Laserschweißnähte an Aggregatteilen prüfen: Abgasanlage, Getriebe, Lenkung und Gasgenerator

Die Dichtheitsprüfung sagt, dass, aber nicht wo

Ein Hersteller von Abgas- und Kraftstoffsystemen prüft runde Bauteile heute am Ende des Prozesses auf Leckage. Die Schweißnaht ist knapp 0,8 mm breit, und als Fehler kommen dort nur Löcher in Frage. Der Schweißprozess ist eingehaust, ein Profilsensor lässt sich nicht ohne Weiteres einbringen. Der Kunde brachte deshalb selbst einen punktförmig messenden Sensor ins Gespräch; ob das trägt, ist offen.

An einem Abgaskrümmer sind Bälge mit vier Laserschweißnähten angeschweißt. Nach dem Schweißen passiert das Teil eine Kühlkammer, danach soll die Naht auf Defekte geprüft werden. Dichtheitsprüfung und Ebenheitsmessung sind in dieser Linie eigene Schritte. Die kleinste Fehlergröße will der Zulieferer selbst definieren.

Bei einer lasergeschweißten Abgasklappe, die die Lautstärke des Fahrzeugs reguliert, testete der Abnehmer Teile unter Wasser und fand Löcher an der Naht. Auf die Funktion haben sie keinen Einfluss, gefordert sind trotzdem Teile ohne Löcher.

Die Dichtheitsprüfung beantwortet eine Frage: ob das Teil dicht ist. Wo das Loch sitzt, wie groß es ist und ob daneben eine Pore folgt, sagt sie nicht. Ein Höhenprofil der Naht ordnet jedem Befund eine Position und eine Größe zu, noch bevor das Teil in die Dichtheitsprüfung geht.

Löcher und Durchgängigkeit über den Umfang

An der Abgasklappe sind Löcher über 1 mm zu finden, und die Naht soll durchgängig sein, bei knapp 4 m/min. Das sind rechnerisch etwa 65 mm/s. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 tastet mit bis zu 16 kHz ab, damit liegen rechnerisch rund 4 µm zwischen zwei Profilen. Ein Loch von 1 mm Länge erscheint so rechnerisch in weit über hundert Profilen als Vertiefung.

Im Höhenprofil ist ein Loch eine Vertiefung mit messbarer Tiefe. Für die Modellreihe LJ-X8000 beschreibt KEYENCE die Schweißnahtprüfung als unabhängig von wechselnden Materialien und Farben des Messobjekts. Für die Durchgängigkeit zählt dieselbe Information entlang der ganzen Naht: Eine Unterbrechung ist eine Strecke ohne die erwartete Nahtüberhöhung.

Die vier Schweißwerkzeuge des Profilsensors für Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung beschreibt der Beitrag zu Fahrwerk und Struktur. An Rundnähten von Aggregatteilen kommen Löcher, Aufwürfe und Spritzer als Merkmale hinzu.

Lange Laserschweißnähte am Druckgussgehäuse: Poren, Ausbrüche und ungleichmäßige Naht

Nicht jede Aggregatnaht ist kurz. Ein Gehäuse aus Aluminiumdruckguss wird mit einem tiefgezogenen und einem flachen Deckel verschlossen, beide durch eine zusammenhängende Laserschweißnaht von jeweils rund anderthalb Metern. Es ist der letzte wertschöpfende Schritt am Teil, und zuletzt gab es dort vermehrt Ausfälle.

Gesucht werden Ausbrüche und Einfallstellen, kleine Löcher durch Porosität ab etwa 0,1 mm und eine ungleichmäßige Naht. Bisher überwacht die Anlage die Laserleistung, am Ende folgt eine Dichtheitsprüfung. Die Leistungsüberwachung beschreibt den Prozess, nicht die Geometrie der fertigen Naht.

Die Erwartung an die Prüfung geht über ein Urteil hinaus: Sie soll der Anlage melden, wo nachgeschweißt werden muss. Dafür braucht jeder Befund eine Position entlang der Naht, und das Ergebnis muss über Profinet an die Anlage gehen. Gemessen werden soll in der Schweißanlage selbst, über einen Bereich von rund 600 x 220 mm, im Takt von knapp zwei Minuten. Ob ein Messkopf des Profilsensors dort in den Bauraum passt, ist noch zu klären. Die Anfrage sieht die Auswertung auf der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X vor, an die die Profilsensoren angeschlossen werden.

Rundlauf, Nullspalt und Höhendifferenz nach dem Schweißen

In der Entwicklung eines Zulieferers soll eine umlaufende Laserschweißnaht an einem Getriebeteil vermessen werden, vor und nach dem Schweißen. Die Merkmale sind Rundlauf, Spalt und Höhendifferenz; der Spalt soll ein Nullspalt sein und darf bis etwa 80 µm betragen. Der Durchmesser reicht bis etwa 250 mm, der benötigte Messbereich liegt bei 2 bis 3 mm. Ein einzelnes Profil quer zur Naht hält die Anfrage für denkbar, ein Höhenbild über den Umfang für besser. Der Ansatz ist der Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000.

Der Spalt vor dem Schweißen ist eine Frage der Lage der Fügepartner und gehört zur Lageprüfung vor dem Fügen. Nach dem Schweißen zählen Rundlauf und Höhendifferenz der Naht über den ganzen Umfang.

Ein Zehntelmillimeter Spritzer im Getriebe

Beim Verschweißen von Gewindezahnrädern entstehen Schweißspritzer. Lösen sie sich später im Getriebe, können sie es beschädigen. Ein Kunde sucht deshalb eine Inline-Lösung für eine Kontrolle zu 100 %, mit einer Fehlergröße ab etwa 0,1 mm. Offen ist, wie fein der Sensor die Oberfläche auflöst. Als Rückfallebene steht eine Stichprobe offline mit einem 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 im Raum.

Bei einem Spritzer dieser Größe zählt neben der Höhe die laterale Auflösung. Die Z-Wiederholgenauigkeit des Profilsensors liegt je nach Messkopf bei 0,3 bis 10 µm, das X-Datenintervall zwischen 2,5 und 225 µm. Für einen Spritzer von 0,1 mm braucht es einen Kopf mit feinem X-Datenintervall, und ob er ihn an der Oberfläche des Zahnrads sicher erfasst, zeigt erst ein Test mit Originalteilen.

Ein Metallgehäuse für einen Getriebemagneten soll rundum auf Schweißspritzer geprüft werden. Was als Spritzer zählt, definieren Grenzmuster des Kunden. Eine Fehlergröße in Zahlen nennt die Anfrage nicht.

Airbagnaht: durchgeschweißt und nicht verrutscht

Am Gasgenerator eines Airbags ist gefragt, ob die Naht durchgängig geschweißt ist. In einem Test vor Ort mit dem Werkzeug AI-Segmentierung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS sah das Ergebnis gut aus. Für eine Lösung mit einer Aufnahme braucht es ein telezentrisches Objektiv mit größerem Durchmesser; alternativ kann der Profilsensor die Naht umlaufend prüfen.

Ein sicherheitsrelevantes Airbagbauteil wird in einer Laserzelle verschweißt. Ein Roboter hält das Teil in einem abgeschatteten Raum zur Prüfung. Die Naht darf weder längs noch in der Höhe verrutscht sein und muss durchgeschweißt sein. Heute kontrollieren Mitarbeiter jedes Teil zweimal von Hand, diese Kontrolle soll ganz entfallen. Bei über einer Million Teilen im Jahr und einem Takt von wenigen Sekunden kommt dafür die Kamera der Modellreihe VS in Frage, mit Beleuchtung von links und rechts. Was ein Bild oder ein Profil zur Frage beiträgt, ob die Naht durchgeschweißt ist, muss am Originalteil mit Grenzmustern geklärt werden; die Einbrandtiefe selbst bleibt eine Frage des Schliffs im Labor.

An einem Airbagzylinder mit Bolzen soll die Schweißnaht rundum geprüft werden, indem das Teil gedreht und aus zwölf Richtungen betrachtet wird. Angedacht ist ein Ansatz mit AI auf der Kamera der Modellreihe VS; die Machbarkeit ist offen. Bei einem neuen Gasgeneratorprinzip in der Entwicklung gehört die Schweißnahtkontrolle zu mehreren Prüfaufgaben.

Drehen, Drehteller oder Snapshot: wie das Teil unter den Sensor kommt

Ein Gehäuse für einen Lenkungsmotor von rund 90 mm Durchmesser soll auf einem Drehteller geprüft werden, in etwa 30 s. Gesucht sind Löcher, abstehende Zapfen und Aufwürfe, bei einer Toleranz von etwa 1 mm. Es gibt Varianten aus Kaltfließpressen und aus Aluminiumdruckguss. Heute sichern Dichtheitsprüfung, Überwachung im Prozess und Sichtprüfung das Teil ab. Der Ansatz ist der Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 über dem drehenden Teil.

An einem Klimaventil aus einer Laserschweißstation prüft heute ein Bediener per Sichtprüfung, und schlechte Teile gelangten zum Kunden. Getestet wurde mit einem 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000; ein Ergebnis nennt die Dokumentation nicht. Für die Rundnaht ist als nächster Ansatz ein Profilsensor mit Drehgeber vorgesehen. Der Drehgeber ordnet jedem Profil einen Winkel zu, so wird aus dem Umfang eine abgewickelte Höhenkarte, und ein Loch bekommt eine Position in Grad.

Ein Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler fährt in der Anlage unter den Sensor und stoppt. Gesucht sind Löcher, Aufwürfe und Spritzer auf einem Feld von etwa 120 x 240 mm, bei 0,5 mm Toleranz und einer gewünschten Genauigkeit von 0,1 mm oder besser, im Takt von 18 s. Bisher prüfen eine Kamera und ein Werker im Prozess. Weil das Teil steht, passt hier der Snapshot-Sensor, der das Feld ohne Bewegung des Messkopfs aufnimmt.

Am Abgaskrümmer bleiben bei 60 s Takt rund 40 s für den Scan, für fünf Typen um 70 mm Durchmesser. Ob das Teil dreht, der Sensor kreist oder das Teil steht, folgt aus Takt, Geometrie und Bauraum.

Häufige Fragen

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