Metall - Schutzgasschweißen

Projektziele

Mit dem System sollen alle Vorgänge im Lichtbogen des MSG-Schweißprozesses, wie Tropfenbildung, Tropfenablösung und Tropfenübergang mit einer ausreichenden Bildaufnahmefrequenz bei verschiedenen Schweißaufgaben Online beobachtbar sein. Zusätzlich soll eine visuelle Analyse des Tropfens (z. B. Tropfengeometrie) und die synchrone Aufnahme von elektrischen Schweißparametern durchgeführt werden.

Aus den aufgenommenen elektrischen Schweißparametern ist die Ermittlung der relevanten Kennwerte für die Beschreibung und die Bewertung des Schweißprozesses geplant. Sie werden durch die Impulsstromhöhe, Impulsspannungshöhe, Grundstromhöhe, Grundspannungshöhe, Mittelwerte des Schweißstromes und der Schweißspannung bzw. Impuls- und Grundzeit sowie der Frequenz des Schweißprozesses beschrieben.

Die visuelle Analyse der aufgenommenen Bilder soll die für den Schweißprozess relevanten Kennwerte ermitteln, die als Gütekriterien des Werkstoffübergangs anzusehen sind. Sie werden beschrieben durch die Art des Werkstoffübergangs (feintropfig, grobtropfig), der Tropfenform und der Berechnung der einzelnen Tropfenparameter wie z.B. Tropfenvolumen je Impuls.

Aus dem Informationsgehalt der aufgenommenen, elektrischen Schweißparameter in Kombination mit der visuellen Analyse der aufgenommenen Bilder soll eine Untersuchung, Bewertung und Einstellung des Schweißprozesses möglich sein. Die Optimierung erfolgt durch die Anpassung der elektrischen Schweißparameter.

Das Onlinebeobachtungssystem erfasst die eingestellten Veränderungen des Schweißprozesses auf den Werkstoffübergang und die elektrischen Schweißparameter und ermöglicht eine sofortige Bewertung des veränderten Schweißprozesses. Durch die Onlinebeobachtung der wesentlichen Parameter unmittelbar im Schweißprozess soll eine zielgerichtete Vorgehensweise ermöglicht werden, um den Schweißprozess zu optimieren. Das System verkürzt so wesentlich die Anzahl der Optimierungsschritte.

An die Schweißstromquellen werden dabei hohe Ansprüche gestellt, um den Schweißprozess günstig beeinflussen bzw. optimieren zu können. Hierzu zählen die Startprogramme und Endprogramme sowie die bereits oben aufgeführten Schweißparameter.

Für die visuelle Analyse der Bilder, die Analyse der elektrischen Schweißparameter und die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den visuellen Merkmalen und den elektrischen Schweißparametern wird untersucht:

• Impulslichtbogen
• MAGM (Schutzgasgemisch 82% Ar und 18% CO₂, Bezeichnung z. B. Krysal 18)
• Drahtelektrode aus Stahl (Typ: SG2) mit einem Durchmesser von 1,2 mm

Zusätzlich wird die Einsatzfähigkeit des Beobachtungssystems zur visuellen Beobachtung des Werkstoffübergangs von weiteren MSG-Schweißverfahren überprüft.

Lösungsansatz

Für das geplante Sensorsystem wird eine neuartige High-Dynamic-Range-CMOS Kamera (HDRC) verwendet. Diese Kamera hat eine Helligkeitsdynamik (Intensitätsunterschied), also das Verhältnis zwischen dem dunkelsten und hellsten Punkt, von 1000000:1. Dies entspricht ungefähr dem Intensitätsunterschied des Schweißprozesses.
Damit ist die HDRC-Kamera theoretisch in der Lage, ohne eine zusätzliche Beleuchtungs-einheit bestimmte Phasen des Werkstoffübergangs gezielt zu beobachten. Die HDRC-Kamera bildet im Gegensatz zur CCD Kamera, welche die Absolutfarbwerte im Bild dar-stellt, den Kontrast zwischen zwei nebeneinander liegenden Objektpunkten ab, der durch unterschiedliche Reflektionen erzeugt wird. Diese hohe Intensitätsdynamik wird für jeden Pixel des Bildes nach dem Vorbild des menschlichen Auges vor der Weiterverarbeitung logarithmisch komprimiert. Durch diese logarithmische Komprimierung bleibt der Informa-tionsgehalt des Bildes voll erhalten. Des Weiteren ist die Kontrastauflösung hierbei über den gesamten Dynamikbereich im Gegensatz zu der CCD-Kamera konstant. Durch die hohe Helligkeitsdynamik besitzen die Bilder einen "fließenden" Grauwertverlauf.
Aufgrund dieser Eigenschaft ist die visuelle Auswertung der Bilder mit herkömmlichen Bildverarbeitungsalgorithmen, die für die Auswertung von CCD-Kamerabildern ausgelegt sind, nur bedingt oder gar nicht möglich.

• Nordbruch, Stefan; Gräser, Axel: "MONITORING AND ANALYSIS OF PGMAW"; Friedrich-Wilhelm-Bessel-Institut Forschungsgesellschaft mbH (FWBI); Universität Bremen, Institute of Automation; 15th Triennial World Congress, Barcelona, Spain