Bildgebende In-Prozess-Analyse beim Laserschweißen zur Bewertung der Prozessstabilität und Nahtqualität

Autor(en):

M. Sc. Ralf-Kilian Zäh - ZeMA – Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH
Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel - Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2016 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

Kurzfassung

Zur Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit verfolgen produzierende Unternehmen das Ziel, robuste Prozessparametereinstellungen für eine qualitätsgerechte Fertigung zu erarbeiten. Es werden möglichst weite Bearbeitungsparameterfenster angestrebt, die trotz auftretender geringfügiger Schwankungen die geforderte Erzeugnisqualität garantieren. Beim Laserschweißen gilt dies einerseits für die korrekte und bahngenaue Führung des Laserstrahls auf dem Werkstück. Andererseits ist es notwendig, die Ausbildung der Schweißnaht innerhalb gewünschter und erlaubter Grenzen zu halten. Daher wird die Nahtqualität durch aufwendige Post-Processing-Maßnahmen über Ultraschalllösungen oder durch Online-Monitoring-Systeme anhand der Leuchtemissionen bestimmt.

Das Projektvorhaben beschäftigt sich mit der bildgebenden Bewertung des Laserschweißprozesses. Anhand der geometrischen Daten der Schmelze und der Dampfkapillare kann auf die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung rückgeschlossen werden. Ziel der Forschungsgruppe ist die Erfassung und Analyse der optischen Bilddaten von Laserschweißprozessen. Mit diesen kann die eindeutige Zuordnung zwischen Prozessparameter, -signalen und Schweißergebnis hergestellt werden.

Einleitung

Infolge der Automatisierung sowie der Forderungen nach einer erhöhten Produktivität, einer Verringerung der Eingriffe durch Bedienpersonal und Verbesserung der allgemeinen Arbeitssicherheit spielen Steuerungssysteme für Maschinen und Betriebsanlagen eine immer bedeutendere Rolle. Um den technischen Vorsprung zu halten und erweitern zu können, müssen bei der Entwicklung neuer Produkte die derzeitigen Standards kontrolliert und befolgt werden, sodass die Qualität gehalten bzw. erhöht wird. Mithilfe der gesteigerten Prozessqualität kann der Wettbewerb zwischen Kunden untereinander erhöht werden, da einerseits die Kosteneffizienz verbessert, also Ausschuss minimiert, wird und andererseits sich die Qualität der Produkte erhöht.

Auch im Bereich der Datenverarbeitung hält das Wachstum der Leistung von elektronischen Datenverarbeitungssystemen an. Dies ermöglicht die Aufnahme und Bewertung von optischen Daten bei schnell ablaufenden Prozessen sowie eine Reaktion der Steuerung innerhalb weniger Millisekunden.

Grundlagen und Aufbau

Das Laserschweißen wird in Wärmeleit- und Tiefschweißen unterteilt. Die Unterscheidung wird dabei durch das Verhältnis Nahttiefe t zu Nahtbreite b, das sog. Aspektverhältnis t/b, definiert. Ein großes Aspektverhältnis geht mit der Ausbildung einer Dampfkapillare einher. Aufgrund der hohen Intensität verdampft das Material im Fokuspunkt und verdrängt die Schmelze im Wechselwirkungsbereich. Die Vielfalt der beteiligten Prozesseinwirkungen auf das Schweißergebnis zeigt die Komplexität der Multiparameteranwendung.

Der Grundaufbau der Laserzelle besteht aus einer Laserquelle, einer Optik zur Fokussierung des Strahls sowie einem Industrieroboter zur Führung der Optik über dem Werkstück. Komplexe Geometrien können über weitere Manipulatoren mit speziellen Werkstückaufnahmen geschweißt werden. Bei der Laserquelle handelt es sich um einen Scheibenlaser mit einem Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat mit Ytterbium-Dotierung. Dieser erzeugt einen kontinuierlichen Laserstrahl mit einer maximalen Leistung von 2 kW bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Zur Erfassung der Prozessdaten ist das Kamerasystem koaxial zum Strahlgang an die Remoteoptik montiert. Auf diese Weise ist jede Sensorik direkt auf den Laserspot ausgerichtet. Im Labor finden drei verschiedene Kamerasysteme Anwendung (CCD/CMOS/InGaAs). In diesem Beitrag werden nur CMOS-Datensätze vorgestellt. Die Kommunikation der beteiligten Komponenten ist in Bild 1 dargestellt.

Ergebnisse

Schlecht gewählte Prozessparameter ergeben entweder eine unzureichende oder zu starke Durchschweißung, die anhand der geometrischen Größe des Durchschweißöffnung erkannt werden. Bei dünnen Blechen führt eine zu starke Laserleistung zu einer nach unten geöffneten Dampfkapillare. Ein weiterer Anstieg der Laserleistung hat keine weitere Auswirkung auf den Wärmetransport in das Werkstück, stattdessen tritt der Großteil der zusätzlichen Laserenergie am unteren Ende der Kapillare aus. Bild 2 (links) zeigt eine Momentaufnahme mit einer Integrationszeit von 10 ms und ist zur Detektion einer Dampfkapillargeometrie und einer Durchschweißung geeignet. Eine höhere Integrationszeit von 30 ms (Bild 2, Mitte) ermöglicht es, die Schweißrichtung zu bestimmen, während die Schmelzbadform selbst nur schlecht zu erkennen ist. Zur Darstellung der Schmelzbadgrenzen sind deutlich mehr Emissionen des Schmelzprozesses aufzunehmen und mit Anpassung des Bandpassfilters im Wellenlängenbereich von λ = 820–980 nm notwendig. Nachteil des verwendeten Bandpassfilters ist die Überbelichtung der stark strahlenden Plasmawolke über der Werkstückoberfläche mit Überdeckung der eigentlichen Schmelze (Bild 2, rechts).

Eine weitere Aufnahme einer Laserschweißung ist in Bild 3 dargestellt. Sie zeigt eine seitliche Aufnahme (links) und eine Aufnahme aus Sicht des austretenden Laserstrahls (rechts). Die seitliche Aufnahme zeigt die entstandene und im Prozess variierende Metalldampfwolke, die zu Störeffekten bei Messsignalen führen kann. Bild 3 rechts zeigt, dass der Einstrahlpunkt des Laserstrahls, der von der Dampfkapillare umgeben ist, am breiteren Kopfende des Schmelzbads liegt. Um die Geometrie der Dampfkapillare störungsfrei detektieren zu können, muss ein Bandpassfilter vorgeschaltet werden, der die Effekte der Metalldampfwolke verringert. Des Weiteren wird eine niedrige Integrationszeit vorgewählt, damit die Bereiche der höchsten Intensität detektiert werden. Ein stabiler Prozess benötigt eine konstante Größe der Kapillarausdehnung.

Bei Stumpfstoßschweißverbindungen ist eine durchgeschweißte Naht erwünscht. Das entstehende Durchschweißloch kann anhand der ermittelten Daten qualitativ ausgewertet werden. Dies ermöglicht die Detektion einer unzureichenden oder zu starken Durchschweißung.

In die Versuchsanlage wurde ein Algorithmus implementiert, der die Form der Kapillaröffnung und die Größe des Durchschweißlochs berechnet. Der Algorithmus basiert auf der Auswertung von 1D-Intensitätsprofilen (Bild 4). Dabei werden die Kanten der Kapillaröffnung und des Durchschweißlochs als Nullstellen der zweiten Ableitung der Intensitätswerte detektiert. Nach der Auswertung aller Intensitätsprofile werden alle Kantenpunkte zu zwei Ellipsen approximiert – die Ellipse mit dem kleineren Durchmesser repräsentiert das Durchschweißloch und die Ellipse mit dem größeren Durchmesser die Kapillaröffnung.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass eine Bewertung von schnell ablaufenden Laserschweißprozessen auf Basis von Kameradaten möglich ist. Diese können durch weitere Forschungen noch mehr verfeinert werden und somit Daten für moderne Regelsysteme zur Verfügung stellen.

Informationen zum Autor:

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