Verwendung von Einpressmuttern für die Montage von Blechbauteilen
Die Montage von Blechbauteilen ohne Schweißen oder Klebstoffe kann sowohl für Heimwerker als auch für Profis eine echte Revolution bedeuten.…
Schweißen ist Verfahren, bei dem Werkstoffe wie Metalle oder Thermoplaste durch den Einsatz extremer Temperaturen miteinander verbunden werden, um eine dauerhafte Verbindung herzustellen. In der Regel wird einwerkstoff hinzugefügt und auf die Verbindung aufgeschmolzen, um die Festigkeitseigenschaften zu verbessern.
Der Erfolg des Schweißprozesses und die Festigkeit des Endprodukts hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Nahtprofil an der Verbindung und dem gleichmäßigen, konstanten Fluss des Schutzgases, das eine Oxidation desmolzenen Metalls oder Zusatzwerkstoffs verhindert.
Diese Faktoren können bildlich erfasst werden, um den Schweißprozess zu überwachen oder zu untersuchen. In diesem Artikel werden einige der Bildgebungstechniken vorgestellt, die zur Analyse von Schweißprozessen verwendet werden, sowie eine Bewertung möglicher Anwendungen und eine Übersicht über abgeschlossene Studien zu diesem Thema.
Abschnitt 2 beschreibt die gängigsten industriellen Schweißverfahren, während Abschnitt 3 einen Überblick über Bildgebungsmethoden bietet, die zur Visualisierung des Schweißens eingesetzt werden können.
Abschnitt 4 bewertet die Merkmale, die beim Schweißen abbildbar sind, und erklärt, warum die gewonnenen Informationen von besonderem Interesse sind. Soweit möglich, werden in diesem Abschnitt auch frühere Studien zusammengefasst.
Die hier beschriebenen Visualisierungsprinzipien gelten weitgehend auch für die Bildgebung von laser-, lichtbogen- und plasmabasierten additiven Fertigungsverfahren.
Abbildung 1. Typischer Versuchsaufbau in der Schweiß- und additiven Fertigungsforschung: Hochgeschwindigkeitskamera rechts, Laserbeleuchtung links.
Beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG, engl. GMAW), auch als Metall-Inertgasschweißen (MIG) oder Metall-Aktivgasschweißen (MAG) bekannt, erzeugt eine Schweißpistole einen Lichtbogen zwischen der durchgeführten, abschmelzenden Drahtelektrode und den zu verschweißenden Werkstücken.
Die Verschmelzung der Metalle erfolgt durch die enorme Hitze des Lichtbogens. Durch die Schweißpistole wird Schutzgas zugeführt, das das geschmolzene Metall vor Kontakt mit der Umgebungsluft schützt.
Als Energiequelle wird beim MSG-Schweißen in der Regel eine Gleichstromquelle mit konstanter Spannung verwendet, es ist jedoch auch der Einsatz von Wechselstrom möglich. Die gängigen Methoden des Materialübergangs beim MSG-Schweißen sind globular, Kurzschluss, Sprüh- und Impuls-Sprühübergang. Die Auswahl der Methode richtet sich nach der jeweiligen Anwendung.
Das MSG-Schweißen ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren in der industriellen Fertigung, da es automatisierbar, schnell und vielseitig ist. Aufgrund des Schutzgases eignet sich dieses Verfahren besonders für den Einsatz in Innenräumen.
Trotz der weiten Verbreitung gibt es vergleichsweise wenige Studien zum MSG-Schweißen. Dies liegt vor allem an den Herausforderungen, zuverlässige Bildaufnahmen während des Prozesses zu erzeugen.
Die enorme Helligkeit des Lichtbogens stört die Bildgebung und erschwert das Verfolgen des Schweißvorgangs mit Kameras. Dieses Problem kann jedoch durch passende Bildgebungsverfahren, Lichtquellen und Filter – wie in den Abschnitten 3 und 4 beschrieben – gelöst werden.
Abbildung 2. MSG-Schweißen: Funktionsprinzip. (1) Schweißrichtung, (2) Werkstück, (3) Erstarrtes Schweißmetall, (4) Kontaktdüse, (5) Elektrode (Schweißdraht), (6) Schutzgas, (7) Schmelzbad.
Das Kaltdrahtschweißen (CMT) unterscheidet sich vom herkömmlichen MSG-Schweißen vor allem hinsichtlich des Wärmeeintrags und der Lichtbogenstabilität.
Beim CMT wird jeder Kurzschluss detektiert und führt dazu, dass der Schweißdraht von der Naht zurückgezogen wird, sodass dieser vor der Abgabe des nächsten Tropfens abkühlen kann. Diese Technik verringert Spritzerbildung und erzeugt im Vergleich zum traditionellen MSG-Verfahren eine robustere und gleichmäßigere Schweißnaht.
Insbesondere beim Verbinden von Stahl und Aluminium ist das CMT-Verfahren dem MSG-Schweißen überlegen (Selvi et al. 2018).
Beim Wolfram-Schutzgasschweißen (WIG, engl. GTAW), auch bekannt als Tungsten-Inert-Gas-Schweißen (TIG), wird der Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück mit einem Schweißbrenner erzeugt.
Wie beim MSG-Verfahren schützt ein Gas den Schweißbereich vor Verunreinigungen. Üblicherweise wird ein Zusatzwerkstoff verwendet, kann jedoch auch entfallen. Die Energieversorgung erfolgt meist über eine Stromquelle mit konstantem Strom.
Das WIG-Schweißen eignet sich ideal für Magnesium, Kupfer- und Aluminiumlegierungen sowie andere Nichteisenmetalle und dünne Abschnitte von Edelstahl. Im Vergleich zum MSG-Verfahren liefert das WIG-Schweißen stärkere und qualitativ hochwertigere Schweißnähte, da der Bediener mehr Kontrolle über den Prozess hat.
Allerdings ist das Verfahren langsamer und anspruchsvoller. In Bezug auf die Bildgebung ist das WIG-Schweißen leichter zu visualisieren als das MSG-Schweißen, da weniger Hitze und Spritzer entstehen.
Abbildung 3. WIG-Schweißen: Funktionsprinzip. (1) Schweißrichtung, (2) Werkstück, (3) Schweißnaht, (4) Kontaktdüse, (5) Elektrode, (6) Schutzgas, (7) Schmelzbad, (8) Zusatzwerkstoff.
Das Plasmaschweißen (PAW) ähnelt im Aufbau dem WIG-Schweißen, da auch hier eine Wolframelektrode verwendet wird. Allerdings befindet sich die Elektrode beim PAW im Inneren des Brenners, sodass der Plasmalichtbogen vom Schutzgasstrom getrennt werden kann.
Beim Austritt des Plasmas durch die feine Düsenöffnung steigt die Temperatur und Geschwindigkeit des Lichtbogens, was die Wärmeübertragung, Stabilität und Form des Lichtbogens verbessert. Das PAW kann sowohl mit als auch ohne Zusatzwerkstoff eingesetzt werden.
Abbildung 4. PAW-Schweißen: Funktionsprinzip. (1) Schweißrichtung, (2) Werkstück, (3) Schweißnaht, (4) Elektrode, (5) Plasmagas, (6) Wasserkühlung, (7) Schutzgas, (8) Schutzgasdüse, (9) Plasmalichtbogen, (10) Schmelzbad, (11) Optionaler Zusatzwerkstoff.
Beim Laserstrahlschweißen (LBW) wird ein Laserstrahl anstelle eines Lichtbogens verwendet, um das zu verschweißende Material zu schmelzen.
Die größten Vorteile des LBW sind die hohe Automatisierbarkeit (was in der Praxis meist umgesetzt wird) und die starke Fokussierung der Wärmequelle, wodurch tiefe und schmale Schweißnähte möglich sind.
Für dünne Werkstücke kann ein gepulster Laserstrahl eingesetzt werden. Da sich die Wärme sehr präzise auf einen kleinen Bereich konzentrieren lässt, erfolgt das Aufheizen und Abkühlen des Werkstücks sehr schnell.
Beim Schweißen von Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt kann dies allerdings zu Problemen führen, da durch schnelles Abkühlen Rissbildung auftreten kann.
LBW eignet sich für verschiedene Materialien wie Edelstahl, Kohlenstoffstähle und Aluminium, da die Laserleistung einfach geregelt werden kann.
Im Vergleich zu Lichtbogen-Schweißverfahren ist die Bildgebung beim LBW weniger problematisch. Die Filterung des schmalen, bekannten Spektrums der Wellenlänge beim LBW ist einfacher als bei der Lichtemission der Lichtbogenschweißung.
Abbildung 5. LBW-Schweißen: Funktionsprinzip. (1) Schweißrichtung, (2) Werkstück, (3) Schweißnaht, (4) Laserstrahl, (5) Schutzgas, (6) Schutzgasdüse, (7) Schmelzbad.
Weitere Schweißverfahren, die von der Laserbeleuchtung profitieren könnten, sind das Gasschweißen und das Pressschweißen, welches sich weiter in Explosions-, Widerstands- und Reibschweißen unterteilt.
Explosionsschweißen wurde beispielsweise mit dem CAVILUX-Laser untersucht. Lichtbogengeschütztes Schweißen unter Pulver (UP-Schweißen) profitiert hingegen nicht von der Laserbeleuchtung, da der Schweißbereich mit pulverförmigem Flussmittel bedeckt ist.
Die Bildgebung beim Schweißen stellt große Herausforderungen dar, da die Kamera durch die starke Helligkeit des Lichtbogens geblendet wird. In diesem Abschnitt werden verschiedene Bildgebungstechniken vorgestellt, die zur Visualisierung von Schweißprozessen eingesetzt werden können, mitsamt deren Vor- und Nachteilen.
Eine Möglichkeit zur Bildgebung von Schweißprozessen besteht darin, ausschließlich das Prozesslicht als Beleuchtungsquelle für die Kamera zu nutzen, also ohne zusätzliche aktive Lichtquellen.
Die Hauptbeleuchtung stammt dann vom Lichtbogen, dessen Temperatur – je nach Verfahren – zwischen 6000 und 20.000 °C liegen kann.
Verlässt man sich ausschließlich auf das Prozesslicht, ist dieses in der Regel zu hell für den Kamerasensor, was zu gesättigten Aufnahmen führt, die nur wenige Details des Prozesses zeigen.
Abbildung 6a. Thermische Prozessstrahlung (links). Abbildung 6b. Emissionsspitzen der Prozesselemente (rechts).
Die Lichtmenge, die auf den Kamerasensor trifft, kann durch Neutraldichtefilter reduziert werden. Allerdings werden damit auch ohnehin schwach beleuchtete Bereiche noch dunkler, sodass mit Filtern allein nicht alle Details sichtbar gemacht werden können.
Um „heiße“ und „kalte“ Zonen gleichzeitig zu beobachten, ist eine Kombination aus Filter, der eine Sättigung des Bildes verhindert, und einer zusätzlichen Beleuchtung erforderlich, die im Durchlassbereich des Filters arbeitet.
Da das Prozesslicht so stark ist, ist eine zusätzliche Beleuchtungsquelle nötig, die noch leistungsstärker als der Lichtbogen selbst ist, um hochwertige, detailreiche Aufnahmen zu ermöglichen.
Andererseits kann mit einem sehr effizienten Schmalbandfilter das Objekt mit monochromatischer Laserbeleuchtung ausgeleuchtet werden.
Ein Schmalbandfilter blockiert den Großteil des Prozesslichts und lässt nur das Licht der Filterbandbreite durch. Die aktive Laserbeleuchtung muss dabei innerhalb des engen Durchlassbereichs heller sein als das Prozesslicht.
In der Praxis sind hierfür nur wenige hundert Watt Laserleistung erforderlich. Mit einer solchen Konfiguration lassen sich „heiße“ und „kalte“ Regionen gleichzeitig visualisieren. Abbildung 6 zeigt den Vergleich verschiedener Beleuchtungsaufbauten.
Abbildung 7. Vergleich von drei verschiedenen Beleuchtungsaufbauten zur Visualisierung von Schweißprozessen.
In industriellen Umgebungen ist eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung von Schweißprozessen wünschenswert, sodass in der Regel niedrige Bildwiederholraten verwendet werden.
In Forschung und Entwicklung kommen hingegen häufig Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz. Diese können schnell ablaufende Phänomene erfassen, die mit Standardkameras bei geringeren Bildraten nicht sichtbar wären.
Unabhängig von der Bildrate sollte die Kamera kurze Belichtungszeiten ermöglichen und über einen Monochromsensor verfügen, wenn mit (monochromatischer) Laserbeleuchtung gearbeitet wird.
Eine kurze Belichtungszeit verringert die Menge an Prozesslicht, die durch den Schmalbandfilter gelangt. Ebenso wichtig ist es, den Prozess mit kurzen Laserpulsen (idealerweise im Mikrosekundenbereich) und nicht mit einer Dauerlichtquelle zu beleuchten.
Kurze Laserpulse erzeugen keine thermischen Effekte am Objekt und vereinfachen das Sicherheitsmanagement des Lasers. Monochromkameras bieten im Vergleich zu Farbkameras eine höhere Empfindlichkeit und Bildqualität.
Wichtige Kriterien bei der Auswahl der Optik sind das Sichtfeld und der Arbeitsabstand. Auch die physikalischen Dimensionen der Kamera müssen berücksichtigt werden. Eine verstellbare Blende kann nützlich sein, da sich mit ihr die Bildhelligkeit regulieren lässt. Eine kleinere Blendenöffnung erhöht zudem die Tiefenschärfe.
Durch die Anpassung des relativen Winkels zwischen Kamera und Beleuchtung können verschiedene Merkmale des Schweißprozesses hervorgehoben werden. Auch die Positionierung spielt eine wichtige Rolle, um Spiegelungen von den Metalloberflächen der Werkstücke zu vermeiden.
Gängige Visualisierungsgeometrien umfassen:
Die optimale Konfiguration für jede Anwendung wird durch Tests mit unterschiedlichen Winkeln zwischen Kamera und Beleuchtung ermittelt. Nachfolgend sind Beispiele für zwei direkte und eine indirekte Beleuchtungsanordnung mit reflektierender Platte dargestellt.
Abbildung 8. Links: Gleichzeitige direkte und Gegenlichtbeleuchtung beim Lichtbogenschweißen. Rechts: Direkte Beleuchtung beim Laserschweißen.
Abbildung 9. Indirekte Beleuchtung mittels Reflektor zur Hervorhebung der Dynamik im Schmelzbad.
Die industrielle Bildverarbeitung dient der kontinuierlichen Überwachung von Produktionsprozessen mittels kamerabasierter Systeme.
Im Schweißen kann die industrielle Bildverarbeitung zur Prozess- und Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Prozessparameter können anhand von Live-Bildern oder durch Bildanalyse angepasst werden. Die Kombination von Bildverarbeitung und fortgeschrittenen Analysealgorithmen erlaubt eine automatisierte Prozesssteuerung und entlastet das Personal.
Hochgeschwindigkeitsbildgebung zeichnet mehrere aufeinanderfolgende Bilder in sehr kurzer Zeit auf. Sie wird im Schweißbereich vor allem für Forschung und Entwicklung genutzt.
Dadurch lassen sich schnelle und ultraschnelle Phänomene in Zeitlupe analysieren, um deren Abläufe genau zu verstehen.
Die Wahl der Lösung bestimmt die Bildgeschwindigkeit: Ein In-situ-Storage-CCD-System kann 103 Bilder bei 10 Mio. Bildern/s aufnehmen, während ein verstärktes, getaktetes CCD-System 4–12 Bilder bei 200 Mio. Bildern/s liefert. Vergleichbare Geschwindigkeiten sind mit CMOS-Technik erreichbar.
Eine Kombination aus industrieller Bildverarbeitung und Hochgeschwindigkeitsbildgebung kann ebenfalls zur Prozessüberwachung eingesetzt werden. Die Analysesoftware kann so programmiert werden, dass sie bei Erkennung bestimmter Merkmale oder Veränderungen automatisch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen auslöst. Die Industrie bewegt sich zunehmend in Richtung solcher automatisierter Prozesskontrollen.
Der zentrale Vorteil der Laserbeleuchtung bei der Visualisierung von Schweißprozessen liegt darin, dass ein besonders effizienter Schmalbandfilter eingesetzt werden kann. Der muss im Durchlassbereich lediglich heller sein als das Prozesslicht, was in der Praxis mit wenigen hundert Watt erreicht wird.
Gleichzeitig kann dank Filterung die Helligkeit des Prozesses kontrolliert und detailreiche Bilder erzeugt werden.
Mit Laserlicht lässt sich eine hohe Beleuchtungsleistung durch eine nur wenige Millimeter große Öffnung übertragen und eine hohe Helligkeit erzeugen.
Die Lichtabgabe kann exakt getaktet und in 10-ns-Schritten geregelt werden.
Im Gegensatz zu LED-Beleuchtung bietet Lasertechnologie monochromatisches, streifenfreies Licht mit hoher Intensität. Laser sind kompakt und somit für viele Anwendungen geeignet.
Durch Faseroptik muss der Laser nicht direkt am Ziel positioniert werden. Mit kurzen Pulsen können schnelle Vorgänge ohne Bewegungsunschärfe erfasst werden.
Weitere Vorteile der Laserbeleuchtung für die Schweißvisualisierung sind:
Die durch Laser ermöglichten Beleuchtungstechniken sind vielseitig, darunter direkte fasergekoppelte, strukturierte Muster und Fernbeleuchtung.
Für besonders schnelle Phänomene wie Stoßwellen ermöglicht die Laserbeleuchtung den Einsatz von Doppelpulsen, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoßwelle festzuhalten.
Wichtigste Aufgabe der Filter ist die Verbesserung der Bildqualität. Filter sind ein ausgezeichnetes Werkzeug, um die Menge und Art des Lichts auf den Kamerasensor zu steuern – besonders bei MSG- und WIG-Schweißen, wo der Lichtbogen extrem hell ist.
Je nach Aufbau und verfügbaren Komponenten kommen Neutraldichte- und Schmalbandfilter zum Einsatz (siehe Abschnitt 3.1.1).
Mit dem Schlierenverfahren werden Phänomene sichtbar gemacht, die das menschliche Auge nicht erfassen kann, die aber den Lichtweg beeinflussen. Die Methode basiert auf der Visualisierung von Unterschieden im Brechungsindex transparenter Medien wie Luft oder Wasser. Ein Beispiel für einen Schlierenaufbau zeigt Abbildung 10.
Das Schattenbildverfahren erzeugt Bilder mit derselben Anordnung wie das Schlierenverfahren, jedoch ohne Blende.
Abbildung 10. Cavitar gefalteter Z-förmiger Schlierenaufbau. (1) Kamera, (2) Blende, (3) Hilfsspiegel, (4) Spiegel, (5) Versuchsbereich, (6) Spalt, (7) CAVILUX-Laser und (8) optionale Frontbeleuchtung.
Das Schattenbildverfahren erstellt sogenannte Schattenbilder, die nach Settles (2001:29) „kein fokussiertes optisches Bild, sondern lediglich ein Schatten“ sind.
Das Schattenbildverfahren ist weniger empfindlich als das Schlierenverfahren, eignet sich aber besonders gut zur Visualisierung von Stoßwellen und turbulenten Strömungen. Beide Verfahren ergänzen sich hinsichtlich der gelieferten Informationen: Während das Schattenbild Dichteänderungen zeigt, gibt es keine Auskunft über deren Richtung.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass „das Schlierenbild den Ablenkwinkel zeigt, während das Schattenbild die Strahlenverschiebung durch die Ablenkung darstellt“ (Settles 2001:29).
Ein Schattenbildsystem ist einfacher aufzubauen, da beim Schlierenverfahren die Platzierung der Blende und die Einstellung der Empfindlichkeit anspruchsvoll sind.
Die Vorteile des Schlierenverfahrens überwiegen jedoch meist die Komplexität: Schlieren „betonen, ja übertreiben Details im Schlierenobjekt, während das Schattenbild diese meist untertreibt“ (Settles 2001:29). Außerdem ist „die eindeutige 1:1-Bildkorrespondenz mit dem Untersuchungsobjekt oft ein entscheidender Vorteil“ (Settles 2001:29).
Im Schweißprozess treten zahlreiche Komponenten und Phänomene auf, die mit den oben genannten Techniken visualisiert werden können.
Im Fokus stehen sichtbare Merkmale der Schweißprozessvisualisierung. Durch die bildliche Erfassung und Auswertung dieser Merkmale können Fehler erkannt und vermieden sowie der Prozess kontrolliert und optimiert werden.
Dieser Abschnitt zeigt auf, welche Komponenten und Vorgänge visualisiert werden können und gibt Beispiele für deren untersuchenswerte Eigenschaften.
Der Begriff „Fuge“ bezeichnet den Zwischenraum zwischen den zu verschweißenden Werkstücken oder eine Nut in der Oberfläche eines einzelnen Werkstücks.
Die Fuge ist der Bereich, in dem das Schmelzmetall konzentriert wird und die Naht entsteht. Bei der Fugenverschweißung ist meist eine Vorbereitung notwendig. Beispiele verschiedener Fugentypen zeigt Abbildung 11.
Abbildung 11. Beispiele verschiedener Fugenarten.
Bestimmte Fugeneigenschaften sind entscheidend für das Gelingen der Schweißnaht, darunter die Kantenform der Werkstücke, deren relative Höhe, die Form der Fuge und die Ausrichtung der Werkstücke. Diese Eigenschaften können während des Prozesses visualisiert und verfolgt werden.
Die Naht ist die Verbindung zweier oder mehrerer Werkstücke und ist oft gleichbedeutend mit der Fuge. Fugen können jedoch auch auf Einzelteilen vorkommen.
Beim Schweißen ist die Lage der Naht in Bezug auf den Brenner entscheidend für eine stabile, glatte Naht – eine präzise Führung des Wärmeeintrags verbessert die Qualität. Dies gilt besonders beim LBW, wo die Nähte meist schmal sind und Abweichungen zu fehlender Seitenwandverschmelzung führen können (siehe z.B. Nilsen et al. 2017).
Durch die Kombination von Visualisierung und leistungsfähigen Analysealgorithmen können Lage und Position des Brenners relativ zur Naht automatisiert nachgeführt werden.
Abbildung 12. Beispiel einer Naht beim Plasmaschweißen.
MSG- und E-Hand-Schweißen verwenden abschmelzende Drähte, die mit konstanter Geschwindigkeit durch die Schweißpistole geführt werden. Der Lichtbogen entsteht zwischen dem Draht und dem Werkstück.
Das Material des Drahts richtet sich nach dem Werkstoff des Werkstücks und weiteren Prozessparametern und beeinflusst maßgeblich die Qualität der Schweißnaht.
Beim WIG- und Plasmaschweißen wird der Zusatzdraht außerhalb des Brenners dem Schweißbad zugeführt, da eine nicht abschmelzende Elektrode eingesetzt wird.
Abbildung 13. Abschmelzender Draht mit Umhüllung beim E-Hand-Schweißen.
Beim Schmelzen des Zusatzdrahts bilden sich Tropfen, die auf das Werkstück übertragen werden und die Naht formen. Die Untersuchung dieser Tropfen dient dazu, Unregelmäßigkeiten zu erkennen und den Prozess zu optimieren. Auch die Position des Zusatzdrahts relativ zur Fuge ist entscheidend für die Nahtqualität.
Abbildung 14. Zusatzdraht beim MSG-Schweißen.
Spritzer sind Tropfen aus Schweißmaterial, die beim Schweißen auf die Werkbank oder das Werkstück spritzen.
Durch die hohen Temperaturen können Spritzer die Umgebung beschädigen und zu unerwünschten Markierungen am Endprodukt führen.
Spritzer verursachen Korrosion, stammen vom Draht oder Schmelzbad und treten überwiegend beim MSG-Schweißen auf.
Ursachen für Spritzer können Verunreinigungen, Lichtbogeneigenschaften, bestimmte Schutzgase, Schweißwinkel und Drahtgeschwindigkeit sein.
Gunenthiram et al. (2018) zeigten, dass Spritzer durch die Kombination aus Hochgeschwindigkeitsbildgebung, Laserbeleuchtung und Bildanalyse erfolgreich untersucht werden können.
Die Studie ergab, dass das Pulvermaterial die Spritzermenge beim pulverbettbasierten LBW beeinflusst und die Visualisierung zur Spritzerminimierung beiträgt.
Abbildung 15. Spritzerbildung beim Laserschweißen.
Beim WIG- und Plasmaschweißen befindet sich eine nicht abschmelzende Wolframelektrode im Zentrum des Brenners.
Der Elektroden- oder Plasmalichtbogen wird zwischen dieser Elektrode und dem Werkstück gezündet. Visualisiert und bewertet werden unter anderem der Zustand der Elektrode und ihre Position zum Werkstück.
Abbildung 16. Spitze einer WIG-Elektrode.
Beim Lichtbogenschweißen entsteht der elektrische Lichtbogen zwischen dem Zusatzdraht oder der Elektrode und dem Werkstück. Der Lichtbogen entsteht durch elektrischen Durchschlag und sorgt für das Aufschmelzen des Metalls.
Die Visualisierung des Lichtbogens ist aufgrund der extremen Helligkeit schwierig. Durch geeignete Filterung kann jedoch der Großteil der Helligkeit ausgeblendet werden, sodass Laserbeleuchtung für die Erfassung der Lichtbogeneigenschaften praktisch unverzichtbar ist.
Schlierenaufbauten mit leistungsstarken Lichtquellen können die Interaktion zwischen Lichtbogen und Werkstück untersuchen (siehe z.B. Siewert et al. 2014).
Abbildung 17. Lichtbogenerzeugung beim MSG-Schweißen – Spin-Arc.
Das Gasgemisch, das während des Schweißvorgangs kontinuierlich aus der Schweißpistole oder dem Brenner strömt, wird als Schutzgas bezeichnet. Es verhindert die Oxidation des geschmolzenen Materials und sorgt so für eine stabile, belastbare Verbindung.
Das Schutzgas stellt ein zentrales Element beim Schweißen dar, denn ein ununterbrochener, optimaler Gasfluss gewährleistet, dass die Schweißnaht vor Verunreinigungen aus der Luft geschützt ist.
Laut Siewert et al. (2014: 1) kann eine Verunreinigung zu „Lichtbogeninstabilität, Oxidation, Porosität und Spritzern“ führen.
Darüber hinaus können Plasma und Lichtbogenbereiche negativ beeinflusst werden, wenn es zu Kontakt mit Sauerstoff oder anderen atmosphärischen Gasen kommt. Ausführliche Informationen über Strömungsverhalten und Funktion von Schutzgasen sind für die Entwicklung neuer Schweißpistolen und Brenner von großem Nutzen.
Die wichtigste Eigenschaft von Schweißpistolen und Brennern im Hinblick auf das Schutzgas ist, dass die Düse eine gute Funktionalität aufweist und so einen Gasfluss ohne Abtrennung oder Turbulenzen ermöglicht (Siewert et al. 2014).
Das Schutzgas ist eines der am intensivsten untersuchten Elemente beim Schweißen. Siewert et al. (2014: 1) berichten, dass sowohl die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) als auch die Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse des Schutzgasflusses getestet wurden.
Von beiden Methoden erwies sich PIV als geeigneter, da sie die „nichtinvasive und zeitlich aufgelöste Detektion eines zweidimensionalen Gasströmungsfeldes“ sowohl bei GMAW- als auch GTAW-Anwendungen ermöglicht. Die Beherrschung dieser Messtechnik erfordert jedoch große Sorgfalt und kann kostenintensiv sein.
Eine kostengünstigere und einfachere Methode zur Bewertung effektiver Schutzgasströme ist die Schlierenbildtechnik. Die Helligkeit des Lichtbogens stellt dabei insbesondere beim GMAW eine Herausforderung dar und kann zu Störungen in den Aufnahmen führen.
GMAW ist generell schwierig zu visualisieren. Durch Anpassung zentraler Komponenten, wie Lichtquelle und Maske, ist es jedoch möglich, hochqualitative Schlierenaufnahmen des Schutzgasflusses zu erzeugen.
Als Maske ermittelten Siewert et al. (2014), dass eine Messerschneide-Maske, die senkrecht zum Werkstück positioniert ist, die optimale Lösung darstellt. Dennoch eignen sich unterschiedliche Maskenformen und -größen zur Visualisierung verschiedener Phänomene.
Welche Maske am besten geeignet ist, hängt auch von der Form der Lichtquelle ab, da im Optimalfall die Form der Maske auf die Lichtquelle abgestimmt ist.
Zweifarbfilter können eingesetzt werden, um Turbulenzen besser sichtbar zu machen, den Kontrast zu steigern und die Lichtintensität zu reduzieren. Um die Helligkeit des Lichtbogens vollständig zu blockieren, kann eine Kombination aus Laserlichtquelle und „einem neutralen Graufilter mit einer Transmission von 1 %“ verwendet werden (Siewert et al. 2014: 4).
Siewert et al. (2014: 4) stellten fest, dass die Konsistenz des Schutzgases die Sichtbarkeit des Gases in den Schlierenbildern beeinflusst: „Der Übergang des prozessgasfreien Strahls zur Atmosphäre lässt sich besonders gut mit Argon, dem ein erheblicher Anteil Helium (50 %) als Schutzgas beigemischt ist, visualisieren. Es muss jedoch davon ausgegangen werden, dass Helium einen wesentlichen Einfluss auf die Lichtbogengeometrie und vor allem auf den Gasfluss hat.“
Bitharas et al. (2018) nutzten hingegen erfolgreich die Schlierentechnik, um Schutzgasströme mit 80 % Argon und 20 % Kohlendioxid (CO₂) sowie 86 % Argon, 12 % CO₂ und 2 % Sauerstoff (O₂) zu untersuchen.
Dreher et al. (2009) untersuchten den Einsatz der Schlierenbildgebung zur Visualisierung des Schutzgases bei vorhandenem Lichtbogen. Das Team erzielte gute Ergebnisse mit einem Z-Typ-Schlierenaufbau, der spezielle Blenden, Filter, Linsen und Spiegel verwendete.
Die aufgenommenen Bilder halfen, die Strömungseigenschaften des Schutzgases mit und ohne Lichtbogen zu bewerten, mit besonderem Fokus auf Turbulenzen und deren Einfluss auf das Werkstück. Solche Erkenntnisse können zur Entwicklung neuer Schweißbrenner mit verbesserten Schutzgaseigenschaften genutzt werden.
Abbildung 18. Schutzgasströmung beim GMAW-Schweißen, aufgenommen mit Schlierentechnik. Die Stoßwelle des Lichtbogens ist sichtbar.
In einer weiteren Studie setzten Dreher et al. (2013) weiterhin PIV und Schlierenbilder ein, um den Einfluss unterschiedlicher Schutzgasdüsen auf den Gasfluss zu untersuchen. Dabei wurden auch die Ausrichtung des Brenners und die Art der Verbindung als Einflussfaktoren berücksichtigt.
Für die Visualisierung des Schutzgases mittels PIV verwendeten Dreher et al. (2013) eine Kombination aus CAVILUX-Laserbeleuchtung für die Tracerpartikel. Der größte Vorteil von PIV liegt in der leichten Transportierbarkeit der Messtechnik und der universellen Einsatzmöglichkeit mit beliebigen Schutzgaskomponenten.
PIV eignet sich besonders zur Analyse des Strömungsfeldes im schutzgasfreien Strahl und in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens. Mit der Schlierentechnik lassen sich turbulente Strömungseffekte des Schutzgases noch effizienter visualisieren. Dabei ist jedoch die Gaszusammensetzung wesentlich, da die Methode auf Dichteunterschieden basiert.
Neben PIV und Schlierenverfahren wurden Schutzgasströme erfolgreich mittels Schattenbildverfahren abgebildet und analysiert. Beyer et al. (2013) untersuchten mit einem tragbaren Schattenbildsystem und Laserbeleuchtung optimale Schutzgasdurchflussraten sowie die Auswirkungen von Querdurchzug und Düsenabmessungen auf die Gasabdeckung beim Metall-Schutzgasschweißen.
Es zeigte sich, dass Schweißer die Schutzgasdurchflussraten oft unnötig erhöhen, was zu vermeidbaren Kosten führt. Es wurde herausgefunden, dass der Durchfluss des Schutzgases sich nach dem maximal zu erwartenden Querdurchzug und der verwendeten Düsengröße richten sollte.
Die Analyse zeigte, dass bei manchen Schweißverfahren selbst eine Reduzierung der Schutzgasdurchflussrate um 50 % die Nahtqualität nicht beeinträchtigt. Dies bedeutet, dass durch Prozessanalyse und die Festlegung optimaler Parameter signifikante jährliche Einsparungen erzielt werden können.
Weiterführende Literatur zur Visualisierung von Schutzgas findet sich bei Bitharas et al. (2016), Siewert et al. (2014) und Schnick et al. (2013).
Abbildung 19. Beispiel für Lichtbogenbildung beim GMAW-Schweißen. Das Setup beinhaltete eine Lichtblattoptik, um den Schutzgasfluss mittels PIV-Methode zu untersuchen.
Ein Schmelzbad bezeichnet das geschmolzene Schweißmetall, das noch nicht erstarrt ist. Es befindet sich in der Regel an der Stelle, an der gerade geschweißt wird.
Faktoren, die Form und Verhalten des Schmelzbades beeinflussen, sind die eingesetzte Leistung, die Schweißgeschwindigkeit und der Brennpunkt. Ein Verständnis der Eigenschaften des Schmelzbades ist essenziell, um die Einbringung von Zusatzwerkstoff-Tropfen zu optimieren und dadurch die Spritzerbildung zu minimieren (siehe Gunenthiram et al. 2018 zu Schweißmaterialien, Schmelzbadviskosität und Spritzern, sowie Fabbro 2010 zum Schmelzbadverhalten beim LBW).
Mit einem Schlierenbildaufbau und Laserbeleuchtung gelang es Salminen et al. (2008), Form und Oxidation von Schmelzbädern erfolgreich sichtbar zu machen.
Das Team erläuterte, dass frühere Hochgeschwindigkeitsaufnahmen gezeigt haben, dass bei erhöhter Schweißgeschwindigkeit schmalere Nähte und stärkere Schmelzflüsse nahe der Oberfläche erzielt werden können. Wird jedoch eine bestimmte Geschwindigkeit überschritten, verschlechtert sich die Nahtqualität durch vermehrte Spritzerbildung.
Im eigenen Experiment konnten sie das Schmelzbadverhalten aufgrund technischer Limitierungen nicht verfolgen, stellten jedoch fest, dass sich das Schmelzbad typischerweise hinter dem Keyhole verbreitert. Zudem zeigt das Schmelzbad auf der gesamten Eindringtiefe ähnliche Charakteristika.
Coniglio et al. (2014) wendeten dagegen die Shape-from-Polarization-Methode zur topografischen Charakterisierung von Schmelzbädern an. Das Verfahren beruht auf der vom Schmelzbad ausgehenden Wärmestrahlung und nutzt das Background-Oriented Schlieren-Verfahren zur Rekonstruktion der Schmelzbadoberfläche.
Diese Methode funktioniert am besten bei niedriger Stromstärke. Solche topografischen Messungen liefern entscheidende Informationen zu Konkavität und Konvexität des Schmelzbades, die auf einen Mangel oder Überschuss an Zusatzwerkstoff hinweisen.
Abbildung 20. Beobachtung des Schmelzbades beim CMT-Additive-Manufacturing in Kombination mit Schlierenbildgebung.
Wenn der Lichtbogen das Material erhitzt und Teile davon verdampfen, entsteht im Zentrum des Schmelzbades ein Keyhole (Schlüsselloch).
Keyholes sind von zentraler Bedeutung beim LBW, wo der Laserstrahl das Schweißmaterial effizient verdampft und so ein Schlüsselloch erzeugt, durch das die Energie in die umliegenden Bereiche geleitet wird. Wichtige Merkmale des Keyholes sind Form, Größe und Verhalten, die allesamt die Nahtqualität beeinflussen. Das Keyhole steht in engem Zusammenhang mit dem Schmelzbad.
Nach Salminen et al. (2008) ist das Verhältnis zwischen Keyhole und Brennpunkt entscheidend für eine hohe Nahtqualität. Frühere Untersuchungen zeigen, dass der Brennpunkt unterhalb der Werkstückoberfläche liegen und das Keyhole etwa 85 % der Größe des Brennpunktes betragen sollte.
Salminen et al. (2008) stellten jedoch fest, dass die Größe des Keyholes je nach Schweißgeschwindigkeit variiert: Eine höhere Geschwindigkeit führt zu einem längeren, ovalen Keyhole im Gegensatz zu einer runderen Form bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Eine geringe Wärmeeinbringung erzeugte instabile Effekte im Keyhole. Für die Bildgebung wurde ein Schlierenaufbau mit Laserbeleuchtung verwendet. Obwohl die Abbildungen gelungen sind, zeigte sich, dass eine Hochgeschwindigkeitskamera (über 10 000 fps) besser geeignet wäre, um schnelle Veränderungen im Keyhole zu erfassen.
Auch Fabbro (2010) untersuchte den Zusammenhang zwischen Keyhole und Schweißgeschwindigkeit im LBW. Es zeigte sich, dass neben der Geschwindigkeit auch der verwendete Laser die Form und Größe des Keyholes wesentlich beeinflusst.
Moderne, hochwertige Laserstrahlen besitzen einen kompakteren Brennpunkt, wodurch das Keyhole aufgrund der erhöhten Intensität deutlich stabiler bleibt (beispielsweise ist die Schwelle für das Kippen der Keyhole-Vorderwand höher).
Abbildung 21. Keyhole im NdYAG-Laserschweißprozess.
