Laserschweißen dank KI in Echtzeit überwachen

Röntgenblick und Lauschangriff für Qualität

Mit einem Röntgenversuch an der „European Synchrotron Radiation Facility“ (ESRF) im französischen Grenoble wiesen Empa-Forscher nach, wie gut ihre akustische Echtzeitüberwachung von Laserschweißprozessen funktioniert: Mit fast 90-prozentiger Sicherheit erkannten sie die Bildung von unerwünschten Poren, die die Qualität von Schweißnähten beeinträchtigen. Der Nachweis dauert dank einer speziellen Auswertungsmethode, die auf künstlicher Intelligenz (KI) basiert, gerade einmal 70 Millisekunden.

Laserschweißen ist ein Verfahren, das sich zum Fügen von Metallen und Kunststoffen eignet. Es hat sich besonders in der automatisierten Fertigung, etwa in der Automobilindustrie, durchgesetzt, denn ein Laser arbeitet praktisch verschleissfrei, besonders schnell und äußerst präzise. Doch bislang ließ sich die Qualität einer Schweißnaht erst im Nachhinein dokumentieren, entweder mittels Röntgenaufnahmen, mittels magnetischer Analysemethoden oder durch das Zersägen einzelner Probestücke aus der Produktion. Eine Echtzeit-Überwachung der Schweissqualität wäre ein deutlicher Vorteil.

Stabil oder instabil, das ist die Frage

Sie verwenden dazu einerseits einen günstigen akustischen Sensor und messen andererseits die Reflexion des Laserstrahls auf der Metalloberfläche. Die kombinierten Daten werden mit Hilfe künstlicher Intelligenz (KI) innerhalb von 70 Millisekunden analysiert. So lässt sich die Qualität des Laserschweissprozesses in Echtzeit überwachen.

Beweis am Röntgen-Synchrotron in Grenoble

Wie exakt ihre Überwachungsmethode in der Praxis ist, bewiesen die Empa-Forscher jüngst an der „European Synchrotron Radiation Facility“ (ESRF) in Grenoble. Sie schmolzen mit einem Laser ein Keyhole in ein Plättchen aus Aluminium, das zu gleicher Zeit von harter Röntgenstrahlung durchleuchtet wurde. Der Prozess, der weniger als eine hundertstel Sekunde dauert, wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.

Das Ergebnis: Die einzelnen Phasen des Schweißprozesses wurden mit mehr als 90 Prozent Sicherheit korrekt erkannt – ultraschnell. Trifft der Laserstrahl auf das Metall, setzt zunächst die Phase des Wärmeleitungsschweißens ein – nur die Oberfläche schmilzt auf. Dann entsteht ein stabiles Keyhole, das bei längerer Einstrahldauer indes zu „wackeln“ beginnt und instabil wird. Bisweilen emittiert das Keyhole flüssiges Metall, ähnlich wie bei einem Vulkanausbruch. Wenn es unkontrolliert in sich zusammenfällt, entsteht eine Pore. All diese Phasen macht die neue Empa-Technologie in Echtzeit sichtbar.