Welche Nahtprüfung in welche Schweißanlage: Rundnaht, Längsnaht, Rundtakt und Naht im Rohr

Erst die Bewegung der Anlage, dann der Sensor

Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 projiziert eine Laserlinie auf die Naht und erfasst bei jeder Aufnahme ein Höhenprofil quer zur Naht. Ein Höhenbild der ganzen Naht entsteht erst, wenn sich Teil und Sensor gegeneinander bewegen. Genau diese Bewegung bringt die Anlage oft schon mit. Auf diesen Höhendaten findet der Profilsensor nach dem KEYENCE-Anwendungsleitfaden zur Schweißnahtkontrolle Einbrandkerben, zu dünne Nähte, Hinterschneidungen und Schweißspritzer, und Farbunregelmäßigkeiten an der Naht lösen keinen Fehler aus. Je nach Messkopf deckt er in X 7,0 bis 510 mm ab, abgetastet wird mit bis zu 16 kHz.

Daraus folgt eine einfache Reihenfolge für den Konstrukteur. Zuerst klären, welche Achse sich während oder nach dem Schweißen bewegt und ob ihre Stellung als Signal verfügbar ist. Dann prüfen, ob der Fehler, den der Endkunde finden will, eine Höhe hat oder sich nur im Bild zeigt. Erst danach fällt die Wahl zwischen Profilsensor, Snapshot-Sensor und Kamera. Die robotergeführte 3D-Prüfung mit dem Sensor am Arm ist ein eigenes Thema und wird im veröffentlichten Artikel zur 3D-Prüfung von Kleberaupen und Schweißnähten am Roboter beschrieben.

Rundnaht auf der Drehachse: Gehäuse und Deckel

Bei der Rundnaht dreht die Anlage das Teil ohnehin, meist um volle 360 Grad. Der Profilsensor steht fest und sieht die Naht an sich vorbeiziehen. In einem Konzept eines Maschinenbauers für das Rundnahtschweißen von Gehäuse und Deckel kommen Durchmesser von etwa 25 bis 90 mm vor, das Teil dreht auf einer Dreheinheit, die Taktzeit liegt bei etwa 1,5 bis 2 Minuten. Als Schnittstelle ist Profinet vorgesehen. Die Prüfung der fertigen Naht auf Position, Höhe und Vollständigkeit ist dort als möglicher zweiter Schritt genannt; der erste betrifft den Spalt vor dem Schweißen, und diese Lage vor dem Schweißen ist ein eigenes Thema.

Für die Auslegung zählt vor allem der Umfang. Bei 90 mm Durchmesser sind es rechnerisch rund 280 mm Naht je Umdrehung, bei 25 mm nur knapp 80 mm. Bei gleicher Drehzahl und Abtastrate liegen die Profile auf dem kleinen Teil also enger als auf dem großen. Wer viele Durchmesser auf einer Anlage fährt, legt die Abtastung je Variante fest oder koppelt sie an die Winkelstellung der Achse. Als Alternative zum Profilsensor nennt das Konzept auch den 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000.

Behälter mit Anschlussstutzen: drehen, waschen, prüfen

Eine zweite Form der Rundnaht sitzt an geschweißten Druckbehältern, an die Anschlussstutzen für Gas und Öl angeschweißt sind, beide im MAG-Verfahren. Ein Anlagenbauer plant für solche Teile eine automatische Beladung an einer bestehenden Waschstraße. Die Waschstraße soll Schweißrückstände entfernen, danach soll die Prüfung Fehler erkennen. Das Konzept nennt eine lange Liste von Merkmalen: Schweißperlen, Löcher, eine nicht durchgängige oder zu kurze Naht, Überlappung, eine Wulst, einen verkehrt aufgeschweißten Anschluss und eine Naht, die nach unten durchgeschweißt ist und dort nicht sichtbar sein darf.

Die Teile werden gedreht, je Teil stehen etwa 5 s zur Verfügung. Die Behälter haben etwa 60 bis 175 mm Durchmesser, die Naht liegt je nach Variante in einer Höhe von 20 bis 150 mm, die Anschlüsse sind 11 bis 55 mm lang. Die große Streuung von Schalen und Anschlüssen nennt der Anlagenbauer selbst als Herausforderung. Für den Sensor heißt das: Arbeitsabstand und Feld müssen die ganze Spanne abdecken, oder die Anlage fährt den Kopf je Variante in Position. Die Einbindung eines Encoders steht im Konzept als offene Aufgabe des Anlagenbauers, ebenso Toleranzen und Genauigkeit „nach Absprache". Bilder zu speichern ist als Option notiert.

Ein Hinweis zum Merkmal Durchschweißung: Was auf der Rückseite sichtbar wird, lässt sich nur dort prüfen, wo der Sensor die Rückseite sieht. Wie tief die Naht eingebrannt ist, bleibt eine Frage für den Querschliff im Labor.

Längsnaht im Vorschub: breite Profile und geführtes Schweißen

Bei der Längsnaht bewegt sich nicht das Teil um eine Achse, sondern Brenner oder Werkstück fahren einen Vorschub. Ein Hersteller, der etwa 1,7 m breite Metallprofile im geführten Schweißen zu Platten von vielen Metern Länge verbindet, möchte direkt nach dem Schweißen prüfen, ob die etwa 20 mm breite Naht vorhanden ist und ob grobe Fehler im Millimeterbereich auftreten. Der Vorschub beträgt etwa 2 m/min, es gibt eine Profilsorte, Ziel ist, die manuelle Sichtprüfung zu ersetzen. Als Hardware sind eine Flächenkamera oder eine Zeilenkamera im Gespräch, Arbeitsabstand und Schnittstellen sind offen.

Beide Wege sind möglich, sie stellen aber unterschiedliche Anforderungen an die Anlage. Eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS nimmt einzelne Bilder auf, die sich entlang der Naht überlappen müssen. Bei 2 m/min, also rechnerisch gut 33 mm/s, und einem angenommenen Bildfeld von 60 mm in Fahrtrichtung braucht es rechnerisch spätestens alle 1,8 s eine Aufnahme, mit Überlappung entsprechend öfter. Eine Zeilenkamera an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X setzt das Bild Zeile für Zeile zusammen und wird über einen Encoder gesteuert; die Anlage muss dann ein Wegsignal des Vorschubs liefern. Sollen später auch Fehler mit Höhe bewertet werden, fährt ein Profilsensor im selben Vorschub mit.

Schweißpunkte im Rundtakt: Aufnahme zwischen zwei Takten

Auf einem Rundtakttisch bewegt sich das Teil schrittweise von Station zu Station. In einer Anforderung für die Prüfung von Schweißpunkten soll das Bild in Bewegung entstehen, zwischen zwei Takten. Als Idee steht LumiTrax mit Objektverfolgung im Raum. Bei LumiTrax nimmt die Kamera Bilder aus verschiedenen Beleuchtungsrichtungen auf und gewinnt daraus ein Formbild für Unregelmäßigkeiten und ein Texturbild. Die Anleitung der Modellreihe VS beschreibt dazu eine Verfolgung bewegter Objekte.

Offen sind in diesem Fall noch die maximale Geschwindigkeit des Tisches und die Grenzmuster, die erst nach einer Klassifizierung im Labor bereitgestellt werden sollen. Auch Vibrationen sind als Punkt notiert. Für den Anlagenbauer sind das genau die Fragen, die vor der Auslegung beantwortet sein müssen: Mit welcher Geschwindigkeit fährt das Teil am Prüfort vorbei, wie ruhig steht es dabei, und welche Grenzmuster zeigen gut und schlecht? Sollen mehrere Kameras an mehreren Stationen des Tisches zusammenlaufen, nimmt eine High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller auf.

Naht innen im Rohr: Rohr- und Profilanlagen mit vielen Varianten

Ein Hersteller von Anlagen für Rohr- und Profilteile aus Blech will in seine Anlagen mehrere Kamerafunktionen integrieren. Eine davon ist, die Schweißnaht innen zu finden und zu prüfen. Die Durchmesser liegen bei etwa 30 bis 160 mm, der Takt bei etwa 10 s, die Anlage fährt sechs Typen mit je zehn Varianten, rechnerisch also 60 Ausprägungen. Die Machbarkeit wurde in einem Termin direkt gezeigt und ein Testbericht vorgestellt.

Die Innennaht stellt andere Fragen als die Außennaht. Die Kamera muss in das Rohr hineinsehen, der Blickwinkel hängt vom Durchmesser ab, und die Beleuchtung muss die gewölbte Innenfläche ohne störende Reflexe ausleuchten. Bei 60 Ausprägungen lohnt es sich, die Prüfeinstellungen nach Typen zu ordnen und je Variante nur Lage und Grenzwerte anzupassen. Dass der Hersteller seine Kamerakontrollen als Standard seiner Anlagen anbieten will, beschreibt der Hauptartikel.

Anlagen ohne eigene Achse: Snapshot über dem stehenden Teil

Nicht jede Anlage bewegt das Teil am Prüfort. Steht es in einer Vorrichtung, fehlt die Bewegung, die ein Profilsensor braucht. Ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 nimmt dann das ruhende Teil mit einer einzigen Aufnahme auf, das Messfeld misst bis zu 640 x 640 mm.

In einem Konzept für die Schweißnahtprüfung an Dichtungsringen sollen Höhe, Position und Durchmesser mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 mm bewertet und Varianten unterschieden werden. Die Taktzeit ist dort zweitrangig, eine bessere Auflösung hat Vorrang, genannt sind 1 bis 3 s. Offen ist, ob ein Sensor genügt oder zwei nötig sind. Der Sensor würde dem Anlagenbauer beigestellt. Auch das kommt vor: Der Anlagenbauer plant Bauraum, Halterung und Anbindung für einen Sensor, den er nicht selbst beschafft.

Musterteile scannen, bevor das Anlagenkonzept steht

Welche Anlage auch immer: Die belastbarste Grundlage für die Auswahl sind gescannte Musterteile. Für einen Hersteller von Waschmaschinen wurden Musterteile für eine 3D-Nahtprüfung mit dem Profilsensor getestet, gemeinsam mit dem Anlagenbauer und dem Anwender. Der Ablauf zeigt, wer an den Tisch gehört: der Anwender mit seinen Fehlerbildern, der Anlagenbauer mit Bewegung, Takt und Bauraum und der Sensorlieferant mit dem Test.

Sinnvoll sind Musterteile mit guten Nähten und mit jedem Fehler, den der Endkunde finden will, möglichst als Grenzmuster. Getestet wird mit der Bewegung, die die Anlage später hat, also gedreht, im Vorschub oder stehend. Aus dem Testbericht ergeben sich dann Kopfwahl, Abstand und Abtastung. Wie der Teilehersteller selbst Rohre, Käfige oder Platinen ohne Roboter prüft, behandelt ein eigener Artikel des Hubs aus seiner Sicht.

Häufige Fragen

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Schweißnahtprüfung: Nahtgeometrie, Fehlstellen und Nachweis an Metall, Kunststoff und Folie in der Linie

Hauptartikel zum Thema: Schweißnahtprüfung als Modul der Schweißanlage: was Anlagenbauer in Station, Lastenheft und Steuerung einplanen