ZeMa / Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Bildgebende In-Prozess-Analyse beim Laserschweißen

| Autor / Redakteur: Benedikt Faupel und Ralf-Kilian Zäh / Frauke Finus

Während das rechte Bild den austretenden Laserstrahl darstellt, ist auf der linken Aufnahme zu sehen, wie die Metalldampfwolke bei Messsignalen zu Störeffekten führen kann.
Während das rechte Bild den austretenden Laserstrahl darstellt, ist auf der linken Aufnahme zu sehen, wie die Metalldampfwolke bei Messsignalen zu Störeffekten führen kann. (Bild: ZeMA)

Beim Laserschweißen sollen die Nähte eine gute und gleichbleibende Qualität besitzen. Daher wird die Nahtqualität durch aufwendige Post-Processing-Maßnahmen bestimmt. Ein Forschungsprojekt aus dem Saarland beschäftigt sich deshalb mit der Erfassung und Analyse von optischen Bilddaten von Laserschweißprozessen. Denn mit diesen kann die eindeutige Zuordnung zwischen Prozessparameter, -signalen und Schweißergebnis hergestellt werden.

Zur Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit streben produzierende Unternehmen robuste Prozessparameter für ihre Fertigungseinrichtungen an. Es werden Parameterfenster angestrebt, die die geforderte Erzeugnisqualität bei auftretenden Produktionsschwankungen garantieren. Für das Laserschweißen gilt dies für die korrekte und bahngenaue Führung des Laserstrahls sowie für die Einhaltung der Schweißnahtausbildung innerhalb gewünschter Grenzen. Daher wird die Nahtqualität durch Post-Processing-Maßnahmen über integrierte Online-Monitoring-Systeme überwacht. Das Projektvorhaben „Bildgebende In-Prozess-Analyse beim Laserschweißen zur Bewertung der Prozessstabilität und Nahtqualität“, an dem das ZeMA – Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH und die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes gemeinsam arbeiten, beschäftigt sich mit der bildgebenden Bewertung von Laserschweißprozessen. Anhand der Geometriedaten von Schmelze und Dampfkapillare wird die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung beurteilt.

Konstante Kapillarausdehnung ist nötig

Das Laserschweißen wird in Wärmeleit- und Tiefschweißen unterteilt. Die Unterscheidung wird durch das Aspektverhältnis (Nahttiefe zu Nahtbreite) definiert. Ein großes Aspektverhältnis führt zur Ausbildung einer Dampfkapillare. Aufgrund der hohen Intensität verdampft das Material im Fokuspunkt und beeinflusst das Schmelzbad. Der Aufbau der Testumgebung besteht aus einem Yb-YAG-Scheibenlaser, einer Scanneroptik und einem Industrieroboter. Der Laser erzeugt einen Strahl mit einer Maximalleistung von 2 kW bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Das Kamerasystem ist koaxial zum Strahlgang montiert und direkt auf den Laserspot ausgerichtet. In diesem Beitrag werden Ergebnisse der erfassten CMOS-Datensätze vorgestellt.

Schlecht gewählte Prozessparameter ergeben eine unzureichende oder zu starke Durchschweißung. Eine zu hohe Laserleistung führt zu einer nach unten geöffneten Dampfkapillare. Ein weiterer Anstieg der Intensität hat dagegen keine Auswirkung auf den Wärmetransport in das Werkstück, stattdessen tritt die zusätzliche Energie am unteren Ende der Kapillare aus. Eine Momentaufnahme mit einer Integrationszeit von 10 ms ist zur Detektion der Dampfkapillargeometrie sowie der Durchschweißung geeignet. Eine höhere Integrationszeit von 30 ms ermöglicht es, die Schweißrichtung zu bestimmen, während die Schmelzbadform selbst nur schlecht zu erkennen ist. Zur Darstellung der Schmelzbadgrenzen wird ein Bandpassfilter im Wellenlängenbereich von 820 bis 980 nm eingesetzt. Nachteil des verwendeten Bandpassfilters ist die Überbelichtung der stark strahlenden Plasmawolke über der Werkstückoberfläche mit Überdeckung der Schmelze.

Bei Aufnahmen seitlich und aus Sicht des austretenden Laserstrahls ist bei der seitlichen Aufnahme die Metalldampfwolke zu erkennen, die zu Störeffekten bei den Messsignalen führen kann. Die In-Achse-Aufnahme zeigt den Einstrahlpunkt des Laserstrahls, der von der Dampfkapillare umgeben ist, sowie die bestehende Schmelze in V-Form. Zur störungsfreien Detektion der Dampfkapillare wird ein Bandpassfilter eingesetzt. Zudem wird eine niedrige Integrationszeit vorgewählt, damit die Bereiche der höchsten Intensität selektiert werden. Ein stabiler Prozess benötigt eine konstante Kapillarausdehnung.

Detektion einer unzureichenden oder zu starken Durchschweißung

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. Dabei werden die Kanten der Kapillaröffnung und des Durchschweißlochs als Nullstellen der zweiten Ableitung der Intensitätswerte detektiert. Alle Kantenpunkte werden zu zwei Ellipsen approximiert – die Ellipse mit dem kleineren Durchmesser repräsentiert dabei das Durchschweißloch, während die Ellipse mit dem größeren Durchmesser die Kapillaröffnung darstellt.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass eine Bewertung von Laserschweißprozessen auf Basis von Kameradaten möglich und für eine regelungstechnische Prozessoptimierung nutzbar ist.

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