Nachbearbeitete Schweißnähte prüfen: Poren, Lunker, Reste und Reibschweißgrat nach Schleifen und Abdrehen

In der Metallverarbeitung verlässt viele Schweißnähte das Werk nicht so, wie der Brenner sie hinterlassen hat. Behälternähte werden verschliffen, Nähte zwischen zwei Blechen geglättet, Reibschweißverbindungen an Wellen abgedreht. Danach ist die Naht bündig mit dem Grundwerkstoff, und eine Prüfung auf Nahtbreite, Überhöhung oder Lage findet nichts mehr, woran sie sich halten könnte. Gesucht wird dann etwas anderes: eine Pore, die das Schleifen geöffnet hat, ein Lunker, ein Absatz, ein Span oder Grat, der stehen geblieben ist.

Dieser Beitrag richtet sich an Qualitäts- und Prozessingenieure in Betrieben, die Behälter, Blechbaugruppen, Wellen und Buchsen schweißen und nachbearbeiten. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. Keines beschreibt eine fertig eingerichtete Prüfung; es sind Konzepte, eine Machbarkeitsklärung, eine Vorführung und ein Test mit Aufnahmen.

Wichtige Punkte im Überblick

Nach dem Schleifen oder Abdrehen ist die Naht bündig, gesucht wird dann eine Pore oder ein Lunker, den der Materialabtrag freigelegt hat, oder ein stehengebliebener Span oder Grat.
An geschliffenen Nähten von Edelstahlbehältern, an denen Poren ab etwa 0,2 mm gesucht werden, wurden Aufnahmen mit dem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 gemacht.
Sitzt die Prüfung direkt an der Schleifstation, meldet sie den Fehlerort entlang der Naht an den Werker, damit genau dort nachgearbeitet wird, solange das Teil noch in der Maschine ist.
Eine Pore ist im Höhenprofil nur eindeutig, wenn sie deutlich tiefer oder breiter ist als die Schleifriefen, deshalb lohnt es sich, Grenzmuster mit echten Poren an der Schwelle zu sammeln, bevor ein Grenzwert festgelegt wird.
Nach einer Vorführung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS ist die Idee, geschliffene Blechbaugruppen auf freigelegte Lunker zu prüfen.

Wenn die Naht bündig ist: was nach dem Schleifen noch zu finden ist

Eine ungeschliffene Naht hat eine eigene Form, und viele Fehler zeigen sich als Abweichung dieser Form. Nach dem Schleifen fehlt diese Form. Übrig bleibt eine ebene oder leicht gewölbte Fläche mit Schleifriefen, und der Fehler ist meist eine kleine Vertiefung: eine Pore, die vorher unter der Oberfläche lag, oder ein Lunker, den erst der Materialabtrag freigelegt hat. An gedrehten oder entgrateten Verbindungen ist es umgekehrt, dort steht etwas über: ein Rest der Reibschweißnaht, ein Span oder ein Grat um eine Buchse.

Daraus folgen zwei Prüfaufgaben. Vertiefungen in einer geschliffenen Fläche lassen sich im Höhenprofil als Einbruch messen oder im Bild an Schatten und Kontrast erkennen. Überstände an einer gedrehten Kontur zeigen sich als Abweichung der Außenkontur oder als Höhe gegenüber einer Bezugsfläche. Was unter der neuen Oberfläche liegt, sieht keine der beiden Methoden. Eine Pore, die der Schliff nicht geöffnet hat, bleibt eine Frage für das Labor. Wie Bild, Profil und Schliff an ungeschliffenen Nähten zusammenwirken, ordnet der Leitfaden zu den Fehlerklassen an Metallteilen ein.

Edelstahlbehälter: Poren ab 0,2 mm in der Schleifzone

Ein Hersteller von Edelstahlbehältern für die Lebensmittelindustrie schweißt die Behältermäntel im Plasmaverfahren mit etwa 1,7 m/min und verschleift die Naht danach in derselben Maschine. Heute prüfen zwei Personen eine ganze Schicht lang mit dem Auge. Gesucht werden Poren ab etwa 0,2 mm. Die Naht ist höchstens etwa 5 mm breit, die Schleifzone rund 50 mm; um Fehler sicher zu finden, schätzt der Betrieb eine abzudeckende Breite von 20 bis 30 mm. Der Werkstoff ist ein eher matter Edelstahl.

Die Gründe für eine automatische Prüfung gehen über die Arbeitszeit hinaus. Beim Schleifen von Edelstahl entsteht Staub mit Chrom und Nickel, und wer weniger Zeit an der Naht verbringt, ist ihm weniger ausgesetzt. Dazu kommen eine bessere Dokumentation und die Sicherheit, dass kein Fehler im Schichtverlauf untergeht.

Mit dem 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 wurden in diesem Fall Aufnahmen der geschliffenen Naht gemacht. Ein Ergebnis ist im Datensatz nicht festgehalten. Die Geometrie passt zum Gerät: Das Messfeld in X reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm, eine Breite von 20 bis 30 mm liegt also im üblichen Bereich. Bei etwa 1,7 m/min bewegt sich die Naht mit rund 28 mm/s. Schon bei 1 kHz Abtastung lägen die Profile damit rechnerisch etwa 0,03 mm auseinander, deutlich enger als die kleinste gesuchte Pore.

Prüfen an der Schleifstation: den Fehlerort an den Werker zurückmelden

Beim Edelstahlbehälter liegt der Gedanke nahe, das Prüfsystem direkt an der Schleifstation einzubauen. Das Ziel ist dort nicht in erster Linie das Aussortieren. Die Prüfung soll die Stelle eines Fehlers festhalten und den Mitarbeitenden melden, damit genau dort nachgearbeitet werden kann.

Für die Auslegung hat das Folgen. Eine Gut-Schlecht-Ausgabe genügt nicht; gebraucht wird die Position des Fehlers entlang der Naht, etwa als Winkel oder Weg ab einem Bezugspunkt der Maschine. Die Naht bewegt sich in der Maschine ohnehin mit bekannter Geschwindigkeit, damit lässt sich jedem Profil eine Lage zuordnen. Die Meldung an den Werker sollte so aussehen, dass er die Stelle ohne Suchen wiederfindet. Ein gespeichertes Höhenbild je Behälter erfüllt nebenbei den Wunsch nach Dokumentation.

Eine Prüfung direkt nach dem Schleifen hat einen Vorteil gegenüber einer Endkontrolle: Der Fehler wird gefunden, solange der Behälter noch in der Maschine ist. Zu klären ist, ob Schleifstaub die Messung an diesem Ort stört und wie der Messkopf davor geschützt wird.

Laser- und Schleifnähte zwischen zwei Blechen: enge Toleranz bei schneller Achse

In einem anderen Konzept geht es um Laser- und Schleifnähte zwischen zwei Blechen, heute per Sichtkontrolle geprüft. Die Naht ist etwa 25 mm breit, die Toleranz liegt bei 0,05 mm, die geforderte Genauigkeit bei 0,1 mm. Der Sensor soll auf einer Verfahrachse mit etwa 1 m/s über die Naht fahren und das Ergebnis über PROFINET melden. Auch dieses Konzept nennt den 2D/3D Laser-Profilsensor.

Hier bestimmt die Geschwindigkeit die Auslegung. Bei der höchsten Abtastrate der Modellreihe von 16 kHz und 1 m/s liegen zwei Profile rechnerisch etwa 0,06 mm auseinander. In Bewegungsrichtung ist das dieselbe Größenordnung wie die Toleranz; quer zur Naht und in der Höhe löst der Profilsensor deutlich feiner auf. Ob ein schmaler Fehler in Fahrtrichtung sicher getroffen wird, ist deshalb eine Frage der Fehlerform und am Musterteil zu klären.

Reibschweißgrat an der Buchse: Überstand seitlich und in der Höhe

Beim Reibschweißen einer Buchse auf eine Stanzschiene quillt Werkstoff als Grat um die Buchse heraus. Erlaubt ist ein Überstand seitlich von deutlich unter einem Millimeter über den Buchsendurchmesser hinaus und in der Höhe von wenigen Zehnteln. Es gibt mehrere Varianten aus demselben Werkstoff, die sich im Buchsendurchmesser unterscheiden. Für die reine Prüfung stehen etwa 3 s zur Verfügung. Der Fall ist in der Machbarkeitsphase.

Gefragt ist eine Höhe gegenüber der Schiene, und das an jeder Stelle des Umfangs. Im Gespräch sind zwei Prinzipien. Der Bildbasierte Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX vergleicht die Höhe mit einem Referenzpunkt am Teil selbst und bleibt laut Katalog auch bei versetzt oder geneigt liegendem Teil stabil. Die andere Möglichkeit ist ein 3D-Höhenbild, das den ganzen Umfang auf einmal erfasst. Welches Prinzip den Grat seitlich und in der Höhe in der geforderten Auflösung erfasst, ist zu prüfen.

Abgedrehte Reibschweißnaht an der Welle: Reste nach dem Drehen

An reibgeschweißten Wellen von rund 40 mm Durchmesser wird die Naht nach dem Schweißen trocken abgedreht. Zu prüfen ist, ob sie richtig abgedreht ist und kein Span oder Rest der Schweißnaht stehen geblieben ist, bei einer Toleranz von wenigen Zehnteln. Heute wird mit einer Lehre geprüft, und ein Fehler fällt sonst erst nach rund 20 Wellen auf. Der Gesamttakt liegt bei etwa einer halben Minute, ausgegeben werden soll IO oder NIO gegen zwei Toleranzgrenzen.

Der Lösungsansatz in diesem Automatisierungsprojekt nennt den Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000. Er arbeitet im Durchlicht und sieht die Welle als Schattenkontur; ein stehengebliebener Rest verändert diese Kontur am Umfang. Ob der Profilprojektor Reste an der abgedrehten Reibschweißnaht zuverlässig erfasst, ist am Musterteil zu prüfen.

Lunker in geschliffenen Blechbaugruppen: Bild statt Augenmaß

Zuführteile aus gebogenem Blech werden als Schweißbaugruppen gefertigt, in Varianten von etwa 10 bis 100 mm. Beim Schweißen können Lunker entstehen, die das anschließende Schleifen freilegt. Nach einer Vorführung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS ist die Idee, die Oberfläche auf solche Lunker zu prüfen und in derselben Station Vollständigkeit, Lage der Naht, die Parallelität zweier Nasen und den Biegewinkel zu bewerten. Ein Roboter soll das Teil in mehreren Lagen vor die Kamera halten; bei rund hundert Teilen am Tag spielt die Taktzeit kaum eine Rolle. Den Aufbau einer solchen Station behandelt der Beitrag zur robotergeführten Prüfstation an Metallteilen.

Wichtig ist dem Betrieb die Nachverfolgbarkeit. Jedes Bild soll gespeichert werden, um bei Reklamationen Belege vorlegen zu können. Die All-in-One Kamera gibt Bilder an bis zu zwei FTP-Server aus.

Matter Edelstahl und Schleifbild: was die Oberfläche für die Prüfung bedeutet

Eine geschliffene Fläche ist nicht glatt, sondern von Riefen durchzogen, und genau zwischen diesen Riefen liegt die gesuchte Pore. Für den Profilsensor ist das Schleifbild eine Rauheit in der Höhe. Eine Pore ist nur dann eindeutig, wenn sie deutlich tiefer oder breiter ist als die Riefen. Deshalb lohnt es sich, Grenzmuster mit echten Poren an der Schwelle zu sammeln, bevor ein Grenzwert festgelegt wird. Laut Katalog ist das Höhenbild des Profilsensors von Farbe und Farbmuster unabhängig, Anlauffarben neben der Naht werden so nicht zum Fehlermerkmal.

Im Kamerabild erzeugen Riefen Kanten, die einem Fehler ähneln. Der Katalog der All-in-One Kamera beschreibt einen Weichzeichner, der solche Kanten aus Haarlinienschliff unterdrückt. Für kleine Vertiefungen auf glänzendem Metall kommt LumiTrax in Frage: Aus Bildern mit verschiedenen Beleuchtungsrichtungen entsteht ein Formbild, das Unregelmäßigkeiten hervorhebt, und ein Texturbild. Wie stark das Schleifbild eines eher matten Edelstahls wie beim Behälter stört, zeigt erst der Test am Musterteil. Die Rauheit der geschliffenen Fläche selbst zu messen, ist eine eigene Aufgabe der Oberflächenmesstechnik.

Häufige Fragen

F Warum findet eine normale Nahtprüfung nach dem Schleifen keine Fehler mehr?

Nach dem Schleifen ist die Naht bündig, Nahtbreite, Überhöhung und Lage lassen sich nicht mehr bewerten. Gesucht sind dann kleine Vertiefungen wie offene Poren oder Lunker. Diese zeigen sich im Höhenprofil als Einbruch oder im Bild mit gerichteter Beleuchtung.

F Wo sollte die Prüfung einer geschliffenen Naht sitzen?

Möglichst direkt an der Schleifstation. Dort kann die Prüfung den Fehlerort an den Werker melden, solange das Teil noch in der Maschine ist. Bei großen Teilen wie Behältern ist das Ziel die Nacharbeit an der genauen Stelle, nicht das Aussortieren.

F Wie lässt sich ein Reibschweißgrat um eine Buchse prüfen?

Gesucht ist der Überstand seitlich und in der Höhe gegenüber der Schiene. In Frage kommen ein Höhenvergleich gegen einen Referenzpunkt am Teil oder ein 3D-Höhenbild über den ganzen Umfang. Welches Prinzip die geforderten wenigen Zehntel sicher auflöst, ist am Musterteil zu prüfen.

F Stören Schleifriefen die automatische Prüfung?

Sie erzeugen im Bild Kanten und im Profil eine Rauheit, gegen die sich ein Fehler abheben muss. Filter im Bild und eine Schwelle im Höhenprofil, festgelegt an echten Grenzmustern, trennen Riefen von Poren. Wie stark das Schleifbild stört, klärt ein Test am Musterteil.

F Zeigt eine Oberflächenprüfung auch Poren unter der geschliffenen Fläche?

Nein. Kamera und Profilsensor sehen nur, was der Schliff geöffnet hat. Poren im Inneren der Naht bleiben eine Frage für die Prüfung im Labor.

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