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

Wer eine Schweißanlage oder eine Sondermaschine baut, liefert oft auch die Prüfung der Naht mit. Der Endkunde will wissen, ob jede Naht durchgängig, lang genug und frei von Spritzern und Löchern ist, bevor das Teil weiterläuft. Für Konstrukteure, Projektleiter und Automatisierer beim Anlagenbauer und für Integratoren, die die Station aufbauen, folgt dieser Leitfaden den Fragen in der Reihenfolge, in der ein Projekt sie stellt: wo die Prüfung sitzt, was sie bewerten soll, was sie an Anlage und Nacharbeit übergibt und wie sie in Anlagen kommt, die schon im Feld stehen.

Wichtige Punkte im Überblick

Für die meisten Aufgaben steht ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 im Mittelpunkt, der laut Anwendungsleitfaden auf Höhendaten Einbrandkerben, zu dünne Nähte, Hinterschneidungen und Schweißspritzer erkennt, ohne dass Farbunregelmäßigkeiten Fehler auslösen.
Drei Prüforte kommen in den dokumentierten Anwendungen vor: in der Station, in der geschweißt wird, in einer eigenen Station oder hinter einem weiteren Prozessschritt wie einer Waschstraße.
Ins Lastenheft der Anlage gehören vier Angaben: die zu bewertenden Merkmale, die Fehlergröße, ab der ein Teil schlecht ist, die Zahl der Varianten und die Musterteile oder Fehlerbilder des Endkunden.
Ein Gut-oder-Schlecht-Signal genügt zum Ausschleusen, die Nacharbeit braucht aber die Nummer oder Position der Naht und die Qualität die Werte je Merkmal, deshalb legt der Anlagenbauer die Datenausgabe je Teil früh fest.
Wer die Nahtprüfung als Standardoption eines Anlagentyps anbietet, legt Sensorprinzip, Merkmale und Schnittstelle einmal fest und passt je Auftrag nur Varianten und Grenzwerte an.

Die Naht als Abnahmekriterium: warum die Prüfung zur Anlage gehört

Solange ein Werker oder ein Finishschweißer am Ende der Linie auf die Naht schaut, findet er Fehler erst, wenn das Teil bereits weitere Arbeitsgänge hinter sich hat. Eine Stichprobe in festen Abständen übersieht den einzelnen Fehler dazwischen. Beides ist eine Grenze der Methode, kein Versagen der Menschen, die prüfen. Deshalb taucht die Nahtprüfung in Lastenheften für neue Schweißanlagen als eigener Punkt auf, und der Anlagenbauer muss sie mit Bauraum, Takt und Steuerung einplanen.

Für die meisten Aufgaben steht dabei ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 im Mittelpunkt. Laut KEYENCE-Anwendungsleitfaden zur Schweißnahtkontrolle erkennt der Profilsensor Einbrandkerben, zu dünne Schweißnähte, Hinterschneidungen und Schweißspritzer. Er bewertet Höhendaten, nicht das Erscheinungsbild, sodass Farbunregelmäßigkeiten an der Naht keine Fehlauslösung verursachen. Das Feld reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm in X, die Z-Wiederholgenauigkeit liegt je nach Messkopf bei 0,3 bis 10 µm.

Wie der Sensor eine Naht sieht und wie er am Roboterarm geführt wird, beschreibt der veröffentlichte Artikel zur 3D-Prüfung von Kleberaupen und Schweißnähten am Roboter. Für den Anlagenbauer zählt zuerst, welche Bewegung seine Anlage ohnehin mitbringt. Eine Rundnahtanlage dreht das Teil, eine Längsnahtanlage fährt einen Vorschub, ein Rundtakttisch bewegt das Teil von Station zu Station, in der Roboterzelle bewegt sich der Brenner. Der Profilsensor nutzt eine dieser Bewegungen, um aus vielen Einzelprofilen ein Höhenbild der Naht zusammenzusetzen. Welche Prüfung zu Rundnaht, Längsnaht, Rundtakt oder Rohranlage passt, behandelt Artikel 2 dieses Themas. Hier geht es um das Modul selbst.

Prüfort: in der Schweißstation, direkt dahinter oder in einer eigenen Station

Die erste Entscheidung fällt räumlich. Drei Orte kommen in den dokumentierten Anwendungen vor.

In der Station, in der geschweißt wird. In einem Konzept für Roboterschweißzellen großer Baumaschinenteile soll die Prüfung direkt am Schweißroboter stattfinden. Als Herausforderungen nennt der Anwender Temperatur, Spritzer, Bauraum am Roboter und Taktzeit; die Nähte sind dort etwa 5 bis 10 mm breit. Der Anwendungsleitfaden beschreibt eine Lösung, bei der der Messkopf mechanisch dem Brenner folgt und die Naht zu 100 Prozent inline erfasst. Das Profil wird laut Leitfaden auch bei Funkenflug und dem Licht glühender Teile direkt nach dem Schweißen stabil erfasst. Abstand zum Brenner, Schutz des Kopfes und Kabelführung klärt der Anlagenbauer trotzdem vor der Auswahl mit dem Lieferanten.

In einer eigenen Station. Wo die Prüfung nicht im Schweißtakt laufen muss, bekommt sie eine separate Station. Ein Anlagenbauer plant für Rohrbaugruppen mit eingepressten und eingeschweißten Stopfen eine Neuanlage, die im Maschinentakt von etwa 3 s mehrere Merkmale mit mehreren Sensoren inline prüfen soll. Neben Rissen, Lunkern, Fehlstellen und einer Nahtbreite von etwa 0,16 bis 0,5 mm sollen dort auch Pressmaß und Durchmesser geprüft werden, die andere Sensoren übernehmen. Die Station wird so zum Ort, an dem mehrere Merkmale eines Teils zusammenkommen.

Nach einem weiteren Prozessschritt. Ein Konzept für geschweißte Behälter setzt die Prüfung hinter eine Waschstraße, die Schweißrückstände entfernt, damit Fehler sichtbar werden statt verdeckt (mehr dazu in Artikel 2). Wo die Naht erst nach dem Reinigen oder Schleifen ihre endgültige Oberfläche hat, gehört die Prüfung dorthin.

Wo die Anlage keine Bewegung bietet, an die sich ein Profilsensor koppeln lässt, erfasst ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 das stehende Teil in einem Feld von bis zu 640 x 640 mm. Das passt zu Vorrichtungen ohne Drehachse und ohne Vorschub, setzt aber voraus, dass das Teil für die Aufnahme stillsteht und die Naht vom Sensor aus frei sichtbar ist. Liegen Nähte auf mehreren Seiten, plant der Anlagenbauer mehrere Sensoren oder ein Wenden des Teils ein.

Nahtmerkmale ins Lastenheft der Anlage schreiben

Im Konzeptstadium stehen bei Prüfkriterien und Fehlergrößen oft noch Lücken oder der Vermerk „nach Absprache". Für den Anlagenbauer ist das ein Risiko, denn ohne festgelegte Merkmale lässt sich weder die Station auslegen noch die Abnahme vereinbaren. In den dokumentierten Anforderungen tauchen diese Merkmale auf: Schweißperlen und Spritzer, Löcher, eine nicht durchgängige oder zu kurze Naht, Überlappung, Risse und Lunker, die Nahtbreite, die Lage der Naht zu einer Kante und Anbauteile, die verkehrt herum aufgeschweißt sind.

Ins Lastenheft gehören deshalb vier Angaben: welche Merkmale bewertet werden, ab welcher Größe ein Fehler zählt, wie viele Varianten die Anlage fährt und welche Musterteile oder Fehlerbilder der Endkunde bereitstellt. Im Konzept für die Baumaschinenteile will der Endkunde Fehlerbilder und das Lastenheft selbst liefern. Grenzmuster, die vor der Auslegung klassifiziert werden, schaffen die Grundlage für eine Abnahme, über die später niemand streiten muss.

Hilfreich ist, beim Profilsensor zu wissen, dass aus demselben Scan neben den Höhendaten ein 2D-Helligkeitsbild entsteht. Merkmale, die sich nur als Kontrast zeigen, und Merkmale mit Höhe lassen sich so mit einem System bewerten. Wo zusätzlich Flächenmerkmale im Bild gesucht werden, kommt eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS infrage; sollen bis zu acht Kameras an einem Controller zusammenlaufen, eine High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G.

Zum Lastenheft gehört auch die Wirtschaftlichkeit. In einem Konzept für eine Anlage, die geschweißte Aluminiumstützen mit etwa 0,1 mm Toleranz prüfen soll, rechnete der Betreiber nach, dass sich die automatische Prüfung gegenüber der Prüfung durch Mitarbeiter lohnt. Offen war, ob ein Messkopf genügt oder zwei nötig sind. Solche Fragen sollten vor der Vergabe entschieden sein, nicht bei der Inbetriebnahme.

Vom Prüfergebnis zur Nacharbeit: was die Prüfung übergibt

Ein Gut-oder-Schlecht-Signal an die Anlagensteuerung ist das Minimum. Es entscheidet, ob ein Teil ausgeschleust wird. In den dokumentierten Konzepten reicht das selten.

Der Nachschweißer braucht den Fehlerort. Im Konzept für die Baumaschinenteile sitzt an jeder Linie ein Finishschweißer, der prüft, Spritzer beseitigt und repariert, dahinter ein Qualitygate. Ziel des Anwenders ist, dass alles automatisch gemeldet wird: Informationen aus dem Schweißprozess sollen an die Nacharbeit gehen, die Fehler möglichst an einer Zeichnung sichtbar werden. Die Daten sollen außerdem helfen, den Schweißprozess selbst zu verbessern. Als Schnittstelle zur Anlage war Profinet vorgesehen.

Die Qualitätsabteilung braucht Messwerte. Bei den Rohrbaugruppen wird heute alle 20 Minuten eine SPC-Stichprobe genommen; die neue Station soll die Werte inline für jedes Teil liefern.

Auch die dauerhafte Dokumentation kann zur Vorgabe gehören. Ein Integrator besprach den Aufbau einer Prüfanlage nach Art einer CNC-Maschine, in der vordefinierte Schweißnähte programmiert werden, mit einer High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X als Controller für die Profilsensoren. Die Kundenvorgaben verlangen, dass jede Naht dauerhaft dokumentiert und abgesichert ist. Wichtig war dem Integrator ausdrücklich der Betreuungsaufwand.

Für die Auslegung heißt das: Der Anlagenbauer legt früh fest, welche Daten die Station je Teil ausgibt. Ein Sammelsignal genügt zum Ausschleusen. Für die Nacharbeit braucht es die Nummer der Naht oder die Position entlang der Naht, für die Qualität die Werte je Merkmal und bei Bedarf das Bild des Fehlers. Je mehr davon Anlagensteuerung oder übergeordnete Systeme aufnehmen sollen, desto früher gehört es ins Lastenheft.

Bestandsanlagen nachrüsten und die Prüfung als Standardoption anbieten

Nicht jede Nahtprüfung beginnt mit einer Neuanlage. Bei einem Vorhaben, die Prüfung über den Anlagenbauer an mehreren bestehenden Schweißanlagen in mehreren Ländern nachzurüsten, wurden bei einem Besuch Testscans mit einem Messkopf des Profilsensors aufgenommen, um den Test zu dokumentieren. Der Anwender zeigte sich von der Bildqualität überzeugt. Beim Nachrüsten klärt der Anlagenbauer vor Ort, wo der Kopf Platz findet, welche Bewegung der Anlage er nutzen kann und wie das Signal in eine Steuerung kommt, die dafür nie ausgelegt war.

Der zweite Weg führt vom Projekt zum Produkt. Ein Hersteller von Anlagen für Rohr- und Profilteile aus Blech plant, seine Kamerakontrollen, zu denen das Finden der Schweißnaht innen im Rohr gehört, seinen Kunden standardisiert als Kontrolle in seinen Anlagen anzubieten; die Machbarkeit wurde ihm in einem Termin mit Testbericht gezeigt. Wer so vorgeht, legt Sensorprinzip, Merkmale und Schnittstelle einmal für den Anlagentyp fest und passt je Auftrag nur noch Varianten und Grenzwerte an. Bauraum, Halterung und Anschlüsse für den Messkopf sind dann schon in der Konstruktion vorgesehen, auch wenn ein Kunde die Option zunächst nicht wählt.

Ein Unternehmen, das seine Sondermaschinen selbst baut und eine eigene Validierung für neue Produkte und Anlagen betreibt, hat für die Erkennung einer Schweißnaht einen älteren Vision-Sensor von KEYENCE aus einer Anlage übernommen, die nicht mehr läuft. Zur Schweißnahterkennung liegt ein Testbericht vor. Auch das ist ein Weg: vorhandene Prüftechnik im eigenen Haus wiederverwenden, wenn die Aufgabe passt.

Wie die Station Nähte am Fahrzeugteil, an der Batterie, am Kunststoffteil oder am Steckverbinder misst, behandeln die Branchenthemen dieses Hubs. Die Nahtführung des Roboters und die Lage vor dem Schweißen sind eigene Aufgaben, ebenso die Einbrandtiefe im Querschliff.

Häufige Fragen

F Gehört die Nahtprüfung in die Schweißstation oder in eine eigene Station?

Das hängt von Takt, Bauraum und Oberfläche ab. In der Station folgt der Messkopf dem Brenner und erfasst die Naht sofort, muss aber mit Temperatur, Spritzern und wenig Platz am Roboter zurechtkommen. Eine eigene Station entkoppelt die Prüfung vom Schweißtakt und kann weitere Merkmale des Teils übernehmen. Muss die Naht erst gereinigt werden, sitzt die Prüfung hinter der Waschstraße.

F Welche Nahtmerkmale sollte das Lastenheft einer Schweißanlage festlegen?

Mindestens die zu bewertenden Merkmale wie Spritzer, Löcher, Unterbrechung, Nahtlänge, Nahtbreite und Lage, dazu die Fehlergröße, ab der ein Teil schlecht ist. Ebenso die Zahl der Varianten und die Musterteile oder Fehlerbilder, die der Endkunde liefert. Ohne diese Angaben lassen sich Station und Abnahme nicht belastbar planen.

F Kann der Laser-Profilsensor die Einbrandtiefe einer Schweißnaht messen?

Nicht zerstörungsfrei. Inline zeigt der Profilsensor das Nahtprofil, Einbrandkerben, zu dünne Nähte, Hinterschneidungen und Spritzer. Die Einbrandtiefe wird im Querschliff im Labor bestimmt.

F Lässt sich eine Schweißnahtprüfung in eine bestehende Anlage nachrüsten?

Ja. In einer dokumentierten Anwendung wird das über den Anlagenbauer an mehreren Bestandsanlagen vorbereitet. Testscans zeigen vorab, ob die Bildqualität reicht. Vor Ort zu klären sind Platz für den Messkopf, nutzbare Bewegung der Anlage und die Anbindung an die vorhandene Steuerung.

F Kann eine Prüfstation neben der Naht auch Maße des Teils prüfen?

Ja, das sieht ein dokumentiertes Konzept für eine Mehrsensorstation vor: Neben Rissen, Lunkern und Nahtbreite sollen dort Pressmaß und Durchmesser geprüft werden. Jedes Merkmal bekommt den Sensor, der dazu passt, die Station bündelt die Ergebnisse für die Anlagensteuerung. Das lohnt sich vor allem, wenn die Prüfung ohnehin eine eigene Station erhält.

F Braucht die 3D-Nahtprüfung in der Anlage immer einen Roboter?

Nein. Der Profilsensor kann die Bewegung nutzen, die die Anlage ohnehin hat, etwa eine Drehachse oder einen Vorschub. Wo das Teil steht, erfasst der Snapshot-Sensor ein Feld von bis zu 640 x 640 mm ohne eigene Achse. Welche Lösung zu welchem Anlagentyp passt, zeigt Artikel 2 dieses Themas.

Weiterführende Artikel

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

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