Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zerstörungsfreie Qualitätsbewertung von MSG-Schweißverbindungen von Stahlfeinblech durch Nutzung geometrischer und thermographischer Kenngrößen

Bei der Fertigung von Strukturen aus Stahlfeinblechen mit MSG-Schweißprozessen stellt der zerstörungsfreie Nachweis von inneren Fehlern eine technologische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Die zerstörende Prüfung ist derzeit der Standard zum Nachweis von inneren Nahtunregelmäßigkeiten.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer zerstörungsfreien Prüfmethode, die unmittelbar nach dem Schweißvorgang innere Nahtfehler erkennt. Der Ansatz besteht in der Nutzung mehrerer Sensoren zur Aufnahme von Nahtgeometrie und Temperaturfeld. Durch die kombinatorische Auswertung beider Daten sollen die Nachteile der Nutzung der jeweils einzelnen Systeme kompensiert werden sowie die Nachweisgenauigkeit verbessert und der Aufwand für die Bestimmung der Fehlergrenzen verringert werden.

Die Prüfmethode soll durch Hersteller von geschweißten Baugruppen mittels automatisierter MSG-Prozesse angewendet werden, von denen viele zu KMU zählen. Diese Lieferanten fertigen Komponenten wie Fahrwerksteile, Antriebskomponenten oder ähnliche Baugruppen mittels MSG-Schweißen von dreidimensional umgeformten Bauteilen meist im Überlappstoß.

Die erforderliche Prüftechnik soll durch die entsprechenden Systemhersteller von Mess-, Sensorsystemen und Auswertesoftware geliefert werden, die größtenteils zu KMU zählen. Diese Hersteller verwenden bereits die im Projekt geplanten Sensorsysteme, jedoch nicht in Kombination.

Durch die Einbeziehung von Schweißanlagenherstellern, ebenfalls KMU, soll die Verknüpfung des Messsystems mit den Schweißanlagen erfolgen. Die Anlagenhersteller realisieren immer weiter spezifizierte Lichtbogenvarianten insbesondere im Kurzlichtbogenbereich zur Verminderung der eingebrachten Energie. Durch den verminderten Energieeintrag wird auch die Einbrandtiefe der Schweißnaht vermindert, so dass ein geeignetes Sensorsystem zum Nachweis der Einbrandtiefe von großem Interesse der Hersteller ist, um die jeweiligen Anwendungen abzusichern.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Rahmen des Forschungsprojektes erarbeiteten Forschungsergebnisse können in Unternehmen umgesetzt werden, die Stahl-Dünnbleche durch MSG-Schweißen zu größeren Blechbaugruppen verarbeiten. Hierzu zählt u.a. die Automobil- und Automobilzulieferindustrie. Weitere mögliche Anwender sind Hersteller und Dienstleister von Methoden und Einrichtungen zur Qualitätssicherung in der schweißtechnischen Fertigung.

Um Bauteiltoleranzen gezielt im Labormaßstab untersuchen zu können, wurden eigens Probengeometrien entwickelt, die die fertigungsbedingten Bauteilabweichungen Spalt und Versatz gezielt erzeugen. Auf diese Weise wurden gezielt Schweißnähte Nahtunregelmäßigkeiten hergestellt, mit deren Hilfe spezifische Prozessfenster erstellt wurden.

Der Einsatz von Laser-Triangulations-Sensoren für die Erfassung der Oberflächengeometrie in unmittelbarer Nähe des Schweißbrenners wurde erfolgreich umgesetzt. Sie ist möglich, jedoch mit Einschränkungen behaftet.

Bei der Anwendung einer Wärmezeilenkamera besteht die Herausforderung in der örtlichen Zuordnung der aufgezeichneten Daten, für die eine Lösung entwickelt wurde.

Die optisch gewonnenen Daten enthalten teilweise Artefakten, die durch eine geeignete Filtermethode entfernt.

Für die sehr robusten Temperatur-Daten wurde gezeigt, dass Kehlnähte am Überlappstoß im Regelfall ein asymmetrisches Temperaturfeld aufweisen, das durch Referenzpunkte auf der Temperaturkurve beschrieben und zu Analysezwecken genutzt werden kann.

Aus den gewonnenen Daten wurden geeignete Messwerte für die Qualitätsbewertung identifiziert. Schweißnahtqualität, Geometrie und Temperaturfeld der Schweißnahtoberfläche korrelieren mit den Bauteiltoleranzen, sodass Rückschlüsse auf die Qualität gezogen werden können. Das Zusammenführen der einzelnen Messgrößen erfolgte mithilfe der multiplen Regression. Das Ergebnis sind Vorhersageformeln, mit deren Hilfe die zu erwartende Einbrandtiefe an einer bestimmten Stelle der Schweißnaht berechnet werden können.