aiCAMstir: Vision

Drei Rührreibschweißungen, die bei einem Lehrgang in München mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt wurden

© Stephan Kallee at AluStir, CC BY-SA 4.0 

Die Idee zum Projektinhalt des aiCAM^stir-Projekts kam während eines Reibrührschweißkurses in München zum ersten Mal auf. Zuvor hatte Stephan Kallee an einem Verbundforschungsprojekt gearbeitet, bei dem es um die Herstellung von 'Tailor Welded Blanks' durch Rührreibschweißen ging. Es standen eine neue FSW-Spindel, eine neue Vorrichtung, zwei FSW-Experten und ein neuer Techniker zur Verfügung, der zwar Erfahrung in der Bedienung von Fräsmaschinen hatte, aber keine tiefgreifende Schulung zur Parameteroptimierung erhalten hatte. Aufgrund einer unvorhergesehenen Geschäftsreise arbeiteten sie an drei verschiedenen Orten: im Labor, im Büro und in einem Hotel. Sie konnten nur per Mobiltelefon kommunizieren und Fotos und Informationen über die Parametereinstellungen austauschen. Nach einigen Iterationen konnten optimierte Parameter gefunden werden.

Nahtober- und -unterseite von drei FSW-Nähten mit unterschiedlichen Parametern

     © Stephan Kallee at AluStir, CC BY-SA 4.0 

Einige Jahre später erwog er den Einsatz von neuronalen Netzwerken zur Optimierung von FSW-Parametern. Während einer Schulung in München wurde das Konzept der Nutzung künstlicher Intelligenz in der computergestützten Fertigung eingehender erörtert und ein Projekt mit vielversprechenden Ergebnissen durchgeführt.

Im aiCAM^stir-Projekt geht es nun noch einen Schritt weiter: Es soll eine Cloud geschaffen werden, in der die FSW-Maschinenbediener Bilder und Informationen über Parametereinstellungen während Machbarkeitsstudien, Prototyping, Produktionsanlauf und Serienproduktion hochladen können und Rückmeldungen über die Schweißqualität und Empfehlungen zur Optimierung der Parameter erhalten. In der Endphase würde ein solches System in die FSW-Maschine integriert werden, und die Maschine würde die Parameter innerhalb der vom Bediener festgelegten Grenzen selbst optimieren.

Die Vision wurde am 19. April 2021 bei einer Online-Diskussion mit Studenten der Universität Lüttich zum ersten Mal öffentlich erläutert.

Die ersten Schweißungen wurden von einer Gruppe von Experten und Auszubildenden in München durchgeführt. Die Auszubildenden konnten die Parameter nach Diskussionen mit den Experten auswählen und fanden nach einigen Iterationen visuell akzeptable Parametereinstellungen. Die während des Kurses untersuchte Parametermatrix ist unten dargestellt:

Beim Schweißen von Pipelines und Rohrleitungen ist für viele Anwendungsfälle eine zerstörungsfreie Prüfung erforderlich, um die Qualität der Schweißnaht zu bewerten und zu dokumentieren. Dabei werden bisher vor allem Röntgenuntersuchungen oder Phased-Array-Ultraschalluntersuchungen durchgeführt. 

Phased-Array-Ultraschalluntersuchungen werden üblicherweise nach der Schweißung durchgeführt oder in-line zumindest in mehreren Zentimetern Abstand von dem sich drehenden Rührreibschweißwerkzeug. Zum Einkoppeln des Ultraschalls ist Wasser oder Gel erforderlich, weshalb der zu untersuchende Werkstoff sich zumindest soweit abgekühlt haben muss, dass das Einkoppelungsmedium im Bereich der Ultraschallsonde nicht verdampft. Deshalb läuft der Phased-Array-Ultraschallkopf bei der In-Line-Ultraschalluntersuchung in einem Abstand von mehreren Zentimetern oder eine Rohrlänge entfernt von dem Schweißwerkzeug, wodurch eine adaptive Regelung des Prozesses unmöglich wird.

Für die Röntgenuntersuchung von Pipelines wird in vielen Fällen ein radioaktiver Strahler oder eine Röntgenröhre an einer langen Stange in das Rohr eingeführt, das zuvor mit einem Röntgenstrahlungs-empfindlichen Film umwickelt wurde. Das ist während der Rührreibschweißung nicht möglich, da der Film nicht auf 360° um das Rohr gewickelt werden kann, weil das Schweißwerkzeug den Rohrumfang stellenweise unzugänglich macht. Daher wird die Röntgenuntersuchung oft um eine Rohrlänge versetzt zeitgleich zur nächsten Schweißung durchgeführt. Wenn Fehler gefunden werden, ist eine Reparaturschweißung schwierig und zeitaufwendig, da die Zugänglichkeit für den Schweißkopf an der ZfP-Station meistens durch die ZfP-Anlagen behindert wird.

Das digitale Röntgen, d.h. die filmfreie Radiographie, ist eine fortschrittliche Technologie, die auf digitalen Detektorsystemen basiert, bei denen das Röntgenbild direkt auf einem Computerbildschirm angezeigt wird, ohne dass Chemikalien entwickelt oder Zwischenscans durchgeführt werden müssen.

Die einfallende Röntgenstrahlung wird in eine äquivalente elektrische Ladung und anschließend durch einen Detektorsensor in ein digitales Bild umgewandelt. Im Vergleich zu anderen Bildverarbeitungsgeräten bietet der Bildschirmdetektor qualitativ hochwertige digitale Bilder mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis und einem verbesserten Dynamikbereich, was wiederum eine hohe Empfindlichkeit für radiographische Anwendungen bietet. 

Flachdetektoren arbeiten mit zwei verschiedenen Ansätzen, nämlich der indirekten Umwandlung und der direkten Umwandlung. Flachdetektoren mit indirekter Umwandlung verwenden eine Fotodiodenmatrix aus amorphem Silizium. Anstelle eines konventionellen Flachbildschirmdetektors kann bei dem hier beschriebenen System vorteilhaft ein konkaver Bildschirmdetektor verwendet werden, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Rohres ist.

Detektoren mit direkter Umwandlung verwenden einen Fotoleiter wie amorphes Selen (a-Se) oder Cadmiumtellurid (Cd-Te) auf einer multimikroskopischen Elektrodenplatte und bieten die höchste Schärfe und Auflösung. Die Informationen über beide Arten von Detektoren werden von Dünnschichttransistoren ausgelesen. Im direkten Umwandlungsprozess, wenn Photonen wie amorphes Selen auf den Fotoleiter auftreffen, werden sie direkt in elektronische Signale umgewandelt, die verstärkt und digitalisiert. Da es keinen Szintillator gibt, fehlt hier die seitliche Verteilung der Photonen, was für ein schärferes Bild sorgt. Dies unterscheidet sie von der indirekten Konstruktion. 

Durch eine automatische Bildauswertung können Signale für eine adaptive Regelung der Schweißprozessparameter bereitgestellt werden. 

Anlagen zur Mikrofokus-Röntgenuntersuchung unterscheiden sich von der konventionellen Röntgenuntersuchung durch die genaue Fokussierung des Röntgenstrahls, typischerweise im Millimeterbereich. Der Vorteil ist, dass sich damit Radiographien mit extrem hoher Auflösung herstellen lassen. Damit können Bilder mit großer Vergrößerung erzeugt werden, wobei selbst kleinste Fehler noch gut erkannt werden können.

Anstelle der Mikrofokus-Röntgenuntersuchung kann auch die Makrofokus-Röntgenuntersuchung vorteilhaft sein, z.B. mit einem 450kV Broad Focus System.

Adaptive Regelung der Schweißparameter. Die durch die bei der in-line durchgeführten, zerstörungsfreien Prüfung gewonnenen Daten werden automatisch ausgewertet und zur adaptiven Regelung der Schweißparameter verwendet.

Neben der Anwendung im Pipelinebau der Öl- und Gasindustrie eignet sich das hier vorgestellte System hervorragend zum Herstellen und Verlegen von Rohrleitungen zum Energietransport (GIS und GIL), für Trink- und Abwasserrohrleitungen, für den Raketen-, Satelliten und Flugzeugbau sowie zum Herstellen und Verschließen von Behältern zum Transport oder der Lagerung von nuklearen Abfällen.

Das Verfahren lässt sich auch im Anlagenbau z.B. in Raffinerien, Gaszerlegungsanlagen und Chemieanlagenbau sowie im Kamin- und Schornsteinbau einsetzen. Es kann auch für tragende tubulare Strukturen in Bohrinseln, Brücken oder Häusern verwendet werden. Außerdem ist es für das Schweißen von Eisenbahnschienen oder Drahtseilen von Hängebrücken oder Seilbahnen geeignet. 

Große Vorteile bietet das Verfahren beim Auskleiden von Brunnen oder Bohrlöchern, insbesondere solchen in der Öl-, Gas und Wasserförderung, der CO₂-Speicherung und der Geothermie sowie von Tunneln, Horizontalbohrungen und Bergwerksstollen.

Das hier zur Weiterentwicklung vorgeschlagene Verfahren zur prozessbegleitenden Langstreckenultraschalluntersuchung oder filmfreien Röntgenuntersuchungen beim Rührreibschweißen oder anderer Schweißprozessen bietet folgende Alleinstellungsmerkmale und Verfahrensvorteile:

• Falls gewünscht, kann das Rührreibschweißen prozessbegleitend mit ein, zwei oder mehr zerstörungsfreien Prüfverfahren durchgeführt werden, d.h. gleichzeitig oder zeitlich nacheinander mit LRUT und Röntgen.
     
• Statt des Rührreibschweißens kann das Konzept auch in Kombination mit anderen Schweißprozessen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen, MIG/MAG-Schweißen oder bei Hybridprozessen wie Laser-MIG-MAG-Hybridschweißen.
     
• Die Ergebnisse bzw. Signale der in-line durchgeführten, zerstörungsfreien Prüfung werden digital bzw. analog verarbeitet und als Eingangsgrößen für die adaptive Regelung des eingesetzten Schweißverfahrens verwendet.
     
• Anstelle der konventionellen Langstreckenultraschalluntersuchung mit einem Set von Transducern, die in einem Ring auf dem Umfang des Rohres angebracht werden, ist es bei prozessbegleitenden Ultraschalluntersuchung vorteilhaft mehrere Sets von Tranducern zu verwenden.
     
• Statt konventionellem Ultraschall kann auch niederfrequenter Ultraschall oder Schall eingesetzt bzw. detektiert werden. Es ist gelegentlich vorteilhaft, die Frequenz während der Untersuchung zu ändern.
     
• Der Schall oder Ultraschall kann auch mithilfe einer elektromagnetischen Induktionsspule, z.B. in einem vorlaufenden Kopf zur Vorwärmung oder in einem nachlaufenden Kopf zur langsameren Abkühlung der Schweißung, erzeugt werden.
     
• Die Transducer-Sets können insbesondere beim Rührreibschweißen links und rechts (bzw. oberhalb und unterhalb) der Schweißnaht, in der sich drehenden Spindel, in der Nähe der Spindellager bzw. an geeigneten Punkten der Schweißmaschine angebracht werden.
     
• Beim Lichtbogen-, Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschweißen ist es sinnvoll, die Schweißenergie im Schall oder Ultraschallbereich zu modulieren, um in der Schmelze Schall oder Ultraschall zu erzeugen, der unter anderem für die prozessbegleitende zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt werden kann.
     
• Das hier beschriebene System kann vorteilhaft auch nach der Beendigung der Schweißung werden, z.B. um die Qualität des Schweißnahtendes zu bewerten.
     
• Die hier beschriebene prozessbegleitende zerstörungsfreie Prüfung ist nicht nur für Rohrleitungen, in denen Gase oder Flüssigkeiten transportiert werden, geeignet sondern unter anderem auch für die Herstellung bzw. Verlegung von Gas Insulated Switches und Gas Insulated Lines für die Energieübertragung von Strom geeignet (GIS und GIL). Sie bewährt sich sowohl bei der Fertigung in einer Fabrik als auch bei der Verlegung auf der Baustelle. Weitere Anwendungen sind in der Fertigung von runden, ovalen oder polygonalen Rohr- oder Tankstrukturen insbesondere der Luft -und Raumfahrt sowie der Nukleartechnik vorgesehen.
     
• Auch beim Schweißen von Tanks zum Lagern von Gasen und Flüssigkeiten kann die Erfindung eingesetzt werden, insbesondere für die Herstellung von Flüssigerdgastanks (LNG-Tanks) aus Aluminium bzw. anderen Werkstoffen, sowie bei Lagertanks für die Lagerung von chemischen oder petrochemischen Gasen oder Flüssigkeiten. 
    
• Das Verfahren lässt sich auch im Anlagenbau sowie für tragende tubulare Strukturen in Bohrinseln, Brücken oder Häusern einsetzen.
     
• Das Verfahren lässt sich auch beim Schweißen von Eisenbahnschienen oder Tragseilen von Hängebrücken einsetzen.
     
• Für die digitale Radiographie kann ans telle eines konventionellen Flachbildschirmdetektors bei dem hier beschriebenen System vorteilhaft ein konkaver Bildschirmdetektor verwendet werden, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Rohres ist. 
     
• Es können zwei oder mehr Detektoren eingesetzt werden, da es beim Orbital-Rührreibschweißen vorteilhaft ist, zwei um zum Beispiel 180° versetzte oder drei um zum Beispiel 120° versetzte oder mehrere um einen geeigneten Winkel versetzte Rührreibschweißwerkzeuge einzusetzen.