A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

In de wereld van moderne elektrische voertuigen is de batterij het hart, maar het koelsysteem is het bloedsomloopstelsel dat voorkomt dat deze oververhit raakt. Deze systemen vertrouwen op dunne metalen panelen die perfect aan elkaar moeten worden gevoegd om lekken te voorkomen en veiligheid te garanderen. Jarenlang hebben ingenieurs aluminium gebruikt voor deze onderdelen omdat het licht is, maar aluminium kan moeite hebben bij extreme temperaturen, zoals tijdens een thermisch ongeval waarbij een batterij gevaarlijk oververhit raakt. Om dit op te lossen, wenden fabrikanten zich tot een specifiek type roestvrij staal, bekend als SUS304L, dat hogere hitte kan weerstaan en een grotere structurele sterkte biedt. Het verbinden van dit staal vereist echter een nauwkeurig, hoogenergetisch proces genaamd lasercruisen. Omdat de laser zo snel beweegt en zoveel energie draagt, kan het gemakkelijk verborgen gebreken creëren, zoals minuscule luchtzakjes of openingen langs de naad, als de omstandigheden niet perfect zijn. Deze gebreken zijn gevaarlijk omdat ze kunnen leiden tot lekken of structureel falen, terwijl ze met het blote oog vaak onzichtbaar zijn zodra het lassen is voltooid.

Om deze gebreken te vangen voordat ze problemen veroorzaken, zetten een team onderzoekers van het Korea Institute of Industrial Technology en industriële partners een slimmer systeem op om het lasproces in realtime te bewaken. Ze richtten zich op een nieuwer type laser, een Adjustable Ring Mode laser, die zijn energiebundel kan vormen om een stabieler smeltbad van vloeibaar metaal te creëren. In plaats van te vertrouwen op één enkel instrument om de las te observeren, creëerden ze een multisensor-systeem dat werkt als een team van waarnemers, waarbij elk kijkt naar een andere fysieke aanwijzing. Eén sensor hield toezicht op lichtflitsen in het ultraviolette en infrarode spectrum, die onthullen hoe het superhete plasma en het gesmolten metaal zich gedragen. Een andere sensor, een hogesnelheidsthermische camera, bracht de warmteverdeling rond de las in kaart. Door deze verschillende perspectieven te combineren, streefde het team ernaar om onderscheid te maken tussen een perfecte las en een las die een defect aan het ontwikkelen was, terwijl de laser nog steeds bewoog.

De onderzoekers testten hun systeem door roestvrij staal te lassen onder verschillende omstandigheden, waarbij ze doelbewust drie veelvoorkomende soorten defecten creëerden: porositeit, wat minuscule gaatjes zijn die in het metaal gevangen zitten; undercut, waarbij de rand van de las te veel wegsmelt; en penetratiegebrek, waarbij de las niet diep genoeg gaat om de onderste laag te verbinden. Ze vergeleken de sensordata met röntgenfoto's en fysieke doorsneden van het metaal om te zien wat de sensoren precies zagen. Onder normale, perfecte lascondities vertoonden de sensoren een kalm en constant ritme. Het infrarode lichtsignaal bleef binnen een voorspelbare marge en het ultraviolette signaal bleef vlak en stabiel. Deze stabiele toestand diende als de baseline, het "alles oké"-signaal dat de onderzoekers vertelde dat het smeltbad zich gedroeg zoals verwacht.

Wanneer de onderzoekers defecten introduceerden, begonnen de sensoren op verschillende manieren te "schreeuwen", afhankelijk van het probleem. Wanneer porositeit optrad, was de ultraviolette sensor de eerste die reageerde. Het signaal, dat normaal gesproken stabiel was, begon te dalen en grillig te pieken. Dit gebeurde omdat de vorming van luchtzakjes het plasma destabiliseert, het geïoniseerde gas dat boven het gesmolten metaal ontstaat, waardoor het ultraviolette licht gaat flikkeren. Wanneer er daarentegen een undercut-defect optrad, nam de infrarode sensor de leiding. Het warmtesignaal vertoonde onregelmatige, scherpe pieken die aangaven dat het gesmolte metaal ongelijkmatig stroomde aan de randen van de las. De onderzoekers ontdekten dat terwijl het ultraviolette licht uitstekend was voor het opsporen van luchtzakjes, het infrarode warmtesignaal de beste indicator was voor randdefecten.

Het team ontdekte ook dat de manier waarop ze naar de warmte keken even belangrijk was als wat ze zochten. Ze testten twee manieren om de thermische camera te gebruiken. Eén methode, genaamd totale area-analyse, observeerde de volledige lengte van de lasrups om de algemene warmtegeschiedenis te zien. Hoewel nuttig voor een breed overzicht, werd deze methode gemakkelijk in verwarring gebracht door spatten van heet metaal, ook wel spatter genoemd, die valse pieken in de data creëerden. De tweede methode, lokale area-analyse, hield de camera strak gericht op de laserplek en het onmiddellijke smeltbad. Deze aanpak leverde een veel stabielere en betrouwbaardere meting op van de warmte precies daar waar het lassen plaatsvond. Wanneer de onderzoekers een conditie testten waarbij het laservermogen te laag was om het metaal volledig te penetreren, toonde de lokale area-analyse duidelijk een verandering in de thermische respons, terwijl het totale area-overzicht minder duidelijk was. Dit bevestigde dat het nauwlettend en constant in de gaten houden van de interactiezone de meest effectieve manier was om diepe gebreken zoals onvoldoende penetratie te detecten.

Door deze inzichten te combineren, stelden de onderzoekers een nieuwe set regels vast voor het monitoren van de laskwaliteit. Ze ontdekten dat geen enkele sensor het hele verhaal kon vertellen; in plaats daarvan vereiste een perfecte las een stabiel infraroodsignaal, een stabiel ultraviolet signaal en een consistent lokaal warmtepatroon. Als het ultraviolette signaal wild werd, betekende dit waarschijnlijk dat er luchtzakjes werden gevormd. Als het infrarode signaal onregelmatig piekte, smolten de randen te veel weg. Als het infrarode signaal breed fluctueerde terwijl het lokale warmtepatroon veranderde, was de las waarschijnlijk niet diep genoeg. Deze multisensor-aanpak bewees dat door te luisteren naar de verschillende "stemmen" van het lasproces — licht en warmte, gezien vanuit verschillende hoeken — ingenieurs defecten kunnen detecteren op het moment dat ze ontstaan. De studie suggereert dat deze methode een vitale stap kan zijn naar veiligere, betrouwbaardere elektrische voertuigbatterijen, door ervoor te zorgen dat de roestvrijstalen componenten die hen bij elkaar houden vrij zijn van verborgen gebreken.