SB_21887NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Prozessüberwachung
des EB-Schweißens im
Vakuum durch
körperschallbasierte
In-Prozess-Sensorik

Prozessüberwachung des EB-
Schweißens im Vakuum durch
körperschallbasierte
In-Prozess-Sensorik
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.887 N
DVS-Nr.: 06.3453
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und Fügende
Fertigungsverfahren
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.887 N / DVS-Nr.: 06.3453 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
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 592
Bestell-Nr.: 170702
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Schlussbericht vom 21.05.2024
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.887 N
Thema
Prozessüberwachung des EB-Schweißens im Vakuum durch körperschallbasierte In-Prozess-
Sensorik
Berichtszeitraum
01.06.2021 - 30.11.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren (tff)
Kurt-Wolters-Straße 3, 34125 Kassel

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.887 N / DVS-Nr.: 06.3453 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.
Wir danken für die Finanzierung und Projektbetreuung sowie den Mitgliedern des projektbegleitenden
Ausschusses (PA) für die technische Unterstützung, die Bereitstellung von Untersuchungsmaterial
sowie die intensiven Diskussionen und wertvollen fachlichen Hinweise.
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Projektlaufzeit: 01.06.2021 – 30.11.2023

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Angaben zu der Forschungseinrichtung
Institut für Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet für Trennende und Fügende Fertigungsverfahren (tff)
Universität Kassel
Kurt-Wolters-Straße 3
DE-34125 Kassel
Telefon: 0561 804-3236
Fax: 0561 804-2045
Homepage:
http://www.tff-kassel.de
Leiter der FE: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm
Projektleiter: Christian Wolf, M.Sc., IWE

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Inhaltsverzeichnis
Kurzzusammenfassung: ............................................................................................................. 4
Einleitung und Motivation ........................................................................................................... 8
Stand Wissenschaft und Technik ............................................................................................... 9
Grundlagen .............................................................................................................................. 12
Elektronenstrahlschweißen ................................................................................................... 12
Schallemissionsprüfung ........................................................................................................ 17
Definition der Arbeitshypothesen aus dem Antrag .................................................................... 24
Lösungsweg zur Untersuchung der Arbeitshypothesen: ........................................................... 26
Verwendete Analgentechnik ..................................................................................................... 32
Methodisches Vorgehen ........................................................................................................... 35
Reproduzierbare Fehlereinbringung ...................................................................................... 35
Einflüsse durch Anlagen- und Umgebungsgeräusche ........................................................... 36
Untersuchung der Reproduzierbarkeit der Schallsignale ....................................................... 39
Schalldatenvorbereitung ....................................................................................................... 39
Versuchsdurchführung ............................................................................................................. 40
Versuchsmaterial und Schweißanordnung ............................................................................ 40
Versuchsaufbau .................................................................................................................... 41
Ermittlung von Referenzschweißparametern ........................................................................ 42
Ermittlung der Prozessparameter und Einbringungsmethoden für die reproduzierbare
Herstellung der Schweißnahtunregelmäßigkeiten ................................................................. 43
Auswertung der Schalldaten ..................................................................................................... 45
Auswertung im Zeit- und Frequenzbereich ............................................................................ 45
Auswertung der Prozessgeräusche mittels STFT ................................................................. 56
Auswertung der Daten mittels ML-Modellen .......................................................................... 61
Übertrag der Ergebnisse auf das Laserstrahlschweißen ....................................................... 66
Übertrag der Schweißversuche auf eine Makro-EB-Schweißanlage ..................................... 68
Zusammenfassung der Ergebnisse ....................................................................................... 77
Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des Forschungsantrags ................. 79
Durchführende Forschungseinrichtung ..................................................................................... 80
Angaben über gewerbliche Schutzrechte ................................................................................. 81

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Angaben zu den aus der Zuwendung finanzierten Ausgaben ................................................... 82
Verwendung der Zuwendungen durch die Forschungseinrichtung (FE).................................... 83
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten .................................................. 86
Nutzen für kleine und mittelständische Unternehmen ............................................................... 87
Veröffentlichungen und Ergebnistransfer in die Wirtschaft ........................................................ 88
Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzepts ......................................................... 90
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 94

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Einleitung und Motivation
Aufgrund der hohen erreichbaren Nahtqualität (geringes Nahtfehleraufkommen, minimaler Energieeintrag,
minimaler Schweißverzug) und der endkonturnahen Fertigungsmöglichkeit wird das
Elektronenstrahlschweißen (EB) häufig innerhalb der letzten Fertigungsschritte einer Produktionskette
eingesetzt [1]. Die Nutzung der vollautomatisierten Fertigung kann hierbei durch nicht
detektierte Prozessschwankungen zu folgenschweren Produktionsausfällen führen. Aus wirtschaftlicher
Sicht fordern die Anwender der EB-Technologie eine grundsätzliche Reproduzierbarkeit
durch maximale Prozessstabilität. Die Anforderungen an Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit
wachsen allerdings mit immer komplexeren Fügeaufgaben und erfordern so immer konstantere
Randbedingungen.
Trotz der Tatsache, dass beim Elektronenstrahlschweißen alle Prozessparameter als gut messund
protokolierbare elektrische Größen (Strahlstrom, Linsenstrom, Beschleunigungsspannung
usw.) vorliegen, kann allein aus der Erfassung dieser Parameter nicht auf eine hinreichende Qualität
der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden. Neben der nicht ausreichenden Entmagnetisierung
mit unzulässiger Strahlablenkung können kathodeninduzierte Schweißnahtunregelmäßigkeiten
(siehe u. a. IGF-Vorhaben: 18840 N) zu einer ungewollten und derzeit nicht erfassbaren
Abweichung in der Schweißnahtqualität führen [2–4]. Auch Fehler bei der Nahtkantenvorbereitung
und bauteil- oder werkstoffbedingte Prozesseinflüsse, die zu Poren oder Rissen führen,
können über die Parameterüberwachung der EB-Schweißanlage nicht oder nur unzureichend
detektiert werden. Die bisherige, mangelnde Detektierbarkeit führt dazu, dass bei steigendem
Automatisierungsgrad der nachgelagerte Prüfaufwand deutlich erhöht werden muss. Diese Erhöhung
geht zwangsläufig mit gesteigerten Kosten pro Bauteil und/oder einer geringeren Produktivität
einher. Auch die Forderung vieler Kunden nach einer lückenlosen Dokumentation des
Schweißprozesses inklusive einer Qualitätsprüfung sind für das Elektronenstrahlschweißen bislang
nur über nachgelagerte Prüfmethoden realisierbar, mit oben genannten Folgen für Kosten
und Produktivität. Aus diesen Gründen ist die Forderung der Industrie nach prozessparallelen In-
Line-Prüfsystemen aktueller denn je.
Ein vielversprechender Ansatz zur Prozessüberwachung ist dahingehend die Nutzung der Schallemission
des Schweißprozesses zur Qualitätsbeurteilung. Bedingt durch das Vakuum in der Arbeitskammer
der Elektronenstrahl-Schweißanlage ist eine Ausbreitung von Luftschall nicht möglich,
jedoch können Körperschallsignale ausgewertet werden. Eine Schallüberwachung ermöglicht
zudem auch die Detektion metallurgisch bedingter Fehler wie beispielsweise Risse oder
Schmelzbadauswürfe. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit von Körperschallaufnehmern ist, im
Vergleich zu optischen Systemen, auch die Prozessüberwachung sehr kleiner Schmelzbäder
(beispielsweise beim Mikro-Elektronenstrahlschweißen) möglich.

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Stand Wissenschaft und Technik
Im Folgenden wird ein Überblick über den Stand der Technik und die aktuellen Erkenntnisse und
Probleme, die sich bei der Prozessüberwachung von EBW ergeben, beschrieben.
Das Inline-Monitoring von Schweißprozessen ist seit Jahren Stand der Technik. Bei verschiedenen
Lichtbogenschweißverfahren kann über die elektrischen Ströme und Spannungen ein direkter
Zusammenhang zum Prozess (z. B. Kurzschluss, Tropfenablösung) hergestellt werden [5].
Auch optische Methoden mittels Kameras o.ä. können aufgrund der großen Schweißzone relativ
einfach Auffälligkeiten im Lichtbogen oder in der Schmelze erkennen. [6, 7]. Allerdings ist die
Inline-Prüfung von Strahlschweißprozessen deutlich schwieriger, da die elektrischen Parameter
im Strahlgenerator nur einen indirekten Zusammenhang mit dem Prozess zulassen. Darüber hinaus
sind die resultierenden Schmelzbäder deutlich kleiner und tiefer [8–10], der Energieeintrag
ist viel gezielter [8] und auch die Abkühlraten sind deutlich höher [9, 11–13]. Die Überwachung
eines Strahlschweißprozesses geht daher in der Regel mit der Erfassung von Prozessemissionen
einher, die vom Prozess selbst ausgehen [14]. Darüber hinaus können typische Methoden der
nachgeschalteten zerstörungsfreien Prüfung, wie beispielsweise die Durchstrahlungsprüfung, in
der Regel nicht während eines Schweißprozesses in der Industrie durchgeführt werden [15].
Grundsätzlich emittieren Schweißprozesse verschiedene Emissionen in Form von Schallwellen,
elektromagnetischen Wellen und Partikeln, wobei sowohl die akustischen als auch die elektromagnetischen
Emissionen zur Erkennung von Prozessereignissen genutzt werden können [8, 14,
16]. Darüber hinaus kann die Abbildung der Werkstückoberfläche mittels rückgestreuter Elektronen
(oft als elektronenoptischer Einblick oder ELO-Überwachung bezeichnet) zur Erkennung
oberflächlicher Risse [17] oder anderer Inhomogenitäten genutzt werden. Das Signal einer oft
eingebauten CCD-Kamera kann auch zur Erkennung von Schweißfehlern genutzt werden, z.B.
Risse, obwohl Kontrast und Auflösung solcher Kamerabilder oft schlechter sind als die des elektronenoptischen
Bildes. Darüber hinaus handelt es sich bei diesen Prozessen bis auf die Überwachung
der Anlagenparameter nicht um echte Inline-Prozesse, da zur Erkennung von oberflächlichen
Fehlern ein dem eigentlichen Prozess nachgeschaltetes Abbild der Nahtoberfläche erforderlich
ist. Eine Ausnahme hiervon bildet das sogenannte „ELO-Online“, bei dem der Elektronenstrahl
durch schnelle Strahlablenkung für einige Millisekunden die Schweißnaht verlässt, um ein
Bild der Schweißnaht mit ihrer Umgebung aufzunehmen [18].
Auch wenn der Elektronenstrahl im Vergleich zur Schweißzeit für die Bildgebung nur für einen
sehr kurzen Zeitraum die Schweißnaht verlässt, kann eine Rückwirkung auf den Prozess nicht
ausgeschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die entstehenden Röntgenstrahlen
zur Prozessüberwachung zu nutzen. Ähnlich wie bei den rückgestreuten Elektronen lassen
sich durch die Auswertung der Strahlungsintensität Rückschlüsse auf die Fokuslage im Prozess
bzw. die Position des Strahls relativ zur Schweißnaht ziehen [19].

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.887 N
Weitere Schweißnahtunregelmäßigkeiten beim Elektronenstrahlverfahren können nach derzeitigem
Forschungsstand noch nicht ausreichend erkannt werden. Gleiches gilt für die Bewertung
der Bauteilqualität und des Eindringstroms. Während es möglich ist, den Fokusstrom zu protokollieren
und so indirekt eine korrekte Fokuslage zu erkennen, können viele andere Unregelmäßigkeiten,
wie zum Beispiel Poren, Risse oder Bindungsfehler, nicht erkannt werden. Optische
Methoden, die die Infrarotstrahlung des Prozesses und der Schmelze auswerten, können Poren
oder Lunker identifizieren, da bei deren Auftreten mit einem kurzzeitigen Signalabfall gerechnet
werden muss [20]. Eine optische Prozessüberwachung innerhalb der Arbeitskammer hat sich
jedoch auf Dauer nicht bewährt, da sich Metalldampf bereits nach wenigen Sekunden Schweißzeit
auf optischen Linsen absetzen können, was die Signalqualität erheblich beeinträchtigen kann
[20].
Die Analyse akustischer Emissionen wurde in verschiedenen wissenschaftlichen Publikationen
zur Überwachung des EBW-Prozesses eingesetzt. Aufgrund des Vakuums in der Arbeitskammer
einer EBW-Anlage kommt es zu keiner Luftschallausbreitung, weshalb immer Körperschall erfasst
und ausgewertet wurde. Erste Untersuchungen wurden bereits 1973 von Steffens und
Crostack durchgeführt, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf den auftretenden Frequenzen
und deren Abhängigkeit von der Ausbreitung im Metall lag [21]. Dabei wurde das Körperschallsignal
im Sinne einer Laufzeitmessung genutzt, um eine Aussage über die Position der Schallquelle
zu erhalten. Die ersten Anwendungen im EBW fanden 1975 statt [22], wobei vier Arten von
Körperschallsignalen unterschieden wurden: (i) Geräusche aus dem Schweißprozess (Phasenumwandlung,
plastische Verformung und Rissbildung), (ii) Geräusche von der Ausrüstung (z. B.
Antriebe), (iii) kombinatorische Geräusche aufgrund der Wechselwirkung von Werkstück und
Ausrüstung (z. B. Reibung oder Temperatureffekte aufgrund von Wärmeausdehnung) und (iv)
Geräusche aus der Umgebung, die die Autoren durch einen Hochpassfilter bei 50 Hz unterdrück
haben [23]. Eine Zuordnung des Körperschallsignals zu einzelnen Ursachen, beispielsweise
Schweißunregelmäßigkeiten, wurde mangels Auswertungsmöglichkeiten nicht vorgenommen
[30]. Etwa zur gleichen Zeit wurden in der Sowjetunion Schallemissionsanalysen durchgeführt,
bei denen während und nach dem Schweißvorgang Risse festgestellt werden konnten [24, 25].
Allen Körperschallanalysen aus den 1970er Jahren ist gemeinsam, dass ausschließlich Zeitsignale
und Amplituden ausgewertet wurden. Die Möglichkeit, eine Frequenzanalyse in Echtzeit
während des Prozesses durchzuführen, war aufgrund eines offensichtlichen Mangels an Rechenhard-
und -software nicht möglich. Dadurch war auch die Zuordnung der Signalunregelmäßigkeiten
nur sehr unspezifisch möglich.
Im Jahr 1998 ist es durch verbesserte Körperschallsensoren und neuere Aufnahmetechnik gelungen,
den Entstehungsort von Schallereignissen – in diesem Fall Risse in der Schweißnaht –
mit hoher Genauigkeit und ohne Kenntnis der Schallgeschwindigkeit der Schweißmaterialien zu
lokalisieren [26, 27]. Allerdings konnten die gemessenen Schallsignale keiner anderen Fehlerkategorie
zugeordnet werden. Neuere Untersuchungen auf diesem Gebiet bestätigen die oben genannten
Erkenntnisse [28]. Hierbei konnten eindeutige Aussagen zur Einschweißtiefe, also Einbrand
ja/nein, und zur Rissbildung beim EBW von Ti6Al4V getroffen werden, wobei lediglich die