PHAsis - für Schweißpunkte & Stepnähte
Wir bieten Ihnen hochauflösende Prüfsysteme für Schweißpunkte und kurze Längsnähte mit bildgebender Phased Array Technologie – speziell entwickelt für den schnellen Einsatz in der Produktion, manuell oder robotergesteuert
VOGT Schweißpunktprüfsysteme
Ultraschall ist unsere DNA und Schweißpunktprüfung unser Fokus
Auf Basis von über 30 Jahren Erfahrung in der Schweißpunktprüfung haben wir mit PHAsis eine Prüfsystemserie für die manuelle sowie robotergesteuerte Prüfung von Schweißpunkten entwickelt. PHAsis Prüfsysteme nutzen die bildgebende Phased Array Ultraschalltechnologie, wodurch eine sehr hohe Prüfgenauigkeit erzielt wird. Deswegen werden diese bewährten Prüfsysteme vor allem in der Automotive Industrie eingesetzt.
Mit PHAsis wird die manuelle Schweißpunktprüfung mit der automatisierten, robotergesteuerten Schweißpunktprüfung kombiniert. Zwei Prüfsysteme mit gemeinsamer Basis, jedoch speziell optimiert für Ihren individuellen Einsatzbereich: PHAsisNEO für die manuelle Schweißpunktprüfung, PHAsisBLU für die automatisierte Schweißpunktprüfung. Mit PHAsis entscheiden unsere Kunden ganz flexibel, welche Punkte automatisiert und welche manuell geprüft werden sollen. Alle Prüfergebnisse und Daten werden in einer Datenbank vereint, welche mit dem kundenseitigen QS-System kommunizieren kann.
Dank unserem langjährigen Know How kennen wir nahezu jede Materialkombination und unterstützen unsere Produzenten, Integratoren und Schweißroboterhersteller bei der Prozessintegration, dem Abgleich mit der zerstörenden Prüfung und der Prüfdatenoptimierung.
Manuell und automatisiert
Unsere PHAsis Familie
PHAsisNEO wurde speziell für die manuelle Handprüfung von Schweißpunkte und Längsnähten in der Produktion entwickelt. Der Fokus liegt auf einer sehr hohen Prüfgenauigkeit und einer hohen Benutzerfreundlichkeit für eine schnelle und sichere Prüfung. Die farbliche Tiefendarstellung des Schweißpunktes als D-Bild durch die Phased Array Technologie macht die Schweißpunktqualität „sichtbar“. Durch den automatischen Bewertungsvorschlag und die bildgebende Ergebnisdarstellung ist der Schulungsaufwand gering.
PHAsisBLU wurde speziell für die automatisierte, robotergesteuerte Prüfung von Schweißpunkten und Längsschweißnähten entwickelt: Schnell & präzise. Mit Hilfe der automatisierten Prüfung lassen sich ganz erhebliche Einsparpotenziale bei zugleich bester Reproduzierbarkeit der Messergebnisse realisieren. Hierbei arbeiten Mensch und Roboter Hand in Hand. Prüfsysteme aus der Kombination von PHAsisBLU und Robotertechnik tragen zur zukunftsgerechten Qualitätssicherung ebenso bei wie zur detaillierten Dokumentation der Prüfergebnisse bei.
VOGT Ultrasonics Ihr zuverlässiger Partner
Ein wenig Theorie
Zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von Fügeverbindungen
Das Widerstandspunktschweißen ist das wichtigste Fügeverfahren in der Produktion von Automobilkarosserien. Aktuell werden die Schweißpunkte hauptsächlich manuell und mit Ultraschall geprüft. Ein „Schrittmacher“ der Digitalisierung auch im Prüfbereich ist VOGT Ultrasonics mit den intelligenten Anwendungen des modernen PHAsis Prüfsysteme.
Die manuelle Ultraschallprüfung wird zukünftig durch die automatisierte, robotergesteuerte Ultraschallprüfung in weiten Bereichen ersetzt. Dabei kommen bildgebende Ultraschallprüfgeräte zur Anwendung. PHAsis bietet neben der bildgebenden Darstellung von Schweißpunkten bei der Nutzung zur herkömmlichen Handprüfung die Schnittstellen-Voraussetzungen für die mittels Roboter ausgeführte automatisierte Schweißpunktprüfung samt Bewertung. Mit der Phased Array Technologie ausgestattet, ermöglichen die PHAsis Prüfsysteme die physikalische Auflösung des Schweißlinsendurchmessers genauer als 0,35 mm. Die simultane Aufnahme von mehr als 700 Messpunkten über den Prüfbereich des Schweißpunktes ergibt den exakten Schweißlinsendurchmesser. In Verbindung mit der mathematischen Aufbereitung der Messdaten ergibt sich eine exakte Durchmesserermittlung auf Basis des reflektierten Ultraschalls.
Die bildgebende Darstellung garantiert eine sichere Auswertung der Prüfergebnisse. Der erzeugte Querschnitt des Schweißpunktes mit farblicher Tiefendarstellung der verschweißten Bereiche lässt Fehler wie Poren oder eine zu kleine Schweißlinse erkennen.
VOGT Ultrasonics unterstützt auf der Basis langjähriger Erfahrung Produzenten, Integratoren sowie Schweißroboterhersteller bei der Implementierung der aufgaben- und betriebsspezifischen Ultraschallprüfung. Mit Hilfe der automatisierten Prüflösungen lassen sich ganz erhebliche Einsparpotenziale bei zugleich bester Reproduzierbarkeit der Messergebnisse realisieren. Prüfsysteme aus Kombination von PHAsis » und Robotertechnik tragen zur zukunftsgerechten Qualitätssicherung ebenso bei wie zur detaillierten Dokumentation der Prüfergebnisse.
Gesicherter Qualität
Schweißpunktprüfungen sind ein elementarer Bestandteil, um die Produktqualität sicherzustellen
Das Widerstandspunktschweißen gehört zu den wichtigsten Fügeverfahren im Automobilbau, in der Fertigung von z.B. Waschmaschinen, im Flugzeugbau und ist vor dem Kleben die verbreiteste Technik zum Verbinden von 2 oder 3 Blechverbindungen aus Stahl, Edelstahl, Titan oder Aluminium.
Insbesondere in der Großserien-Produktion von Automobilkarosserien gilt es als das wichtigste Fügeverfahren, da es u.a. auch über einen sehr hohen Automatisierungsgrad verfügt.
Jeden Tag verlassen wir uns auf die Qualität dieser Punktschweißverbindungen, sei es die in unserem Auto oder in unserem Umfeld. So findet man z.B. in einem PKW mehrere tausend dieser Schweißpunkte.
Die Ansprüche und Anforderungen an die Qualitätssicherung dieser Schweißverbindungen sind dementsprechend hoch und wurden in den letzten Jahren stetig weiter entwickelt. Die sicherheitsrelevanten Schweißverbindungen müssen unterschiedlichsten dynamischen als auch statischen Beanspruchungen standhalten. Für die Konstruktion spielt daher die Schweißsicherheit eine entscheidende Rolle.
Beim Widerstandsschweißen werden zwei oder mehrere Bleche mit zwei Kupferelektroden zusammengedrückt und mittels eines während des Schweißens fließenden Stromes bis zum Schmelzen der Fügeverbindungen erwärmt. Beim Abkühlvorgang bildet sich eine feste Verbindung (Schweißlinse) mit einem bestimmten Schweißlinsendurchmesser.
Abb.: Schweißroboter für das Widerstandspunktschweißen an einer Karrosserie
Typische Schweißfehler mit Einfluss auf die Qualität und somit Sicherheit der Schweißverbindung sind: (1) ein zu kleiner Linsendurchmesser, (2) eine Klebverbindung (auch Zinkkleber genannt, bei der die Zinkoberflächen der Bleche miteinander verschmelzen sich aber keine Schweißlinse gebildet hat), (3) Poren oder Porennester in der Schweißlinse oder (4) fehlende Verschweißung durch falsche Schweißparameter oder stark abgenutzte Schweißelektrodenkappen.
Messbare Größen
Gütekriterien
Zu den Gütekriterien für die Qualitätsbeurteilung von der Schweißpunktqualität gehören:
Geometrisch messbare Größen:
- der gemessene Punktdurchmesser dP nach EN ISO 10447
- der Linsendurchmesser dL durch einen Makroschliff. Hierbei wird die Linsengröße visuell anhand eines Schliffbildes vermessen. Als Mindestmaß für den Linsendurchmesser wird die Formel dL= x √tmin herangezogen. Übliche Faktoren für x sind 3,5 oder 4 (anwenderspezifisch
- Die Eindrucktiefe (Kappeneindruck) der Elektroden am Schweißpunkt
Messbare Festigkeitseigenschaften:
- Die Schälkraft, also die Beständigkeit einer Verschweißung gegen das Aufbiegen von zwei miteinander verschweißten Blechen. Diese wird durch die Schälprüfung nach EN ISO 14270 ermittelt.
- Die Kopfzugkraft: Die Beständigkeit einer Verschweißung gegen das Auseinanderziehen an den flächigen Seiten von zwei aufeinander geschweißten Blechen. Diese wird durch die Kopfzugprüfung nach DIN EN ISO 14272 ermittelt.
- Die Scherzugkraft: Die Beständigkeit einer Verschweißung zwei sich überlappend zusammengeschweißter Werkstücke. Die Festigkeit der Verschweißung kann in einer sogenannten Scherzugprüfung nach DIN EN ISO 14273 überprüft werden.
- Das Torsionsmoment: Die Beständigkeit einer Verschweißung von zwei Blechen gegen deren schraubenförmiges Verdrehen, ermittelt durch die Torsionsprüfung nach DIN EN ISO 17653
Digital messbare Werte
Schweißpunktgüte (Durchmesser, Restwanddicke, Homogenität, Schallschwächung, etc) mit Hilfe von Ultraschall A-, C- und D-Bildern
Abb.: Zerstörende Prüfung von Schweißpunken
Subjektiv erkennbare Eigenschaften:
- Aussehen der Punktoberfläche
- Spritzerfreiheit der Punktoberfläche
- Verbrennungen (zu hoher Wärmeeintrag) der Punktoberfläche
- zu einander verschobene Elektroden
Schweißpunkte sicher prüfen
Sicherheitsklassen laut DVS-Merkblatt 2915-1
Während des Fertigungsprozesses muss der gesamte Prozess überwacht werden, um eine sichere Schweißverbindung garantieren zu können. Je nach Bauteil und Einsatzgebiet werden hierfür unterschiedliche Anforderungen für die Güte der Schweißverbindungen festgelegt. Diese Anforderungen müssen eingehalten und nachgewiesen werden.
Bereits im Jahre 1979 hat der DVS Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. hierfür festgelegt, dass Schweißarbeiten zum Wohl der Allgemeinheit und der Produktionssicherheit in Sicherheitsklassen unterteilt werden sollen. Diese Unterteilung wurde in dem DVS-Merkblatt 2915-1 definiert und findet Anwendung auf Punktschweißen, Buckelschweißen und Rollnahtschweißen. Es beinhaltet und regelt sämtliche Parameter, die für einen Schweißvorgang relevant sind. Es wird auch eine Korrekturschleife zur Nachbesserung vorgesehen. Besonders relevant sind die Sicherheitsklassen A, B und C. Sie beschreiben jeweils, wie schwer ein möglicher Schaden beim Versagen eines Schweißgefüges ist und damit respektive den Anspruch an die Schweißqualität.
Sicherheitsklasse A
Diese Sicherheitsklasse ist für Schweißverbindungen, die sicherheitsrelevant sind und bei Versagen Menschenleben gefährden. Diese Schweißpunkte sind hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt und benötigen höchste Festigkeit. Ein Beispiel hierfür ist der Seitenaufprallschutz.
Sicherheitsklasse B
Diese Sicherheitsklasse ist für Schweißverbindungen, die bei Versagen dieser Verbindung für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar machen oder einen Sachverlust verursachen.
Sicherheitsklasse C
Diese Sicherheitsklasse ist für Schweißverbindungen, die nur geringen Beanspruchungen ausgesetzt sind und bei Versagen die Brauchbarkeit des Erzeugnisses für den vorgesehenen Zwecks nur wenig beeinflussen.
In der Fertigung
Zur Ausführungsgüte eines Schweißpunktes wichtige fertigungstechnische Parameter
Der Linsendurchmesser ist die vorgebende Größe für die Punktschweißverbindung in der Fertigung. Der Schweißlinsendurchmesser korreliert am besten mit der Festigkeit und damit der Sicherheit des Schweißpunktes. Die Vorgabe für den Linsendurchmesser ist abhängig von der Wanddicke des dünnsten Bleches der Verbindung.
Die Größe des Linsendurchmessers ist abhängig von der in der Fügeebene während des Schweißvorganges entstehenden Wärmemenge. Je höher die Wärmemenge, desto größer die Schmelze und desto größer der Durchmesser.
Vereinfacht gilt für die Entwicklung der Wärmemenge folgende Formel: Wärmemenge = (Schweißstrom)2 x Widerstand x Schweißzeit.
Um einen passenden Linsendurchmesser und eine definierte Verschweißung zu gewährleisten werden fertigungstechnische Parameter eingestellt und im Prozess kontinuierlich überwacht. Die wichtigsten Parameter für die Qualität eines Schweißpunktes sind (1) die Elektrode (Kappendurchmesser), (2) der Schweißstrom, (3) die Schweißzeit und (4) die Elektrodenkraft.
Beim Einstellen der Schweißparameter, wird der Linsendurchmesser z.B. mittels der Ultraschall- und der zerstörender Meißelprüfung kontrolliert/überwacht.
Elektrode/Kappe
Die Elektroden leiten den Strom in die zu verbindende Blechverbindung und wirken eine für die Schmelze nötige Elektrodenkraft (definiert über die Schweißzange) aus. Während ihrer Verwendung unterliegen sie demnach thermischen, mechanischen und chemischen Beanspruchungen. Ein Verschleiß macht sich mit der Vergrößerung der Elektrodenkappenoberfläche und ggf. durch Anlegierungen (z.B. Zink oder Aluminium Oxiden) bemerkbar. Dadurch reduziert sich die Stromdichte während des Schweißens und der Übergangswiderstand wird entsprechend größer. Das wiederum hat einen direkten Einfluss auf die Schweißpunktqualität hat.
Schweißstrom
Die Stärke des Schweißstroms muss in Abhängigkeit des Materials sowie der einzelnen, zu verschweißenden Blechdicken gewählt werden. Bei einem zu geringen Schweißstrom kann keine oder keine ausreichende Schmelzung und dadurch keine ausreichende Schweißlinse erzeugt werden. Ein zu hoher Schweißstrom kann im Gegensatz dazu zur Schweißspritzerbildung oder einer unzulässigen Verformung der Punktoberfläche führen.
Schweißzeit
Die Schweißzeit wird in Abhängigkeit vom Schweißstrom und der Anpresskraft der Elektroden gewählt. Insbesondere bei kurzen Schweißzeiten kann eine Abweichung großen Einfluss auf die Qualität der Schweißpunktverbindung haben, da ggf. keine oder nur eine unzureichende Verschmelzung in der jeweiligen Fügeebene erreicht wird.
Elektrodenkraft
Ein Schweißpunkt wird durch den fließenden elektrischen Strom in Verbindung mit der wirkenden Elektrodenkraft erzeugt. Die Kraftauswirkung der Elektrode auf die Blechoberfläche ist ein Schweißparameter, der direkten Einfluss auf die Schweißlinsenbildung und somit die Qualität hat. Für eine qualitätsgerechte Schweißverbindung muss eine blechdickenabhängige Elektrodenkraft sowie eine passende Vorhalte- und Nachhaltezeit während des Schweißvorganges gewählt werden.
So wird geprüft
Möglichkeiten der zerstörungsfreien Prüfung von Widerstandspunktschweißverbindungen
Generell gibt es zwei Arten der Werkstoffprüfung zur Gütesicherung von Fügeverbindungen: Die zerstörende Werkstoffprüfung und die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (kurz: ZfP oder auch NDT).
Wie der Name schon vermuten lässt, wird die Punktschweißverbindung bei der zerstörenden Prüfung mechanisch zerstört, um die Qualität der Verbindung überprüfen zu können. Diese Art der Qualitätssicherung wird als Stichprobenprüfung durchgeführt. Ein großer Nachteil ist, dass die Bauteile hierdurch unbrauchbar gemacht werden. Durch den Prüfschrott sind mit der zerstörenden Prüfung demnach hohe Kosten verbunden.
Deswegen ist der Bedarf an sicheren zerstörungsfreien Prüfverfahren sehr hoch. Die zerstörungsfreie Prüfung erfolgt oft in Korrelation mit der zerstörenden Prüfung, als Stichprobenprüfung und eignet sich sogar für eine in die Produktionslinie integrierte 100% Prüfung.
Prüfverfahren
Zur Sicherstellung der Schweißqualität werden vor allem drei Prüfverfahren eingesetzt: Die die visuelle Prüfung, die Meißelprüfung und die Ultraschallprüfung.
Bei der Qualitätsüberwachung mittels der visuellen Prüfung sowie der Ultraschallprüfung erfolgt die Prüfung zerstörungsfrei. Bei der visuellen Prüfung wird die sichtbare Schweißpunktqualität überprüft, z.B. Vorhandensein von Schweißspritzer, Verbrennungen der Punktoberflächen. Die gesamte Qualität eines Schweißpunktes kann hierdurch nicht ermittelt werden.
Die Meißelprüfung gehört zu den zerstörenden und somit kostenintensiven Prüfverfahren. Sie wird offline und somit außerhalb des Produktionsprozesses als Stichprobenprüfung durchgeführt. Hierbei werden die verschweißten Bleche wieder aufgetrennt und anhand des Ausknöpfbildes des Schweißpunktes bzgl. seiner Qualität beurteilt. Hierdurch erkennt man lediglich, ob der Schweißbutzen hält oder ausseinander geht, bzw. welchen Durchmesser dieser zusammengeschweißte Butzen hat. Dabei bewertet man den mittleren Durchmesser, mit Messschieber den Min und Maxdurchmesser gemessen und dann gemittelt.
Bei der Ultraschallprüfung wird mit einem entsprechenden Prüfgerät die Qualität der Schweißlinsenvolumina als auch deren Durchmesser zerstörungsfrei beurteilt. Dadurch ist die Ultraschallprüfung von Schweißpunkten zerstörungsfrei und schnell, dadurch zeit- und kostensparend. Sie kann auch inline, also im Produktionsprozess erfolgen und ermöglicht dadurch eine sinnvolle statistische Prüfung oder auch bei besonderen Schweißpunkten eine 100% Prüfung.
Visuelle Prüfung (VT)
Bei der visuellen Prüfung wird die Qualität des Schweißpunktes anhand erkennbarer äußerer Merkmale beurteilt. Zu den messbaren Größen zählen u.a. die Vollständigkeit der Punktanzahl, die Positionierung des Punktes auf dem Bauteil, die Kontrolle auf Oberflächenbeschädigungen, Verbrennungen, Spritzer und Kappeneindrucktiefen. Mögliche innere Inhomogenitäten wie Poren oder ovale/C-förmige Linsen und Zink-Kleber können durch die Sichtprüfung jedoch nicht festgestellt werden.
Ultraschallprüfung (UT)
Bei der Ultraschallprüfung von Schweißpunkten wird das Impuls-Echo-Verfahren eingesetzt. Über die Amplituden- und Laufzeitauswertung werden über das entsprechende Utraschallprüfgerät einzelne Echos und Echofolgen bewertet. Diese Informationen werden als A-Bild (Amplitudenbild), C- oder D-Bild (Flächeninformation der Amplituden und Laufzeiten) dargestellt und lassen dadurch eine Schweißlinsenbeurteilung (größer/kleiner als SOLL, Durchmesser, Pore ja/nein etc.) zu. Ziel der Schweißpunktprüfung mittels Ultraschall ist die Klassifizierung in Gut- und Schlechtpunkte bezogen auf den SOLL- Linsendurchmesser.
Abb. Ableitung der Schweißpunktqualität anhand der A-Bild Echofolge
Eine sichere Ultraschallprüfung ist mit konventionellen A-Bild Ultraschallgeräten ohne der speziellen Schweißpunkt-Bewertungshilfe und der Prüfpläne schwer möglich. Es bedarf vom Prüfer fundierte Kentnisse und Erfahrung in der Prüfung von Schweißpunkten sowie jahrelanger Übung. Dieses Prüfverfahren birgt große Nachteile, da man bei entsprechender Prüfkopfpositionierung mit viel Mühen einen zu kleinen Schweipunkt dennoch zu einem GUT-Punkt bewerten kann.
Nutzt man konventionelle A-Bildprüfgeräte in Verbindung mit einem Prüfplan und einer automatisierten Bewertungshilfe, so kann man das Risiko einer Fehlbewertung minimieren.
Jedoch läßt sich bei dieser Art der Prüfung die Subjektivität durch den Prüfer nicht verhindern.
Wesentliche Verbesserung bietet hier die Nutzung von bildgebenden Ultraschallprüfgeräten. Durch die verbesserte Technik der bildgebenden Ultraschallgeräte unter der Nutzung von Frequenzen um die 20 MHz, einer digitalen Bildgebung und Auswertung, wird durch die Darstellung des Schweißpunktes mit seiner Bewertung eine objektivere, vom Prüfer unabhängigere Prüfung und eine sehr genaue und dokumentierte Schweißpunktprüfung ermöglichen.
Schweißpunktprüfung mit der Ultraschall Phased Array Technologie (PAUT)
Wie die klassische Ultraschallprüfung basieren auch Phased Array Schweißpunktprüfsysteme auf dem Impuls-Echo-Verfahren. Zusätzlich ermöglichen diese Systeme jedoch neben der klassischen Darstellung des A-Bildes eine bildgebende Darstellung des Schweißpunktes (C-/D-Bild).
Video: Schweißpunkte prüfen mit Phased Array Technologie nach Prüfplan
Hierfür wird ein Phased Array Prüfgerät wie das PHAsisNEO mit einem Phased Array Prüfkopf mit 121 Elementen genutzt. Ein wesentlicher Vorteil der Phased Array Technologie ist es, eine bestimmte Anzahl der verfügbaren Elemente des Prüfkopfes elektrisch mit einander zu verbinden und dadurch „virtuelle Prüfköpfe“ zu erzeugen. So kann man dann mit unterschiedlichen Anordnungen zusammengeschalteter Einzelschwinger virtuelle Prüfköpfe erstellen, die dann fokussiert und/oder auch mit einem Winkel in den Schweißpunkt einschallen. Daraus resultieren dann eine hohe Anzahl an realen Ultraschallprüfungen mit einer hohen Auflösung im Prüffeld.
Im Fall von PHAsis kommen dadurch 729 virtuelle Prüfköpfe zum Einsatz, mit denen die Fläche des Prüfkopf-Arrays rasterförmig abgescannt werden kann. Die einzelnen Rasterpunkte (Auflösung ca. alle 0,35 mm ein A-Bild ) ergeben in ihrer Gesamtheit dann das Ergebnisbild worüber der Linsendurchmesser, die Restwanddicke als auch Porenqualität automatisch ermittelt werden kann.
Durch die bildgebende Darstellung des Schweißpunktes ist eine sichere Bewertung der gesamten Schweißlinse möglich, der notwendige Schulungsaufwand für den Prüfer kann dadurch stark reduziert werden. Die Subjektivität wird reduziert auf die Anforderung, den Prüfkopf ordnungsgemäß auf den Schweißpunkt zu positionieren.
Die Prüfung von Schweißpunkten kann mit der Ultraschall Phased Array Technologie manuell oder (voll-)automatisiert mit einem Cobot oder Roboter erfolgen. Durch den Einsatz von Robotern kann das bestehende Prüfpersonal unterstützt und so eine kostengünstige umfassende Prüfung ermöglicht werden. Ein solches Roboter unterstützendes System ist z.B. PHAsisBLU.
So funktioniert Phased Array >
Prozessüberwachung
Bei der Online-Schweißprozessüberwachung wird die Qualität der Schweißpunkte während oder unmittelbar nach Abschluss des Schweißvorgangs kontrolliert. Hierdurch können Qualitätsabweichungen schnell detektiert und ggf. nötige Korrekturmaßnahmen unmittelbar eingeleitet werden.
Seitens der Schweißanlage werden die für die Schweißpunktqualität ausschlaggebenden physikalischen Messgrößen wie Schweißstrom, -spannung, -leistung kombiniert mit dem dynamischen Widerstand sowie der Schweißstromzeit überwacht (adaptive Schweißsteuerung).
Neben der Überwachung der Schweißanlage durch die Schweißparameter, welche zwar die Qualität der Schweißpunkte wesentlich verbessert, aber keine Qualitätsüberwachung von Schweißpunkten wie eine ergänzende zerstörungsfreie Prüfung von Schweißpunkten darstellt, besteht die Möglichkeit der Ultraschallprüfung des Schweißpunktes noch während des Schweißens oder auch nachfolgend im Prozess, wo automatisiert durch Ultraschall mit Roboter in Kombination mit einer manuellen Prüfung durch Prüfwerker eine sinnvolle Lösung darstellt.
Bei der Inline Prüfung werden in die Elektrodenschäfte (Kappen nah) des Schweißroboters mit je einem Ultraschall-Sensor ausgestattet. Die Ultraschallprüfung erfolgt dann während des Sschweißens ab Schweißstart bis zum –ende. In dieser Zeit werden die Änderungen der Ultraschallamplituden und –laufzeiten eines Durchschallungssignals aufgenommen und bewertet. Die Ergebnisse werden unmittelbar an die Schweiß- und Robotersteuerung übermittelt. Somit sind sehr kurzfristige Anpassungen der Schweißparameter möglich. Ebenfalls können dadurch die Zyklen für das Kappenfräsen optimiert werden. Ein solches inline Prüfsystem ist z.B. SPOTline. Man erreicht damit einen Regelkreis der Trends von Schweißpunktqualitäten ermittelt und den Schweißprozess monitort.
Nachteil des Verfahrens ist der benötigte Platz von ca. 30 mm geradem Schaft als minimale Länge einer jeden Schweißelektrode, wo der Prüfkopf eingebaut wird.
Einflüsse
Wie kann die Qualität eines Schweißpunktes beeinflusst werden?
Die Qualität einer Fügeverbindung kann durch verschiedene äußere Störgrößen beeinflusst werden.
Störgrößen aus der Fertigung
- Fremdkörper im Fertigungsumfeld (z.B. Kupferpartikel, Öl, Staub, Klebstoffe etc.) können in die Schweißung eingeschlossen werden und dadurch das Gefüge und die Ausbildung der Schweißlinse negative beeinflussen.
- Netzschwankungen können die Elektronen und somit die Kraft der Wärmeeinleitung beeinflussen. Dies kann zu einer Abweichung der Schmelze und somit Schweißpunktqualität führen.
- Nebenschluss: Bei zu eng beieinander gesetzten Punktschweißverbindungen oder Schweißpunkten an geometrisch komplexen Positionen am Bauteil kann es vorkommen, dass über diesen bereits geschweißten Punkt oder geometriebedingt der Schweißstrom fremd geleitet wird, da er den Weg des geringsten Widerstands wählt. Dadurch wird an der zu verschweißenden Stelle weniger Wärme erzeugt, was die Schmelze negativ beeinflusst. Dieses Phänomen nennt man Nebenschluss.
- Schweißroboterfehlverhalten durch gelockerte Verbindungen oder auch Materialbruch
Störgrößen aus der Schweißanlage
Schweißanlagen müssen regelmäßig gewartet werden, um einen kontinuierlich einheitlichen Schweißprozess zu gewährleisten. Hierzu zählt u.a. die Überwachung des Elektrodenzustands, Zustands der Elektrodenkühlung, Elektrodenkraft, Schweißzeit und Schweißstrom. Eine Änderung dieser Komponenten hat direkten Einfluss auf die Schweißpunktqualität. So führt der Verschleiß der Elektroden beispielsweise zu einer Verringerung der Stromdichte und dadurch zu einer geringeren Wärmeentwicklung für die Ausbildung der notwendigen Schmelze der Schweißlinse.
Störgrößen aus dem Material
Hierunter fallen Abweichungen in der Materialeigenschaft wie z.B. die Wanddicke, die Festigkeit, dem Gefüge des Materials (z.B. bei warm umgeformten Stählen) und der Eigenschaft der Oberflächenbeschichtung (Zink Schichtdicke, Zusammensetzung und Schichtdicke der Aluminium-Oxid-Schicht bei Al Blechen).
Ihr Schweißpunkt-Experte
Vorteile der VOGT Ultrasonics Prüfsysteme
VOGT Ultrasonics hat über 25 Jahre (Stand 2020) Erfahrung in der Ultraschallprüfung von Schweißpunkten in der Industrie, speziell Automotive. Dadurch kennen wir die Herausforderungen und Anforderungen der Schweißpunktprüfung ganz genau. Diese Erfahrung haben wir in Forschung und Entwicklung investiert und bieten unseren Kunden Schweißpunktprüfsysteme, speziell für den schnellen und unkomplizierten Einsatz in der Produktion.
Die zerstörungsfreie Schweißpunktprüfung mit Ultraschall erfolgt zeit- und kostensparend und kann in der Produktionslinie für z.B. kritische bzw. schwer zugängliche Schweißpunkte integriert werden. Hierbei bieten wir Prüfsysteme für die manuelle, für die robotergesteuerte offline und für die inline Prüfung bereits während des Schweißens.
Einsatzmöglichkeiten
Unsere PHAsis Schweißpunktprüfsysteme eignen sich für die Prüfung von widerstandsgeschweißten Punkten von Stahl-, Edelstahl und Aluminiumblechen und die präzise Bestimmung des Linsendurchmessers. Prüfbar sind 2- und 3-Blechverbindungen mit einer Einzelblechstärke von 0,6 bis 5 mm. Durch die hohe Prüfgeschwindigkeit, die hohe Auflösung bei der Bestimmung des Schweißlinsendurchmessers, den automatischen Ergebnisvorschlag, die automatische Dokumentation und einfache Bedienung eignet es sich ideal für den Einsatz in der Produktion und im Labor.
Das Gerät bietet auch hervorragende Voraussetzungen für die Nutzung in Verbindung mit einem Prüfroboter. Eine automatisierte Ultraschallschweißpunktprüfung kann durch entsprechende Schnittstellen und bereitgestellte Werkzeuge sicher durchgeführt werden.
Effizenzsteigerung
Zur Steigerung der Effizienz und Prüfsicherheit bieten die PHAsis Prüfsysteme zwei Prüf-Modi: Prüfung nach Prüfplan und Freie Prüfung.
Im Modus Freie Prüfung wird dem Ultraschallprüfer mit nur wenigen Klicks (z.B. Wahl der zur prüfenden Blechdicken-Kombination) eine schnelle Prüfung unterschiedlicher Schweißpunkte ermöglicht. Die Ergebnisse der freien Prüfung können bei Bedarf anschließend auch direkt in einen Prüfplan überführt werden.
Im Modus Prüfen nach Prüfplan arbeitet der Prüfwerker vordefinierte und visuell dargestellte Prüfpläne gemäß Vorgabe ab. Die Prüfpläne wurden zuvor von der Prüfaufsicht erstellt. Der Vorteil von Prüfplänen liegt in dem Wegfall von manuellen Einstellungen, sodass auch Prüfpersonal ohne tiefe Ultraschallkenntnisse schnell und sicher prüfen kann. Die Einarbeitungszeit beträgt ca. 2-4 Stunden.
Mit unserem Prüfsystem PHAsisBLU ermöglichen wir zudem eine Effizienzsteigerung durch die robotergestützte Schweißpunktprüfung. Der Einsatz von Robotertechnologie ermöglicht neben der Reduzierung der Prüfzeit auch eine Optimierung der Reproduzierbarkeit der Messungen. Hierbei können Zykluszeiten von 5- 15 Sekunden pro Schweißpunkt, in Abhängigkeit von der Punktoberfläche erzielt werden.
Auch bereits ein Cobot kann zu einer Effizienzsteigerung eingesetzt werden. Der Cobot kann sehr einfach durch einen erfahrenen Prüfer oder auch einer Prüfaufsicht angelernt und mobil eingesetzt werden. Cobots können die Schweißpunktprüfung preiswerter machen, indem ein Prüftechniker anstatt manuell mit einem Gerät mit 2-3 Cobots Bauteile prüft bzw. diese prüfen lässt. Neben vielen Vorteilen ist ein Nachteil zu bedenken, Cobots haben keine so große Reichweite, d.h. die Bauteile sollten kleinerer Natur sein.
Qualitätsdokumentation und Prozessüberwachung
PHAsis Prüfsysteme erstellen eine automatische und manipulationssichere Dokumentation der Prüfergebnisse. Mit der Möglichkeit alle A-Bilder der kompletten Prüffläche speichern zu können ist eine anschließende Nachbewertung und Korrelation zur zerstörenden Prüfung möglich. In der Verwaltungssoftware werden diese Prüfdaten zentral organisiert, die Prüfmittel überwacht.
Ein weiterer großer Vorteil der PHAsis Prüfsysteme ist die Zusammenführung der Prüfdaten der manuellen und der automatisierten Prüfung. Dadurch befinden sich alle Informationen an einem Ort und können zentral bewertet sowie für die zentrale Dokumentation bereitgestellt werden.
Darstellung der Prüfergebnisse
Bei der Prüfung mit der konventionellen Ultraschalltechnik erfolgt die Beurteilung des Schweißpunktes anhand eines einzelnen A-Bildes, der Echofolge aus dem gefügten und/oder nicht gefügten Bereich der Verbindung. Dabei ist vorher der richtige Prüfkopf für die jeweilige dünnste Blechdicke vom Prüfer auszuwählen, der von seiner Schwingergröße ungefähr dem Mindestschweißpunktdurchmesser entspricht. Dabei wird z.B. nach einer Formel definiert: Mindestschweißpunktdurchmesser = Schwingerdurchmesser = 4 Wurzel t oder auch 3,5 Wurzel t ( mit t = dünnstes Blech der Verbindung). Einige Prüfsysteme bieten zusätzlich einen Bewertungsvorschlag. Trotz dessen verlangt diese klassische Ultraschallprüfung sehr viel praktische und theoretische Erfahrung des ausgebildeten Ultraschallprüfers.
Die bildgebende Phased Array Ultraschalltechnologie unserer PHAsis Prüfsysteme ermöglichen hingegen eine sichere Schweißpunktprüfung ohne tiefe Ultraschallkenntnisse.
Bei dem Gebrauch dieser Technologie wird in weniger als 10 Sekunden ein Abbild des Schweißpunktes mit farblicher Tiefendarstellung erzeugt. Dieser Darstellung ermöglicht nicht nur die Bewertung des Linsendurchmessers sondern auch die Bewertung von Poren in unterschiedlichen Tiefenlagen als auch die Bewertung des kleinsten Linsendurchmesser einer 3-Blech-Verbindung bei Prüfung von nur einer Seite.
Abb.: Prüfergebnisdarstellung (C-/D-Bild) einer zu kleinen Schweißlinse.
In der Abbildung werden verschweißte Bereiche grün und nicht verschweißte Bereiche rot dargestellt. Das Prüfsystem ermittelt automatisch den Linsendurchmesser und die Restwanddicke als Mittelwert des verschweißten Bereiches und stellt diese Werte als SOLL / IST Vergleich dar. Mit dem erstellten C-/D-Bild wird auch automatisch ein Bewertungsvorschlag ausgegeben.
Durch die bildgebende Phased Array Ultraschalltechnologie wird die Schweißpunktprüfung extrem vereinfacht und die Prüffrequenz und Sicherheit erhöht.
Limitierungen
Gibt es Schweißpunktfehler, die nicht zerstörungsfrei prüfbar sind?
Sogenannte „Zinkleber“ sind eingeschränkt durch die Physik des Ultraschalls nur bedingt zerstörungsfrei prüfbar. „Kleber“ sind in der Vergangenheit erstmals beim Verschweißen von zinkbeschichteten Blechen aufgetreten.
Durch die gewählten Schweißparameter ergibt sich keine Verschweißung sondern mehr eine Lötung oder “Klebung“. Dies hat den Nachteil, dass auf Grund der bereits verzahnten Korngrenzen eine Durchschallung gut ermöglicht wird. So zeigen diese „Kleber“ eine Gutechofolge und unterschieden sich auf dem ersten Blick nicht von einer guten Verschweißung.
Im schlimmsten Fall sind die durch das Ultraschallgerät bereitgestellten Werkzeuge, derartige Kleber zu erkennen, nicht wirksam. Dann muss man sich der Physik beugen und eine Prüfbarkeit verneinen oder aber die Schweißparameter ändern, dass eine Prüfbarkeit und Erkennung derartiger „Kleber“ wieder hergestellt wird. Das erfordert eine gute Zusammenarbeit der Verantwortlichen der Schweiß- und der Prüftechnik.
Die PHAsis Ultraschallprüfgeräte haben alle am Markt in unterschiedlichen Geräten vorhandenen Bewertungsverfahren für derartige Kleber in einem Gerät versammelt. Diese werden dem Bediener zur Bewertung von Schweißpunkten als einzelne oder kombinierte Verfahren zur Verfügung gestellt. So bietet PHAsis folgende Möglichkeiten der Klebererkennung, einzeln oder in Kombination:
Bei allen folgenden Merkmalen liegt generell immer eine Gutechofolge des Schweißpunkteds vor, welche aber durch eins oder mehrere der folgenden Merkmale dann zu einer Kleberbewertung überstimmt wird.
- Mehrere Störechos, die eine bestimmte Höhe haben, geben den Kleber zu erkennen, Kleberschwelle.
- Die Schallschwächung eines Klebers im Verhältnis zu einem Gutpunkt unterscheidet sich. Auf Grund der Gefügeumwandlung bei einer guten Verschweißung zu einem Grobkorn ist dort die Schallschwächung größer.
- Die Anzahl der Wiederholechos eines Klebers ist wesentlich größer als bei einer Gutschweißung, weil durch die fehlende Gefügeumwandlung die Rückwandechos nicht so geschwächt werden.
- Es liegt ein Kleber vor, weil die Eindrückung zu gering ist, d.h. der Schweißpunkt erfüllt die Anforderung an eine Mindesteindrückung nicht (wird eher als Phenomen bei Aluminiumschweißpunkten angewendet).
Haben Sie noch Fragen?
FAQ
Es gibt keine offizielle Prüfnorm (DIN/ ISO) die eine zerstörungsfreie Prüfung fordert. Diese existieren lediglich für die zerstörende Prüfung.
Es existieren jedoch Inhouse Spezifikationen und Regelwerke, die die Ultraschallprüfung von Schweipunktverbindungen definieren.
Auch gibt es ein DVS Merkblatt DVS 2916-5 von 9/2017 – Prüfen von Widerstandspressschweißverbindungen – zerstörungsfreie Prüfung von Punkitschweißverbindungen.
Zerstörende Prüfung: Laut Norm müssen in einem fest vorgeschriebenen Intervall an den Baugruppen oder an der kompletten Karosserie die Linsendurchmesser zerstörend dokumentiert werden.
Konventioneller Ultraschall oder bildgebende Prüfung: Der Trend geht eindeutig in Richtung bildgebende Ultraschallprüfung, weil sich mit dieser Prüftechnik wesentlich sicherer und genauer die gesamte Fügeverbindung (Linse) bewerten lässt.
