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IAPG: Projekte

Projekt „Entwicklung und Qualifizierung automatisierter zerstörungsfreier Prüftechniken zur Bauwerks- und Schweißnahtprüfung unter Wasser“

Projekt von Prof. Dr. Thomas Luhmann,
Dipl.-Ing Heidi Hastedt, Tanja Ekkel (M.Sc.), Dipl.-Ing. Anna Maria Meyer und Niklas Conen (M.Sc.)

Projektbeschreibung

Die zunehmende Errichtung von Bauwerken im Offshore-Bereich, aber auch Installationen in Häfen, Groß- und Kraftwerksanlagen erfordern die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren, wie das Unterwasserschweißen. Dabei gewinnen zerstörungsfreie Prüftechniken zur Qualitätsprüfung im Rahmen von Fertigungs- und Reparaturmaßnahmen an Bedeutung.

Zur automatisierten Erfassung der Oberflächentopographie und geometrischen Ausbildung der Schweißnahtdecklage bei Unterwasserschweißungen gibt es derzeit noch keine technisch realisierten Prüfsysteme. Bedingt durch das Einsatzfeld im Unterwasserbereich werden an zukünftige Messsysteme erhöhte Anforderungen gestellt. Zum einen liegen veränderte Brechungseigenschaften für die optische Abbildung der Systemkomponenten sowie eine aggressive Salzwasseratmosphäre vor. Zum anderen ist unter Wasser mit Strömungen, Algen, Schwebstoffen und Sedimenten zu rechnen.

Im Rahmen des IGF-Forschungsprojektes 17.333 N / DVS-Nr. V4.005 wurde ein Messverfahren mit einem Messkopf zur Schweißnahterfassung als zerstörungsfreies Prüfverfahren für Unterwasser-Anwendungen entwickelt. Das Messverfahren basiert auf einem Stereokamerasystem mit einer projizierenden Laserlinie zur Erfassung der Oberflächentopographie einer Schweißnaht. Für die Laserlinie, die ein Profil der zu erfassenden Schweißnahtgeometrie darstellt, wird die 3D-Geometrie mittels photo-grammetrischer Algorithmen abgeleitet.

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Abb. 1: Prinzip der Erfassung der Schweißnahtgeometrie mit Kamerasystem zur Beobachtung einer Objektreferenz und einem Stereokamerasystem mit projizierender Laserlinie

Zur Erfassung der gesamten Schweißnahtgeometrie ist es erforderlich, die einzelnen Profillinien über eine Navigationslösung zu kombinieren. Die Navigationslösung umfasst dabei eine zusätzliche mit dem Messkopf verbundene Kamera, die ein ortsfestes Referenzsystem beobachtet. Über die Beobachtung der ortsfesten Referenz und der statischen Verbindung zum erfassenden System der Profillinien können diese zu einer flächenhaften 3D-Geometrie der Schweißnaht zusammengefügt werden. Abb. 1 zeigt das Prinzip des am IAPG entwickelten Messverfahrens. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen ein Genauigkeitsniveau von 0.05 mm in der Objektebene sowie 0.15 mm in Aufnahmerichtung des Messsystems für die Beobachtung eines signalisierten Punktes an Luft.

Die Überführung des Systems für unterwassertaugliche Anwendungen stellte eine zusätzliche Herausforderung dar, deren Umsetzung in diesem Projekt nur in ersten Ansätzen möglich war. Hierfür sind grundlegende Voruntersuchungen im Hinblick auf Abbildungseigenschaften und Mehrmediendesign durchgeführt worden. Ein vereinfachter Mehrmedienansatz zur Korrektur der Brechung ist bereits implementiert und verifiziert worden. Für die Verifizierung wurden Soll-Ist Differenzen von maximal 40µm in Bezug auf einen Prüfkörper mit Regelgeometrien unter Wasser gemessen (Abb. 2), d.h. das oben beschriebene Genauigkeitsniveau konnte bestätigt werden. Zudem wurde eine unter Wasser gefertigte Schweißnaht gemessen (Abb. 3), um die Ergebnisse einer realen Schweißnaht bezüglich der anderen Oberflächenbeschaffenheit zu untersuchen und vergleichen. Für ein Folgeprojekt sind weitere Mehrmedienansätze zur Implementierung und Verifizierung für das Messsystem zu entwickeln. Zudem sind bereits Voruntersuchungen zur Kamerakalibrierung unter Wasser durchgeführt worden. Diese stellen für das beantragte Projekt wichtige Basisinformationen dar.

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Abb. 2: Messung eines Prüfkörpers, welches sich im Wasser befindet. Die Navigation erfolgt an der Luft (links) Versuchsaufbau; (rechts) Ergebnispunktwolken; oben: Auswertung ohne Brechungskorrektur, unten: Auswertung mit Brechungskorrektur

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Abb. 3: Messung einer Schweißnahtprobe, welche sich im Wasser befindet. Die Navigation erfolgt an der Luft (links) Versuchs-aufbau; (rechts) Ergebnispunktwolke

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