Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung der Prozessüberwachung des Elektronenstrahlschweißens durch Optimierung der In-Prozess-Sensorik

Ziele: Erweiterung der Sensorik beim Elektronenstrahlschweißen durch Integration der Erfassung diskreter Wellenlängenbereichen optischer Prozessemissionen, Optimierung der Erfassung rückgestreuter Elektronen, Korrelation der Messsignale zu Prozessveränderungen und -ereignissen.

Die Untersuchungen umfassen die Weiterentwicklung der Erfassung und Analyse rückgestreuter Elektronen und die Nutzbarmachung von optischen Sensoren für den Elektronenstrahlprozess. Es erfolgen Schweißungen mit der Simulation typischer Fehlerszenarien. Die Daten werden mit dem Ziel ausgewertet, zeitliche und kausale Korrelationen zu den induzierten Fehlern zu finden. Es wird untersucht, ob die Korrelation zu Schweißfehlern der Kombination optischer und herkömmlicher Sensorik auch mit der optimierten Rückstreu-Elektronen-Sensorik alleine möglich ist.

Angestrebte Ergebnisse: Identifikation von charakteristischen optischen Prozessemissionen. Auswahl von geeigneten Fotodioden und Bandpassfiltern. Einrichtung der erweiterten Ausbaustufe der Sensorik zur winkel- und sektorensensitiven Erfassung von rückgestreuten Elektronen. Adaption und Erprobung eines kommerziellen Einschweißtiefen-Mess-Systems. Auswertung von Messdaten im Zeit- und Frequenzbereich von typischen Schweißprozessen und simulierten Störungen/Prozessereignissen unter verschiedenen geometrischen Ausrichtungen der Sensorik und Korrelation der Daten mit Prozessereignissen. Bestimmung von Grundabhängigkeiten zur Weiterentwicklung der Sensorik zu Prozess-Monitoring Systemen.

Es ergeben sich erhebliche Kosten- und Ressourceneinsparungen, da fehlerhafte Schweißungen in-situ erkannt werden.

Das hohe Interesse der kmU an der Mitarbeit verdeutlicht das große Potential zum Transfer der Ergebnisse in die industrielle Praxis, siehe auch die LOI von Evobeam (KMU) und Forschungszentrum Jülich (Vorsitzender der DVS-AGV 9.1). Die Ergebnisse können infolge der Erarbeitung eines DVS-Merkblattes bei allen Anwendern umgesetzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Zur optischen Detektion charakteristischer Prozessemissionen wurden Erkenntnisse aus dem Laserstrahlschweißprozess (LBW) genutzt, um diese auf den Elektronenstrahlschweißprozess (EBW) zu übertragen. Mittels geeignetem Spektrometer (200–1100 nm) wurden im EBW-Prozess mehrere Spektren von verschiedenen Werkstoffen detektiert. Auf dieser Grundlage wurde eine Fotodiode mit einer Wellenlängen-Range von 320–1000 nm ausgewählt. Die Maximalsensitivität liegt bei 760 nm. Die Halterungen der Messoptiken bestehen aus Knickarmen und wurden an der Kammerdecke montiert. Zum Schutz der Messoptiken dienen Düsenvorsätze, die mit der Gaszufuhr verbunden sind.

Das kommerzielle Einschweißtiefenmesssystem konnte erfolgreich an den EB-Prozess adaptiert werden.

Die Messtechnik zur zeitlich hochaufgelösten Erfassung von Rückstreuelektronen (RE) konnte unter mehreren Gesichtspunkten erweitert werden. Eine Erhöhung der Aufnahmerate auf bis zu 4 MHz konnte durch geeignete Messtechnik realisiert werden. Diese ermöglicht auch die Erfassung von sehr kurzzeitigen Abweichungen bzw. Kontaminationen innerhalb des Schweißprozesses. Zusätzlich konnte die Winkelsensitivität des Messsystems durch den Einbau von Lochplatten vor den Messflächen erhöht werden. Diese führten zu positiven Effekten auf das Messsignal hinsichtlich Streuung und Schiefe.

Im Rahmen des Projektes wurden diverse Referenzschweißungen zur Generierung einer Datenbasis durchgeführt. Dabei handelte es sich unter anderem um Blindnähte und Verbindungsschweißungen an diversen Werkstoffen. Im Anschluss wurden Versuche zu simulierten Prozessfehlern durchgeführt. Die Auswertung der entsprechenden Messdaten zu optischen Prozessemissionen und dem RE-Signal ergab eine gute bis sehr gute Detektierbarkeit der Prozessfehler durch die verwendete Messtechnik.

Auf Basis der Ergebnisse können neue Überwachungsmöglichkeiten beim EBW etabliert werden.