Zerstörungsfreie Qualitätsbewertung von MSGSchweißverbindungen von Stahlfeinblech durch Nutzung geometrischer und thermographischer Kenngrößen

Abstract

Ein zentrales Qualitätskriterium an MSG-Schweißnähten ist neben der Vermeidung von Bindefehlern die Einbrandtiefe. Diese beschreibt, bis zu welcher Tiefe der Grundwerkstoff der zu verbindenden Bauteile aufgeschmolzen wurde. Von einem Bindefehler wird gesprochen, wenn keine Aufschmelzung stattgefunden hat. Die Gegenüberstellung mit anderen Qualitätsgrößen konnte zeigen, dass die Einbrandtiefe das kritischste Kriterium zum Erreichen der Qualität ist. Weiterhin wurde beobachtet, dass sich qualitätsrelevante Veränderungen an einer Schweißnaht auch an anderer Stelle niederschlagen. So weisen anforderungsgerechte und fehlerbehaftete Schweißnähte eine unterschiedliche äußere Form auf. Basierend auf den bisher erzielten Forschungsergebnissen konnte die äußere Geometrie der Schweißnahtoberfläche als Merkmalsträger identifiziert werden. Bauteiltoleranzen verändern die Lage der zu verschweißenden Blechkanten und können das Ergebnis des Schweißprozesses massiv beeinflussen. Um Bauteiltoleranzen gezielt im Labormaßstab untersuchen zu können, wurden eigens Probengeometrien entwickelt, die die fertigungsbedingten Bauteilabweichungen Spalt und Versatz gezielt erzeugen. Dabei wird der Spalt durch Distanzelemente realisiert. Das Oberblech des Überlappstoßes hat einen definierten Kantenbeschnitt, der gegenüber der unveränderten Bahn des Schweißbrenners einen gezielten Versatz erzeugt. Auf diese Weise werden Schweißnähte mit definiert anforderungsgerechten und nicht anforderungsgerechten Bereichen hergestellt. Für den Einsatz der Sensoren wurden Möglichkeiten und Grenzen aufgezeigt. Der Einsatz von Laser-Triangulations-Sensoren für die Erfassung der Oberflächengeometrie in unmittelbarer Nähe des Schweißbrenners wurde erfolgreich umgesetzt. Sie ist möglich, jedoch mit gewissen Einschränkungen behaftet. Die Anwendung einer Wärmezeilenkamera im nahen Infrarotbereich ist vergleichsweise robust. Bei diesem Sensortyp besteht die Herausforderung vielmehr in der örtlichen Zuordnung der aufgezeichneten Daten. In der Arbeit mit den Daten wurde ein methodisches Vorgehen erarbeitet und an die spezifischen Besonderheiten der beiden Datentypen angepasst. Die optisch gewonnenen Daten der Oberfläche der Schweißnaht sind Prinzip bedingt anfällig gegenüber Artefakten, die u.a. durch Schweißspritzer verursacht werden. Diese Artefakte werden vor der Analyse der Daten durch eine geeignete Filtermethode entfernt, um Messfehler zu vermeiden ohne dabei die Geometrieinformationen zu verfälschen. Hierfür wurde eine geeignete Methode entwickelt, die für derartige Datenauswertungen industriell verwendet werden kann. Nach dem erfolgreichen Durchlaufen der Qualitätsprüfung der Daten erfolgte die Erhebung der Messwerte. Für die sehr robusten Temperatur-Daten wurde gezeigt, dass Kehlnähte am Überlappstoß im Regelfall ein asymmetrisches Temperaturfeld aufweisen. Durch das Platzieren charakteristischer Referenzpunkte auf der Temperaturkurve konnte diese Asymmetrie durch einen Messwert beschrieben und dieser zu Analysezwecken genutzt werden. Basierend auf einer explorativen Datenanalyse erfolgte die Auswahl geeigneter Messwerte für die Qualitätsbewertung. Da sowohl Schweißnahtqualität als auch die Geometrie und das Temperaturfeld der Schweißnahtoberfläche mit den Bauteiltoleranzen korrelieren, konnten direkte Rückschlüsse der beiden Informationsträger auf die Qualität gezogen werden. Das Zusammenführen und gemeinsame Nutzen der einzelnen Messgrößen aus Schweißnahtgeometrie und Temperaturfeld erfolgt mithilfe der multiplen Regression. Das Ergebnis sind Vorhersageformeln, mit deren Hilfe die zu erwartende Einbrandtiefe an einer bestimmten Stelle der Schweißnaht berechnet werden können. Folgende übergeordnete Teilziele des Projektes wurden erreicht: • Einsatz von Laser-Triangulations-Sensoren zur Nahtgeometrieerfassung in unmittelbarer Nähe des Schweißbrenners • synchrone Datenerfassung mit Laser-Triangulations-Sensor und Wärmezeilenkamera nachlaufend zu einem MSG-Schweißbrenner • Methode zur Erstellung geometrischer Prozessfenster für die untersuchten Werkstoff-Prozess-Kombinationen • identifizieren von Geometrie- und Temperatur-Messgrößen, die mit der Schweißnahtqualität korrelieren • Aufstellen von Modellen zur Vorhersage der Einbrandtiefe bei Kehlnähten am Überlappstoß durch Zusammenführen der Einzelmessgrößen aus Geometrie und Temperatur • zuverlässiges Erkennen aller nicht anforderungsgerechten Schweißnahtbereiche