So bildet sich das sogenannte ‚Keyhole‘ beim Laserschweißen, wenn der Laserstrahl auf das Metall trifft und es aufschmilzt.

So bildet sich das sogenannte ‚Keyhole‘ beim Laserschweißen, wenn der Laserstrahl auf das Metall trifft und es aufschmilzt. Empa

Entwickelt wurde dieses Echtzeit-Qualitätsüberwachungssystem für Schweißnähte an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf, von einem Team rund um Dr. Kilian Wasmer. Sie verwenden dazu einen akustischen Sensor und messen die Reflexion des Laserstrahls auf der Metalloberfläche. Die kombinierten Daten werden mit Hilfe künstlicher Intelligenz (KI) innerhalb von 70 ms analysiert. Das Mess-System erkennt, wenn das Bohrloch des Laserstrahls, das man als Dampfkapillare oder Keyhole bezeichnet, instabil wird und in sich zusammenfällt – und eine Pore in der Schweißnaht hinterlässt, ein unerwünschter Materialfehler. So lässt sich die Qualität des Laserschweißprozesses in Echtzeit überwachen.

Mit einem Röntgenversuch an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble haben die Empa-Forscher nun nachgewiesen, dass diese Überwachungstechnik mit fast 90-prozentiger Sicherheit die Bildung von unerwünschten Poren erkennt.

Fehlerkorrektur mit 2. Laserpuls möglich

Außerdem gelang es den Forschern, absichtlich Poren in der Schweißnaht zu erzeugen und sie mit einem zweiten Laserpuls wieder zu schließen. Das Entstehen einer Pore konnte mit 87 % Sicherheit erkannt werden, das erfolgreiche Entfernen mit immerhin noch 73 %.

Diese Art der Fehlerkorrektur ist für das Laserschweißen äußerst interessant. Das Verfahren hat sich besonders in der automatisierten Fertigung, etwa in der Automobilindustrie, durchgesetzt. Bislang konnte man Poren in einer Schweißnaht erst im fertig geschweißten Werkstück erkennen. Mit Hilfe der Empa-Technik ist der Ort einer Pore bereits während des Prozesses bekannt; ein Nachbearbeiten mit dem Laser kann sofort in Gang gesetzt werden – was die Qualität des Schweißprozesses markant steigern würde.

Überschaubare Kosten für Gerätekomponenten

„Ein Vorteil unserer Überwachungsmethode ist, dass die verwendeten akustischen und optischen Sensoren günstig und robust sind und einfach in bestehende industrielle Anlagen integriert werden könnten“, sagt Kilian Wasmer, der das Projekt koordinierte. Sein Kollege Sergey Shevchik, der die KI für die Signalauswertung entwickelte, freut sich über die hohe Rechengeschwindigkeit bei überschaubaren Hardware-Kosten. „Wir nutzen Grafik-Prozessoren, die parallel mehrere Aufgaben zugleich berechnen können. Solche Prozessoren stecken auch in modernen Game-Konsolen und sind günstig zu haben.“

Einsatz auch im 3D-Metalldruck denkbar

Der an der Empa entwickelte Überwachungsprozess eignet sich nach Ansicht der Wissenschaftler auch für die Qualitätskontrolle beim 3D-Druck von Metallteilen im Pulverbettverfahren. Dabei fährt ein Laserstrahl durch eine Schicht aus Metallkörnern und verschweißt diese. Falls Poren entstehen, könnte der Laser ein zweites Mal zur defekten Stelle gelenkt werden, um die Poren nachträglich zu entfernen. Dies gelingt jedoch nur mit Hilfe von Echtzeitüberwachung, denn entstandene Poren müssen umgehend eliminiert werden, bevor weitere Schichten Metall sie überdecken.