DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Sicherung der Schweißpunktqualität online im Karosserierohbau mit Ultraschall

Gesicherte Schweißpunktqualität durch prozeßintegrierte Stromregelung mit Ultraschallmessung

Müller, Heinz-Ullrich, Bosch Rexroth A.G., 64720 Erbach / Odw.
Dr. Waschkies, Eckhart, IzfP, 66123 Saarbrücken
Kontakt: H.-U. Müller

Zusammenfassung:

Mit dem System PSQ6000 der Bosch Rexroth AG ist in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für zerstörungsfreie Prüfung (IzfP) ein neuartiges Verfahren zur Sicherung der Schweißpunktqualität im Karosserierohbau entstanden. Während des Schweißvorgangs wird das zu verbindende Material mit Ultraschall durchschallt. Die empfangenen Ultraschallsignale ergeben eine charakteristische Transmissionskurve, die das Aufschmelzen des Materials in der Schweißlinse sichtbar macht. Die Transmissionskurve wird zur Bewertung der Schweißpunktqualität herangezogen und dient einem Regler als Eingangsgröße zur Regelung des Schweißstromes.

Die Vorteile des Systems liegen in der unmittelbaren Bewertung der Schweißpunktqualität während des Prozesses. Dadurch reduziert sich der Aufwand für Nacharbeit. Es findet eine 100%-Prüfung statt, nachgeschaltete Prüfungen können entfallen. Das Schweißergebnis kann protokolliert werden.

Das System ist derzeit bei mehreren Automobilherstellern in Pilotinstallationen im Einsatz. Ziel dieser Installationen ist es, das System kennenzulernen, seine Möglichkeiten zu bewerten und den Einsatz in der Serie vorzubereiten.

Keywords:
Widerstandspreßschweißen, Schweißpunktqualität, Onlineprüfung, Ultraschallprüfung, Schweißstromregelung, Prozeßfähigkeit

1 Einleitung

An einer Automobilkarosserie werden etwa 4000 bis 6000 Schweißpunkte gesetzt. Die Qualität dieser Verbindungen in der laufenden Produktion wird heute stichprobenartig geprüft. Ein Verfahren ist dabei nach wie vor die Meißelprüfung, zum anderen wird in großem Umfang die nachgeschaltete Ultraschallprüfung eingesetzt.

Wenn die Meißelprüfung oder die nachgeschaltete Ultraschallprüfung Schweißpunkte entdecken, die unter der akzeptablen Festigkeit (Punktdurchmesser) liegen, wird das Fertigungslos rückwärts bis zur letzten Stichprobe überprüft und nachgearbeitet. Dies bedeutet eine Totzeit in der Reaktion auf Fehler in der Produktion.

Der Aufwand für die Prüfung ist erheblich, sowohl was das Personal als auch was die eingesetzten Geräte anbelangt. Die Fehlerreaktion ist mit einer Totzeit behaftet. Diese überlegungen führen zu dem Ansatz, die Schweißpunktqualität schon während der Entstehung der Verbindung zu prüfen. Ein integrierter Regler kann zusätzlich den stabilen Arbeitsbereich des Prozesses ausdehnen. Die Schweißpunktqualität kann bei Bedarf dokumentiert werden.

Das vorgestellte System zur Sicherung der Schweißpunktqualität PSQ6000 zielt auf den Einsatz im Karosserierohbau und dort auf die automatisierten Linien mit Schweißzangen an Robotern. Dies bezieht auch die zu verarbeitenden Materialien ein. D.h. wir sprechen hier von der Verbindung von Stahlblechen in der ganzen Bandbreite der Sorten und der Beschichtungen.

Denkbar sind weitere Einsatzfälle, die aber vermutlich Modifikationen an der Steuerungshardware oder mindestens an der Steuerungssoftware erfordern. Bei Bosch wurden zu Buckelschweißaufgaben an Kupferlegierungen erfolgreiche Versuche durchgeführt. Das Potential des Verfahrens reicht somit über die hier vorgestellte Anwendung hinaus.

Das System ist als Erweiterung der vorhandenen Baureihen an Schweißsteuerungen aufgebaut. Dies betrifft die Hardware: die Ultraschallreglerkarte ist in das Steuerungsgehäuse zu stecken. Dies betrifft aber auch die gesamte Bedienung: es wird die gleiche Denkweise bei Schweißprogrammen und Elektrodenparametersätzen unterstützt, es kommen nur einige Parameter für den Ultraschallanteil hinzu. Der Ultraschallregler arbeitet intensiv mit dem bekannten Konstantstromregler zusammen.

2 Physikalische Grundlagen des Verfahrens

Beim Qualitätssicherungssystem PSQ6000 wird mit dem Ultraschall eine vom Schweißprozeß unabhängige physikalische Größe verwendet. Dies ermöglicht die Beobachtung des Aufschmelzens in der Schweißlinse unabhängig von den elektrischen Größen Widerstand, Spannung und Strom, welche die Energie zum Aufschmelzen des Materials einbringen. Die Ultraschallmessung stellt somit ein Meßverfahren dar, das von den Schwankungen der Störgrößen im Schweißprozeß weitgehend unabhängig ist.

Der Ultraschall wird mit einem Piezoelement erzeugt, das in einem der Elektrodenschäfte integriert ist. Für eine optimale Schallausbreitung ist der Schaft als schlanker Kegel ausgeführt. Das Piezoelement wird mit einem elektrischen Impuls kurzer Dauer angeregt und gibt daraufhin Ultraschallwellen ab, die sich in Richtung Elektrodenkappe fortbewegen. Es handelt sich um transversal polarisierte Ultraschallwellen, auch Scherwellen genannt. Für die Frequenz hat sich ein Bereich um 100 kHz als optimal herauskristallisiert.

Im oder am gegenseitigen Elektrodenschaft ist wiederum ein Piezoelement angebracht, das als Ultraschallempfänger dient. Hier werden die empfangenen Ultraschallwellen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Empfangssignale werden verstärkt und aufbereitet und bieten die Meßinformation für den Regler.

Während des Schweißablaufes werden in Intervallen zwischen 3 und 10 ms Ultraschallmessungen durchgeführt. Die einzelnen Meßergebnisse werden zu einem Kurvenverlauf zusammengesetzt, indem man sie über der Stromzeit in einem Diagramm aufträgt. Dieser Kurvenverlauf gibt also die Ultraschalldurchlässigkeit der übertragungsstrecke Schaft - Schweißgut - Schaft wieder. Die Kurvenverläufe der Ultraschalldurchlässigkeit - auch Transmissionsverläufe genannt - bieten charakteristische Kurven, die über das Aufschmelzen des Materials im Schweißpunkt Auskunft geben.

Abb 1: Grundlagen des Verfahrens

2.1 Charakteristische Kurvenverläufe
Die Schwerwellen haben die Eigenschaft, daß sie Flüssigkeiten nicht durchlaufen können. Das heißt, je mehr Material im Schweißpunkt aufgeschmolzen ist, desto weniger Ultraschallsignal kommt beim Empfänger an.

Nach Abbildung 2 ist der Kurvenverlauf folgendermaßen zu interpretieren. Zu Beginn der Stromzeit ergibt sich eine Ultraschalldurchlässigkeit, die von der kalten und trockenen Einkopplung des Ultraschalls bestimmt ist. Die Bleche sind noch kalt und nicht optimal aneindergefügt. Die Oberflächenrauhigkeit beeinträchtigt den übergang für den Ultraschall. Eventuell eingesetzte Beschichtungen und Kleber beeinflussen ebenfalls den Beginn der Kurve. Der Einstiegswert der Kurve kann also variieren.

Mit fortschreitender Stromzeit werden die Bleche warm und fügen sich aneinander, Spalten verschwinden. Beschichtungen werden zum Teil weggebrannt (Zink), Kleber werden durch die Elektrodenkraft verdrängt. Durch diese Vorgänge wird die Ultraschalldurchlässigkeit besser, d.h. das Signal steigt bis zu einem relativen Maximum.

Nach dem Maximum beginnt im Schweißpunkt das Aufschmelzen. Das Material wird weich bis flüssig - das Ultraschallsignal wird immer stärker bedämpft. Die Kurve geht bei einer guten Schweißung auf ca. 20% des Maximalwertes zurück.

Abb 2: Transmissionskurven

2.2 Bewertung und Überwachung
Das Aufschmelzen des Materials im Schweißpunkt geschieht in der abfallenden Flanke der Transmissionskurve. Wenn man in diese Flanke eine Ausgleichsgerade legt und deren Durchtritt durch die X-Achse (Zeitachse) als Zahlenwert in Millisekunden aufnimmt, bekommt man eine charakteristische Größe für eine Bewertung und überwachung der Punktqualität. Das Linsenwachstum ist zum Ende der abfallenden Flanke im wesentlichen abgeschlossen, im weiteren Verlauf der Stromzeit wächst der Punkt deutlich weniger.

Der Schnittpunkt Ausgleichsgerade / X-Achse wird "USP" genannt und stellt eine Vorstufe zur Punktdurchmesserbestimmung dar.

Abb 2a: Bewertung und Überwachung

2.3 Regelung
Die Regelung bekommt als Meßgröße (Istwert) den Ultraschalldurchlässigkeitsverlauf Stützwert für Stützwert angeboten. Der Sollwert ist die sogenannte Musterkurve, ein Durchlässigkeitsverlauf, der mit Konstantstromregelung erstellt und parallel zu den Schweißparametern abgelegt wurde. Bei der Musterkurve handelt es sich um den Durchlässigkeitsverlauf einer Schweißung, die einen guten Schweißpunkt produziert hat.

Der Regler vergleicht laufend Soll- und Istwerte und stellt den Schweißstrom je nach der Abweichung nach. Die Stellgröße des Reglers ist also der Schweißstrom. Das Ziel des Reglers ist, den aktuellen Durchlässigkeitsverlauf dem Musterverlauf anzunähern.

Der Ultraschallregler arbeitet eng mit dem Konstantstromregler zusammen. Bis zum Erreichen des Maximums der Durchlässigkeitskurve ist der Konstantstromregler im Eingriff. Ab der zentralen Phase des Aufschmelzens (abfallende Flanke der Ultraschalldurchlässigkeit) übernimmt dann der Ultraschallregler die Regelung. Im Falle von Spritzern wird nach Erkennen des Spritzens auf Konstantstromregelung umgeschaltet. Der Konstantstromregler bekommt den Sollwert vom Ultraschallregler vorgegeben.

Abb 3: Regelung

Am Beispiel einer ausgeregelten Nebenschlußschweißung wird die Arbeitsweise des Reglers in Abbildung 3 dargestellt. Die schwarze Kurve ist die Musterkurve, die blaue die aktuelle Durchlässigkeitskurve. Im unteren Diagramm sieht man, daß der Schweißstrom aufgrund der Differenz zwischen Musterkurve und aktueller Kurve angehoben wurde.

3 Implementierung in Baureihe Schweißsteuerungen

3.1 Komponenten
Abbildung 4 zeigt die Komponenten des Systems. Die Reglerbaugruppe wird in den Umrichter der PSI6000-Baureihe eingesteckt. Die Reglerbaugruppe ist mit dem Signalprozessor über einen Feldbus verbunden. Im Signalprozessor werden die Ultraschallschüsse ausgelöst und das Empfangssignal aufbereitet. Der Signalprozessor muß an der Schweißzange montiert werden. Die Sensoren werden am Signalprozessor angeschlossen. Für die Belange des Ultraschallsystems wird eine Bedienoberfläche an der RS232-Schnittstelle der Reglerkarte oder der Steuerung angeschlossen.

Abb 4: Systemkomponenten

3.2 Sensoren
Die Ultraschallsensoren bestehen aus Sendern und Empfängern. In der Abbildung 5 sehen Sie jeweils am linken Rand die Urtypen von Sendern bzw. Empfängern und weiter rechts Weiterentwicklungen. Entwicklung und Fertigung dieser Sensorik liegt bei Fa. Karl Deutsch in Wuppertal.

Abb 5: Ultraschallsensoren

4 Erfahrung in Pilotinstallationen

4.1 Kurzbeschreibung der Pilotinstallationen
Schon während der Entwicklung wurden bei mehreren Kunden verschiedene Feldinstallationen durchgeführt, die den Nachweis der Stabilität und der Reproduzierbarkeit der Ultraschallmessung zum Ziel hatten. Mit positivem Ergebnis der Installationen wurde die Entwicklung weitergetrieben.

Nach der offiziellen Vorstellung des PSQ6000 auf der Messe "Schweißen und Schneiden" im September 2001 fanden verschiedene weitere Installationen statt. Es ging den Kunden darum, das System kennenzulernen, seine Möglichkeiten zu bewerten und den Einsatz in der Serie vorzubereiten.

AUDI

  • Laborinstallation in der Lernstatt
  • Vergleichsmessung im Technikum
  • Einzelne Anlagen in der Produktion
  • Serieneinsatz in einem neuem Projekt

BMW

  • Einsatz in der Produktion
  • Laborinstallation
  • Serieneinsatz in einem neuem Projekt

Daimler-Chrysler

  • Einsatz in der Produktion
  • Laborinstallation
  • Diplomarbeit

VW

  • Laborinstallation
  • Einsatz in der Produktion

Es gibt weitere Installationen, die aber noch nicht so weit vorangetrieben sind wie die erst genannten. Hierunter fallen Fa. Ford, Fa. Inpro, SLV-Duisburg.

Bei den Installationen gab es kundenspezifische Unterschiede in der Art und Weise, wie man an das neue Thema heranging. Ein Ansatz war, das System im Labor kennenzulernen und seine Möglichkeiten zu bewerten. Hier wurde das neuartige Leistungsmerkmal deutlich, daß man mit PSQ6000 das Wachstum des Schweißpunktes beobachten kann. Man kann ausgehend von einem Vorgabewert nach DVS oder einer Hausnorm die Schweißparameter optimieren. Man kann die Stromzeit optimieren (Taktzeit). Schließlich bietet das System weitere Möglichkeiten bei der Erarbeitung der Schweißparameter neuer Materialien oder Beschichtungen.

Bei den Installationen in der laufenden Produktion lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Stabilität der Messung, der Regelung und der Bewertung. In der Massenproduktion treten andere Effekte auf als im Labor. In den Feldinstallationen wurden Verschleißeffekte, Auswirkungen des Kappenfräsens, Werkzeugwechsel beobachtet und ausgewertet. Selbst wenn ein PSQ6000-System nur an einer Anlage installiert ist, fallen täglich mehrere tausend / zigtausend Schweißpunkte an, die in einer Online-Datenbank aufgezeichnet werden können. Mit einer Auswertesoftware kann man dann die Lage des Aufschmelzens, Fräszyklen oder Kappenleben analysieren. Immer muß man dabei die Gegebenheiten der Anlage und die Schweißaufgabe zur Analyse heranziehen.

4.2 Messung
Die Durchschallung der Anordnung Schaft / Blech / Schaft mit transversalen Ultraschallwellen erwies sich sowohl im Labor als auch in der Produktion als stabil und reproduzierbar.

  • Unterschiedliche Stahlsorten bis hin zu höherfesten Stählen können durchschallt werden
  • Beschichtungen wie Zink, Bonazink beeinflussen in charakteristischer und damit planbarer Weise den Transmissionsverlauf
  • Eingebrachte Kleber oder Dichtpasten stören die Messung nicht, sondern gestalten den Transmissionsverlauf eher ruhiger
  • Spritzer werden erkannt und gemeldet
  • Passungsprobleme werden erkannt

Schwierig für die Ultraschallmessung sind z.Zt. noch Störungen im Schweißprozeß wie Elektrodenschiefstand oder extreme Passungsprobleme (Fischmäuler). Es wird versucht, durch geeignete Wahl der Schweißparameter (z.B. Slope) die Auswirkung auf die Ultraschallmessung zu entschärfen.

4.3 Sensorik
Die heute verfügbare Sensorik - Sender und Empfänger- liefert stabile Signale mit brauchbarer Amplitude.

Die Vielfalt an Zangenbauformen und Schaftgeometrien erfordert immer besonderes Augenmerk für die Anbringung der Sensoren.

Bei der Nachrüstung gibt es häufig Schwierigkeiten mit Kollisionen mit dem Bauteil oder Vorrichtungen.

Bei der am längsten bestehenden Installation in der Produktion bei BMW war der Ultraschallempfänger mit ca. 5 Mio Schweißungen im Einsatz. Damit ist die Lebensdauer der Sensorik in der Fertigung zusätzlich abgesichert.

Die Entwicklung der Sensorik wird weitergehen, in kleinen Schritten und in einem Tempo, das in der Ultraschallmesstechnik möglich ist.

4.4 Regelung
Der Eingriff des Ultraschallreglers muß mit den herkömmlichen Verfahren des Verschleißausgleiches (Stepper) abgestimmt werden.

Die Regelung kann nachweislich folgende Störgrößen in bestimmten Grenzen ausregeln:

  • Nebensschluß
  • Kraftveränderung (Druckschwankungen)
  • Passungsprobleme
  • Materialveränderungen (Schichtdickenschwankungen)
  • Spritzer werden protokolliert und können durch Parameteroptimierung beseitigt werden

4.5 Überwachung

Abb 6: Überwachung
Die Überwachung setzt eine einwandfreie Messung voraus. Die überwachung bewertet die Lage der Aufschmelzflanke der Transmissionskurve mit einem geschlossenen Zahlenwert, dem "USP". Die Aufzeichnung des USP über viele Produktionsschichten hinweg, machte die Aussagekraft dieser Kenngröße deutlich. An ihr kann man die Prozeßlage der Schweißeinrichtung verfolgen. Wenn man die USP-Werte in einer Meßwertkarte sieht, erkennt man klar die Streubreite des Prozesses. Mit definierten Toleranzgrenzen und Eingriffsgrenzen kann man den Prozeß auf einen bestimmten USP-Zielwert ausrichten und überwachen. In Abbildung 6 ist der USP von einem Schweißpunkt an einem Bauteil über 425 Bauteile zu sehen. Erkennbar sind Zyklen, die durch Fräsen bzw. Kappenwechsel hervorgerufen wurden.

4.6 Dokumentation
Die Ergebnisse der Überwachung mittels USP, der gemessene Schweißstrom oder ganze Transmissionsverläufe können in einer Online-Datenbank erfaßt werden. Aus dieser Datenbank heraus können diese qualitätsrelevanten Informationen an das jeweilige Q-System im Rohbau weitgerleitet werden. Hier sind sicher kundenspezifische Anpassungen zu erwarten, da die Qualitätssysteme sich von Hersteller zu Hersteller stark unterscheiden.

5 Ausblick

5.1 Ausbau der Überwachung
Mit der Verfeinerung der Ultraschallmessung -es werden prozeßspezifische Störungen der Messung unschädlich gemacht oder durch Korrekturrechnungen ausgeglichen- wird die überwachung mittels USP eine stabile Kenngröße der Prozeßlage.

Fernziel ist die Angabe des Linsendurchmessers ebenfalls abgeleitet aus der Lage der Aufschmelzflanke der Transmissionskurve. Dann kann sich die überwachung unmittelbar auf den Linsendurchmesser stützen. Für die Bestimmung des Linsendurchmessers ist eine Skalierung der Einrichtung nötig.

5.2 Zertifizierung des Verfahrens
PSQ6000 stellt ein System zum Regeln und Prüfen von Widerstandsschweißverbindungen dar. Bevor es in die Serienfertigung eingeführt wird, muß die Prüfaussage von einer unabhängigen Stelle bestätigt werden.

5.3 Weitere Vorgehensweise
Mit einer derart neuen Technik muß sich ein potentieller Anwender zunächst -abgesetzt von Produktionszwängen- auseinandersetzen und das KnowHow aufbauen. Mit diesem Wissen ist er anschließend in der Lage, den Einsatz solcher Systeme in der Serie einzuplanen und vorzubereiten.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net