Dachnaht, lange Nähte und Schweißpunkte an der Karosserie: Länge, Lage und Poren inline prüfen

Im Karosseriebau ist eine Naht selten kurz. An den Seiten eines Fahrzeugs liegen Nähte von einigen Hundert Millimetern, in einer neuen Anlage werden es mehrere Meter, und auf dem Dach sitzt eine Naht, die nicht geschweißt, sondern gelötet ist. Dieser Beitrag richtet sich an Karosserieplaner sowie an Qualitäts- und Instandhaltungsingenieure im Rohbau und bei Zulieferern von Karosserieteilen. Er beginnt bei der langen Naht, führt über die Prüfkriterien der gelöteten Dachnaht und die Frage, wo in der Linie geprüft wird, zu Schweißpunkten und großen Teilen. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen: Anforderungen, Konzepte und ein Applikationstest. Eine installierte Nahtprüfung von KEYENCE ist nicht darunter. Gemeint ist immer die Prüfung des Teils in der Fertigungslinie, nie ein Gerät im Fahrzeug. Fahrwerk und Struktur sowie lasergeschweißte Aggregatteile behandeln eigene Beiträge dieser Reihe.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Dachnaht ist eine gelötete Naht und keine Schweißnaht, das ändert die Fehlerbilder, nicht das Messprinzip, weil ein Höhenprofil die Oberfläche der Lötnaht ebenso erfasst.
Für die gelötete Dachnaht nennt eine dokumentierte Anwendung klare Kriterien: vorhanden, mindestens 90 % der Solllänge, an der richtigen Position und ohne Oberflächenporen über 0,2 mm, Risse oder Durchbrüche.
Eine Naht von mehreren Metern lässt sich im Takt der Linie mit dem Auge nicht lückenlos ablaufen, die Folge der Höhenprofile liefert Länge, Lage und Unregelmäßigkeiten als Messwerte.
Eine Prüfung an der Station in der Linie begrenzt einen Nahtfehler auf das Teil, an dem er entstanden ist, statt ihn über weitere Fahrzeuge in die Linie zu tragen.
Für Schweißpunkte braucht es statt einzelner Laserlinien ein flächiges Höhenbild, wie es der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Messkopfs aufnimmt.

Lange Nähte im Rohbau: wenn die Sichtprüfung nicht mehr mitkommt

Ein Zulieferer für den Fahrzeug- und Karosseriebau mit viel Schweiß- und Stanztechnik prüft seine Schweißnähte heute ausschließlich mit dem Auge. In einer neuen Anlage werden Nähte über mehrere Meter entstehen. Dort hält er eine Sichtprüfung nicht mehr für machbar; geprüft werden soll maschinell, das Teil wird vom Roboter geführt. Welche Merkmale mit welchen Grenzen gelten, muss das Unternehmen noch festlegen.

An einem anderen Karosseriebauteil sitzen vier Schweißnähte. Heute prüft sie ein Mitarbeiter, der die Teile an der Anlage ohnehin in die Hand nimmt, zu 100 % per Sichtprüfung. Gesucht werden Gasblasen und ähnliche Fehler, gefordert ist eine Messgenauigkeit von 0,1 mm. Das Teil kommt auf einem Förderband, der Takt liegt bei 30 s. Die Anfrage sieht zwei Messköpfe des 2D/3D Laser-Profilsensors der Modellreihe LJ-X8000 an einem Controller vor.

Eine dritte Anfrage betrifft vier Nähte von rund 300 mm Länge an beiden Fahrzeugseiten. Dort sollen Anwesenheit und Lage der Nähte mit Bildverarbeitung geprüft werden.

Die Grenze der Sichtprüfung liegt hier nicht in der Sorgfalt des Prüfers. Eine Naht von mehreren Metern lässt sich im Takt der Linie mit dem Auge nicht lückenlos ablaufen, und eine Lage oder Fehlergröße in Zehntelmillimetern liefert das Auge ohnehin nicht. Ein Profilsensor macht aus jeder Naht eine Folge von Höhenprofilen. Daraus ergeben sich Länge, Lage und Unregelmäßigkeiten der Oberfläche als Messwerte, die gegen Grenzen verglichen und gespeichert werden.

Die gelötete Dachnaht: vorhanden, Länge gegen Solllänge, Lage, Poren und Durchbrüche

Dach und Heckklappe werden in einer dokumentierten Anwendung lasergelötet. Diese Fügenaht ist eine gelötete Naht und keine Schweißnaht: Ein Lot verbindet die Bleche, das Grundmaterial wird nicht aufgeschmolzen. Für die Prüfung ändert das die Fehlerbilder, nicht das Messprinzip, denn ein Höhenprofil erfasst die Oberfläche einer Lötnaht ebenso wie jede andere Oberfläche.

Die Karosserieplanung hat für diese Lötnaht ihre Kriterien klar formuliert. Die Naht muss vorhanden sein, ihre Länge muss mindestens 90 % der Solllänge erreichen, und sie muss an der richtigen Position liegen. Oberflächenporen über 0,2 mm sind nicht zulässig, ebenso wenig Risse und Durchbrüche. Anlass der Suche sind optische Mängel im Lack und Korrosion. Die längste Naht, am Dach, misst über zwei Meter.

Aus diesen Kriterien lässt sich ablesen, was ein Profil liefern muss. Vorhandensein und Länge ergeben sich aus der Folge der Profile entlang der Naht, gemessen gegen die Solllänge. Die Lage ist der Abstand der Naht zu einer Bezugskante im Profil. Eine Pore oder ein Durchbruch ist eine Vertiefung in der Oberfläche, deren Ausdehnung gegen die Grenze von 0,2 mm verglichen wird. Wichtig war den Planern außerdem, dass jeder Befund einzeln betrachtet werden kann, etwa an der Toleranzgrenze, statt nur als Gesamturteil zu erscheinen.

Geschliffen und gebürstet: Oberfläche der Lötnaht und Tempo des Roboters

Die Lötnaht ist in dieser Anwendung geschliffen und gebürstet, wenn sie geprüft werden soll. Schleifen und Bürsten verändern Glanz und Struktur gegenüber einer rohen Naht und damit die Lichtmenge, die zum Sensor zurückkommt. Für solche Unterschiede durch Neigung oder Glanz beschreibt KEYENCE den großen Dynamikbereich der Modellreihe LJ-X8000; ob die gesuchten Poren auf dieser Oberfläche sicher erscheinen, klärt erst ein Test mit Gut- und Schlechtmustern der geschliffenen Naht.

Geführt wird die Messung von einem Roboter mit bis zu etwa 200 mm/s, der Takt liegt bei knapp einer Minute. Rechnerisch braucht eine Naht von zwei Metern bei 200 mm/s zehn Sekunden. Der Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 tastet mit bis zu 16 kHz ab; bei 200 mm/s liegen dann rechnerisch 12,5 µm zwischen zwei Profilen, deutlich weniger als die gesuchte Porengröße. Das X-Feld reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm.

Zwei Anforderungen dieser Planer betreffen den Betrieb: Die Bedienung soll so einfach sein, dass die Instandhaltung damit arbeiten kann, und Parameter sollen sich aus dem Büro ändern lassen. Beides gehört in das Lastenheft, bevor die Station ausgelegt wird.

Früher erkennen statt mehrere Fahrzeuge später

In einer anderen Anfrage geht es um zwei Nähte auf dem Fahrzeugdach. Heute werden nach einem Fehler noch mehrere weitere Fahrzeuge gefügt, bevor er auffällt. Geprüft werden soll deshalb zu einem früheren Zeitpunkt als heute. Vorgesehen sind dort zwei Messköpfe eines Profilsensors.

Jedes Fahrzeug zwischen Fehler und Befund trägt den Fehler weiter in die Linie. Die Prüfung an der Station begrenzt das auf das eine Teil, an dem er entstanden ist.

Schweißpunkte: Form und Verformung statt nur vorhanden

Für Schweißpunkte an der Fahrzeugkarosserie wird eine Bewertung nach Punktform, Rissen und Verformungen gesucht. Einzelne Laserlinien schneiden einen Punkt nur an wenigen Stellen; über seine Form in der Fläche sagen sie wenig. Ein flächiges Höhenbild erfasst den ganzen Punkt. Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 nimmt ein Feld bis 640 x 640 mm auf, ohne dass der Messkopf bewegt wird. Das passt zu Punkten an einem stehenden Teil.

Ein Anwendungsbeispiel von KEYENCE für Fahrgestelle und Karosserien beschreibt die Prüfung nach dem Punktschweißen bei der Dachmontage. Das Profil der Karosserie wird während des Transports fortlaufend erfasst, und die Schweißpunkte werden nach der Montage des Daches geprüft, weil Schweißfehler dort zu Wassereintritt führen können. Dasselbe Anwendungsbeispiel beschreibt auch die 3D-Prüfung von Schweißstellen nach dem Laserschweißen, ein Verfahren für Bereiche, in denen kein Punktschweißen möglich oder eine hohe Robustheit gefordert ist.

Kleiner wird es an einem Federelement. Dort wird ein Stift auf ein Blech geschweißt, mit Schweißpunkten auf zwei Seiten. Geprüft werden soll, ob ein Punkt an der falschen Stelle sitzt oder Bereiche verletzt, die eine bestimmte Kontur behalten müssen. Das Bildfeld ist etwa 15 mm groß, für die Prüfung stehen 200 ms zur Verfügung, und der Platz an der Anlage ist sehr beengt. Hier entscheidet der Arbeitsabstand von Kamera oder Messkopf mit über die Auswahl.

Großes Teil, großes Bildfeld: Rahmen mit der Kamera

Nicht jede Frage an der Karosserie verlangt ein Höhenprofil. An einem Metallrahmen deckte die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS in einem Applikationstest aus etwa 1,2 m Arbeitsabstand ein Bildfeld von rund 1 m Breite ab, also fast den ganzen Rahmen. Der Test war erfolgreich, die Anwendung erwies sich dabei als stabil. Ein solches Bildfeld ist ein Anwendungswert dieses Aufbaus, keine Gerätespezifikation.

Ein so großes Bildfeld zielt auf die Fragen, ob und wo Nähte am Teil liegen. Wo eine Pore, eine Höhe oder ein Volumen gefragt ist, braucht die Station ein Profil.

Von oben und unten: mehrere Messköpfe an einem Bauteil

Bei Karosserieteilen aus einer Laserschweißanlage ist die Prüfung immer zweiseitig vorgesehen, mit einem Messkopf von oben und einem von unten. Zwei Köpfe des Profilsensors an einer Steuerung, ausgewertet auf der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X: so beschreibt es diese Anfrage.

Mehrere Köpfe an einem Teil verlangen eine gemeinsame Auswertung. Beide Profile gehören zum selben Bauteil und zum selben Takt, und das Ergebnis geht als ein Urteil an die Anlagensteuerung. In mehreren der dokumentierten Anfragen ist dafür Profinet genannt.

Neue Linie, offene Kriterien: Prüfmerkmale festlegen, bevor die Station gebaut wird

Die Anfragen unterscheiden sich weniger in der Technik als im Reifegrad. Bei der gelöteten Dachnaht liegt eine vollständige Liste vor: Merkmal, Grenze, Oberfläche, Robotertempo, Takt und Bedienung. Bei der neuen Anlage mit Nähten über mehrere Meter steht fest, dass geprüft wird, aber noch nicht, wogegen.

Für die Planung einer Station hilft eine feste Reihenfolge. Zuerst die Merkmale je Naht mit ihren Grenzen, dann der Ort in der Linie, also vor oder nach weiteren Fügeschritten und vor oder nach dem Lack. Danach folgen die Oberfläche zum Prüfzeitpunkt, die Bewegung von Teil oder Sensor mit Geschwindigkeit und Takt, die Zahl der Seiten und Köpfe und zuletzt die Schnittstelle zur Anlage. Erst mit dieser Liste lässt sich ein Test am Originalteil sinnvoll aufsetzen.

Häufige Fragen

F Ist die Dachnaht eine Schweißnaht?

Nein. Die lasergelötete Naht an Dach und Heckklappe ist eine gelötete Naht: Ein Lot verbindet die Bleche, das Grundmaterial wird nicht aufgeschmolzen. Für die Inline-Prüfung ändert das die Fehlerbilder, nicht das Messprinzip, weil ein Höhenprofil die Oberfläche der Naht erfasst.

F Wie prüft man eine Naht von über zwei Metern auf Länge und Poren?

Ein Profilsensor wird entlang der Naht geführt und erfasst sie Profil für Profil. Die Länge ergibt sich aus der Folge der Profile und wird gegen die Solllänge verglichen, Poren erscheinen als Vertiefungen mit messbarer Ausdehnung. Bei einem Robotertempo von 200 mm/s braucht eine Naht von zwei Metern rechnerisch zehn Sekunden.

F Warum soll die Dachnaht früher in der Linie geprüft werden?

Jedes Fahrzeug, das zwischen Fehler und Befund gefügt wird, trägt den Fehler weiter. Eine Prüfung an der Station begrenzt ihn auf das Teil, an dem er entsteht. In einer Anfrage zu zwei Nähten auf dem Fahrzeugdach werden nach einem Fehler heute noch mehrere weitere Fahrzeuge gefügt, bevor er auffällt; deshalb soll dort früher geprüft werden.

F Lassen sich Schweißpunkte an der Karosserie in 3D bewerten?

Gesucht wird in den dokumentierten Anwendungen eine Bewertung nach Punktform, Rissen und Verformungen. Dafür braucht es ein flächiges Höhenbild statt einer einzelnen Laserlinie. Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 nimmt ein Feld bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Messkopfs auf.

F Reicht für große Rahmen eine Kamera statt eines Profilsensors?

Für Lage und Vorhandensein von Nähten über ein großes Feld kann sie reichen. In einem Applikationstest deckte eine Kamera der Modellreihe VS aus etwa 1,2 m Abstand rund 1 m Breite ab. Sobald Poren, Höhe oder Volumen gefragt sind, ist ein Profil nötig.

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