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Open Access
Bildbasierte Charakterisierung und Regelung von Laserschweißprozessen
(München : Herbert Utz Verlag, 2017) Abt, Felix; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat. habil.)
Das Laserstrahltiefschweißen ist ein weit verbreitetes Verfahren in der industriellen Fertigung und obwohl bereits seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz, mangelt es bis heute an Möglichkeiten der Prozessregelung. Verfügbare Regelsysteme beschränken sich meist auf die Positions- oder Abstandsregelung, lassen den eigentlichen Schweißprozess jedoch in aller Regel außen vor. Bisherige Ansätze zur Regelung des Schweißprozesses scheiterten regelmäßig an zu geringer Messgeschwindigkeit oder nicht robust messenden Integraldetektoren. Obgleich die Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen bereits in vielen Bereichen Anwendung findet, handelt es sich auch hierbei meist um Verfahren mit integral messenden Detektoren, deren Messkurven lediglich über Korrelationsverfahren mit der erreichten Nahtqualität in Verbindung stehen. Kamerabasierte Verfahren zur Prozessüberwachung wurden zwar in den vergangenen Jahren massiv weiterentwickelt, abgesehen von Systemen zur Positionsüberwachung und -Regelung, kommen jedoch auch bei diesen meist Algorithmen zum Einsatz, die den Prozess auf Helligkeitsschwankungen hin untersuchen. Die Verwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen, welche auf der Auswertung von geometrischen Formparametern beruhen, ermöglichen eine weit robustere und aussagekräftigere Beurteilung des Prozesszustandes, als es die eingangs genannten helligkeitsbasierten Algorithmen vermögen. Der notwendige hohe Rechenaufwand verhindert jedoch bis dato die Nutzung solcher Algorithmen für ein echtzeitfähiges System zur Prozessreglung. In dieser Arbeit wird basierend auf spektroskopischen Untersuchungen der elektromagnetischen Prozessemissionen und der Störeinflüsse durch Metalldampf und Schweißrauchpartikel, ein spektrales Fenster identifiziert, welches optimale Bedingungen für die Beobachtung der thermischen Prozessemission mit siliziumbasierten Kameras ermöglicht. Grundlagenuntersuchungen mittels kombiniertem Einsatz von Röntgenvideotechnik und Hochgeschwindigkeitskameras im nahen und mittleren Infrarot, erlauben einen dreidimensionalen Einblick in den Schweißprozess, auch unterhalb der Schmelzebadoberfläche. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für die Entwicklung einer kamerabasierten Prozessüberwachung, welche über eine koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl angeordnete Kamera, die thermische Strahlungsemission des Prozesses erfasst und die entstehenden Bilder anhand geometrischer Bildmerkmale auswertet. Die identifizierten Bildmerkmale beschreiben die jeweiligen transienten Fehler eindeutig und liefern eine Charakterisierung des Prozesszustandes. Aus den evaluierten geometrischen Bildmerkmalen wird das Merkmal Durchschweißloch ausgewählt, um mittels eines geschlossenen Regelkreises den Durchschweißgrad von Lasertiefschweißprozessen zu regeln. Die Regelung wird dabei mittels einer neuartigen Rechnerarchitektur realisiert, der sogenannten Cellularen Neuronalen Netze (CNN). Die CNN-Architektur integriert dabei ein Netzwerk analoger Prozessoren direkt auf dem Kamerachip. Jeder einzelne Pixel verfügt bei diesem System über einen eigen simplen Prozessor. Diese Architektur ermöglicht es durch die Vernetzung der einzelnen Pixel eine Bildverarbeitung direkt auf dem Kamerachip durchzuführen, deren Berechnungen innerhalb eines Belichtungszyklus abgeschlossen sind. Auf diese Weise wurde ein Regelsystem implementiert, welches mit Regelfrequenzen bis zu 14 kHz bei minimaler Latenz, eine robuste Regelung der Durchschweißung und Einschweißung an I-Naht-Überlappverbindungen ermöglicht.
Open Access
Vorteile und Herausforderungen beim Laserstrahlschweißen mit Strahlquellen höchster Fokussierbarkeit
(2012) Heß, Axel; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat. habil.)
Die Vorteile einer sehr guten Fokussierbarkeit von Scheiben- und Faserlaser lassen sich auf verschiedene Art und Weise nutzen. Kleinere Fokusdurchmesser und die daraus resultierenden hohen Intensitäten ermöglichen einen Tiefschweißprozess bei sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Für den industriellen Einsatz ist vor allem eine reproduzierbare hohe Qualität des bearbeiteten Bauteils entscheidend. Schädigungen, wie insbesondere der Verzug, sollen so weit wie möglich reduziert werden. Untersuchungen zeigen, dass bei einer konstanten Einschweißtiefe mit einem kleineren Fokusdurchmesser, einer höheren Vorschubgeschwindigkeit und einem kleineren Divergenzwinkel der Verzug stark reduziert werden kann. Der Vorteil einer sehr guten Strahlqualität kann auf der anderen Seite sehr hohe Intensitäten in den Schweißoptiken mit sich bringen. Durch Absorptionen im Bulkmaterial und den Beschichtungen kommt es zu thermischen Effekten und somit zu einer Verschlechterung der Strahlqualität und zu einem Fokus-Shift. Diese können so gravierend sein, dass Auswirkungen auf den Schweißprozess einhergehen. In der vorliegenden Arbeit wurden mit hochwertiger und komplexer Messausrüstung transiente und stationäre Strahlqualitätsmessungen an Schweißoptiken durchgeführt. Ein neuentwickeltes und neuartiges Verfahren ermöglicht eine einfache Qualifizierung von Optiken. Der sogenannte „Referenzprozess“ macht dazu Veränderungen der Intensität bzw. der Intensitätsverteilung auf dem Werkstück sichtbar, die zu unterschiedlichen Schweißergebnissen führen und sich mittels Messschieber einfach auswerten lassen. Ein weiterer Vorteil der hohen Intensitäten von im infraroten emittierenden Laser-strahlquellen ist die Bearbeitung von Kupferwerkstoffen im Dauerstrichbetrieb. Dabei lassen sich mehrere Millimeter Einschweißtiefe erreichen. Eine Herausforderung stellt die geringe Absorption von gerade einmal 5 % zu Prozessbeginn dar. Starke Rückreflexe können dabei zu Schädigungen in den optischen Komponenten führen. Durch die Verwendung von frequenzverdoppelten Lasersystemen kann die Absorption etwa versiebenfacht werden, so dass Rückreflexe reduziert werden. Diese neuartigen im „grünen“ emittierenden cw-Laser sind in ihrer Leistung noch stark begrenzt, weshalb in dieser Arbeit ein Kombinationsprozess realisiert wurde, mit dem höhere Einschweißtiefen möglich werden und der Vorteil der kürzeren Wellenlänge deutlich wird.