Um auf dem globalen Markt konkurrenzfähig zu bleiben, ist es in den meisten industriellen Bereichen entscheidend, die Produktqualität stetig zu steigern und gleichzeitig Entwicklungszeiten und Produktionskosten nachhaltig zu senken. Dies kann unter anderem durch laserbasierte Fertigungsverfahren erreicht werden.

Insbesondere die Laserschweißtechnik weist in diesem Bereich ein hohes Potenzial auf. Am Institut für Strahlwerkzeuge der Uni Stuttgart (IFSW) arbeitet jetzt eine Röntgenanlage mit einer Highspeedkamera der VKT GmbH. Sie bietet die Möglichkeit, Laserbearbeitungsprozesse zu analysieren.

Um die Produkteffizienz und -qualität zu steigern und neue innovative Werkstoffkombinationen zu ermitteln, weist die Laserschweißtechnik eine besonders hohe Leistungsfähigkeit auf. Problematisch bei den bisherigen Forschungsmethoden war, dass bei der Beobachtung und Analyse des Prozesses stets der Blick ins Innere fehlte. "Aber diese Zeiten sind nun vorbei", stellt Dipl.-Ing. Felix Abt, Leiter der Gruppe Diagnostik und Regelung des IFSW, fest. Mit der Entwicklung der neuartigen Röntgenanlage, die unter anderem eine Highspeedkamera des Typs Photron Fastcam SA 3 der VKT GmbH enthält, können nun die inneren Abläufe von Laserschweißprozessen visualisiert werden, die bisher unter der Oberfläche verborgen blieben.

Moderne Hochleistungslaser, deren Schweißkapillaren Durchmesser im Bereich von etwa einhundert Mikrometer erzeugen und Vorschubgeschwindigkeiten von mehreren Dutzenden Metern pro Minute ermöglichen, haben eine hohe Strahlungsintensität. Daraus resultieren hohe Ansprüche an Röntgenvideosysteme zur Analyse solcher Vorgänge.

Diese Anlage zur Hochgeschwindigkeits-Röntgenvideografie, die am IFSW betrieben wird, wurde in einer mehrjährigen Kooperation des IFSW, dem Fraunhofer Ernst-Mach-Institut für Hochgeschwindigkeitsdynamik, und mehreren Herstellern von Komponenten für die Röntgentechnik entwickelt. Das Verfahren kann nun den hohen Anforderungen an Auflösung und Bildrate gerecht werden, um eine genaue Analyse zu gewährleisten.

"Die Anlage besteht im Wesentlichen aus der Röntgenquelle, dem Röntgendetektor, der Laseroptik, mit der das zu untersuchende Werkstück bearbeitet wird, und einer Hochgeschwindigkeitskamera", erklärt Felix Abt, der als Projektleiter maßgeblich an der Entwicklung dieser Röntgenanlage am IFSW beteiligt war.

Als Röntgenstrahlquelle dient eine Mikrofokus-Röntgenröhre mit Wolfram-Target, die bei Beschleunigungsspannen zwischen zehn und 225 Kilovolt eine maximale Targetleistung von 280 Watt bereitstellen kann. Der Röntgendetektor ist der zentrale und wichtigste Bestandteil der Anlage. Über einen Szintillator, durch ein lichtstarkes Objektiv auf dem Eingangsfenster eines Bildverstärkers abgebildet, wird sichtbares Licht erzeugt. Eine Koppeloptik überträgt das entstandene Bild auf die Hochgeschwindigkeitskamera. Diese Kamera kann bis zu 2000 Bilder pro Sekunde bei einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixel aufnehmen. Bei reduzierter Auflösung erreicht die Kamera außerdem bis zu 120 000 Bilder pro Sekunde, für die Röntgendiagnostik liegt die Grenze derzeit bei 10 000 Bildern pro Sekunde.

Die neue Anlage zur Hochgeschwindigkeits-Röntgenvideografie stellt für das IFSW an der Uni Stuttgart einen enormen Fortschritt dar. Mit Hilfe dieser Anlage kann das Verhalten verschiedenster Werkstoffe im Prozess des Laserschweißens untersucht werden. Vor allem, wenn es sich um Stoffe handelt, bei denen noch nicht genügend Erkenntnisse in diesem Bereich vorliegen, gewinnt die Anlage an Bedeutung.

Das können zum Beispiel Kupfer oder kupferbasierte Legierungen sein. Diese sind für die Elektroindustrie besonders im Bereich der Elektromobilität durch ihre hervorragende Leitfähigkeit von großem Interesse. Um spezifische Eigenheiten des Stoffes beim Schweißen zu entdecken, können mit der neuartigen Röntgenanlage gezielte Untersuchungen durchgeführt werden.

"Die mit einer Highspeedkamera der VKT GmbH ausgestattete Anlage zur Hochgeschwindigkeits-Röntgenvideografie wird am Institut für Strahlwerkzeuge in Zukunft als das zentrale Verfahren zur Prozessdiagnostik eingesetzt", erklärt der Projektleiter. Mit Hilfe dieser Technologie kann das Institut der Universität Stuttgart die Lasertechnik genauer erforschen und einen erfolgreichen Einsatz in der industriellen Fertigung sichern.