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Der Clou: T-Stoß-Schweißen mit Dampfwolke als Datenträger

Das Sensorprinzip der Berliner Forscher nutzt nun aber ein physikalisches Phänomen, das beim Laserstrahlschweißen ohnehin entsteht: Denn über dem Schmelzbad bildet sich zwangsläufig eine Metalldampfwolke aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen. Diese Wolke ist aber kein einfaches Nebenprodukt, sondern ein direktes Abbild des Schweißzustands. Durch die hohen Intensitäten des Laserstrahls im Fokuspunkt werden Metallatome verdampft und teilweise ionisiert, sodass ein elektrisch leitfähiges Plasma entsteht, dessen elektrische Eigenschaften in direktem Zusammenhang mit dem aktuellen Prozesszustand stehen. Das Gute ist, dass man mithilfe einfacher Messtechnik die Informationen darin zuverlässig erfassen kann. Der entscheidende Unterschied liegt in der Geometrie des Keyholes.

• Trifft der Laserstrahl das Stegblech (Einschweißung), ist das Schlüsselloch nach unten hin verschlossen. Der Metalldampf entweicht ausschließlich nach oben – konzentriert, dicht geladen und gut messbar.

• Verfehlt der Strahl aber das Stegblech (Durchschweißung), öffnet sich das Schlüsselloch nach beiden Seiten. Die Dampfwolke verteilt sich nach oben und unten – die Ladungsdichte oberhalb des Schmelzbades sinkt deutlich.

Eine einfache Kupferelektrode kann dafür als Sonde diene. Sie wird dazu knapp neben dem Laserspot positioniert. Sie misst dann die Änderung der elektrischen Spannung und liefert ein Signal, das in Echtzeit anzeigt, ob der Laserstrahl sein Ziel getroffen hat oder nicht. Die gesamte Sensorik besteht lediglich aus der Elektrode, einem handelsüblichen Spannungsmesser sowie einem 1-Platinen-Computer zur Signalverarbeitung. Diese Konstellation macht das System nicht nur günstig, sondern auch wartungsarm. Auch ist es so leicht in bestehende Schweißanlagen integrierbar.

Experimentelle Validierung, erste Ergebnisse und Optimierungen

Die bisherigen Ergebnisse bilden bereits eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung des Systems in zwei parallelen Arbeitssträngen. Im ersten Strang soll die Sonde hinsichtlich Materialauswahl und Geometrie systematisch optimiert werden. Und außer Kupfer werden alternative Elektrodenmaterialien und -formen auf ihre Eignung für den dauerhaften Einsatz im Schweißprozess geprüft. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Wärmebeständigkeit der Elektrode, sowie der Minimierung von Ablagerungen durch Schweißspritzer, die die Messqualität im Langzeitbetrieb beeinträchtigen könnten. Parallel dazu wird ein dediziertes Messprogramm zur Aufzeichnung und gezielten Verstärkung der Spannungssignale entwickelt. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt ist auch die systematische Variation der Sondenposition relativ zum Laserspot, weil diese einen entscheidenden Einfluss auf die Messqualität hat. Danach sind Schweißversuche mit unterschiedlicher Nahtführung vorgesehen, bei denen gezielt laterale Versatzzustände eingestellt werden, um die Übertragbarkeit des Sensorprinzips auf praxisnahe Positionierfehler zu validieren.

Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen zur Signalauswertung wird im Rahmen des zweiten Strangs ein vollständiges Regelungskonzept entwickelt. Dabei wird zunächst untersucht, welche Regelungsstruktur (Festwertregelung zur Einhaltung einer definierten Sollposition oder Folgeregelung zur dynamischen Nachführung des Laserstrahls) für die Anwendung am besten geeignet ist. Parallel dazu erfolgt der systematische Aufbau der Regelstrecke, sowie eine Stabilitätsanalyse des geschlossenen Regelkreises. Ein zentrales Untersuchungsthema betrifft die Reaktionszeit des Gesamtsystems aus Regler und Manipulator, weil diese maßgeblich die erreichbare Regelgüte bei hohen Prozessgeschwindigkeiten bestimmt. Als langfristiges Ziel hat man sich die Integration des vollständigen Regelungssystems in industrielle Fertigungsanlagen gesteckt, um eine vollautomatische Echtzeitkorrektur der Laserstrahlposition zu ermöglichen.

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