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    • 专利摘要:
    Verfahren und Vorrichtung zur schädigungsfreien Prüfung einer Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung (12) zum Erwärmen eines ersten Werkstücks (14), das mit einem zweiten Werkstück (16) verfügt ist und eine Einrichtung (18) zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilung (48) aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtung zum Erwärmen ein Induktor (28) ist, mit dem ein Magnetfeld (38) erzeugbar ist, das auf das erste Werkstück wirkt (Fig. 1).
    公开号:DE102004028607A1
    申请号:DE200410028607
    申请日:2004-06-04
    公开日:2005-12-22
    发明作者:Harald Knetsch；Klaus Gisbert Dr. Schmitt
    申请人:Newfrey LLC；
    IPC主号:B23K9-20
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schädigungsfreienPrüfungder Verbindungsqualitätvon Werkstückfügeverbindungen,das die folgenden Schritte aufweist: Verfügen eines ersten Werkstücks miteinem zweiten Werkstück;Erwärmen desmit dem zweiten Werkstückverfügtenersten Werkstücks,insbesondere auf eine Temperatur von 50° bis 500°C; und optisches Erfassen einerWärmeverteilungin einem Bereich der Verfügungdes ersten Werkstücksmit dem zweiten Werkstück.
    [0002] Dievorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur schädigungsfreienPrüfungder Verbindungsqualitätvon Werkstückfügeverbindungen, dieeine Einrichtung zum Erwärmeneines ersten Werkstücks,das mit einem zweiten Werkstückverfügtist, und eine Einrichtung zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilungaufweist.
    [0003] Einsolches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der Schrift DE 199 20 219 A1 bekannt.
    [0004] ImStand der Technik existieren verschiedene Prüf-Mess-Verfahren zur Qualitätskontrolle von Fügeverbindungen,insbesondere punktförmiger Schweißverbindungen.
    [0005] Bestimmendfür dieQualitäteiner Punktschweißverbindungist die Wärmeentwicklungin der Zone, in der die Punktschweißverbindung entstehen soll,wobei insbesondere ein ausreichend ausgedehntes Schmelzbad zwischenden miteinander zu verbindenden Teilen bzw. Werkstücken erreichtwerden muss. Fließtz.B. ein elektrischer Strom, der die Wärmeentwicklung bewirken soll,nicht nur durch die Zone, wo die Punktschweißverbindung entstehen soll,sondern auch überandere Verbindungen (die üblicherweiseals „Nebenschlüsse" bezeichnet werden),so kann dies die Qualitätder entstehenden Punktschweißverbindungerheblich beeinträchtigen undmöglicherweiseverhindern, dass die Punktschweißverbindung überhauptzustande kommt.
    [0006] Vorallem im Zuge von automatisierten Fabrikationsprozessen bestehtdas Bedürfnisnach einer kontinuierlichen Beurteilung der Qualität von Punktschweißverbindungen,um ungenügendePunktschweißverbindungensofort zu erkennen und aussondern zu können. Stichprobenartige Kontrolluntersuchungenvon Punktschweißverbindungen,die oftmals zerstörerischsind, werden u.U. nicht als ausreichend zur Sicherung der gewünschtenQualitätvon Punktschweißverbindungenerachtet.
    [0007] EinVerfahren gemäß dem Standder Technik ist gekennzeichnet durch mechanische Festigkeitsprüfungen vonBolzenschweißverbindungen.Diese Prüfungenwerden nach statistischen Gesichtspunkten durchgeführt.
    [0008] Einerstes derartiges Prüfungsverfahrenist die bekannte Meißel-Methode.Hierbei wird die Schweißverbindungmechanisch bis zum Zerreißpunktbelastet. Daraus werden Rückschlüsse aufandere, nicht untersuchte Schweißverbindungen gezogen.
    [0009] Fernergibt es zerstörungsfreiePrüfungsmethoden,wie z.B. Ultraschall- und Röntgenstrukturanalysen.Diese stellen jedoch methodisch aufwendige Analysenmethoden dar.
    [0010] Ausder DE 169 50 883A1 ist ein Verfahren zum berührungslosen und zerstörungsfreienPrüfen vonSchweißnähten anbewegten Bahnen bekannt. Dabei werden zwei Kunststoffbahnen erwärmt und anschließend mittelsAnpresswalzen verfügt.Unmittelbar nach der Verfügungwird eine der Oberflächen desso gewonnenen Schichtverbundes „online" thermografisch in Form von Zeilen erfasst.An einem so aus gescannten Zeilen bestehenden Thermografiebild kanndie Temperaturverteilung nachvollzogen werden. Bei einer homogenenstoffschlüssigenVerbindung der Bahnen erhältman eine gleichmäßige Wärmeverteilung.
    [0011] Nachteiligbei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Überprüfung der Verbindungsqualität direkt imAnschluss an den eigentlichen Verfügungsvorgang geschehen muss,um die beim Verfügenverwendete Wärmezu thermografischen Zwecken auszunutzen. Dazu muss der Thermoscannerverhältnismäßig nahzu dem Ort der Verfügungangeordnet sein. Diese Nähekann jedoch die Messung des Thermoscanners verfälschen, da diese von der abgestrahltenWärme deseigentlichen Fügungsvorgangs beeinflusstwerden kann.
    [0012] Beider bereits oben erwähnten DE 199 20 219 wird eineFertigungsstraßevorgeschlagen, in der zwei Werkstücke flächig durch punktuelles Schweißkontaktierenmiteinander verbunden werden. Um die Qualität eines Schweißpunkteszu überprüfen, ist weiterstromabwärtsgelegen eine Wärmequelleinstalliert, die dem zu überprüfenden Schweißpunkt über einenWärmeflusseine bestimmte Wärmemengepro Zeiteinheit zuführt.Noch weiter stromabwärts gelegenist anschließendein Wärmefühler vorgesehen,der die Temperatur bzw. deren Verteilung bestimmt. Auch hier wirdzur Qualitätsbestimmungdie Wärmediffusioneiner intakten Schweißverbindung mitihrer Umgebung ausgenutzt. Als Wärmequellen werdenLaser oder Mikroflammen vorgeschlagen.
    [0013] EinNachteil dieses Prüfungsverfahrensist, dass großeMengen an Energie benötigtwerden, um die (möglicherweisebereits abgekühltenWerkstücke)ausreichend zu erwärmen,um die Thermoqualitätsprüfung durchzuführen.
    [0014] Esist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtungund ein Verfahren zum schädigungsfreienPrüfender Verbindungsqualität vonWerkstückfügeverbindungenzu schaffen, wobei Energie eingespart und der Überprüfungsvorgang automati sierbarist. Insbesondere will man vom Verfügungsort unabhängig sein.
    [0015] DieseAufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der eingangs erwähnten Artgelöst,wobei das Erwärmendurch Erzeugen eines das zweite Werkstück durchdringenden Magnetfeldserfolgt.
    [0016] Dieseinduktive Erwärmunghat den Vorteil, dass die aufgewandte Energie nahezu vollständig in Wärmeenergieumgewandelt wird, die fürdie Prüfung derQualitätder Verbindung erforderlich ist. Die dem Magnetfeld durch Induktionentnommene Energie wird in Wärmeenergieumgewandelt, die durch Wirbelströmeinnerhalb des ersten Werkstückshervorgerufen wird.
    [0017] Gemäß einerbevorzugten Ausführungsform wirddas Magnetfeld durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einerWechselspannung, vorzugsweise ab 1 kHz erzeugt.
    [0018] DasAnlegen einer Wechselspannung erhöht den Grad der durch die Induktionerzeugten Wärme inden zu prüfendenWerkstücken.
    [0019] VonVorteil ist, wenn beim Erwärmenauch das zweite Werkstückvon dem Magnetfeld durchdrungen wird.
    [0020] Sowird nicht nur lediglich im ersten Werkstück, sondern auch im zweitenWerkstückWärme erzeugt.Es findet somit nicht nur ein Wärmefluss vomersten Werkstückin Richtung des zweiten Werkstücksstatt, sondern auch umgekehrt. Auf diese Weise kann die zur Messungerforderliche Wärmeverteilungschneller erzielt werden. Die Wärmeverteilt sich gleichmäßiger.
    [0021] Fernerist es bevorzugt, wenn die Erwärmungzeitlich nach der Verfügungerfolgt.
    [0022] Dieshat den großenVorteil, dass die Prüfungder Qualitätder Schweißverbindungenerheblich späterals das eigentliche Verfügender Werkstückeerfolgen kann. Dies ist insbesondere wichtig, wenn das Prüfverfahrenin einer Fertigungsstraße, wiez.B. in der Automobilindustrie, angewendet werden soll. Die einzelnenArbeitsstationen innerhalb einer Straße können so entkoppelt werden.So lässt sichdie Flexibilitätbei der Gestaltung einer Fertigungsstraße erhöhen.
    [0023] Besondersgute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Verfügen durch Schweißen, insbesondere durchLichtbogenschweißen,erfolgt.
    [0024] Beidieser Art der Verfügungkommt es zu einer stoffschlüssigenVerbindung zwischen den beiden Werkstücken. Die stoffschlüssige Verbindung verstärkt denWärmeflusszwischen den zu verbindenden Werkstücken. Die Erwärmungszeitder zu prüfendenSchweißstellelässt sichso verkürzen,wodurch der Taktzyklus erhöhtwerden kann.
    [0025] Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsformwird zum Erzeugen des Magnetfelds ein Induktor so in die Nähe des erstenWerkstücksgebracht, dass das Magnetfeld ausreichend große Wirbelströme in demersten Werkstückerzeugt, um das Prüfungsverfahrengemäß der vorliegendenErfindung durchführenzu können.
    [0026] DerInduktor kann also beweglich gelagert sein, so dass er noch näher an diezu erwärmenden Werkstücke herangeführt werdenkann. Er lässtsich jedoch nach dem induktiven Erwärmungsvorgang wieder entfernen,um Platz füreinen Austausch der zu prüfendenWerkstückezu schaffen, insbesondere dann, wenn die zu verbindenden Werkstücke sperrig ausgebildetsind. Auch diese Maßnahmeunterstützt dieEnergieeinsparung beim Erwärmen,wobei jedoch ein größtmöglichesMaß anFlexibilitätgewahrt bleibt, was das Austauschen der Werkstücke betrifft.
    [0027] DieAufgabe wird des Weiteren durch eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Artgelöst,bei der die Einrichtung zum Erwärmenein Induktor ist, mit dem ein Magnetfeld erzeugbar ist, das aufdas erste Werkstückwirkt.
    [0028] DasVorsehen eines Induktors ermöglichtdie induktive Erwärmungder zu prüfendenVerbindungsstelle. Eine induktive Erwärmung ermöglicht die Einsparung von Energiezur Erwärmung.
    [0029] Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsformist der Induktor auf einer Seite des mit dem ersten Werkstück verfügten zweitenWerkstücksangeordnet, auf der sich das erste Werkstück befindet, und die Einrichtungzum optischen Erfassen ist auf einer dieser Seite gegenüberliegendenSeite angeordnet.
    [0030] DieseArt der Anordnung hat den Vorteil, dass die Einrichtung zum optischenErfassen so angeordnet ist, dass die durch Induktion erzeugte Wärme in Richtungdieser Einrichtung fließt.Auf diese Weise lassen sich die Verbindungen zwischen den Werkstücken besondersgut beobachten bzw. bewerten.
    [0031] Weiterist es bevorzugt, wenn eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehenist, die mit dem Induktor und der Einrichtung zum optischen Erfassen gekoppeltist.
    [0032] DieSteuer- und Auswerteeinrichtung ermöglicht die direkte Auswertungder durch die Einrichtung zum optischen Erfassen einer Wärmeverteilunggewonnenen Daten. Die Steuerkomponente kann regelnd auf die Vorrichtungeinwirken, um z.B. äußere Einflüsse wieTemperaturschwankungen oder eine Erwärmung des Induktors zu kompensieren.
    [0033] Vorzugsweiseist die Einrichtung zum optischen Erfassen eine Infrarotkamera,die insbesondere mit Wellenlängeneines Bereichs von 8 bis 14 μm oder1 bis 2 μmarbeitet.
    [0034] EineInfrarotthermografie bei niedriger Temperatur (z.B. T < 100°C) kann (jenach Material der Werkstücke)eine Kamera erfordern, die bei einer Wellenlänge von 8 bis 14 μm betriebenwird. Sowohl Stahl als auch Aluminium emittieren Infrarotlicht nur ingeringem Maße.Dieses emittierte Licht hat eine Wellenlänge von ca. 8 bis 14 μm.
    [0035] EineInfrarotthermografie bei höherenTemperaturen (z.B. T < 300°C) lässt Kameraszu, die vorzugsweise bei einer Wellenlänge von 1 bis 2 μm betriebenwerden. In diesem Bereich emittiert z.B. Stahl die Infrarotstrahlungoptimal und negative Oberflächeneffekteverschwinden nahezu vollständig.
    [0036] Fernerlassen sich mit einer Infrarotkamera geringste Temperaturunterschiedeoptisch darstellen. Dies ist fürdie in Frage stehende Anwendung besonders von Vorteil.
    [0037] Gemäß einerbevorzugten Ausführungsform istder Induktor mit einer Spannungsquelle verbunden, die insbesondereeine Wechselspannung von mindestens 1 kHz liefert, wobei die Wechselspannungz.B. eine Sinusspannung, eine Dreiecksspannung oder eine Rechteckspannungsein kann.
    [0038] Wiebereits oben erwähnt,wird durch Vorsehen einer solchen Spannung die induktive Erwärmung besondersbegünstigt.
    [0039] Fernerist es bevorzugt, wenn der Induktor eine Kreisspule ist, die imWesentlichen koaxial zu einer Längsachsedes ersten Werkstücksanordenbar ist.
    [0040] EineKreisspule weist in der Regel eine mittige Öffnung auf, in die das ersteWerkstückeingeführt werdenkann, insbesondere, wenn dieses dementsprechend ausgebildet ist.Eine Kreisspule ist auch von Vorteil, wenn das erste Werkstück ein Bolzenist. Die mittlere Öffnungder Kreisspule kann dann den Bolzen nahezu vollständig umschließen. Diesich durch die Mitte der Spule erstreckenden Magnetfeldlinien können soden Bolzen bzw. die zu untersuchende Verbindungsstelle gut passieren.
    [0041] VonVorteil ist auch, wenn der Induktor aus einem ferromagnetischenMaterial besteht, das insbesondere jochförmig ausgebildet ist.
    [0042] Wennein jochförmigerInduktor verwendet wird, so wird dieser in der Regel durch eineSpule magnetisiert werden. Durch Vorsehen eines Jochs lässt sichdie magnetische Energie an einem anderen Ort als an dem Ort applizieren,an dem die das Magnetfeld erzeugende Spule vorgesehen ist. Insbesonderedie Form des Jochs lässtsich beliebig gestalten. Dies erhöht die Flexibilität insofern,dass selbst komplex gestaltete Werkstücke von einem ggf. entsprechendkomplex gestalteten Joch umgeben werden können, um dieses Werkstück optimalinduktiv zu erwärmen.
    [0043] Gemäß einerweiteren Ausführungsformist der Induktor mit einem Temperatursensor gekoppelt. Für das ersteWerkstückkann ein weiterer Temperatursensor vorgesehen sein, um dessen Wärme zu erfassen.Beide Temperatursensoren könnenmit der Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden sein.
    [0044] DieseMaßnahmenermöglichenes, Temperaturschwankungen besser bei der Auswertung der Wärmeverteilungzu berücksichtigen.Temperaturschwankungen treten insbesondere dann auf, wenn die Taktzyklender Prüfungverkürztwerden. In einem solchen Fall wird der Induktor sich selbst erwärmen undkann somit eine Fehlerquelle bei der Auswertung darstellen.
    [0045] UmRestwärmevom Verfügungsprozessberücksichtigenzu können,kann auch die Temperatur des ersten Werkstücks gemessen werden. Anhand dieserMessung kann die Steuer- und Auswertevorrichtung erstens das Messergebnisentsprechend kompensieren und zweitens regelnd in den Prüfvorgangeingreifen, was z.B. die Stärkedes die Wärme induzierendenMagnetfelds betrifft. Auf diese Weise können konstante Bedingungenfür jedeneinzelnen Messvorgang geschaffen werden.
    [0046] Esversteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehendnoch zu erläuternden Merkmalenicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch inanderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohneden Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    [0047] Ausführungsbeispieleder Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in dernachfolgenden Beschreibung nähererläutert.Es zeigen:
    [0048] 1 eineVorrichtung zum schädigungsfreienPrüfender Verbindungsqualitätvon Werkstückverbindungengemäß der vorliegendenErfindung;
    [0049] 2a und 2b Wärmeverteilungen,wie sie aus Sicht entlang der Linie II-II der 1 gesehen werdenkönnen;
    [0050] 3 eineweitere Ausführungsformeines Induktors füreine Vorrichtung gemäß der vorliegendenErfindung; und
    [0051] 4 einFlussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrens gemäß der vorliegendenErfindung.
    [0052] Inder nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformender Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen immer gleiche Elemente.Die Vorrichtung gemäß der vorliegendenErfindung wird allgemein mit 10 bezeichnet.
    [0053] 1 zeigteine Vorrichtung 10 zum zerstörungsfreien Prüfen derVerbindungsqualitätz.B. einer Bolzenschweißverbindung.Die Vorrichtung 10 umfasst eine Einrichtung 12 zumErwärmenz.B. eines Bolzens 14, der mit einem Werkstück 16 (stoffschlüssig) verfügt ist.
    [0054] DerBolzen 14 ist in der 1 von obenmit dem darunter angeordneten Werkstück 16 verfügt worden.Die Station zum Verfügenist in 1 nicht gezeigt. Die Darstellung der 1 zeigteine Schnittansicht durch die Erwärmungseinrichtung 12 unddie Werkstücke 14 und 16.
    [0055] EineInfrarotkamera 18 ist dem Werkstück 16 gegenüberliegendangeordnet. Die Pfeile 20 und 22 deuten den Sichtbereichder Kamera 18 schematisch an. Die Kamera 18 „blickt" in der 1 vonunten auf das Werkstück 16.Der Bolzen 14 wurde auf der gegenüberliegenden Seite mit demWerkstück 16 verfügt.
    [0056] DieKamera 18 ist ferner mit einer Auswerteeinheit 24 verbunden.Mit der Kamera 18 könnenBilder von Wärmeverteilungenaufgenommen werden. Bilder solcher Wärmeverteilungen sind schematisch inden 2a und 2b dargestellt,die nachfolgend detaillierter erläutert werden.
    [0057] Mitder Auswerteeinheit 24 können Bilder von Wärmeverteilungenausgewertet werden. Die Auswerteeinheit 24 ist deshalbz.B. mit einer Speichereinheit zum Speichern von Bilddaten und einer Verarbeitungseinheit(nicht dargestellt) versehen, wie z.B. mit einem Mikroprozessor.
    [0058] DieAuswerteeinheit 24 ist wiederum über eine Leitung 25 miteiner Steuereinheit 26 verbunden. Die Steuereinheit 26 regeltdie Energiezufuhr der Einrichtung 12.
    [0059] DieErwärmungseinrichtung 12 umfasstvorzugsweise eine ringförmigeSpule 28, die mit der Steuereinheit 26 über eineLeitung 29 verbunden ist. Die Spule 28 ist aneinem vorzugsweise beweg lich gelagerten Halter 30 angebracht.Der Halter 30 kann auch durch einen Wickelkörper derSpule 28 selbst gebildet sein und ist vorzugsweise auseinem nicht magnetisierbaren Material.
    [0060] DieInduktor- bzw. Spulenwicklung ist in der 1 durchRechtecke dargestellt, die ein oval mit einem Kreuz bzw. mit einemPunkt beinhalten. Die Wicklung ist so ausgestaltet, dass ein inder Wicklung fließenderStrom in der in 1 links dargestellten Hälfte indie Zeichenebene hinein und in der in 1 rechtsdargestellten Hälfteder Spule aus der Zeichenebene herausfließt. Nach der Rechten-Hand-Regel wirdsomit bei Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld induziert, das,wie in 1 gezeigt, nach unten orientiert ist.
    [0061] MagnetischeFeldlinien sind in der 1 schematisch mit den Pfeilen 38 angedeutet.Die Magnetfeldlinien 38 laufen durch eine mittlere Öffnung 32 derSpule 28.
    [0062] AusGründen,die spätererläutertwerden, kann die Vorrichtung 10 ferner eine erste Temperatursonde 34 umfassen,die an die Auswerteeinheit 24 gekoppelt ist. Bei der inder 1 dargestellten Ausführungsform ist die erste Temperatursonde 34 über eineLeitung 37, die Steuereinheit 26 und die Leitung 25 mitder Auswerteeinheit 24 gekoppelt. Alternativ kann die ersteTemperatursonde 34 auch direkt mit der Auswerteeinheit 24 verbundenwerden.
    [0063] DieVorrichtung 10 kann ferner eine zweite Temperatursonde 36 umfassen,die ebenfalls über eineLeitung 37, vergleichbar zu der ersten Temperatursonde 34,mit der Auswerteeinheit 24 gekoppelt ist.
    [0064] Mithilfeder beiden Temperatursonden 34 und 36 können Temperaturschwankungeninnerhalb des Systems bestimmt und durch die Auswerteeinheit 24 kompensiertwerden.
    [0065] DieSteuereinheit 26 umfasst eine (nicht dargestellt) Strom- bzw. Spannungsquellemit der die Spule 28 mit Energie versorgt wird.
    [0066] DurchAnlegen einer geeigneten Spannung fließt in der Spule 28 einStrom. Der Stromfluss in der Spule induziert das Magnetfeld 38.Vorausgesetzt, der Bolzen 14 wurde zuvor innerhalb derSpulenöffnung 32 angeordnet,induziert das Magnetfeld 38 Wirbelströme innerhalb des (elektrischleitenden) Bolzens 14, da dieser von dem Magnetfeld 38 durchdrungenwird. Die Wirbelströmeinnerhalb des Bolzens wiederum erzeugen (auf Grund von Reibung) diegewünschteWärme.
    [0067] DieEnergie, die zur Wärmeerzeugungbenötigtwird, wird also aus dem magnetischen Feld 38 der Spule 28 gezogen.Die so erzeugte Wärmediffundiert in Richtung des Werkstücks 16, um ein thermischesGleichgewicht mit der Umgebung herzustellen. Ein solcher Wärmeflussist schematisch mit einem Pfeil 40 angedeutet.
    [0068] DieWärme kannnatürlichnur dort zwischen dem Bolzen 14 und dem Werkstück 16 fließen, wo dieseeine vorzugsweise stoffschlüssigeVerbindung miteinander eingegangen sind. Im Idealfall ist der Bolzen 14 vollständig stoffschlüssig mitdem Werkstück 16 verbunden.In diesem Fall ist die Wärmeverteilunghomogen.
    [0069] Inden 2a und 2b isteine solche homogene Wärmeverteilung 48 inSchwarz/Weiß-Darstellungveranschaulicht. Vorzugsweise wird die Wärmeverteilung farblich angezeigt,um besser zwischen unterschiedlichen Wärmegraden differenzieren zu können. DieWärmegradelassen sich der in den 2a und 2b jeweilsrechts dargestellten Wärmeskala 50 entnehmen.
    [0070] Inden 2a und 2b istjeweils ein Bild der Infrarotkamera 18 entlang der LinieII-II der 1 dargestellt. Die Darstellungender 2a und 2b zeigensomit Bilder, wie sie mittels der Infrarotkamera 18 gewonnenwerden.
    [0071] Inder Wärmeverteilung 48 der 2b erkenntman ein annäherndkreisförmigeshelles Zentrum 52. Dieses Zentrum 52 entsprichtungefährder Kontaktflächedes Bolzens 14 mit dem Werkstück 16. Da die in der 2b dargestellteVerbindung vollständigstoffschlüssigerfolgt ist, stellt sich eine homogene Wärmeverteilung ein. Der Wärmegrad nimmtradial nach außenab. Dies rührtdaher, da vorzugsweise lediglich der Bolzen 14 induktiverwärmt wird.
    [0072] Eineganz andere Situation stellt sich jedoch dar, wenn die Verbindungzwischen dem Bolzen 14 und dem Werkstück 16 nicht vollständig stoffschlüssig erfolgtist. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn es während des Vorgangs des Verschmelzensder Werkstücke(d.h. beim Verfügen)zu Lufteinschlüssen gekommenist. An den Orten, wo es zu Lufteinschlüssen gekommen ist, wird dieWärme schlechter übertragen.
    [0073] Einesolche Situation ist in 2a dargestellt.Man erkennt in der 2a deutlich, dass das helleZentrum 52 in der Wär meverteilung 48 mitdiskreten dunkleren Bereichen 54 versehen ist. Diese dunklerenBereiche verdeutlichen eine geringere Temperatur. An diesen Stellenerfolgt also auch ein geringerer Wärmefluss. Die 2a stelltsomit eine qualitativ schlechte Verbindung dar.
    [0074] In 3 isteine alternative Ausführungsform einerErwärmungseinrichtung 12 gemäß der vorliegendenErfindung dargestellt.
    [0075] Zusätzlich zuder Spule 28 ist bei dieser Ausführungsform ein Feldformer bzw.Joch 60 aus einem vorzugsweise ferromagnetischen Werkstoffvorgesehen. Der in 3 dargestellte Induktor erzeugtein Magnetfeld 38, das vorzugsweise senkrecht zur LängsachseA des Bolzens 14 orientiert ist. Das Joch 60 weistebenfalls eine Öffnung 32 auf,in die der Bolzen 14 eingeführt werden kann.
    [0076] ImUnterschied zu dem Induktor der 1 regt derInduktor gemäß der 3 Wirbelströme lediglichim Bolzen 14 an. Dennoch kommt es zu dem gewünschtenWärmefluss 40.
    [0077] DasVorsehen des Jochs 60 hat mehrere Vorteile. Zum einen wirdlediglich der Bolzen 14 induktiv erwärmt. Die magnetische Energiedes Magnetfelds 38 ist im Wesentlichen zwischen den Schenkelndes Jochs 60 konzentriert. Somit kann die Energieausbeutebzw. -umwandlung noch effektiver gestaltet werden, da im Wesentlichenlediglich der Bolzen 14 induktiv erwärmt wird. Das Magnetfeld 38 außerhalbder Öffnung 32 istvernachlässigbargering hinsichtlich der Möglichkeit,induktiv zu erwärmen.
    [0078] Esversteht sich, dass der Bolzen 14 lediglich eine exemplarischeAusbildung eines ersten Werkstücksdarstellt, das mit dem zweiten Werkstück 16 verfügt bzw.verschweißtwird. Der bisher beschriebene Bolzen 14 ist rotationssymmetrischausgebildet und weist einen länglichenBolzenschaft auf. Die Form des ersten Werkstücks kann jedoch auch beliebiganders gestaltet sein. Dies kann es u.U. erforderlich machen, dieForm des Jochs 60 zu verändern. Das ist insbesonderedann der Fall, wenn die Gestalt der miteinander zu verfügenden Werkstücke komplex ist.
    [0079] Diein 3 gezeigte Form des Jochs 60 ist jedochnur exemplarisch. Jede beliebige andere Form ist möglich.
    [0080] In 4 istein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindungveranschaulicht.
    [0081] Zuerstwerden die miteinander zu verfügendenWerkstücke,insbesondere durch Schweißen, miteinanderverfügt(Schritt S1). Anschließendwird ein Induktor in die Näheder zu überprüfenden Verbindungsstellegebracht, um zumindest eines der Werkstücke induktiv zu erwärmen (SchrittS2). Nach der induktiven Erwärmungwird eine Wärmeverteilungmittels der in 1 dargestellten Infrarotkamera 18 optischerfasst. Die so gewonnenen Daten können anschließend durchdie in 1 dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit 24, 26 ausgewertetwerden (Schritt S3).
    [0082] Esversteht sich, dass der Induktor auf verschiedene Arten gebaut werdenkann. Eine ungleichmäßige Verteilungder magnetischen Feldlinien kann von Vorteil sein, da dies zu einerWärmeeinbringung führt, diezum größten Teilauf eines der Werk stücke konzentriertist und somit den gewünschtenWärmeflusserzeugt.
    [0083] Vorzugsweisewird die Energie zur induktiven Erwärmung mit Wechselströmen mitFrequenzen von größer als1 kHz bereitgestellt. Die Wellenform des Wechselstroms kann unterschiedlichsein. Vorzugsweise wird ein sinusförmiger Wechselstrom verwendet.Auf diese Weise kann ein geregelter, sehr fein dosierter Wärmeflussreproduzierbar in die Verbindung eingebracht werden und auf derWerkstückrückseiteTemperaturverteilungen von vorzugsweise 50 bis 500°C erzeugen.Andere Temperaturen sind jedoch möglich.
    [0084] DieTemperaturverteilung auf der Rückseite desWerkstücks,d.h. genau gegenüberder Verbindungsstelle, wird von der Infrarotkamera erfasst und visualisiert.Die äußere Konturder Fügezonegrenzt sich farblich (in den 2a und 2b lediglich schwarzweiß dargestellt)gegenüberden benachbarten Bereichen deutlich ab. Die Flächen der Fehlstellen innerhalbder Fügezoneunterscheiden sich farblich klar von den Flächen, die die stoffschlüssigen Verbindungsbereicheder Fügezonedarstellen.
    [0085] DieAuswertung erfolgt in der Regel über eineintegrale Berechnung der verschiedenen Flächenanteile der Fügezone.Das Verhältnisvon Flächender Fehlstellen zu Flächender stoffschlüssigen Verbindungenkann prozentual dargestellt werden. Darüber hinaus kann auch die Lagevon Fehlstellen bewertet werden, wenn es für die dynamische Qualität einerVerbindung von ausschlaggebender Bedeutung ist, ob sich eine Fehlstelleam Rand oder in der Mitte der Fügezonebefindet.
    [0086] DieseBewertungen könnenbei einer automatischen Anlage, z.B. in einer Fertigungsstraße, für jede einzelneVerbindung ausgeführtwerden. Es könnenauch nur statistisch ausgewählteVerbindungen geprüftwerden. Je nach Prüfergebniskann die Verbindung an einer anderen Stelle der Fertigungsstraße nachgearbeitetwerden.
    [0087] Eswird abschließendfestgestellt, dass durch die vorliegende Erfindung eine zerstörungsfreieund schädigungsfreiePrüfungvon Fügeverbindungen,insbesondere Bolzenschweißverbindungen, ermöglicht wird.Die Bewertung der Verbindungsqualität kann computergestützt erfolgen.
    [0088] DieSteuer- und Auswerteinheit 24, 26 kann als einzelneVorrichtung oder, wie in 1 gezeigt, modular vorgesehenwerden.
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] Verfahren zur schädigungsfreien Prüfung einer Verbindungsqualität von Werkstückfügeverbindungen,das die folgenden Schritte aufweist: Verfügen (S1) eines ersten Werkstücks (14)mit einem zweiten Werkstück(16); Erwärmen(S2) des mit dem zweiten Werkstück(16) verfügtenersten Werkstücks(14), insbesondere auf eine Temperatur von 50°–500°C; und optischesErfassen (S3) einer Wärmeverteilung(48) in einem Bereich der Verfügung des ersten Werkstücks (14)mit dem zweiten Werkstück(16); dadurch gekennzeichnet, dass dasErwärmen(S2) durch Erzeugen eines das erste Werkstück (14) durchdringendenMagnetfelds (38) erfolgt.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Magnetfeld (38) durch Anlegen einer Spannung,insbesondere einer Wechselspannung von vorzugsweise mindestens 1kHz, erzeugt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass beim Erwärmenauch das zweite Werkstück(16) von dem Magnetfeld (38) durchdrungen wird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Erwärmungzeitlich nach der Verfügungerfolgt.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass das Verfügendurch Schweißen,insbesondere Lichtbogenschweißen,erfolgt.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass zum Erzeugen des Magnetfelds (38) ein Induktor (28)so in Nähedes ersten Werkstücks(14) gebracht wird, dass das Magnetfeld (38) Wirbelströme in demersten Werkstück (14)erzeugt.
    [7] Vorrichtung (10) zur schädigungsfreien Prüfung einerVerbindungsqualitätvon Werkstückfügeverbindungen,die eine Einrichtung (12) zum Erwärmen eines ersten Werkstücks (14),das mit einem zweiten Werkstück(16) verfügtist, und eine Einrichtung (18) zum optischen Erfassen einerWärmeverteilung(48) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung(12) zum Erwärmenein Induktor (28) ist, mit dem ein Magnetfeld (38)erzeugbar ist, das auf das erste Werkstück wirkt.
    [8] Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Induktor (28) auf einer Seite des mit dem erstenWerkstück(14) verfügtenzweiten Werkstücks(16) angeordnet ist, auf der sich das erste Werkstück (14)befindet, und die Einrichtung (18) zum optischen Erfassenauf einer dieser Seite gegenüberliegendenSeite angeordnet ist.
    [9] Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,dass eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (24, 26)vorgesehen ist, die mit dem Induktor (28) und der Einrichtung(18) zum optischen Erfassen gekoppelt ist.
    [10] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Einrichtung (18) zum optischen Erfassen eine Infrarotkamera(18) ist, die insbesondere mit Wellenlängen eines Bereichs von 8–14 μm oder 1–2 μm arbeitet.
    [11] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass der Induktor (28) mit einer Spannungsquelle (26)verbunden ist, die insbesondere eine Wechselspannung von mindestens1 kHz liefert, wobei die Wechselspannung insbesondere eine Sinusspannung,eine Dreiecksspannung oder eine Rechteckspannung ist.
    [12] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass der Induktor (28) eine Kreisspule (28) ist,die im Wesentlichen koaxial zu einer Längsachse (A) des ersten Werkstücks (14) anordenbarist.
    [13] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass der Induktor (28) aus einem ferromagnetischen Materialbesteht, das insbesondere jochförmigausgebildet ist.
    [14] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet,dass der Induktor (28) mit einem Temperatursensor (36)gekoppelt ist.
    [15] Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass ein weiterer Temperatursensor (36) zum Erfassen einerTemperatur des ersten Werkstücks(14) vorgesehen ist.
    [16] Vorrichtung nach Anspruch 9 und 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Temperatursensoren (34, 36) mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung(24, 26) verbunden sind.
    [17] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet,dass das erste Werkstück(14) ein Bolzen (14) ist.
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