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Fertigungstechnik

Prozess absichern mit Machine Vision

Das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen University untersucht im Sonderforschungsbereich 1120 ‚Präzision aus Schmelze‘ Einflüsse verschiedener Legierungselemente auf die Eigenspannungsverteilung. Um die Dehnung von Bauteilen zu untersuchen, wird sie mit in situ-Bildkorrelation beobachtet. Das Setup ist anspruchsvoll.

In der Vakuumkammer ist eine Atmosphären-Kammer verbaut. (Bild: Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG)

In der Vakuumkammer ist eine Atmosphären-Kammer verbaut. (Bild: Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG)

In diesem Projekt werden durch metallurgische Beeinflussung mit der Nutzung des sogenannten Low-Transformation-Temperature (LTT) Effekts gezielt Druckspannungen erzeugt. Dies erfolgt durch eine lokale Volumenausdehnung, initiiert durch verzögerte martensitische Phasenumwandlung bei reduzierter Temperatur. Der Fokus liegt auf der Eigenspannungskompensation durch Phasenumwandlung zur thermischen Dehnungskontrolle im Strahlschweißprozess. Um die dabei verursachte Bauteildehnung beobachten zu können, wird mit der in situ-Bildkorrelations-Messmethode die Oberflächendehnung beobachtet. Die beschriebene Versuchsreihe wurde an einer Anlage der Steigerwald Strahltechnik mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 150kV durchgeführt. Ein Baustahl S235JR (Abmaße 100x50x5mm) wurde mit einem 1mm Volldraht G25 20 von Esab in einer Lage geschweißt. Dadurch konnte die chemische Zusammensetzung in der Naht manipuliert und der LTT-Effekt ausgenutzt werden. Die Bildkorrelation wurde mit dem System Q-400 von Dantec Dynamics durchgeführt. Der Elektronenstrahlschweißprozess wird prozessbedingt in einer Vakuumkammer durchgeführt. In dieser Kammer befindet sich sowohl die Schweißprobe, als auch die zur Ausleuchtung des Prozesses notwendigen Beleuchtungen (Bild oben links).

Probleme bei der Bildaufnahme

Zur Durchführung der Bildkorrelation müssen zwei Kameras den Prozess beobachten können. Dabei ergeben sich Herausforderungen für den Einsatz optischer Messmethoden in einer Elektronenstrahlkammer. Da der zu untersuchende Schweißprozess in einer Vakuumkammer erfolgt, ist die Kühlung der Kameras erschwert. Konvektive Kühlung durch Druckluft ist aufgrund des Vakuums nicht möglich. Hinzu kommt, dass durch die Prozessgase die Kameralinsen/-filter verschmutzen können. Außerdem erzeugt das Auftreffen von Elektronen auf der Probenoberfläche Röntgenstrahlungen, die bei längeren Schweißprozessen zu Defekten in der Messtechnik führen können. Zuletzt verhindert das Eigenleuchten im Prozess die Aufnahme der Schweißnahtnähe.

Kammer in der Kammer

Um den Prozess mit den Kameras aufzunehmen und gleichzeitig zu kühlen, wurde eine Atmosphärenkammer konstruiert und in die Vakuumkammer verbaut. Die Herausforderung war es, die Atmosphärenkammer so abzudichten, dass sie dem Unterdruck der Vakuumkammer standhält. Die Kammerinnenwand wurde mit Blei ausgekleidet, um zumindest den Grundkörper der Kameras vor der Röntgenstrahlung zu schützen. Um das Eigenleuchten des Schweißprozesses zu unterbinden, kam eine Kombination aus starker Beleuchtung und Bandpassfiltern zum Einsatz. Hierzu wurden zunächst Spektroskopieaufnahmen des Schweißprozesses durchgeführt, um die Leuchtintensität (counts) über der Wellenlänge zu messen. Dabei zeigte sich, dass in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 bis 500nm die geringste Lichtintensität vorliegt. Folglich musste eine Beleuchtung mit entsprechendem Bandpassfilter gewählt werden, damit das helle Leuchten des Schweißprozesses nicht stört. Zudem musste die Beleuchtung eine hohe Leuchtkraft aufweisen und der Leuchtfleck groß genug sein, um einen Großteil der 100x50mm großen Probe homogen auszuleuchten. Aufgrund des Einsatzes in einer Vakuumkammer war es auch wichtig, dass die Beleuchtung nicht überhitzt. Alle diese Kriterien wurden von den blauen LED-Leuchten von Falcon Illumination erfüllt. Um eine ausreichd große FLäche zu beleuchten, wurden zwei 470nm-Spotleuchten der Serie FHSP eingebaut. Bandpassfilter wurden an den Kameraobjektiven angebracht, um alle Wellenlängenbereiche außer bei 470nm zu filtern.

Links: weißes Licht und 450nm Bandpassfilter, rechts: blaues Licht und 470nm Bandpassfilter (Bild: Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG)

Links: weißes Licht und 450nm Bandpassfilter, rechts: blaues Licht und 470nm Bandpassfilter (Bild: Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG)

Fazit

Schlussendlich wurden Vergleiche zwischen zwei Schweißversuchen durchgeführt. Eine Aufnahme mit weißer Beleuchtung und 450nm-Bandpassfilter wurde mit der beschriebenen Beleuchtungsauswahl verglichen. Bei der Videoaufnahme des Prozesses mit weißer Beleuchtung ist das starke Prozessleuchten zu erkennen (Bild l.). Hier ist es nicht möglich, Schweißvorgang und Wärmeeinflusszone zu beobachten, da die Leuchtintensität des weißen Lichts nicht ausreicht, um das Prozessleuchten zu unterdrücken. Die blaue Spotbeleuchtung überblendet das Prozessleuchten und wird dann vom 470nm-Bandpassfilter herausgefiltert. Schweißnaht und Wärmeeinflusszone lassen sich aufzeichnen (Bild 3 r.). Untersuchungen des Elektronenstrahlschweißprozesses sind somit möglich, um oberflächennahe Dehnungen durch den LTT-Effekt zu analysieren und in den Griff zu bekommen.


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