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. More info about this article: http://www.ndt.net/?id=24810

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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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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

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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

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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

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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

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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

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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?

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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

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck

Wellenausbreitung Element 2

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck

Vergleich A-Bilder (1,1) + (2,2)

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck

Wellenausbreitung Element 3

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck

A-Bild (3,3)-Beitrag

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck

Wellenausbreitung Element 6

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker ohne Zangeneindruck

B-Bild (i,i)-Beiträge

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck

Numerisches Modell (2-D)

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck

Wellenausbreitung Element 3

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck

B-Bild (i,i)-Beiträge

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Fluid-Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck

B-Bild (3,j)-Beiträge

8

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Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck

Numerisches Modell (2-D)mit Rexolite-Keil und Koppelgel

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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

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Fester Vorlauf, Punktschweißung mit Lunker und Zangeneindruck

B-Bild (3,j)-Beiträge

5.6

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Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

Sound path in spot welding

𝑎Wedge𝑊1

2

3

P

𝐶 Coupling

Nugget

First step: TFM reconstruction of surface topography

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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‘

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TFM images for spot welding cross section :

Conventional TFM-AlgorithmEnhanced TFM-Algorithmus

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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(1) C3-6 10mm

10mm

SAM, 500*500 PixelsTFM

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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(2) C3-9

10mm

10mm

TFMSAM, 500*500 Pixels Integrated C scan

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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(3) H5-3

9 mm

9 mm

SAM, 450*450 Pixels TFM

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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(4) H5-6

9 mm

9 mm

SAM, 450*450 Pixels TFM

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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(5) H3-8

9 mm

9 mm

SAM, 450*450 Pixels TFM

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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(6) H3-11

9 mm

9 mm

SAM, 450*450 Pixels TFM Integrated C scan

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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H5-3C3-6

Surface indentation

Interface

Bottom

Polished surface

Cavity

Bottom

Experimentelle Messungen und TFM-Bildgebung

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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.