DE102011077754A1

DE102011077754A1 - Schweißvorrichtung mit Wärmestrahlungsdetektion und Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs

Info

Publication number: DE102011077754A1
Application number: DE102011077754A
Authority: DE
Inventors: Norbert Muche
Original assignee: Otto Bihler Handels Beteiligungs GmbH
Current assignee: Otto Bihler Handels Beteiligungs GmbH
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Eine Einrichtung zum Verschweißen wenigstens zweier Metallelemente (40, 42) durch Widerstandsschweißen mittels einer Schweißelektrodenanordnung zeichnet sich durch eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung aus. Es ist wenigstens ein Wärmestrahlungsdetektor (50, 51) vorgesehen, welcher bei in einer Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden (16, 18) Wärmestrahlung aus dem Bereich eines Schweißspalts (24) empfängt. Eine Auswerteeinrichtung (80) empfängt wenigstens ein von der empfangenen Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) und wertet dieses in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium aus. Ein Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen mindestens zweier Metallelemente durch Widerstandsschweißen sieht vor, dass mittels wenigstens eines Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) bei in einer Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden während eines Schweißvorgangs in Folge von über die Metallelemente fließendem Schweißstrom Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfangen wird und wenigstens ein von der empfangenen Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft nach einem Aspekt eine Einrichtung zum Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen, umfassend: eine Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden, die einen Schweißspalt definieren und zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind und mit denen in der Schweißstellung ein Kontaktdruck zwischen dem ersten und dem zweiten Metallelement durch gemeinsames Klemmen der Metallelemente zwischen den Schweißelektroden erzeugbar ist, und eine elektrische Schweißstromversorgung zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden über die Metallelemente.
Es ist bekannt, bei Widerstandsschweißvorrichtungen den Schweißprozess auf Basis des Schweißstroms, der Schweißspannung, des Elektrodendrucks und des Nachsetzwegs zu überwachen. Diese Größen können nur recht indirekt über den Verlauf des Schweißvorgangs Auskunft geben und lassen somit die erzielte Qualität des Schweißprozesses nicht gut erkennen.
Es ist demgegenüber eine Aufgabe der Erfindung, Widerstandsschweißvorgänge direkter zu überwachen, insbesondere bezüglich der Qualität der entstandenen Schweißverbindung. Zur Lösung dieser Aufgabe wird für die eingangs genannte Einrichtung vorgeschlagen, dass diese eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung aufweist, umfassend: wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor, welcher bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfängt, und eine Auswerteeinrichtung, die dafür ausgeführt ist, wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors zu empfangen und in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Weiterhin stellt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe nach einem weiteren Aspekt ferner bereit ein Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen mittels einer Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden, die einen Schweißspalt definieren und zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind und mit denen in der Schweißstellung ein Kontaktdruck zwischen dem ersten und dem zweiten Metallelement durch gemeinsames Klemmen der Metallelemente zwischen den Schweißelektroden erzeugbar ist, und einer elektrischen Schweißstromversorgung zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden über die Metallelemente, bei dem mittels wenigstens eines Wärmestrahlungsdetektors bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden während eines Schweißvorgangs in Folge von über die Metallelemente fließendem Schweißstrom Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfangen wird und wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium ausgewertet wird.
Bei einer Widerstandsschweißung wird über den Stromfluss durch die beiden zu verbindenden Materialien an der Kontaktstelle über den Kontaktwiderstand so viel Wärme erzeugt, dass die Materialien sich verbinden. Dies erfolgt im Übergang zwischen dem festen Zustand zu dem flüssigen Zustand der Materialien. Entsprechend den Materialeigenschaften entstehen durch die eingebrachte elektrische Leistung Temperaturen, die sich als Wärmestrahlung messen lassen. Die Wärmestrahlung liegt typischerweise in einem Wellenlängenbereich von ca. 3 μm bis 800 nm, also im infraroten bis rot-gelb sichtbaren elektromagnetischen Spektrum. Dies entspricht einem Temperaturbereich einer Schwarzkörperstrahlung von ca. 600°C bis 2000°C.
Die Erfassung der Wärmestrahlung kann beispielsweise mit einem oder mehreren Photoelementen erfolgen, deren Empfindlichkeit z. B. zwischen 3 μm bis 0,8 μm liegt. Zweckmäßig kann ein solches Photoelement bzw. können solche Photoelemente in einer Elektrodenhalterung oder in einem Schweißarm der erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung liegen, da im Bereich der Schweißelektrode aufgrund der Elektrodengeometrie und einer häufig realisierten Kühlung in der Regel deutlich niedrigere Temperaturen auftreten und damit Wärmestrahlung nur mit deutlich größerer Wellenlänge abgestrahlt wird als von den durch die eingebrachte elektrische Leistung erhitzten Materialien, die sich verbinden sollen. Die so erfasste Wärmestrahlung hängt vom Verlauf des Schweißvorgangs ab und kann z. B. bezüglich Intensität, Verlauf und Spektrum für die Kontrolle der Schweißverbindung genutzt werden.
Es wird vor allem, aber nicht ausschließlich, daran gedacht, dass die erfindungsgemäße Einrichtung dafür ausgeführt ist, wenigstens einen Kontaktmetallrohling an einer Anbindungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen anzuschweißen. Hierzu kann die Einrichtung an sich bekannte Bestandteile aufweisen, etwa wie folgt: eine Halterungsanordnung zum Haltern des Trägerteils in einer Position, in welcher ein Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche des Trägerteils innerhalb des Schweißspalts liegt; eine Kontaktmetallrohlingszuführung zur Zuführung von Kontaktmetallrohlingen zu einer dem Kontaktteil-Bestückungsplatz zugeordneten Kontaktmetallrohlingsübergabeposition; eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Schweißelektroden zwischen der Aufnahmestellung und der Schweißstellung und zur Erzeugung eines Kontaktdrucks zwischen dem Trägerteil und einem jeweiligen an dem Kontaktteil-Bestückungsplatz des Trägerteils positionierten Kontaktmetallrohling durch gemeinsames Klemmen des Trägerteils und des Kontaktmetallrohlings zwischen den Schweißlektroden in der Schweißstellung; und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kontaktmetallrohlingszuführung, der Antriebseinrichtung und der Schweißstromversorgung.
Erfindungsgemäß wird also speziell auch eine Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an eine Anbindungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen bereitgestellt, welche umfasst: eine Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden, die einen Schweißspalt definieren und unter Veränderung der Spaltweite des Schweißspalts zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind; eine Halterungsanordnung zum Haltern des Trägerteils in einer Position, in welcher ein Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche des Trägerteils innerhalb des Schweißspalts liegt; eine Kontaktmetallrohlingszuführung zur Zuführung von Kontaktmetallrohlingen zu einer dem Kontaktteil-Bestückungsplatz zugeordneten Kontaktmetallrohlingsübergabeposition; eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Schweißelektroden zwischen der Aufnahmestellung und der Schweißstellung und zur Erzeugung eines Kontaktdrucks zwischen dem Trägerteil und einem jeweiligen an dem Kontaktteil-Bestückungsplatz des Trägerteils positionierten Kontaktmetallrohling durch gemeinsames Klemmen des Trägerteils und des Kontaktmetallrohlings zwischen den Schweißelektroden in der Schweißstellung; eine elektrische Schweißstromversorgung zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden über den Kontaktmetallrohling und das Trägerteil, zum Anschweißen des Kontaktmetallrohlings an dem Trägerteil an dessen Kontaktteil-Bestückungsplatz; und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kontaktmetallrohlingszuführung, der Antriebseinrichtung und der Schweißstromversorgung.
Solche Einrichtungen sind beispielsweise bekannt aus DE 24 54 804 03 , DE 24 62 790 C2 , DE 26 15 364 C2 , DE 197 55 166 A1 , DE 103 47 074 A1 , DE 103 47 075 A1 und DE 10 2009 045 252 A1 .
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an einer Anbingungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen dadurch aus, dass eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung vorgesehen ist, die umfasst: wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor, welcher bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfängt; und eine Auswerteeinrichtung, die dafür ausgeführt ist, wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors zu empfangen und in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Betreffend die Zuführung von Kontaktmetallrohlingen sei angemerkt, dass die Kontaktteil-Übergabeposition vorteilhaft der Kontaktteil-Bestückungsposition in dem Schweißspalt entsprechen kann.
Um den Verlauf des Schweißvorgangs besser wiederspiegelnde Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts detektieren zu können, kann wenigstens eine der Schweißelektroden mit einem Beobachtungsdurchlass ausgeführt sein, durch den bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts austreten kann und über den der Wärmestrahlungsdetektor die Wärmestrahlung empfängt. Es wird in diesem Zusammenhang vor allem, aber nicht ausschließlich, daran gedacht, dass der Beobachtungsdurchlass als sich von einer den Schweißspalt definierenden Kontaktseite der Schweißelektrode zu einer Rückseite der Schweißelektrode erstreckender Beobachtungskanal ausgeführt ist.
Betreffend die Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an der Anwendungsfläche eines metallischen Trägerteils wird als besonders zweckmäßig vorgeschlagen, dass eine in der Schweißstellung an einer zur Anbringungsfläche des Trägerteils entgegengesetzten Rückseite des Trägerteils angreifende Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass ausgeführt ist. Auch in diesem Zusammenhang wird speziell an die Realisierung des Beobachtungsdurchlass als Beobachtungskanal gedacht. Dabei kann die Öffnung in der Schweißelektrode recht klein (beispielsweise kleiner als 15% der an der Rückseite des Trägerteils angreifenden Elektrodenoberfläche) gehalten werden. Durch diese Öffnung bzw. den Beobachtungsdurchlass kann die Messung der Wärmestrahlungsintensität gut erfolgen, da das umliegende Elektrodenmaterial aufgrund seiner niedrigeren Temperatur sich näherungsweise wie ein schwarzer Körper verhält und in einem bestimmbaren Verhältnis zur Temperatur der Schweißstelle steht.
Allgemein wird vorgeschlagen, dass bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung von einem dem Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche entsprechenden, diesem entgegengesetzten Oberflächenbereich der Rückseite des Trägerteils durch den Beobachtungsdurchlass aus dem Bereich des Schweißspalts austreten kann. Ist der Beobachtungsdurchlass von dem schon angesprochenen Beobachtungskanal gebildet, so kann sich dieser zweckmäßig im Wesentlichen orthogonal zu dem zu dem Kontaktteil-Bestimmungsplatz der Anbringungsfläche entgegengesetzten Oberflächenbereich der Rückseite des Trägerteils erstrecken.
Es bestehen grundsätzlich viele Möglichkeiten, wie dafür gesorgt werden kann, dass die aus dem Bereich des Schweißspalts, insbesondere durch den Beobachtungsdurchlass austretende Wärmestrahlung ohne bzw. mit möglichst geringen Verlusten dem wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor zugeführt wird. Es bestehen auch grundsätzlich viele Möglichkeiten, wo der Wärmestrahlungsdetektor im Bezug auf den Schweißspalt bzw. die Schweißelektroden positioniert ist. Allgemein wird in diesem Zusammenhang daran gedacht, dass der Wärmestrahlungsdetektor die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts bzw. von einem/dem Oberflächenbereich eines der Metallelemente bzw. des Trägerteils über eine optische Anordnung empfängt, die vorzugsweise wenigstens eine von den folgenden Komponenten umfasst: eine Strahlungsleiteranordnung, wenigstens ein Linsenelement, und wenigstens ein Spektralfilter.
Zweckmäßig kann der Wärmestrahlungsdetektor, ggf. zusammen mit wenigstens einer zugeordneten optischen Komponente, in einer Aussparung einer die Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass haltenden Schweißelektrodenhalterung angeordnet sein.
Eine andere Möglichkeit ist, dass der Wärmestrahlungsdetektor gesondert von einer die Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass haltenden Schweißelektrodenhalterung angeordnet ist. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass ein Eingangsende einer/der die Wärmestrahlung dem Wärmestrahlungsdetektor zuführenden Strahlungsleiteranordnung und vorzugsweise wenigstens eine zugeordnete optische Komponente in einer Aussparung der Schweißelektrodenhalterung angeordnet ist.
Eine spektral selektive Erfassung der Wärmestrahlung kann sinnvoll sein, um den Schweißvorgang gut überwachen zu können. Hierzu kann dem Wärmestrahlungsdetektor eine Spektralfilteranordnung zugeordnet sein, die dafür ausgeführt ist, von der aus dem Bereich des Schweißspalts bzw. von einem/dem Oberflächenbereich eines der Metallelemente bzw. des Trägerteils ausgehende Wärmestrahlung wenigstens einen Wellenlängenbereich selektiv zu dem Wärmestrahlungsdetektor durchzulassen.
Sinnvoll kann auch sein, die Wärmestrahlung simultan betreffend verschiedener spektraler Anteile zu erfassen. Hierzu wird vorgeschlagen, dass der Wärmestrahlungsdetektor mehrere Wärmestrahlungsdetektorelemente aufweist oder dass mehrere Wärmestrahlungsdetektoren vorgesehen sind, mit denen gleichzeitig verschiedene spektrale Anteile der aus dem Bereich des Schweißspalts bzw. von einem/dem Oberflächenbereich eines der Metallelemente bzw. des Trägerteils ausgehenden Wärmestrahlung detektierbar sind. Man kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass die mehreren Wärmestrahlungsdetektorelemente bzw. die mehreren Wärmestrahlungsdetektoren unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsbandbreiten aufweisen oder/und wenigstens einem der Wärmestrahlungsdetektorelemente bzw. Wärmestrahlungsdetektoren wenigstens ein eine bestimmte spektrale Durchlassbandbreite aufweisender Spektralfilter zugeordnet ist.
Betreffend die Auswertung durch die Auswerteeinrichtung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, auf Basis des wenigstens einen Ausgangssignals des wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektors während eines Schweißvorgangs wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende erste Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Der Begriff „Signatur” soll hier nur eines oder mehrere Merkmale der mit dem Wärmestrahlungsdetektor in Bezug auf einen Schweißvorgang erfassten Wärmestrahlung (oder auch anderer Rückschluss auf den Verlauf des Schweißvorgangs erlaubender Größen, siehe unten) ansprechen. Es kann sich um ein summarisches Merkmal, etwa eine mittlere Intensität der erfassten Wärmestrahlung über den Verlauf des Schweißvorgangs oder eine aufintegrierte Intensität der über ein Zeitintervall erfassten Intensität handeln, ebenso wie es sich auch um den Intensitätsverlauf selbst (etwa die Menge aller über einen Beobachtungszeitraum erfassten Intensitätswerte) oder/und um diesen kennzeichnende Größen handeln kann, etwa maximale Intensität, Oberschreiten bzw. nicht Überschreiten einer Intensitätsschwelle, Form der Intensitätskurve usw. Wenn hier von Intensität die Rede ist, schließt dieser Begriff auch die Intensität repräsentierende Messwerte wie die Ausgangsspannung eines Photoelements ein.
Es wird speziell daran gedacht, dass die erste Schweißsignatur wenigstens einen Signaturwert umfasst, der summarisch, ggf. als zeitlicher Mittelwert oder als Integralwert oder als Effektivwert, die Intensität der während eines Schweißvorgangs von dem Wärmestrahlungsdetektor empfangenen Wärmestrahlung oder die Intensität wenigstens eines spektralen Anteils dieser Wärmestrahlung repräsentiert, oder/und dass die erste Schweißsignatur wenigstens einen Signaturwertverlauf umfasst, der den zeitlichen Verlauf der Intensität der während eines Schweißvorgangs von dem Wärmestrahlungsdetektor empfangenen Wärmestrahlung oder den zeitlichen Verlauf der Intensität wenigstens eines spektralen Anteils dieser Wärmestrahlung repräsentiert.
Zusätzlich können auch andere Rückschluss auf den Verlauf des Schweißvorgangs bzw. die Qualität der Verschweißung erlaubende Größen zur Überwachung des Schweißvorgangs mit herangezogen werden. Es wird etwa daran gedacht, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, auf Basis wenigstens eines Ausgangssignals der Schweißstromversorgung oder/und mittels wenigstens eines wenigstens eine elektrische Größe des Schweißstroms erfassenden Sensors wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende zweite Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigsten ein Überwachungskriterium auszuwerten. Die Auswerteeinrichtung kann dabei speziell und besonders vorteilhaft dafür ausgeführt sein, gemäß einem Überwachungskriterium die erste Schweißsignatur in Bezug auf die zweite Schweißsignatur auszuwerten. Es kann beispielsweise die erste Schweißsignatur in Abhängigkeit von der zweiten Schweißsignatur dahingehend beurteilt werden, ob der Schweißvorgang richtig verlaufen ist und die nötige Qualität erreicht ist.
Die zweite Schweißsignatur kann wenigstens einen Signaturwert umfassen, der summarisch, ggf. als zeitlicher Mittelwert oder als Integralwert oder als Effektivwert, wenigstens eine elektrische Größe von i) der Stromstärke des Schweißstroms, ii) einer einen Spannungsabfall an den Metallelementen bzw. dem Kontaktmetallrohling und dem Trägerteil repräsentierenden Spannung und iii) einer in diese eingebrachten elektrischen Leistung oder Energie repräsentiert. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Schweißsignatur wenigstens einen Signaturwertverlauf umfassen, der den zeitlichen Verlauf wenigstens einer elektrischen Größe von i) der Stromstärke des Schweißstroms, ii) einer einen Spannungsabfall an den Metallelementen bzw. dem Kontaktmetallrohling und dem Trägerteil repräsentierenden Spannung und iii) einer in diese eingebrachten elektrischen Leistung oder Energie repräsentiert.
Ferner kann die Auswerteeinrichtung vorteilhaft dafür ausgeführt sein, mittels wenigstens eines Kraftsensors den Kontaktdruck oder einen zeitlichen Kontaktdruckverlauf während des Schweißvorgangs zu erfassen oder/und mittels wenigstens eines Wegsensors ein Nachsetzen wenigstens einer der Schweißelektroden, insbesondere einen zeitlichen Verlauf des Nachsetzens oder/und einen Nachsetzweg wenigstens einer der Schweißelektroden, während des Schweißvorgangs als dritte Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium auszuwerten. In diesem Zusammenhang wird daran gedacht, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, gemäß einem Überwachungskriterium die erste Schweißsignatur in Bezug auf die dritte Schweißsignatur auszuwerten. Es kann also beispielsweise die erste Schweißsignatur in der Abhängigkeit von der dritten Schweißsignatur dahingehend beurteilt werden, ob der Schweißvorgang richtig verlaufen ist und die gewünschte Verschweißungsqualität erzielt wurde. Zweckmäßig kann die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt sein, gemäß einem Überwachungskriterium die erste Schweißsignatur in Bezug auf die zweite Schweißsignatur und in Bezug auf die dritte Schweißsignatur auszuwerten. Es kann also beispielsweise die erste Schweißsignatur in Abhängigkeit von der zweiten Schweißsignatur und in Abhängigkeit von der dritten Schweißsiggnatur dahingehend beurteilt werden, ob der Schweißvorgang richtig verlaufen ist und die zu erzielende Qualität der Verschweißung erreicht wurde.
Eine besonders zuverlässige Überwachung des Schweißvorgangs kann auf Basis von Referenz-Daten erfolgen, die bei einem entsprechenden Verschweißvorgang oder mehreren entsprechenden Schweißvorgänge gewonnen wurden, mit denen ein Referenz-Gutteil erzeugt wurde, welches in einer Überprüfung, ggf. einer mechanisch zerstörenden Überprüfung, für gut und die Qualitätsanforderungen erfüllend befunden wurde. Solche Referenz-Daten können sich auf eine der angesprochenen Schweißsignaturen beziehen, insbesondere zumindest auf die erste Schweißsignatur, vorzugsweise die erste und die zweite Schweißsignatur oder die erste und die dritte Schweißsignatur, höchstvorzugsweise auf die erste, zweite und dritte Schweißsignatur. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, mit wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur zu vergleichen.
Es kann also beispielsweise die Auswertung eines Mess-Signals eines Photoelements bzw. mehrerer Photoelemente betreffend seines zeitlichen Verlaufs mit einem entsprechenden, bei der Erzeugung des Referenz-Gutteils erfassten zeitlichen Verlauf des Photoelementmess-Signals verglichen werden, um zu entscheiden, ob die jetzt vorgenommene Verschweißung ebenfalls den Qualitätsanforderungen entspricht oder nicht.
Anstelle eines direkten Vergleichs mit wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur ist es bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, darauf zu überprüfen, ob sie wenigstens eine vorgegebene Referenzbedingung erfüllt. Die vorgegebene Referenzbedingung ist bevorzugt eine Bedingung, die aus mindestens einer Schweißsignatur abgeleitet wurde, die bei der Erzeugung eines Referenz-Gutteils bzw. bei der Erzeugung eines Schlechtteils gewonnen wurde, und indiziert, dass der der zu überprüfenden Schweißsignatur zugrunde liegende Schweißvorgang erfolgreich verlaufen ist bzw. nicht erfolgreich verlaufen ist.
Eine erste Referenzbedingung kann eine Minimumsschwelle oder/und eine Maximumsschwelle für wenigstens einen Schweißsignaturwert vorsehen. Eine zweite Referenzbedingung kann eine Minimumsschwelle oder/und eine Maximumsschwelle für ein zeitliches Integral über Schweißsignaturwerte vorsehen. Eine dritte Referenzbedingung kann einen zulässigen Wertekorrektor für zeitlich aufeinander folgende Schweißsignaturwerte vorsehen.
Es ist nicht nötig, dass immer alle grundsätzlich vorgesehenen Auswertungen durch die Auswerteeinrichtung durchgeführt werden. Beispielsweise könnte es sein, dass dann, wenn ein bestimmtes Überwachungskriterium nicht erfüllt ist, die nötige Qualität der Verschweißung sicher nicht erreicht ist, so dass keine weiteren Auswertungen sinnvoll sind. In entsprechender Weise könnte es sein, dass die Erfüllung eines anderen Überwachungskriteriums sicher die Erfüllung der Qualitätsanforderungen indiziert, so dass weitere Auswertungen ebenfalls entbehrlich sind. Es wird deswegen allgemein vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, das Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors oder/und wenigstens ein Signaturwert der ersten Schweißsignatur in Bezug auf ein erstes Überwachungskriterium auszuwerten, und wenigstens eine weitere Auswertung gemäß wenigstens einem weiteren Überwachungskriterium auf Basis des Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors oder/und auf Basis wenigstens einer von der ersten, zweiten und dritten Schweißsignatur nur dann durchzuführen, wenn das erste Überwachungskriterium erfüllt ist (alternativ: nicht erfüllt ist, je nach Formulierung des Überwachungskriteriums; siehe die folgende Anmerkung).
Anzumerken ist, dass jedem Überwachungskriterium ein komplementäres Überwachungskriterium entspricht, derart, dass dann, wenn das Überwachungskriterium erfüllt ist, das komplementäre Überwachungskriterium nicht erfüllt ist, und dass dann, wenn das Überwachungskriterium nicht erfüllt ist, das komplementäre Überwachungskriterium erfüllt ist. Jede der Auswertung zugrunde legbare Fragestellung lässt sich also sowohl positiv als auch negativ formulieren.
Die erfindungsgemäße Einrichtung bzw. deren Auswerteeinrichtung ist bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie oben angegeben und im Folgenden hinsichtlich bevorzugter Weiterbildungen beschrieben ausgeführt.
Das durch die Erfindung bereitgestellte Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen kann in entsprechender Weise wie die erfindungsgemäße Einrichtung weitergebildet werden. So kann die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts durch einen Beobachtungsdurchlass, vorzugsweise einen Beobachtungskanal, zumindest einer der Schweißelektroden empfangen werden. Die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts kann spektral gefiltert werden. Das Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors kann zeitaufgelöst erfasst werden.
Ferner können bei dem Verfahren eine oder mehrere Schweißsignaturen erfasst werden. So kann auf Basis des wenigstens einen Ausgangssignals des wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektors während eines Schweißvorgangs wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende erste Schweißsignatur erfasst werden. Ferner kann auf Basis wenigstens eines Ausgangssignals der Schweißstromversorgung oder/und mittels wenigstens eines wenigstens eine elektrische Größe des Schweißstroms erfassenden Sensors wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende zweite Schweißsignatur erfasst werden. Ferner kann mittels wenigstens eines Kraftsensors der Kontaktdruck oder ein zeitlicher Kontaktdruckverlauf während des Schweißvorgangs oder/und mittels wenigstens eines Wegsensors ein Nachsetzen der Schweißelektroden, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Nachsetzens oder/und ein Nachsetzweg der Schweißelektroden, während des Schweißvorgangs als dritte Schweißsignatur erfasst werden.
Es kann wenigstens eine Schweißsignatur in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium ausgewertet werden. Bevorzugt ist, dass gemäß wenigstens einem Überwachungskriterium mehrere Schweißsignaturen in Bezug aufeinander ausgewertet werden.
Gemäß einem Überwachungskriterium kann die Auswertung den Vergleich wenigstens einer Schweißsignatur mit Referenz, -Daten, etwa wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur oder aus wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur abgeleiteter Daten (wie z. B. zu erreichender Mindestwert, zulässsiger Wertekorridor) umfassen. Es wird diesbezüglich vor allem an die erste Schweißsignatur, aber auch an die zweite und die dritte Schweißsignatur gedacht.
Die Referenz-Schweißsignatur kann eine während eines Schweißvorgangs erfasste Schweißsignatur sein, die zu einer vorgegebene Anforderungen erfüllenden Verschweißung der Metallelemente geführt hat. Es wird diesbezüglich vor allem an die erste Schweißsignatur, aber auch an die zweite und die dritte Schweißsignatur gedacht. Die Referenz-Daten können aber auch Vergleichsdaten sein, die aus erfolgreichen Test-Schweißvorgängen ermittelt wurden und mit einem Überwachungskriterium auf eine aktuell aufgenommene Schweißsignatur anwendbar sind, um die Schweißqualität zu beurteilen.
Bevorzugt wird wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, darauf überprüft, ob sie wenigstens eine vorgegebene Referenzbedingung erfüllt. Es wird insbesondere daran gedacht, dass die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob wenigstens ein Schweißsignaturwert eine Minimumsschwelle übersteigt oder/und eine Maximumsschwelle nicht übersteigt. Zweckmäßig ist auch, wenn die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob ein zeitliches Integral über Schweißsignaturwerte eine Minimumsschwelle übersteigt oder/und eine Maximumsschwelle nicht übersteigt. Ferner kann die Schweißsignatur darauf überprüft werden, ob zeitlich aufeinander folgende Schweißsignaturwerte in einem zulässigen Wertekorridor liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird sich, wie schon angesprochen, in der Regel darauf beziehen, die Qualität der Verschweißung zu bestimmen, auf Basis der angesprochenen Auswertung. Zweckmäßig kann das Verschweißen und können die Überwachung und Auswertung mittels einer erfindungsgemäßen Einrichtung wie vorstehend vorgeschlagen und hinsichtlich bevorzugter Weiterbildungen erläutert durchgeführt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt eine Schnittansicht gemäß Linie A-A in 2 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung.
2 zeigt die Schweißeinrichtung der 1 in einer Draufsicht.
3 zeigt die Schweifleinrichtung der 1 in einer rückseitigen Ansicht.
4 zeigt den Bereich zweier Schweißelektroden der Schweißeinrichtung der 1 bis 3 in einer vergrößerten Schnittansicht.
5 zeigt schematisch ein Trägerteil mit einem darauf angeordneten Kontaktmetallrohling im Schweißspalt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung (5a), mit einer vergrößerten Darstellung des Schweißspalts zwischen den Schweißelektroden (5b).
6 zeigt schematisch Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung und deren elektrischen Verschaltung.
7 zeigt exemplarisch Signalverläufe einer Photoelement-Ausgangsspannung und eines Schweißstroms während eines Schweißprozesses.
8 dient mit den Teilfiguren 8a und 8b zur Erläuterung von zwei sich auf die Photoelement-Ausgangsspannung beziehenden, rein exemplarischen Überwachungskriterien.
In 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements mit wenigstens einem zweiten Metallelement durch Widerstandsschweißen, nämlich einer Einrichtung zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings an einer Anbringungsfläche eines metallischen Trägerteils aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen, dargestellt, also ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Schweißgerät 10. Dieses Schweißgerät 10 umfasst als Rahmenelemente einen ortsfesten Schweißarm 12 und einer bewegbaren, insbesondere um eine zur Zeichenebene der 1 orthogonale Schwenkachse relativ zum ortsfesten Schwenkarm 12 verschwenkbaren Schweißarm 14. Die Schweißarme 12 und 14 weisen an ihren vorderen Längsenden 12a und 12b Schweißelektroden 16 und 18 auf. Diese Schweißelektroden 16, 18 sind mittels einer jeweiligen Elektrodenhalterung 20 bzw. 22 mit dem betreffenden Schweißarm 12 bzw. 14 verbunden. Die Schweißelektroden 16, 18 definieren zwischen sich einen Schweißspalt 24.
Das Schweißgerät 10 dient dazu, Kontaktmetallrohlinge auf einen flächigen Träger aufzuschweißen. Hierzu wird ein jeweiliger Kontaktmetallrohling 40 in den Schweißspalt 24 zugeführt und auf dem Träger 42 positioniert, und es werden dann der Kontaktmetallrohling und der Träger 42 zwischen den Elektroden unter Erzeugung eines Kontaktdrucks eingeklemmt und ein Schweißstrom über die Elektroden durch den Kontaktmetallrohling 40 und den Träger 42 geleitet, um den Kontaktmetallrohling 40 am Träger 42 anzuschweißen und damit einen Kontakt 40' auf dem Träger bereitzustellen. Der jeweils zuzuführende Kontaktmetallrohling wird vorzugsweise von einem Draht oder Band abgetrennt, wofür eine entsprechende Drahtrolle vorgesehen sein kann, von welcher ein zur Herstellung von Kontaktmetallrohlingen dienender Draht dem Schweißgerät zugeführt wird. Das Schweißgerät 10 kann ferner Einrichtungen zur Band- bzw. Drahtkontrolle und zum Einzug des Drahtes bzw. Bandes umfassen. Ferner kann das Schweißgerät 10 eine Transportvorrichtung umfassen, welche den Draht um eine gewünschte Länge in Richtung zu den Schweißelektroden transportiert und dann während des Schweißvorgangs den Draht festhält. Ferner kann eine Zufuhreinrichtung zum Zuführen eines jeweiligen Trägerteils bzw. zum Vorschieben des Trägerteils (insbesondere wenn an mehreren Bestückungsplätzen ein Kontaktmetallrohling zum Bilden eines jeweiligen Kontaktteils anzuschweißen ist) vorgesehen sein.
Bei dem Trägerteil 42 kann es sich um ein Trägerband bzw. Abschnitt eines Trägerbands handeln, so dass die von dem unteren Schweißarm 12 mittels der Elektrodenhalterung 16 gehaltene Schweißelektrode 16 auch als Bandelektrode bezeichenbar ist.
Das Schweißgerät wird über einen motorischen Antrieb angetrieben, der für eine Synchronität der verschiedenen Handhabungs-, Transport- und sonstigen Bewegungen einschließlich der Relativbewegung der beiden Schweißelektroden zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung sorgt.
Eine nähere Erläuterung der Mechanik und Steuerung eines solchen Schweißgeräts ist entbehrlich, da entsprechende Schweißgeräte gut bekannt sind. Es wird hierzu auf die folgende Patentliteratur verwiesen: DE 24 54 804 03 , DE 24 62 790 C2 , DE 26 15 364 C2 , DE 103 47 074 A1 , DE 103 47 075 A1 , DE 197 55 166 A1 und DE 10 2009 045 252 A1 . Die Erfindung kann im Prinzip auf Basis jeder dieser vorbekannten Vorrichtungen sowie weiterer derartiger im Fachgebiet bekannten Vorrichtungen realisiert werden. Die Offenbarung der genannten Patentliteratur-Veröffentlichungen wird durch Bezugnahme in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen.
Erfindungsgemäß ist eine Prozess-Überwachung, insbesondere Qualitätsüberwachung, der Widerstandsschweißvorgänge zum Anschweißen eines jeweiligen Kontaktmetallrohlings an dem Trägerteil für die Bildung eines jeweiligen Kontaktes vorgesehen.
Eine Qualitätsüberwachung oder Prozessüberwachung von Widerstandsschweißvorgängen ist als solches bekannt und erfolgt herkömmlich beispielsweise mittels Sensoren zur Strom-, Kraft-, Weg- und Spannungsmessung, um den Schweißstrom, die Schweißspannung, den Elektrodendruck und den Nachsetzweg zu überwachen.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Überwachung des jeweiligen Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung aus dem Schweißspalt, die ein Maß für die beim Schweißen auftretende Temperatur aufgrund der am Kontaktwiderstand zwischen den zu verbindenden Materialien eingebrachten elektrischen Leistung ist. Es wird auf den allgemein bekannten Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal eines optischen Pyrometers bzw. pyrometrischen Detektors und der Temperatur eines damit berührungslos vermessenen Objekts gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz und die gut bekannten Prinzipien der Infrarot-Thermometrie verwiesen.
Es hat sich gezeigt, dass eine absolute Temperaturbestimmung in der Regel nicht nötig ist, dass also regelmäßig eine relative Temperaturmessung ausreicht. Idealerweise wird nicht nur ein summarischer Temperaturwert (bzw. die Temperatur repräsentierender Messwert) der Auswertung zugrunde gelegt, sondern der Temperaturwertverlauf (Messwertverlauf), der mit einem geeigneten Sensorelement (Photoelement) oder mehreren derartigen Elementen aufgenommen wird. Zusätzlich kann bei der Überwachung bzw. Auswertung auch auf die schon herkömmlich in der Schweißqualitätsüberwachung herangezogenen Größen zurückgegriffen werden.
In den 1 und 4 ist ein entsprechender, mit einem Photoelement 51 ausgeführter Sensor mit 50 bezeichnet. Der Sensor 50 kann mit einer integrierten Optik ausgeführt sein, um einfallende Wärmestrahlung möglichst vollständig dem Photoelement zuzuführen.
Beim Ausführungsbeispiel erfasst der Sensor 50 die von einer auf der Schweißelektrode 16 aufliegenden Unterseite des Trägerelements an einer dem Kontaktteil-Bestückungsplatz entgegengesetzten Stelle ausgehende Wärmestrahlung, die über einen Beobachtungskanal 52 dem Sensor 50 zugeführt. Der Beobachtungskanal 52 erstreckt sich von der den Schweißspalt begrenzenden Oberseite der stationären Elektrode 16 und der in der Elektrodenhalterung 20 aufgenommenen unteren Endfläche der Elektrode 16 zu der Sensor 50 ist in einem sich an die eingesetzte Elektrode 16 anschließenden Bereich einer Aufnahmeaussparung der Elektrodenhalterung 20 angeordnet, in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem unteren Ausgangsende des Beobachtungskanals 52.
Die durch den Beobachtungskanal 52 gebildete Öffnung in der den Schweißspalt begrenzenden und das Trägerteil 42 jeweils kontaktierenden Oberfläche der Schweißelektrode 16 sollte klein (beispielsweise kleiner als 15%) gegenüber den Kontaktmaßen des zu verschweißenden Materials, hier dem Trägerteil, gehalten sein. Die Messung der Strahlungsintensität kann durch diese Öffnung bzw. durch den Beobachtungskanal gut erfolgen, weil das umliegende Elektrodenmaterial aufgrund der gegenüber der Temperatur der Schweißstelle deutlich niedrigeren Temperatur sich näherungsweise wie ein schwarzer Körper verhält und mit dieser niedrigeren Temperatur in einem bestimmbaren Verhältnis zur Temperatur der Schweißstelle steht. Häufig werden die Schweißelektroden gekühlt, so dass das Elektrodenmaterial wesentlich kälter als die Schweißstelle ist.
Erfolgt die Verschweißung richtig, so tritt die höchste Temperatur an der Schweißstelle, also an der Kontaktstelle zwischen den zu verschweißenden Materialien, auf. Diese Kontaktstelle ist unmittelbar für eine Temperaturmessung nicht zugänglich. Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, dass auch die gegenüber der Temperatur an der Schweißstelle niedrigere Temperatur an der Unterseite des Trägerteils für die Überwachung des Schweißvorgangs gut taugt und offenbar den Temperaturverlauf an der eigentlichen Schweißstelle gut wiederspiegelt, obwohl die Wärme der auf der unteren Schweißelektrode 16 aufliegenden Unterseite durch die im Material auftretende Wärmeleitung erst zugeführt werden muss und sich auch im Material des Trägerteils in einem gewissen Maße verteilen wird und überdies auch von der Elektrode in ganzem Ausmaß abgeführt wird.
Ist die Öffnung in der Elektrode 16 aufgrund des Beobachtungskanals nicht zu groß, so führen der durch die Öffnung entstehende ungleichmäßige Stromfluss und die resultierende ungleichmäßige Kontaktkraft zu keiner in der Praxis relevanten Beeinträchtigung der Kontaktoberfläche und des damit realisierten Schweißvorgangs. Auf der Rückseite des Trägerteils 42 kann ein möglicherweise resultierender Abdruck der Beobachtungskanalöffnung in der Regel ohne Weiteres in Kauf genommen werden.
Angemerkt sei, dass ein die Wärmestrahlung erfassender Sensor alternativ auch der mit der oberen beweglichen Elektrode 18 in Kontakt stehenden Oberseite des Kontaktmetallrohlings 40 zugeordnet sein könnte, wofür die Oberelektrode 18 mit einem entsprechenden Beobachtungskanal ausgeführt sein könnte und der entsprechende Sensor beispielsweise in dem Aufnahmeraum der oberen Elektrodenhalterung 22 angeordnet sein könnte. Demgegenüber ist aber die beim dargestellten Ausführungsbeispiel realisierte Zuordnung des Sensors 50 zu der mit der unteren stationären Elektrode 16 in Kontakt stehenden Unterseite des Trägerteils bevorzugt.
6 veranschaulicht schematisch eine elektrische Verschaltung verschiedener Sensoren und anderer Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schweißgeräts. Es kann sich um das Schweißgerät der 1 bis 4 handeln, wovon im Folgenden ausgegangen wird. Dargestellt sind die obere, bewegliche Elektrode 18 und die untere, stationäre Elektrode 16 mit dem Beobachtungskanal 52 und einem Photoelement 51 des Sensors 50. Die obere Elektrode ist mittels einer durch einen Funktionsblock 60 repräsentierten Antriebseinrichtung zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung entlang einer Schweißbewegungslinie relativ zur stationären Schweißelektrode 16 verstellbar. Die Bewegung ist durch den Doppelpfeil 62 repräsentiert. Die Bewegung der Schweißelektrode 18 und speziell auch das Nachsetzen während der Schweißung und der dann insgesamt durch die Verschweißung resultierende Nachsetzweg ist durch einen Wegsensor 64 erfassbar, und die mittels der Schweißelektrode 18 auf die zu verschweißenden Elemente ausgeübte, den Kontaktdruck zwischen den Elementen bestimmende Anpresskraft kann mit einem Kraftsensor 66 erfasst werden. Die funktionelle Ankopplung dieser Sensoren 64, 66 ist ebenfalls durch Doppelpfeile symbolisiert.
Eine an sich bekannte Bestandteile wie etwa ein Trafo usw. aufweisende Schweißstromversorgung ist durch einen Funktionsblock 68 repräsentiert, an der die beiden Elektroden 16 und 18 über geeignete Verbindungsleitungen 70 und 72 angeschlossen sind. Der resultierende Schweißstrom kann mittels eines Strommessgeräts 74 erfasst werden, und die zwischen den Schweißelektroden 16 und 18 auftretende Schweißspannung mittels eines Spannungsmessgeräts 76. Aus den Messdaten für den Strom und die Spannung lässt sich auch die in den Kontaktwiderstand zwischen den zu verschweißenden Materialien eingebrachte elektrische Leistung bestimmen.
Ein Steuergerät 80 steuert über eine Steuerleitung 82 die Antriebseinrichtung 60 und über eine Steuerleitung 84 die Schweißstromversorgung 68 an. Die angesprochenen Sensoren geben die erfassten Größen repräsentierende Messsignale über Messsignalleitungen 86, 88, 90 und 92 an das Steuergerät 80 aus. Auch der Detektor 50 mit seinem Photoelement 51 ist über Anschlussleitungen 94 und 96 am Steuergerät 80 angeschlossen. Der Einfachheit halber ist angenommen, dass das Steuergerät 80 alle für die Erfassung der Wärmestrahlung mittels des Photoelements 51 notwendige Elektronik enthält. Es kann aber auch ohne Weiteres auch der Sensor 50 mit integrierter Elektronik ausgeführt sein und dann über eine Signalleitung an dem Steuergerät 80 angeschlossen sein.
Das Steuergerät 80 ist dafür eingerichtet, insbesondere dafür programmiert, eine Auswertung der über die verschiedenen Sensoren bzw. Messgeräte erfassten Größen bzw. der resultierenden Messsignale durchzuführen, um einen jeweils durchgeführten Schweißvorgang zu beurteilen, insbesondere im Sinne einer Qualitäts- oder Prozessüberwachung. Das Steuergerät 80 ist insoweit eine Auswerteeinrichtung, die Ausgangssignale der angesprochenen Sensoren und Messgeräte empfängt und in Bezug auf ein Überwachungskriterium oder in Bezug auf mehrere Überwachungskriterien auswertet.
An das Steuergerät 80 kann noch weitere Elektronik angeschlossen sein, wie durch den Funktionsblock 98 repräsentiert. So könnte der Funktionsblock 98 für eine Schnittstelleneinrichtung stehen, mit der das Steuergerät 80 programmierbar ist und mit dem mittels der Sensoren erfasste Werte und von dem Steuergerät 80 auf deren Basis bereitgestelte Auswerteergebnisse auf einem Bildschirm dargestellt, ausgedruckt oder abgespeichert werden können.
Vorzugsweise sind alle angesprochenen Sensoren und auf jeden Fall zumindest der Wärmestrahlungsdetektor 50 dafür ausgeführt, den Verlauf des Schweißvorgangs mittels der jeweiligen Messgröße zeitaufgelöst zu erfassen.
7 zeigt ein Beispiel für eine Erfassung der Wärmestrahlung aus dem Beobachtungskanal 52 der stationären Elektrode 16 mittels des das Photoelement 51 aufweisenden Wärmestrahlungsdetektors 50 für einen erfolgreich verlaufenden Schweißvorgang, mit dem ein Kontaktmetallrohling 40 auf das Trägerteil oder Trägerband 42 den Qualitätsanforderungen entsprechend zur Bildung eines Kontakts 40' aufgeschweißt wurde. Es kann sich speziell um Messergebnisse in Bezug auf einen Schweißvorgang handeln, mit dem ein so genanntes Referenz-Gutteil erzeugt wurde, welches in einer Überprüfung, ggf. einer mechanisch zerstörenden Prüfung, für gut befunden wurde.
Im unteren Diagramm ist der Verlauf des mittels der Schweißstromversorgung 68 und den Elektroden 16 und 18 durch die zu verschweißenden Elemente geführten Schweißstroms dargestellt. Ein Anstieg der Temperatur zeigt sich erst nach einem vergleichsweise lange andauernden Stromfluss zum Zeitpunkt t₁. Kurz nach dem Zeitpunkt t₁ wurde die ggf. in Form von Spannungspulsen abgegebene Ausgangsspannung des Trafos der Schweißstromversorgung 68 auf Null gesetzt, so dass der Stromverlauf zwischen den Zeiten t₂ und t₄ den aus der Induktivität des Trafos nach dem Abschalten resultierenden Stromabfall zeigt. Das Maximum des Ausgangsspannungssignals des Photoelements tritt zu einem Zeitpunkt t₃ zwischen den Zeiten t₂ und t₄ auf.
Neben dem mit dem Strommessgerät 74 gemessenen Stromsignal steht im Falle des Vorsehens des Spannungsmessgeräts 76 zusätzlich ein entsprechendes Spannungssignal der zwischen Elektroden anliegenden Spannung zur Verfügung. Sind die Sensoren 64 und 66 vorgesehen, so stehen zusätzlich auch noch der Verlauf der Anpresskraft (ggf. im Wesentlichen konstant, je nach Ausführung der Antriebseinrichtung) und des Nachsetzens und der insgesamt dann resultierende Nachsetzweg für die Auswertung zur Verfügung. Aus den Strommesswerten und den Spannungsmesswerten kann zusätzlich auch der Verlauf der elektrischen Leistung bestimmt werden. Durch Integration über die Zeit können weitere interessierende bzw. für die weitere Auswertung relevante Werte bestimmt werden. So ist das Integral des Photoelement-Intensitätsmesswerts über die Zeit ein aussagekräftiges Maß für die resultierende Gesamtwirkung des Schweißstroms bzw. der eingebrachten elektrischen Leistung während eines Schweißvorgangs. Eine Integration der elektrischen Leistung über die Zeit ergibt die eingebrachte, in Wärme umgesetzte Energie.
Es kommt auch eine wellenlängenselektive Erfassung der Wärmestrahlung in Betracht, was zweckmäßig durch einen eine entsprechende Durchlassbandbreite aufweisenden Spektralfilter erfolgen kann. Vorzugsweise wird die Wärmestrahlung simultan in mehreren unterschiedlichen Bandbreiten erfasst, wofür mehrere Photoelemente vorgesehen sein können, denen jeweils ein eigener, eine bestimmte Durchlassbandbreite aufweisender Spektralfilter zugeordnet sein kann. Es hat sich aber auch gezeigt, dass auf Basis einer breitbandigen Wärmestrahlungserfassung mit einem einzigen Photoelement wie in dem Falle der Beispiele der Figuren zu guten Ergebnissen führt.
Die vorzugsweise durch das Steuergerät 80 durchgeführte Auswertung kann anhand von mehreren vorprogrammierten Überwachungskriterien erfolgen, von denen im Folgenden mehrere sich als besonders zweckmäßig erwiesene Kriterien exemplarisch behandelt werden.
Ein erstes, sich auf das Photoelement-Ausgangssignal beziehendes Kriterium ist das Kriterium, dass das Photoelement-Ausgangssignal eine Schwelle „min” überschreiten muss. Wird die Spannungsschwelle „min” nicht überschritten, handelt es sich um einen nicht ordnungsgemäß verlaufenen Schweißvorgang, mit dem keine Verschweißung zwischen den zu verschweißenden Elementen erreicht wurde oder zumindest die Qualitätsanforderungen in Bezug auf diese Verschweißung nicht erfüllt wurden. Es wird auf die durch eine Horizontallinie repräsentierte Schwelle „min” in 7 verwiesen.
Ein zweites, sich ebenfalls auf die Photoelement-Ausgangspannung beziehendes Überwachungskriterium ist in 8a) veranschaulicht. Die zeitliche Integration über die Photoelement-Ausgangsspannung zwischen den Schnittpunkten der Spannungskurve mit der Schwellenlinie „min” entsprechend der schraffierten Fläche in 8a) muss einen Wert ergeben, der in einem Soll-Bereich liegt. Ein geeignetes Kriterium in diesem Zusammenhang ist, dass der resultierende Integralwert eine untere Schwelle übersteigt. Ein anderes geeignetes Kriterium in diesem Zusammenhang ist, dass der resultierende Integralwert eine obere Schwelle nicht übersteigt. Besonders geeignet erscheint das Kriterium, dass der resultierende Integralwert in einem von einer unteren Schwelle und einer oberen Schwelle begrenzten Bereich liegt.
Angemerkt sei, dass zusätzlich oder alternativ auch entsprechende Kriterien in Bezug auf den Gesamtverlauf der Photoelement-Ausgangsspannung etwa zwischen den Zeiten t₁ und t₅ der 7 definiert sein können.
Ein weiteres, besonders zweckmäßiges Überwachungskriterium ist in 8b) veranschaulicht. Dieses Überwachungskriterium spricht empfindlich auch die Verschweißung beeinträchtigende Ereignisse an, die sich nicht unbedingt mit den bisher behandelten Kriterien identifizieren lassen. In 8b) wird in Bezug auf die Photoelement-Ausgangsspannung ein Soll-Prozessfenster oder Soll-Wertekorridor durch zwei gestrichelt dargestellte Linien repräsentiert. Nach diesem Kriterium darf kein Messwert für die Photoelement-Ausgangsspannung außerhalb des durch die beiden gestrichelten Linien begrenzten Messspannungsbereich liegen. Mit diesem Kriterium lassen sich beispielsweise Ereignisse wie ein Wegspritzen von heißem Material während des Verschweißens identifizieren, die einen kurzzeitigen Temperatureinbruch zur Folge haben könnten, sich aber nicht zwingend mit den zuvor behandelten Kriterien identifizieren lassen.
Weitere Kriterien können sich auf die anderen, von den Sensoren bzw. Messgeräten 64, 66, 74 und 76 bereitgestellte Messwerte sowie aus diesen Messwerten abgeleitete Werte beziehen. Ferner ist es möglich, verschiedene dieser Messwerte bzw. abgeleiteten Werte in Bezug aufeinander auszuwerten, um die Qualität des Schweißvorgangs zu bewerten.
In Frage kommende Kriterien können zweckmäßig auf Basis von Vergleichs- bzw. Referenzmessungen bei erfolgreich verlaufenden Schweißvorgängen, die zu einem Referenz-Gutteil oder zu in einer Qualitätsbandbreite liegenden Teilen geführt haben, definiert werden. So können etwa die Schwelle „min”, die Schwellen für das zeitliche Integral der Ausgangsspannungskurve des Photoelements (8a)) und die das Soll-Prozessfenster definierenden Grenzkurven (8b)) anhand solchen Vergleichs- bzw. Referenzmessungen bestimmt sein. Änderungen an den zu verschweißenden Elementen hinsichtlich Material und Geometrie oder gar eine Umstellung des Schweißgeräts zur Verschweißung völlig andersartiger Elemente wird in der Regel eine erneute Bestimmung der in die anzuwendenden Kriterien eingehenden Schwellwerte, Parameter usw. zur Folge haben. Solche Parameter und Schwellwerte können in einem Speicher des Steuergeräts 80 abgelegt sein oder mittels einer Schnittstellenvorrichtung in das Steuergerät einprogrammiert werden.
Auf Basis der Qualitätsüberprüfung des Schweißvorgangs kann mittels entsprechender Handhabungs- und Fördereinrichtungen eine Ausselektion der nicht den Qualitätsanforderungen genügender Teile, also von „Schlechtteilen” erfolgen, um diese aus den den Qualitätsanforderungen genügenden „Gutteilen” als Ausschuss auszusondern. Diese Aussonderung kann ggf. erst nach Trennung des Trägerteils oder Trägerbands und Vereinzelung entsprechender Einzelteile erfolgen.
Die Überwachung des Schweißvorgangs und Qualitätsüberwachung kann insgesamt auf vielseitige Weise erfolgen, beispielsweise mit den folgenden Funktionen:

– Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektors bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektoren bzw. mehrerer Detektorelemente eines Wärmestrahlungsdetektors hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs, insbesondere Überschreiten einer Mindestschwelle und Lage in einem Soll-Prozessfenster, die aus Vergleichsmessungen in Bezug auf ein Referenz-Gutteil bzw. mehrere Referenz-Gutteile bestimmt wurden;
– Auswertung des Wärmestrahlungsdetektor-Messsignals bzw. solcher Wärmestrahlungsdetektor-Messsignale, die sich aufgrund einer spektralen Filterung der Wärmestrahltung ergeben;
– Auswertung der Signalintensität für zwei oder mehr Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, ggf. unter Verrechnung der Intensitäten in der Art eines Weißabgleichs einer CCD-Digitalkamera mit drei Photoelementen;
– Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zur eingebrachten elektrischen Leistung der Schweißsteuerung in Form des Schweißstromes, der mit der am Kontaktwiderstand zwischen den zu verschweißenden Materialien die zur Erwärmung führende eingebrachte elektrische Leistung bestimmt;
– Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zur eingebrachten Leistung der Schweißstromversorgung in Form der aus der Spannung an den Elektroden und dem Schweißstrom ermittelten elektrischen Leistung;
– Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zu der an den Schweißelektroden anliegenden Spannung;
– Auswertung der resultierenden Wirkung aufgrund des Schweißstroms anhand des Integrals über die die Intensität der erfassten Wärmestrahlung repräsentierenden Wärmestrahlungsdetektorspannung (Photoelementspannung) über die Zeit;
– Auswertung des Messsignals des Wärmestrahlungsdetektorelements (Photoelements) bzw. mehrerer Wärmestrahlungsdetektorelemente (Photoelemente) in Beziehung zum Verlauf des Nachsetzens der Schweißung während des Schweißvorgangs oder/und in Beziehung zum aus der Schweißung insgesamt resultierenden Nachsetzweg;
– Auswertung durch Setzen eines Minimalwerts für die Wärmestrahlungsintensität bzw. Photoelementspannung und weitere Auswertung nur dann, wenn dieser Minimalwert von der Messwertkurve überschritten wird.

Im Zuge dieser Auswertungen können diverse mathematische Operationen wie Integration, Differentialbildung, Addition und Multiplikation und Kombination dieser Operationen angewendet werden. Zweckmäßig können auch unscharfe Verfahren (so genannte Fuzzy-Logik) für die Auswertung angewendet werden. Solche Auswertungen ermöglichen direkt oder indirekt Aussagen über die Ausbildung einer verschweißten Zone von zwei Materialien und deren Qualität. Der Verlauf der Verschweißung und die Schweiß-Prozessparameter und damit auch die zur Überwachung und Überprüfung anwendbaren Kriterien können abhängig sein von den Materialeigenschaften und der Materialgeometrie zu verschweißender Elemente. Zu nennen sind als Beispiele unterschiedliche Materialdicken, Längen und Breiten, unterschiedliche Wärmekapazitäten aufgrund unterschiedlicher Materialzusammensetzungen, unterschiedliche Geometrien des Kontakts zwischen den zu verschweißenden Materialien (beispielsweise flächiger Kontakt oder nur punktueller Kontakt etwa aufgrund von Schweißwarzen). Bei nur teilweisen Aufliegen der Schweißmaterialien aneinander kann es in besonderem Ausmaß zu Verformungen des Materials bzw. der Materialien kommen.
Durch die erfindungsgemäße Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis der Wärmestrahlung lassen sich auch abweichende bzw. fehlerhafte Kontaktierungen der Materialien durch die Schweißelektroden detektieren, die im Extremfall, etwa aufgrund von Elektrodenabnutzung, zu einem zu hohen Kontaktwiderstand zwischen einer Elektrode und dem zu verschweißenden Material führen können, bis hin zur Verschiebung der Wärmezone zu der Kontaktstelle zwischen dem Material und der Schweißelektrode.
Eine Einrichtung zum Verschweißen wenigstens zweier Metallelemente 40, 42 durch Widerstandsschweißen mittels einer Schweißelektrodenanordnung zeichnet sich durch eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung aus. Es ist wenigstens ein Wärmestrahlungsdetektor 50, 51 vorgesehen, welcher bei in einer Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden 16, 18 Wärmestrahlung aus dem Bereich eines Schweißspalts 24 empfängt. Eine Auswerteeinrichtung 80 empfängt wenigstens ein von der empfangenen Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors 50, 51 und wertet dieses in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium aus. Ein Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen mindestens zweier Metallelemente durch Widerstandsschweißen sieht vor, dass mittels wenigstens eines Wärmestrahlungsdetektors 50, 51 bei in einer Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden während eines Schweißvorgangs in Folge von über die Metallelemente fließendem Schweißstrom Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfangen wird und wenigstens ein von der empfangenen Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors 50, 51 in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium ausgewertet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 245480403 [0009, 0053]
DE 2462790 C2 [0009, 0053]
DE 2615364 C2 [0009, 0053]
DE 19755166 A1 [0009, 0053]
DE 10347074 A1 [0009, 0053]
DE 10347075 A1 [0009, 0053]
DE 102009045252 A1 [0009, 0053]

Claims

Einrichtung zum Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements (40) mit wenigstens einem zweiten Metallelement (42) durch Widerstandsschweißen, umfassend: – eine Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden (16, 18), die einen Schweißspalt (24) definieren und zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind und mit denen in der Schweißstellung ein Kontaktdruck zwischen dem ersten (40) und dem zweiten (42) Metallelement durch gemeinsames Klemmen der Metallelemente zwischen den Schweißelektroden (16, 18) erzeugbar ist; – eine elektrische Schweißstromversorgung (68) zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden (16, 18) über die Metallelemente (40, 42); gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung, umfassend: – wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektor (50, 51), welcher bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden (16, 18) Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts empfängt; – eine Auswerteeinrichtung (80), die dafür ausgeführt ist, wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) zu empfangen und in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Einrichtung nach Anspruch 1, ausgeführt zum Anschweißen wenigstens eines Kontaktmetallrohlings (40) an einer Anbringungsfläche eines metallischen Trägerteils (42) aus Blech oder Flachmaterial durch Widerstandsschweißen, umfassend: – eine Halterungsanordnung zum Haltern des Trägerteils in einer Position, in welcher ein Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungstläche des Trägerteils (42) innerhalb des Schweißspalts (24) liegt; – eine Kontaktmetallrohlingszuführung zur Zuführung von Kontaktmetallrohlingen (40) zu einer dem Kontaktteil-Bestückungsplatz zugeordneten Kontaktmetallrohlingsübergabeposition; – eine Antriebseinrichtung (60) zum Bewegen der Schweißelektroden (16, 18) zwischen der Aufnahmestellung und der Schweißstellung und zur Erzeugung eines Kontaktdrucks zwischen dem Trägerteil (42) und einem jeweiligen an dem Kontaktteil-Bestückungsplatz des Trägerteils positionierten Kontaktmetallrohling (40) durch gemeinsames Klemmen des Trägerteils (42) und des Kontaktmetallrohlings (40) zwischen den Schweißelektroden (16, 18) in der Schweißstellung; – eine Steuereinrichtung (80) zur Steuerung der Kontaktmetallrohlingszuführung, der Antriebseinrichtung (60) und der Schweißstromversorgung (68).
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen Beobachtungsdurchlass (52) in wenigstens einer (16) der Schweißelektroden (16, 18), durch den bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts (24) austreten kann und über den der Wärmestrahlungsdetektor (50, 51) die Wärmestrahlung empfängt, wobei der Beobachtungsdurchlass vorzugsweise als sich von einer den Schweißspalt (24) definierenden Kontaktseite der Schweißelektrode (16) zu einer Rückseite der Schweißelektrode (16) erstreckender Beobachtungskanal (52) ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Schweißstellung an einer zur Anbringungsfläche des Trägerteils (42) entgegengesetzten Rückseite des Trägerteils angreifende Schweißelektrode (16) mit dem Beobachtungsdurchlass (52) ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsdurchlass (52) derart ausgeführt ist, dass bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden (16, 18) Wärmestrahlung von einem dem Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche entsprechenden, diesem entgegengesetzten Oberflächenbereich der Rückseite des Trägerteils (42) durch den Beobachtungsdurchlass (52) aus dem Bereich des Schweißspalts (24) austreten kann.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der den Beobachtungsdurchlass bildende Beobachtungskanal (52) im wesentlichen orthogonal zu dem zu dem Kontaktteil-Bestückungsplatz der Anbringungsfläche entgegengesetzten Oberflächenbereich der Rückseite des Trägerteils (42) erstreckt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, jedenfalls zurückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungsdetektor (50, 51) und vorzugsweise wenigstens eine zugeordnete optische Komponente in einer Aussparung einer die Schweißelektrode (16) mit dem Beobachtungsdurchlass haltenden Schweißelektrodenhalterung (20) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungsdetektor gesondert von einer die Schweißelektrode mit dem Beobachtungsdurchlass haltenden Schweißelektrodenhalterung angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangsende einer/der die Wärmestrahlung dem Wärmestrahlungsdetektor zuführenden Strahlungsleiteranordnung und vorzugsweise wenigstens eine zugeordnete optische Komponente in einer Aussparung der Schweißelektrodenhalterung angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (80) dafür ausgeführt ist, auf Basis des wenigstens einen Ausgangssignals des wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) während eines Schweißvorgangs wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende erste Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (80) dafür ausgeführt ist, auf Basis wenigstens eines Ausgangssignals der Schweißstromversorgung oder/und mittels wenigstens eines wenigstens eine elektrische Größe des Schweißstroms erfassenden Sensors (74, 76) wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende zweite Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigsten ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dafür ausgeführt ist, mittels wenigstens eines Kraftsensors (66) den Kontaktdruck oder einen zeitlichen Kontaktdruckverlauf während des Schweißvorgangs zu erfassen oder/und mittels wenigstens eines Wegsensors (64) ein Nachsetzen wenigstens einer (18) der Schweißelektroden (16, 18), insbesondere einen zeitlichen Verlauf des Nachsetzens oder/und einen Nachsetzweg wenigstens einer (18) der Schweißelektroden (16, 18), während des Schweißvorgangs als dritte Schweißsignatur zu erfassen und diese in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium auszuwerten.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) bzw. deren Auswerteeinrichtung (80) zur Durchführung des Verfahrens wenigstens eines der folgenden Ansprüche ausgeführt ist.
Verfahren zur Überwachung des Schweißvorgangs auf Basis detektierter Wärmestrahlung beim Verschweißen wenigstens eines ersten Metallelements (40) mit wenigstens einem zweiten Metallelement (42) durch Widerstandsschweißen mittels – einer Schweißelektrodenanordnung mit mindestens zwei Schweißelektroden (16, 18), die einen Schweißspalt (24) definieren und zwischen einer Aufnahmestellung und einer Schweißstellung relativ zueinander beweglich sind und mit denen in der Schweißstellung ein Kontaktdruck zwischen dem ersten (40) und dem zweiten (42) Metallelement durch gemeinsames Klemmen der Metallelemente zwischen den Schweißelektroden (16, 18) erzeugbar ist, und – einer elektrischen Schweißstromversorgung (68) zur Einleitung eines Schweißstroms zwischen den in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden (16, 18) über die Metallelemente (40, 42), bei dem mittels wenigstens eines Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) bei in der Schweißstellung angeordneten Schweißelektroden (16, 18) während eines Schweißvorgangs in Folge von über die Metallelemente (40, 42) fließendem Schweißstrom Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts (24) empfangen wird und wenigstens ein von der empfangenden Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) in Bezug auf mindestens ein Überwachungskriterium ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts (24) durch einen Beobachtungsdurchlass (52), vorzugsweise einen Beobachtungskanal (52), zumindest einer der Schweißelektroden empfangen wird, oder/und dass die Wärmestrahlung aus dem Bereich des Schweißspalts (24) spektral gefiltert wird, oder/und dass das Ausgangssignal des Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) zeitaufgelöst erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des wenigstens einen Ausgangssignals des wenigstens einen Wärmestrahlungsdetektors (50, 51) während eines Schweißvorgangs wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende erste Schweißsignatur erfasst wird, oder/und dass auf Basis wenigstens eines Ausgangssignals der Schweißstromversorgung oder/und mittels wenigstens eines wenigstens eine elektrische Größe des Schweißstroms erfassenden Sensors (74, 76) wenigstens eine den Schweißvorgang bzw. dessen zeitlichen Verlauf kennzeichnende zweite Schweißsignatur erfasst wird, oder/und dass mittels wenigstens eines Kraftsensors (66) der Kontaktdruck oder ein zeitlicher Kontaktdruckverlauf während des Schweißvorgangs oder/und mittels wenigstens eines Wegsensors ein Nachsetzen wenigstens einer (18) der Schweißelektroden (16, 18), insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Nachsetzens oder/und ein Nachsetzweg wenigstens einer (18) der Schweißelektroden (16, 18), während des Schweißvorgangs als dritte Schweißsignatur erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dass wenigstens eine Schweißsignatur in Bezug auf wenigstens ein Überwachungskriterium ausgewertet wird oder/und dass gemäß wenigstens einem Überwachungskriterium mehrere Schweißsignaturen in Bezug auf einander ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß einem Überwachungskriterium die Auswertung den Vergleich wenigstens einer Schweißsignatur, insbesondere der ersten Schweißsignatur, mit Referenz-Daten, etwa wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur oder aus wenigstens einer Referenz-Schweißsignatur abgeleitete Daten, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Schweißsignatur eine während eines Schweißvorgangs erfasste Schweißsignatur, insbesondere erste Schweißsignatur, ist, die zu einer vorgegebene Anforderungen erfüllenden Verschweißung der Metallelemente (40, 42) geführt hat.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schweißsignatur, insbesondere zumindest die erste Schweißsignatur, darauf überprüft wird, ob sie wenigstens eine vorgegebene Referenzbedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob wenigstens ein Schweißsignaturwert eine Minimumsschwelle (min) übersteigt oder/und eine Maximumsschwelle nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob ein zeitliches Integral über Schweißsignaturwerte eine Minimumsschwelle übersteigt oder/und eine Maximumsschwelle nicht übersteigt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißsignatur darauf überprüft wird, ob zeitlich aufeinander folgende Schweißsignaturwerte in einem zulässigen Wertekorridor liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der Auswertung eine Qualität der Verschweißung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen und die Überwachung und Auswertung mittels einer Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt wird.