In-Situ-Überwachung von Laserschweißprozessen mittels höherfrequenter Schallemissionen

Abstract

Die Prozessfenster beim Laserstrahlschweißen sind aufgrund vieler Einflussgrößen schmal. Daher spielt in der Großserienproduktion eine prozessnahe Überwachung der Fertigungsqualität eine große Rolle. Dies kann beispielsweise über die Detektion von elektromagnetischen oder akustischen Prozessemissionen realisiert werden. Beides hat bisher nicht zu zufriedenstellenden Überwachungskonzepten geführt. Der Schwerpunkt der Entwicklung lag in den letzten Jahren vorwiegend auf der optischen Prozessüberwachung, da die Detektion resonanter akustischer Emissionen im niederfrequenten Bereich bisher keine verlässlichen Ergebnisse geliefert hat. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit die hochfrequenten Körper- und Luftschallemissionen von Laserschweißprozessen untersucht. Es wird die Fragestellung geklärt, ob ein Laserschweißprozess überhaupt hochfrequente Schallemissionen aussendet. Auch wird gezeigt, wie diese mit Stellparametern und Qualitätsmerkmalen einer Laserschweißnaht korreliert werden können und ein Prozessmodell gebildet werden kann. Auf Basis eines solchen Prozessmodells kann eine Fehlerdetektion erfolgen und ein Konzept für die Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen mittels hochfrequenten Schallemissionen für die Fertigung erarbeitet werden. Damit können zusätzliche Informationen über den Laserschweißprozess gewonnen werden, was einen wichtigen Beitrag im Hinblick auf die Realisierung eines robusten Prozessüberwachungskonzeptes für das Laserstrahlschweißen liefert.

Process windows of laser welding are quite narrow due to different influences. Therefore, process-oriented quality control is a key in large-volume production. This can be realized by detection of electromagnetic or acoustic process emissions. Up to now, both variants were not leading to realization of satisfying concepts of process monitoring. In the last years, the key aspect in this development was mainly put on optical process monitoring, because the detection of resonant acoustic emissions in low frequency ranges were not delivering reliable results. Therefore, the high frequency structure- and air-borne emissions will be deeply investigated in this thesis. The first emphasis will be on the clarification of the existence of high frequency acoustic emissions in laser welding processes besides the already known low frequency resonant acoustic emissions. In the second step, the correlation of these emissions with the parameters and quality characteristics of laser welding seams will be developed. By means of this, a process model will be formed. Based on this process model, a defect detection, as well as a concept for process monitoring of laser welding processes by means of high frequency acoustic emissions, can be established. Using this concept, additional information about laser welding processes can be gained, which helps to realize a robust and stable concept for process monitoring of laser welding in industrial scale.