2d- und 3d-rekonstruktion von punktschweißverbindungen ... · seminar des fa ultraschallprüfung...
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Seminar des FA Ultraschallprüfung 2019
1 Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de
2D- und 3D-Rekonstruktion von
Punktschweißverbindungen mittels TFM
Frank SCHUBERT 1, Raffael HIPP 1 1 Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden
Maria-Reiche-Straße 2, 01109 Dresden
Kontakt E-Mail: [email protected]
Kurzfassung
Die bildgebende Ultraschall-Prüfung von Punktschweißverbindungen im industriellen
Maßstab erfolgt heute überwiegend mittels C-Bild-Darstellung auf Basis von Matrix-
Prüfköpfen ohne Phased-Array-Funktionalität. Dabei wird die laterale Bildauflösung durch
die Größe der Einzelelemente limitiert. Phased Array-Systeme mit TFM-Bildgebung bieten
prinzipiell die Möglichkeit, die Bildauflösung zu erhöhen und eine zuverlässigere i.O./n.i.O.-
Klassifizierung der Schweißpunkte bis hin zur vollständigen 3D-Rekonstruktion
vorzunehmen. Dabei sind allerdings einige Besonderheiten zu beachten, wie z.B. die relativ
große Ausdehnung der Einzelelemente, die geringe Anzahl der Elemente in x/y-Richtung
sowie der störende Einfluss des Elektrodeneindrucks. Im vorliegenden Beitrag wird die
Wellenausbreitung bei der Prüfung von Zweiblechverbindungen im Detail untersucht und
daraus Schlussfolgerungen für die TFM-Bildgebung abgeleitet. Es werden TFM-Ergebnisse
an verschiedenen Schweißpunkten vorgestellt und mit hochauflösenden Referenzmessungen
am Ultraschallmikroskop verglichen.
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© Fraunhofer
2D- UND 3D-REKONSTRUKTION VON PUNKTSCHWEIßVERBINDUNGEN MITTELS TFM
Dr. Frank Schubert, Raffael Hipp, Dr. Chong Wang*
FA-US, Berlin, 04.11.2019
* Now with Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Punktschweißungen – Zerstörende Prüfung Referenz-Messungen im Ultraschall-Mikroskop Matrix-C-Bildgebung mit Handprüfgeräten Grundlagen der Wellenausbreitung bei der TFM-Prüfung TFM-Algorithmen und Messergebnisse Zusammenfassung und Ausblick
Übersicht
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Resistance SpotWeldings
FA-US, Berlin, 04.11.2019
Courtesy TU Dresden, Institut für Fertigungstechnik
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Quality of Spot Weldings
Results of Chisel Test
Weldbond dp,min > dp,real
3,53,7
2,2
1,0
dp,ist = 1,6 mm dp,ist = 3,6 mm
Minimum diameter of detachment: dp,min = 3,5 0,65 = 2,8 mm
Bad Welding Bad Welding Good Welding
dp,min < dp,real
Courtesy TU DresdenInstitut für Fertigungstechnik
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Referenzmessungen mit dem Ultraschallmikroskop (auch als Alternative zur zerstörenden Prüfung)
Puls-Echo-Testing with scanning unit Coupling medium: Water (Immersion Testing) Scanner moveable in three axes (x, y, z) Point by point scanning of specimen across x/y plane Pulse-echo measurement for each scan point Testing frequencies: 10 – 400 MHz (here: 20 MHz)
FA-US, Berlin, 04.11.2019
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Surface Echo
Secondary EchoNuggetAir Gap
Sheets
Surface Echo
Backwall Echo
Transducer
Interface Echo
Void
A-Scan B-Scan C-Scan
Referenzmessungen mit dem Ultraschallmikroskop
FA-US, Berlin, 04.11.2019
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Bad Spot Welding Good Spot Welding
No joining(„Sheet on sheet“)
Weldbond Spot Welding
A-Scan
B-Scan
Referenzmessungen mit dem Ultraschallmikroskop
FA-US, Berlin, 04.11.2019
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Referenzmessungen mit dem Ultraschallmikroskop
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Matrix-C-Scan Ultrasonic Testing of Spot Weldings
Mobile UT System (RSWA, Tessonics Inc., Kanada)
UT System:
Handheld Probe Scan Area:
10 x 10 mm2
Center Frequency: 15 MHz
Coupling agent: UT Gel
Transducer:
8 x 8 - Matrix of piezoelectric elements Size of elements: 1,25 x 1,25 mm2
All corners reduced by three elements (∑52 Elemente) Each element works separately in Pulse-Echo-Mode
(no Phased Array) Stiff delay line
FA-US, Berlin, 04.11.2019
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
𝑑𝐿Multiple measurements at one and the same welding point:
green good welding, red bad welding
Assessment of spot based on nugget diameter 𝑑𝐿 𝑑𝐿 ≥ ,, with 𝑡 = 0,65 mm for good welding: 𝑑𝐿 ≥ 2,45 mm
Matrix-C-Scan Ultrasonic Testing of Spot Weldings
Mobile UT System (RSWA, Tessonics Inc., Kanada)
Verbesserung der Bildgebung durch TFM?
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Grundlagen der Wellenausbreitung bei der TFM-Prüfung
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
Numerisches Modell (2-D)
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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 1
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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
A-Bild (1,1)-Beitrag
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 2
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
Vergleich A-Bilder (1,1) + (2,2)
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 3
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
A-Bild (3,3)-Beitrag
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 6
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck
B-Bild (i,i)-Beiträge
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
Numerisches Modell (2-D)
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 3
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
B-Bild (i,i)-Beiträge
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
B-Bild (3,j)-Beiträge
8
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
Numerisches Modell (2-D)mit Rexolite-Keil und Koppelgel
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 3
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Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
Wellenausbreitung Element 4
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Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
A-Bild (4,4)-Beitrag
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Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
B-Bild (i,i)-Beiträge
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck
B-Bild (3,j)-Beiträge
5.6
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
Sound path in spot welding
𝑎Wedge𝑊1
2
3
P
𝐶 Coupling
Nugget
First step: TFM reconstruction of surface topography
FA-US, Berlin, 04.11.2019
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
3. Enhanced TFM with 3D direcivity function
31 30 29 28 27 26 2532
23 22 21 20 19 18 1724
47 46 45 44 43 42 4148
39 38 37 36 35 34 3340
15 14 13 12 11 10 916
55 54 53 52 51 50 495663 62 61 60 59 58 5764
7 6 5 4 3 2 18
Full echoes when element 36 transmits(deeper color with larger echoes)
Elements
Coefficients
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
FA-US, Berlin, 04.11.2019‘
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
TFM images for spot welding cross section :
Conventional TFM-AlgorithmEnhanced TFM-Algorithmus
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
(1) C3-6 10mm
10mm
SAM, 500*500 PixelsTFM
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
(2) C3-9
10mm
10mm
TFMSAM, 500*500 Pixels Integrated C scan
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
(3) H5-3
9 mm
9 mm
SAM, 450*450 Pixels TFM
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
(4) H5-6
9 mm
9 mm
SAM, 450*450 Pixels TFM
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
(5) H3-8
9 mm
9 mm
SAM, 450*450 Pixels TFM
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
(6) H3-11
9 mm
9 mm
SAM, 450*450 Pixels TFM Integrated C scan
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
H5-3C3-6
Surface indentation
Interface
Bottom
Polished surface
Cavity
Bottom
Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung
© Fraunhofer FA-US, Berlin, 04.11.2019
Zusammenfassung und Ausblick
Widerstandspunktschweißungen werden heute stichprobenartig mit bildgebenden Handprüfsystemen geprüft.
Die Auflösung dieser Matrix-C-Bild-Systeme ist durch Größe der Einzelelemente (ca. 1 mm) beschränkt.
TFM-Bildgebung soll bessere Bildauflösung bei gleichen Matrixdimensionen liefern, System ist aber für PA-Bildgebung suboptimal (wenige große Elemente mit größerem Abstand zueinander).
Konventionelle TFM-Algorithmen müssen daher angepasst und optimiert werden.
Unter Einbeziehung der Oberflächentopografie gelingt es, qualitativhochwertige 2D-TFM-Bilder der Fügeebene zu rekonstruieren, die bzgl. Bildqualität und Aussagekraft den Referenzmessungen im US-Mikroskopnahe kommen.
Auch 3D-Rekonstruktionen sind möglich und insbesondere für komplexeSchweißpunkte hilfreich. Allerdings kann die Forderung nach Messzeitenunter fünf Sekunden derzeit nur mit 2D-TFM realisiert werden.