Prozessführung beim Laserstrahlschweißen

Da die Regelgröße Einschweißtiefe nicht direkt gemessen werden kann (eine genaue Ermittlung ist nur durch eine nachträgliche, zerstörende Prüfung möglich), wird das den Tiefschweißeffekt begleitende Plasmaleuchten ausgewertet. Hierbei wird auf ein vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen (ILT) entwickeltes koaxiales Prozessbeobachtungs-Verfahren (CPC-System) zurückgegriffen. Bei dem Verfahren wird ausgenutzt, dass die Intensität des Plasmas in der Dampfkapillare (Keyhole) der Einschweißtiefe proportional ist.

Aufbauend auf die Einschweißtiefenmessung mit Hilfe der CPC-Kamera wurde ein Prozessführungskonzept zur Regelung der Einschweißtiefe und der Nahtbreite entwickelt. Dabei wurde das Konzept einer Modellgestützten Prädiktiven Regelung verfolgt. Die Basis der Regelung ist ein mathematisches Mehrgrößenmodell des Laserschweißprozesses, welches auch die Kopplungen der verschiedenen Ein- und Ausgangsgrößen berücksichtigt und genutzt wird, um das Verhalten relevanter Prozessgrößen in der Zukunft zu prädizieren. Dabei wurde dieses Modell durch experimentelle Identifikation unter Verwendung Künstlicher Neuronaler Netze (KNN) ermittelt, da selbstkonsistente, die wesentlichen Prozesseigenschaften beschreibende dynamische Modelle des Laserstrahlschweißprozesses deutlich rechenintensiver sind. Aufgrund der hohen Dynamik des Laserstrahlschweißprozesses ist eine Optimierung der Stellgröße mit Hilfe des nichtlinearen KNN als Prozessmodell Online nicht möglich. Daher wurde ein Ansatz erarbeitet, der eine Linearisierung des KNN in jedem Abtastschritt durchführt und damit die guten nichtlinearen Approximationseigenschaften mit dem deterministischen Verhalten einer linearen Optimierung verbindet. Durch diese Modellierung konnte eine gute Abbildung des Einflusses der wesentlichen Eingangs- und Störgrößen auf die Nahtbreite und Einschweißtiefe als wichtige Qualitätsmerkmale einer Schweißnaht erreicht werden.

Aufbauend auf der Systembeschreibung konnte ein Modellgestütztes Prädiktives Regelungskonzept umgesetzt werden, welches eine gleichbleibende Einschweißtiefe und Nahtbreite bei Störeinflüssen und Prozessgrößenänderungen sicherstellt und in der folgenden Abbildung dargestellt ist. Auf die beiden Regelgrößen Einschweißtiefe und Nahtbreite wirken im Wesentlichen die Laserleistung, die Fokuslage und die Bahngeschwindigkeit. Diese stellen Ausgangsgrößen von unterlagerten Regelkreisen dar. Zunächst werden die unmittelbar änderbare Laserleistung und die Fokuslage als Stellgrößen verwendet. Die zukünftigen Verläufe für Einschweißtiefe, Nahtbreite und Bahngeschwindigkeit sind in der Steuerung als Ergebnisse der Planung des Bearbeitungsvorganges bekannt und können so von dem prädiktiven Regler verwendet werden. Die Sollwerte für Laserleistung und Fokuslage werden von dem prädiktiven Regler anhand des internen Modells bestimmt.

Die Anwendbarkeit des Regelungskonzepts ist in Simulationen und in realen Schweißversuchen demonstriert worden (siehe Abbildung). Dieser Erfolg stellt die Nutzung des Potentials des entwickelten Ansatzes in Aussicht. Aufgrund der großen Industrieresonanz soll in einem beantragten Transferprojekt zusammen mit einem renomierten Industriepartner die Entwicklung eines markttauglichen Stand-alone-Systems zur Einschweißtiefenregelung als Teil eines komplexen Prozessüberwachungs- und -führungssystems vorangetrieben werden.