Anwendung zur Optimierung des Laserstrahlschweißens durch Überlagerung von Ultraschallwellen

Das Poten­zi­al der Ultra­schall­wel­len­über­la­ge­rung zur Ver­bes­se­rung der Eigen­schaf­ten des Laser­strahl­schwei­ßens wur­de am Fach­ge­biet Tren­nen und Fügen von Fer­ti­gungs­ver­fah­ren (tff) der Uni­ver­si­tät Kas­sel mit einem sta­tio­nä­ren und einem beweg­ten Pie­zos­ha­ker-Sys­tem unter­sucht. Ein Bei­spiel dafür ist der Ver­such an der hoch­fes­ten Stahl­le­gie­rung 22MnB5, der hier vor­ge­stellt wird. Eine Adap­ti­on auf ande­re Schweiß­ver­fah­ren und Werk­stof­fe ist möglich.

Die Ein­flüs­se der ver­schie­de­nen Anre­gungs­pa­ra­me­ter des Pie­zos­ha­kers auf die Ultra­schall­wel­len­über­la­ge­rung wur­den unter­sucht, z.B. die Ver­tei­lung der AlSi-Beschich­tungs­par­ti­kel inner­halb der Füge­zo­ne sowie die Schweiß­naht­ei­gen­schaf­ten [1].

Für die Wel­len­über­la­ge­rung wur­de das isi-sys Pie­zos­ha­ker-Sys­tem ver­wen­det, wie in Abb. 1 dar­ge­stellt. Das Sys­tem besteht aus einem 2‑kanaligen Pie­zo-Ver­stär­ker der Serie HPDA‑0–180-2C und zwei Pie­zos­ha­kern der Serie PS-W-02. Die Pie­zos­ha­ker sind über eine Hal­te­rung fest mit der Laser­op­tik ver­bun­den und wer­den rela­tiv zur Bau­teil­ober­flä­che in einem defi­nier­ten Abstand zum Laser­strahl bewegt. Mit Hil­fe von Pneu­ma­tik­zy­lin­dern wer­den die­se mit einer defi­nier­ten Kraft auf die Bau­teil­ober­flä­che gepresst. Uneben­hei­ten und Stär­ken­dif­fe­ren­zen der Füge­part­ner kön­nen so kom­pen­siert werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 1 (links):Die Ver­tei­lung der AlSi-Beschich­tung im Ver­gleich ohne (a) und © und mit (b) und (e) Ein­fluss einer Ultra­schall­wel­len­über­la­ge­rung durch isi-sys Pie­zos­ha­ker beim Laser­strahl­schwei­ßen mit Falsch­far­ben­bil­dern der EDS-Ana­ly­se (d) und (f) [1]

Abb. 2 (rechts): Über­la­ger­te REM-Bil­der und abschnitts­wei­se inver­se Pol­fi­gur­ab­bil­dung (IPFM) einer Schweiß­naht ohne (a) und mit Ultra­schall­über­la­ge­rung (b), gemes­sen mit Elek­tro­nen­rück­streu­beu­gung, dar­ge­stellt als inver­se Pol­fi­gur in Z‑Richtung [1].

[1] Publis­hed in: C. Wolf, S. Völ­kers, I. Kryu­kov, M. Graß, N. Som­mer, S. Böhm, M. Wun­der, N. Köh­ler und P. Mäckel, „Enhan­ce­ment of Welda­bi­li­ty at Laser Beam Wel­ding of 22MnB5 by an Entrai­ned Ultra­so­nic Wave Super­po­si­ti­on,“ In: Mate­ri­als 2022, Bd. 15, 4800.

Vakuumanregung an Batteriepacks

Luft­ein­schlüs­se oder Luft­bla­sen in moder­nen Bat­te­rie-Packs sind ein erns­tes und gefähr­li­ches Pro­blem. Der isi-sys SE2 Sen­sor kann klei­ne und gro­ße Fehl­stel­len (wie Luft­bla­sen, Luft­ein­schlüs­se, Ris­se oder ande­re) inner­halb von weni­gen Sekun­den erfas­sen. Dabei ist es egal, ob sich die Fehl­stel­len direkt an der Ober­flä­che oder tief im Inne­ren der Pro­be befin­den. Im Bei­spiel unten wur­de ein Bat­te­rie-Pack der Uni­ver­si­tät Mün­chen, IBW untersucht.

Mess­auf­bau:

Die Pro­be wur­de für den Test in einer Vaku­um­glas­kam­mer mit dem SE2-Sen­sor unter­sucht. Hier­bei han­delt es sich um eine eco­no­mi­sche Lösung für manu­el­le Unter­su­chun­gen in der Zer­stö­rungs­frei­en Prü­fung. Um auto­ma­ti­sier­te Seri­en­tests in der Pro­duk­ti­on durch­zu­füh­ren, wären wei­ter­füh­ren­de Auf­bau­ten not­wen­dig, die von isi-sys ange­bo­ten werden.

Prüf­ver­fah­ren:

Zur Unter­su­chung der Bat­te­rie-Packs sind nur gerin­ge Druck­un­ter­schie­de von eini­gen mbar not­wen­dig, die in der klei­nen Vaku­um­kam­mer in weni­gen Sekun­den anlie­gen. Der Sen­sor über­wacht die Bat­te­rie­ober­flä­che wäh­rend der Druck­än­de­rung und misst die dif­fe­ren­ti­el­le Ver­for­mung der Ober­flä­che. Auf­grund der Expan­si­on der Luft­bla­sen und Luft­ta­schen kön­nen die Ein­schlüs­se, wie in den fol­gen­den Bil­dern zu sehen, loka­li­siert werden.

Im ers­ten Bild wird das Live-Bild des Sen­sors von dem Bat­te­rie-Pack dar­ge­stellt.  Das zwei­te Bild zeigt die rekon­tru­ier­te Pha­se, die im Zusam­men­hang mit dem loka­len Ver­for­mungs­gra­di­en­ten steht.

battery pack3

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Gene­rell hängt die erfor­der­li­che Druck­dif­fe­renz von der Tie­fe und Grö­ße der Fehl­stel­len ab, sowie von der mecha­ni­schen Stei­fig­keit der getes­te­ten Struk­tur. Doch im Nor­mal­fall benö­tigt man nur eine gerin­ge Vaku­um­be­las­tung, weil die Emp­find­lich­keit des Sen­sors für die Auf­nah­me der Ver­for­mungs­dif­fe­renz der Ober­flä­che extrem hoch ist.

Abgasrohr

Exhaust1Die Inge­nieu­re der Fir­ma Cum­mins ent­wi­ckeln und tes­ten ihre Moto­ren, um reel­len Bedin­gun­gen der Indus­trie stand­zu­hal­ten, die von mili­tä­ri­sche Ein­sät­zen bis zu gro­ßen Indus­trie­an­la­gen rei­chen. Sie wol­len genaus­tens erfah­ren, wie sich ihre Bau­tei­le unter der Kom­bi­na­ti­on von ther­mi­scher und mecha­ni­scher Belas­tung ver­for­men. Das bedeu­tet, sie müs­sen ihre Tests mit lau­fen­den hei­ßen Moto­ren durchführen.

Auf­grund der kom­ple­xen Span­nungs­fel­der, die unter die­sen Bedin­gun­gen erzeugt wer­den, kön­nen her­kömm­li­che Deh­nungs­mess­strei­fen Cum­mins Anfor­de­run­gen nicht genü­gen. FEM Simu­la­tio­nen  sind durch die unsi­che­ren Rand­be­din­gun­gen eben­falls nur begrenzt mög­lich. Mit dem Vic-3D Sys­tem sind Cum­mins Inge­nieu­re in der Lage detail­lier­te 3‑dimensionale Deh­nungs­mes­sun­gen durch­zu­füh­ren. Die­se Mes­sun­gen wer­den unter reel­len Belas­tungs­be­din­gun­gen vor­ge­nom­men, wäh­rend der Motor läuft. Dar­über hin­aus ist der Auf­bau des Vic-3D Sys­tems ein­fach, mit dem Sys­tem kön­nen sowohl klei­ne Objek­te als auch gro­ße Bau­grup­pen ver­mes­sen werden.

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Paul Glo­eck­ner, lei­ten­der Ent­wick­lungs­in­ge­nieur von Cum­mins, beschreibt die Nütz­lich­keit des Vic-3D Sys­tems wie folgt: “Die­ses Mess­ge­rät erlaubt es uns Unter­su­chun­gen vor­zu­neh­men, die bis­her nicht mög­lich waren. Zusätz­lich konn­ten die Mess­zei­ten der Tests redu­ziert werden.”

 

z.f.P: Dynamische Anregung am Windturbinenrotorblatt (Segment)

Test­ob­jekt: Glas­fa­ser-Schaum Sand­wich (ent­nom­men aus einem Defek­ten Wind­tur­bi­nen­ro­to­blatt einer Test­an­la­ge mit belas­tungs­be­ding­ten Fehl­stel­len). Die Pro­be wur­de zer­stö­rungs­frei mit dem  SE3 Sen­sor in Kom­bi­na­ti­on mit der dyna­mi­schen Schwin­gungs­an­re­gung durch isi-sys Pie­zos­ha­ker unter­sucht. Die Fehl­stel­len wur­den eben­so wei­ter mit Hil­fe einer Farb­in­fil­tra­ti­on durch meh­re­re klei­ne ein­ge­brach­te Bohr­lö­cher zusätz­lich sicht­bar gemacht.  Die groß­flä­chi­ge Dela­mi­na­ti­on auf der Innen­sei­te kann auch von der Außen­sei­te detek­tiert werden.

Section RotorBlade-a Section RotorBlade2

links: Ver­suchs­auf­bau

rechts: Das Ergeb­nis der Zeit­mit­te­lung bei einer Fre­quenz von 2569 Hz zeigt Ablö­sun­gen unter­halb der Oberfläche.

Section RotorBlade3Section RotorBlade4links: Live-Ansicht der Ober­flä­che mit ein­ge­stell­tem Scherbetrag.

rechts: Mess­ergeb­nis der Zeit­mit­te­lung des mar­kier­ten Berei­ches im Live-Bild.

 

Delaminationen und Ablösung von Harz-Brücken an Glasfaser-Schaum Sandwich

Es wur­den wei­te­re ver­gleich­ba­re Glas­fa­ser-Schaum Sand­wich­plat­ten mit Schaum­stoff­blö­cken und Harz-Brü­cken mit ent­spre­chen­den Fehl­stel­len prä­pa­riert und mit der She­aro­gra­fie unter­sucht, um die  not­wen­di­gen ent­spre­chen­den Sys­tem- und Anre­gungs­pa­ra­me­ter (u. a. Fre­quenz) und die ent­spre­chen­den Gren­ze für die­se Struk­tur  bei ver­schie­de­nen Feh­ler­ty­pe und Grö­ßen fest­zu­stel­len.  Beson­de­ren Ein­fluss haben die Harz-Brü­cken und die ent­spre­chen­den Schaum­wür­fel auf die Detek­ti­ons­wahr­schein­lich­keit (POD).

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Die Anre­gungs­fre­quen­zen der durch­ge­führ­ten Mes­sun­gen lau­ten: 1398 Hz (1), 3133 Hz (2), 2442 Hz (3) and 4906 Hz (4) — die Num­mer sind jeweils im Bild dargestellt.

Section2 RotorBlade2

Vergleich Dehnungsmessstreifen / Vic-3D

Bei die­ser Unter­su­chung ging es um einen Ver­gleich einer Vic-3D Deh­nungs­mes­sung mit den Ergeb­nis­sen von Deh­nungs­mess­strei­fen. Die aus­ge­wähl­te Acryl-Pro­be befes­tig­te man dafür in einer Zug­prüf­ma­schi­ne. An der Pro­ben­rück­sei­te wur­den die Deh­nungs­mess­strei­fen ange­bracht und mit dem SCAD 500 DMS-Mess­ver­stä­ker ver­bun­den. Die Vor­der­sei­te soll­te für die Bild­kor­re­la­ti­ons­mes­sung ver­wen­det und mit dem benö­tig­ten Speck­le­mus­ter prä­pa­riert wer­den. Zum Ein­satz kamen 5Mpx CMOS Kame­ras mit einem Pre­gius Sen­sor und einer Bild­ra­te von 75fps. Weil der Aus­gang des SCAD 500 mit der DAQ Box des DIC Sys­tems ver­bun­den wur­de, konn­ten die Ergeb­nis­se der Deh­nungs­mes­sung par­al­lel auf­ge­zeich­net und in einem Dia­gramm dar­ge­stellt werden.

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Abbil­dung 1: Vic-3D Mes­sung der Acryl- Probe

 

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Abbil­dung 2: Mess­ergeb­nis­se — Ver­gleich der Deh­nungs­mess­strei­fen (rote Kur­ve) und Vic-3D  (schwar­ze Kur­ve) [Deh­nung ε in Microstrain]

 

Die Vic-3D Daten ent­spre­chen nahe­zu per­fekt den Ergeb­nis­sen der Deh­nungs­mes­sung. Auch bei nied­ri­gen Belas­tun­gen ist die Dif­fe­renz weni­ger als 25 Microstrain.

Dehnungsmessung — 2D Ermüdungstest

 

In die­sem Bei­trag wer­den die Ergeb­nis­se eines 2D Ermü­dungs­tests an einer dicken Stahl­plat­te mit Ker­be gezeigt. Unter Ver­wen­dung einer 2,3 MP Kame­ra in Kom­bi­na­ti­on mit Vic-2D kann eine hohe Deh­nungs­auf­lö­sung von unge­fähr 5 — 10 Micros­train erreicht werden.

 

Im Video wer­den die Ergeb­nis­se des Ermü­dungs­tests dargestellt.

 

 

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Die Pro­be wur­de einer wech­seln­den Bie­ge­be­las­tung über die Zeit aus­ge­setzt, was die gra­fi­sche Dar­stel­lung veranschaulicht.

Dynamische Kompression von Metallen

Dynamic compressionUnter­su­chun­gen des Ver­hal­tens von Metal­len wäh­rend eines dyna­mi­schen Hoch­ge­schwin­dig­keit-Kom­pres­si­ons­er­eig­nis­ses ist seit jeher auf­grund von kom­ple­xen Ver­suchs­auf­bau­ten und hohen Daten­er­fas­sungs­ra­ten eine gro­ße Her­aus­for­de­rung. Der­zeit steht nur wenig Lite­ra­tur über das Ver­for­mungs­ver­hal­ten bei Deh­nungs­ra­ten von 10 bis 500s-1 zur Ver­fü­gung. Mit einem Vic-3D HS Sys­tem und Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ras kön­nen Ober­flä­chen­ver­schie­bun­gen und Deh­nun­gen voll­flä­chig in drei Dimen­sio­nen mit einer hohen Genau­ig­keit quan­ti­fi­ziert wer­den. Die Bild­kor­re­la­ti­on hat in den letz­ten Jah­ren in sol­chen Hoch­ge­schwin­dig­keits­an­wen­dun­gen auf­grund sei­ner hohen Genau­ig­keit, Fle­xi­bi­li­tät und Benut­zer­freund­lich­keit gro­ße Popu­la­ri­tät gewonnen.

 

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In die­sem Bei­spiel wur­de eine zylin­dri­sche Pro­be mit einem Durch­mes­ser von 6mm kom­pre­miert. Die Deh­nungs­ra­te betrug 50s-1 . Ein Vic-3D HS Sys­tem erfasst die Ober­flä­chen­ver­schie­bun­gen und Deh­nun­gen wäh­rend des Ver­su­ches. Auf der Pro­be wird ein zufäl­li­ges Speck­le­mus­ter auf­ge­tra­gen. Die­ses ermög­licht der Ana­ly­se­soft­ware ein­fach und sub­pi­xel­ge­nau die Ver­for­mung zu ver­fol­gen. Obwohl die Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ras in der Lage sind, wesent­lich höhe­re Erfas­sungs­ra­ten zu errei­chen, wur­de für die­sen Test eine geeig­ne­te Bild­ra­te von 14,400fps ver­wen­det. Hier­mit erreicht man eine maxi­mier­te räum­li­che Auf­lö­sung und erhält eine aus­rei­chen­de Anzahl von Bil­dern. Die Kame­ras wur­den bei einer Auf­lö­sung von 1024 x 400 Pixel getrig­gert. Im Anschluss an die Mes­sung wer­den die Bil­der auf die Fest­plat­te des Com­pu­ters über­tra­gen und mit der Vic-3D Ana­ly­se­soft­ware nachbearbeitet.

 

Bil­der mit freund­li­cher Geneh­mi­gung von Amos Gilat & Jere­my Seidt an der Ohio Sta­te University.

Betriebsschwingungsanalyse eines Mobiltelefons während des Vibrationsalarms

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Refe­renz­ko­or­di­na­ten und Kon­tur des Mobiltelefons. 

Die­se Bei­spiel zeigt die Mes­sung und Ana­ly­se der Betriebs­schwin­gungs­for­men und Starr­kör­per­vi­bra­ti­ons­be­we­gung eines Mobil­te­le­fons, das mit sei­nem eige­nen Vibra­ti­ons­alarm ange­regt wird, beschrie­ben. Mit dem berüh­rungs­lo­sen 3D Voll­feld High-Speed-Bild­kor­re­la­ti­ons­s­sy­tem in Kom­bi­na­ti­on mit dem Vic-3D FFT Modul ana­ly­siert man die auf­ge­nom­me­nen Ver­for­mungs­da­ten im Fre­quenz­be­reich mit Hil­fe der Phasentrennungsmethode.

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Die gemes­se­nen Ver­for­mun­gen und Ver­schie­bun­gen wäh­rend des Vibra­ti­ons­alarms wer­den im Ver­gleich zum Refe­renz­zu­stand für jedes Ste­reo­bild­paar aus­ge­wer­tet. In die­sem Bespiel beträgt die Auf­nah­me­zeit etwa 5,5 s mit  1000 FPS, dem­entspre­chend erhält man unge­fähr 5500 Einzelmessungen.

Die fol­gen­de Abbil­dung zeigt die durch­schnitt­li­che Schwin­gungs­am­pli­tu­de U.

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Dehnungsmessung an einer Isolierung für Elektrokabel

Im Video wird das Seg­ment der Schutz­hül­le eines Elek­tro­ka­bels (Iso­lie­rung) mit einem Durch­mes­ser von 3mm in einer Zug­prüf­ma­schi­nen bis zum Ver­sa­gen gedehnt. Wäh­rend des Expe­ri­men­tes wird mit digi­ta­ler Bild­kor­re­la­ti­on eine voll­flä­chi­ge Deh­nungs­mes­sung vorgenommen.

 

Kontraktion eines Muskels

Bio­me­cha­ni­sche Wis­sen­schaft­ler unter­such­ten die Kon­trak­ti­on des vor­de­ren Schien­bein­mus­kels einer Rat­te. Wün­schens­wert war es, schnell und genau die Gesamt­be­we­gung des Mus­kels sowie loka­le Varia­tio­nen zu quantifizieren.

Herausforderungen

Weil die Expe­ri­men­te an leben­den Gewe­be durch­ge­führt wer­den soll­ten, war es schwie­rig her­kömm­li­che Deh­nungs­mes­strei­fen anzu­brin­gen. Außer­dem neig­ten die Deh­nungs­mess­strei­fen dazu, die Bewe­gungs­mes­sung zu stö­ren. Es war wich­tig, mög­lichst vie­le Daten­punk­te so schnell wie mög­lich zu erfas­sen. Mar­ker-Ver­fol­gun­gen wur­de durch­ge­führt, erga­ben aber nur gro­be Durch­schnitts­wer­te bei gro­ßem Zeitaufwand.

Lösung

Mit dem Vic-3D Sys­tem ist es mög­lich, die Kon­trak­ti­ons­da­ten über die kom­plet­te Mus­kel­ober­flä­che zu erfas­sen. Die hohe Geschwin­dig­keit und ein­fa­che Bedie­nung des Sys­tems lie­ßen es zu, zahl­rei­che Mes­sun­gen mit defi­nier­ten Zeit­in­ter­val­len durch­zu­füh­ren. Es kam zu kei­ner Inter­ak­ti­on mit dem Prüf­ling und durch die groß­flä­chi­ge Mes­sung war es nicht not­wen­dig sich auf einen inter­es­san­ten Bereich zu beschränken.

Die Mess­ergeb­nis­se boten eine hohe räum­li­che Auf­lö­sung und es konn­ten zahl­rei­che Gebie­te ermit­telt wer­den, in denen Bün­del des Mus­kel­ge­we­bes signi­fi­kan­te Abwei­chun­gen in der Mus­kel­kon­trak­ti­on auf­wie­sen. Die­se Gebie­te konn­ten bis­her mit kon­ven­tio­nel­len Metho­den nicht iden­ti­fi­ziert wer­den. Bei den Mes­sun­gen wur­den alle Kal­ku­la­tio­nen auto­ma­tisch durch­ge­führt, was deut­lich Zeit ein­spart und die Mög­lich­keit mensch­li­cher Feh­ler verhindert.