SB_19037BLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einsatz optischer
Sensorik für die
Charakterisierung von
Emissionen und
Prozessstabilität beim
MSG-Schweißen

Einsatz optischer Sensorik für
die Charakterisierung von
Emissionen und
Prozessstabilität beim
MSG-Schweißen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.037 N
DVS-Nr.: 03.125
INP Greifswald,
Leibniz-Institut für Plasmaforschung
und Technologie e.V.
RWTH Aachen,
Institut für Schweißtechnik und
Fügetechnik (ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.037 N / DVS-Nr.: 03.125 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
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 413
Bestell-Nr.: 170522
ISBN: 978-3-96870-412-8
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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vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
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2
I
Inhaltsverzeichnis
I Inhaltsverzeichnis 2
II Abbildungsverzeichnis 4
III Tabellenverzeichnis 6
1. Anlass für den Forschungsantrag 7
1.1 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU 8
2. Stand der Technik 10
3. Einordnung der veranschlagten Arbeitspakete 13
4. Entwicklung und Evaluierung Diodensystem 14
4.1 Auswahl der spektralselektiven Dioden 14
4.2 Verstärkerschaltung 14
5. Untersuchung von Referenzprozessen 18
5.1 Versuchsaufbau und Messmethoden 18
5.2 Referenzprozesse 19
Kurzlichtbogen 21
Sprühlichtbogen 22
Zusammenfassung 24
5.3 Datenverarbeitung 24
6. Korrelation von Diodendaten mit Schweißrauchemission und
Prozessstabilität 27
6.1 Prozessqualität -Schweißrauchemission 28
6.2 Produktqualität und Prozessrandbedingungen 31
6.3 Datenverarbeitung und Modellbildung 32
Störung durch Schutzgas und Verunreinigung 35
Vergleich zwischen Diodendaten, Schweißstrom und Schweißspannung 37
Brennerfehlpositionierung 38
Schutzgas, Verunreinigung und Brennerfehlpositionierung 39
Zusammenfassung 40
6.4 Phasenraumanalyse der Diodensignale 40
7. Anwendungen und Demonstratoren 43
7.1 Mobile Prozessüberwachung und Analyse 43
Prozessanalyse-Werkzeug 43
Prozess-Monitor 43
Labormuster 44
7.2 Stationäre Prozessüberwachung und Analyse 45
Auflösung Prozessstörung 45
Industrie 4.0 Sensorsystem 45

3
8. Abschließende Bewertung und Ausblick 47
9. Formales 47
Förderhinweis: 47
10. Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen für die Industrie 48
10.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse 48
10.2 Wirtschaftliche Ergebnisse 48
10.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit 48
11. Verwendung der Zuwendungen 49
11.1 Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des
Finanzierungsplans) 49
11.2 Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) 49
11.3 Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) 49
12. Zusammenfassung - Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im
Berichtszeitraum (Tabellarisch) 50
IV Literaturverzeichnis 57

7
1. Anlass für den Forschungsantrag
In der schweißtechnischen Fertigung kommen Lichtbogenschweißverfahren, aufgrund ihrer
vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und der geringen Investitionskosten, am häufigsten
zum Einsatz. Zur Überwachung dieser Schweißprozesse kommen bei mechanisierten und
automatisierten Lösungen in der Regel externe Sensorsysteme zum Einsatz, die die Strom-
/Spannungsverläufe als Informationsquelle nutzen und dementsprechend mit den stromführenden
Leitungen zum Schweißbrenner und Bauteil gekoppelt sein müssen. Beim manuellen
Schweißen übernimmt der Handschweißer visuell und akustisch in Verbindung mit seinen
Erfahrungen die Überwachung des Schweißprozesses. Zusätzlich kann auch hier zur Dokumentation
eine Überwachung mit externen Sensorsystemen erfolgen. Dabei wäre eine Kontrolle
des Lichtbogenbereichs wünschenswert, um Ursachen von Prozessinstabilitäten erfassen
zu können. Dies ist mit bisher verfügbaren Systemen in der Produktion, aufgrund der
Bauteilgröße und Zugänglichkeit, nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.
Ein wesentliches Problem bei der schweißtechnischen Fertigung ist das Auftreten von Rauchen
und Stäuben, welche Gefahrstoffe enthalten und dadurch eine Gefährdung von Mensch
und Umwelt zur Folge haben. Besonders durch das neue EU-weite Gefahrstoffrecht, mit
dessen Einführung eine Herabsetzung von Grenzwerten für die Gefahrstoffkonzentration in
der Luft einhergeht, ergeben sich hier in der Zukunft neue Herausforderungen für die
Schweißtechnik. Dadurch rücken im Besonderen für schweißtechnische Arbeiten neben der
Produktqualität auch der Umweltschutz und die Arbeitssicherheit immer weiter in den Fokus.
Die Erfassung und Bestimmung der Schweißrauchemission erfolgt im Labor mit einer speziellen
nach EN 15011-1-4 genormten Absaugvorrichtung (Fumebox) und nachfolgender
Analyse der im Filter aufgefangenen Partikel. Eine Reihe von Systemen stehen außerdem
zur Verfügung, um die Raumluftbelastung bzw. Immission von Partikeln durch den Schweißer
kontrollieren zu können. Allen Systemen ist gemeinsam, dass nur Belastungen über längere
Zeiträume vermessen werden. Eine zeitlich aufgelöste Bestimmung der Rauchemission
insitu am Prozess und unterlaufenden Produktionsbedingungen etwa in Korrelation mit Prozessinstabilitäten
wäre wünschenswert, ist aber zurzeit mit den genannten Messvorrichtungen
nicht realisierbar.
Eine Reihe von Untersuchungen zeigen, dass die Rauchemission stark von der Stabilität des
Schweißprozesses abhängt. So führen verzögerte Tropfenablösungen und verstärkte Spritzerbildung
zu zusätzlicher Metalldampf- und Rauchbildung [1, 2]. Zur Kontrolle der Prozessstabilität
bis hin zur Detektion von Nahtdefekten wird als ein neuer Ansatz in der Literatur [3]
die Auswertung von Fotodiodensignalen beschrieben.
Deshalb wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein einfach zu bedienendes Sensorsystem
mit geringer Baugröße entwickelt und realisiert, das auf der Basis von spektralsensitiven
Fotodioden die Strahlung der Lichtbogenschweißprozesse in bestimmten Wellenlängenbereichen
erfasst und daraus Informationen über die Prozessstabilität sowie die
Schweißrauchemission zur Verfügung stellt. Möglich ist dies, da die spektralen Emissionen
(Metalldampf, UV) des Schweißprozesses weitestgehend von den Prozessrandbedingungen
abhängen und diese sich bei Abweichungen derselben ändern [4, 5].
Für die Überwachung der Prozessstabilität erfordert dieses System keine Kopplung mit den
stromführenden Kabeln der Schweißeinrichtung und erfasst die Informationen aus einer geeigneten
Entfernung direkt aus dem Lichtbogenbereich. Hierbei kann die Überwachung kon-

8
tinuierlich etwa mit einem fest installierten Sensor erfolgen, der bei Abweichungen Hinweise
auf mögliche Qualitätsbeeinträchtigungen der Schweißnaht liefert. Der Sensor kann zudem
auch zur strichprobenartigen Prüfung der Prozessstabilität eingesetzt werden, indem der
Bediener das Gerät mit sich führt und an verschiedenen Schweißprozessen eine kurzzeitige
Kontrolle durchführt.
Für die Schweißrauchemissionskontrolle ergeben sich für den Anwender mit diesem Sensor
ganz neue Einsatzmöglichkeiten, die bisher in der Form nicht möglich waren. So könnten mit
diesem Gerät erstmalig unter realen Produktionsbedingungen vor Ort Untersuchungen zum
Einsatz optischer Sensorik für die Charakterisierung von Emissionen und Prozessstabilität
beim MSG-Schweißen am Prozess zeitaufgelöst insitu erfasst und kontrolliert werden. Der
Einsatz des Gerätes ist hierbei sowohl kurzzeitig als auch über einen längeren Zeitraum
möglich. Beim manuellen Schweißen wäre es auch denkbar, das Gerät aufgrund seiner geringen
Baugröße in den Schweißschutzhelm zu integrieren. Das hätte die Vorteile, dass der
Sensor immer auf den Lichtbogenbereich orientiert und mitgeführt würde.
Das Überwachungsgerät ist dabei einfach zu bedienen und eignet sich besonders für den
Einsatz bei kmU, da hierdurch ohne großen technischen Aufwand eine Überwachung der
Prozessstabilität und der Emissionen mit einem Gerät durchgeführt werden kann. Damit
kann sowohl ein Beitrag zur Qualitätssicherung als auch zum Arbeitsschutz geleistet werden.
Ferner bietet der Sensor optimale Einsatzmöglichkeiten zur Schweißprozessoptimierung,
nicht nur im Hinblick auf die Prozessstabilität, sondern auch der gleichzeitigen Reduzierung
der Schweißrauch- und UV-Emission.
1.1 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
Eine wichtige Zielgruppe zur Verwertung der Forschungsergebnisse sind alle Anwender, bei
denen Handschweißungen insbesondere mit Metallschutzgasprozessen durchgeführt werden.
Hier ist die Bedeutung der Emissionsbelastung vergleichsweise hoch. Gerade kleine
Betriebe sollen mittels des einfachen Kontrollverfahrens in die Lage versetzt werden, Arbeitsschutzmaßnahmen
gezielter zu konzipieren und auch Überdimensionierungen etwa bei
persönlicher Schutzausrüstung einzuschränken. Hierdurch wird eine direkte Kosteneinsparung
möglich. Zudem soll der Einsatz der Kontrollverfahren auch zur Auswahl von Prozessen
und Parameterfenstern mit höherer Prozesssicherheit und niedrigeren Emissionen beitragen.
Durch die online-Kontrolle der Prozessstabilität können voraussichtlich nachgeschaltete
Qualitätsanalysen und aufwendige Nacharbeiten vermieden oder zumindest eingeschränkt
werden, was in den meisten Fällen einen direkten wirtschaftlichen Nutzen darstellt. Ein indirekter
Nutzen wird durch die genauere Einschätzung des Gefahrenpotenzials am jeweiligen
Arbeitsplatz erwachsen, wodurch Arbeitsbedingungen und die Attraktivität des Arbeitsplatzes
auch in Hinsicht auf die Gewinnung von qualifiziertem Personal verbessert werden. Diese
Schlussfolgerungen gelten ebenso für den Bereich des automatischen Schweißens, auch
wenn hier im Allgemeinen die Emissionsbelastung des Personals geringer ist bzw. einfacher
abgeschirmt werden kann. Schließlich können Anbieter von Filteranlagen ihre Angebote an
den Anwender genauer anpassen.
Neben der Nutzung der Projektergebnisse durch den Schweißanwender ist zu erwarten,
dass die Ergebnisse auch durch Stromquellenhersteller, Anbieter von Prozesskontrollverfahren
und Expertensystemen sowie Anbieter von Filteranlagen und anderer Arbeitsschutztechnik
verwendet werden. Die Einbeziehung einfacher Kontrollverfahren, für die in diesem Projekt
Konzepte bzw. ein Funktionsbeispiel erarbeitet werden, ermöglicht eine Aufwertung der
Produkte. So können Stromquellenhersteller das Angebot emissionsreduzierter Prozesse

9
demonstrieren oder Kontrollverfahren als Zusatzoption zur Stromquelle anbieten. Das Emissionskontrollsystem
lässt sich mit anderen Sensoriken verknüpfen, um ein umfassendes Bild
von Schweißprozessen etwa bei der Optimierung zu gewinnen.
Insgesamt wird die Nutzung eines Emissionskontrollverfahrens die Wettbewerbsfähigkeit der
Anwender und Systemanbieter in unterschiedlichen Bereichen erhöhen.

10
2. Stand der Technik
Grundsätzlich berührt das hier vorgestellte Forschungsthema zwei wesentliche Forschungsfelder
in der Schweißtechnik. Bei diesen handelt es sich um den Arbeits- und Gesundheitsschutz
und die Überwachung der Prozessstabilität beim Metallschutzgasschweißen.
Bisherige Untersuchungen auf dem Gebiet des Arbeitsschutzes beim Schweißen umfassten
primär denBereich der Risikobewertung, also eine Einschätzung des Gefährdungspotentials,
und den Bereich der Risikominimierung [1-4]. Der größte Teil der im Bereich der Risikobewertung
durchgeführten Untersuchungen beschäftigte sich mit der Bestimmung der Menge
und Qualität von Schweißrauchen an un-, niedrig- und hochlegierten Stählen, u. a. auch an
MSG-Prozessen unter Variation verschiedener Randbedingungen [5-7]. Darüber hinauswurde
bei Dilthey et al [5] sowie Hovde et al[6] eine deutliche Abhängigkeit der Menge und auch
der Qualität der Emissionen von der MSG-Verfahrensvariante ermittelt. In [7-9] wurde zudem
eine Beeinflussungdurch die Art des Tropfenübergangs und vor allem von den eingestellten
Schweißparametern beobachtet. Andere Untersuchungen stellten auch eine Abhängigkeit
von den verwendeten Schutzgasen [10] und Werkstoffen sowie Zusatzwerkstoffen [11] fest.
Ziel der im AiF-Projekt 14.459B durchgeführten Untersuchungen war es, einen Überblick
über das Emissionsverhalten neuer und moderner Schweißverfahren zu erhalten[8, 12]. Dabei
konzentrierten sich die Arbeiten auf die Erfassung der Schweißrauchmengen. Als zusammenfassendes
Ergebnis wurde hier festgehalten, dass Abhängigkeiten der Schweißrauchemissionen
von der Drahtvorschubgeschwindigkeit, der Lichtbogenlänge, den Schutzgasen,
den Schweißzusätzen sowie von der gewählten Verfahrensvariante existieren.
39
38
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5
4
3
2
1
Auftragsschweißen
AM 60
AZ 61
Verbindungsschweißen
coldArc
CMT
Sprühlichtbogen
Impulslichtbogen
forceArc-Schweißen
Zweidraht Technik
Eindraht Technik
Stahl-Werkstoffe
Al-Werkstoffe
NVEB- Schweißen
Fülldrahtschweißen
Neue nieder-energetische
Verfahren
Hochleistungs-MSG-
Schweißen
MIG-Löten
Laserhybrid-Verfahren
0 1 2 3 4 2mg/s 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 2825mg/s
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
1 2 3 Emissionsklassen
4
Abbildung 1: Emission von verschiedenen Schweißprozessen und Schweißparametern [7]