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Problemstellung
Verschiedene Systeme zur Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen, die auf unterschiedlichsten Messmethoden basieren, wurden bereits entwickelt. Die Einführung dieser Systeme in die industrielle Fertigung vollzieht sich jedoch sehr schleppend, implementierte Prozessüberwachungssysteme werden oftmals als störend empfunden und außer Betrieb genommen, weil sie nur geringe Aussagekraft für den Prozess besitzen, nicht zuverlässig waren und weil Messtechnik und Laser nicht ausreichend räumlich und steuerungstechnisch integriert waren.
Der zunehmende Einsatz des Laserstrahlschweißens in zahlreichen Bereichen der industriellen Produktion ist zum einen in einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit gegenüber konkurrierenden Verfahren, zum anderen in den Eigenschaften des Laserstrahls als Werkzeug zu sehen. So sind eine kräftefreie Bearbeitung und eine lokal stark begrenzte Energieeinbringung in das Werkstück möglich. Dadurch sind Prozesse, die mit anderen Verfahren z.B. aufgrund zu hoher thermischer Belastung des Bauteils scheitern würden, oftmals überhaupt erst realisierbar.
Eine hohe Wirtschaftlichkeit in der Serienfertigung erfordert eine hoch automatisierte Qualitätsüberwachungs- und Regelstrategie. Der Laserstrahlschweißprozess bietet hier zahlreiche neuartige Ansätze im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Erschwerend wirkt sich jedoch die Komplexität des Prozesses aus, d.h. die Abhängigkeit des Bearbeitungsergebnisses von zahlreichen Prozessparametern. Um das geforderte Qualitätsziel sicher zu erreichen, ist deshalb eine umfassende Online-Prozesskontrolle notwendig.

Projektziele
Um in der Produktion Einsatz zu finden, waren dabei neben der geforderten Zuverlässigkeit der Qualitätsaussage besondere Anforderungen an den Integrationsgrad und die Robustheit des Systems gestellt. Im Vergleich zu kommerziellen Laseroptiken musste eine bessere Zugänglichkeit zum Werkstück erreicht werden.
Zur Realisierung wurden in das System sowohl integral messende, optische als auch bildgebende, kamerabasierte Sensoren integriert. Die Kombination mehrerer prozessangepasster Detektoren und eine kombinierte Auswertung verschiedener Messmethoden erhöht dabei die Aussagekraft, die Zuverlässigkeit und die Flexibilität des Systems. Hohe Bildfolgefrequenzen werden durch Beschleunigerhardware erreicht.

Vorgehensweise
Zunächst wurden für die während des Laserstrahlschweißprozesses zu detektierenden Parameter Teillösungen untersucht, insbesondere für die Messung der Einschweißtiefe wurden dabei neue Verfahren betrachtet. Die nach einer Bewertungsmatrix favorisierten Systeme wurden entsprechend den Anforderungen der Integration weiterentwickelt. Anschließend wurde das Gesamtsystem durch grundlegende Versuche und an Realbauteilen evaluiert.

Ergebnisse
Das Gesamtsystem wurde bereits realisiert und erste Versuche an Realbauteilen durchgeführt. Eine durchgängige, modulare Integration unterschiedlicher Mess- und Stellsysteme ist gelungen, mit der die unterschiedlichen Anforderungen des Prozesses erfüllt werden können. Qualitätsrelevante Kenngrößen wie Fokuslage, Einschweißtiefe und Nahtlage können sicher und eindeutig durch ortsaufgelöste Sensorik und die Kombination von Prä-, In- und Post- Prozess-Informationen detektiert werden. Dadurch kann beispielsweise während des Laserstrahlschweißprozesses im Vorlauf die Stoßgeometrie überprüft, zu fügende Werkstücke zueinander justiert und die Strahllage zum Werkstück angepasst werden. Zur lateralen Nahtlagen
regelung des Laserfokus wurde eine Linearachse entwickelt.
Zur Messung der Einschweißtiefe während des Schweißprozesses wurden mit einem "Keyhole- Sensor" erste Versuche durchgeführt, mit dem dann die Kapillartiefe während des Schweißprozesses gemessen werden kann.
Das System erlaubt eine Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit durch Optimierung des Schweißprozesses.

Anwendungspotenzial
Dieses im Rahmen des Vorhabens realisierte Prozessüberwachungssystem wird dazu beitragen, die Produktionstechnik zu flexibilisieren und die beim Laserstrahlschweißen produzierte Qualität und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Das Gesamtsystem bietet zwar die Möglichkeit, den Laserstrahlschweißprozess hinsichtlich vieler Merkmale zu erfassen, jedoch muss der komplexe Laserstrahlschweißprozess weiterhin teilweise über die Erfassung indirekter Parameter charakterisiert werden, d.h. es sind grundsätzlich Anpassungen des Systems an die jeweilige Anwendung nötig.
Entsprechend der zunehmenden Kenntnis über den Laserstrahlschweißprozess können die Algorithmen des entwickelten Systems ständig aktualisiert werden. Darüber hinaus werden Weiterentwicklungen im Bereich der CMOS- Kameratechnik, sowie leistungsfähigere Rechner dazu beitragen, die Aussagekraft des Systems weiter zu erhöhen.
Die Realisierung dieses modularen Prozesskontrollsystems für das Laserstrahlschweißen trägt zum nachhaltigen, weit tragenden Ausbau und zur Sicherung einer Weltspitzenposition bei.

Integation optischer Messmethoden zur Prozesskontrolle beim Laserstrahlschweißen

Autor: Müller-Borhanian, J. (Hrsg.)

Verlag: Herbert Utz Verlag, München

Erscheinungsjahr: 2005

ISBN: 3-8316-0531-9

Beschreibung: Das im Rahmen des Projekts entwickelte Prozessüberwachungssystem wird die beim Laserstrahlschweißen erzeugte Naht überwachen und somit zu einer höheren Bauteilqualität führen. In dem hier vorliegenden Abschlußbericht sind durch die Verbundpartner, u.a. anhand der neu konzipierten Produkte, die vielfältigen Aspekte des Laserstrahlschweißens mit Prozesskontrolle dargestellt. Dieser Leitfaden will einen aktiven Beitrag zum Ergebnistransfer leisten und auch jene Unternehmen ansprechen, die sich mit dem Gedanken tragen, eine Prozesskontrolle beim Laserstrahlschweißen einzuführen.