Lasergeschweißte Nähte sind im Karosseriebau aktueller Stand der Technik. Dabei ist die Festigkeit das allerwichtigste Kriterium für eine Schweißnaht. Deshalb muss die Qualitätsüberwachung der üblicherweise verwendeten Werkstoffe Stahl und Aluminium den Schwerpunkt auf die zuverlässige Anbindung der Fügepartner legen. Doch wie lassen sich vorbildlich geschweißte Nähte mit einwandfreier Optik, aber ohne eben diese Anbindung erkennen?

Die meisten Prüfverfahren arbeiten indirekt, indem sie die Prozess-Emissionen beobachten. Aus deren Verhalten sollen Schlüsse auf später auftretende Merkmale der Schweißnaht gezogen werden. Allerdings werden die späteren Effekte bei dieser Methode nur prognostiziert, nicht verifiziert – mit entsprechender Unsicherheit. Gründe dafür sind thermomechanische Einflüsse, die örtlich begrenzte und temperaturabhängige Ausdehnung und Schrumpfung im Bauteil sowie lokale Abkühlbedingungen, die das Verhalten des Materials in der Schweißzone bestimmen. Diese Einflüsse sorgen für unvorhersehbare Effekte unabhängig von der Prozess-Emission. In der Folge erzielen diejenigen Prüfverfahren die besten Ergebnisse, die stattfinden, wenn das aufgeschmolzene Material wieder zur Ruhe gekommen ist.

Doch die Vermessung der Oberfläche einer Schweißraupe sowie die Beurteilung ihrer Gleichmäßigkeit sagt nichts über die Einschweißtiefe oder innenliegende Poren aus. Eine Aussage über die Festigkeit der Schweißnaht ist damit nicht möglich. 

Diese Frage könnten Verfahren mit Hilfe von Ultraschall oder Röntgenstrahlen, die die Schweißstelle durchleuchten, lösen. Sie sind allerdings nur im Nachgang des Schweißvorgangs bei weitgehend abgekühltem Material möglich. Darüber hinaus erfordern sie eine gesonderte Messstation und dauern lange, was sie lediglich für Stichproben qualifiziert. 

Das Glühen vermessen

Einen anderen Ansatz verfolgt das Qualitätssicherungssystem ‚SeelectorICAM Laser‘ von Hema electronic in Verbindung mit ‚Intelliweld‘, einer 3D-Scan-Einheit für Remote-Laser-Schweiß-Applikationen von Blackbird. Dieses System erkennt die sogenannten ‚falschen Freunde‘ durch die Vermessung des Glühens, das bei Stahl nach dem Ende der Energie-Einbringung durch den Laser auf die Schweißnaht noch einige Millisekunden lang deutlich sichtbar ist. Intensität und Ausbreitung des Glühens der Naht bilden die Grundlage für die Bewertung der Schweißnaht. Damit besteht ein Zugang zu den primären Merkmalen der Schweißung, die tatsächlich Auskunft über die Festigkeit und Qualität geben.

Prinzipskizze des 'SeelectorICAM Laser'-Systems mit Roboter und Kamera.

© Hema electronic

Umfangreiche Testreihen des von Hema Electronic und Daimler in Kooperation realisierten Prüfverfahrens ergaben, dass neben der Entdeckung der ‚falschen Freunde‘ auch oberflächliche Nahtfehler zuverlässig beurteilt werden können.

Doch wie arbeitet das Prüfverfahren im Detail? Der Laser schweißt seine Naht, um die Bleche zu verbinden. Nach dem Schweißen glüht die Schweißstelle selbst noch etwas nach. Dieses sichtbare Glühen lässt sich noch weiter verbessern durch ein kurzes Nachwärmen der Naht, was durch eine nochmalige Überfahrt mit defokussiertem Laser und verringerter Leistung in Gegenrichtung geschieht. Die dadurch erzielte Gleichmäßigkeit des Nachglühens erhöht die Auswertungssicherheit.

Anschließend wird die Laserleistung abgesenkt und der Ablenkspiegel auf die Naht gerichtet. Nach einer kurzen Wartezeit von circa 10 ms, in der der Erstarrungsprozess der Schmelze genügend weit fortgeschritten ist, erfolgt die Bildaufnahme. Die Kamera des Systems richtet sich durch die Laseroptik zentral auf die geschweißte Naht und nimmt ein Bild auf. Danach fährt der Laser zur nächsten Schweißstelle. Die Auswertung der gewonnenen Bilder beginnt sofort und erfolgt parallel zu den folgenden Schweißungen und Bildaufnahmen. Sobald die letzte Naht geschweißt ist, liegt die gesamte Auswertung vor. Mit dem Ergebnis der Auswertung erfolgt die Ausschleusung des Bauteils als IO oder NIO. Die Daten der Auswertung stehen für weitere Verwendung in der Produktionsanlage und für die Nacharbeit zur Verfügung; das System übermittelt die Daten an den Prozessrechner und gibt die Anlage für das nächste Bauteil frei.

Die Bildauswertung

‚SeelectorICAM Laser‘ errechnet bei der Bildauswertung Messwerte wie Helligkeitswerte, geometrische Daten der Bildmerkmale und Auswertungsergebnisse zur Beurteilung der Schweißung und legt diese in Excel-Tabellen ab, wo sie für die Prozessüberwachung zur Verfügung stehen. 

Wärmebild einer fehlerhaften Schweißnaht mit Fehlermarkierungen.

© Hema electronic

Die Nacharbeitsstation zeigt die beanstandeten Schweißungen – sowohl ihre Position auf dem Bauteil als auch die gefundenen Fehler – an, sodass eine rasche und gezielte Nacharbeit möglich ist. Darüber hinaus erkennt das System eventuelle Fehlfunktionen der Schweißanlage oder ungeeignete Einstellungen aus den Bildern.

Während des Einrichtbetriebs arbeitet der Anwender interaktiv mit den Bildern und Mess-Ergebnissen. Der Bediener kann sinnvoll parametrieren und hat zu jeder Zeit die Kontrolle über den Auswertevorgang. Daten und Bilder sind auf dem Anlagen-PC abrufbar. Der Anwender kann sie wahlweise in Datensätzen speichern, mit Zuordnung zu Seriennummern der gefertigten Bauteile und sonstigen Informationen der Produktion.

Um das Qualitätssicherungssystem in eine bestehende Produktionsanlage integrieren zu können, ist eine Laserschweißanlage mit Scannerkopf Voraussetzung. Üblicherweise wird on-the-fly gelasert. Geeignete Laser sind beispielsweise Scanner wie ‚Intelliweld‘ von Blackbird.

Das Qualitätssicherungssystem selbst besteht aus der Kamera samt Software, einem PC für Parametrierung, Anzeige und Speicherung von Details, einer Datenbankschnittstelle für Prüf-Ergebnisse (RDS), einem SPS-Anschluss zur Steuerung der Prüfung und des Materialflusses sowie einem Anschluss am Laser zum Auslösen der ‚Nahtfotos‘.

‚SeelectorICAM Laser‘ ist eine intelligente Kamera beziehungsweise ein Em­bedded-System mit Rechner on-Board. So kann die Auswertung der Rohdaten in der Kamera in Echtzeit erfolgen. Die Kamera befindet sich im Strahlengang des Lasers und besitzt eine Helligkeitsdynamik von 170 dB für starke Bildkontraste. Ihre Software besteht aus der Bildaufnahme- und Auswertungssoftware an Bord der Kamera und der Bedienersoftware auf dem PC. Bedient wird die Kamera über ein Benutzer-Interface auf dem Anlagen-PC. Beim Wechsel der Bauteile wählt der Bediener einfach das neue, zugehörige Programm. Ein Einlernen oder eine Anpassung an ein Bauteil, für das bereits ein Programm existiert, ist grundsätzlich nicht nötig.

Autorin: 
Charlotte Helzle ist Geschäftsführerin bei Hema electronic in Aalen.