DE102004030154A1

DE102004030154A1 - Verfahren zur Prüfung der Qualität einer mechanischen Verbindung

Info

Publication number: DE102004030154A1
Application number: DE200410030154
Authority: DE
Inventors: Erich Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-02-09

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Qualitätsprüfung einer mechanischen Verbindung (107) in einer Probe (101) ist vorgesehen, daß in der Probe (107) durch einen Laserstrahl (111) eine Welle angeregt wird, deren Ausbreitung durch die Qualität der Verbindung (107) beeinflußt wird und diese beeinflußte Welle erfaßt und ausgewertet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Qualität einer mechanischen Verbindung, eine Vorrichtung zur Prüfung der Qualität einer mechanischen, vorzugsweise schweißtechnischen Verbindung sowie ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Herstellung einer festen mechanischen Verbindung zwischen zwei Fügepartnern können diese bspw. miteinander verschweißt werden. Hierbei werden die beiden Fügepartner zusammengehalten und an einer Berührungsstelle aufgeschmolzen, so daß sie nach dem Abkühlen miteinander verbunden sind. Bei der Verbindung handelt es sich um einen räumlich ausgedehnten Bereich in einer aus zwei oder mehr Fügepartnern bestehende Probe. Diese Verbindung ist aus einem Material ausgebildet, das sich von einem Material, aus dem die Fügepartner ausgebildet sind, unterscheiden kann.

Es kann vorkommen, daß die beiden Fügepartner nach erfolgtem Verschweißen nicht ausreichend fest miteinander verbunden sind. Ist eine fehlerhafte Verbindung von außen zu erkennen, so kann diese durch eine optische Inspektion entdeckt werden. Allerdings sind oftmals Schweißungen konstruktionsbedingt nicht von allen Seiten zu betrachten. Zudem ist ein großer Teil möglicher Schweißfehler, wie Poren, Lunker, Risse und dergleichen, von der Oberfläche her überhaupt nicht zu erkennen. Ferner gibt es Schweißungen, die nur einen geringen Teil von ca. 10 % der gewünschten Festigkeit aufweisen und deshalb als sog. Klebungen oder auch Lötungen bezeichnet werden.

Eine vollständige und zuverlässige Prüfung der Qualität, insbesondere von berührungsfrei hergestellten Schweißverbindungen, wie beispielsweise Laserschweißverbindungen, ist sehr schwierig. So werden in der Fertigung heute stichprobenartig zerstörende Verfahren zur Prüfung von Teilen mit derartigen Schweißverbindungen eingesetzt. Dabei werden derartige Schweißverbindungen zur Prüfung ihrer Festigkeit mit Hammer und Meißel getrennt. Des weiteren sind sog. Ausknöpfversuche oder Abreißversuche bekannt, die jedoch auch nur stichprobenartig und zerstörend durchgeführt werden können. Mit derartigen Vorgehensweisen ist keine hundertprozentig zuverlässige, zerstörungsfreie Prüfung der Qualität möglich, prinzipiell ist es auch nicht möglich, sämtliche hergestellte Teile zu prüfen.

Bei einer möglichen zerstörungsfreien Methode wird über ein flüssiges oder gummi- oder geleeartiges Koppelmittel Ultraschall aus einem stiftförmigen Ultraschallgeber in die Schweißverbindung eingeleitet. Aus einem Abklingverhalten eines hervorgerufenen Mehrfachechos können Aussagen über die Qualität der Schweißverbindung getroffen werden. Eine Beurteilung von Ergebnissen derartiger Tests hängt aber erheblich von der individuellen Schweißverbindung ab und setzt bei einem Prüfer große Erfahrung voraus. Tests dieser Art sind auch nicht für eine automatisierte hunderprozentige Prüfung geeignet.

Eine Wirbelstromprüfung zur zerstörungsfreien Detektion oberflächennaher Defekte in einer Schweißverbindung scheidet wegen einer undefinierten und sehr unebenen Oberfläche der Schweißverbindung als zerstörungsfreie Methode aus.

Neben den vorstehend genannten Postprozeßverfahren kommen auch sog. Inprozeßverfahren zum Einsatz. Bei diesen werden über entsprechende Filter Schweißverbindungen direkt optisch oder auch im infraroten Bereich beobachtet. Damit lassen sich Spritzer detektieren, bei denen Material aus der Schweißverbindung herausgeschleudert wird, was diese unzulässig ausdünnt. Eine Infrarot-Beobachtung kann bspw. auch noch unmittelbar nach dem Schweißvorgang stattfinden, ohne daß ein zu prüfendes Teil in einer gesonderten Prüfstation angeordnet werden muß. Hierbei läßt eine Dynamik der Abkühlung der Schweißverbindung auf möglicherweise vorhandene Fehler schließen, die evtl. auch unter der Oberfläche liegen können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll eine Prüfung von Verbindungen, wie bspw. von Laserschweißverbindungen, möglich sein.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1, einer Vorrichtung nach Patentanspruch 8, einem Computerprogramm nach Patentanspruch 12 sowie einem Computerprogrammprodukt nach Patentanspruch 13 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Qualitätsprüfung einer mechanischen Verbindung, vorzugsweise schweißtechnischen Verbindung, in einer Probe ist vorgesehen, daß in der Probe an mindestens einer Position durch einen Laserstrahl eine bspw. akustische Welle angeregt wird, deren Ausbreitung durch die Verbindung beeinflußt wird. Diese beeinflußte Welle wird erfaßt und ausgewertet. Sowohl die Anregung als auch die Detektion der Welle erfolgen dabei berührungslos. Mit der Erfindung ist somit eine automatische zerstörungs-, berührungs- und koppelmittelfreie Prüfung von mechanischen Verbindungen in Proben durchführbar. Dabei sind auch innere, optisch nicht erfaßbare Defekte nachweisbar, die bislang nicht mit zerstörungsfreien Methoden erkannt werden können.

Eine zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Prüf- oder Meßzeit ist so kurz, daß die Prüfung auch schritthaltend in der Fertigung und somit für alle durch die Verbindung, bspw. Laserschweißverbindung verbundenen Teile oder Fügepartner als zu untersuchende Proben durchgeführt werden kann. Mit dem Verfahren können folglich qualitativ mangelhafte mechanische Verbindungen von zwei aneinandergefügten Teilen zuverlässig erkannt werden.

Bei der Auswertung der erfaßten Welle bietet sich die Möglichkeit, einen Verlauf der Welle nach Durchgang durch die mechanische Verbindung zu bestimmen. Die Form des Verlaufs wird hierbei auf möglicherweise vorhandene Unregelmäßigkeiten untersucht. Auffällige Unregelmäßigkeiten sind ein Indiz für Fehler innerhalb der auf die Qualität hin zu überprüfenden Verbindung. Hierbei wird bspw. eine Amplitude bzw. Impulsform, ein Abklingverhalten und/oder eine Laufzeit der sich in der Probe ausbreitenden bzw. die Probe durchlaufenden Welle untersucht.

Über eine Periodizität des Verlaufs der Welle, die über die Laufzeit analysierbar ist, werden Echos innerhalb der Verbindung, die durch Reflexion der Welle an Berandungen der Verbindung hervorgerufen werden, identifiziert. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit des Materials, aus dem die Verbindung ausgebildet ist, ist somit eine Ausdehnung, also eine Breite oder Dicke der Verbindung, bestimmbar. Diese Echos können sowohl an einer Vorder- als auch an einer Rückseite der Probe berührungslos erfaßt werden.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß in der Probe mittels des Laserstrahls an mehreren Punkten Wellen angeregt, erfaßt und gemeinsam und/oder vergleichend ausgewertet werden. Hierbei wird die Probe oder die Verbindung an mehreren Meßpositionen örtlich genau abgetastet, wobei die Meßzeit nur unwesentlich verlängert wird. Durch eine derartige Vielfachanregung und der sich daraus ergebenden Ergebnisse sind bspw. genauere Informationen über eine räumliche, dreidimensionale Struktur der Verbindung zu erhalten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Probe oder der Verbindung durch einen kurzzeitigen Laserpuls (gepulster Laserstrahl) ein Ultraschallimpuls (mechanische Longitudinal- oder Scherwelle) angeregt und optisch und/oder interferometrisch erfaßt wird. Mittels des sehr kurzen Laserpulses wird eine Oberfläche der Probe oder der Verbindung kurzzeitig erwärmt. Der Ultraschallimpuls (vorwiegend Oberflächen- und Scherwellen) wird aufgrund der Wärmedehnung der Verbindung, als ein Teil der durch das Verfahren untersuchten Probe, ausgelöst. Dieser Ultraschallimpuls wird an Berandungen reflektiert und durchläuft die Verbindung mehrfach. Ein Signal des Ultraschallimpulses wird vorteilhafterweise mit einem sehr breitbandigen (ca. 20 MHz) Heterodyn-Interferometer bzw. Laser-Vibrometer optischinterferometrisch erfaßt. Alternativ ist eine Erfassung mittels eines sehr breitbandigen Luftschallempfängers (Mikrophon) möglich.

Der gepulste Laserstrahl verdampft durch eine hohe momentane Leistungsdichte von bspw. ca. 517 MW/cm² bei einer Gesamtleistung von 65 MW eine winzige Menge des Materials an der Oberfläche der Probe und erzeugt so durch den entstehenden Rückstoß und Expansionsdruck des verdampften Materials eine mechanische Longitudinalwelle, also den Ultraschallimpuls, der durch die Probe und die Verbindung läuft (Laufzeit ca. 0,09 μs). Man unterscheidet zwei Arten von durch Laserpulsen angeregten Ultraschallimpulsen: a) Thermoelastische Ultraschalimpulse: eine von dem Laserpuls verursachte bei einer Leistungsdichte von mehr als 10⁷ W/cm² punktuelle thermische Ausdehnung verursacht eine von der Oberfläche der Probe ausgehende Schallwelle. b) Ablative Ultraschallimpulse: eine von dem Laserpuls verursachte punktuelle Erwärmung überschreitet eine Verdampfungstemperatur der Probe (< 1000 °C). Ein dadurch entstehender, geringfügiger Materialabtrag von einigen Nanometern erzeugt in Verbindung mit dem Expansionsdruck des verdampften Materials einen mechanischen Rückstoß (Impulserhaltung), der sich ebenfalls als akustische Welle in der Probe ausbreitet.

Aus der Amplitude bzw. der Form des transmittierten oder auch reflektierten Ultraschallimpulses, insbesondere eines zeitlichen Abstands zwischen zwei Ultraschallimpulsen, wird auf die Qualität der Verbindung geschlossen. Hierbei wird berücksichtigt, daß eine qualitativ minderwertige mechanische Verbindung Schall wesentlich schlechter als eine hochwertige mechanische Verbindung leitet. Eine Untersuchung der Reflexion des Ultraschallimpulses hat den Vorteil, daß die Amplitude eines ersten zu messenden Folgeechos auf die Amplitude eines durch den gepulsten Laserstrahl hervorgerufenen Einschallechos bezogen werden kann. Das Ergebnis der Messung ist weitgehend unabhängig davon, wieviel der von dem Laserstrahl bzw. dem Laserpuls auf die Verbindung aufgebrachte Energie tatsächlich in die Verbindung eingedrungen ist.

Neben der Amplitude kann auch eine Impulslaufzeit ausgewertet werden. Die somit bestimmbare Dicke der Verbindung kann durch Vergleich mit einem Sollwert in einfacher Weise als normal oder im Falle einer mit Mängeln behafteten Verbindung als über- oder auch unternormal identifiziert werden.

Abgesehen von der akustischen Welle breitet sich in der Probe durch die Anregung des Laserstrahls auch eine thermische Welle aus, die ebenfalls zur Prüfung der Qualität genutzt werden kann. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist geringer als die der akustischen Welle. Die Meßzeiten liegen bei Nutzung der thermischen Welle im Bereich von 100 ms, bei der akustischen Welle hingegen im Bereich von 1 μs. Bei der thermischen Welle erfolgt die Messung bspw. mit einem IR-Sensor (Auflösung ca. 20 mK, Zeitkonstante ca. 1 ms).

In alternativer Ausgestaltung der Erfindung wird in der Probe mit einem rechteckförmig modulierten Dauerlaserpuls die Wärme- bzw. Temperaturwelle angeregt und erfaßt. Derartige Wellen, die bspw. durch Gitterschwingungen der Probe hervorgerufen werden, breiten sich mit wesentlich geringerer Geschwindigkeit als die kurzen Ultraschallimpulse aus. Zur Anregung derartiger Wärme- bzw. Temperaturwellen wird idealerweise ein mit ca. 1 Hz rechteckförmig modulierter Dauerstrichlaser niedriger Leistung von ca. 0,5 W eingesetzt. Dabei erzielbare Meßzeiten liegen bei ca. 10 Sekunden pro Verbindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für eine durch ein berührungsloses Schweißverfahren hergestellte Verbindung, bei der zwei Teile bzw. Fügepartner aneinandergeschmolzen werden, wodurch die Verbindung entsteht. Das Verfahren ist dabei sowohl zur Überprüfung von Schweißnähten als auch von Schweißpunkten einsetzbar.

Die Qualität der Verbindung hängt vor allem von deren innerer Homogenität ab, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Untersuchung der sich ausbreitenden Welle in einfacher Weise zuverlässig zu untersuchen ist. Möglicherweise vorhandene Fehler oder Unregelmäßigkeiten innerhalb der Probe und insbesondere der Verbindung wirken sich nachteilig auf die Ausbreitung der Welle innerhalb der Verbindung aus und sind somit über die Form der Welle zuverlässig zu identifizieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Qualitätsprüfung einer Verbindung in einer Probe weist einen Laser zu Anregung einer Welle in der Probe mit einem Laserstrahl, ein Erfassungsgerät zur interferometrischen Erfassung der durch die Verbindung beeinflußten Ausbreitung der Welle und mindestens eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der erfaßten Welle auf. Mit dieser Vorrichtung ist das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar.

Die Vorrichtung ist unter geringem Aufwand in eine Fertigungslinie zur Herstellung der Verbindung einzubinden. Somit ist eine Qualitätsprüfung der Verbindungen im Rahmen der Produktion möglich. Je nach dem in welcher Weise die Verbindung durch den Laserstrahl angeregt wird, ob nun durch einen kurzzeitigen Laserpuls oder einen rechteckförmig modulierten Dauerlaserpuls, ist als Erfassungsgerät ein Laser-Vibrometer, ein Interferometer, insbesondere ein Heterodyn-Interferometer für kurzzeitige Laserpulse, oder ein Infrarot-Detektor für niederfrequent getastete Dauerlaserpulse zu wählen.

Als Auswerteeinrichtungen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise ein Digitaloszilloskop zur Darstellung des durch das Erfassungsgerät erfaßten Signals der Welle und einen Computer zur Auswertung der Form der Welle auf.

Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ab. Das Computerprogramm dient dabei zur Einstellung des Laserstrahls und zur Auswertung der erfaßten Welle.

Entsprechend dient das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt wird.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt in schematischer Darstellung Details zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform ohne Verbindungsstelle.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste, intakte Verbindung zwischen zwei Fügepartnern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu prüfen ist.
3 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Verbindung zwischen zwei Fügepartnern mit eingeschlossenem Defekt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu prüfen ist.
4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
5 zeigt ein erstes Schaubild mit dem Verlauf einer Welle nach Durchlauf durch ein Blech, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt worden ist.
6 zeigt eine dritte Verbindung zwischen zwei Fügepartnern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu prüfen ist.
7 zeigt ein zweites Schaubild mit mehreren Verläufen von Wellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt worden sind.
8 zeigt ein drittes Schaubild mit mehreren Verläufen von Wellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt worden sind.
9 zeigt ein viertes Schaubild mit mehreren Verläufen von Wellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt worden sind.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail zu einer Vorgehensweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prüfung der Qualität anhand eines Blechs 1. Hierbei wird das Blech 1 an mindestens einer Stelle durch einen Laserstrahl 10, bspw. einen kurzzeitigen Laserpuls, an einer Vorderseite 16 angeregt. Hierdurch wird das Blech 1 erwärmt, wodurch innerhalb des Blechs 1 eine Welle 2, wie bspw. ein Ultraschallimpuls oder eine Wärme- oder Temperaturwelle, erzeugt wird. Diese Welle 2 breitet sich innerhalb des Blechs 1 aus. Dabei wird die Welle 2 bspw. an einer der angeregten Vorderseite 16 gegenüberliegenden Rückseite 18 als zurückgeworfene Welle 4 bzw. Echo der Welle 2 reflektiert.
Die sich innerhalb des Blechs 1 ausbreitende Welle 2 und deren Echo 4 werden optisch-interferometrisch mit einem Laser-Vibrometer 14, z.B. einem Heterodyn-Interferometer, erfaßt. Die Welle 4 bzw. das Echo 4 der Welle 2 wird über einen Lichtstrahl 12 durch das Laser-Vibrometer erfaßt. Derart erfaßte Verläufe der Wellen 2, 4 bzw. ein und derselben Welle 2, 4, die an verschiedenen Beobachtungspunkten erfaßt wird, werden für die Auswertung herangezogen. Die Verläufe der Wellen 2, 4 erlauben es, Rückschlüsse auf eine Beschaffenheit der Verbindung 1 zu ziehen.
2 zeigt ein Beispiel einer aus zwei Fügepartnern 23, 25 bestehenden Probe 21, bei der die Fügepartner 23, 25 über eine durch ein berührungsloses Schweißverfahren bereitgestellte Verbindung 27 miteinander verbunden sind. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens bzw. Prüfverfahrens ist vorgesehen, daß ein Laserstrahl 20 auf einen dem ersten, links abgebildeten Fügepartner 23 zugeordneten Teil der Probe 21 auftrifft, wodurch eine Welle 22 angeregt wird. Die sich innerhalb der Probe 21 und auch innerhalb der Verbindung 27 ausbreitende Welle 22 wird an einer Berandung des zweiten, rechts abgebildeten Fügepartners 25 reflektiert und als reflektierte Welle 24 bzw. Echo der Welle 22 zurückgeworfen. Die im vorliegenden Fall intakte Verbindung 27 der dargestellten Probe 21 ist innerlich homogen, so daß sich die Wellen 22, 24 innerhalb der Verbindung 27 gleichförmig und unbehindert ausbreiten.
3 zeigt eine weitere aus zwei Fügepartnern 33, 35 bestehende Probe 31, bei der ein erster, links angeordneter Fügepartner 33 und ein zweiter, rechts angeordneter Fügepartner 35 über eine durch ein berührungsloses Laserschweißverfahren hergestellte Verbindung 37 miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu der Probe 21 mit der Verbindung 27 aus 2 weist die Verbindung 37 der Probe 31 einen inneren Defekt 38 auf.
Entsprechend 2 breitet sich ausgehend von dem ersten Fügepartners 33, angeregt durch den dort auftreffenden Laserpuls 30, eine Welle 32 aus. Aufgrund des Defekts 38 innerhalb der Verbindung 37 wird die Welle 32 an dem Defekt 38 teilweise als erste reflektierte Welle 34 zurückgeworfen und teilweise als eine transmittierte Welle 36 durchgelassen. Hierdurch unterscheiden sich die Verläufe der sich innerhalb der Verbindung 37 ausbreitenden Wellen 32, 34, 36 von den Wellen 22, 24, die sich innerhalb der Verbindung 27 der Probe 21 ausbreiten. Möglicherweise innerhalb der Verbindung 37 vorhandene Inhomogenitäten oder Störstellen, also Defekte 38, werden somit anhand des Verlaufs der Wellen 32, 34, 36 identifiziert.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Prüfung der Qualität einer Verbindung 107 in einer Probe 101 aus zwei Fügepartnern 103, 105. Die Vorrichtung 100 weist einen Laser 109, eine erste Linse 121, eine zweite Linse 123, ein Laser-Vibrometer 114, bspw. ein Heterodyn-Interferometer, ein Digitaloszilloskop 116 und einen Computer 118 auf.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von dem Laser 109 ein Laserstrahl 110 emittiert. Dieser Laserstrahl 110 wird durch die erste Linse 121 fokussiert. Ein dabei entstehender fokussierter Laserstrahl 111 trifft auf einer Seite des ersten Fügepartners 103 der Verbindung 107 auf, wodurch die Verbindung 107 erwärmt wird. Dadurch wird eine sich innerhalb der Probe 101 bzw. der Verbindung 107 ausbreitende Welle, bspw. ein Ultraschallimpuls, angeregt. Diese Welle wird mittels des Laservibrometers 114 (Heterodyn-Interferometer) auf der Rückseite der Probe 101 erfaßt. Bei einer optisch-interferometrischen Meßmethode sendet das Laser-Vibrometer 114 bspw. grünes Licht auf eine Seite des zweiten Fügepartners 105 der Verbindung 107 aus, das als reflektierter Lichtstrahl 112 eine Zweitlinse 123 passiert und als Lichtstrahl 113 das Laser-Vibrometer 114 erreicht. Dabei detektierte Signale werden von dem Laser-Vibrometer 114 erfaßt, von dem Digitaloszilloskop 116 aufbereitet und von dem Computer 118 ausgewertet.
Ein erfindungsgemäß erfaßter Verlauf 50 einer sich ausbreitenden Welle nach Durchlauf durch eine Verbindung bzw. Probe ist in dem Schaubild der 5 dargestellt. Der Verlauf 50 ist hierbei über der Zeit t aufgetragen. Der Verlauf 50 weist in diesem Fall fünf deutliche Peaks 51, 52, 53, 54, 55 auf, die in Zeitabständen von Δt ≃ 0,178 μs auftreten. Bei diesen Peaks 51, 52, 53, 54, 55 handelt es sich um an Berandungen der Verbindung reflektierte Echos der sich ausbreitenden Welle. Das Zeitintervall Δt entspricht einer doppelten Laufzeit der Welle innerhalb der Verbindung. Bei einer bekannten, materialspezifischen Geschwindigkeit der Welle innerhalb der Verbindung kann aufgrund eines derartigen Verlaufs 50 der Welle in einfacher Weise eine Dicke d der Verbindung errechnet werden. In diesem Fall beträgt die Dicke d bei einer auf 0,18 μs aufgerundeten Laufzeit und einer Geschwindigkeit der Welle von v = 5,62 mm/μs 0,5 mm. Durch einen Vergleich der derart bestimmten Dicke d der Verbindung mit einem Sollwert für die Dicke d kann darüber eine Aussage getroffen werden, ob die Verbindung gegebenen Vorgaben genügt, also bspw. hinreichend dick ist, und infolgedessen für weitere Anwendungen hinreichend stabil ist.
6 zeigt in schematischer Darstellung am Beispiel einer zwei Fügepartner 63, 65 zusammenfügenden Verbindung 64 einer Probe 61 eine alternative Methode zur Bestimmung der durch Laserpulse 70, 71 angeregten Wellen. In diesem Fall erfolgt die Anregung der Probe 61 durch jeweils einen der beiden Laserpulse 70, 71 an einer Position neben der Verbindung 64, also neben einer Schweißstelle, wie einem Schweißpunkt oder einer Schweißnaht. Hierbei wird der durch die Laserpulse 70, 71 angeregte thermoelastische Effekt ausgenutzt, durch den innerhalb der Verbindung 64 Ultraschallwellen erzeugt werden, die sich hauptsächlich entlang einer Oberfläche der Probe 61 ausbreiten und so je nach Qualität der Schweißung mehr oder weniger gut in die Verbindung 64 bzw. Schweißstelle geleitet werden. Eine Detektion der Welle kann dann entweder an derselben Stelle, an der der Laserpuls 70, 71 auftritt, reflektiv oder neben der Verbindung 64 an dem ersten Fügepartner 63 transmissiv über einen detektierenden Laserstrahl 72 erfolgen.
Die Energie des Laserpulses 70, 71 kann dabei soweit gesteigert werden, daß eine dünne Schicht im Mikrometerbereich der Verbindung 64 verdampft. Durch einen dadurch entstehenden Rückstoßeffekt kann der durch den Laserpuls 70, 71 innerhalb der Verbindung 64 hervorgerufene thermoelastische Effekt zur Anregung des Ultraschallimpulses noch erheblich verstärkt werden. Hierbei spricht man von einem ablativen Verfahren. Bei diesem ablativen Verfahren entstehen innerhalb der Verbindung 64 überwiegend Longitudinalwellen, die sich senkrecht zu einer Oberfläche der Probe 61 ausbreiten. Aufgrund des allenfalls geringfügigen Materialabtrags bei dieser Vorgehensweise kann diese Detektionsmethode noch als zerstörungsfrei bezeichnet werden, insbesondere wenn es darum geht, den Laserpuls 70, 71 in der Nähe oder direkt auf der Verbindung 64 bzw. Schweißstelle einzubringen, wo eine Oberfläche der Probe 61 durch den zuvor erfolgten Schweißvorgang aufgeschmolzen ist.
Die erfindungsgemäße Nutzung des mit geringerer Pulsenergie verbundenen thermoelastischen Effekts hat gerade bei sehr kurzen Laufzeiten der Welle. des weiteren den Vorteil, daß die bei einem ablativen Verfahren entstehende Dampfwolke die Detektion des Echos auf der Oberfläche der Probe 61 nicht behindert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, eine Position des Meßpunkts, der auf einer Anregungsseite der Proben 21, 31, 61, 101 bzw. Verbindung 1, 24, 34, 64, 107 einen optimierten Durchmesser von ca. 0,5 mm aufweist, zu variieren, so daß man bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unterschiedliche Ergebnisse erhält. Auf diese Weise kann eine Beschaffenheit der Verbindung 1, 24, 34, 64, 107 räumlich bzw. dreidimensional untersucht werden.
7 zeigt ein Schaubild mit über der Zeit t aufgetragenen Verläufen 177, 187, 197, 207, 217, 227, 247, 257 erfindungsgemäß erfaßter Wellen einer Messung an acht Punktschweißverbindungen eines ABS-Steuergeräts. Diese weisen bis auf eine Ausnahme eine reguläre Form auf, d.h. die Echos der reflektierten Welle haben normale Formen und treffen alle etwa nach der erwarteten Laufzeit von ca. 0,18 μs ein. Lediglich der Verlauf 207 weist eine nicht normal kleine Amplitude auf, die auf einen unerkannten Fehler hinweisen könnte. Mit einer Wiederholfrequenz des Pulslasers von derzeit 100 Hz und einer Integrations/Mittelwertbildung von jeweils fünf Messungen liegt eine Meßdauer pro Schweißpunkt bei nicht mehr als 0,5 s.
Anhand des Schaubilds in 8 ist zu sehen, wie sich die Qualität der Schweißung sowohl auf die Amplitude als auch auf die Laufzeit der über der Zeit t aufgetragenen Verläufe 178, 188, 198, 208, 218, 228, 248, 258 der Ultraschallimpulse auswirkt. So ist der Verlauf 258 nicht angeregt. Der Verlauf 178 zeigt ein ähnliches Verhalten. Entgegen einer Amplitudenauswertung ist hier eine Laufzeitanalyse zu beachten. Hierbei zeigt ein durch die Schweißung ausgedünnter Punkt (konkav) eine kürzere Laufzeit (z.B. Verlauf 198) bei durchaus kräftiger Signalamplitude. Verdickte Schweißpunkte zeigen dagegen überhöhte Laufzeiten bei etwas geringerem Signalpegel (z.B. Verlauf 228).
9 zeigt ein Schaubild mit mehreren irregulären Verläufen von über der Zeit t aufgetragenen Verläufen 179, 189, 199, 209, 219, 229, 249, 259. Der Verlauf 209 weist ein nahezu reguläres Verhalten auf. Eine Laufzeit des Verlaufs 229 läßt auf eine übernormale Schweißpunktdicke schließen. Die Verläufe 179, 239 und 249 zeigen unternormale Amplituden. Eine völlig irreguläre Form zeigt der Verlauf 259. Insgesamt sind die Verläufe 179, 189, 199, 209, 219, 228, 248, 258 der Ultraschallimpulse für die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen wesentlich aussagekräftiger als eine rein visuelle, oberflächliche Inspektion.

Claims

Verfahren zur Qualitätsprüfung einer mechanischen Verbindung (24, 34, 64, 107) in einer Probe, bei dem in der Probe (21, 31, 61, 101) durch einen Laserstrahl (10, 20, 30, 110, 111) eine Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) angeregt wird, deren Ausbreitung durch die Verbindung (24, 34, 64, 107) beeinflußt wird, und diese beeinflußte Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) erfaßt und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Amplitude bzw. Pulsform der Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Laufzeit der Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in der Probe (21, 31, 61, 101) an mehreren Punkten Wellen angeregt (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) erfaßt und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in der Probe (21, 31, 61, 101) durch einen Laserpuls (10, 20, 30, 110, 111) ein Ultraschallimpuls (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) angeregt und optisch-interferometrisch erfaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in der Probe (21, 31, 61, 101) mit einem rechteckförmig modulierten Dauerlaserlicht (10, 20, 30, 110, 111) eine Wärmewelle angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das für eine durch ein berührungsloses Schweißverfahren hergestellte Verbindung (24, 34, 64, 107) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Qualitätsprüfung einer Verbindung (21, 27, 31, 37, 101, 107) in einer Probe (21, 31, 61, 101), mit einem Laser (109) zur Anregung einer Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) in der Probe (21, 31, 61, 101) durch einen Laserstrahl (10, 20, 30, 110, 111), einem Erfassungsgerät (114) zur Erfassung der durch die Verbindung (21, 27, 31, 37, 101, 107) beeinflußten Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36) und mindestens einer Auswerteeinrichtung (116, 118) zur Auswertung der erfaßten Welle (2, 4, 22, 24, 32, 34, 36).
Vorrichtung nach Anspruch 8, die ein Laser-Vibrometer (114) als Erfassungsgerät aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, die ein einfaches Interferometer oder ein Heterodyn-Interferometer (114) als Erfassungsgerät aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die als Auswerteeinrichtungen ein Digitaloszilloskop (116) und einen Computer (118) aufweist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer (118) oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer Recheneinheit in einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer (118) oder einer entsprechenden Recheneinheit in einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, durchgeführt wird.