworden, was überwiegend durch die Gefügeumwandlung der aufgeschmolzenen Linse verursacht wurde (Ferrit - Perlitgefüge).
Abbildung 8 zeigt die Echofolge eines gegenüber dem Schallbündel zu kleinen Linsendurchmessers. Man sieht deutlich ausgeprägte Zwischenechos. Das ZWE ist von Anfang an zu sehen (also bei noch höherer Schallenergie), was auf eine nur leicht ausgeprägte Haftzone schließen läßt.
Weist die Haftzone eine bessere Bindung auf , tauchen die Fehlerechos später auf (Abbildung 9), d.h. z.B. erst nach zwei bis drei Rückwandechos. Grund hierfür ist das Anwachsen der Signalamplitude des Zwischenechos durch positive Interferenz, die erst nach mehreren Durchgängen wirksam wird. Die Klebezone stellt eine schwach reflektierende Reflexionsfläche dar.
Der tatsächliche Linsendurchmesser läßt sich ermitteln, indem der Prüfkopfdurch-messer schrittweise soweit reduziert wird, bis zwischenechofreie A-Bilder erzielt werden.
Innenfehler, wie z. B. Gasblasen haben zunächst ein ähnliches Erscheinungsbild wie das, was auf einen zu kleinen Linsendurchmesser hinweist.
Durch die Wahl eines kleineren Prüfkopfes (= kleinerer Bündeldurchmesser) oder andere Fokussierung kann quasi durch Abtastung (also PK-Verschiebung) die Änderung der Zwischenechohöhe beobachtet und somit die Pore lokalisiert werden. Ferner ist oft die Echobreite größer als bei kleinen Linsendurchmessern.
Die Abbildungen zeigen, daß die Interpretation des Bildschirmes ein hohes Maß an Erfahrung und Geschick erfordert, um die dargestellten Fehlerarten von anderen Ereignissen mit ähnlicher Erscheinung z.B. bedingt durch die Ankoppelunterschiede aus der undefinierten Oberflächengeometrie zu unterscheiden. Das erklärt auch den hohen Anspruch an Schulung und Erfahrung des Personals /1/.
Für die angedeuteten Probleme der Anzeigeninterpretation zeichnen sich heute Möglichkeiten der Weiterentwicklung sowohl durch Gerätemodifizierung als auch durch Einsatz der Datenverarbeitung ab. Hierbei wird dem Prüfer die Arbeit der Bildinterpretation durch ein elektronisches Mustererkennungssystem abgenommen.
Ferner ist es mit dem heutigen Stand der Datenverarbeitung natürlich möglich, eine gerade für diesen Bereich interessante Dokumentation und Datenerfassung zu liefern.
Allerdings wird an vielen Stellen mit Erfahrung in der heute modernisierten Ultraschall-Prüftechnik der Wunsch nach weiteren Verbesserungen laut /1/. Dazu soll im folgenden ein Blick auf die in der Literatur am häufigsten vertretenen Lösungsansätze zum Problem der zerstörungsfreien Prüfung an Punktschweißverbindungen vorgestellt werden.
| Verfahren | Anzahl der Zitate | ||
| Farbeindringverfahren | 2 | ||
| Visuelle Bewertung des Punktes | 1 | ||
| Eigenfrequenzmessungen, Vibrationsverhalten | 1 | ||
| Schallemmission beim Schweißen | 3 | ||
| Röntgen-Verfahren , Mikrofokus | 4 | ||
| US-HF mit Spektralauswertung der Dickenresonanzlinie | 1 | ||
| US-HF, A-Bild Musterbewertung | 12 | ||
| US-HF mit Abbildung, Bildverarbeitung | 8 | ||
| US on-line-Monitoring T-Wellen-Transmission (Frequenz z.B. 4 MHz) | 7 | ||
| US on-line-Monitoring L-Wellen-Transmission | 1 | ||
| US mit Schrägeinschallung in T-Wellen vom Blech her zur Schweisslinsengrösse und -form - Einschätzung | 1 | ||
| Übersichtsbeiträge mit mehreren Verfahren (US, Röntgen, Monitoring, Widerstandsmessung, Magnetische Verfahren) | 3 | ||
| Wärmeflußverfahren, z.B.Temperatur-Messung in gewisser Entfernung vom Punkt, vorallem bei Mehrblechschweißpunkten mit Blitzlampen und IR-Kamera, in Durch-"Wärmung" mit Pulsen, Wärmewellen | 4 | ||
| Elektrische Widerstandsmessung Stromeinleitung -> Spannung über dem Punkt (Verteilung) | 1 | ||
| In Process Surveillance of welding parameters | 1 | ||
| Tabelle 1 | |||
Die in der Tabelle angegebene Zahl der Veröffentlichungen bezieht sich auf den Zeitraum von ca. 1989 bis 1999. Es zeichnen sich drei Hauptthemen ab, auf die sich mehr als die Hälfte aller Beiträge konzentrieren.
Dies sind:
- Hochfrequenz-Ultraschallprüfköpfe zur off-line Prüfung der Schweißpunkte mit A-Bild Musterbewertung, also das oben näher erläuterte Verfahren
- Abtastung der Schweißpunkte mit hochfrequenten, fokussierten Schallbündeln und Bilddarstellung von Reflexions- und Durchschallungsbildern sowie automatische Bewertung dieser Bilder mit Bildverarbeitungsalgorhitmen.
- On-line Messung des Durchschallungsechos während dem Schweissen mit Transversalwellen.
Die On-line Messung in Durchschallung beim Schweissen hat eine lange Tradition. So haben Matting und Wilken 1963 /3/ und V. Deutsch 1967 /2/ eine Durchschallung mit Longitudinalwellen unter Verwendung von in die Elektroden eingebauten Prüfköpfen beschrieben. Gegen eine weitere Verbreitung dieses zunächst vielversprechenden Ansatzes sprachen die starke Abhängigkeit des Verfahrens vom Zustand der Ultraschallübertragung zwischen den Elektroden und den Blechen und die Notwendigkeit, die zugehörige Gerätschaft an jedem Punktschweißgerät zu installieren. Bei der großen Zahl von Punktschweißautomaten in den Automobilwerken ist dies auch heute noch ein zu bedenkendes Argument.
Eine Neubewertung der Durchschallungsprüfung beim Schweißen ist durch einen vom IzfP in Saarbrücken in Zusammenarbeit mit der Fa. Bosch verfolgten Ansatz eingetreten /4/. Die dort verfolgte Technik versucht, für die Durchschallung während des Schweißens Transversalwellen heranzuziehen. Diese erlauben, den Prozeß der Schmelzenbildung genauer zu verfolgen und haben daher im Prinzip ein höheres Potential zur Einschätzung der Linsengrösse und zur Erkennung von Klebschweißungen als alle anderen Ansätze. Die Zahl der Veröffentlichungen (7) zeigt das Interesse an diesem Ansatz, allerdings liegen zur Zeit noch keine Erfahrungen aus einem praktischen Großeinsatz vor.
Abb.12: Technische Möglichkeiten zur Ultraschall-Abbildung einer Punktschweissung
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Als häufigste Modifikation der Ultraschallprüfung nach dem Schweißen tritt in der Literatur das Abtasten des Schweißpunktes durch fokussierte Schallbündel höherer Frequenz auf. (8 Zitate). Das mit moderner Technik mögliche Verfahren sieht einen Realtimescanner mit einer mechanischen und einer elektronischen Bewegungsrichtung des abtastenden Schallbündels vor oder die Verwendung der Abtastung mit einem zweidimensionalen Matrix-Array (Abbildung 12). Beim Realtimescanner erfolgt die Fokussierung in einer Ebene durch eine Zylinderlinse, in der anderen elektronisch durch die Wahl geeigneter Verzögerungszeitverteilungen.
/7/. Zur Fokussierung muss man Frequenzen zwischen 15 und 25 MHz verwenden. Damit erreicht man eine Ortsauflösung im Bereich von 0.5 bis 0.7 mm. Die Abtastung kann bei 32 x 32 oder 64 x 64 Punkten in ca. einer viertel Minute erfolgen. Die Bilddarstellung und Auswertung braucht je nach Rechner und Software kaum mehr als 200 bis 300 Millisekunden, sodaß die Prüfung eines Schweißpunktes mit dieser Ultraschallabbildung kaum mehr als eine Minute braucht. Wesentlicher Fortschritt bei diesem Ansatz dürfte sein, daß die Bewertung der Schweißpunktqualität sich nicht nur auf die Grösse, sondern auch auf die . Formcharakteristik abstützen kann.
Obwohl heute mehrere technische Umsetzungen dieses Ansatzes realisiert werden können (/6/, /7/ und /8/), ist es bislang noch nicht zu einem praktischen Einsatz gekommen. Vermutlich bilden die relativ hohen Ausgaben für die Entwicklung bis hin zur Praxisreife eine Schwelle, die zur Zeit schwer zu überwinden ist.