Steinbeis-Prüfmesssystem detektiert Schweißnahtfehler mit akustischer Emissionsanalyse
Das Schweißen kommt als Fertigungsverfahren in zahlreichen Branchen zum Einsatz. Die Vorteile des Verfahrens werden nur von einem zentralen Nachteil getrübt: Die Qualitätsprüfung ist aufwändig, weil Schweißnahtfehler nur schwer zu detektieren sind. Das gilt auch für das Wolfram-Inert-Gas-Schweißen (WIG), ein industriell weit verbreitetes Lichtbogenschweißverfahren, das vor allem durch seine hohe Schweißnahtqualität überzeugt. Überall dort, wo die Geschwindigkeit zugunsten der Qualitätsanforderungen zurücktreten kann, kommt dieses Verfahren zum Einsatz: beispielsweise im Rohrleitungs- und Apparatebau, im Kraftwerksbau oder der chemischen Industrie. Um die teure Qualitätsprüfung der Schweißnähte nach der Fertigung zu vermeiden, hat das Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation in Dresden gemeinsam mit der Merkle Schweißanlagen-Technik GmbH in einem geförderten Forschungsprojekt ein Prüfmesssystem entwickelt, das die Qualitätsprüfung während des Schweißprozesses durchführt und so Schweißnahtfehler schon im Entstehen verhindert.
Eine Schweißprozessüberwachung führt nicht nur zu einer Vermeidung von Schweißnahtfehlern: Sie bringt auch eine höhere Nahtqualität, eine steigende Produktivität, sinkende Produktionskosten und einen höheren Automatisierungsgrad mit sich. Gleichzeitig stellt sie ein wichtiges Hilfsmittel für ein gut funktionierendes Qualitätsmanagement dar, das in den meisten industriellen Branchen unerlässlich geworden ist.
DAS PROBLEM: FEHLER ZU KORRIGIEREN IST TEUER
Bisher findet die Prüfung von Schweißnahtfehlern auf Basis der DIN EN ISO 5817 statt. Anhand dieser Norm wird entschieden, ob eine nachträgliche Korrektur der Fehler möglich und notwendig ist. Dies führt zu den bis dato sehr hohen Kosten der Qualitätsprüfung. Als Prüfmethoden können zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren zum Einsatz kommen. Die zerstörungsfreien Verfahren umfassen die visuelle Prüfung, die Farbeindringprüfverfahren, die Magnetpulverprüfung, die Röntgen-, Ultraschall- und Wirbelstromprüfung, während die Härteprüfung, die metallografische Prüfung, die Festigkeitsprüfung und der Kerbschlagbiegeversuch zu den zerstörenden Prüfverfahren zählen.
DIE LÖSUNG: FEHLER IN DER FERTIGUNG VERMEIDEN!
Alle diese Prüfmethoden haben eins gemein: Sie finden nachgelagert zur eigentlichen Fertigung statt, vermeiden den Fehler also nicht, sondern bessern ihn bestenfalls verbunden mit hohen Kosten aus. Hier setzt das gemeinsame Forschungsprojekt des Dresdner Teams am Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation und des Industriepartners, der Merkle Schweißanlagen-Technik GmbH, an. Das entwickelte Prüfmesssystem regelt und überwacht den Schweißprozess inline, vermeidet damit mögliche Schweißnahtfehler und stellt so die geforderte Nahtgüte und -eigenschaften sicher. Das innovative System detektiert schweißtechnische Fehler, in dem es eine Korrelation zwischen akustischen Emissionen und Prozessphänomen herstellt.
„Wir haben mit unserem Projektpartner Merkle Schweißanlagen-Technik ein messtechnisches Konzept entwickelt und einen Prototyp des Prüfmesssystems hergestellt. Dadurch konnten wir Nahtfehler wie Poren, Bindefehler, Lunker, Risse und andere in Abhängigkeit von Prozessparametern und verwendeten Werkstoffen detektieren und schweißtechnisch bewerten“, erläutert PD Dr.-Ing. habil. Khaled Alaluss, der das Steinbeis-Innovationszentrum gemeinsam mit seinen Kollegen Dr. Lars Kulke und Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner leitet. Die Messsystemmodule am Protottyp lieferten Prozessdatenvolumen für definierte Nahtlängen und -volumen mit einem höheren Informationsgehalt als bisher möglich. So konnte das Projektteam verschiedene Schweißprozessrandbedingungen untersuchen und analysieren.
DIE PRAXIS: DAS SYSTEM ERFOLGREICH IM EINSATZ
Die Messungen waren eine erfolgreiche Bestätigung für das Team: Mit dem neuen System war eine berührungslose Messung einer Schweißnahtdetektion und die Zuordnung der daraus resultierenden Signaturen zu den auftretenden Nahtfehlern möglich; von 0,005 bis 200 kHz mit dem Luftschallsensor „Mikrofon“ und von 0,1 bis 500 kHz mit dem Körperschallsensor – der Stand der Technik liegt hier bei maximal 20 kHz. Unabhängig von der Sensorposition detektierten die Schweiß-Experten Schallsignale prozesstechnisch mit Messzeiten bis zu 30 Sekunden pro Messung erfolgreich. Luft- und Körperschallsensoren können damit beliebig an verschiedenen Positionen der Schweißanlage und -proben angebracht werden, dadurch können die Schweißnahtfehler mit größerer Genauigkeit und Sensitivität ermittelt und beschrieben werden.
Nach Ende des Projekts zeigt sich, welchen Mehrwert das neue Prüfmesssystem in der Praxis liefert. Es wertet Luft- und Körperschallsignale bereits während des Schweißprozesses aus und ermöglicht es damit, vorhandene Schweißnahtfehler zu detektieren, zu analysieren und zu bewerten. Damit ist ein neues Messsystem im Bereich der Inline-Schweißprozessprüfung entstanden und prozesstechnisch evaluiert worden. Aufbauend auf diesem Modulsystem hat das Projektteam eine innovative Regeltechnik für den WIG-Schweißprozess erarbeitet, um diesen Prozess im Hinblick auf mögliche Schweißnahtfehler inline überwachen zu können. Die umfangreichen schweißtechnischen Untersuchungen zeigen, dass die angestrebte Funktionalität des Prototyps mit seinem Steuermodul zur Detektion von Schweißfehlern mittels Luft- und Körperschallsensoren klar erreicht ist: Das Erkennen und die Zuordnung von Schweißnahtfehlern mittels der detektierten akustischen Emissionen funktionierten beim WIG-Schweißen problemlos. Das Prüfsystem kann die ermittelten Schweißnahtfehler außerdem durch die erfassten akustischen Emissionen hinsichtlich ihrer Art und Lage charakterisieren. Mit den erarbeiteten Fehlervermeidungsstrategien wurde letztlich auch der Prozessparametereinfluss – Schweißstrom, -geschwindigkeit, -zusatz, Schutzgasstrom und Oberflächenbeschaffenheit, Verunreinigung, Fett, Späne und anderes – auf Nahtfehler und -qualität ermittelt und aufgezeigt.
Nachdem die Korrelation von akustischen Emissionen und Prozessparametern berechnet werden konnte, hat das Team auch die nun benötigten Regelstrategien in einer markttauglichen Form entwickelt und prozesstechnisch evaluiert. Die Praxistauglichkeit des Prüfsystem-Prototyps testete die Merkle Schweißanlagen-Technik GmbH auf Herz und Nieren: Sie setzte das System mit seinem Steuermodul an einer ihrer WIG-Schweißanlagen erfolgreich ein und konnte so schweißtechnische Nahtfehler auf Basis der Korrelation zwischen akustischen Emissionen und Prozessphänomen problemlos detektieren.
Kontakt
PD Dr.-Ing. habil. Khaled Alaluss, Hayder Al-Mashhadani, Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner, Dr. jur. Lars Kulke
Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation (Dresden)
Wilhelm Merkle, Dr.-Ing. Ulrich Prank
Merkle Schweißanlagen-Technik GmbH (Kötz)