Schweißnahtprüfung an Metallteilen: welche Fehlerklasse Bild, Höhenprofil oder Schliff zeigt

Wer Rohre, Behälter, Blechkäfige, Platinen oder Baugruppen aus Blech schweißt, prüft die Naht oft noch mit dem Auge. Bei einem Hersteller von Großbehältern, die mit MAG- und Laserverfahren in einer wachsenden Zahl von Roboterzellen geschweißt werden, sind fast alle Prüfungen Sichtprüfungen. Ein anderer Betrieb fertigt Metallteile vom fingernagelgroßen Teil bis zu etwa 3 m und beurteilt Einfallstellen an der Nahtoberfläche heute nach Augenmaß. Über mehrere Meter Naht ist eine Sichtprüfung kaum wiederholbar, und sie hinterlässt keinen Datensatz.

Dieser Leitfaden geht vom Fehler aus, nicht vom Gerät. Für jede Fehlerklasse fragt er, ob sie sich im Bild zeigt, als Höhe im Profil oder nur im Schliff im Labor. Er richtet sich an Qualitäts- und Prozessingenieure in der Metallverarbeitung. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen: Anfragen, Konzepte und Tests, drei davon mit festgehaltenem Ergebnis.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Ausgangspunkt ist die Fehlerklasse, nicht das Gerät: Manche Fehler erkennt man am Erscheinungsbild, andere haben eine Höhe oder Tiefe, und ein dritter Teil liegt im Inneren der Naht.
In einem Test an Blechkäfigen auf Poren, Einfall, Spritzer und eine Fahne auf der Rückseite lieferten angelernte AI-Werkzeuge der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G sehr gute Ergebnisse.
Einbrandkerbe, Überhöhung oder eine zu dünne Naht sind erst im Höhenprofil eindeutig, das der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 unbeeinflusst von wechselnden Materialien oder Farben liefert.
Ein Schweißpunkt war im Test im Oberflächenprofil klar zu erkennen, über die Güte der Verbindung sagt das Profil jedoch nichts, denn die Festigkeit steht nicht auf der Oberfläche.
Einbrandtiefe, innere Poren und die Bindung zum Grundwerkstoff zeigt erst der Schliff im Labor als Stichprobe, während die Linie jedes Teil an der Oberfläche bewertet.

Pore, Spritzer, Riss, Loch: Fehlerklassen als Prüfmerkmal

In den Anfragen steht selten nur „Naht prüfen“. Gefragt wird nach Poren und Einfall, nach Spritzern neben der Naht, nach einer Fahne auf der Rückseite, nach Rissen, die erst beim Umformen aufgehen, und nach Löchern in einer dünnen Naht. Diese Klassen unterscheiden sich darin, wodurch sie definiert sind.

Manche erkennt man am Erscheinungsbild, also an Kontrast, Farbe und Form. Andere haben eine Höhe oder Tiefe: eine Einbrandkerbe, eine Überhöhung, eine zu dünne Naht. Ein dritter Teil liegt im Inneren der Naht, wo weder Kamera noch Profilsensor hinsehen. Aus dieser Einteilung folgt das Prüfprinzip, und oft braucht eine Station zwei davon.

Auch das Schweißverfahren zählt. In einem Konzept für eine Schweißabteilung mit mehreren Schweißverfahren, überwiegend an flachen Teilen, ist für jedes Verfahren ein eigenes Prüfprogramm vorgesehen, weil jedes Verfahren ein anderes Nahtbild hinterlässt. Ob eine Naht überhaupt vorhanden ist, behandelt der Beitrag zum Nachweis bearbeiteter Merkmale an Metallteilen; hier geht es darum, was an einer vorhandenen Naht fehlt.

Poren, Einfall und Spritzer: Erscheinungsfehler im Bild bewerten

Ein Hersteller von Käfigen aus Blech sucht Poren, Einfall, Spritzer und eine Fahne auf der Rückseite, aus allen Blickrichtungen. Die kleinste Pore liegt bei etwa einem Zehntel der Blechdicke, die Typenzahl geht in die Dutzende und soll weiter wachsen. Im Test mit der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G wurden AI-Werkzeuge angelernt; die Ergebnisse waren sehr gut. Die Taktzeit lag mit dem damaligen Programm bei etwa einer halben Sekunde, für die weitere Auslegung wurde mit etwa einer Sekunde gerechnet. Wie viele Kameras die Station braucht, war noch offen. Die Bildverarbeitung bindet bis zu acht Kameras an einen Controller an.

Der Katalog der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS nennt für die Metallindustrie die Erkennung von Schweißspritzern und von Lunkern. Ein weiteres Katalogbeispiel ist die Prüfung der Schweißnahtbreite bei Rohren: Ein Weichzeichner blendet dort Kanten aus, die Schleifspuren und Spritzer um die Naht erzeugen, damit die Breite stabil gemessen wird. Für flache Erhebungen auf glänzendem Blech kommt LumiTrax in Frage. Aus Bildern mit verschiedenen Beleuchtungsrichtungen entstehen ein Formbild, das Unregelmäßigkeiten zeigt, und ein Texturbild.

Bei Edelstahlgehäusen für Messumformer, die an ein Rohr geschweißt werden, ist eine Prüfung nach dem Schweißen mit AI-Segmentierung angefragt, bei etwa 10 s je Teil und einem Sichtfeld um 60 mm.

Riss, Kerbe und zu dünne Naht: wenn der Fehler eine Höhe hat

Ein Kontrastbild zeigt Kanten, aber keine Höhe. Eine Einbrandkerbe, eine Überhöhung oder eine zu schmale Raupe ist erst im Höhenprofil eindeutig. Laut Leitfaden zur Schweißnahtkontrolle erkennt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 Einbrandkerben, zu dünne Schweißnähte, Hinterschneidungen und Schweißspritzer, unbeeinflusst von wechselnden Materialien oder Farben. Aus den Profilen lassen sich zudem Risse der Raupenoberfläche, Überlappungen und das Volumen von Vertiefungen bestimmen. Das Messfeld in X reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm, die Wiederholgenauigkeit in Z von 0,3 bis 10 µm.

An einer durchlaufenden Naht mit etwa 10 bis 20 m/min sind die Nähte dünner geworden, damit stiegen die Anforderungen. Ein Test mit einem Profilsensor von KEYENCE und Encoder verlief dort erfolgreich. Hauptgrund für Reklamationen sind Löcher; ein durchgehendes Loch lässt Licht durch, deshalb liegt für diese Klasse Durchlicht nahe.

Ein Edelstahlbehälter aus zwei verschweißten Zuschnitten reißt nach dem Umformen an einer bekannten Stelle, wenn die Naht schlecht ist. Gewünscht ist ein Linienprofil, in dem der Fehler als Spitze erscheint. Ob der Bildbasierte Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX einen solchen Riss als Höhenspitze zeigt, ist zu prüfen.

Schweißpunkte und Schweißperlen: Überstand, Lage und was die Oberfläche nicht verrät

Punkt- und Buckelschweißungen werfen andere Fragen auf als eine Naht: Ist jeder Punkt da, sitzt er richtig, stimmt der Durchmesser, steht er über? An punktgeschweißten Schubladenauszügen, die danach egalisiert und beschichtet werden, muss ein Überstand ab etwa 0,1 mm gefunden werden. Im Test war der Schweißpunkt im Oberflächenprofil klar zu erkennen. Eine Aussage über die Güte der Verbindung ließ das Profil nicht zu: Die Festigkeit eines Schweißpunkts steht nicht auf seiner Oberfläche.

Ein Blechteil trägt Dutzende Schweißperlen, für die Durchmesser, Lage und Vollständigkeit mit einer Toleranz um 5/100 mm angefragt sind, bei einem Sichtfeld unter 40 mm. Ob der Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 Durchmesser und Lage solcher Perlen erfasst, ist am Musterteil zu prüfen. An Heizwendeln, deren Feder an einen Stift geschweißt ist, gilt ein Spalt ab etwa 1 mm als NIO; das Sichtfeld liegt bei etwa 20 x 15 mm. Für Lage und Anwesenheit eines Punkts im Bild kommt die All-in-One Kamera in Frage, für den Überstand das Höhenprofil.

Ohne Roboter: Drehtisch, Durchlauf und Zeilenkamera

Die meisten angefragten Stationen der Metallverarbeitung sind stationär. Bei den Schubladenauszügen sind zwei Anlagen vorgesehen, ein Rundschalttisch und eine Linearschiene, bei der durchlaufenden Naht läuft das Teil unter dem Sensor durch. Für Gitterbleche mit erhabenem Bereich ist eine Zeilenkamera angefragt, die Anomalien in und neben der Naht findet. An einer Umformmaschine für Rohre von etwa 40 bis 50 mm Durchmesser sind Lage der Naht und Wanddicke gemeinsam angefragt.

Lasergeschweißte Platinen (Tailored Blanks) sind Blechhalbzeug. Gefordert sind dort eine Zeilenkamera über rund 440 mm Breite und Fehler ab etwa 1 mm bei zwei Typen. Zeilenkameras laufen an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, die auch Profilsensoren am Controller betreibt. Ein Katalog beschreibt die Schweißnahtprüfung an Tailored Blanks mit Profilsensor, weil die unruhige Oberfläche ein Kamerabild schwer auswertbar macht.

Hält ein Roboter das Teil vor die Kamera, wie im Käfig-Test, behandelt der Beitrag zur robotergeführten Prüfstation an Metallteilen den Aufbau; den Sensor am Roboterarm beschreibt der Beitrag zur 3D-Profilmessung in der Roboterzelle.

Ein Sonderfall ist die Schweißnaht im Coil, mit der zwei Bänder verbunden sind. Sie darf nicht im Stanzteil landen. Heute markieren Betriebe die Stelle mit einem gestanzten oder gebohrten Loch oder einem Filzstiftstrich. Gefragt wird, ob sich die Naht selbst als Dickensprung oder im Bild erkennen lässt; ob ein Konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000 das auf schnell laufendem Band leistet, ist zu prüfen. Wie die Position bis zum Ausschleusen mitgeführt wird, zeigt der Beitrag zu Kante, Mitte und Vorschub auf Coil und Blech.

Inline oder im Schliff: was die Linie zeigt und wofür das Labor bleibt

Inline sieht die Prüfung die Oberfläche und ihre Geometrie: Nahtbreite, Überhöhung, Einbrandkerbe, Spritzer, Endkrater, offene Poren und Risse an der Oberfläche, Lage und Überstand von Schweißpunkten. Das gelingt am laufenden Teil und für jedes Teil. Auch Einfallstellen, die heute oft nach Augenmaß beurteilt werden, liegen an der Oberfläche und sind damit ein Fall für die Linie, im Profil als flache Vertiefung oder im Bild mit gerichteter Beleuchtung.

Was im Inneren liegt, bleibt dem Labor. Einbrandtiefe, innere Poren und die Bindung zum Grundwerkstoff zeigt erst der Schliff, also ein zerstörtes Teil als Stichprobe. Keine der hier beschriebenen Inline-Prüfungen bestimmt die Einbrandtiefe. Der Schweißpunkt an den Schubladenauszügen zeigt die Grenze: sichtbar im Profil, über die Verbindung sagt das Profil nichts.

Beides ergänzt sich. Die Linie meldet jedes auffällige Teil und liefert Daten zum Prozessverlauf, der Schliff klärt Ursachen und bestätigt Parameter. Im Labor wird der Schliff etwa mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX-X1 ausgewertet. Präparation und Messung im Querschliff beschreibt der Beitrag zur mikroskopischen Prüfung von Fügestellen.

Häufige Fragen

F Welche Schweißnahtfehler zeigt ein Kamerabild, welche ein Höhenprofil?

Im Bild erscheinen Fehler, die sich durch Kontrast, Farbe oder Form abheben, etwa Spritzer, Poren an der Oberfläche oder Einfall. Fehler mit Höhe oder Tiefe wie Einbrandkerbe, Überhöhung oder eine zu dünne Naht sind im Höhenprofil eindeutig. Viele Stationen kombinieren beides. Fehler auf der Rückseite der Naht, etwa eine Fahne, brauchen eine eigene Ansicht.

F Zeigt eine Inline-Prüfung die Einbrandtiefe einer Schweißnaht?

Nein. Einbrandtiefe, innere Poren und die Bindung zum Grundwerkstoff zeigt der Schliff im Labor. Die Inline-Prüfung bewertet jedes Teil an der Oberfläche, der Schliff bleibt die Stichprobe für das Innere.

F Lässt sich die Festigkeit eines Schweißpunkts optisch prüfen?

Nicht direkt. Ein Oberflächenprofil zeigt, ob ein Schweißpunkt da ist und wie weit er übersteht; in einem dokumentierten Test war der Punkt klar erkennbar. Über die Güte der Verbindung sagt es nichts.

F Braucht eine Schweißnahtprüfung an Metallteilen einen Roboter?

Meist nicht. In der Metallverarbeitung sind Stationen häufig an Rundschalttisch, Linearschiene oder Durchlauf, lange Teile und Platinen laufen unter einer Zeilenkamera oder einem Profilsensor durch. Ein Roboter kommt ins Spiel, wenn ein Teil aus mehreren Blickrichtungen gezeigt werden muss.

F Wie viele Prüfprogramme braucht ein Betrieb mit vielen Teiletypen?

Das hängt von Typen und Verfahren ab. In einem dokumentierten Konzept ist je Schweißverfahren ein eigenes Programm vorgesehen, weil jedes Verfahren eine andere Naht hinterlässt. Bei vielen Dutzend Teiletypen lohnt es sich, Grenzmuster je Fehlerklasse früh zu sammeln.

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