Schweißqualitätssicherung

Die Qualitätssicherung von Schweißnähten umfasst den Einsatz technologischer Methoden und Maßnahmen zur Prüfung und Sicherstellung ihrer Qualität sowie zur Bestätigung ihrer Präsenz, Lage und Abdeckung. In der Fertigung werden Schweißnähte verwendet, um zwei oder mehr Metalloberflächen zu verbinden. Da diese Verbindungen während der Produktlebensdauer Belastungen und Materialermüdung ausgesetzt sein können , besteht die Gefahr eines Versagens, wenn sie nicht gemäß den Spezifikationen ausgeführt wurden.

Methoden zur Schweißnahtprüfung und -analyse dienen der Sicherstellung der Qualität und Korrektheit der Schweißnaht nach deren Fertigstellung. Der Begriff bezieht sich im Allgemeinen auf Prüfungen und Analysen, die sich auf die Qualität und Festigkeit der Schweißnaht konzentrieren, kann aber auch technologische Maßnahmen zur Überprüfung des Vorhandenseins, der Position und des Umfangs von Schweißnähten umfassen. Diese werden in zerstörende und zerstörungsfreie Verfahren unterteilt. Beispiele für zerstörende Prüfverfahren sind die Makroätzprüfung, die Bruchprüfung von Kehlnähten, die Querzugprüfung und die geführte Biegeprüfung. ^{[ 1 ]} Weitere zerstörende Verfahren sind die Säureätzprüfung, die Rückbiegeprüfung, die Zugfestigkeitsprüfung, die Kerbbruchprüfung und die Freibiegeprüfung. ^{[ 2 ]} Zu den zerstörungsfreien Verfahren gehören die Fluoreszenz-Eindringprüfung, die Magnetpulverprüfung, die Wirbelstromprüfung (elektromagnetische Prüfung), die hydrostatische Prüfung, die Prüfung mit Magnetpulver, die Röntgen- und Gammastrahlenprüfung sowie die Schallemissionsanalyse . ^{[ 2 ]} Weitere Verfahren sind die Ferrit- und Härteprüfung. ^{[ 2 ]}

Die röntgenbasierte Schweißnahtprüfung kann manuell durch einen Prüfer anhand von Röntgenbildern oder -videos oder automatisiert mittels Bildverarbeitung erfolgen . ^{[ 3 ]} Auch Gammastrahlen können verwendet werden.

Die Prüfung kann manuell durch einen Prüfer mithilfe von Bildgebungsgeräten oder automatisiert mittels Bildverarbeitung erfolgen . Da die Materialähnlichkeit zwischen Schweißnaht und Werkstück sowie zwischen fehlerfreien und fehlerhaften Bereichen nur geringen Kontrast bietet, sind für die automatisierte Prüfung in der Regel andere Verfahren als die einfache Bildgebung erforderlich.

Eine (destruktive) Methode besteht in der mikroskopischen Analyse eines Schweißnahtquerschnitts. ^{[ 4 ]}

Die Ultraschallprüfung nutzt das Prinzip, dass ein Spalt in der Schweißnaht die Ausbreitung von Ultraschall im Metall verändert. Ein gängiges Verfahren ist die Einzelsonden-Ultraschallprüfung, bei der der Prüfer die Ergebnisse auf einem Oszilloskopbildschirm auswertet. ^{[ 5 ]} Ein anderes Verfahren verwendet ein zweidimensionales Array von Ultraschallsensoren. ^{[ 5 ]} Konventionelle, Phased-Array- und Laufzeitbeugungs-Verfahren (TOFD) lassen sich in einem Prüfgerät kombinieren. ^{[ 6 ]}

Akustische Emissionsverfahren überwachen die durch die Belastung oder Biegung der Schweißnaht erzeugten Geräusche. ^{[ 2 ]}

Dieses Verfahren beinhaltet das Auftrennen der Schweißnaht und das Messen der Größe der verbleibenden Schweißnaht. ^{[ 5 ]}

Schweißnahtüberwachungsmethoden gewährleisten die Qualität und Korrektheit der Schweißnaht während des Schweißvorgangs. Der Begriff wird im Allgemeinen für die automatisierte Überwachung zur Sicherstellung der Schweißnahtqualität und sekundär für die Prozesssteuerung, beispielsweise für die bildbasierte Roboterführung, verwendet. Die visuelle Schweißnahtüberwachung erfolgt auch während des Schweißprozesses .

Im Fahrzeugbereich zielt die Schweißnahtüberwachung darauf ab, Qualität, Langlebigkeit und Sicherheit von Fahrzeugen zu verbessern und gleichzeitig Kosten durch die Vermeidung von Rückrufaktionen zu senken, die aufgrund suboptimaler Schweißarbeiten und damit verbundener systembedingter Qualitätsprobleme notwendig sind. Die Qualitätsüberwachung von automatischen Schweißprozessen kann Produktionsausfallzeiten minimieren und den Bedarf an Nachbearbeitung und Rückrufaktionen reduzieren.

Industrielle Überwachungssysteme fördern hohe Produktionsraten und reduzieren Ausschusskosten. ^{[ 7 ]}

Die Inline-Kohärenzbildgebung (ICI) ist eine neu entwickelte interferometrische Technik auf Basis der optischen Kohärenztomographie ^{[ 8 ]} , die zur Qualitätssicherung beim Keyhole -Laserschweißen eingesetzt wird – einem Schweißverfahren, das in verschiedenen Branchen zunehmend an Bedeutung gewinnt. ICI richtet eine Breitbandlichtquelle geringer Leistung durch denselben optischen Pfad wie den primären Schweißlaser. Der Strahl tritt in das Keyhole der Schweißnaht ein und wird von dessen Boden zurück in die Optik des Schweißkopfes reflektiert. Durch die Überlagerung des reflektierten Lichts mit einem separaten Strahl, der eine bekannte Strecke zurückgelegt hat, entsteht ein Interferenzmuster. Dieses Interferenzmuster wird anschließend analysiert, um die Keyhole-Tiefe präzise zu messen. Da diese Messungen in Echtzeit erfolgen, kann ICI auch zur Steuerung der Laser-Eindringtiefe eingesetzt werden, indem die Tiefenmessung in einem Regelkreis genutzt wird, der die Ausgangsleistung des Lasers moduliert.

Die transiente thermische Analyse wird für eine Reihe von Schweißoptimierungsaufgaben eingesetzt. ^{[ 9 ]}

Die Bildverarbeitung von Schweißsignalen (SIP) ist eine Technologie zur Analyse elektrischer Daten, die bei Schweißprozessen erfasst werden. Für einwandfreies Schweißen sind exakte Bedingungen erforderlich; Abweichungen können zu einer unbrauchbaren Schweißnaht führen. SIP ermöglicht die Echtzeit-Erkennung von Schweißfehlern, die Messung der Stabilität von Schweißprozessen und deren Optimierung.

Die Idee, elektrische Daten mithilfe von Algorithmen zu analysieren, um die Qualität von Schweißnähten in der robotergestützten Fertigung zu beurteilen, entstand 1995 aus der Forschung von Associate Professor Stephen Simpson an der Universität Sydney zu den komplexen physikalischen Phänomenen in Schweißlichtbögen. Simpson erkannte, dass sich ein Verfahren zur Bestimmung der Schweißnahtqualität entwickeln ließe, ohne diese Phänomene vollständig zu verstehen. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Die Entwicklung umfasste:

1. Ein Verfahren zur Verarbeitung von Abtastdatenblöcken, bei dem diese als Phasenraum-Porträtsignaturen mit geeigneter Bildverarbeitung behandelt werden. Typischerweise werden für eine Sekunde Abtastdaten zu Schweißspannung und -strom bei GMAW-Puls- oder Kurzlichtbogenschweißprozessen erfasst . Die Daten werden in ein 2D-Histogramm umgewandelt und Signalverarbeitungsoperationen wie Bildglättung durchgeführt. ^{[ 13 ]}
2. Eine Technik zur Analyse von Schweißsignaturen basiert auf statistischen Methoden aus den Sozialwissenschaften, wie beispielsweise der Hauptkomponentenanalyse . Das Verhältnis zwischen Schweißspannung und -strom spiegelt den Zustand des Schweißprozesses wider, und das Signaturbild enthält diese Information. Der quantitative Vergleich von Signaturen mittels Hauptkomponentenanalyse ermöglicht die Streuung der Signaturbilder und somit die Erkennung ^{[ 14 ]} und Identifizierung ^{[ 15 ]} von Fehlern . Das System umfasst Algorithmen und mathematische Verfahren, die für die Echtzeit-Schweißanalyse auf PCs geeignet sind, sowie die mehrdimensionale Optimierung der Fehlererkennungsleistung anhand experimenteller Schweißdaten ^{[ 16 ]} . Der Vergleich von Signaturbildern im Verlauf einer Schweißung liefert eine nützliche Einschätzung der Stabilität des Schweißprozesses ^{[ 17 ] [ 18 ]} . Die „Lichtbogen-Sensorik“ durch den Vergleich von Signaturbildern bei Änderung der physikalischen Prozessparameter ermöglicht quantitative Schätzungen – beispielsweise der Position der Schweißnaht ^{[ 19 ] .}

Im Gegensatz zu Systemen, die Informationen zur späteren Auswertung protokollieren oder Proben mittels Röntgen oder Ultraschall prüfen, analysiert die SIP-Technologie das elektrische Signal und erkennt Fehler unmittelbar nach deren Auftreten. ^{[ 20 ]} Datenblöcke mit 4.000 Messpunkten elektrischer Daten werden viermal pro Sekunde erfasst und in Signaturbilder umgewandelt. Nach der Bildverarbeitung ermöglichen statistische Analysen der Signaturen eine quantitative Bewertung des Schweißprozesses, die dessen Stabilität und Reproduzierbarkeit aufzeigt und die Fehlererkennung sowie die Prozessdiagnostik ermöglicht. ^{[ 14 ]} Ein ähnlicher Ansatz, der Spannungs-Strom-Histogramme und ein vereinfachtes statistisches Abstandsmaß zwischen Signaturbildern verwendet, wurde von Forschern der Universität Osaka für das Wolfram- Inertgas- Schweißen (WIG) evaluiert. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

SIP bildet die Grundlage für das WeldPrint- System, das aus einer Benutzeroberfläche und einer auf der SIP-Engine basierenden Software besteht und ausschließlich mit elektrischen Signalen arbeitet. Es ist so konzipiert, dass es nicht-invasiv arbeitet und robust genug ist, um den rauen Bedingungen beim industriellen Schweißen standzuhalten. Der erste große Abnehmer der Technologie, GM Holden ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ],} lieferte Feedback, das es ermöglichte, das System so zu optimieren, dass sein industrieller und kommerzieller Wert gesteigert wurde. Verbesserungen der Algorithmen, darunter die Optimierung mehrerer Parameter mithilfe eines Servernetzwerks, haben in den letzten fünf Jahren zu einer deutlichen Verbesserung der Fehlererkennungsleistung geführt.

WeldPrint für das Lichtbogenschweißen ist seit Mitte 2001 verfügbar. Seitdem wurden rund 70 Geräte installiert, etwa 90 % davon in den Produktionshallen von Automobilherstellern und deren Zulieferern. Zu den industriellen Anwendern zählen Lear (Großbritannien) , Unidrive, GM Holden, Air International und QTB Automotive (Australien). Geräte wurden an australische Unternehmen wie Rheem, Dux und OneSteel zur Schweißnahtprüfung und Prozessoptimierung vermietet.

Die Software WeldPrint wurde 2001 mit dem Brother Business Software of the Year Award ausgezeichnet ; 2003 erhielt die Technologie den mit 100.000 A$ dotierten ersten Australasian Peter Doherty Prize for Innovation ; ^{[ 26 ] [ 27 ]} und WTi, das ursprüngliche Spin-off-Unternehmen der Universität Sydney, erhielt in Anerkennung der Entwicklung ein AusIndustry Certificate of Achievement.

^{SIP hat Forschern neue Möglichkeiten eröffnet, es sowohl beim Schweißen [ 28 ]} als auch in verwandten Disziplinen wie dem Bauingenieurwesen ^{[ 29 ]} als Messinstrument einzusetzen . Auch im Bereich des Biomonitorings externer EEGs haben sich Forschungsmöglichkeiten eröffnet , wobei SIP Vorteile bei der Interpretation der komplexen Signale bietet ^{[ 30 ].}

Die Schweißnahtkartierung dient der Zuordnung von Informationen zu einer Schweißreparatur oder -verbindung, um die einfache Identifizierung von Schweißprozessen, Produktion (Schweißer, deren Qualifikationen, Schweißdatum), Qualität (Sichtprüfung, zerstörungsfreie Prüfung, Normen und Spezifikationen) und Rückverfolgbarkeit (Verfolgung von Schweißverbindungen und geschweißten Gussteilen, Herkunft der Schweißzusätze) zu ermöglichen. Die Schweißnahtkartierung sollte auch eine bildliche Kennzeichnung enthalten, die die Schweißnahtnummer in der Fertigungszeichnung oder der Gussreparatur darstellt. Militärische, nukleare und zivile Industrien verfügen über spezifische Qualitätsstandards (z. B. ISO , CEN , ASME , ASTM , AWS , NAVSEA ), die die Verfahren und Spezifikationen der Schweißnahtkartierung vorgeben. Dies gilt sowohl für den Metallguss, bei dem Fehler mittels WIG- (WIG-Schweißen) oder E-Hand- Schweißen (Elektrodenschweißen) beseitigt und aufgefüllt werden , als auch für die Herstellung von Schweißverbindungen, die hauptsächlich mit MIG- Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen) durchgeführt wird.

• Schweißfehler
• Industrieradiographie
• Roboterschweißen
• Pipeline- und Gefahrgutbehörde