在线超声波检验借助电阻焊制造的焊点的方法

专利名称：在线超声波检验借助电阻焊制造的焊点的方法
在线超声波检验借助电阻焊制造的焊点的方法
技术领域：
本发明的技术主题是一种借助超声波在线检验两块层板之间借助电阻 焊制造的焊点的方法，以及一种在线检验两块层板之间借助电阻焊制造的焊 点的设备，其中，所述设备尤其适用于实施按本发明的方法。
技术上经常使用的一种连接导电薄板的方法在于，借助电阻焊生成连接 上下平放薄板的焊点。为此在要焊接的薄板上安置上侧和下侧电极并向它们 施加大的焊接电流。焊接电流流过布置在电极之间的薄板并将其局部加热。 通过适当的工艺控制，使上下平放的薄板在其接触区局部熔化，此时由液态 的薄板材料形成一个焊接熔核或点焊熔核。若焊接熔核已达到足够的尺寸， 则切断焊接电流并凝固液态焊接熔核。在实施卓有成效的工艺控制的情况 下，使已固化的焊接熔核与两块要焊接薄板的材料接缝牢固连接，并因而构 成一种薄板之间能承受高负荷的机械连接。
相应的方法长期以来用作汽车车身制造时的标准工艺方法。然而迄今存 在的难点是，这种借助电阻焊生成的焊点在其制造过程中便业已实施检验。
尽管做出多种努力进行研制，但直至今日未能成功地做到，在这种焊点大批 生产的条件下提供一些能可靠使用的方法，它们允许在焊点制造过程中就已 经对焊点进行质量控制。
代替这种在焊点制造期间对制成的焊点这种原则上值得追求并在下文 称为"在线检验"的检查的是，迄今不得已采用的离线检验方法，在该离线 检验方法中，从制造的许多焊点中随机选出个别焊点进行强度检验。例如由
本申请人的DE10230587已知多种由先有技术已知并至今流行的对借助电阻 焊制造的烀,#、进行离线4企验的方法。
如同样可以由DE10230587得知，尤其在当代的汽车制造中在制造焊点 时存在另 一个难点，因为在车身制造时为了提高车身稳定性越来越多地采用 层状钢板。进一步的扩展发现，可以使用镀锌钢板，几微米厚的锌层被电镀 到钢板上或借助热镀锌法镀到钢板两面。这时由于钢板和锌层熔点不同，在 两个如此设计的层状钢板之间借助电阻焊制造焊点时出现的现象是，例如在 焊接过程的工艺控制不良时，要互相焊接的钢板上仅熔化彼此贴靠的锌层，并在钢板之间形成一个只是由锌组成的焊接熔核。若在这一时刻切断焊接电 流，则由锌组成的焊接熔核固化，从而在互相贴靠的镀锌钢板之间通过固化 的焊接熔核造成机械连接。然而在生成焊点时力求的钢板本身之间紧密的材 料连接并没有发生。制成的焊点还是有一定的机械负荷能力，因为固化的锌 焊接熔核仍在要连接的层状钢板之间造成了 一种(虽然只能承受轻负荷的)机 械连接。找出这种往往称为"锌粘合剂"的焊点，对于由先有技术已知的离 线检验法而言意味着是一项特别的挑战，因为超声波方法通常没有能力在锌 焊接熔核与钢焊接熔核之间可靠地加以区分。在这里往往只保留一种焊点的 破坏性检验。
关于在线检验借助电阻焊在层板之间制造的焊点的问题，实际上迄今还 没有令人满意的解决办法。
由EP0287177A1可知一种电阻焊的设备和一种电阻焊的方法，它原则 上以在线检验处于制造中的焊点为基础。它基于在焊点制造期间用 一 系列超 声波脉沖照射焊点。为此，在所建议焊接设备的电极帽内安装一个超声波发 送传感器和一个超声波接收传感器。由超声波发送传感器发送的一系列快速 的超声波脉冲，耦合在要焊接的薄板内，透过在其中构成或应构成焊接熔核 的薄板区，经由第二电极的电极帽耦合在超声波接收传感器内。为了在线检 验处于制造中的焊点，记录超声波脉冲在透过上下平放的薄板时产生的渡越 时间延迟。因为一个超声波脉沖通过上下平放的薄板的渡越时间，取决于材 料内的音速，并且在固体薄板内的音速比在液态焊接熔核内的音速要高得 多，所以记录到的渡越时间延迟的变化意味着是对液态焊接熔核体积的一种 度量。以此方式可例如确定焊接工艺的终点，此时基于测得的渡越时间延迟 可以推断出，在要连接的薄板之间构成了有足够体积的液态焊接熔核。若达 到预定的渡越时间延迟，则切断焊接电流。然而这种由EP0287177A1已知 的方法，据申请人了解还未能进行实际使用，所以在线检验借助电阻焊制造 的焊点，迄今没有实施大规模的工业应用。按由EP028717"7A1已知的形式 的方法也不能推广到层状薄板中的焊点检验。
因此本发明的目的是提供一种方法，借助它可以对在层板，尤其镀锌钢 板之间借助电阻焊制造的焊点，在其制造期间便业已实施超声波检验。此外， 本发明的目的还在于提供一种设备，它可d对在层板之间借助电阻焊制造的 焊点，在其制造期间便业已实施在线检验。此目的通过按照独立权利要求1和6所述方法以及通过按照独立权利要求7和13所述设备达到
按本发明以超声波为基础在线检验两块层板之间借助电阻焊制造的焊
点的方法，按第一种表述有下列工艺步骤
a. 产生一系列有横向偏振分量的超声波脉冲，
b. 在制造焊点期间用这一系列超声波脉冲照射要检验的借助电阻焊制 造的焊点，
c. 当超声波脉沖穿过焊点后接收这一系列超声波脉冲，以及
d. 时间分辨地检测在制造要检验的焊点期间这一系列超声波脉沖的横 向偏振分量通过焊点传送所发生的变化。
在上述方法的一种等效变更中，此方法有下列工艺步骤
a. 产生一系列有横向偏振分量的超声波脉沖，
b. 在制造焊点期间将这一系列超声波脉沖在要检验的借助电阻焊制造 的焊点上反射，
c. 当超声波脉沖在焊点上反射后接收这一系列超声波脉沖，以及
d. 时间分辨地检测在制造要检验的焊点期间这一系列超声波脉沖横向 偏振分量通过在焊点上反射所发生的变化。
按本发明的方法第一次允许在借助电阻焊制造两块层板之间的焊点时 在线监测焊点的结构。检测射入的超声波脉沖横向偏振分量的传送或反射， 允许了在焊点制造期间就已经可靠和可重复地判断所制成的焊点，从而例如 可以用很高的准确度识别锌粘合剂的生成，以及必要时可以通过恰当调整焊 接参数对此加以防止。至少有可能有高可靠性地识别锌粘合剂的生成，并在 必要时通过在附近制造另 一 个包容它的焊点。
按本发明的方法基于下述认识横向和纵向偏振的超声波脉沖在液态介 质内的传播是不一样的。纵向偏振的超声波脉冲意味着是一种压缩波，在从 固态介质向液态介质过渡时只发生音速的改变，并在倾斜地射入时能导致折 射效应。
反之，横向偏振的超声波脉沖意味着是一种剪切波。剪切波在固态介质 中的传播与压缩波类似。但是在剪切波的情况下，在液态介质内传播基于液 体无穷小的剪切模量，因而是不可能的。
现在若检测一 系列超声波脉冲横向偏振分量在通过一个构成的焊接熔 核时的传送或反射，则在出现液态焊接熔核时所述的传送遭受严重干扰量增加反射。因此传送干扰的强度和持续时间或反射增大的强度和持续时 间，表示在要连接的层板之间生成了一个液态的焊接熔核。在这里当恰当地 工艺控制时，尤其有可能时间分辨地检测到在较低的温度时层板上下平放的 表层熔化生成第 一个焊接熔核，由于焊接电极的挤压力而将第 一个焊接熔核 挤出，以及在要互相连接的板芯之间形成第二个焊接熔核。这例如可以应用 于识别在镀锌钢板之间形成锌粘合剂。
按本发明的方法可有利地如下进一步发展对时间分辨地检测到的这一 系列超声波脉冲横向偏振分量通过焊点传送的变化或在焊点上反射的变化 作如下分析，即是否在传送时出现第一和第二干扰，或是否在反射中出现第 一和第二次增大。尤其在板芯材料有与表层材料不同熔点的情况下，所述的 进一步发展是有利的。对此仍可举镀锌钢板为例。锌的熔点在约470。C的范 围内，而钢芯的熔点在约1450。C的范围内。按照上述进一步发展的所述分析， 允许表层材料的熔化和芯体材料的熔化彼此有显著差异，这有利地用于判断 所制成焊点的质量。
上述进一步发展还可以改善，为此当传送时出现第二个最小值或反射中 出现第二个最大值时，检测传送最小值的持续时间或反射最大值的持续时 间。最小值或最大值的持续时间可用来确定由要焊接的薄板的芯体材料构成 的焊接熔核的空间尺寸，这必要时在恰当考虑施加的焊接电流以及其他材料 参数，如要焊接的薄板厚度的情况下进行。必要时还有利地检测第一传送最 小值或第一反射最大值的持续时间。
所述方法可以再进一步改善，为此除第一和第二传送最小值或第一和第 二反射最大值的持续时间外，还检测第二传送干扰或第二反射增大的强度。 例如，传送的一种较小的干扰或反射的一种较少的增大，表明生成了一个直 径较小并因而有较低负荷能力的液态焊接熔核。
按本发明方法的 一项特别有利的进一步发展，产生的超声波脉冲除横向 偏振分量外还有纵向偏振分量。现在按本发明附加时间分辨地检测这一系列 超声波脉冲在通过要检验的焊点时，纵向偏振分量渡越时间延迟的变化。在 通过处于制造中的焊点时所出现的渡越时间延迟的变化，同样意味着是对于 所形成的液态焊接熔核尺寸的一种度量，并因而可以补充用于判断所制成焊 点的质量。
按本发明方法另 一 项特别有利的设计，制造要检验的焊点通过在时刻To施加焊接电流开始，以及通过在时刻TE切断焊接电流结束。在实施按本 发明的方法时特别有利的是，检测这一 系列超声波脉冲的橫向偏振分量通过
焊点传送的变化或在焊点上反射的变化，在时刻T。前开始和超越时刻Te継
续。若附加地还检测这一系列超声波脉沖纵向偏振分量通过要检验的焊点传
送的变化，则在这种情况下的检测有利地在时刻T。前开始和超越时刻Te继 续。以此方式可以用焊接电流的变化曲线控制检测到的超声波信号，并由此 获得在所进行的焊接过程中的另 一些认识。
设备有下列特征
a. 第一焊接电极，它有第一电极杆和可更换的第一电极帽，
b. 第二焊接电极，它有第二电极杆和可更换的第二电极帽，
c. 一个超声波发送传感器，它设置用于输出一系列分别有横向偏振分 量的超声波脉沖，以及
d. —个超声波接收传感器，它设置用于接收由超声波发送传感器输出 的这一系列超声波脉冲，其中，将超声波发送传感器和超声波接收传感器设 计为，使一个由超声波发送传感器输出的超声波脉沖，可经第一焊接电极， 穿过在层板之间制造的焊点，经第二焊接电极到达超声波接收传感器，并可 由它接收，
e. —个与超声波发送传感器和超声波接收传感器连接的评估装置，其 中，评估装置设置用于，时间分辨地确定在制造焊点期间这一系列由超声波 发送传感器产生的超声波脉冲横向偏振分量通过焊点传送的变化。
按本发明设备的 一种等效的实施形式有下列特征
a. 第一焊接电极，它有第一电极杆和可更换的第一电极帽，
b. 第二焊接电极，
c. 一个超声波发送传感器，它设置用于输出一系列有横向偏振分量的 超声波脉沖，以及一个超声波接收传感器，它设置用于接收由超声波发送传 感器输出的这一系列超声波脉沖，其中，将超声波发送传感器和超声波接收 传感器设计为，使一个由超声波发送传感器输出的超声波脉沖，可经第一焊 接电极到达在层板之间制造的焊点，并可以在坪点上至少部分反射，其中反 射的部分接着经第一焊接电极回到超声波接收传感器，并可由它接收，
d. —个与超声波接收传感器连接的评估装置，其中，评估装置设置用于，时间分辨地确定在制造焊点期间这一 系列由超声波发送传感器产生的超 声波脉沖横向偏振分量反射的变化。
按本发明的设备可以实施本发明的按其两种表述的方法，在所迷方法中 该设备将焊接电极、超声波发送传感器和超声波接收传感器及适用的评估装 置配置为，使得可以在焊点制造期间有针对性地检测一系列超声波脉沖横向 偏振分量通过要检验的焊点时传送的变化，或在焊点制造期间时间分辨地检 测一系列超声波脉沖横向偏振分量在要检验的焊点上反射的变化。
若按本发明采用的超声波发送传感器以这样的方式设在第 一 焊接电极 内，即，使得由超声波发送传感器产生的超声波脉沖直接耦合在第一电极帽
内，则以上所述可以特别简单地达到。这例如可以这样实现第一电极帽有
一电极帽内，直接装在所述平的内表面上。
若应在焊点制造期间检测一系列超声波脉沖横向偏振分量通过要检验 的焊点传送的变化，则特别有利的是，将超声波接收传感器同样设置为，使 得一个在反向布置的第二电极帽中传送的超声波直接在超声波接收传感器
中输出耦合。这例如可以这样实现第二电极帽同样有一个平的内表面，以 及超声波接收传感器为了从第二电极帽输出耦合通过要检验的焊点传送的 超声波脉沖，直接装在所述平的内表面上。射入的超声波脉沖典型的声频在 传送几何结构的情况下处于0.1至10 MHz的范围内，优选地在1与5 MHz 之间。例如当在线检验0.7毫米厚的镀锌钢之间的点焊时，业已证实适宜的 声频尤其为2MHz。
反之，若应在焊点制造期间时间分辨地检测一 系列超声波脉冲的横向偏 振分量在要^^验的焊点上反射的变化，则特别有利的是，将超声波发送传感 器设置成如上面已提及的那样。超声波接收传感器装在(超声波发送传感器 将这一 系列超声波脉冲射入其中的)第 一焊接电极上，使得脉沖系列在要检 验的焊点上反射的横向分量直接从第 一 电极帽输出耦合。这尤其可以这样实 现将超声波接收传感器装在第一电极帽的所述平的内表面上。在这种设计 中，超声波接收传感器尤其也可以与超声波发送传感器是一致的。射入的超 声波脉冲典型的声频在反射几何结构的情况下处于5至50 MHz的范围内， 优选地在15与25MHz之间。业已证实适宜的声频尤其为20MHz。在这里 最小可能的声频主要受待焊接薄板尺寸的限制，因为超声波脉冲的波长一般应等于或小于要分辨的尺寸。最大声频通常受发送传感器电声特性以及受插 入的干涉现象限制。
将超声波发送传感器或超声波接收传感器直接装在电极帽上，尤其是装 在各自电极帽平的内表面上，并结合仅对一系列超声波脉冲横向分量传送或 反射的变化的检测，导致在大规模工业生产背景下实际使用电点焊机时无法 避免地出现的电极磨损及其定期更换，实际上对所实施的在线检验的结果并 没有影响。
按上面说明的两种表述的本发明设备的 一项有利的进一 步发展，将重要 的电极帽在其超声波导引特性方面设计为，使得一个在电极帽内传播的横向 偏振的超声波脉冲，基本上不转变为纵向偏振的超声波脉冲。这例如可以通 过电极帽适当的造型加以保证。以此方式可以达到一种特别高的测量精度。
尽管电阻焊时基本上仅发生逐点加热要焊接的导电薄板，然而至少在大 规模工业生产中使用这种机器时同样发生焊接电极的显著加热。这在市场上 可以买到的用于电阻焊的机器中，通过将焊接电极设计成空心并连续流过冷 却剂进行补偿。现在为了避免高温损坏按本发明采用的超声波发送传感器和 /或超声波接收传感器，按本发明设备的一项优选的进一步发展，将超声波发 送传感器和/或超声波接收传感器如此装在电极帽上，即，使超声波发送传感 器和/或超声波接收传感器同样用冷却剂冷却。尤其是可以将超声波发送传感 器和/或超声波接收传感器直接装入焊接电极内部流过冷却剂的空腔内，从而
例如由引言中已提及的EP0284177可知，超声波发送传感器和超声波 接收传感器在空心结构的焊接电极的电极帽上的一种特别有利的配置。在那 里公开的将超声波发送传感器和超声波接收传感器预紧地安装在流过冷却 剂的焊接电极内部，以及将超声波发送传感器和超声波接收传感器压紧在电 极帽平的内表面上，通过对照明确成为本申请的内容。
按本发明设备的另一项有利的进一步发展，设置用于产生超声波脉沖的 超声波发送传感器，所产生的超声波脉冲分别有一个横向偏振分量St和一 个纵向偏振分量Si。此外评估装置设置用于，彼此独立分辨地确定这一系列 超声波脉沖在焊点制造期间通过悍点时横向偏振分量ST的传送和纵向偏振 分量SL的渡越时间延迟。
反之，若针对脉沖系列横向偏振分量的反射，则评估装置优选地设置用于，彼此独立时间分辨地确定这一系列超声波脉沖横向偏振分量St在要桧 验的焊点上的反射和纵向偏振分量SL通过要检验的焊点时的渡越时间延迟。 在这种情况下有利的是，在那一个其中射入由超声波发送传感器产生的脉冲 系列的焊接电极上，安装用于检测反射的横向分量的第 一超声波接收传感 器，而在另一个焊接电极上安装第二超声波接收传感器，以便确定这一系列 超声波脉冲在其穿过要检验的焊点时纵向偏振分量的渡越时间延迟。
最后，按另一项进一步发展，第一超声波发送传感器装在第一焊接电极
上，它设置用于输出横向偏振的超声波脉冲("横向传感器Trans-Wandler")。 在第二焊接电极内安装一个超声波接收传感器，它设置用于接收从"横向传
感器"输出的横向偏振的超声波脉冲。以横向传感器和相关的接收传感器为 基础，实现上面说明的按本发明的设备以及实施上面说明的按本发明的方 法。现在附加地，在第二焊接电极上设第二超声波发送传感器，它设置用于 输出纵向偏振的超声波脉沖("纵向传感器Long-Wandler，，)。从纵向传感器 输出的纵向偏振的超声波脉沖，这时沿横向偏振的超声波脉沖运行方向的反 方向横穿处于制造中的焊点，以及到达横向传感器。纵向传感器的纵向偏振 的超声波脉沖在横向传感器中产生一个电信号，它只有小的振幅，因为横向 传感器不是最佳地将纵向偏振的超声波脉冲转换为电信号。但是基于纵向偏 振的超声波脉沖通过要检验的焊点时高的传送，横向(发送)传感器对于纵向 偏振的超声波脉沖的灵敏度仍然很高，所以足以能提供一个可评估的电信 号，用于确定纵向偏振的超声波脉沖在横穿焊点时的渡越时间延迟，例如用 于确定在构成的焊接熔核中的音速(的变化)。以此方式，可以用一个横向发 送传感器和一个纵向发送传感器以及仅一个横向接收传感器，同时确定通过
脉沖的渡越时间延迟。
由从属权利要求和下面借助附图详细说明的实施例，得出按本发明方法 以及按本发明设备的其他特征和优点。其中


图1表示按本发明用于检验层板之间借助电阻焊制造的焊点的第一种 设备的焊接电极剖面；
图2a至2d示意表示层板之间借助电阻焊制造焊点按时间顺序的过程；
图3表示一个曲线图，其中时间分辨地举例表示在实施按本发明的方法 时获得的不同测量值的变化曲线；
12图4表示一个曲线图，其中时间分辨地表示横向偏振的超声波脉沖通过
处于制造中的焊点传送的变化曲线；
图5a至5c表示使用不同焊接电流制造的三个不同焊点按图3的曲线图； 图6a至6c表示借助光学显微镜获得的通过图5a至5c所示焊接过程制
造的焊点的金相切片图7表示实验曲线图，它允许借助按本发明方法的超声波测量参数确定
焊接熔核的直径。
图1表示如何将两块层板3用制造焊点的机器借助电阻焊焊接。这种由 先有技术已知多种类型并因而在图1中没有详细表示的机器，有第一焊接电 极10和第二焊接电极20，它们分别有第一/第二电极杆12/22和可更换的第 一/第二电极帽14/24。电极杆12/22有例如圓柱形横截面并设计为空心杆。 可更换的电极帽14/24借助已知的方法固定在有关的电极杆12/22上，例如 借助圆锥面压配合。
焊接电极IO、 20至少其中之一可沿纵向运动，从而可以在电极帽14、 24之间导引由例如两块要制造焊点2的金属薄板3组成的堆叠。为构成焊点 2，第一焊接电极10和第二焊接电极20分别移向薄板3，直至在电极帽l4、 24与各自相邻的金属薄板3之间造成面接触。通过在焊接电极IO、 20上施 加焊接电流，金属薄板3在包含在压紧的电焊帽14、 24之间的区域内被电 力口热。
为避免焊接电极IO、 20受过量的热负荷，焊接电极10、 20借助流过各 自电极杆12、 22的冷却剂强烈冷却。在所示是示例中，冷却剂通过居中设 置的第一和第二冷却剂输送装置60、 "70输送。基于焊接电极10、 20的强烈 冷却以及通过要焊接的薄板3形成的电流路径的几何形状，薄板3在其与各 相邻薄板3的接触点区域内得到最大加热。当继续施加焊接电流时，所述的 加热导致熔化包括可能施加的表层在内的金属薄板3，并因而导致形成液态 焊接熔核90。
现在按本发明在第一焊接电极IO的第一电极帽14中安装一个超声波发 送传感器30，它设置用于输出一系列有横向偏振分量的超声波脉沖。为此， 有基本上圓柱形横截面的上部电极帽14有一个平的内表面l6。在此平的内 表面16上直接毗邻地安装超声波发送传感器30,它设置为，使得由超声波 发送传感器30产生的横向偏振的超声波脉冲，通过平的内表面16耦合在电极帽l4内。为了保证由超声波发送传感器30产生的超声波脉沖在电极帽14中良好地耦合，超声波发送传感器30借助压力弹簧32朝电极帽14预紧。在这里，压力弹簧32在后侧通过支承环34支承在第一焊接电极10的第一
如也可以借助粘结或钎焊固定在平的内表面16上。
超声波发送传感器30通过引线36与外部控制器80连接，它尤其设置用于产生为控制超声波发送传感器30所需要的控制信号(例如适用的高压脉沖)。
第二焊接电极20的第二电极帽24按类似的方式设计，在其平的内表面26上直接毗邻地安装超声波接收传感器40。超声波接收传感器40仍借助压力弹簧42朝平的内表面26预紧，以及压力弹簧32通过支承环44支承在第二电极杆22上。超声波接收传感器40通过测量线46与外部控制器80连接。
在图示的结构配置中，由超声波发送传感器30以短的系列产生的超声波脉沖通过平的内表面16进入第一电极帽14中，耦合在要焊接的在上面的薄板内，转入要焊接的在下面的薄板3内，在此过程中它横穿在其中构成焊点2的区域，尤其是形成的焊接熔核90,从下部的薄板3输出耦合到下部电极帽24内，以及通过平的内表面26进入超声波接收传感器40。
评估装置50是外部控制器80的組成部分，它设置用于，时间分辨地确定在焊点2制造期间这一系列由超声波发送传感器产生的超声波脉冲横向偏振分量通过薄板3之间的焊点2传送的变化。
按第一种设计，超声波发送传感器30设置用于以高脉沖系列频率产生基本上只横向偏振的超声波脉沖。
但也可以按另一种设计，将超声波发送传感器30设计为，由它以高脉冲系列频率产生的超声波脉沖，不仅有横向偏振分量而且有纵向偏振分量。尤其在后一种情况下，不专门设置超声波接收传感器40,可以借助评估装置50确定超声波脉冲横向偏振分量的传送。这例如可以这样达到超声波脉沖足够短以及评估装置50以非常高的时间分辨率探测由超声波接收传感器40接收的超声波信号。当横穿处于制造中的焊点2时，基于纵向和横向偏振分量不同的音速，因而发生超声波脉冲在时间上分离为横向分量和纵向分量。典型地，横向偏振声波的音速较低，所以不仅有纵向而且有橫向分量的超声波脉沖的横向偏振分量，比纵向偏振分量始终要晚一些抵达接收传感器40。在脉冲足够短的情况下，因为评估装置50有足够的时间分辨率，所以允许
彼此独立检测和评估处于制造中的焊点2对于横向偏振和纵向偏振超声波脉
冲的传送特性或反射特性。
图序2a至2d表示在两层金属薄板之间借助电阻焊制造焊点2时进行的那些过程的模型。为了看得更加清楚，没有表示在这里使用的电焊机的焊接电极。确切地说，只表示了一个在构成焊点2的区域内两块金属薄板3的剖面。
图2a表示两块上下平放的镀锌钢板3,它们应借助焊点2互相连接。每块薄板3有板芯4,在图示的实施例中由恰当的汽车车身用薄钢板组成。此外每块薄板3两面施加有例如锌组成的防锈表层5。在图示的实施例中要焊接的层板3涉及车身制造用的热浸镀锌钢板。在焊接过程开始前，要互相焊接的钢板3上下平靠，从而在彼此相邻、在这里由锌组成的表层5之间构成导电接触。
现在图2b示意表示要焊接的薄板3的那个区域，亦即当焊接电流施加到安置在上侧和下侧的焊接电极10、 20上时在这里构成焊点2的区域。施加大的焊接电流(约l-10kA)，导致薄板3剧烈地局部加热，这种加热基本上限于在其间安置的焊接电极10、 20所包含的空间范围内。最强烈的加热发生在要焊接的薄板3之间的接触区内，因为要焊接的薄板3处于这之外的区域，通过与冷却的焊接电极10 、 20的机械接触自动有效地冷却。
在这里所表示的焊接汽车车身结构的热浸镀锌钢板的实施例中，由锌组成的表层5的材料,有比由汽车车身用钢組成的板芯4的材料低得多的熔点。锌的熔点在数量级470。C，而所使用的汽车车身用钢熔点超过1"0。C。因此要焊接的钢板3剧烈的局部加热，首先导致表层5局部熔化并生成由图2b可以看出的锌焊接熔核6。
因为使用的电焊机的焊接电极10、 20在焊接过程的整个持续时间保持以较高的压紧力安置在要焊接的薄板3上，所以在液态的锌焊接熔核6上施加大的机械压力，其最终结果是将熔化的锌从构成焊点2的区域挤出。图2c表示了这一情况，其中表示了反映借助电阻焊制成的焊点(也针对锌粘合剂)特征的在制成的焊点2区域内上侧和下侧的压入。
若继续保持焊接电流，则上下平放的薄板3包含在焊接电极10、 20之间的材料被连续地进一步加热，直至从现在起上下直接贴靠的板芯4局部达到其焊点。若超过熔点，则在薄板3之间的接触区内板芯4的材料局部熔化，
也就是说，形成一个液态的钢焊接熔核7，在保持焊接电流时它的尺寸连续增大。当钢焊接熔核7的直径实际上达到焊接电极10、 20与要焊接的薄板3的接触面尺寸时，实现了一种最佳的焊接过程。当钢焊接熔核7达到所述的最佳尺寸时，切断施加的电流，从而导致包含在焊接电极10、 20之间的薄板3迅速冷却。液态的钢焊接熔核7凝固并构成一种通常与板芯4结构不同的材料结构。由图2d可以看到这种在最佳工艺控制的情况下制成的焊点2。固化的钢焊接熔核7实际上与两块要焊接的薄板3不可分地连接。
图3表示不同的超声波信号的变化曲线，它们是在借助按本发明的方法在两块上下平放的汽车车身用热浸镀锌薄钢板3之间按图序2a至2d制造焊点时获得的。X轴表示时间，其中表示的时间间隔为0.8秒。焊接电流典型地在0.2秒的持续时间内保持不变，此时借助调节器例如当电压在0与2V之间时通过调整输出电压调整为恒定的电流约10kA。
构成的焊点2在其制造期间用一系列短的高重复率的超声波脉沖连续照射。在这里使用的超声波发送传感器30设计用于，产生脉冲系列频率在数量级为1至2千赫的超声波脉冲。在这里典型的声频处于0.1至10兆赫的范围内。所表示的例子中当要焊接的镀锌钢板的总厚度为约0.7mm时，实际声频为2MHz。总之，按传送几何结构，频率范围从1至5MHz是特别优选的。
表示在最下面并用C指示的曲线表示施加在焊接电极10、 20上的焊接电压随时间的变化过程。可以清楚看出，在时刻O施加焊接电流和在时刻0.2秒时切断焊接电流。
在中间用B指示的曲线，时间分辨地表示由超声波发送传感器30输出的脉沖系列橫向偏振的分量传送波幅的变化过程。在这里，通过超声波接收传感器40和连接在下游的评估装置50以相应的时间分辨率工作，使横向偏振分量与由超声波发送传感器30同时产生的纵向偏振分量分开。基于上面已提及的事实，即，横向偏振和纵向偏振的超声波音速不同，所以当横穿处于制造中的焊点2时，发生纵向偏振与横向偏振的脉冲分量在时间上(以及也在空间上)的分离。因为横向偏振超声波的音速低于纵向偏振超声波的音速，所以首先到达超声波接收传感器40的脉沖是由超声波发送传感器30输出的超声波脉冲的纵向偏振分量，而随后到达的脉沖是其横向偏振分量。基
16于两个脉沖分量在时间上分开到达，所以这两个脉冲分量有可能独立评估。
更为简单的是，在说明书引言中概略地叙述的装置中分离横向和纵向偏 振的超声波脉冲，这一装置包括装在不同的焊接电极内的横向和纵向发送传 感器以及包括一个横向接收传感器，因为不同偏振的超声波脉冲在这里沿不 同的运行方向传播并由不同的接收传感器接收。因此由两个分开的接收传感 器提供电信号，它们可以分别供给评估装置。
横向偏振脉冲分量的传送具有只是在构成一个最佳焊点2时才有所表
征的变化过程。由图3用B指示的曲线可看出这一变化过程。在施加焊接电 压前，所述的传送有一个基本上恒定的比较低的值，因为在上下平放的薄板 3之间的机械接触，并不意味着第一块薄板3与第二块薄板的最佳耦合。随 着上下平放的薄板3在构成焊点2的区域内开始加热，出现薄板3紧密的机 械连接，这种机械连接伴随着薄板3彼此间声耦合的明显改善，因而导致传 送显著增加。
然而若锌层5开始熔化，则严重千扰通过处于制造中的焊点的(横向)传 送，因为横向偏振的超声波不能在液态的锌焊接熔核6内传播。因此随着锌 焊接熔核直径的逐渐增大，戏剧性地减小横向偏振脉冲分量的传送。
然而若构成的液态锌焊接熔核6的直径处于焊接电极10、 20与要焊接 的薄板3接触面尺寸的数量级，则由电极10 、 20施加到薄板上的压力导致 将液态的锌材料从构成焊点2的区域挤出，其结果是导致薄板3变形和使薄 板3钢的板芯4发生接触。与此同时，重新剧烈增加横向偏振的脉冲分量通 过处于制造中的焊点2的传送。
若继续保持焊接电流，则薄板3在构成焊点2的区域内的连续加热，导 致在要焊接的薄板3之间的接触区内生成液态的钢焊接熔核7。所形成的液 态的钢焊接熔核7起初有比焊接电极10、 20与要焊接的薄板3的接触面小 的横截面积，所以只发生横向偏振的超声波某种程度的超声波传送减弱。然 而所述通过焊点2的传送随着液态钢焊接熔核7的增大连续地减小，并在一 旦钢焊接熔核7的尺寸处于焊接电极10、 20与要焊接的薄板3的接触面尺 寸的范围内时便达到一个最低值。现在只要钢焊接熔核7是液态，横向偏振 的超声波的传送保持为在O的范围内。在大约0.2秒时切断焊接电流后，发 生液态钢焊接熔核7的再结晶，这伴随着显著增加横向偏振的超声波通过这 时已完全构成的焊点2的传送。基于按规定构成的与要连接的薄板3板芯4的材料结构实际上不可分的钢焊接熔核7,所以与原始的水平相比，现在显 著强化了两块要连接的薄板的超声波耦合。
明显在切断焊接电流后发生的横向偏振的超声波通过焊点2的超声波 传送表现得不太明显的第三个最小值，与在固化的钢焊接熔核7中的再结晶 效应相关。
最后，图3的曲线图用A指示的曲线表示纵向偏振的超声波脉冲通过 处于制造中的焊点2时发生的渡越时间延迟。在这里也可以在曲线变化过程 中，识别锌焊接熔核6的生成、熔化的锌材料从要连接的薄板3之间的接触 区挤出、以及接着构成液态的钢焊接熔核7和随后的再结晶。在接通焊接电 流后，纵向偏振脉沖分量在通过处于制造中的焊点2时渡越时间的显著上升， 是由于在要连接的薄板3之间生成液态的锌焊接熔核6引起的，因为在液态 锌中音速明显减小。
若液态锌从薄板3之间的接触区挤出，则短时减少渡越时间延迟，因为 要通过的液态锌层的厚度减小(在图示的曲线图中出现的渡越时间延迟的干 扰也有可能是由测量信号的噪声造成的)。
然而若液态的锌焊接熔核6绝大部分从接触区挤出，则渡越时间延迟基 于在钢板芯4内的热膨胀效应而重新增加。若板芯4充分加热，则开始形成 液态的钢焊接熔核7,这再次与音速显著减小并因而明显增加渡越时间延迟 相关联。与所形成的液态钢焊接熔核7尺寸增大同时进行的是，渡越时间延 迟也连续上升，它在到达最大的钢悍接熔核直径时达到其最大值。
在渡越时间延迟中出现的拐点(亦即斜度的改变)与钢芯的熔化有直接 的关系。"音速改变/温度改变"系数对于固相和液相有明显的差别，其中在 液相内音速随温度的变化与在固相内相比明显较弱。
在切断焊接电流后液态的钢焊接熔核7再结晶，此时，在冷却过程中可 以发生相变，这同样会影响纵向偏振的超声波在凝固的钢焊接熔核7中的音 速。音速基于热效应同时发生改变。若钢焊接熔核7的凝固、再结晶效应以 及钢焊接熔核的冷却基本上结束，则通过构成的焊点2的渡越时间延迟停留 在一个相对于原始位置略高的水平上，这主要由于在凝固的钢焊接熔核中材 料结构相对板芯4固体的原始材料的发生改变引起。
现在图4再次表示图3中用B指示的曲线变化过程，亦即横向偏振的 超声波通过构成的焊点2的传送随时间的变化曲线，不过这一次以另一个(同样按规定构成的)焊点2为例。在这里仍可见到已借助图3中曲线图的曲线B 已讨论的顺序，从传送增大的加热阶段、与形成液态的锌焊接熔核6相关的 第一个最小值、与形成液态的钢焊接熔核7相关的第二个最小值、以及与液 态的钢焊接熔核7凝固时的再结晶效应相关的第三个最小值。在图4中示意 表示第一最小值的宽度(亦即在这里是持续时间)B,以及第二最小值的宽度
的变化曲线，可以用测量技术确定尺寸B和C，并利用它们来表征制成的焊 点2。
类似于图3中针对在相同的钢板3之间通过施加不同的焊接电流造成的 三种不同焊点2的讨论，图5a、 5b、 5c顺序举例表示测量结果。图5a表示 在通过构成的焊点2时，纵向偏振脉冲分量渡越时间延迟和一黄向偏振脉冲分 量传送的变化曲线，其中，在这里在0.2秒的持续时间内施加10kA的大焊 接电流。图5b表示焊接电流为8kA时同样的测量参数变化曲线，最后，图 5c表示同样的测量参数随时间的变化曲线，但针对的情况是，在0.2秒的持 续时间内施加7 kA的焊接电流。
图5a清楚表示在传送中短持续时间B出现的第一最小值以及长持续时 间B出现的第二个最小值。将第二最小值的持续时间C与第一最小值的持 续时间B相比，在这里得到C除以B的值为9。
反之，若焊接电流量仅为8kA，则如图5b所示，得到明显增长持续时 间B的第一最小值，而第二最小值表现得不那么突出以及有较短的持续时间 C。在这里产生的C与B之比现在只有1.86。
最后若焊接电流量仅为7kA,则只还发生长持续时间B的单个最小值。 人们看出随着生成一个锌焊接熔核在这里出现一个最小值，所以C与B之 比的值为0。
图6a至6c表示由焊点2制作的金相切片的光学显微镜照片，这些焊点 2是在由图5a至5c所示的焊接过程中制成的。所有的光学显微镜照片有同 一个尺寸比例。要焊接的薄板3的总厚度分别约0.7mm。借助这些金相切片 可以借助预定的准则为制成的焊点分级。经常使用的准则涉及要焊接的金属 薄板的厚度t。 一个焊点分为"良好"级，则对于其焊接熔核直径d适用
"良好，，d大于/等于4xVI
反之，焊点分为"差"级，则适用
19"差"d小于4x^
分为"良好，，级的焊点有高几率具有足够的机械负荷能力。反之，分为 "差，，级的焊点则有高几率有不够的机械负荷能力。
图6a的照片表示一个非常良好的钢焊接熔核7，它与要互相连接的薄 板3的材料紧密地连接，以及有一个直径约5.3mm。钢焊接熔核的视觉印象 与钢板的视觉印象不一样，因为凝固的钢焊接熔核7的材料结构与在薄板3 无干扰的板芯4内的材料结构不同。
钢焊接熔核7的边缘区显示出不仅与周围板芯4无干扰的材料而且与钢 焊接熔核7内部相比略有不同的组织，因为在这个"热影响区"内又存在另 一种材料结构。在热影响区内基于热作用已经开始形成有不同晶体结构的晶 粒，材料在这里并未熔化。这些晶粒在恰当的试样制备和足够放大的情况下 往往可以直接通过目纟见看到。
图6a中表示的焊点2结构最佳以及基于其尺寸分为"良好，，级。
图6b表示通过按图5b的焊接过程制成的焊点2。经仔细观察，人们可 以看出，在显得暗黑的粗粒组织的热影响区内部，有一个显得再略暗的有不 同组织的区域(它为了清楚被进一步光学放大)。最里面的区域是只有较小直 径的钢焊接熔核，它与要连接的薄板3的板芯4材料紧密连接。然而在这种 焊接过程中制成的焊接熔核直径只有约1.5mm。
除此之外围绕焊接熔核存在的膨胀的热影响区，并不是板芯4的材料为 了构成一个共同的钢焊接熔核7在其中曾熔化的区域。确切地说，在这里不 同的视觉印象仅仅源于再结晶过程，这是板芯4加热时在钢板3的结构中发 生的。
此外，仔细观察下还可看出，在小量膨胀的中央钢焊接熔核7外部，在 热影响区内在薄板3之间存在一个视觉上可见的分离。在这里，在薄板3之 间的机械连接只通过互相熔化的锌层5形成。
基于构成的钢焊接熔核7小的尺寸，所以这里制成的焊点2应分为"差"
级，
图6c表示通过按图5c的工艺控制的情况下制成的焊点2的切片。可以 明显看出，沿变色的热影响区的整个宽度在两块薄板3之间延伸有一个看起 来暗黑的间隔。在这里显然没有发生板芯4材料的紧密连接。当然在这里发 生了锌层5的熔化，构成一个锌焊接熔核，它使薄板3实现一种弱的机械连接(也就是说在这里可能存在"锌粘合剂")。
基于已经无穷小的焊接熔核直径d(dK))，所以这种焊点分为"差"级。
图7表示，可找到的一种在获得的焊接熔核直径D与比值C/B(第二最 小值的持续时间与第一最小值持续时间之比)之间适用于为制成的焊点2分 级的可重现的关系。若借助按本发明的方法确定参数B和C，则可以针对所 给的材料和设备参数，借助比值C/B对一个用电阻焊制成的焊点2分级。若 按本发明的方法和/或按本发明的设备例如在大批生产汽车车身时使用， 一种 挑选过程可以基于确定参数C和B在线评价借助电阻焊制成的焊点，它们 的比值可以与实验确定的有足够的机械负荷能力的焊点的值进行比较。若此 比值C/B低于最小值，则被检验的焊点是有缺陷的，若比值C/B高于最小值， 则被检验的焊点是符合要求的。在图示的实施例中，其中互相焊接总厚度为 0.7mm的镀锌钢板，C/B的临界值涉及上述准则
"良好"d大于/等于4x^
时约为6，也就是说，焊点可以表征如下
"良好，，(C/B)大于/等于6 "差"(C/B)小于权利要求
1. 一种借助超声波在线检验两块层板(3)之间借助电阻焊制造的焊点(2)的方法，有下列工艺步骤a. 产生一系列有横向偏振分量的超声波脉冲，b. 在制造焊点(2)期间用这一系列超声波脉冲照射要检验的、借助电阻焊制造的焊点(2)，c. 当超声波脉冲穿过焊点(2)后接收这一系列超声波脉冲，其特征为，d. 时间分辨地检测在制造要检验的焊点(2)期间这一系列超声波脉冲横向偏振分量传送的变化。
1.
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征为，对时间分辨地检测到的这 一系列超声波脉沖横向偏振分量传送的变化作如下分析，即是否在传送时出 现第一和第二干扰。
3. 按照权利要求2所述的方法，其特征为，若出现第二干扰，确定第 二干扰的持续时间(C)。
4. 按照权利要求1所述的方法，其特征为，a. 所产生的超声波脉冲还有纵向偏振分量，以及b. 时间分辨地检测在制造要检验的焊点(2)期间这一系列超声波脉沖纵向偏振分量渡越时间延迟的变化。
5. 按照权利要求1或4所述的方法，其特征为，a. 制造要检验的焊点(2)通过在时刻To施加焊接电流开始，以及通过在时刻TE切断焊接电流结束，以及b. 检测这一系列超声波脉沖的横向偏振分量和/或这一系列超声波脉沖 的纵向偏振分量传送的变化，该检测在时刻To前就开始并延续到时刻Te之 后。的方法，有下列工艺步骤a. 产生一系列有横向偏振分量的超声波脉沖，b. 在制造焊点(2)期间将这一系列超声波脉沖在要检验的、借助电阻焊 制造的焊点(2)上反射，C.当超声波脉沖在焊点(2)上反射后接收这一系列超声波脉冲， 其特征为；d.时间分辨地检测在制造要检验的焊点(2)期间这一系列超声波脉冲横 向偏振分量反射的变化。
6.
7. —种在线检验两块层板(3)之间借助电阻焊制造的焊点(2)的设备，包括a. 第一焊接电极(IO),它有第一电极杆(12)和可更换的第一电极帽(14),b. 第二焊接电极(20)，它有第二电极杆(22)和可更换的第二电极帽(24)，c. 一个超声波发送传感器(30)，它设置用于输出一系列有横向偏振分量 的超声波脉沖，以及一个超声波接收传感器(40),它设置用于接收由超声波 发送传感器(30)输出的这一系列超声波脉冲，其中，将超声波发送传感器(30) 和超声波接收传感器(40)设计为，使一个由超声波发送传感器(30)输出的超 声波脉沖，可经第一焊接电极(IO)，穿过在层板(3)之间制造的焊点(2),经第 二焊接电极(20)到达超声波接收传感器(40)，并可由它接收，d. —个与超声波接收传感器(40)连接的评估装置(50)， 其特征为e. 所述评估装置(50)设置用于，时间分辨地检测在制造焊点(2)期间这一 系列由超声波发送传感器(30)产生的超声波脉沖横向偏振分量通过焊点(2) 传送发生的变化。
8. 按照权利要求7所述的设备(1),其特征为，所述电极帽(14、 24)在其 超声波导引特性方面设计为，使在电极帽(l4、 24)内传播的横向偏振的超声 波脉沖基本上不转换为一种纵向偏振的超声波脉冲。
9. 按照权利要求7所述的设备(1)，其特征为，由超声波发送传感器(30) 产生的超声波脉冲直接耦合在第一电极帽(14)内。
10. 按照权利要求9所述的设备(l),其特征为，a. 第一电极帽(14)有一个平的内表面(16)，以及b. 超声波发送传感器(30)为了将产生的超声波脉冲耦合在第 一电极帽 (14)内而直接装在所述平的内表面(16)上。
11. 按照权利要求IO所述的设备(I)，其特征为，a. 第一焊接电极(10)设计有一个可流过冷却剂的空腔(18、 28)，以及b. 超声波发送传感器(30)装在此空腔(18)内被冷却剂绕流。
12. 按照权利要求7所述的设备(1)，其特征为，向偏l展分量ST和一个纵向偏4展分量SL,以及b.所述评估装置(50)设置用于，彼此独立地并时间分辨地确定这一系列超声波脉沖的横向偏振分量ST的传送和纵向偏振分量Sl的渡越时间延迟。
13. 按照权利要求9所述的设备(1)，其特征为，穿过制造的焊点(2)的超 声波脉冲直接从与第 一 电极帽(14)对置的第二电极帽(24)输出耦合，由超声 波发送传感器(30)产生的超声波脉冲耦合在第 一电极帽(14)内。
14. 一种在线冲企验两块层板(3)之间借助电阻焊制造的焊点(2)的设备，包括a. 第一焊接电极(IO)，它有第一电极杆(12)和可更换的第一电极帽(14)，b. 第二焊接电极(20)，c. 一个超声波发送传感器(30)，它设置用于输出一系列有横向偏振分量 的超声波脉沖，以及一个超声波接收传感器(40)，它设置用于接收由超声波 发送传感器(30)输出的这一系列超声波脉冲，其中，将超声波发送传感器(30) 和超声波接收传感器(40)设计为，使一个由超声波发送传感器(30)输出的超 声波脉冲，可经第一焊接电极(10)到达在层板("之间制造的焊点(2),并可以 在焊点(2)上至少部分反射，以及接着经第一焊接电极(10)到达超声波接收传 感器(40)，并可由它接收，d. 一个与超声波发送传感器(30)及超声波接收传感器(恥)连接的评估装置(50),其特征为e. 所述评估装置(50)设置用于，时间分辨地确定在制造焊点(2)期间这一
全文摘要
本申请的技术主题是一种借助超声波在线检验两块层板3之间借助电阻焊制造的焊点2的方法。此方法包括下列工艺步骤a)产生一系列有横向偏振分量的超声波脉冲，b)在制造焊点2期间用这一系列超声波脉冲照射要检验的借助电阻焊制造的焊点2，以及c)当超声波脉冲穿过焊点2后接收这一系列超声波脉冲。此外本申请还涉及一种适用于实施按本发明方法的设备。
文档编号B23K31/12GK101523202SQ200680056105
公开日2009年9月2日 申请日期2006年8月14日 优先权日2006年8月14日
发明者沃纳·罗耶 申请人:Ge检查技术有限公司