Qualitätsüberwachung von Kehlnähten in hochfesten Stählen in Echtzeit

Ziel des europäischen Projekts AVANGARD ist die Entwicklung eines leichten und sicheren Elektrofahrzeugs für den Personentransport in Städten. Das Projekt trägt zur Verwendung von hochfesten Stählen bei, indem es ein innovatives Fahrgestell für Elektrofahrzeuge erforscht und entwickelt. Dieses muss strukturelle und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen und wird das Rückgrat für die Konstruktion einer neuen Generation von leichten Elektrofahrzeugen bilden. Bei dieser Entwicklung werden Dualphasenstähle eingesetzt. Dabei handelt es sich um innovative Werkstoffe, die ihre Eigenschaften aus einer einzigartigen Zweiphasenstruktur (ferritisch-martensitische Mikrostruktur) beziehen. Ein wichtiges Anliegen ist es, Schweißfehler schnell, zuverlässig und kostengünstig zu erkennen. Die derzeitigen zerstörenden und zerstörungsfreien Verfahren sind zeitaufwändig und teuer und eignen sich nicht immer zur Beurteilung der Schweißnahtqualität. Mit Echtzeit-Qualitätskontrollsystemen können die derzeitigen Beschränkungen herkömmlicher Charakterisierungsverfahren überwunden werden. Eine vielversprechende Technik für diesen Zweck ist die akustische Emissionsüberwachung (AEM).

Die AEM-Technik basiert auf der Erfassung und Umwandlung von Hochfrequenzwellen in elektrische Signale. Schallemissionen entstehen bei der Herstellung einer Schweißverbindung durch die Bildung der Schweißnaht, das Auftreten von Fehlern oder Störeinflüssen. Die Form, in der die Schallemission auftritt, hängt vom Schweißverfahren, dem Werkstoff, der Temperatur und der Geometrie des Werkstücks ab. Das grundsätzliche Ziel der Überwachung durch Schallemissionen beim Schweißen ist es, nützliche Informationen über die Qualität der Verbindungen während des Schweißens zu erhalten. Mit den richtigen Geräten und Einstellungen und der entsprechenden Analysesoftware können die verschiedenen Quellen der Schallemission unterschieden und mögliche Schweißfehler während des Schweißprozesses aufgezeigt und gegebenenfalls korrigiert werden. 

Vorteile der Qualitätskontrolle in Echtzeit

Die Echtzeitkontrolle der Schweißnahtqualität reduziert zerstörende Prüfungen und Ausschuss. Solche Systeme bieten Flexibilität in der Produktion und die Möglichkeit, 100% Schweißnähte zu prüfen, wodurch die Kosten für Energie, Material und Arbeitskräfte gesenkt werden. Die Echtzeitkontrolle kann stichprobenartige Prüfungen nach der Produktion überflüssig machen oder erheblich reduzieren, die Zahl der zerstörenden Prüfungen verringern und die Zuverlässigkeit von Schweißverfahren und Endprodukten erhöhen. Wenn eine ausreichende Genauigkeit und Präzision der Messverfahren erreicht wird, kann die Schweißnahtqualität synchron mit der Produktion gewährleistet werden. Die Überwachung der Schweißqualität in Echtzeit ermöglicht die Anpassung der Parameter während des Prozesses selbst, um Schweißfehler zu korrigieren.

Experimentelle Forschung

Im Rahmen des AVANGARD-Projekts wurden Experimente zur Überwachung des robotergestützten MIG/MAG-Schweißens auf der Grundlage von Schallemissionen durchgeführt. Es wurden verschiedene Arten von Sensoren verwendet: piezoelektrische Sensoren und ein Mikrofon. Die Schweißversuche wurden für Kehlnähte durchgeführt (siehe Abbildung 2). Die Schweißnähte wurden mit verschiedenen Parametereinstellungen des Schweißprozesses durchgeführt. Die mit optimalen Parametern durchgeführten Schweißungen dienten als Referenz. Darüber hinaus wurden Schweißungen durchgeführt, bei denen ein bestimmter Parameter variiert wurde, z. B. die Schweißgeschwindigkeit, die Überstandslänge, die Brennerposition oder der Brennerwinkel und die Schweißrichtung (ziehend oder drückend), mit dem Ziel, Schweißfehler zu erzeugen. Der für die Versuche verwendete Roboter war ein Universal Robotics UR10 mit einer MIGATRONICS Sigma Select 400 Stromquelle (siehe Abbildung 3). Zur Bewertung der Schweißnahtqualität wurde die Norm ISO 5817:2014: Schweißen - Schmelzschweißverbindungen in Stahl, Nickel, Titan und ihren Legierungen (Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen ausgeschlossen) - Qualitätsstufen für Unvollkommenheiten" verwendet. Diese internationale Norm legt die Qualitätsstufen für Unvollkommenheiten in Schmelzschweißverbindungen von Stählen fest, wie z. B. Risse, Porositäten und Hohlräume, feste Einschlüsse, fehlendes Eindringen und unvollständiges Eindringen, Formabweichungen und Mehrfachabweichungen.

Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz zur Überwachung der Schweißqualität

Künstliche Intelligenz bietet ein enormes Potenzial für die Analyse von Messdaten und die Überwachung der Qualität von Schweißnähten und geschweißten Produkten. Datengesteuerte KI-Modelle wurden von der Firma OQTON entwickelt und zur Vorhersage der Schweißnahtqualität sowie zur Erkennung und Klassifizierung auftretender Fehler auf der Grundlage des von einer Schweißnaht erzeugten Rauschens eingesetzt. Auch Schweißspannung und -strom wurden von den KI-Modellen zur Analyse herangezogen. Es wurde untersucht, inwieweit Abweichungen im akustischen Spektrum mit der Art des Schweißfehlers, definiert nach ISO 5817, in Verbindung gebracht werden können. Mit anderen Worten, kann das beobachtete akustische Spektrum eine Aussage darüber treffen, welche Art von Schweißnahtfehler in der Schweißnaht vorhanden ist und wo in der Schweißnaht dieser Fehler auftritt. Darüber hinaus wurde anhand der relevanten akustischen Spektren untersucht, ob eine Schweißnahtfehlstelle nach ISO 5817 (Qualitätsstufe C) akzeptabel ist oder nicht. Die Genauigkeit dieser Modelle zur Extraktion der Informationen aus allen Messungen wurde ermittelt. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, Schweißfehler in Echtzeit zu erkennen, sondern ihnen auch sofort eine Bewertung auf der Grundlage des übertragenen akustischen Spektrums zuzuweisen. Ist der Schweißfehler nicht akzeptabel, ist es bei kontinuierlichen Anlagen (z.B. Roboteranlagen) möglich, das System auf Basis dieser Daten adaptiv reagieren zu lassen, indem die Schweißparameter angepasst werden. Aus der Tabelle können wir schließen, dass wir aus den akustischen Signalen mehr Informationen gewinnen können als aus den Prozessparametern. Dies ist eine Bestätigung dafür, dass der Einsatz von AEM die Echtzeitüberwachung von Schweißprozessen verbessern kann. Es ist zu beachten, dass diese Ergebnisse auf der Grundlage einer begrenzten Datenmenge (20 Minuten Audiosignale) erzielt wurden. Die Leistung des Modells kann verbessert werden, wenn mehr Messungen durchgeführt werden.

Schlussfolgerungen

Eine vielversprechende Methode zur Qualitätssicherung ist die Schallemissionsüberwachung. Diese Methode ist eine zerstörungsfreie Prüftechnik, die während des Schweißprozesses eingesetzt werden kann und die Möglichkeit bietet, die Qualität aller Schweißnähte zu prüfen. Die Schallemissionsüberwachung als zerstörungsfreie Prüfmethode wurde auf der Grundlage entwickelt, dass jedes Material natürliche Schwingungen aufweist und dass Maschinen und Prozesse Geräusche aussenden. Das belgische Institut für Schweißtechnik führt in Zusammenarbeit mit OQTON ein Forschungsprojekt durch, um das Potenzial dieser Technik zu untersuchen und sie in der Praxis zu testen. Ziel ist es, diese Technologie für das Lichtbogenschweißen zu bewerten. Es wurden Schweißversuche unter verschiedenen Prozessbedingungen durchgeführt, um Schweißnähte mit unterschiedlichen Qualitätsstufen zu erzeugen.   

Datengesteuerte KI-Modelle wurden zur Vorhersage der Schweißqualität und potenzieller Fehler auf der Grundlage der während des Schweißens aufgezeichneten Geräusche verwendet. Beim robotergestützten MIG/MAG-Schweißen von Kehlnähten wurden die Schallemissionsmessungen mit den nach ISO 5817 definierten Arten von Schweißfehlern verknüpft. Das beobachtete akustische Spektrum kann eine Aussage darüber treffen, welche Art von Schweißfehler in der Schweißnaht vorhanden ist und wo in der Schweißnaht dieser Fehler auftritt. Mit den KI-Modellen lässt sich auch vorhersagen, ob ein bestimmter Schweißfehler gemäß EN ISO 5817 (Qualitätsstufe C) akzeptabel ist oder nicht.

Weitere Forschung - Aufruf zur Teilnahme an weiterer Forschung

Die Forschung zu dieser Überwachungstechnik wird fortgesetzt. Es wird auch untersucht, ob die Kombination verschiedener Sensoren eine bessere Analyse ermöglichen kann. Für weitere Informationen können sich interessierte Unternehmen an Koen Faes (koen.faes@bil-ibs.be) vom Belgischen Institut für Schweißtechnik wenden.

Danksagung

AVANGARD wird durch das Forschungs- und Entwicklungsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Vertragsnummer 869986 unterstützt.