QS beim Laserschweissen In Echtzeit Laserprozess überwachen

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Spezialisten der Empa haben eine akustische und optische Überwachung beim Laserschweissen verwirklicht, die dank künstlicher Intelligenz (KI) innert 70 ms, also in Echtzeit, abläuft. Ein Röntgenversuch an der European Synchrotron Radiation Facility hat die Prozesssicherheit bewiesen.

Laserschweissen eignet sich zum Fügen von Metallen und Kunststoffen. Es hat sich besonders in der automatisierten Fertigung, etwa in der Automobilindustrie, bewährt. Ein Laser arbeitet praktisch verschleissfrei, besonders schnell und äusserst präzise. Doch bislang liess sich die Qualität einer Schweissnaht erst im Nachhinein dokumentieren. Das erforderte entweder Röntgenaufnahmen, magnetische Analyse­methoden oder das Zersägen einzelner Probestücke aus der Produktion. Vorteilhaft wäre eine fortlaufende Überwachung der Schweissqualität in Echtzeit parallel zum Schweissprozess.

Stabil oder instabil

Während beim sogenannten Wärmeleitschweissen nur die Oberfläche des Werkstoffs aufgeschmolzen wird, dringt beim Tiefschweissen der Laserstrahl rasch und tief in den Werkstoff ein. Er erzeugt ein dünnes Bohrloch voller Metalldampf. Dieses bezeichnet man als Dampfkapillare oder Keyhole. Wird das Keyhole zu tief, sinkt der Dampfdruck des Metalldampfs. Zugleich steigt die Oberflächenspannung der Metallschmelze. Das Keyhole wird instabil und kann schliesslich in sich zusammenfallen und eine Pore in der Schweissnaht hinterlassen – ein unerwünschter Materialfehler. Um qualitativ hochwertige – fehlerfreie – Laserschweissnähte zu erzeugen, ist es daher zentral, den Moment zu erkennen, in dem Keyholes instabil werden. Noch besser wäre, das kurz zuvor zu erkennen. Das war bisher kaum möglich, da man lediglich mit optischen Methoden von oben ins Keyhole hineinschauen konnte.

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Einem Team von Empa-Forschern um Kilian Wasmer ist es nun gelungen, den Moment der In­stabilität beim Laser-Tiefschweissen exakt zu erkennen. Sie verwenden dazu zum einen einen günstigen akustischen Sensor, zum anderen messen sie die Reflexion des Laserstrahls auf der Metalloberfläche. Die kombinierten Daten werden mit Hilfe künstlicher Intelligenz (KI) innerhalb von 70 ms analysiert. Das Verfahren erkennt mit fast 90 Prozent Sicherheit die Bildung unerwünschter Poren, die die Qualität von Schweissnähten beeinträchtigen. So lässt sich die Qualität des Laserschweissprozesses in Echtzeit überwachen.

Röntgen-Synchrotron beweist Zuverlässigkeit

Wie exakt ihre Überwachungsmethode in der Praxis ist, bewiesen die Empa-Forscher jüngst an der «European Synchrotron Radiation Facility» (ESRF) in Grenoble. Sie schmolzen mit einem Laser ein Keyhole in ein Plättchen aus Aluminium, das zu gleicher Zeit von harter Röntgenstrahlung durchleuchtet wurde. Diesen nur kürzer als eine Hundertstel­sekunde dauernden Prozess filmten sie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Dabei sind die einzelnen Phasen des Schweissprozesses korrekt zu erkennen. Trifft der Laserstrahl auf das Metall, setzt zunächst die Phase des Wärmeleitungsschweissens ein – nur die Oberfläche schmilzt auf. Dann entsteht ein stabiles Keyhole, das bei längerer Einstrahldauer indes zu «wackeln» beginnt und instabil wird. Bisweilen emittiert das Keyhole flüssiges Metall, ähnlich wie bei einem Vulkanausbruch. Wenn es unkontrolliert in sich zusammenfällt, entsteht eine Pore. All diese Phasen macht die neue Überwachungstechnologie in Echtzeit sichtbar.

Darüber hinaus gelang es den Forschern sogar, absichtlich Poren in der Schweissnaht zu erzeugen und diese mit einem zweiten Laserpuls wieder zu schliessen. Das Entstehen einer Pore konnte mit 87 Prozent Sicherheit erkannt werden, das erfolgreiche Entfernen mit immerhin noch 73 Prozent. Diese Art der Fehlerkorrektur ist für das Laserschweissen äusserst interessant. Denn bislang konnte man Poren in einer Schweissnaht erst im fertig geschweissten Werkstück erkennen. Mit Hilfe der innovativen Technologie ist der Ort einer Pore bereits während des Prozesses bekannt. So kann eine Nachbearbeitung mit dem Laser unverzüglich in Gang gesetzt werden. Das erhöht markant die Qualität des Schweissprozesses.

Für Additive Manufacturing geeignet

Der an der Empa entwickelte Überwachungsprozess eignet sich nicht nur fürs Laserschweissen. Er ist auch zur Qualitätskontrolle bei 3D-gedruckten Metallteilen nutzbar. Beim Pulverbettverfahren – eine der gebräuchlichsten Methoden beim 3D-Metalldruck – fährt ein Laserstrahl durch eine Schicht aus Metallkörnern und verschweisst diese. Falls Poren entstehen, könnte der Laser ein zweites Mal zur defekten Stelle gelenkt werden, um die Poren nachträglich zu entfernen. Dies gelingt jedoch nur mit Hilfe von Echtzeitüberwachung, denn entstandene Poren müssen umgehend eliminiert werden, bevor sie von weiteren Schichten Metall überdeckt werden.

Robust und kostengünstig

«Ein Vorteil unserer Überwachungsmethode ist, dass die verwendeten akustischen und optischen Sensoren günstig und robust sind und einfach in bestehende industrielle Anlagen integriert werden könnten», sagt Kilian Wasmer, der das Projekt koordinierte. Sein Kollege Sergey Shevchik, der die KI für die Signalauswertung entwickelte, freut sich über die hohe Rechengeschwindigkeit bei überschaubaren Hardware-Kosten. «Wir nutzen Grafik-Prozessoren, die parallel mehrere Aufgaben zugleich berechnen können. Solche Prozessoren stecken auch in modernen Game-Konsolen und sind günstig zu haben. Der rasante technische Fortschritt, zum Beispiel bei Playstation, hat unserer Arbeit also sehr geholfen.» - kmu - SMM

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