Projekt: Qualitätsbeurteilung von Schmelzschweißverbindungen

Algorithmen ermöglichen zerstörungsfreie Prüfung der Endprodukte

Projekt: Qualitätsbeurteilung von Schmelzschweißverbindungen - Algorithmen ermöglichen zerstörungsfreie Prüfung der Endprodukte | MDESIGN Consulting Services

Problemstellung

Das Metallschutzgasschweißen (MSG-Schweißen) wird häufig in der industriellen Fertigung aufgrund hoher Abschmelzleistungen zur Verbindung von Stahlwerkstoffen eingesetzt. Die Qualität der Bauteilverbindung beeinflusst dabei massiv die Gültigkeit der Dimensionierung der Schweißkonstruktion. Ein Nachweis der Qualität der Schweißverbindung bzw. des Schweißverfahrens ist somit unerlässlich und wird durch die unterschiedlichen Regelwerke gefordert. Die Prüfung erfolgt dabei je nach Anwendung üblicherweise sowohl zerstörungsfrei als auch zerstörend.  Da bei diesen Prüfverfahren bisher normativ keine intensive Betrachtung der zeitabhängigen gemessenen Schweißparameter erfolgt, ist das Potential zur automatisierten Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen noch nicht ausgeschöpft. Mithilfe der Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz ist es jedoch möglich, die Qualität der Verbindung anhand des zeitlichen Verlaufs der Schweißparameter aus einer weiteren Perspektive zu betrachten und somit ganzheitlich zu beurteilen.
Es sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie mithilfe der Anwendung von Maschinellem Lernen, basierend auf Prozesssignalen in Kombination mit Analysen metallographischer Untersuchungen, Prognosemodelle zur Qualitätsbewertung von Verbindungen in Schweißkonstruktionen aufgestellt werden können.

 

Zielstellung

Die Qualität einer Schweißverbindung lässt sich nicht gänzlich durch nachfolgende Qualitätskontrollen prüfen. In der Normung werden diese Prozesse als „spezielle“ Prozesse bezeichnet und dies erfordert daher eine durchgängige Qualitätssicherung im gesamten Herstellprozess. Aus diesem Grund sind neben den Schweißprozessen selbst auch die beteiligten Personengruppen (Schweißer, Bediener) zu qualifizieren.    
Je nach Anwendungsbereich und Ausführungsgüte werden infolgedessen unterschiedliche Bewertungsgruppen angewendet, beispielsweise durch Anwendung von DIN EN ISO 5817. Auf der Annahme einer Schweißnahtgüteklasse und den z.T. stark reduzierten Geometrieparametern erfolgen dann Vordimensionierungs- und Nachweisberechnungen.
Bei dynamisch beanspruchten Bauteilen sind neben den klassischen Geometrieparametern der Schweißnaht Kerbstellen unterschiedlicher Art und Ausprägung entscheidend für die tatsächliche Lebensdauer der Schweißverbindung. Diese werden beispielsweise in den IIW-Berechnungsempfehlungen durch Herabsetzen der ertragbaren Spannung für die jeweilige Gestalt der Schweißverbindung / Kerbdetail berücksichtigt. Auch innere Details der Schweißnaht, beispielsweise Unstetigkeiten im Härteverlauf beeinflussen die Festigkeit und könnten zusätzlich berücksichtigt werden, wenn diese hinreichend dimensionierbar und beherrschbar wären.
Wenn sich also die Lage der Schweißnaht, die Einbrandverhältnisse oder die Lage der Wärmeinflusszone gezielt einstellen lassen würden, kann die Ausnutzung des eingebrachten Schweißgutes weitergehend optimiert werden.

 

Ergebnis

Die Zahl der Ein- und Ausgangsparameter hat einen großen Einfluss auf die Machbarkeitsabschätzung eines Projektes, hier stellt sich die Ergebnisgüte zumeist erst nach einigen Analysen heraus.  Daher sollen beim TIME auf der Basis unterschiedlicher trainierter Algorithmen / Netze nachgeschaltete Validierungsversuche durchgeführt werden, um die Ergebnisqualität der Prognoseparameter zu überprüfen.
Nach erfolgreicher Validierung werden die Prognosemodelle in ein echtzeitfähiges Benutzersystem an einem automatisiertem Schweißsystem überführt. Mithilfe eines Prognosemodells für Schweißparameter unter Vorgabe einer Schweißnahtgeometrie durch die Konstruktionsabteilung soll dem Benutzer im Einrichteprozess die Parameterauswahl vereinfacht werden. Nach dem Teach-In Vorgang kann das System so die Schweißparameter auf der Grundlage zuvor aufbereiteten ML-Ansätze selbst vorauswählen. Sollte sich dieses System als praxistauglich erweisen kann die „Erstparametrisierung“ für Schweißverbindungen hinsichtlich der bisher vorliegenden Iterationsschleifen im Aufwand erheblich reduziert werden. Der daraus resultierende Faktor einer Ressourcenschonung verbunden mit ökonomischen Vorteilen kann insgesamt zu einer neuen Effizienz für den Anlauf von Schweißprozessen im Produktionsumfeld führen.