Verbundvorhaben Install AWE: Industrialisierung der alkalischen Wasserelektrolyse; Teilvorhaben: Produktives, robustes und sicheres Laserstrahlschweißen und Prüfen von Elektrolyseur-Komponenten - AWElaser

Abstract

Im Rahmen des durchgeführten Vorhabens wurden die Entwicklung von Laserstrahlschweißverfahren zum Fügen von Elektrolyseur-Komponenten und die Umsetzung einer Qualitätskontrolle für die Schweißnähte erfolgreich umgesetzt, um, entsprechend der Ziele des Teilbereichs Fertigung des Verbundvorhabens, eine effiziente Großserienfertigung dieser Bauteile zu ermöglichen. Die prozesstechnischen Arbeitsziele dieses Vorhabens waren dahingehend in drei Kategorien gegliedert:

Prozessgeschwindigkeit, -effizienz und -sicherheit der Schweißprozesse steigern Prozessrobustheit der Schweißprozesse gegenüber Positionierungstoleranzen, Fehlpositionierungen und Werkstückkontaminationen erhöhen In-line- und Post-Process-Qualitätskontrolle zur Steigerung der Prüfqualität sowie Verkürzung der Prüfzeit und -kosten

Konventionelle Fügeverfahren stießen in der Großserienproduktion von Elektrolyseuren an Grenzen, insbesondere wegen hoher Taktzeiten, eingeschränkter Automatisierbarkeit und aufwendiger Qualitätsprüfung. Der Stand der Technik umfasste zum Projektbeginn erste Verfahren zur sensorbasierten Prozessüberwachung sowie konventionelle Röntgen- und Ultraschallprüfungen, jedoch keine praxistauglichen in-line Lösungen mit KI-basierten Systemen oder automatisierten Regelkreisen. Das Ziel des Teilvorhabens des BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH war daher die Entwicklung schneller, robuster Laserstrahlschweißprozesse und dazugehöriger in-line und post-process Prüfverfahren, um eine industrielle, hocheffiziente und automatisierte Fertigung von Elektrolyseur-Bauteilen zu ermöglichen. Im Projekt konnten wesentliche Fortschritte sowohl im Schweißprozess als auch in der Qualitätssicherung erzielt werden. Beim Laserstrahlschweißen wurden stabile Prozesse für verdeckte T-Stöße entwickelt, die Schweißgeschwindigkeiten von über 20 m/min ermöglichen und dabei eine hohe Qualität gewährleisten. Zudem zeigte sich der Prozess robust gegenüber Kontaminationen und Bauteilpositionierungsfehlern. Durch die entwickelte Bahnregelung konnte die Schweißnaht auch bei unpräziser Bauteillage zuverlässig verfolgt werden. Die Nutzung einer blauen Laserstrahlquelle führte zu einer verbesserten Absorption und einer gesteigerten Bauteilqualität. Des Weiteren konnten Spalte bis zu 1 mm sicher überbrückt und somit das Substitutionspotential des Laserstrahlschweißens für alle Schweißaufgaben demonstriert werden. Die eingesetzten neuronalen Netze erreichten eine sehr hohe Erkennungsrate von Fehlstellen und bilden damit die Grundlage für intelligente Prozessregelung. Besonders hervorzuheben ist die entwickelte automatisierte in-line Reparaturstrategie, mit der Fehlstellen bereits während des Schweißens detektiert und korrigiert werden können. Im Bereich der Qualitätssicherung wurde ein laserultraschallbasiertes Prüfverfahren erfolgreich getestet, das eine schnelle und berührungslose post-process Kontrolle ermöglicht. Die Kombination Multi-Sensor-System, KI-gestützter Auswertung und der post-process Prüfung bietet ein umfassendes und industriell einsetzbares System zur Prozess- und Qualitätsüberwachung. Abschließend wurden die entwickelten Verfahren und erfolgreich an einer vollformatigen Elektrolyseur-Halbschale demonstriert.