Steckverbinder und Kontakte nach dem Schweißen prüfen: Schweißpunkt, Kontaktlage, Pinhöhe und Litze

Ein Steckverbinder verlässt die Schweißstation mit Merkmalen, die man von außen kaum sieht: ein Schweißpunkt von etwa einem Millimeter, ein Kontakt, der auf dem Träger sitzen muss, ein Pin, der seine Höhe behalten soll, ein Litzenende, das im richtigen Bereich liegt. Dieser Beitrag richtet sich an Qualitäts- und Prozessingenieure bei Herstellern von Steckverbindern, Kontakten und konfektionierten Leitungen sowie an die Maschinenbauer, die deren Schweiß- und Prüfstationen bauen. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. Es sind Anfragen, Konzepte, ein Vorschlag und ein durchgeführter Test; eine laufende Installation ist nicht darunter.

Wichtige Punkte im Überblick

Aufgebrochene Stecker bleiben eine Stichprobe und die Sichtprüfung kann keine Höhe von einem Zehntelmillimeter messen, eine Inline-Prüfung sieht dagegen jedes Teil.
Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 wird im Katalog für die Prüfung von Schweißpunkten genannt und liefert Höhen und Lagen als Messwerte statt als Helligkeit.
Fehlt eine Toleranz, werden Grenzmuster zuerst vermessen, und aus ihren Werten entstehen Grenzwerte für Höhe, Lage und Größe des Schweißpunkts.
Wärme und Anpressdruck beim Widerstandsschweißen können einen Pin anheben, eindrücken oder kippen, deshalb gehört die Pinhöhe nach dem Schweißen in die Höhenmessung.
Ein dokumentierter Test an einem Draht von 0,25 mm im Mikrostecker zeigte, dass die Station neben der Optik einen genauen Stopp des Teils mit Trigger braucht.

Aufbrechen und Sichtprüfung: warum Stecker heute oft als Stichprobe geprüft werden

In der Anwendungspraxis beginnt die Frage nach einer automatischen Prüfung selten bei null. In einem Fall werden Steckverbinder aufgebrochen, ein Mitarbeiter legt sie zur Begutachtung unter und beurteilt die Verschweißung. In einem anderen werden die Pins eines Steckers heute zu hundert Prozent von Hand geprüft.

Beide Methoden haben eine Grenze ihrer Klasse. Das Aufbrechen zerstört das Teil und bleibt deshalb eine Stichprobe; ein Fehler zwischen zwei geprüften Teilen geht durch. Die Sichtprüfung ist subjektiv, ermüdet über die Schicht und kann eine Höhe von einem Zehntelmillimeter nicht messen. Eine Inline-Prüfung sieht dagegen jedes Teil, allerdings nur die Oberfläche: Was im Inneren der Schweißung passiert, zeigt weiterhin nur der Schliff im Labor.

Schweißpunkt und Kontaktlage in einer Aufnahme messen

Viele Prüfmerkmale am Stecker sind Höhen und Lagen. Ein Höhenbild liefert sie gemeinsam, als Messwerte statt als Helligkeit. Der Katalog des 3D Laser-Snapshot-Sensors der Modellreihe LJ-S8000 nennt die Prüfung von Schweißpunkten als Anwendung; der Snapshot-Sensor tastet das Feld mit einem eingebauten Scan-Mechanismus ab, ohne dass Messkopf oder Teil bewegt werden.

Wie viele Merkmale in einer solchen Aufnahme stecken, zeigt das Konzept eines Prüfanlagenbauers für ein Abschirmgehäuse aus Blech. Geprüft werden sollen Position und Durchmesser der Schweißpunkte, eine Aufwulstung des Materials, ob die Naht vorhanden ist, die Abstände der Punkte zueinander, ob ein Punkt durchgeschossen ist und ob Verschlüsse zu hoch oder zu niedrig sitzen. Das Teil kommt im Rundtakt, es gibt zwei Varianten, das Ergebnis geht über digitale Ein- und Ausgänge an die Anlage. Toleranzen sind noch nicht definiert, eine Kontrolle gibt es bisher nicht.

Wo das Teil sich ohnehin bewegt, passt auch der abtastende Weg. An einem Steckerdeckel mit zwölf Schweißpunkten von je etwa einem Millimeter Länge soll der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 die Punkte erfassen, während eine Dreheinheit das Teil unter dem Messkopf hindurchführt, voraussichtlich mit Encoder. Nach erster Einschätzung passt die Bildaufnahme in einen Takt von etwa vier Sekunden. Je nach Messkopf deckt der Profilsensor ein X-Feld von 7,0 bis 510 mm ab, bei einer Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm.

Grenzmuster statt Toleranz: aus dem Eindruck ein Prüfmerkmal machen

Am Anfang fehlt oft die Zahl. Im Konzept für das Abschirmgehäuse sind weder Toleranzen noch Genauigkeit definiert, und an einer Stanz-Biege-Anlage gehören Grenzmuster zu den nächsten Schritten. Ein gutes und ein gerade noch zulässiges Teil sagen dann mehr als eine Zeichnung, die für den Schweißpunkt keine Toleranz vorsieht.

Für eine Messung heißt das, die Grenzmuster zuerst zu vermessen und aus ihren Werten Grenzwerte für Höhe, Lage und Größe abzuleiten. Erst dann wird aus dem Eindruck „sieht nicht richtig aus" ein Prüfmerkmal mit Zahl. Für eine Bewertung im Bild liefern dieselben Muster das Bildmaterial, mit dem gute und schlechte Teile angelernt werden. Wer beides vorhat, sollte die Grenzmuster aufbewahren und kennzeichnen, denn sie werden beim Einrichten und bei jeder späteren Änderung wieder gebraucht.

Bewerten statt messen: Qualitätsklassen im Bild

Nicht jede Verschweißung lässt sich auf ein Maß bringen. Für die aufgebrochenen Steckverbinder aus dem ersten Abschnitt ist vorgeschlagen, die Verschweißung im Bild in vier Qualitätsklassen von A bis D zu bewerten, mit der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. Laut Katalog teilt die AI-Klassifizierung der All-in-One Kamera Bilder in i.O.- und n.i.O.-Klassen ein und unterscheidet mit einem Werkzeug bis zu 32 Produkttypen; neue Typen lassen sich durch erneutes Training ergänzen. Ob sich vier Qualitätsstufen auf diese Weise abbilden lassen, klärt ein Versuch mit bewerteten Musterteilen.

An glänzenden Kontakten hängt das Bild an der Aufnahme. LumiTrax setzt aus Bildern mit wechselnder Beleuchtungsrichtung ein Formbild und ein Texturbild zusammen; der Katalog beschreibt Texturbilder ohne Beeinflussung durch Blendeffekte. Ein weiterer Katalog der Modellreihe nennt die Prüfung auf verbogene Anschlussklemmen als Anwendung.

Eine einfache Aufgabe bleibt einfach. Aus der Werkzeugbauabteilung eines Herstellers kam die Anfrage, die Schweißnaht an einer Steckverbindung und weitere Verformungen des Teils zu prüfen. Für ein solches Merkmal kommt der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 in Frage, für den der Katalog die Inspektion der Schweißnaht nach dem Schweißen als Anwendung führt. Wo mehrere Klassen unterschieden werden sollen, ist die All-in-One Kamera die passendere Klasse.

Pinhöhe direkt nach dem Widerstandsschweißen

Für eine neue Anlage soll die Höhe der Pins eines Steckverbinders gemessen werden, und zwar direkt nach dem Widerstandsschweißen oder auf dem Auslaufband. Es gibt zwei Typen, die Genauigkeit liegt bei etwa ±0,1 mm, der Abstand zum Teil ändert sich je nach Position, die Taktzeit ist unkritisch. Heute wird zu hundert Prozent von Hand geprüft. Die Lösung ist noch zu konzipieren.

Warum nach dem Schweißen? Weil Wärme und Anpressdruck einen Pin anheben, eindrücken oder kippen können, nachdem er vorher in Ordnung war. Eine Höhe von einem Zehntelmillimeter an einer Pinspitze ist ein Fall für die Höhenmessung, nicht für den Kontrast im Bild. Wie koplanar die Pins vor dem Verpressen und Löten sind, ist Thema des Beitrags zur Pinprüfung in der Elektronik; Pinlage und Taumelkreis gehören zum Beitrag zur Positionsprüfung von Pins.

Draht und Litze am Kontakt: Durchgang, Lage und Höhe des Schweißpunkts

An Leitern verschiebt sich die Frage vom Punkt zum Draht. In einem dokumentierten Test sollte geprüft werden, ob ein Draht von 0,25 mm Durchmesser nach dem Schweißen durch einen Mikrostecker geführt ist. Im Test gelang die Prüfung mit der All-in-One Kamera in C-Mount-Ausführung mit 15 Megapixeln und einem Makroobjektiv bei voller Vergrößerung; je Teil sind zwei Prüfungen nötig. Die Grenze lag an der Mechanik: Das Gestell hat keinen Anschlag, das Band bewegt sich, also braucht die Station einen Zylinder für Indexierung und genauen Stopp, dazu Trigger und eine passende Auswertung des Ausgangs. Diese Punkte muss der Hersteller der Station umsetzen.

Im Konzept eines Maschinenbauers für ein Elektronikmodul müssen Schweißpunkt und Litzenende in einem Toleranzkreis von wenigen Millimetern Durchmesser liegen; geprüft werden sollen Position und Höhe inline, betrachtet wird der Snapshot-Sensor, das Ergebnis soll über PROFINET gehen. In der Planung einer Sensorlinie sind Kameraprüfungen der Litzen vorgesehen, und eine Widerstandsschweißverbindung soll validiert werden. Am Kabelschuh schließlich soll an der Schweißstelle der Durchmesser auf etwa einen Zehntelmillimeter genau geprüft werden, bei vielen Varianten; erwogen wird, eine Tiefenmessung mit einer 2D-Durchmessermessung zu kombinieren.

Werkerplatz oder Rundtakt: wo die Prüfung im Ablauf sitzt

Im Ablauf gibt es zwei Bauformen. Am Werkerplatz legt ein Mitarbeiter das Teil ein, die Taktzeit ist entspannt, und das Ergebnis muss für ihn lesbar sein, als Bild mit markierter Abweichung auf einem Monitor. Hier zählt, dass das Teil immer gleich liegt: Eine Aufnahme mit Anschlag erspart viel Auswertung.

In der Anlage gilt anderes. An einer Stanz-Biege-Anlage, die gerade aufgebaut wird, soll im Bild geprüft werden, ob ein Schweißpunkt vorhanden ist und wie groß er ist, bei einem Feld von etwa 30 x 26 mm und wenigen hundert Millisekunden Takt. Der Bauraum ist nach oben begrenzt, deshalb kommen nur koaxiale oder Spotbeleuchtung in Frage. Im Rundtakt braucht die Station einen definierten Halt oder ein Encodersignal für den abtastenden Sensor, dazu ein Signal an die Steuerung, über digitale Ausgänge oder PROFINET. Wer die Station als Maschinenbauer liefert, sollte Anschlag, Trigger und Bauraum für Kamera und Licht schon im Lastenheft festhalten.

Häufige Fragen

F Warum reicht die Pinprüfung vor dem Verpressen nicht aus?

Weil das Schweißen den Pin noch einmal belastet. Wärme und Anpressdruck können ihn anheben oder kippen, nachdem er vorher in Ordnung war. Wer die Höhe nach dem Schweißen kennt, prüft den Zustand, in dem das Teil die Station verlässt.

F Lassen sich Schweißpunkt und Kontaktlage in einem Schritt prüfen?

Ja, wenn beide als Höhe und Lage im selben Feld liegen. Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst das Feld, ohne dass Messkopf oder Teil bewegt werden, und sein Katalog nennt die Prüfung von Schweißpunkten als Anwendung. Ob die Merkmale am konkreten Teil sicher getrennt werden, klärt ein Test am Originalteil.

F Was tun, wenn es nur Grenzmuster und keine Toleranz gibt?

Die Grenzmuster vermessen oder als Bildklassen anlernen. Bei einer Messung werden aus ihren Werten Grenzwerte für Höhe und Lage abgeleitet. Bei einer Bewertung im Bild liefern sie das Trainingsmaterial für die Bildklassen.

F Wie prüft man, ob ein dünner Draht durch den Stecker geführt ist?

In einem dokumentierten Test gelang das bei einem Draht von 0,25 mm mit einer hochauflösenden All-in-One Kamera und Makroobjektiv bei voller Vergrößerung. Ebenso wichtig wie die Optik ist ein genauer Stopp des Teils mit Trigger, damit jede Aufnahme dieselbe Stelle zeigt.

F Was braucht eine Prüfstation im Rundtakt?

Einen definierten Halt oder ein Encodersignal, einen Trigger und ein Ergebnis an die Steuerung, über digitale Ausgänge oder einen Feldbus. Bei engem Bauraum bestimmt die Beleuchtung oft die Wahl, etwa koaxiales Licht oder ein Spot.

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