Schweißnähte an Fahrwerk und Struktur vermessen: Breite, Höhe, Länge und Poren statt Sichtprüfung und Makroschliff

Ein Querträger für eine Anhängevorrichtung, eine Lenkungskonsole oder ein Hinterachsträger trägt nicht eine Schweißnaht, sondern viele. Geprüft werden sie heute oft vom Werker, Naht für Naht, und als Stichprobe im Makroschliff, für den das Teil aufgeschnitten wird. Dieser Beitrag richtet sich an Qualitätsplaner, Schweißaufsichten und Prozessingenieure bei Zulieferern von Fahrwerk, Sitz und Struktur und an die Anlagenbauer, die deren Prüfstationen bauen. Er beschreibt, wie aus der Sichtprüfung eine Messung wird: welche Merkmale ein Höhenprofil liefert, wie eine Station aussieht, wenn die Nähte auf mehreren Seiten liegen, und was vom Schliff bleibt. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. Es sind Anforderungen, Konzepte und Tests; eine installierte Schweißnahtprüfung von KEYENCE ist unter diesen Fällen nicht.

Wichtige Punkte im Überblick

Aus der Sichtprüfung wird eine Messung: Breite, Höhe, Länge und Poren einer Naht werden zu Messwerten, die gegen eine Grenze verglichen und gespeichert werden.
In den dokumentierten Anfragen aus Fahrwerk und Struktur liegen die Toleranzen zwischen einem Zehntel und einem halben Millimeter, eine Vorgabe, die sich mit dem Auge nicht prüfen lässt.
Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 hat für die Schweißnahtkontrolle vier Werkzeuge: Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung.
Liegen die Nähte auf mehreren Seiten, entscheidet die Mechanik der Station: Ein Roboter hält das Teil vor einen festen Sensor, mehrere Köpfe arbeiten an einer Steuerung oder ein Roboter führt den Sensor über die Naht.
Die Inline-Messung soll den Makroschliff seltener machen, nicht ersetzen, denn Einbrandtiefe und Gefüge bleiben eine Frage für den Schliff im Labor.

Nicht ob, sondern wie breit und wie hoch: die Naht als Messgröße

Ob eine Naht im Bild unterbrochen ist oder Spritzer trägt, ist eine Gut/Schlecht-Frage; sie behandelt der Beitrag zur Gut/Schlecht-Prüfung von Kleberaupe, Lötstelle und Schweißnaht in der Fahrzeugfertigung. Ob eine Naht überhaupt vorhanden ist, gehört zur Anwesenheitsprüfung. Hier geht es um die Naht als Maß.

In den Anfragen aus Fahrwerk und Struktur wird der Fehler fast immer als Größe beschrieben: Breite, Höhe und Volumen einer Kehlnaht, die Länge einer Naht, ihre Lage am Teil, Poren und Oberflächenfehler mit ihrer Ausdehnung. Die genannten Toleranzen liegen zwischen einem Zehntel und einem halben Millimeter, die Nahtmaße zwischen etwa 4 und 12 mm. Eine solche Vorgabe lässt sich mit dem Auge nicht prüfen. Sie verlangt einen Messwert je Naht, der gegen eine Grenze verglichen und gespeichert wird.

Sieben, zwölf oder knapp siebzig Nähte an einem Teil: wo Sichtprüfung und Makroschliff an ihre Grenze kommen

An einem Träger für Stoßfänger und Crashbox werden fünf Einzelteile verspannt und mit sieben Nähten verschweißt. Heute kontrolliert ein Mitarbeiter jedes Teil per Sichtprüfung; er soll entlastet werden, und die Prüfung soll sicherer werden. Bei einer Taktzeit von ein bis zwei Minuten stehen zwei Konzepte im Raum: ein kollaborierender Roboter mit einem Profilsensor oder mehrere Achsen mit mehreren Sensoren. Wie die Station genau aussehen soll, ist dort noch offen.

Eine Lenkungskonsole von etwa 200 x 300 mm trägt zwölf Nähte von 8 bis 12 mm. Geprüft werden sollen Vorhandensein, Länge, Breite und gegebenenfalls Defekte, mit einer Toleranz von 0,5 mm. Heute sieht ein Werker in drei Schichten jedes Teil an. Von einem Takt von etwa 15 s bleiben rund zehn Sekunden für die Messung; denkbar ist eine kleine Messstation, für die es einen Integrator braucht.

Am Hinterachsträger wächst die Aufgabe. Die Trägerbleche, die Achse und Karosserie verbinden, sind etwa 1,2 x 0,6 m groß und tragen knapp 70 Nähte. Der Werker kontrolliert sie, nach Vorgabe zweimal, bei einem Takt von 60 s. Offen sind dort noch Fehlerkatalog, Genauigkeitsanforderungen und Schweißnahtabmaße; unter Umständen reicht die Anwesenheit der Naht.

Der Makroschliff ist die andere Hälfte der heutigen Praxis. Ein Hersteller von Querträgern für Anhängevorrichtungen prüft Kehlnähte von 4 bis 10 mm Breite mit einer Toleranz von einem Zehntelmillimeter auf Breite, Höhe, Volumen und Vorhandensein. Bisher werden Stichproben aufgeschnitten und vermessen. Ein Schweißkontrollbericht bindet einen Mitarbeiter zwei Tage, und das Teil ist danach zerstört. Das Konzept dort: ein Messplatz, an dem das Teil eingelegt wird und ein Roboterarm einen 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 über die Nähte führt. Die bisherige Kontrolle soll bleiben, aber seltener werden.

Ähnlich beginnen zwei weitere Anfragen. Ein Integrator will bei einem Fahrzeugzulieferer mit sehr vielen Schweißrobotern die Prüfung verschiedener Nähte nachrüsten, darunter Kehlnähte, die heute zu 100 % ein Werker prüft; die erste Frage war dort, ob der Profilsensor mechanisch in die vorhandene Anlage passt. An Schwingungsdämpfern geht es um Poren in einer Schweißnaht.

Die Grenze der Sichtprüfung ist keine Frage der Sorgfalt. Das Auge liefert keine Breite und kein Volumen, und bei Dutzenden Nähten je Teil wächst der Aufwand mit jeder Naht. Der Schliff liefert genaue Maße, aber nur in der Schnittebene und nur an der Stichprobe.

Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung, Überlappung: welche Merkmale das Profil liefert

Für die Schweißnahtkontrolle beschreibt KEYENCE vier Profilwerkzeuge der Modellreihe LJ-X8000: Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung, ergänzt um allgemeine Werkzeuge für Höhe, Breite, Winkel und Abstand. Laut Leitfaden erkennt der Profilsensor damit Einbrandkerben, zu dünne Schweißnähte, Hinterschneidungen und Schweißspritzer. Ein Anwendungsleitfaden für die Schweißnahtinspektion nennt außerdem Lunker sowie Nahtdicke und Nahtlänge. Für die Radaufhängung beschreibt ein Anwendungsbeispiel die Prüfung der Schweißraupe nach dem Lichtbogenschweißen mit eigenen Schweißwerkzeugen.

Die Spezifikation setzt den Rahmen: ein X-Feld von 7,0 bis 510 mm und eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm, jeweils je nach Messkopf, bei einer Abtastung bis 16 kHz. Bei voller Abtastrate und einer Relativbewegung von 100 mm/s liegen rechnerisch etwa 6 µm zwischen zwei Profilen. Aus der Folge der Profile entsteht ein Höhenbild der Naht. Breite, Höhe und Einkerbung kommen aus dem einzelnen Profil, die Länge aus der Bewegung entlang der Naht.

Welcher Messkopf passt, hängt in den dokumentierten Anwendungen oft weniger an der Nahtbreite als an Bauraum und Arbeitsabstand. Im Nachrüstfall des Integrators war genau das die erste Prüfung. Steht das Teil still, kommt der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 in Frage, der ohne Bewegung des Messkopfs ein Feld bis 640 x 640 mm aufnimmt.

Die Einbrandtiefe gehört nicht in diese Liste. Das Profil zeigt die Oberfläche der Naht; wie tief sie eingebrannt ist, zeigt der Schliff.

Nähte auf mehreren Seiten: mehrere Messköpfe, Drehen oder das Teil vor den Sensor halten

Liegen die Nähte auf mehreren Seiten, entscheidet die Mechanik der Station über die Messung. In den dokumentierten Anwendungen tauchen drei Muster auf.

Im ersten bewegt sich das Teil vor einem festen Sensor. Für einen Isofix-Bügel sieht ein Konzept vor, dass der Werker das Teil auf ein Transportband legt und ein Roboter es vor einen ortsfesten Sensor hält. Geprüft werden sollen Schweißfehler, Höhe und Länge der Nähte, die 3D-Kontur und Orangenhaut als Beschichtungsfehler, rundum und in einem Takt von 12 s. Ein Hersteller geschweißter Metallteile für die Automobilindustrie plant eine eigene Prüfzelle mit Kamera und Profilsensor, in der ein Roboter das Teil vor die Kamera hält. Der Profilsensor soll die feinen Nähte prüfen, die Kamera mit AI die gröberen. Heute prüft dort ein Mitarbeiter einmal pro Schicht, künftig soll etwa jedes zehnte Teil in die Zelle kommen. In einem Test vor Ort ließen sich mit der AI-Erkennung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS einige Beispiele erkennen.

Im zweiten arbeiten mehrere Köpfe an einer Steuerung. Für Sitzstrukturen aus Roboterschweißzellen plant ein Integrator eine portalartige Station, in der vordefinierte Nähte programmiert werden. Die Auswertung ist dort auf der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X vorgesehen, an die Profilsensoren angeschlossen werden. Geprüft werden sollen Länge und Größe von Oberflächenfehlern.

Im dritten fährt der Sensor am Roboter die Naht ab. Wie ein Profilsensor am Roboterarm geführt und mit Encoder und mehreren Köpfen synchronisiert wird, beschreiben die veröffentlichten Beiträge zur 3D-Inline-Inspektion von Kleberaupen und Schweißnähten am Roboter und zur 3D-Profilmessung in der Roboterzelle. Der Querträger-Hersteller möchte bewusst nicht direkt am Schweißroboter messen: Bei vielen Schweißrobotern hieße das ein Sensor je Roboter, und das ist ihm zu aufwendig. Vorgesehen ist stattdessen ein zentraler Messplatz, an dem ein Roboterarm den Sensor über die eingelegten Teile führt.

Gestrahlt, beschichtet, blank: was die Oberfläche an der Naht verändert

Die Oberfläche an der Naht ist selten neutral. Die Hinterachsträger sind gestrahlt und KTL-beschichtet, wenn die Prüfung ansetzen soll; am Isofix-Bügel gehört Orangenhaut der Beschichtung selbst zu den Merkmalen. Nach dem Beschichten misst ein Profil die Oberfläche der Schicht, nicht das Schweißgut darunter. Ob die Station vor oder nach der Beschichtung sitzt, legt deshalb fest, was sie sehen kann, und gehört früh ins Lastenheft.

Blanke Nähte direkt nach dem Schweißen glänzen, gestrahlte oder lackierte Flächen werfen das Licht anders zurück. Für die Modellreihe LJ-X8000 beschreibt KEYENCE einen großen Dynamikbereich, der Unterschiede in der reflektierten Lichtmenge durch Neigung oder Glanz ausgleicht. Wie stabil das Profil auf der konkreten Oberfläche ist, zeigt ein Test am Originalteil mit Gut- und Schlechtmustern, bevor Grenzwerte festgelegt werden.

Messdaten als Nachweis und der Schliff als Stichprobe im Labor

Mit der Messung entsteht ein Datensatz je Naht. Bei den Sitzstrukturen steht es ausdrücklich in der Anforderung: Die Schweißnähte müssen dauerhaft dokumentiert und abgesichert sein. Am Hinterachsträger steht die Frage im Raum, ob nach einem Befund automatisiert nachgearbeitet wird oder ob das Vier-Augen-Prinzip bleibt; Platz für eine zusätzliche Station ist dort knapp. Wie viele Grenzwerte je Naht hinterlegt werden, folgt aus dem Fehlerkatalog, und der ist an diesem Teil noch offen.

Der Schliff verschwindet dadurch nicht. Einbrandtiefe und Gefüge bleiben eine Laborfrage, wie sie der Beitrag zur mikroskopischen Prüfung von Schweißnaht, Lötstelle, Crimp und Kleberaupe beschreibt. Im Querträger-Konzept soll die Messung inline die Zahl der Schliffe senken, nicht ersetzen. Wer die Station plant, legt deshalb fest, welche Merkmale an jedem Teil inline gemessen werden und welche als Stichprobe im Labor bleiben.

Karosserie und Aggregate: dieselbe Messung an anderen Nähten

An der Karosserie verschiebt sich die Frage zu langen Nähten und zur Dachnaht: vorhanden, Länge gegen Solllänge, Lage und Poren, an einem Teil, das sich bewegt. Die Dachnaht ist dort eine gelötete Naht und keine Schweißnaht. An Abgasanlage, Getriebe, Lenkung und Gasgenerator sind es lasergeschweißte Rundnähte. Gefragt wird nach Löchern, nach der Durchgängigkeit über den Umfang und nach Spritzern, bevor die Dichtheitsprüfung am Ende der Linie das Teil findet. Beide Bereiche haben eigene Beiträge.

Häufige Fragen

F Kann ein Profilsensor die Einbrandtiefe einer Schweißnaht messen?

Nein. Ein Profilsensor erfasst die Oberfläche der Naht, also Breite, Höhe, Einkerbungen, Überlappungen und Spritzer. Die Einbrandtiefe liegt unter dieser Oberfläche und wird im Schliff im Labor bestimmt.

F Ersetzt eine Inline-Messung den Makroschliff?

In den dokumentierten Anwendungen nicht vollständig. Das Ziel ist, jede Naht inline zu messen und die zerstörende Stichprobe seltener zu machen. Einbrandtiefe und Gefüge bleiben Fragen für den Schliff.

F Sensor am Schweißroboter oder eigene Messstation?

Das hängt an der Zahl der Roboter und am Takt. Ein Sensor je Schweißroboter vervielfacht die Zahl der Sensoren; für einen Querträger-Hersteller war das der Grund, eine eigene Station zu planen. Auch in anderen dokumentierten Anwendungen ist eine eigene Station vorgesehen, in der ein Roboter den Sensor über die Nähte führt oder das Teil vor einen festen Sensor hält.

F Welche Merkmale einer Kehlnaht lassen sich aus dem Höhenprofil bestimmen?

Für die Schweißnahtkontrolle hat der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 vier Werkzeuge: Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung. Dazu kommen Höhe, Breite, Winkel und Abstand. Länge und Lage der Naht ergeben sich aus der Folge der Profile entlang der Naht.

F Reicht es, nur die Anwesenheit der Naht zu prüfen?

Manchmal. Am Hinterachsträger mit knapp 70 Nähten reicht sie unter Umständen. Sobald eine Breite, eine Länge oder eine Toleranz gefordert ist, braucht es eine Messung; die reine Anwesenheit ist eine eigene Prüfaufgabe.

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