SB_16.954NLP

2013
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung einer Online-
Schmelzbaddiagnostik zur
Schweißnahtqualitätsüberwachung
und zur Vermeidung
von Schweißnahtfehlern
beim
Lichtbogenschweißen

Entwicklung einer Online-
Schmelzbaddiagnostik zur
Schweißnahtqualitätsüberwachung
und zur Vermeidung
von Schweißnahtfehlern beim
Lichtbogenschweißen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.954 N
DVS-Nr.: 03.101
Universität der Bundeswehr München
Fakultät für Elektro- und
Informationstechnik Institut für
Plasmatechnik
RWTH Aachen University Institut für
Schweißtechnik und Fügetechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.954 N / DVS-Nr.: 03.101 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2013 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 248
Bestell-Nr.: 170357
ISBN: 978-3-96870-247-6
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

INHALTSVERZEICHNIS
1 Einleitung ................................................................................. 1
2 Problemstellung und Zielsetzung ................................................................... 4
3 Stand der Forschung ..................................................................................... 6
3.1 Elektrische Signale des Schweißprozesses .................................................. 7
3.2 Optische Verfahren ........................................................................................ 8
3.2.1 Lichtschnittverfahren ............................................................................... 8
3.2.2 Kamerabasierte Analyse der Schmelzbadausbildung ............................. 8
3.2.3 Analyse der Durchschweißung ............................................................... 9
3.3 Untersuchungen zur Ausbildung des Schmelzbades .................................. 10
3.4 Modellierung ................................................................................................ 12
4 Vorarbeiten .................................................................................................. 13
4.1 Auswahl der Hardware ................................................................................ 13
4.1.1 Hardware für das WIG- und das Plasmaschweißen ............................. 13
4.1.2 Hardware für das MSG-Schweißen ...................................................... 15
4.2 Grundlegende Schweißversuche, „Best-Process-Parameter“ und Erstellung
des Software-Frameworks .................................................................................... 18
4.2.1 Vorarbeiten für das WIG und Plasma-Schweißen ................................. 18
4.2.2 Zusatzuntersuchungen Schmelzbadausbildung .................................... 25
4.2.3 Vorarbeiten für das MSG-Schweißen ................................................... 25
4.2.4 Komponenten der Bilderfassung ........................................................... 25
4.2.5 LabVIEW-Programm ............................................................................. 26
4.2.6 Kamera-Parametrierung ....................................................................... 26
4.2.7 Schweißtechnische Vorversuche .......................................................... 28
4.2.8 Kameratechnische Vorversuche ........................................................... 30
5 Entwicklung der Online-Diagnostik auf Schweißversuchen basierend ......... 37
5.1 Diagnostik mit Triangulationssensor ............................................................ 37
5.1.1 WIG-Schweißen .................................................................................... 37
5.1.2 Plasmaschweißen ................................................................................. 39
5.2 Untersuchung zur Schmelzbadschwingung beim MSG-Schweißen ............ 41
5.3 Diagnostik mit intelligenter Kamera ............................................................. 43
5.3.1 Bilderkennungsalgorithmen................................................................... 43
5.3.2 Auswertung des Parameterraumes ....................................................... 58
6 Überführung in die Praxis ............................................................................ 69
6.1 Bestimmung der Messrate ........................................................................... 69
6.1.1 Ergebnisse WIG-Schweißen ................................................................. 71
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen

6.1.2 Ergebnisse Plasmaschweißen .............................................................. 72
6.2 Prozessregelung mit Online-Schmelzbaddiagnostik .................................... 74
6.2.1 Aufbau und Funktion der Regelung ...................................................... 74
6.2.2 Ergebnisse WIG-Schweißen ................................................................. 74
6.2.3 Ergebnisse Plasmaschweißen .............................................................. 76
6.3 Alternative Kamera ...................................................................................... 78
6.4 Technische Umsetzung und Ergebnisse der Bildauswertung beim MSG-
Schweißen ............................................................................................................ 80
6.4.1 Realisierung der Bildauswertung unter LabVIEW ................................. 80
6.4.2 Ergebnisse der Bildauswertung und Korrelation mit den resultierenden
Schweißnähten .................................................................................................. 83
6.5 Nutzung der Ergebnisse der Bildauswertung des MSG-Schweißen zur
Prozessregelung ................................................................................................... 86
6.5.1 Statistische Daten der Bildauswertung ................................................. 86
6.5.2 Modelle der Geometriegrößen .............................................................. 88
7 Zusammenfassung ...................................................................................... 90
8 Formales ...................................................................................................... 91
8.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen .......................................................... 91
8.2 Wirtschaftlicher Nutzen insb. Für KMU, innovativer Beitrag und industrielle
Anwendungsmöglichkeit ....................................................................................... 92
8.2.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse .... 92
8.2.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit
der kmU............................................................................................... 92
8.3 Transfermaßnahmen ................................................................................... 94
8.3.1 Einschätzung zur Realisierbarkeit ......................................................... 94
8.3.2 Durchgeführte spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit 94
8.3.3 spezifische Transfermaßnahmen nach der Laufzeit ............................. 95
8.4 Veröffentlichungen ....................................................................................... 97
8.5 Gewerbliche Schutzrechte ........................................................................... 97
9 Literaturverzeichnis ...................................................................................... 98
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen

1 Einleitung
Beim Lichtbogenschweißen liegen die wesentlichen Ursachen für Änderungen der
Prozessrandbedingungen im Bereich der zu schweißenden Fuge. Diese ergeben sich
aus der Addition von Ungenauigkeiten bei der Bauteilpositionierung, aus
Fertigungstoleranzen der Schweißnahtkanten, sowie aus der thermischen
Ausdehnung der Bauteile beim Schweißen. Weitere Ursachen sind Schwankungen der
Dicke von Oberflächenbeschichtungen (z.B. bei Zinkschichten) sowie
Verschmutzungen der Bauteiloberfläche, die zu Instabilitäten beim Schweißprozess
führen können. Neben den bauteilseitigen Schwankungen kann der Schweißprozess
zudem durch Änderungen der Lichtbogenlänge oder einer sich ändernden
Schutzgasabdeckung negativ beeinflusst werden.
Zur Überwachung des Schweißprozesses und zur Gewinnung von Informationen über
die Schweißnahtqualität werden derzeit hauptsächlich optische Sensoren verwendet
und elektrische Prozessgrößen ausgewertet. Hinsichtlich der zeitlichen und örtlichen
Positionierung dieser Sensoren in Bezug auf die Wirkstelle (Prozessort) wird von Pre-
(Vorlauf), In- (Prozess) und Post- (Nachlauf) Methoden gesprochen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Bereiche der Prozessüberwachung
Für die Pre-Prozessüberwachung kommen in der Praxis am häufigsten optische
Sensoren zur Anwendung, die als Messprinzip überwiegend das Lichtschnittverfahren
nutzen. Mit diesen optischen Sensoren wird während des Schweißvorganges
berührungslos die Fugenlage und -geometrie vorlaufend erfasst [6][21][32]. Anhand
der Fugenlage wird die Schweißbrennerposition korrigiert. Die Informationen der
Fugengeometrie werden in Verbindung mit den eingestellten Schweißprozessparametern
genutzt, um auf die Verbindungsqualität zum Zeitpunkt, an dem sich der
Schweißprozess am Messort befindet, zu schließen. Hierbei wird davon ausgegangen,
dass die Bedingungen sich während des Abfahrens der Vorlaufstrecke nicht mehr
ändern. Diese Voraussetzung kann insbesondere im Dünnblechbereich aufgrund der
thermischen Energieeinbringung nicht generell gewährleistet werden. Die Vorhersage
der Schweißnahtqualität bei unterschiedlichsten Schweißprozessparametern und
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen 1

Fugengeometriekombinationen erfolgt durch zeitlich aufwendige experimentelle
Schweißuntersuchungen.
Bei der Post-Prozessüberwachung mit optischen Sensoren wird unter anderem das
Temperaturprofil der geschweißten Naht in seiner Abkühlphase hinter dem Schweißbrenner
scannend erfasst [12][14]. Anhand des Temperaturverlaufes können über die
Beurteilung der metallurgisch-thermischen Vorgänge Poren und Bindefehler in der
Schweißnaht auf der Grundlage von zuvor durchgeführten applikationsspezifischen
Experimenten detektiert werden. Als Messprinzip für nachlaufende Sensoren wird zudem
häufig das Lichtschnittverfahren für die Erfassung der Schweißnahtgeometrie
verwendet [40]. Die Analysestelle befindet sich in einigem Abstand zum
Schweißbrenner, um Störungen durch den Schweißprozess auszuschließen. Häufig
erfolgt die Schweißnahtgeometrievermessung auch erst in einem dem
Schweißvorgang nachgeschalteten Arbeitsschritt. Das optische Prüfsystem ermittelt
hierbei in Echtzeit mit einer Prüfgeschwindigkeit von 200 - 800 mm/s Informationen
über die Geometrie der geschweißten Naht. Durch den Vergleich der erfassten Daten
mit der geforderten Schweißnahtgeometrie können Größe und Position der
Oberflächenfehler bestimmt, protokolliert und abgespeichert werden. Diese
Informationen werden für eine nachfolgende Reparaturschweißung herangezogen.
Neben den beschriebenen Post-Sensorsystemen werden Standardprüfverfahren zur
Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen, wie die Wirbelstrom-, die Ultraschallund
die Röntgenprüfung angewendet. Das Wirbelstromprüfverfahren ist nur bei rohrähnlichen
Bauteilen anwendbar. Eine Integration des Ultraschallprüfverfahrens in eine
automatisierte Schweißfertigungsanlage kommt selten zur Anwendung, da dieses
Prüfverfahren einerseits das Aufbringen eines geeigneten Kontaktmediums erfordert,
wodurch ein ausreichender Abstand zum Schweißort eingehalten werden muss, um
eine thermische Beeinflussung der Schweißnaht zu verhindern. Andererseits erfordert
eine umfassende Prüfung viel Erfahrung des Bedieners zur Beurteilung der
Messsignale. Für die Röntgenprüfung wird aufgrund der Strahlenschutzbestimmungen
immer eine gesonderte, abgeschirmte Prüfstation benötigt.
Genereller Nachteil der Post-Prozessüberwachung ist, dass durch die Analyse der
bereits erstarrten Schweißnaht Schweißnahtfehler zwar zu erkennen, jedoch nicht zu
vermeiden sind. Fehlerhafte Schweißergebnisse können nur durch nachgeschaltete
Arbeitsgänge kompensiert werden oder führen zu Ausschuss.
Durch die Installation von Pre- und Postsensoren am Schweißbrenner nimmt, aufgrund
der geometrischen Abmessung der Messwertaufnehmer und insbesondere
durch die Vor- bzw. Nachlaufstrecke zwischen Sensoren und Schweißbrenner, der
Raumbedarf enorm zu, sodass das Handling beeinträchtigt wird. Hierdurch ergeben
sich insbesondere Einschränkungen bei kurvenreichen Schweißnahtverläufen.
Die In-Prozessüberwachung mittels optischer Sensoren wird beim Lichtbogenschweißen
im Gegensatz zum Laserstrahlschweißen bisher nicht eingesetzt. Beim
Laserstrahlschweißen kommen häufig spektralselektive Fotodioden für den UV- und
IR-Bereich zur Anwendung [7][15]. Mit den UV-Fotodioden wird die
Strahlungsintensität des Plasmas erfasst. Die IR-Fotodioden dienen beim CO2-
Strahlschweißen zur Er-fassung der eingebrachten und reflektierten
Laserstrahlleistung. Beide Varianten können zur Prozessüberwachung herangezogen
werden, wobei auch hier die Abbildung der gemessenen Emissionen auf die
Schweißnahtqualität anhand von applikationsspezifischen Schweißuntersuchungen
erfolgen muss. Dies gilt auch für die Vermessung des Keyholes mit CMOS- oder CCD-
Kameras [2][5][15][23]. Auch hierbei sind applikationsspezifische Experimente nötig,
um von der Größe des Keyholes auf die Einschweißtiefe schließen zu können.
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und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen 2

Zur Prozessüberwachung und zur Gewinnung von Informationen über die
Verbindungsqualität können beim MSG-Schweißen auch die elektrischen
Prozessgrößen Schweißstrom und Schweißspannung herangezogen werden
[3][14][38]. Hierbei wer-den während des Schweißvorgangs die Mittel- und
Effektivwerte der elektrischen Größen bestimmt und in einer nachfolgenden Analyse
alle dynamischen Kennwerte des Prozessablaufes ermittelt und zu einer
Qualitätsbeurteilung herangezogen. Die Prozessüberwachung basiert im
Wesentlichen auf einem Vergleich der Messwerte mit einer vorher definierten
Hüllkurve. Zur Definition der Hüllkurve müssen vorab Referenzmessungen bei
optimalen Prozessbedingungen durchgeführt sowie in weiteren Schweißversuchen für
jede Phase der Schweißaufgabe der tolerierbare Bereich ermittelt werden.
Der kombinierte Einsatz von Pre-, In- und Post-Sensoren ist vom Laserschweißen von
Karosseriebauteilen bekannt [52]. Der enorme technische Umfang dieses Systems
macht den Einsatz jedoch bei KMU undenkbar. Außerdem nimmt die bereits bei
singulären Sensorsystemen beschriebene Problematik, kurvenförmige Bahnverläufe
abzufahren, extrem zu.
Zusammenfassend kommen zur Zeit in der Praxis beim Lichtbogenschweißen
ausschließlich Methoden zur Prozessüberwachung und zur
Schweißnahtqualitätsbeurteilung zum Einsatz, die entweder Sensorinformationen
nutzen, die nicht direkt am Ort des Schmelzvorgangs erfasst werden oder die
elektrische Prozessgrößen verwenden. Eine Korrelation der Messsignale mit der
Ausbildung der Schweißnaht erfordert seitens des Anwenders umfangreiche,
applikationsspezifische Schweißuntersuchungen zur Bildung von Referenzwerten.
Eine regelungstechnische Nutzung der Daten zur Online-Anpassung der
Schweißparameter ist mit diesen Systemen nicht möglich. Sie können nur zu
Reparaturarbeiten an den Bauteilen herangezogen werden, die technisch aufwendig
und mit erheblichen Kosten verbunden sind. Sensorsysteme, die In-formationen am
Schmelzbad aufnehmen, kommen lediglich beim Laserstrahlschweißen zur
Anwendung.
Entwicklung einer Online-Schmelzbaddiagnostik zur Schweißnahtqualitätsüberwachung
und zur Vermeidung von Schweißnahtfehlern beim Lichtbogenschweißen 3