Bolzenschweißverbindungen

Es wird ein magnetisches Messverfahren und eine entsprechende Vorrichtung vorgeschlagen, welche für die einfache und zerstörungsfreie Prüfung von

Bolzenschweißverbindungen optimiert ist.

Bolzenweißverbindungen dienen zur Befestigung von meist zylinderförmigen Bolzen auf Trägerplatten, die oftmals aus Blech gefertigt sind. Die Anwendun- gen sind vielfältig und finden sich insbesondere in Haushaltsgeräten, Kraft fahrzeugen, sowie im Stahl- und Anlagenbau.

Beispielsweise sind in einer Automobilkarosserie etwa 500

Bolzenschweißverbindungen verbaut. Auf Brückentragwerken werden typi scherweise mehrere 10.000 Kopfbolzen eingesetzt.

Die Schweißverbindung zwischen Bolzen und Trägerplatte kann z.B. durch ein Laser- oder Plasmaschweißverfahren insbesondere mittels elektrischen Wi-

derstandsschweißen hergestellt werden. Beim Verbinden eines Bolzens mit der Trägerplatte durch einen solchen Schweißprozess entstehen jedoch häufig Defekte, wie z.B. Risse oder Hohlräume, welche die Stabilität und Festigkeit der Verbindung stark beeinträchtigen können. Fehlerhafte Verbindungen werden oftmals erst während der Endmontage oder während des Betriebs festgestellt und müssen dann aufwändig nachgearbeitet werden.

Zur Prüfung einer Schweißverbindung können mechanische oder thermische Verfahren benutzt werden, die jedoch durch den Prüfprozess selbst die Stabi lität der Verbindung beeinträchtigen können.

Zum Beispiel ist für eine Prüfung von Bolzenschweißverbindungen die Dreh momentprüfung bekannt, welche insbesondere bei Gewindebolzen als indust rieller Maßstab eingesetzt wird. Durch die Drehmomentbeanspruchung der Bolzen kann aber eine Vorschädigung der Schweißverbindung erfolgen.

Bei thermischen Verfahren wird das Material der Schweißverbindung erhitzt und die danach entstehende Wärmeverteilung ortsaufgelöst gemessen. Hier kann eine zu starke Erhitzung zur Rissbildung beitragen. Außerdem ist ein sol ches Wärmetomographieverfahren sehr aufwändig und wird typischerweise in separaten Räumlichkeiten durchgeführt.

Eine Alternative bieten Röntgen-Computer-Tomographie Verfahren, die so wohl zeit- als auch kostenintensiv sind und daher typischerweise nur mit einer kleinen Stichprobe durchgeführt werden.

Hingegen sind einfache Sicht- oder Klangprüfungen oftmals nicht zuverlässig genug und lassen sich nur schwer automatisieren. Beide Prüfverfahren erfor dern sehr viel Erfahrung des Prüfpersonals und sind auch von subjektiven Ein schätzungen beeinflusst.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine möglichst einfache Vorrichtung und ein effizientes, zuverlässiges Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bolzenschweißverbindungen vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Die Aufgabe kann mit dem in Anspruch 5 beschriebenen Verfahren gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestal tungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den unterge ordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Die Erfindung nutzt ein Magnetfeld welches die Schweißverbindung durch dringt, wobei eventuell vorhandene Defekte, die sich in der Schweißverbin dung unterhalb und seitlich des Bolzens ausbilden, den Verlauf der magneti schen Feldlinien und damit die magnetische Flussdichte verändern. Durch Messung der magnetischen Flussdichte einer Probe und Vergleich mit mindes tens einem Referenz- oder Kalibrierwert, der durch die Messung einer idealen Schweißverbindung ohne Defekte bestimmt wird, können dann fehlerhafte Verbindungen detektiert werden.

Für die Sensitivität und Zuverlässigkeit des Verfahrens ist es dabei von Bedeu tung, dass zum einen der magnetische Fluss den Bolzen und die Schweißver bindung gut durchdringt und zum anderen die Magnetfeldsensoren, welche die Veränderung der magnetischen Flussdichte messen, möglichst nah an die Schweißverbindung heranreichend angeordnet sind.

Aus diesem Grund wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die sich der speziel len, oftmals zylinderförmigen Geometrie eines Bolzens so weit wie möglich anpasst. Dies wird erreicht indem ein Magnetjoch beispielsweise in Form ei nes Hohlzylinders ausgebildet ist, wobei der Innenradius des Hohlzylinders so gewählt ist, dass er nur minimal, bevorzugt ein paar Millimeter (maximal 3mm), grösser ist als der Außendurchmesser des Bolzen. Bei Bolzen mit einer polygonen oder anders geformten Grundfläche kann zur weiteren Optimie rung auch ein Magnetjoch verwendet werden, welches einen Hohlraum mit einer entsprechend polygonen oder anders geformten Grundfläche aufweist. Der Hohlraum kann komplementär zur äußeren Kontur des Bolzens ausgebil det sein.

Eine oder mehrere Messungen erfolgen dann nachdem das Magnetjoch auf den Bolzen aufgesetzt oder der Bolzen in den Hohlraum des Magnetjochs ein geführt wurde. Bei der Wahl der Innenmaße des Magnetjochs sollte berücksichtigt werden, dass bei Einführen des Bolzens in den Hohlraum des Magnetjochs noch min destens eine Magnetfeldspule zwischen Bolzen und Magnetjoch passt. Eine solche Magnetfeldspule kann fest mit der Innenwand des Magnetjochs ver bunden und an einen externen elektrischen Stromkreis angeschlossen sein. Insbesondere sollen Innendurchmesser und Höhe des Hohlraums so gewählt werden, dass der zu prüfende Bolzen vollständig in den Hohlraum einführbar ist.

Fließt ein elektrischer Strom durch die Magnetfeldspule bildet sich ein Mag netfeld aus, welches sowohl das Magnetjoch als auch den Bolzen und die Bolzenschweißverbindung durchsetzen soll. Voraussetzung dafür ist, dass der Bolzen weit genug in den Hohlzylinder hineinragt. Um dies zu gewährleisten, sollte das Magnetjoch mit einer Grundfläche auf der Trägerplatte aufliegen. Es kann aber auch ein kleiner Abstand von maximal 2 mm zwischen Magnetjoch und Trägerplatte, z.B. durch das Anbringen von Abstandshaltern, eingehalten werden.

Magnetfeldsensoren können auf einer ringförmigen Grundfläche des Magnet jochs aufliegen und z.B. durch eine Klebeverbindung befestigt sein.

Sie können aber auch innenliegend an der Innenfläche oder außen an der Mantelfläche des Hohlzylinders angebracht sein. Mindesten zwei Magnetfeld sensoren sollten dabei auf einer ringförmigen Grundfläche an gegenüberlie genden Positionen angeordnet sein. Damit können Defekte die sich nicht zentral unter dem Bolzen befinden, sondern hauptsächlich an einer Seite der Schweißverbindung ausgeprägt sind, effizienter detektiert werden als wenn nur ein Magnetfeldsensor oder zwei direkt nebeneinander angeordnete Mag netfeldsensoren verwendet werden. Mehrere Magnetfeldsensoren sollten in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sein.

Alternativ kann auch nur ein Magnetfeldsensor zum Einsatz kommen. Dieser sollte dann allerdings durch rotierende Bewegungen um den Bolzen herum geführt werden und so ortsaufgelöst mehrere Messwerte aufnehmen können. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit können auch Messwerte von mehre ren Magnetfeldsensoren an verschiedenen Positionen aufgenommen werden, wobei sich die verschiedenen Positionen durch translatorische oder rotieren- de Bewegungen des Magnetjochs um bzw. entlang der Längsachse des Bol zens ergeben.

Für eine ortsaufgelöste Spektroskopie kann die Trägerplatte mit einem Dreh tisch verbunden sein, der an eine Motorsteuerung angeschlossen ist. Die Auf nahme einer Messkurve erfolgt dann durch mindestens eine 360 Grad Dre hung des Drehtisches, wobei während der Drehung das Magnetjoch und der mindestens eine Magnetfeldsensor, der mit dem Magnetjoch verbunden ist, an derselben Stelle z.B. durch eine Aufhängung oder Halterung fix positioniert bleibt. Alternativ kann auch das Magnetjoch und damit auch der mindestens eine Magnetfeldsensor gedreht werden, während die Trägerplatte und der Bolzen fixiert bleiben. Eine Messkurve gibt dann die Winkelabhängigkeit der in mindestens einem Magnetfeldsensor gemessenen magnetischen Flussdichte wieder. Die Messkurve einer zu untersuchenden Probe kann mit der Messkur ve einer den Qualitätsanforderungen genügenden Bolzenschweißverbindung verglichen werden.

Beispielsweise wird für jede Messkurve ein Mittelwert gebildet, der sich aus allen Messpunkten ergibt, die innerhalb eines Winkelbereichs von 360 Grad liegen. Zusätzlich wird für die Messkurve einer den Qualitätsanforderungen genügenden Bolzenschweißverbindung die typische Standardabweichung bestimmt. Weicht die Messkurve einer zu untersuchenden Probe in mindes ten einem Winkelbereich um ein vorher festgelegtes Vielfaches der Standard abweichung vom Mittelwert der zu untersuchenden Probe ab, kann auf eine fehlerhafte Bolzenschweißverbindung der zu untersuchenden Probe geschlos sen werden und der Defekt durch Angabe des entsprechenden Winkelbe reichs lokalisiert werden.

Es können aber auch direkt Standardabweichungen oder höhere Momente der durch die Messpunkte innerhalb eines Winkelbereiches gegebenen Statis tik miteinander verglichen werden.

Für eine Verbesserung der Messgenauigkeit können auch Mittelwerte und/oder Standardabweichungen von Messkurven mehrerer Proben und/oder mehrerer Magnetfeldsensoren kombiniert werden.

Bevorzugt werden Hallsensoren zur Messung eines statischen oder zeitlich veränderlichen Magnetfeldes eingesetzt. Es können aber auch Messspulen, magneto-resistive oder magneto-optische Sensoren benutzt werden.

Der Hohlzylinder kann auf einer Seite auch geschlossen sein, sodass das Mag netjoch aus einem einseitig offenen Hohlzylinder besteht und nur eine der beiden Grundflächen eine Öffnung aufweist. Die Höhe des Hohlzylinders sollte dann so gewählt werden, dass sie grösser als die maximale Höhe des Bolzens über der Trägerplatte ist. Die Magnetfeldsensoren sollten auf der Grundfläche angebracht sein, die eine Öffnung zum Einführen des Bolzens aufweist. Eine einseitig geschlossene Form des Hohlzylinders kann die magnetische Fluss dichte im Bolzen und der Schweißverbindung zusätzlich erhöhen.

Durch die Optimierung der Designparameter aller Komponenten und eine vorteilhafte Positionierung der Vorrichtung in Bezug auf den zu prüfenden Bolzen samt Trägerplatte kann die Sensitivität des Messverfahrens verbessert werden. Beispielsweise kann das Magnetjoch von einem Roboterarm über den Bolzen geführt bzw. aufgesetzt werden und z.B. eine Positionierung des Magnetjochs mittels Weg- und/oder Positionssensoren erfolgen. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung kann die von den Weg- und/oder Positionssensoren gemessenen Abstände zur Trägerplatte so regeln, dass der magnetische Fluss, der die Magnetfeldsensoren durchdringt, optimiert wird.

Eine Optimierung kann dadurch erreicht werden, dass Probemessungen an fehlerhaften Schweißverbindungen durchgeführt werden und die Position des Magnetjochs so gewählt wird, dass ein optimales Signal-Rausch Verhältnis erreicht wird bzw. die Abweichungen vom Referenzwert maximiert werden. Dabei können auch andere Parameter, wie zum Beispiel die an der Magnet feldspule oder an den Hallsensoren angelegte elektrische Spannung, optimiert werden.

Das Messverfahren kann darin bestehen ein statisches Magnetfeld anzulegen und die an mindestens zwei Magnetfeldsensoren gemessenen magnetischen Flussdichten direkt mit Referenzwerten zu vergleichen. Eine fehlerhafte Ver bindung zeichnet sich dann durch Abweichungen mindestens eines Messwer tes oberhalb einer zuvor festgelegten Toleranz aus. Das statische Magnetfeld kann dabei durch die Wahl eines permanent magnetischen Magnetjochs oder durch Anlegen eines elektrischen Gleichstroms, der durch die Magnetfeldspu le fließt, ausgebildet werden.

Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung bildet die Magnetfeldspu le ein zeitlich veränderliches Magnetfeld aus, welches in dem Bolzen und der Schweißverbindung elektrische Wirbelströme hervorruft. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum ein Magnetfeld, welches dem ursprünglich angelegten Magnetfeld entgegenwirkt. Das effektiv resultierende Magnetfeld kann dann in den Magnetfeldsensoren gemessen und mit Referenzwerten verglichen werden.

Dabei ist zu beachten, dass induzierte elektrische Wirbelströme zu einer Er wärmung des Bolzens und der Bolzenschweißverbindung führen können, wel che die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen. Um dennoch von einer zerstörungsfreien Prüfung sprechen zu können, sollten die angelegte elektri sche Spannung und die Frequenz so gewählt werden, dass nur eine geringe Wärme erzeugt wird, ohne dass gleichzeitig die Sensitivität der Messmethode unter ein gewünschtes Niveau fällt.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungs gemäßen Vorrichtung mit einer die Qualitätsanforderungen erfüllenden Bolzenschweißverbindung.

Figur 2 einen Schnitt durch Ebene A-A der Versuchsanordnung von

Figur 1.

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungs gemäßen Vorrichtung mit einer fehlerhaften Bolzenschweißverbindung.

In Figur 1 ist ein Beispiel einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung einer Bolzenschweißverbindung 3 gezeigt. Ein Bolzen 2 ist durch eine Bolzenschweißverbindung 3 mit einer Trägerplatte 1 verbunden. Ein Magnet joch 6, welches aus einem einseitig offenen Hohlzylinder besteht, ist auf den Bolzen 2 aufgesetzt. Magnetfeldsensoren 4 sind an einer Grundfläche des Magnetjochs 6 angebracht. Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes 7, das mit tels einer Magnetfeldspule 5 ausgebildet wird, durchdringen das Magnetjoch 6, den Bolzen 2, die Bolzenschweißverbindung 3 und die Magnetfeldsensoren 4. Die Wicklung der Magnetfeldspule 5 ist eng am Bolzen 2 angebracht, wobei der Abstand zwischen Magnetfeldspule 5 und Bolzen 2 weniger als 2 mm be trägt. Die Magnetfeldlinien 7 verlaufen symmetrisch bezüglich der Symmet rieachse des Hohlzylinders, so dass sich bei gleichem Abstand von der Sym metrieachse des Hohlzylinders stets dieselbe magnetische Flussdichte ergibt.

In Figur 2 ist eine beispielhafte Anordnung der Magnetisierungsspule 5 und von acht Magnetfeldsensoren 4 gezeigt, wobei die acht Magnetfeldsensoren 4 mit gleichen Winkelabständen zueinander in einer Ebene angeordnet sind.

In Figur 3 ist ein Beispiel einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung einer fehlerhaften Bolzenschweißverbindung 3 mit Defekt 8 und gegenüber Figur 1 veränderten Magnetfeldlinien 7 gezeigt. Alle weiteren Elemente und deren Bezugszeichen stimmen mit Figur 1 überein.

Der Defekt 8 besteht in dem in Figur 3 gezeigten Beispiel aus einem Hohl raum, der zu einer unvollständig ausgebildeten Bolzenschweißverbindung 3 führt und dadurch die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen kann. Da der durch den Defekt 8 verursachende Hohlraum von keinen Magnetfeldlinien 7 durchdrungen wird, verlaufen die Magnetfeldlinien 7 asymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse des Hohlzylinders. Diese Asymmetrie kann z.B. durch einen Vergleich der in den Magnetfeldsensoren 4, die links und rechts der Symmetrieachse angebracht sind, gemessenen magnetischen Flussdichten nachgewiesen werden. Ist die Differenz der magnetischen Flussdichten größer als ein zuvor festgelegter Toleranzwert, genügt die Bolzenschweißverbindung 3 nicht den Qualitätsanforderungen. Alternativ kann, wie bereits weiter oben näher beschrieben, auch die gesamte Winkelabhängigkeit der magnetischen Flussdichte durch Rotation der Trägerplatte 1 oder der Magnetfeldsensoren 4 bestimmt und zur Detektion des Defekts 8 benutzt werden. Die erfassten Messwerte der Magnetfeldsensoren 4 bilden eine Statistik ab, die mit einer Statistik, die sich aus den Messwerten einer den Qualitätsanforderungen ge- nügenden Probe ergibt, verglichen werden kann. Zum Beispiel kann die Diffe renz aus den normierten Standardabweichungen beider Statistiken gebildet werden und falls diese Differenz größer als ein zuvor festgelegter Toleranz wert ist, kann auf eine fehlerhafte Bolzenschweißverbindung geschlossen werden. Alternative Kriterien zur Bestimmung einer fehlerhaften

Bolzenschweißverbindung sind weiter oben näher beschrieben.