DE102007031982A1

DE102007031982A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines Schweißvorgangs

Info

Publication number: DE102007031982A1
Application number: DE102007031982A
Authority: DE
Inventors: Oliver Romoser; Matthias Gebhard; Christian Knoll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses in einer Schweißanlage, wobei ein Schweißobjekt an einer Verbindungszone durch Aufheizung mittels eines elektrischen Stromflusses durch die Verbindungszone aneinandergefügt wird und wobei der elektrische Strom über eine erste und eine zweite Kontaktstelle in das Schweißobjekt eingebracht wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Verbindungszone mit zumindest einer Kamera und/oder einem Strahlungs-Sensor aufgenommen wird und dass aus einer Bildinformation der Kamera und/oder einem Ausgangssignal des Strahlungs-Sensors auf die Güte des Schweißprozesses geschlossen wird. Durch die Beobachtung der Verbindungszone mit einer Kamera, insbesondere mit einer so genannten Hochgeschwindigkeitskamera, kann mit hoher heitlicher Auflösung eine Helligkeitsverteilung, die eine Temperaturverteilung repräsentiert, bewertet und bei Bedarf auch dokumentiert werden, die eine Bewertung der Güte des Verbindungsprozesses ermöglicht. Eine Verbindung guter Qualität zeichnet sich durch die Erreichung einer Mindest-Temperatur aus, die nach einem Kalibrierschritt einer Mindest-Helligkeit entspricht. Weiterhin zeichnet sie sich durch einen zeitlichen Verlauf und eine örtliche Verteilung der Helligkeit aus, die von der Geometrie des Schweißobjekts und den Materialkennwerten bestimmt werden. Demgegenüber deuten beispielhaft schnelle starke Helligkeitsschwankungen oder ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses in einer Schweißanlage, wobei ein Schweißobjekt an einer Verbindungszone durch Aufheizung mittels eines elektrischen Stromflusses durch die Verbindungszone aneinandergefügt wird und wobei der elektrische Strom über eine erste und eine zweite Kontaktstelle in das Schweißobjekt eingebracht wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses in einer Schweißanlage, wobei zur Erhitzung einer Verbindungsstelle eines Schweißobjekts eine über eine erste und zweite Kontaktstelle mit dem Schweißobjekt verbundene Regeleinheit vorgesehen ist.
In einem Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozess werden zwei Teile eines leitfähigen Schweißobjekts an einer Verbindungszone zusammengefügt, indem die Verbindungszone mittels elektrischen Stroms auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird. Beispielhaft können zwei verzinnte Kupferbauteile durch Diffusionsschweißen verbunden werden, indem die Verbindungszone auf ca. 700°C erhitzt wird und das Zinn in die Oberfläche des Kupferbauteils eindiffundiert. Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesse werden gemäß dem Stand der Technik mittels der Überwachung und Auswertung der zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung sowie eines Verlaufs der Kraft der die Teile eines Schweißobjekts zusammenfügenden Zangen geregelt und hinsichtlich der Qualität der Verbindung bewertet. Es kann auch vorgesehen sein, den Verfahrweg der Zangen zu bewerten. Eine direkte vollständige Bewertung der Verbindungsstelle nach erfolgtem Schweißprozess ist nicht möglich, da die Innenfläche nicht mehr zugänglich ist. Risse und/oder innere Defekte können nicht festgestellt werden. Verfahren wie Computertomographie oder zerstörende Verfahren zur Bewertung solcher inneren Defekte sind möglich, aber zeit- und kostenaufwändig.
Aus der DE 197 16 293 C2 ist ein Verfahren bekannt, nach dem bei einem Laserschweißprozess der Schmelzbereich des Werkstückmaterials mittels einer Kamera aufgezeichnet und aufgrund geometrischer Daten mittels Bildverarbeitung der Schweißprozess geregelt wird. Insbesondere werden eine Schmelzbadlänge und/oder eine Schmelzbadfläche bestimmt, um eine Tiefe der Schweißung zu bestimmen. Eine Auswertung der Helligkeit der Strahlung des Schmelzbades wird wegen der Störeinflüsse durch die Laserstrahlung nicht vorgenommen.
Aus der DE 198 22 924 C2 ist weiterhin ein Verfahren zur automatischen Beurteilung bzw. Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls bekannt, wobei diese Vorrichtung auch zur On-Line-Prozessüberwachung in der Qualitätssicherung, beispielsweise in der Fertigung mit einem Laserschweißverfahren, einsetzbar ist. In dieser Schrift werden Eigenschaften des Laserstrahls bestimmt, nicht solche des Schmelzbades.
Aus der DE 101 03 255 B4 ist ein Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen bekannt, bei dem die Prozesse mittels einer Kamera mit hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf der Grundlage von Referenzdaten weiterverarbeitet werden, wobei die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses aus den Aufzeichnungen gewonnen werden und wobei in einem weiteren Schritt während des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten gegenübergestellt werden und daraus der Prozess beurteilt wird.
In den Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wird keine Beobachtung der Eigenschaften der Verbindungszone während eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißvorgangs angegeben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Überwachung und Regelung eines Widerstands- oder Diffusions-Schweißvorgangs während einer Schweißung einer Verbindungszone ermöglichen. Gute und schlechte Verbindungen sollen schnell und unmittelbar nach erfolgter Verbindung klassifiziert werden.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Verbindungszone mit zumindest einer Kamera und/oder einem Strahlungs-Sensor aufgenommen wird und dass aus einer Bildinformation der Kamera und/oder einem Ausgangssignal des Strahlungs-Sensors auf die Güte des Schweißprozesses geschlossen wird. Durch die Beobachtung der Verbindungszone mit einer Kamera, insbesondere mit einer so genannten Hochgeschwindigkeitskamera, kann mit hoher zeitlicher Auflösung eine Helligkeitsverteilung, die eine Temperaturverteilung repräsentiert, analysiert und bei Bedarf auch dokumentiert werden. Es ist so eine Bewertung der Güte des Verbindungsprozesses möglich. Eine Verbindung guter Qualität zeichnet sich durch die Erreichung einer Mindest-Temperatur aus, die nach einem Kalibrierschritt einer Mindest-Helligkeit entspricht. Weiterhin zeichnet sie sich durch einen zeitlichen Verlauf und eine örtliche Verteilung der Helligkeit aus, die von der Geometrie des Schweißobjekts und den Materialkennwerten bestimmt werden. Demgegenüber deuten beispielhaft schnelle starke Helligkeitsschwankungen oder ein niedriger Wert des Helligkeitsintegrals auf eine Schlechtschweißung hin. Die Helligkeitsschwankungen können mit der Hochgeschwindigkeitskamera erfasst und ausgewertet werden. Vorteilhaft an der Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera ist, dass auch Fehler während des Schweißprozesses erkannt werden können, die nach Abschluss des Prozesses auf dem Schweißobjekt nicht mehr feststellbar sind und nur aufwändig, wie beispielhaft mittels Computertomographie, festgestellt werden können. Eine weitere Verbesserung des Verfahrens wird durch einen Einsatz mehrerer Kameras erzielt, mit denen das Schweißobjekt aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufgenommen werden kann. Als Strahlungs-Sensor zur Beobachtung der Verbindungszone kann beispielhaft eine Pyrometer-Diode oder ein anderer optischer Sensor mit hoher zeitlicher Auflösung eingesetzt werden. Die zeitliche Auflösung des Sensors ist ausreichend, wenn er Signale im Bereich von 1 kHz verarbeiten kann.
Wird aus einer Form einer Helligkeitsverteilung eines Abbilds eines Schweißbads an der Verbindungszone die Güte der Verbindung bestimmt, kann eine gute Schweißverbindung von einer schlechten Schweißverbindung besonders zuverlässig unterschieden werden.
Wird aus einem zeitlichen Verlauf der Bildinformation die Güte der Verbindung bestimmt, kann auf Basis von Modellen und/oder Erfahrungswerten eine schnelle Entscheidung über gute und zu verwerfende Schweißverbindungen getroffen werden. Insbesondere treten bei mangelhaften Kontaktstellen an der Verbindungszone, die zu einer mangelhaften Schweißverbindung führen können, schnelle Helligkeitsschwankungen auf. Weiterhin stellt sich bei einem bekannten zeitlichen Verlauf der über den elektrischen Strom eingebrachten Energie ein für ein Schweißobjekt charakteristischer Temperatur- und damit Helligkeits-Verlauf ein. Abweichungen von diesem zeitlichen Helligkeitsverlauf lassen Unregelmäßigkeiten in der Verbindung vermuten.
Wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass die Bildinformation eine zeitliche und/oder örtliche Verteilung einer Temperatur auf der Verbindungszone in Form einer Helligkeitsverteilung darstellt und wird die Verteilung der Temperatur mit einer aus einem Wärmeflussmodell und/oder einem Vorgabewert bestimmten Verteilung der Temperatur verglichen, kann erreicht werden, dass gute und schlechte Verbindungen erkannt und unterschieden werden können. Die Bewertung der Verbindung kann dabei während des Schweißprozesses oder in einem nachfolgenden Bewertungsprozess erfolgen, in dem, beispielhaft über Bildverarbeitung, der zeitliche und/oder örtliche Verlauf der Helligkeit bewertet wird. Als Referenzdaten können dabei an in einem vorgeschalteten Schritt an Gut-Teilen ermittelte Daten verwendet werden oder es kann in einem Wärmeflussmodell die zu erwartende Temperatur- und damit Helligkeits-Verteilung bestimmt werden.
Eine schnelle Bestimmung des für die Prozessbeobachtung wichtigen Bildausschnitts ist möglich, indem der Bildausschnitt so ausgewählt wird, dass in dem Bildausschnitt auf einer zusammenhängenden Fläche und/oder der Fläche des segmentierten Schweißbades ein vorgegebener integraler Helligkeitswert überschritten wird. Diese Auswahl schränkt die zu verarbeitende Datenmenge ein und beschleunigt daher die Auswertung. Die Auswahl des Bildausschnitts ist wiederum in einem Vorverarbeitungsschritt der Bildverarbeitung mit Standard-Methoden, beispielhaft in der Bilderfassungselektronik („Framegrabber"), schnell und mit geringem Aufwand möglich.
Wird die mittlere Helligkeit über dem Bildausschnitt der Abbildung der Verbindungszone bestimmt und wird der elektrische Stromfluss durch das Schweißobjekt so geregelt, dass sich ein vorgegebener zeitlicher Verlauf der mittleren Helligkeit des Bildausschnitts der Abbildung der Verbindungszone und/oder der Fläche des segmentierten Schweißbades einstellt, kann eine schnelle und präzise Regelung und Überwachung der Temperatur der Verbindungszone erreicht werden. Wird mit der Kamera festgestellt, dass die Helligkeit und damit die Temperatur der Verbindungszone zu niedrig sind, kann der Stromfluss erhöht werden und somit eine gute Verbindung erreicht werden. Sollte trotz Ausnutzung des vorgesehenen Regelbereichs die vorgegebene Temperatur nicht erreicht werden, kann das Schweißobjekt als fehlerhaft aussortiert werden.
Wird aus einem zeitlichen Verlauf der mittleren Helligkeit der Abbildung der Verbindungszone eine Güte der Verbindung bestimmt, kann auf Basis eines Wärmeflussmodells und/oder Erfahrungswerten entschieden werden, inwiefern die Verbindungsstelle an dem Schweißobjekt die Anforderungen erfüllt.
Eine Bewertung, inwiefern eine Verbindung der zur Stromzufuhr dienenden Elektroden und dem Schweißobjekt den Erfordernissen entspricht, wird ermöglicht, indem aus der Helligkeitsverteilung über das Schweißobjekt eine Güte einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle und dem Schweißobjekt bestimmt wird. Bei ungenügender Verbindung zwischen den Elektroden und dem Schweißobjekt, beispielhaft durch verschmutzte Elektroden, tritt typischerweise eine hohe Temperatur an der ersten und/oder zweiten Kontaktstelle auf. In einem solchen Fall ist nicht die Verbindungsstelle des Schweißobjekts die bestimmungsgemäß einzige helle Stelle in der Abbildung, wodurch ein solcher Betriebsfall feststellbar ist und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
Wird die Information aus einer Auswertung der Bildinformation der Kamera mit einer Information aus zumindest einem Wegsensor und/oder Kraftsensor und/oder Stromsensor und/oder Spannungssensor und/oder Temperatursensor gekoppelt, kann die Prozess-Sicherheit weiter verbessert werden und gute und schlechte Schweißverbindungen können mit verbesserter Sicherheit erkannt werden. Die Bewertung der Schweißverbindung aus der Bildinformation der Kamera kann in einer solchen Plausibilitätsüberprüfung mit der Bewertung aus den Informationen der anderen Sensoren abgeglichen werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst, indem zur Beobachtung eines Abbilds der Verbindungszone eine Kamera vorgesehen ist und indem im Lichtweg der Kamera ein optischer Filter vorgesehen ist. Ein solcher Filter wird vorzugsweise so gewählt, dass er die typischen Wellenlängen passieren lässt, die bei einem Schweißvorgang emittiert werden. Hierdurch können beispielhaft Störungen durch Umgebungslicht ausgeblendet werden.
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines Schweißvorgangs.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines Schweißvorgangs an einem Schweißobjekt 22 in einer Schweißanlage 1, in der das Schweißobjekt 22 an einer Verbindungszone 23 zusammengefügt werden kann. Die Schweißanlage 1 kann als Widerstands- oder Diffusions-Schweißanlage ausgeführt sein. Ein Abbild 14 der Verbindungszone 23 wird mit einer Kamera 13, insbesondere einer so genannten Hochgeschwindigkeitskamera, aufgenommen, deren Ausgangsdaten einer Auswerteeinheit 10 zugeführt werden. Die Auswerteeinheit 10 kann als Personal Computer ausgeführt sein, der ein Programm zur Bilderfassung und Auswertung enthält. Die Auswerteeinheit 10 ist mit einer Eingabeeinheit 11 in Form einer Tastatur und mit einer Anzeigeeinheit 12 verbunden. Weiterhin ist die Auswerteeinheit 10 mit einer Regeleinheit 20 verbunden, mit der der Schweißprozess geregelt werden kann. Die Regeleinheit 20 ist mit dem Schweißobjekt 22 an zumindest einer ersten Kontaktstelle 21 und einer zweiten Kontaktstelle 24 verbunden, so dass ein elektrischer Strom durch das Schweißobjekt 22 geleitet werden kann, der das Schweißobjekt 22 zumindest an der Verbindungszone 23 erhitzt. Die Verbindung der Teile des Schweißobjekts 22 erfolgt durch einen Widerstands-Schweißprozess und/oder durch einen Diffusions-Schweißprozess, bei dem zwei Kupfer-Teilstücke des Schweißobjekts 22 durch aufgebrachtes Zinn verbunden werden, das in die Kupfer-Teilstücke eindiffundiert und diese verbindet.
Im Betrieb wird das Abbild 14 der Verbindungszone 23 mit der Kamera 13 beobachtet, in der Auswerteeinheit 10 die Bildinformation bearbeitet und aus der örtlichen und zeitlichen Verteilung der Helligkeitsinformation auf die Güte der Schweißung an der Verbindungszone 23 geschlossen. Hierbei wird die Bildinformation mit einer aus einem als „gut" bewerteten Schweißprozess erhaltenen Bildinformation verglichen und bewertet. Hierdurch können einerseits Fehler in tiefer liegenden Teilen der Verbindungszone 23 erkannt werden, die nach einer Abkühlung der Verbindungszone 23 nicht mehr zugänglich sind und andererseits aus der Dokumentation des Verlaufs des Prozesses Verbindungszonen 23 als „gut" eingestuft werden, ohne dass sie, beispielhaft durch Computertomographie, aufwändig untersucht werden müssen.
Zur Regelung von Strom und Spannung am Schweißobjekt 22 ist die Regeleinheit 20 vorgesehen. Das von der Kamera 13 aufgenommene Bild wird hinsichtlich der Helligkeit in der Verbindungszone 23 bewertet und in der Auswerteeinheit 10 Vorgabewerte für die Regeleinheit 20 abgeleitet. Durch eine hohe zeitliche Auflösung der Kamera 13 von beispielhaft 10 bis 30 kHz Bildfrequenz kann eine schnelle Regelung des Prozesses erfolgen und bei einer durch Vergleich mit einem Referenzprozess als zu niedrig erkannten Bildhelligkeit über eine Veränderung der Soll-Werte der Regeleinheit 20 die Stromstärke durch das Schweißobjekt 22 erhöht werden und die Qualität der Verbindung erhöht werden. Die hohe Bildfrequenz ermöglicht auch eine Überwachung und Regelung eines Schweißprozesses mit kurzer Taktdauer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19716293 C2 [0004]
- DE 19822924 C2 [0005]
- DE 10103255 B4 [0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses in einer Schweißanlage (1), wobei ein Schweißobjekt (22) an einer Verbindungszone (23) durch Aufheizung mittels eines elektrischen Stromflusses durch die Verbindungszone (23) aneinandergeffügt wird und wobei der elektrische Strom über eine erste und eine zweite Kontaktstelle (21, 24) in das Schweißobjekt (22) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungszone (23) mit zumindest einer Kamera (13) und/oder einem Strahlungs-Sensor aufgenommen wird und dass aus einer Bildinformation der Kamera (13) und/oder einem Ausgangssignal des Strahlungs-Sensors auf die Güte des Schweißprozesses geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Form einer Helligkeitsverteilung eines Abbilds eines Schweißbads an der Verbindungszone die Güte der Verbindung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zeitlichen Verlauf der Bildinformation die Güte der Verbindung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildinformation eine zeitliche und/oder örtliche Verteilung einer Temperatur auf der Verbindungszone (23) in Form einer Helligkeitsverteilung darstellt und dass die Verteilung der Temperatur mit einer aus einem Wärmeflussmodell und/oder einem Vorgabewert bestimmten Verteilung der Temperatur verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bildausschnitt aus einer Abbildung (14) der Verbindungszone (23) dadurch bestimmt wird, dass in dem Bildausschnitt auf einer zusammenhängenden Fläche und/oder der Fläche des segmentierten Schweißbades ein vorgegebener integraler Helligkeitswert überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Helligkeit über dem Bildausschnitt der Abbildung (14) der Verbindungszone (23) bestimmt wird und dass der elektrische Stromfluss durch das Schweißobjekt (22) so geregelt wird, dass sich ein vorgegebener zeitlicher Verlauf der mittleren Helligkeit des Bildausschnitts der Abbildung (14) der Verbindungszone (23) und/oder der Fläche des segmentierten Schweißbades einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zeitlichen Verlauf der mittleren Helligkeit der Abbildung (14) der Verbindungszone (23) eine Güte der Verbindung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Helligkeitsverteilung über das Schweißobjekt (22) eine Güte einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kontaktstelle (21, 24) und dem Schweißobjekt (22) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Information aus einer Auswertung der Bildinformation der Kamera (13) mit einer Information aus zumindest einem Wegsensor und/oder Kraftsensor und/oder Stromsensor und/oder Spannungssensor und/oder Temperatursensor gekoppelt wird.
Vorrichtung zur Überwachung und/oder Regelung eines Widerstands- und/oder Diffusionsschweißprozesses in einer Schweißanlage (1), wobei zur Erhitzung einer Verbindungsstelle (23) eines Schweißobjekts (22) eine über eine erste und zweite Kontaktstelle (21,24) mit dem Schweißobjekt (22) verbundene Regeleinheit (20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beobachtung eines Abbilds (14) der Verbindungszone (23) eine Kamera (13) vorgesehen ist und dass im Lichtweg der Kamera (13) ein optisches Filter vorgesehen ist.