Wurde wirklich bearbeitet? Schweißnaht, Gewinde und Bearbeitungsmerkmale nachweisen

Bei der Anwesenheitsprüfung denkt man an fehlende Teile: eine Mutter, ein Ring, ein Clip. In der Metallverarbeitung tritt daneben eine zweite Fehlerklasse auf, die genauso teuer und schwerer zu fassen ist. Es fehlt kein Teil, es fehlt ein Fertigungsschritt. Die Naht wurde nicht gezogen oder brach nach der Hälfte ab, die Mutter sitzt auf der falschen Seite, die Fase wurde nicht gedreht, das Gewinde nicht geschnitten. Das Bauteil ist vollständig und erfüllt trotzdem seine Funktion nicht. Dieser Beitrag zeigt, wo 2D-Auswertungen an glänzenden Schweißkanten scheitern, wie sich Nahthöhe, Nahtlage und Überstände über ein Profil bewerten lassen und wie ein Vergleich zwischen Rohteil und Fertigteil den Bearbeitungsnachweis liefert.

Wichtige Punkte im Überblick

In der Metallverarbeitung gibt es eine eigene Fehlerklasse: Es fehlt kein Teil, sondern ein Fertigungsschritt, etwa die nicht gezogene Naht, die nicht gedrehte Fase oder das nicht geschnittene Gewinde.
An glänzenden Schweißkanten scheitern Grauwertauswertungen wiederkehrend: Ein Reflex sieht aus wie eine Nahtkuppe, ein Schatten wie eine Kerbe, und eine reine Grauwertauswertung produziert Pseudofehler.
Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 beantwortet die Nahtfragen über die Höhe: Anwesenheit, Durchgängigkeit, Lage, Kuppenhöhe, Überstände sowie Löcher und Einbrandkerben ergeben sich direkt aus dem Profil.
Der Profilabgleich zwischen Rohteil und Fertigteil weist die Bearbeitung nach und erkennt anders als eine taktile Antastung an drei Punkten auch eine nur teilweise bearbeitete Fläche.
Bei der Gewindekontrolle unterscheidet eine schräg eingekoppelte Beleuchtung mit AI-basierter Bewertung die gebohrte von der gewindegeschnittenen Bohrung, weil das System an Beispielen lernt statt eine feste Kantenschwelle zu prüfen.

Fehlender Prozessschritt statt fehlendes Teil: die eigene Fehlerklasse

Ein fehlendes Teil ist eine binäre, gut sichtbare Abweichung. Ein fehlender Prozessschritt ist es nicht. Er hinterlässt ein Bauteil, dessen Geometrie sich nur an einer Stelle und oft nur um Zehntelmillimeter von der Sollgeometrie unterscheidet.

Die Fälle aus den Anwendungsdaten wiederholen sich in wenigen Mustern. Eine Laserschweißnaht an einem Rohr oder Dämpferbauteil ist nicht durchgängig, weil der Prozess kurz aussetzte. Eine Schweißmutter sitzt auf der falschen Seite eines Stahlrahmens. Eine Kante am Drehteil ist nicht angefast, weil ein Werkzeug nicht im Eingriff war. Ein Gewinde wurde gebohrt, aber nicht geschnitten. Eine Schmiedeprägung fehlt, sodass die Charge nicht zuordenbar ist.

Diese Fehlerklasse ist von der Oberflächen- und Defektprüfung zu unterscheiden, bei der es um Kratzer, Risse, Poren oder Beschichtungsfehler auf einem korrekt gefertigten Teil geht. Die Unterscheidung hält die Prüfaufgabe klein: Wer nach dem Nachweis der Bearbeitung fragt, braucht keine Fehlerklassifizierung, sondern einen Soll-Ist-Vergleich der Geometrie an einer definierten Stelle.

Der Auslöser ist fast immer dieselbe Kette. Ein Teil ohne Naht oder ohne Gewinde geht durch, es fällt beim Kunden in der Montage auf, und die Antwort auf die Reklamation ist die Forderung nach einer 100-Prozent-Prüfung.

100-Prozent-Nahtkontrolle als Kundenforderung: was das technisch bedeutet

Die Forderung klingt einfach und hat drei technische Konsequenzen.

Erstens muss jede Naht vollständig erfasst werden, nicht ein Punkt darauf. Eine Naht ist ein Linienmerkmal, und die Fehlstelle sitzt irgendwo entlang der Linie. Das bedeutet Abtastung über die ganze Nahtlänge oder ein Bildfeld, das die Naht ganz abdeckt.

Zweitens muss die Prüfung rundum funktionieren. Bei Rohren und Drehteilen liegt die Naht auf dem Umfang, und in dokumentierten Anwendungen wird für die 360-Grad-Betrachtung das Bauteil gedreht oder per Roboter am Sensor vorbeigeführt. Am Rundtakttisch stehen dafür in der Anwendungspraxis wenige Sekunden bis etwa zwölf Sekunden zur Verfügung.

Drittens braucht die Prüfung eine belastbare Gut/Schlecht-Definition. Was eine noch zulässige Nahtform ist, legt die Fertigung über Grenzmuster fest, nicht die Messtechnik. Zu eng eingestellt liefert die Prüfung sonst Pseudofehler, zu weit eingestellt lässt sie den Fehler durch.

Die Bildfelder liegen in dokumentierten Anwendungen zwischen rund 50 mm für eine einzelne Fügestelle und etwa 700 mm für eine größere Blechkonstruktion, bei Werkstücklängen über zwei Meter. Genauigkeitsanforderungen reichen von etwa einem Zehntelmillimeter für die reine Nahtanwesenheit bis in den Hundertstelbereich, wenn eine Kerbe oder Fase bewertet wird.

Glänzende Schweißkanten und Fehlreflexionen: die Grenze der 2D-Auswertung

Eine Schweißnaht ist optisch das Gegenteil eines dankbaren Prüfobjekts. Die erstarrte Schmelze ist geriffelt und teils spiegelnd, daneben liegen Anlauffarben und blank gebürstete Bereiche, und jede Beleuchtung erzeugt darauf ein anderes Muster aus hellen und dunklen Zonen.

Für eine 2D-Auswertung auf Grauwerten ist das die schwierigste Ausgangslage. Ein Reflex sieht aus wie eine Nahtkuppe, ein Schatten wie eine Einbrandkerbe, und ein leicht gedrehtes Bauteil verändert alle Grauwerte gleichzeitig. Die Folge ist bekannt: Eine reine Grauwertauswertung erzeugt auf solchen Flächen so viele Pseudofehler, dass die Prüfung an Akzeptanz verliert. Nachgerüstete Zusatzbeleuchtungen lösen das Problem nicht dauerhaft.

Zwei Wege führen aus dieser Lage. Der erste bleibt in 2D und verändert die Lichtführung. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G arbeitet mit LumiTrax, das aus mehreren Aufnahmen unter wechselnder Beleuchtungsrichtung ein Formbild der Unregelmäßigkeiten und ein Texturbild des Oberflächenmusters erzeugt. Damit lassen sich Nahtstruktur und Lunker beurteilen, ohne dass Glanz das Ergebnis dominiert. Für die einfachere Frage, ob eine Naht, eine Mutter oder eine Prägung überhaupt vorhanden ist, genügt oft eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS oder ein AI-Vision-Sensor der Modellreihe IV4.

Der zweite Weg verlässt die Grauwerte und wertet die Höhe aus. Ihn geht man, wenn die Nahtform selbst bewertet werden soll.

Nahthöhe, Nahtlage, Löcher und Überstände über das Profil bewerten

Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 legt eine Laserlinie über die Naht und misst für jeden Punkt eine Höhe. Aus dem Profil lassen sich alle Fragen dieser Prüfaufgabe ohne Umweg über Kontrast ableiten.

Naht vorhanden: Im Profil zeigt sich eine Erhebung oder Vertiefung gegenüber dem Grundmaterial. Fehlt sie, ist das Profil flach.
Naht durchgängig: Wird die Linie entlang der Naht geführt, entsteht eine Folge von Profilen, und eine Unterbrechung fällt als Lücke in dieser Folge auf.
Nahtlage: Die Position der Nahtkuppe quer zur Fügestelle zeigt, ob die Naht mittig sitzt oder auf ein Blech verschoben ist.
Nahthöhe und Überstand: Kuppenhöhe und Nahtbreite ergeben sich als Maß aus dem Profil, ebenso ein Überstand, der beim Fügen im Weg steht.
Löcher und Einbrandkerben: Beides sind Vertiefungen und im Profil eindeutig, während sie im Grauwertbild von einem Schatten nicht zu unterscheiden sind.

Wichtig für die Auslegung ist der Dynamikbereich. Eine Naht liefert innerhalb weniger Millimeter sehr unterschiedlich starke Rückstrahlung, von der matten Anlaufzone bis zur spiegelnden Kuppe, und ein hoher Dynamikbereich verhindert, dass Teile des Profils in Sättigung oder Rauschen verschwinden.

Steht das Bauteil während der Prüfung still, etwa in einem Werkstückträger, vereinfacht ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 den Aufbau, weil er eine Fläche ohne Relativbewegung aufnimmt. Achse und Encoder entfallen, und die Prüfung passt in einen bestehenden Takt.

Rohteil gegen Fertigteil: Profilabgleich am Dreh- und Frästeil

Bei manchen Bauteilen lässt sich die Frage, ob bearbeitet wurde, nicht an einem einzelnen Merkmal beantworten, weil bearbeitete und unbearbeitete Fläche einander ähnlich sehen. Dann hilft der direkte Vergleich der Geometrie.

Das Prinzip: Das Profil eines bearbeiteten Teils unterscheidet sich vom Profil eines Rohteils, weil Material abgetragen wurde. Das Sollprofil wird einmal an einem freigegebenen Fertigteil aufgezeichnet, jedes Serienteil dagegen verglichen. Wo die Bearbeitung fehlt, weicht das Profil in Richtung Rohteilkontur ab, und auch eine nur teilweise überdrehte Fläche fällt auf.

Damit löst das Verfahren ein Problem des Status quo. Eine taktile Antastung an drei Punkten sagt nur aus, dass dort Material an der richtigen Stelle liegt. Ist eine Fläche partiell bearbeitet, treffen die drei Punkte den bearbeiteten Bereich, und das Teil gilt als gut. Ein Profil betrachtet die Fläche als Ganzes.

Für die Einführung lohnt eine Reihenfolge. Zuerst wird an Mustern festgestellt, wo der Unterschied zwischen Rohteil und Fertigteil am größten ist; dort sitzt die Messlinie. Dann wird die Toleranz aus mehreren guten Teilen abgeleitet statt aus der Zeichnung, weil Rohteilstreuung und Aufspannung mitspielen.

Ein 3D-Fertigungsmesssystem der Modellreihe XM erfasst Merkmale und Maße an bearbeiteten Teilen direkt an der Maschine, für große Bauteile und Baugruppen übernimmt ein mobiles 3D-Koordinatenmessgerät der Modellreihe WM-6000. Beide liefern die Referenz, gegen die eine Inline-Prüfung eingestellt wird.

Gewinde, Prägung und Schweißmutter: kleine Merkmale sicher nachweisen

Die kleinen Merkmale sind die undankbarsten, weil ihr Fehlen wenig Signal erzeugt.

Gewinde. Die häufigste Verwechslung ist die zwischen gebohrter und gewindegeschnittener Bohrung. Von oben unterscheiden sie sich nur durch die Flanken in der Bohrungswand, deren Sichtbarkeit stark vom Lichteinfall abhängt. Bewährt hat sich eine schräg eingekoppelte Beleuchtung zusammen mit einer AI-basierten Bewertung: Ein AI-Vision-Sensor der Modellreihe IV4 lernt an Beispielen, wie eine geschnittene Bohrung aussieht, statt eine feste Kantenschwelle zu prüfen.

Prägung und Kennzeichnung. Eine Schmiedeprägung ist ein flaches Höhenmerkmal auf rauer, dunkler Oberfläche. Im Grauwertbild ist sie kontrastarm, im Profil eindeutig, weil sie eine definierte Tiefe hat. Für die reine Anwesenheit genügt oft ein strukturbetontes 2D-Bild.

Schweißmutter und angebautes Kleinteil. Hier ist selten die Anwesenheit das Problem, sondern Variante und Position. In dokumentierten Anwendungen unterscheiden sich Varianten teils nur um wenige Millimeter Längsversatz, und eine Prüfung, die nur nach der Mutter fragt, bestätigt beide. Das Merkmal sollte deshalb gegen eine Bauteilkante referenziert werden statt gegen das Bildfeld. Bei langen Rahmen bedeutet das mehrere Kameras oder eine Kamera an einer Achse, verwaltet über die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G. Das Ergebnis geht als i.O./n.i.O. über PROFINET an die Steuerung.

Den Rahmen liefert der Beitrag "Anwesenheits- und Vollständigkeitsprüfung in der Metallverarbeitung: von der Presse bis zur Endkontrolle" im Metallverarbeitung Hub; die benachbarten Stationen behandeln "Stanz- und Pressenprozesse absichern: Einlegekontrolle, Teileauswurf und Stanzbildprüfung", "Doppelblech und Blechpaket erkennen: Lagenzahl in Umform- und Fügeprozessen absichern" und "Beschichtung, Stopfen und Abdeckungen: Vollständigkeit im Oberflächen- und Wärmeprozess prüfen".

Häufige Fragen

F Wie weist man nach, dass eine Schweißnaht vorhanden und durchgängig ist?

Über ein Höhenprofil entlang der Naht. Ein Laser-Profilsensor misst quer zur Naht für jeden Punkt eine Höhe; die Naht zeigt sich als Erhebung, eine Unterbrechung als Lücke in der Profilfolge. So sind auch Nahtlage, Kuppenhöhe, Überstände und Einbrandkerben bewertbar, unabhängig von Glanz und Anlauffarben.

F Warum erzeugen 2D-Systeme an Schweißnähten so viele Pseudofehler?

Weil die erstarrte Schmelze geriffelt und teils spiegelnd ist und daneben Anlauffarben und blanke Zonen liegen. Ein Reflex sieht dann aus wie eine Nahtkuppe, ein Schatten wie eine Kerbe. Eine reine Grauwertauswertung verliert dadurch schnell an Akzeptanz. Abhilfe schaffen Beleuchtungsverfahren wie LumiTrax oder der Wechsel auf eine Höhenauswertung.

F Wie prüft man, ob eine Fläche wirklich bearbeitet wurde?

Über einen Profilabgleich zwischen Rohteil und Fertigteil. Das Sollprofil wird an einem freigegebenen Fertigteil aufgezeichnet, jedes Serienteil dagegen verglichen, und eine fehlende Bearbeitung zeigt sich als Abweichung in Richtung Rohteilkontur. Anders als eine taktile Antastung an drei Punkten erkennt das Verfahren auch eine teilweise bearbeitete Fläche.

F Wie erkennt man, ob ein Gewinde geschnitten wurde?

Eine gebohrte und eine gewindegeschnittene Bohrung unterscheiden sich von oben nur durch die Flanken in der Bohrungswand, deren Sichtbarkeit vom Lichteinfall abhängt. Bewährt hat sich eine schräg eingekoppelte Beleuchtung mit einer AI-basierten Bewertung, die an Beispielen lernt, wie eine geschnittene Bohrung aussieht.

F Wie prüft man eine Naht rundum an einem Rohr oder Drehteil?

Durch Relativbewegung zwischen Bauteil und Sensor. In dokumentierten Anwendungen wird das Bauteil gedreht oder per Roboter beziehungsweise Cobot am Sensor vorbeigeführt, sodass die Profilfolge den vollen Umfang abdeckt. Am Rundtakttisch stehen dafür in der Anwendungspraxis wenige Sekunden bis etwa zwölf Sekunden zur Verfügung. Steht das Teil still, nimmt ein 3D Laser-Snapshot-Sensor eine Fläche ohne Bewegung auf.

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