Bilddatenverarbeitung zur Regelung der WIG-Einschweisstiefe

Der Schweißprozess wurde mit einer XIRIS XVC-1000 Schweißkamera und einer eigenständigen Software überwacht, die von TWI-Softwareingenieuren unter Verwendung des XIRIS Source Development Kit (SDK) entwickelt wurde. Ein Beispiel für den Aufbau der Kamera ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Software verwendet Helligkeitsschwellenwerte, um verschiedene Bereiche eines Bildes innerhalb von zwei benutzerdefinierten Interessen-Bereichen (areas of interest, AOI) zu identifizieren. Dazu werden die Bereiche eines Bildes identifiziert, deren digitale Helligkeitswerte über einem benutzerdefinierten Wert liegen. Die Software misst dann die Höhe und Breite dieses Bereichs in Form von Pixeln und wandelt diese in ein physikalisches Maß um, indem sie ein bekanntes physikalisches Maß als Skalierungsfaktor verwendet. Ein Beispielbild der Software ist in Abbildung 2 zu sehen.

Die Software wurde verwendet, um die Schweißbadbreite, die Lichtbogenbreite und die Lichtbogenhöhe zu untersuchen, da diese als wahrscheinlich wichtige Kontrollparameter für den Schweißprozess angesehen wurden, die durch ein mechanisiertes System verändert werden könnten. Die Länge des Schweißbads lässt sich aufgrund des Lichtbogens und des Parallaxeneffekts leider nur schwer mit einem nachlaufenden Kamerasystem messen, so dass eine Seitenkamera als zusätzliches Überwachungssystem erforderlich wäre. Dies zeigt, wie schwierig es ist, die relativ freie menschliche Bewegung um den Lichtbogen während des Schweißens zu reproduzieren.

Die Software zeichnete die oben genannten Messungen während des gesamten Schweißvorgangs auf, so dass die zeitlichen Werte dieser Messungen untersucht werden konnten. Abbildung 3 zeigt zum Beispiel Messungen, die während zweier Schweißvorgänge durchgeführt wurden:

• Abbildung 3a zeigt eine „Standard“-Schweißbedingung, bei der sich die Schweißparameter während des Prozesses nicht ändern. Die Messungen bleiben konstant, sobald sich ein stabiles Schweißbad gebildet hat. Da es sich um einen gepulsten Schweißprozess handelt, schwankt die Gesamthelligkeit des Bildes zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert, der mit dem Pulsstrom synchronisiert ist. Es wurden zwei Methoden zur Beseitigung dieser Doppelzählung in Betracht gezogen. Die erste war ein Schwellenwert in der Software, der nur Werte oberhalb einer bestimmten Grenze aufzeichnet. Die zweite bestand darin, die Kamera mit dem Strom zu synchronisieren, so dass nur während des Pulszyklus Bilder aufgenommen werden. Für diese Aufgabe gibt es handelsübliche Hardware.
  
  
• Abbildung 3b zeigt die Messungen, die bei einem Schweißvorgang aufgezeichnet wurden, bei dem die Lichtbogenlänge während des Prozesses von einer kurzen Lichtbogenlänge zu einer langen Lichtbogenlänge und wieder zurück variiert wurde. Es ist zu erkennen, wie sich dies auf den Schweißprozess auswirkt. Während der Verlängerung der Lichtbogenlänge nimmt die Breite des Schweißbades bis zu einem Maximalwert zu, da sich der Lichtbogen ausbreitet und die Wärmeübertragung an diesem Punkt weniger effizient wird. Ein ähnlicher Effekt ist bei der Lichtbogenbreite zu beobachten, die sich mit zunehmender Länge ausdehnt. Die Lichtbogenlänge wurde genau am Impulselement des Zyklus gemessen, zeigt aber keine Auswirkungen auf das Hintergrundelement, da in diesem Teil des Zyklus die Helligkeitsschwelle auf die Wolframelektrode konzentriert war.

Diese Messungen wurden außerdem mit den elektrischen Parametern des Schweißprozesses synchronisiert, um die Verzögerung zwischen den Änderungen der Schweißparameter und den Bildmerkmalen zu bestimmen. Ein Beispiel ist in Abbildung 4 zu sehen, die Schweißbildmessungen zeigt, die mit Schweißstrom und Lichtbogenspannung synchronisiert wurden, wobei der Schweißstrom erhöht wurde und insbesondere die Schweißbadbreite dadurch zunahm. Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, lag die Verzögerung zwischen der Änderung der Schweißparameter (von 5–10 %) und der Änderung der Bildmessung in der Größenordnung von 0,5 Sekunden.

Wie aus den Abbildungen 5–7 ersichtlich ist, gab es keine signifikante Korrelation zwischen der Lichtbogenbreite oder der Lichtbogenlänge und dem Einbrand, aber die Schweißbadbreite zeigt eine gewisse Korrelation mit dem Einbrand. Insbesondere zeigte eine Mindestbreite des Schweißbads von 10 mm immer ein gewisses Maß an Eindringtiefe, wenn nicht sogar einen Wert von mehr als 0,5 mm. Dies wurde daher als Kontrollmaßstab für die automatische Rückkopplungssteuerung verwendet.

Auf der Grundlage der oben beschriebenen Ergebnisse wurde die TWI-Bildanalysesoftware um eine Reihe einfacher Regeln zur Steuerung der Schweißparameter auf der Grundlage der Bildergebnisse erweitert. Insbesondere führte eine Schweißbadbreite unter 10 mm zu einer Erhöhung des Schweißstroms um 5 % und einer Verringerung der Fahrgeschwindigkeit um 5 %. Eine Messung der Schweißbadbreite von mehr als 12 mm führte zu einer gegenteiligen Änderung, wobei Messungen zwischen diesen beiden Werten einen stabilen Zustand aufrechterhielten. Während die Bildmessung mit der Frequenz der Bildaufzeichnung (~25 Hz) erfolgte, wurde die Anpassung der Schweißparameter auf 2 Hz begrenzt, da dies der Frequenz des Schweißstromimpulses entsprach und einen Kaskadeneffekt verhinderte.

Die Auswahl der Schweißsteuerungsparameter wurde durch die Ergebnisse einer „Analysis of Variables“ (ANOVA) Regressionsanalyse gestützt, die mit den Schweißparametern als Eingaben und der Durchdringungsmetrik als Ausgabe durchgeführt wurde. Es wurde eine Reaktionsfläche erstellt, die Änderungen der Ausgangsvariablen auf der Grundlage einer gegebenen Änderung der Eingangsvariablen vorhersagt und jeder Variablen eine Bedeutung zuweisen kann. Die Analyse ergab, dass der Spitzenschweißstrom und die Verfahrgeschwindigkeit statistisch signifikante Variablen waren, während der Hintergrundstrom, die Lichtbogenlänge, der Wolframelektrodenwinkel und die Drahtvorschubgeschwindigkeit nicht signifikant waren. Die Spitzenzeit war „teilweise“ signifikant, da sie in einer Querbeziehung zum Spitzenstrom stand.

Es wurde gezeigt, dass das Kontrollsystem mit bereits aufgezeichneten Videos des Schweißprozesses funktioniert und die erforderlichen Änderungen an den Kontrollparametern auf der Grundlage der beobachteten Schweißbadmessungen generiert, aber es wurde noch nicht auf ein Kontrollsystem mit vollständig integrierter Rückkopplungskontrolle angewendet. Dies ist als weitere Arbeit vorgesehen.

Diese Arbeit wurde im Rahmen eines von InnovateUK finanzierten Projekts mit Rolls-Royce plc, Cyberweld, Graham Engineering und der Universität Loughborough unter der Projektnummer 104046 durchgeführt.