Prozesskenngrößen abhängige Regelung beim Laser-MSG-Hybridschweißverfahren und Ableitung von Kennzahlen für die Prozessqualität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Frühere Untersuchungen ergaben, dass beim MSG-Schweißen durch Überwachung der Schweißparameter und entsprechende Anpassung des Verfahrensablaufes eine gute Qualität der Schweißungen und stabile Schweißlichtbögen erzielt werden können. Voraussetzung dabei war, dass Erscheinungen wie unregelmäßiges Lichtbogenzünden, übermäßige Spritzerbildung sowie starke Rauchentwicklung erkannt werden konnten. Diese Zusammenhänge gelten genauso für den Laser-MSG-Hybridprozess. Es muss also möglich sein, Aussagen über die Prozessstabilität des Hybridprozesses zu treffen, da MSG-Parameter und Laserstrahl über das gemeinsame Plasma signifikant voneinander abhängig sind. Zum Zeitpunkt der Antragstellung waren keine Arbeiten zum Thema Prozesskontrolle des Laserstrahl-MSG Hybridprozesses über die Auswertung der Strom- und Spannungssignale des MSG-Prozesses bekannt. Die Publikationen und Arbeiten umfassten lediglich Untersuchungen von MSG-Lichtbogenprozessen mit Kurzlichtbogen und Impulslichtbogen. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es daher, beim Laser-MSG Hybridprozess die Stromund Spannungsparameter zu analysieren und voneinander signifikante Parametereinflüsse aufzuzeigen, um daraus Regelstrategien für die Prozessstabilität und Schweißnahtqualität abzuleiten. Dabei sollte die Methode der Überwachungsindizes zur Beurteilung von MSG- Impulsschweißprozessen nach Ogunbiyi, Nixon, Richardson und Blackman zum Einsatz kommen und gegebenenfalls um weitere Indizes erweitert werden. Diese Indizes, die ursprünglich zur Beurteilung der typischen Prozessstörungen des MSG-Impuls-Prozesses wie Kurzschlüsse und Lichtbogenunterbrechungen konzipiert wurden, können in Relation zu dem gewünschten Schweißergebnis und der Prozessstabilität gesetzt werden. Durch die Definition dieser Variablen und ihrer Abhängigkeiten sollte ein Regelungskonzept für den Hybridprozess entwickelt werden. Im Verlauf des Projektes wurden eine Vielzahl von Prozessvariationen des Hybridprozesses durch Schweißversuche untersucht und zusätzlich Prozessstörungen kontrolliert herbeigeführt. Dabei wurden die Signale von Schweißspannung und Schweißstrom des Lichtbogenprozesses mit einer Abtastrate von 20 kHz erfasst und nach den Versuchen auf Basis von den dimensionslosen, numerischen Indizes ausgewertet. Es kamen bei diesen Untersuchungen mehrere Lasertypen mit unterschiedlicher Wellenlänge und Laserleistung sowie die gängigen Modulationen der Lichtbogenimpulsprozesse zum Einsatz. Die Indizes zeigten zum Teil deutliche Korrelationen zu bestimmten Kombinationen von Lasertyp und variierten Prozessparameter. Besonders herauszustellen sind die Ergebnisse der Untersuchungen am CO 2-Laser mit 20 kW Laserleistung an Baustahl. Aufgrund der spezifischen Wellenlänge erzeugt die Strahlung dieses Lasertyps verstärkt ein laserinduziertes Plasma, das sich in der Prozesskombination stärker auf die Widerstandsverhältnisse in der Prozesszone auswirkt. Dadurch sind induzierte Prozessstörungen wie Plasmafackel und Störluft in der Prozesszone und die Variation der Laserleistung bei beiden verwendeten Modulationsarten U/I und I/I der MSG-Stromquelle und beiden Brenneranstellungen (vorlaufender und nachlaufender Laserstrahl) deutlich in den betrachteten Indizes erkennbar. Bei den Untersuchungen am Festkörperlaser an Aluminium waren die Korrelationen durch die verringerte Produktion von laserinduziertem Plasma deutlich schwächer ausgeprägt. Zur Untersuchung der Tauglichkeit von optisch arbeitenden Sensoren wurde der Laser Welding Monitor (LWM) aus dem Bereich der Prozessüberwachung von Laserstrahlschweißprozessen beim Laserstrahl-MSG Hybridprozess eingesetzt. Dieser Sensor misst die Prozesstemperatur und das Plasmaleuchten. Diese Untersuchungsreihen zeigten vielversprechende Ergebnisse, sie ergänzten zum Teil die Ergebnisse der Prozessüberwachung mit den Indizes. Die Untersuchungen am CO2-Laser mit 6 kW Ausgangsleistung an Stahl zeigten hierbei deutliche Korrelationen des Plasmasignals des LWM auf die Variation der Laserleistung. Das Plasmasignal muss dazu einer blockweisen Mittelung unterworfen werden, um den deutlichen Einfluss des Impulslichtbogens zu minimieren, da die Plasmaproduktion durch den Laserstrahl von der des MSG-Prozesses überlagert wurde. Ähnlich deutlich zeigte der LWM die erzwungene Prozessstörung durch eine Plasmafackel durch ansteigende Messwerte in beiden Messkanälen für Plasmaleuchten und Temperatur in der Prozesszone an. Die Störung der Schutzgasglocke durch Umgebungsluft führte im Sensorkanal Temperatur zu einem deutlichen Anstieg, während das Plasmaleuchten deutlich zurückging. Der Einsatz des LWM am Faserlaser zeigte aufgrund der deutlich höheren Emission des Lichtbogens im Bereich der Empfindlichkeit des Sensors für Plasmaleuchten und der verringerten Produktion von laserinduziertem Plasma durchgängig keine aussagekräftigen Korrelationen bezüglich der Variation der Schweißgeschwindigkeit. Bei Variation der Laserleistung an Stahl zeigte das Plasmasignal keine auswertbare Korrelation, an Aluminium ist eine stufenweise Erhöhung der Laserleistung zumindest tendenziell erkennbar. Aufgrund der Dominanz der Lichtbogenemission gegenüber der Plasmaproduktion des Faserlaserstrahlprozesses wurde eine Variation der Pulsfrequenz entsprechend deutlich im Plasmasignal des LWM abgebildet. Das Sensorsignal des LWM für die Erfassung der Prozesstemperatur reagierte deutlich auf eine Veränderung der Laserleistung sowohl bei Stahl als auch bei Aluminium. Das stufenweise Ansteigen der Laserleistung wird durch einen Anstieg des Temperatursignals abgebildet. Die aus den erfassten Daten für Schweißspannung und Schweißstrom berechneten Indizes zeigen bei Variation der Laserleistung bestenfalls tendenzielle Korrelationen. Bei stabiler Einstellung des MSG-Prozessteils ist eine Variation der Schweißgeschwindigkeit am Faserlaser für beide Werkstoffe nicht in den Sensordaten des LWM erkennbar. Der Einsatz des LWM beim Laserstrahl-MSG Hybridprozess bietet u. a. die Möglichkeit, kleine Laserleistungsveränderungen am Werkstück zu erkennen, die über die Indizes nicht mehr eindeutig erkannt werden können. Insofern stellt der Einsatz des Sensors eine sinnvolle Erweiterung des Prozesskontrollkonzeptes dar. Für die Realisierung des Regelungskonzeptes musste die aufwendige, mehrstufige Berechnung der Indizes, die bis dato offline nach dem Schweißvorgang in einem separaten Programm durchgeführt wurde und für eine Messdauer von 60 Sekunden zum Teil mehrere Minuten benötigte, in das Messdatenerfassungsystem LABVIEW integriert werden. Nach einer Optimierung erlaubt das erstellte Programm neben der Messdatenerfassung mit 20 kHz auf bis zu 10 Kanälen die Berechnung der sieben Indizes online während des Schweißvorgangs sowie die Möglichkeit, eine Steuerspannung als Ausgangsgröße anhand eines vorzugebenden Sollwertes eines Indizes zu regeln.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Laserstrahl-Lichtbogen Hybridschweißen von Stahl im Dickblechbereich, Dissertation, Mai 2008
Simon Olschok
- „27th International Conference on Applications of Laser & Electro-Optics, ICALEO 2008“ (20 – 23 Oktober 2008) in Temecula, CA, USA („The arc in hybrid welding serves as a sensor for the process quality")
- „JOM-15 Fifteenth International Conference on the Joining of Materials & The 6th International Conference on Education in Welding ICEW-6“ (4- 6. Mai 2009) in Helsingør Dänemark („The arc in hybrid welding serves as a sensor for the process quality")
