Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer prozessmomentbasierten Temperaturregelung für das Rührreibschweißen

Forschungsziel

Die Nahteigenschaften beim Rührreibschweißen werden maßgeblich von der Schweißtemperatur bestimmt, die sowohl von den Prozessparametern als auch von den Wärmeleitungseigenschaften der Fügepartner abhängt. Eine gleichbleibende Schweißtemperatur und infolgedessen eine gleichbleibenden Nahtqualität ist an Realbauteilen nicht gewährleistet. Der Grund dafür sind die veränderlichen thermischen Randbedingungen an Realbauteilen, die bei einer Prozessführung mit konstanten Schweißparametern bspw. Wärmestaus auslösen. Ein Lösungsansatz zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Nahtqualität ist der Einsatz einer Regelung, welche die Schweißtemperatur konstant hält. Die Herausforderung dabei ist die Messung der Schweißtemperatur. Bisher erfordert diese den Einsatz von teuren und empfindlichen Sonderwerkzeugen. Bei Voruntersuchungen am iwb konnte ein Zusammenhang des Prozessmoments und der Schweißtemperatur beobachtet werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, diesen Zusammenhang mathematisch zu beschreiben und zur Schweißtemperaturregelung zu verwenden. Dies vereinfacht die Anwendung der Regelung, da keine direkte Temperaturmessung im Werkzeug notwendig ist und infolgedessen keine teuren Sonderwerkzeuge mehr benötigt werden. Diese Regelung wird an einer Versuchsanalage umgesetzt und validiert.

Ergebnisse und Nutzen für KMU

Durch die prozessmomentbasierte Temperaturregelung wird die Schweißtemperatur konstant gehalten und daher gleichbleibende Nahteigenschaften sichergestellt. Die aufwendige Parameterbestimmung des Prozesses vereinfacht sich, weil die werkstoffabhängige Schweißtemperatur unabhängig von der Bauteilgeometrie und somit universell übertragbar ist. Durch den Einsatz der Regelung erhöht sich die Wettbewerbsfähigkeit v. a. von Unternehmen, die Kleinserien mit geringen Stückzahlen herstellen, sowie Herstellern von FSW-Anlagen. Diese Unternehmen zählen zum Lohnfertiger- und Zulieferbereich und sind bis auf wenige Ausnahmen KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt MobaReg wurde eine Temperaturregelung entwickelt, die ein aus dem Prozessmoment berechnetes Signal der Schweißtemperatur regelte, ohne dabei das Temperatursignal direkt messtechnisch zu erfassen.

Im Projektverlauf wurde sowohl ein empirischer Ansatz unter Verwendung von Künstlichen Neuronalen Netzen als auch ein analytischer Ansatz zur Bestimmung der Schweißtemperatur verfolgt. Im empirischen Modellierungsansatz konnte ein absoluter Temperaturmodellfehler von unter 10 K in-line erreicht werden. Da der Gültigkeitsbereich jedoch auf die betrachteten Werkstoffe und Werkzeuge beschränkt ist und zum Training der Netze hohe Datenmengen erforderlich waren, wurde als außerdem eine analytische Modellierung aufgebaut. Hier wurde die Schweißtemperatur innerhalb eines regelungstechnischen Beobachterkreises ermittelt. Dazu wurde die Schweißtemperatur aus den Messgrößen Spindelmoment, Werkzeugdrehzahl und Anpresskraft berechnet. Mit Ausnahme eines Versuchs konnten in-line bestimmte Temperaturfehler RMSPE von unter 10 % erreicht werden. Außerdem zeigte sich eine Abhängigkeit zur Vorschubgeschwindigkeit v und zur Anpresskraft.

Zur Regelung der berechneten Schweißtemperatur wurde ein robuster L1- adaptiver Regler mit dem Temperaturbeobachtersystem kombiniert und in die FSW-Anlage am iwb implementiert. Das Gesamtsystem wurde durch Schweißungen von Blind-, Überlapp- und Stumpfstoßnähten validiert. Für die Blindnahtversuche konnten bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten Regelfehler von unter 20 K erreicht werden. Bei den Überlapp- und Stumpfstoßschweißversuche führte der Einsatz eines Off-sets zu einer Verstärkung des Regelfehlers. Zum Schluss wurde das System an einer wärmestauhervorrufenden Bauteilgeometrie validiert. Die Regelung reagierte erfolgreich auf den Wärmestau mit einer Anpassung der Soll-Drehzahl. Die erreichte Regelgüte lag bei etwa 10 K. Die Funktionsfähigkeit der prozessmomentbasierten Temperaturregelung konnte damit nachgewiesen werden.