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Thursday, September 17, 2015, Saal Shanghai 9:00 AM Laserstrahlschweißen |
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Regelstrategien zur Prozessstabilität und Qualitätssicherung von Laserschweißprozessen |
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Ralf-Kilian Zäh* / ZeMA - Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gemeinnützige GmbH, Deutschland Benedikt Faupel / HTW Saar, Deutschland |
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Ziel der EFRE-geförderten Forschungsgruppe der ZeMA gGmbH ist es, Prozessparameter zur Regelung des Laserschweißverfahrens zu nutzen. Die Prozesssignale werden analysiert, um eine Zuordnung zwischen Prozessparameter, -signalen und Schweißergebnis herzustellen. Zum Erreichen dieses Ziels wird auf eine Fertigungszelle mit Scheibenlaser und Remoteoptik zurückgegriffen, welcher durch einen Industrieroboter über das Arbeitsfeld geführt wird. Die Datenerfassung und -verarbeitung erfolgt durch ein Real-Time PXI, welches via Profibus die Prozessparameter als Busteilnehmer zur Verfügung stellt. Zur Kennwerterfassung werden dabei bereits in der Industrie etablierte Online-Monitoring-Verfahren in den Prozess integriert und deren Messdaten über das Real-Time-System erfasst. Diese beinhalten die Schmelzbadtemperatur, Helligkeit des Leuchtplasmas und die Intensität der reflektierten Laserleistung. Im Anschluss erfolgt aus den Prozesssignalen eine experimentelle Systemidentifikation, um eine mathematische Abbildung mit den Stellgröße Laserleistung sowie den Regelgrößen Schmelzbadtemperatur und Plasmaintensität zu erzeugen. Dieses kann zur Simulation mit verschiedensten Regelungsmethoden verwendet werden, um die Auswirkung der jeweiligen Regler auf das System zu erforschen. In der Laserzelle sind derzeit softwarebasierte PID-, Dead-Beat-, Fuzzy- und MPC-Regelungsalgorithmen hinterlegt, mit denen eine Schweißung erfolgen kann. Die Regelungsvarianten sind als Einzelgrößensystem in der Anlage implementiert und können pro Schweißdurchgang flexibel angewählt werden. Die Regelungssysteme dienen dazu die Schmelzbadtemperatur oder Plasmaintensität durch die Variation der Laserleistung im Arbeitspunkt zu halten. Die Signale der Schmelzbadtemperatur und Plasmaintensität sind wichtige Parameter der Tiefenschweißung. Die abgestrahlte Temperatur sollte mit der Größe und Kontinuität der Schmelze korrelieren, welche die Grundlage für eine stoffschlüssige Verbindung durch verschmelzen der beteiligten Materialien bietet. Das beim Tiefenschweißen entstehende Plasma deutet auf die Ausprägung des Aspektverhältnis hin, Nahttiefe zu breite, und geht einher mit der Bildung der Dampfkapillare. Die Ergebnisse der geregelten Messdaten zeigen, dass der Verlauf der Regelgrößen durch ein geschlossenes Übertragungssystem in definierten Grenzen gehalten wird. Die geregelten Schweißversuche wurden mittels Ultraschall untersucht, mit deren Auswertung die Qualität der jeweiligen Naht beurteilt wurde. Die Proben der geregelten Schmelzbadtemperatur weisen einen konstanten Anbindequerschnitt der Schweißnaht auf, jedoch sind verstärkt Poren zu finden. Die Schweißversuche mit regulierter Plasmaintensität weisen eine minimierte Anzahl an Poren auf (nur innerhalb der ersten 3mm), allerdings variiert der Anbindequerschnitt. Die Einzelgrößenregelung zeigt, dass durch Eingriffe in den Prozess gewisse Qualitätsmerkmale beeinflusst werden. Es gilt den passenden Regelalgorithmus zu finden, um die wichtigsten Qualitätskriterien sicherzustellen. Es werden aktuelle Ergebnisse vorgestellt. |