Kamerabasierte In-Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen
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Jürgen Müller-Borhanian
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Kamerabasierte In-Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen
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Herbert Utz Verlag
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9783831608904
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1
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CHF 25.00
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Naturwissenschaft
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German
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163
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DRM
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PC/MAC/eReader/Tablet
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PDF
Um die Fertigungsqualität beim Laserstrahlschweißen sicherzustellen, werden häufig In- Prozessüberwachungsmethoden eingesetzt. Hierbei wird die durch die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstück entstehende Sekundärstrahlung analysiert, da sie Informationen über die Dynamik und die Stabilität des Schweißprozesses in sich trägt. Die Detektion dieser Prozessstrahlung mit Einzeldetektoren wie Photodioden ist als Verfahren robust und erprobt. Die Kombination mehrerer Einzeldetektoren, die die Prozessemissionen in unterschiedlichen Spektralbereichen oder an unterschiedlichen Messpositionen aufnehmen, soll die Zuverlässigkeit der Qualitätsaussage erhöhen, die dennoch, aufgrund der räumlich integrierenden Messung, begrenzt bleibt.
Wird statt der Einzeldetektoren eine Kamera für die Detektion der Prozessemissionen verwendet, bietet dies den Vorteil der ortsaufgelösten Messung. Die Kamerabilder liefern somit eine Fülle an Informationen über den Schweißprozess. Die softwaretechnische Verarbeitung der Kamerabilder ist jedoch verglichen mit der Auswertung der Signale der Einzeldetektoren sehr viel aufwendiger.
1 Einleitung
(Seite 19)
1.1 Ausgangslage
Der Laser als Strahlwerkzeug hat sich durch seine fertigungstechnisch günstigen Eigenschaften ein ständig zunehmendes Einsatzgebiet in der industriellen Fertigung erschlossen. Zu diesen Eigenschaften gehören insbesondere die Flexibilität, die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und -qualität sowie das enorme Automatisierungspotenzial. Mit dem Laser sind unterschiedlichste Materialien bearbeitbar und verschiedene Bearbeitungsprozesse wie Schweißen, Schneiden, Bohren, Abtragen und Umschmelzen zu realisieren [1].
Insbesondere beim Laserstrahlschweißen in der Serienfertigung geht die zunehmende Automatisierung einher mit der Forderung nach einer Qualitätsüberwachungsstrategie. Es sind zwar zahlreiche Methoden und Ansätze zur In-Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen bekannt, diese basieren jedoch in der Regel auf der Auswertung indirekter Indikatoren. Eine direkte Überwachung der prozessrelevanten Größen ist derzeit noch nicht möglich, jedoch werden ständig neue Messverfahren auf ihre Eignung zur direkten Messung, beispielsweise der Einschweißtiefe, untersucht [2, 3, 4].
Eine gängige Methode der Prozesskontrolle beim Laserstrahlschweißen ist die Analyse der in derWechselwirkungszone zwischen Laserstrahl undWerkstück entstehenden Prozessemissionen, da diese Strahlung Informationen über die Stabilität und die Dynamik des Schweißprozesses in sich trägt. Üblich ist die Messung dieser Strahlung in unterschiedlichen Spektralbereichen mit Photodioden. So lässt sich die Strahlung des beim Schweißen entstehenden, angeregten Metalldampfes im UV- und sichtbaren Spektralbereich untersuchen und die Wärmestrahlung insbesondere des schmelzflüssigen Materials durch die Betrachtung des infraroten bzw. nahinfraroten Spektralbereichs. Darüber hinaus liefert die Analyse der reflektierten Laserstrahlung wertvolle Informationen über den Schweißprozess. Die Beurteilung der erzeugten Daten erfolgt softwaretechnisch jeweils durch den Vergleich mit Referenzdaten, die aus den Signalen von Gut-Schweißungen berechnet werden.
Kurzfassung
8
Inhaltsverzeichnis
10
Liste der verwendeten Symbole
14
Extended Abstract
18
1 Einleitung
22
1.1 Ausgangslage
22
1.2 Zielsetzung
23
1.3 Gliederung der Arbeit
24
2 Grundlagen
26
2.1 Laserstrahltiefschweißen
26
2.2 Strahlungsphysikalische Größen
30
2.3 Wärmestrahlung
32
2.4 Bildverarbeitung
34
3 Prozessüberwachung beim Laserstrahl-schweißen
62
3.1 Offline-Verfahren
62
3.2 Online-Verfahren
67
4 Voruntersuchungen
74
4.1 Untersuchung der Leistungsstabilität von Festkörper-lasern
75
4.2 Spektroskopische Untersuchungen
82
4.3 Prozessvisualisierung mit Hilfe einer Hochgeschwin-digkeits- IR-Kamera
86
4.4 Untersuchung der Leistungsdichteverteilung der reflek-tierten Laserstrahlung
94
5 Kamerabasierte In-Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen
108
5.1 Einleitung
108
5.2 Analyse der Schmelzbad- und Kapillargeometrie
109
5.3 Zusammenfassung
122
6 Realisierung eines Echtzeit-Bildverarbei-tungssystems
124
6.1 Einleitung
124
6.2 Systemhardware
124
6.3 Systemsoftware
125
6.4 Systemanpassung
127
6.5 Versuchsdurchführung
127
6.6 Detektionsergebnisse
129
6.7 Zusammenfassung
145
7 Zusammenfassung
149
Literaturverzeichnis
151
Danksagung
156
