DE10150633C5 - Method and device for non-contact, non-destructive automatic testing of material connections, in particular the quality control of welded joints - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere eines Schweißpunktes, mit dem a. mittels eines abbildenden Infrarot-Bilddatenerfassung und -Auswertungssystems, das b. mit einem Echtzeit-Datenverarbeitungssystem verbunden ist, c. die Güte, Homogenität und der Durchmesser einer Schweißpunktlinse kontrolliert wird, wobei d. das Verfahren als i. Wärmedurchgangsprüfung und/oder ii. Prüfung des Wärmeabtransportes ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zeitserie der Wärmebilddaten, die a. durch die kurzzeitige Anregung der Wärmestrahlung des Schweißpunktes entstehen und b. mittels einer Infrarotkamera erfasst und in Echtzeit gespeichert werden, c. ein Phasenbild erstellt wird, sodass i. für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten ii. ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet wird, wobei d. das berechnete Phasenbild i. die Wärmeausbreitung der Anregung ii. gemäß den lokalen Materialeigenschaften iii. unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und iv. Emssionsgradunterschieden der abstrahlenden Oberfläche darstellt und somit e. unter Einbezug von Kalibrierdaten f. die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes hinsichtlich i. des Durchmessers der Schweißpunktlinse, ii. der Homogenität der Schweißverbindung sowie iii. der Dicke der Schweißpunktlinse, gewährleistet wird.Method for the automatic testing of material connections, in particular a welding spot, with the a. by means of an imaging infrared image data acquisition and evaluation system, which b. is connected to a real-time data processing system, c. the quality, homogeneity and diameter of a spot weld lens is controlled, d. the procedure as i. Heat transfer test and / or ii. Examination of the heat removal is formed, characterized in that from the time series of the thermal image data, the a. arise from the short-term excitation of the heat radiation of the welding spot and b. recorded with an infrared camera and saved in real time, c. a phase image is created so that i. for each pixel of the thermal image data ii. a quotient of the imaginary part and the real part of a Fast Fourier transform of the time series is formed, where d. the calculated phase image i. the heat spread of the excitation ii. according to the local material properties iii. regardless of excitation intensity differences and iv. Represents emissivity differences of the radiating surface and thus e. including calibration data f. the qualification of the weld spot to be examined with regard to i. the diameter of the spot weld lens, ii. the homogeneity of the welded joint and iii. the thickness of the spot weld lens is guaranteed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die berührungslose und zerstörungsfreie Inspektion einer Schweißverbindung, vor allem eines Schweißpunktes, mit deren Hilfe die Güte, Homogenität und der Durchmesser der Schweißpunktlinse kontrolliert wird.In particular, the invention relates to the non-contact and non-destructive inspection of a welded joint, especially a welding point, with the help of the quality, homogeneity and diameter of the spot weld lens is controlled.
Die Industrie setzt in Zunehmenden Maße auf neuartige Verbundwerkstoffe oder innovative Verbindungsarten klassischer Materialien. Die Qualität von Verbindungen bestimmt dabei maßgebend die Eigenschaften der daraus erstellten Bauteile. So müssen Verbindungen bestimmte mechanische Spannungen sicher aufnehmen können. Die Kontrolle der maximalen Belastung jeder einzelnen Verbindung ist entscheidend für die Sicherheit in der Anwendung. Die Qualität von Verbundwerkstoffen ist geprägt von der Haftung der Einzelnen Werkstoffe untereinander, um die besonderen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes zu erreichen. Die Prüfung von Verbindungen wird nach derzeitigem Stand der Technik mittels verschiedener Methode vorgenommen:
Die Ermittlung der mechanischen Belastbarkeit von Verbindungen geschieht mit Hilfe von Zug-/Biege-/Torsionsversuchen, bei denen die Verbindungen entsprechend ihrer Hauptbeanspruchungsrichtung bis zur maximalen Spannung belastet werden. Schon vor der maximalen Belastung treten aber in allen Materialien plastischen Deformationen auf. Die mikroskopische Struktur wird während der Belastungstest verändert bzw. das Bauteil oder die Verbindung wird überbeansprucht oder zerstört. Derart geprüfte Bauteile kommen nicht zum Einsatz, sind also reine Prüfobjekte, die z. B. aus einer laufenden Produktion entnommen werden. Die Rückkopplung der Erkenntnisse aus Belastungsversuchen in die Produktions-Prozesse findet verzögert statt. Die Produktion reagiert nicht sofort auf evtl. festgestellte Unzulänglichkeiten der Materialverbindungen.The industry increasingly relies on novel composite materials or innovative types of connection of classic materials. The quality of connections decisively determines the properties of the components produced from them. So connections must be able to safely absorb certain mechanical stresses. Controlling the maximum load of each compound is critical to safety in the application. The quality of composite materials is characterized by the adhesion of the individual materials to each other in order to achieve the special properties of the composite material. The testing of compounds is carried out according to the current state of the art by means of various methods:
The determination of the mechanical strength of joints is done by means of tensile / bending / torsion tests in which the compounds are loaded according to their main direction of stress up to the maximum voltage. Even before the maximum load, however, plastic deformation occurs in all materials. The microscopic structure is changed during the stress test or the component or the compound is overstressed or destroyed. Such tested components are not used, so are pure test objects that z. B. be taken from an ongoing production. The feedback of the findings from load tests into the production processes takes place with a delay. The production does not respond immediately to any detected shortcomings in the material connections.
Eine Ultraschallprüfung kann die mechanischen Eigenschaften und deren Änderung anhand von Laufzeitmessungen des Schalls im Prüfobjekt feststellen. Das Ultraschall-Prüfverfahren kann bildgebend und zerstörungsfrei erfolgen. Die Anwendung der Ultraschallprüfung in der Industrie beschränkt sich jedoch auf die stichprobenhafte Kontrolle von Teilen. Nur in Fällen, wo extreme Anforderungen an die Sicherheit bzw. an die mechanischen Eigenschaften von Materialverbindungen gestellt sind, wird eine 100% Kontrolle der Bauteile vorgenommen. Deswegen wird in der Regel aufgrund der fehlenden 100% Qualitätskontrolle eine mechanisch überdimensionierte Abmessung oder eine erhöhte Anzahl von Verbindungen bei der Konstruktion vorgesehen, um eine gewisse, maximale Ausfallrate zu erreichen. Die Ermittlung der dazu nötigen Überdimensionierung basiert dabei meist auf Erfahrungswerten.An ultrasonic test can determine the mechanical properties and their changes based on transit time measurements of the sound in the test object. The ultrasound test procedure can be carried out by imaging and non-destructive. However, the application of ultrasonic testing in the industry is limited to the random inspection of parts. Only in cases where extreme demands are placed on the safety or on the mechanical properties of material connections, a 100% control of the components is made. Therefore, due to the lack of 100% quality control, a mechanically oversized dimension or an increased number of connections is typically provided in the design to achieve a certain maximum failure rate. The determination of the necessary oversizing is based mostly on empirical values.
Es ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien, berührungslosen Messung einer Werkstoffoberfläche bekannt (
Ferner ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bewertung eines Schweißpunktes bekannt (
Es ist Stand der Technik, dass die Infrarot-Impulsthermographie eine Information anhand des zeitlichen Verlaufs des registrierten Wärmeflusses einen Aufschluss über die lokale Qualität der Materialverbindung liefern kann (V. Vavilov et al. Transient thermographic detection of buried defects attempting to develop the prototype basic inspection procedure, „Proc. Of the Quantitative IR Thermographie QIRT – Seminar 50 – 1996”, edited by D. Balagaes, G. Busse, C. M. Carlomango, Stuttgart, Germany, 1996, p. 239ff). Unter industriellen Bedingungen wird jedoch dieses Verfahren auch wegen der eintretenden Störungen nicht genug aufschlusskräftig.It is state of the art that infrared pulse thermography can provide information about the local quality of the material connection on the basis of the time course of the registered heat flow (V. Vavilov et al., Transient thermographic detection of buried defects attempting to develop the prototype basic inspection procedure, "Proc. of the Quantitative IR Thermography QIRT - Seminar 50 - 1996", edited by D. Balagaes, G. Busse, CM Carlomango, Stuttgart, Germany, 1996, pp. 239ff). Under industrial conditions, however, this method is not sufficiently enlightening because of the disturbances that occur.
Infrarot-Lock-In-Thermographie benutzt zur Detektion lokaler Wärmeleitfähigkeitsunterschiede eine modulierte Anregung (Licht, Ultraschall, Wirbelstrom) und die Errechnung eines sog. emmisivitätsunabhängigen Phasenbildes. Das Phasenbild zeigt die Laufzeit thermischer Wellen im Materialverbund. Lokale Inhomogenitäten zeigen somit gestörte Materialverbindungen. Dieses Verfahren liefert jedoch Information aus einer vordefinierten Tiefe der Materialverbindung und somit kann nicht zur Qualitätskontrolle eines Schweißpunktes verwendet werden.Infrared lock-in thermography uses a modulated excitation (light, ultrasound, eddy current) to detect local differences in thermal conductivity and the calculation of a so-called emmisivity-independent phase image. The phase diagram shows the transit time of thermal waves in the composite material. Local inhomogeneities show disturbed ones Material connections. However, this method provides information from a predefined depth of the material connection and thus can not be used for quality control of a weld point.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen zu schaffen, welches eine Qualitätskontrolle jeder einzelnen Verbindung bzw. der gesamten Fläche eines Materialverbundes derart bereitzustellt, dass es unmittelbar zur Kontrolle eines Produktionsprozesses eingesetzt werden kann. Durch die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Verbindung an jeder zu prüfenden Stelle wird eine Überdimensionierung im obengenannten Sinne vermeidbar. Zum Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde dieses Verfahren derart weiterzubilden, dass es schnell durchführbar ist, reproduzierbare Ergebnisse liefert, sodass der Produktionsprozess mit vorliegender Erfindung hinsichtlich der Optimierung der Konstruktion, der Materialersparnis durch angepasste Dimensionierung und der Zuverlässigkeit objektiv beurteil- und optimierbar wird. Außerdem soll eine Vorrichtung zum Ausfühhren dieses Verfahrens geschafft werden.The invention has for its object to provide a method for non-destructive automatic testing of material connections, which provides a quality control of each connection or the entire surface of a composite material such that it can be used directly to control a production process. By ensuring proper connection at each site to be inspected, oversizing in the above sense is avoidable. Furthermore, the invention has the object of developing this method so that it can be carried out quickly, reproducible results, so that the production process with the present invention with regard to the optimization of the design, the material savings by adapted dimensioning and reliability is objectively judged and optimized. In addition, an apparatus for carrying out this method is to be accomplished.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 11.The solution to the problem results from the features of
Patentgemäß wird ein Bauteil mittels Wärmefluss-Thermographie geprüft. Dabei wird das Verfahren als Wärmedurchgangsprüfung und/oder Prüfung des Wärmeabtransportes ausgebildet, wobei ein abbildendes Infrarot-Bilddatenerfassungs- und -Auswertungssystem verwendet wird, das mit einem Echtzeit-Datenverarbeitungssystem verbunden ist.According to the patent, a component is tested by means of heat flow thermography. In this case, the method is embodied as a heat transfer test and / or heat removal test using an imaging infrared image data acquisition and evaluation system connected to a real-time data processing system.
Gemäß Anspruch 1 sieht das Verfahren vor, dass aus der Zeitserie der Wärmebilddaten, die durch die kurzzeitige Anregung der Wärmestrahlung des Schweißpunktes entstehen und mittels einer Infrarotkamera erfasst und in Echtzeit gespeichert werden, ein Phasenbild erstellt wird. Dabei wird für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet. Das berechnete Phasenbild stellt die Wärmeausbreitung der Anregung gemäß den lokalen Materialeigenschaften unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und Emissionsgradunterschieden der abstrahlenden Oberfläche dar. Somit wird, unter Einbezug von Kalibrierdaten, die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes hinsichtlich des Durchmessers der Schweißpunktlinse, der Homogenität der Schweißverbindung sowie der Dicke der Schweißpunktlinse gewährleistet.According to
Gemäß Anspruch 2 wird anhand der festgestellten Parameter der Schweißverbindung, wie der Durchmesser und die Dicke der Schweißpunktlinse sowie die Homogenität der Schweißverbindung, eine Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes mit der Prüfaussage Schweißpunkt in Ordnung (i. O.) oder Schweißpunkt nicht in Ordnung (n. i. O.) gewährleistet.According to
Gemäß Anspruch 3 werden die Wärmebilddaten mit einer Bildwiederholrate größer als 300 Hz erfasst. Somit wird die Dynamik des zu untersuchenden Wärmeflusses ausreichend registriert.According to claim 3, the thermal image data are detected at a refresh rate greater than 300 Hz. Thus, the dynamics of the heat flow to be examined is sufficiently registered.
Gemäß Anspruch 4 wird für jeden Prüfort an einem zu prüfenden Bauteil verschiedene Kalibrierdatensätze in einer elektronischen Datenbank zur Verfügung stehen. Damit wird eine lokale dynamische Kalibrierung der Aufnahmen gewährleistet.According to claim 4 different calibration records will be available in an electronic database for each test location on a component to be tested. This ensures a local dynamic calibration of the recordings.
Gemäß Anspruch 5 wird die Anregung des zu prüfenden Schweißpunktes durch eine periodische Wiederholung des Anregungspulses mit einer Frequenz von mehreren Hertz erfolgt. Dabei wird eine Korrelation zwischen den harmonischen Funktionen dieser Frequenz und einem Vielfachen dieser Frequenz untersucht. Dies wird erlauben, eine Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten durchzuführen.According to claim 5, the excitation of the welding point to be tested is carried out by a periodic repetition of the excitation pulse with a frequency of several hertz. A correlation between the harmonic functions of this frequency and a multiple of this frequency is investigated. This will allow to perform a Fast Fourier transform of the time series for each pixel of the thermal image data.
Gemäß Anspruch 6 wird eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zur automatischen Prüfung von Materialverbindungen dargelegt, welche die Anregungs- und Detektionsquelle von einem Positionierungssystem zur pixelgenauen Position an jeden zu prüfenden Schweißpunkt gebracht wird. Somit wird das angemeldete Verfahren flexibel gestaltet und schnell durchführbar.According to claim 6, an apparatus for carrying out the method for automatic testing of material connections is presented, which brings the excitation and detection source from a positioning system for pixel-precise position to each weld point to be tested. Thus, the notified procedure is flexible and can be carried out quickly.
Gemäß Anspruch 7 wird das Positionierungssystem als ein Roboter ausgebildet. Dabei werden mit dem Roboter die Infrarotkamera und die Anregungsquelle pixelgenau an jeden zu prüfenden Schweißpunkt positioniert. Auf diese Art und Weise werden alle zu prüfenden Schweißpunkte auf dem ganzen zu prüfenden Bauteil abgefahren. Somit erlang das Prüfsystem die höchste Flexibilität.According to claim 7, the positioning system is designed as a robot. The robot uses the robot to position the infrared camera and the excitation source pixel by pixel at each weld point to be tested. In this way, all weld points to be tested are traveled on the entire component to be tested. Thus, the test system achieved the highest flexibility.
Gemäß Anspruch 8 wird die Anregungsquelle als eine Blitzlampe ausgebildet, welche über eine Plexiglasscheibe verfügt, durch die eine Abschirmung der Wärmestrahlung erfolgt. Dabei wird die Dicke der Plexiglasscheibe so festgelegt, dass sie das Erzeugen eines ausreichend kurzen Lichtimpuls gewährleistet. Somit wird der Einfluss der nachglühenden Blitzlampe abgeschirmt und eine impulsartige Anregung des zu prüfenden Bauteiles gewährleistet.According to claim 8, the excitation source is designed as a flashlamp, which has a Plexiglas disk through which a shielding of the heat radiation takes place. The thickness of the Plexiglas is set so that it ensures the generation of a sufficiently short pulse of light. Thus, the influence of the afterglow flash lamp is shielded and ensures a pulse-like excitation of the component to be tested.
Gemäß Anspruch 9 wird die Anregungsquelle als ein glasfasergekoppelter Puls-Laser mit homogener Lichtintensitätsverteilung am zu prüfenden Bauteil ausgebildet. Dabei betragen seine Pulszeiten von 1 bis 10 ms und seine Leistungsdichten erreichen 2000 W/cm2. Dabei wird das Erzeugen eines ausreichend kurzen aber leistungsfähigen Lichtimpulses gewährleistet.According to claim 9, the excitation source is formed as a glass-fiber-coupled pulse laser with homogeneous light intensity distribution on the component to be tested. Its pulse times are from 1 to 10 ms and its power densities reach 2000 W / cm 2 . This ensures the generation of a sufficiently short but powerful light pulse.
Gemäß Anspruch 10 wird die Anregungsquelle als eine pulsartige Gasquelle, bevorzugt Luft, ausgebildet, bei der Pulszeiten von 1 bis 10 ms erreicht werden. Dabei wird das Erzeugen eines ausreichend kurzen aber leistungsfähigen thermischen Impulses gewährleistet.According to claim 10, the excitation source as a pulse-like gas source, preferably air, formed, are achieved in the pulse times of 1 to 10 ms. This ensures the generation of a sufficiently short but powerful thermal pulse.
Gemäß Anspruch 11 wird die Infrarotkamera eine Bildwiederholrate von mindestens 300 Hz und eine Pixelanzahl von mindestens 64×64 Pixel aufweisen. Damit wird eine ausreichende zeitliche sowie geometrische Auflösung der Wärmefluss-Aufnahmen gewährleistet.According to claim 11, the infrared camera will have a refresh rate of at least 300 Hz and a pixel count of at least 64 × 64 pixels. This ensures a sufficient temporal and geometric resolution of the heat flow recordings.
Die Einzelheiten der Erfindung sowie ihre weiteren Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der
Als Beispiel kann einen Schweißpunkt angenommen werden, der mit einem Blitz angeregt wird. Die Anregung des zu untersuchenden Schweißpunktes kann ohne Beschränkung des angemeldeten Verfahrens auch auf andere Art und Weise (Laser, Ultraschall, Wirbelstrom, usw.) durchgeführt werden. Dabei kann ein Wärmefluss durch diesen Schweißpunkt als schnelle Bildfolgen der Oberflächentemperatur des zu prüfenden Objektes mit Hilfe einer Infrarotkamera von der zu oder -abgewandten Seite aufgenommen werden. Somit wird der gesamte zeitliche Verlauf der Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich 2...14 μm an der Oberfläche der zu prüfenden Materialverbindung mit Bildwiederholraten von mehr als 300 Hz erfasst und zu einer Rechnereinheit weitergeleitet. Dort wird eine Echtzeit-Datenerfassung diese Bilddaten automatisch analysiert und hinsichtlich der Güte der Materialverbindung ausgewertet.As an example, a welding point can be assumed, which is excited with a flash. The excitation of the weld point to be examined can also be carried out in other ways (laser, ultrasound, eddy current, etc.) without limiting the method applied for. In this case, a heat flow through this welding point can be recorded as fast image sequences of the surface temperature of the object to be tested with the aid of an infrared camera from the side facing or away. Thus, the entire time course of the heat radiation in the
Dabei wird ein Phasenbild des zu untersuchenden Schweißpunktes erstellt, sodass für jeden Bildpunkt der Wärmebilddaten ein Quotient des Imaginärteils und des Realteils einer Fast-Fourier-Transformation der Zeitserie gebildet wird. Das berechnete Phasenbild stellt die Wärmeausbreitung der Anregung gemäß den lokalen Materialeigenschaften unabhängig von Anregungsintensitätsunterschieden und Emissionsgradunterschieden der abstrahlenden Oberfläche dar. Somit wird die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes hinsichtlich des Durchmessers und der Dicke der Schweißpunktlinse sowie der Homogenität der Schweißverbindung, unter Einbezug von Kalibrierdaten, gewährleistet. Das Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass durch die Anwendung von Bildverarbeitungssoftware Störungen, z. B. durch Reflexe oder andere Umgebungseinflüsse reduziert werden.In this case, a phase image of the weld point to be examined is created so that a quotient of the imaginary part and the real part of a fast Fourier transformation of the time series is formed for each pixel of the thermal image data. The calculated phase image represents the thermal propagation of the excitation according to the local material properties irrespective of excitation intensity differences and emissivity differences of the radiating surface. Thus, the qualification of the weld point to be examined with respect to the diameter and the thickness of the weld spot lens and the homogeneity of the weld, with the inclusion of calibration data guaranteed , The method is further developed by the fact that by the application of image processing software disturbances, eg. B. be reduced by reflections or other environmental influences.
Die erzielten Ergebnisse erlauben die Qualifizierung des zu untersuchenden Schweißpunktes mit der Prüfaussage Schweißpunkt in Ordnung (i. O.) oder Schweißpunkt nicht in Ordnung (n. i. O.) zu tätigen.The results obtained allow the qualification of the weld point to be examined with the test statement weld point OK (i.O.) or weld point not OK (n.i.O.) to make.
Die Vorrichtung, welche das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, ist im Bezug auf Kompakt- und Robustheit, sowie im Bezug auf Modularität hinsichtlich des Einsatzes insbesondere in der Automobilindustrie optimiert. Hierzu wird der Einsatz/die Kombination mehrerer High-Tech-Technologien, namentlich Roboter, Glasfasergekoppelte Laser, IR-Kamera, Datentechnik, Bildverarbeitung sowie deren produktionsgerechtes Zusammenwirken als Alleinstellungsmerkmale gesehen. Die prinzipiell möglichen Variationen bezüglich der Anregung-/Detektionsgeometrie sind in den
Als erfindungsgemäße Weiterbildung der Vorrichtung ist die kompakte Bauform, bei gleichzeitiger Flexibilität, und somit einer hohen Anzahl möglicher Prüfpositionen, gegeben. Eine Weiterbildung der Vorrichtung beinhaltet den Einsatz eines Spiegels zur Anregung bei der Wärmeflussdurgang-Prüfung. Alternativ dazu ist Detektion des Wärmeflusses auch über einen Spiegel möglich.As a further development of the device according to the invention, the compact design, with simultaneous flexibility, and thus a high number of possible test positions, given. A development of the device involves the use of a mirror for excitation in the heat flow endurance test. Alternatively, detection of the heat flow is also possible via a mirror.
Zusammenfassend bietet das vorgeschlagene Verfahren eine automatische, berührungslose und zerstörungsfreie Inspektion eines Schweißpunktes, indem der zu untersuchende Schweißpunkt unabhängig von dessen Größe und Position sowie der aufgetretenen Störungen explizit detektiert und automatisch ausgewertet wird.In summary, the proposed method offers an automatic, non-contact and non-destructive inspection of a spot weld, by explicitly detecting and automatically evaluating the spot to be examined, regardless of its size and position as well as the interference that has occurred.
Claims (11)
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