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2013<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Entwicklung einer Online-<br />
Schmelzbaddiagnostik zur<br />
Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung<br />
von Schweißnahtfehlern<br />
beim<br />
Lichtbogenschweißen
Entwicklung einer Online-<br />
Schmelzbaddiagnostik zur<br />
Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung<br />
von Schweißnahtfehlern beim<br />
Lichtbogenschweißen<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 16.954 N<br />
DVS-Nr.: 03.101<br />
Universität der Bundeswehr München<br />
Fakultät für Elektro- und<br />
Informationstechnik Institut für<br />
Plasmatechnik<br />
RWTH Aachen University Institut für<br />
Schweißtechnik und Fügetechnik<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.954 N / DVS-Nr.: 03.101 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im<br />
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2013 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 248<br />
Bestell-Nr.: 170357<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-247-6<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
INHALTSVERZEICHNIS<br />
1 Einleitung ................................................................................. 1<br />
2 Problemstellung und Zielsetzung ................................................................... 4<br />
3 Stand der Forschung ..................................................................................... 6<br />
3.1 Elektrische Signale des Schweißprozesses .................................................. 7<br />
3.2 Optische Verfahren ........................................................................................ 8<br />
3.2.1 Lichtschnittverfahren ............................................................................... 8<br />
3.2.2 Kamerabasierte Analyse der Schmelzbadausbildung ............................. 8<br />
3.2.3 Analyse der Durchschweißung ............................................................... 9<br />
3.3 Untersuchungen zur Ausbildung des Schmelzbades .................................. 10<br />
3.4 Modellierung ................................................................................................ 12<br />
4 Vorarbeiten .................................................................................................. 13<br />
4.1 Auswahl der Hardware ................................................................................ 13<br />
4.1.1 Hardware für das WIG- und das Plasmaschweißen ............................. 13<br />
4.1.2 Hardware für das MSG-Schweißen ...................................................... 15<br />
4.2 Grundlegende Schweißversuche, „Best-Process-Parameter“ und Erstellung<br />
des Software-Frameworks .................................................................................... 18<br />
4.2.1 Vorarbeiten für das WIG und Plasma-Schweißen ................................. 18<br />
4.2.2 Zusatzuntersuchungen Schmelzbadausbildung .................................... 25<br />
4.2.3 Vorarbeiten für das MSG-Schweißen ................................................... 25<br />
4.2.4 Komponenten der Bilderfassung ........................................................... 25<br />
4.2.5 LabVIEW-Programm ............................................................................. 26<br />
4.2.6 Kamera-Parametrierung ....................................................................... 26<br />
4.2.7 Schweißtechnische Vorversuche .......................................................... 28<br />
4.2.8 Kameratechnische Vorversuche ........................................................... 30<br />
5 Entwicklung der Online-Diagnostik auf Schweißversuchen basierend ......... 37<br />
5.1 Diagnostik mit Triangulationssensor ............................................................ 37<br />
5.1.1 WIG-Schweißen .................................................................................... 37<br />
5.1.2 Plasmaschweißen ................................................................................. 39<br />
5.2 Untersuchung zur Schmelzbadschwingung beim MSG-Schweißen ............ 41<br />
5.3 Diagnostik mit intelligenter Kamera ............................................................. 43<br />
5.3.1 Bilderkennungsalgorithmen................................................................... 43<br />
5.3.2 Auswertung des Parameterraumes ....................................................... 58<br />
6 Überführung in die Praxis ............................................................................ 69<br />
6.1 Bestimmung der Messrate ........................................................................... 69<br />
6.1.1 Ergebnisse WIG-Schweißen ................................................................. 71<br />
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen
6.1.2 Ergebnisse Plasmaschweißen .............................................................. 72<br />
6.2 Prozessregelung mit Online-Schmelzbaddiagnostik .................................... 74<br />
6.2.1 Aufbau und Funktion der Regelung ...................................................... 74<br />
6.2.2 Ergebnisse WIG-Schweißen ................................................................. 74<br />
6.2.3 Ergebnisse Plasmaschweißen .............................................................. 76<br />
6.3 Alternative Kamera ...................................................................................... 78<br />
6.4 Technische Umsetzung und Ergebnisse der Bildauswertung beim MSG-<br />
Schweißen ............................................................................................................ 80<br />
6.4.1 Realisierung der Bildauswertung unter LabVIEW ................................. 80<br />
6.4.2 Ergebnisse der Bildauswertung und Korrelation mit den resultierenden<br />
Schweißnähten .................................................................................................. 83<br />
6.5 Nutzung der Ergebnisse der Bildauswertung des MSG-Schweißen zur<br />
Prozessregelung ................................................................................................... 86<br />
6.5.1 Statistische Daten der Bildauswertung ................................................. 86<br />
6.5.2 Modelle der Geometriegrößen .............................................................. 88<br />
7 Zusammenfassung ...................................................................................... 90<br />
8 Formales ...................................................................................................... 91<br />
8.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen .......................................................... 91<br />
8.2 Wirtschaftlicher Nutzen insb. Für KMU, innovativer Beitrag und industrielle<br />
Anwendungsmöglichkeit ....................................................................................... 92<br />
8.2.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse .... 92<br />
8.2.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit<br />
der kmU............................................................................................... 92<br />
8.3 Transfermaßnahmen ................................................................................... 94<br />
8.3.1 Einschätzung zur Realisierbarkeit ......................................................... 94<br />
8.3.2 Durchgeführte spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit 94<br />
8.3.3 spezifische Transfermaßnahmen nach der Laufzeit ............................. 95<br />
8.4 Veröffentlichungen ....................................................................................... 97<br />
8.5 Gewerbliche Schutzrechte ........................................................................... 97<br />
9 Literaturverzeichnis ...................................................................................... 98<br />
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen
1 Einleitung<br />
Beim Lichtbogenschweißen liegen die wesentlichen Ursachen für Änderungen der<br />
Prozessrandbedingungen im Bereich der zu schweißenden Fuge. Diese ergeben sich<br />
aus der Addition von Ungenauigkeiten bei der Bauteilpositionierung, aus<br />
Fertigungstoleranzen der Schweißnahtkanten, sowie aus der thermischen<br />
Ausdehnung der Bauteile beim Schweißen. Weitere Ursachen sind Schwankungen der<br />
Dicke von Oberflächenbeschichtungen (z.B. bei Zinkschichten) sowie<br />
Verschmutzungen der Bauteiloberfläche, die zu Instabilitäten beim Schweißprozess<br />
führen können. Neben den bauteilseitigen Schwankungen kann der Schweißprozess<br />
zudem durch Änderungen der Lichtbogenlänge oder einer sich ändernden<br />
Schutzgasabdeckung negativ beeinflusst werden.<br />
Zur Überwachung des Schweißprozesses und zur Gewinnung von Informationen über<br />
die Schweißnahtqualität werden derzeit hauptsächlich optische Sensoren verwendet<br />
und elektrische Prozessgrößen ausgewertet. Hinsichtlich der zeitlichen und örtlichen<br />
Positionierung dieser Sensoren in Bezug auf die Wirkstelle (Prozessort) wird von Pre-<br />
(Vorlauf), In- (Prozess) und Post- (Nachlauf) Methoden gesprochen (Abbildung 1).<br />
Abbildung 1: Bereiche der Prozessüberwachung<br />
Für die Pre-Prozessüberwachung kommen in der Praxis am häufigsten optische<br />
Sensoren zur Anwendung, die als Messprinzip überwiegend das Lichtschnittverfahren<br />
nutzen. Mit diesen optischen Sensoren wird während des Schweißvorganges<br />
berührungslos die Fugenlage und -geometrie vorlaufend erfasst [6][21][32]. Anhand<br />
der Fugenlage wird die Schweißbrennerposition korrigiert. Die Informationen der<br />
Fugengeometrie werden in Verbindung mit den eingestellten Schweißprozessparametern<br />
genutzt, um auf die Verbindungsqualität zum Zeitpunkt, an dem sich der<br />
Schweißprozess am Messort befindet, zu schließen. Hierbei wird davon ausgegangen,<br />
dass die Bedingungen sich während des Abfahrens der Vorlaufstrecke nicht mehr<br />
ändern. Diese Voraussetzung kann insbesondere im Dünnblechbereich aufgrund der<br />
thermischen Energieeinbringung nicht generell gewährleistet werden. Die Vorhersage<br />
der Schweißnahtqualität bei unterschiedlichsten Schweißprozessparametern und<br />
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen 1
Fugengeometriekombinationen erfolgt durch zeitlich aufwendige experimentelle<br />
Schweißuntersuchungen.<br />
Bei der Post-Prozessüberwachung mit optischen Sensoren wird unter anderem das<br />
Temperaturprofil der geschweißten Naht in seiner Abkühlphase hinter dem Schweißbrenner<br />
scannend erfasst [12][14]. Anhand des Temperaturverlaufes können über die<br />
Beurteilung der metallurgisch-thermischen Vorgänge Poren und Bindefehler in der<br />
Schweißnaht auf der Grundlage von zuvor durchgeführten applikationsspezifischen<br />
Experimenten detektiert werden. Als Messprinzip für nachlaufende Sensoren wird zudem<br />
häufig das Lichtschnittverfahren für die Erfassung der Schweißnahtgeometrie<br />
verwendet [40]. Die Analysestelle befindet sich in einigem Abstand zum<br />
Schweißbrenner, um Störungen durch den Schweißprozess auszuschließen. Häufig<br />
erfolgt die Schweißnahtgeometrievermessung auch erst in einem dem<br />
Schweißvorgang nachgeschalteten Arbeitsschritt. Das optische Prüfsystem ermittelt<br />
hierbei in Echtzeit mit einer Prüfgeschwindigkeit von 200 - 800 mm/s Informationen<br />
über die Geometrie der geschweißten Naht. Durch den Vergleich der erfassten Daten<br />
mit der geforderten Schweißnahtgeometrie können Größe und Position der<br />
Oberflächenfehler bestimmt, protokolliert und abgespeichert werden. Diese<br />
Informationen werden für eine nachfolgende Reparaturschweißung herangezogen.<br />
Neben den beschriebenen Post-Sensorsystemen werden Standardprüfverfahren zur<br />
Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen, wie die Wirbelstrom-, die Ultraschallund<br />
die Röntgenprüfung angewendet. Das Wirbelstromprüfverfahren ist nur bei rohrähnlichen<br />
Bauteilen anwendbar. Eine Integration des Ultraschallprüfverfahrens in eine<br />
automatisierte Schweißfertigungsanlage kommt selten zur Anwendung, da dieses<br />
Prüfverfahren einerseits das Aufbringen eines geeigneten Kontaktmediums erfordert,<br />
wodurch ein ausreichender Abstand zum Schweißort eingehalten werden muss, um<br />
eine thermische Beeinflussung der Schweißnaht zu verhindern. Andererseits erfordert<br />
eine umfassende Prüfung viel Erfahrung des Bedieners zur Beurteilung der<br />
Messsignale. Für die Röntgenprüfung wird aufgrund der Strahlenschutzbestimmungen<br />
immer eine gesonderte, abgeschirmte Prüfstation benötigt.<br />
Genereller Nachteil der Post-Prozessüberwachung ist, dass durch die Analyse der<br />
bereits erstarrten Schweißnaht Schweißnahtfehler zwar zu erkennen, jedoch nicht zu<br />
vermeiden sind. Fehlerhafte Schweißergebnisse können nur durch nachgeschaltete<br />
Arbeitsgänge kompensiert werden oder führen zu Ausschuss.<br />
Durch die Installation von Pre- und Postsensoren am Schweißbrenner nimmt, aufgrund<br />
der geometrischen Abmessung der Messwertaufnehmer und insbesondere<br />
durch die Vor- bzw. Nachlaufstrecke zwischen Sensoren und Schweißbrenner, der<br />
Raumbedarf enorm zu, sodass das Handling beeinträchtigt wird. Hierdurch ergeben<br />
sich insbesondere Einschränkungen bei kurvenreichen Schweißnahtverläufen.<br />
Die In-Prozessüberwachung mittels optischer Sensoren wird beim Lichtbogenschweißen<br />
im Gegensatz zum Laserstrahlschweißen bisher nicht eingesetzt. Beim<br />
Laserstrahlschweißen kommen häufig spektralselektive Fotodioden für den UV- und<br />
IR-Bereich zur Anwendung [7][15]. Mit den UV-Fotodioden wird die<br />
Strahlungsintensität des Plasmas erfasst. Die IR-Fotodioden dienen beim CO2-<br />
Strahlschweißen zur Er-fassung der eingebrachten und reflektierten<br />
Laserstrahlleistung. Beide Varianten können zur Prozessüberwachung herangezogen<br />
werden, wobei auch hier die Abbildung der gemessenen Emissionen auf die<br />
Schweißnahtqualität anhand von applikationsspezifischen Schweißuntersuchungen<br />
erfolgen muss. Dies gilt auch für die Vermessung des Keyholes mit CMOS- oder CCD-<br />
Kameras [2][5][15][23]. Auch hierbei sind applikationsspezifische Experimente nötig,<br />
um von der Größe des Keyholes auf die Einschweißtiefe schließen zu können.<br />
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen 2
Zur Prozessüberwachung und zur Gewinnung von Informationen über die<br />
Verbindungsqualität können beim MSG-Schweißen auch die elektrischen<br />
Prozessgrößen Schweißstrom und Schweißspannung herangezogen werden<br />
[3][14][38]. Hierbei wer-den während des Schweißvorgangs die Mittel- und<br />
Effektivwerte der elektrischen Größen bestimmt und in einer nachfolgenden Analyse<br />
alle dynamischen Kennwerte des Prozessablaufes ermittelt und zu einer<br />
Qualitätsbeurteilung herangezogen. Die Prozessüberwachung basiert im<br />
Wesentlichen auf einem Vergleich der Messwerte mit einer vorher definierten<br />
Hüllkurve. Zur Definition der Hüllkurve müssen vorab Referenzmessungen bei<br />
optimalen Prozessbedingungen durchgeführt sowie in weiteren Schweißversuchen für<br />
jede Phase der Schweißaufgabe der tolerierbare Bereich ermittelt werden.<br />
Der kombinierte Einsatz von Pre-, In- und Post-Sensoren ist vom Laserschweißen von<br />
Karosseriebauteilen bekannt [52]. Der enorme technische Umfang dieses Systems<br />
macht den Einsatz jedoch bei KMU undenkbar. Außerdem nimmt die bereits bei<br />
singulären Sensorsystemen beschriebene Problematik, kurvenförmige Bahnverläufe<br />
abzufahren, extrem zu.<br />
Zusammenfassend kommen zur Zeit in der Praxis beim Lichtbogenschweißen<br />
ausschließlich Methoden zur Prozessüberwachung und zur<br />
Schweißnahtqualitätsbeurteilung zum Einsatz, die entweder Sensorinformationen<br />
nutzen, die nicht direkt am Ort des Schmelzvorgangs erfasst werden oder die<br />
elektrische Prozessgrößen verwenden. Eine Korrelation der Messsignale mit der<br />
Ausbildung der Schweißnaht erfordert seitens des Anwenders umfangreiche,<br />
applikationsspezifische Schweißuntersuchungen zur Bildung von Referenzwerten.<br />
Eine regelungstechnische Nutzung der Daten zur Online-Anpassung der<br />
Schweißparameter ist mit diesen Systemen nicht möglich. Sie können nur zu<br />
Reparaturarbeiten an den Bauteilen herangezogen werden, die technisch aufwendig<br />
und mit erheblichen Kosten verbunden sind. Sensorsysteme, die In-formationen am<br />
Schmelzbad aufnehmen, kommen lediglich beim Laserstrahlschweißen zur<br />
Anwendung.<br />
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung<br />
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen 3