Durch die Möglichkeit der In-situ-Qualitätsüberwachung kann auf separate, im Produktionsdurchlauf nachfolgende Stationen gänzlich verzichtet werden.
Foto: Precitec

Laserschweißen

Qualitätssicherung beim Laserstrahl-Remoteschweißen

Für die Prozessüberwachung beim Laserfügen führt die Precitec-Weld-Master-Plattform die Pre-, In- und Post-Überwachung in einem System zusammen.

Zahlreiche Trends kennzeichnen den Einsatz von Lasern im Bereich des Automobils. Mit dem Einsatz hochfester Stähle, gewichtssparender Aluminiumlegierungen, innovativer Fügetechniken und ungewöhnlicher Materialmischungen sollen Fahrzeuge letztlich sicherer und effizienter werden. Dabei spielen Prozessüberwachungssysteme im Umfeld des Laserfügens eine wichtige Rolle, um sowohl die Prozessstabilität als auch die Qualität zu gewährleisten. Die Prozessüberwachung wird in Pre-, In- und Post-Überwachung unterteilt. Die Precitec-Weld-Master-Plattform führt alle verschiedenen Prozessschritte zusammen. Sowohl die Online-Nahtfindung als auch Nahtkontrolle während des Laserschweißprozesses mittels Lasertriangulation und Graubildauswertung kann mit nur einer Kamera realisiert werden.

Kombinierte Funktionen

Die Leichtbaubestrebungen wirken sich stark auf die verwendeten Materialien und Verbindungsgeometrien aus. Die Einführung von Aluminium in Kombination mit kurzen Flanschen verringerte einerseits das Gewicht, andererseits erfordert es komplexe Fügeverfahren. Heißrisse sind an dieser Stelle als größte Herausforderung zu nennen. Stand der Technik ist die Verwendung von siliziumbasiertem Zusatzdrähten zur Verringerung der Anzahl der entstehenden Heißrisse.

Durch die Kombination der Tracking-Funktionen des Precitec-Weld-Masters mit dem Scan-Tracker-Scanmodul und der Laserleistungssteuerung können neue Prozessansätze adressiert werden. Der Scan-Tracker wird verwendet, um den fokussierten Laserstrahl lateral zu oszillieren sowie mit hohen Frequenzen zu überlagern. Zusätzlich kann eine synchrone Laserleistungsmodulation appliziert werden. Als Folge wird eine präzise Leistungsverteilung in lateraler Richtung erreicht, die die Energieeinbringung in das Werkstück örtlich auflösbar macht und somit den Wärmeeintrag erheblich reduziert sowie das Zusatzwerkstück hinfällig macht.

Spaltüberbrückung

Bei Kehlnahtanwendungen kann basierend auf Lasertriangulation vor dem eigentlichen Laserprozess ein möglicher Spalt zwischen Ober- und Unterblech gemessen werden. Entsprechend werden dann Prozessparameter wie Laserleistung, laterale Lage oder auch Leistungsmodulation des Laserstrahls angepasst. Dies führt zu einer geregelten sowie robusten Spaltüberbrückbarkeit.

Qualitätsüberwachung

Die Nahtgeometrie ist ein wichtiger Indikator für die erreichte Qualität. Definierte geometrische Werte, wie beispielsweise Nahtbreite, Nahteinfall oder Nahtüberwölbung, können direkt in-situ im Nachgang zur Bearbeitung gemessen und mit Hilfe der Bildverarbeitung bewertet werden. Diese basiert ebenfalls auf der Lasertriangulation und einer Graustufenanalyse. Somit ist die Information über die Qualität des Bauteils sofort vorhanden, Teile können instantan ausgeschleusst und nachgearbeitet werden.

Beispiele für Kundennutzen

Durch die Nutzung des „Weld Masters Scan Track & Inspect“ bei der Produktion von Aluminiumtüren konnte bei Audi beispielsweise die Prozesszeit zur Schweißung der relevanten Kehlnähte um 53 % reduziert werden. Als Folge der geringeren Energieeinbringung (-47 %) und der damit verbundenen sinkenden Laserleistung wurde die CO2-Bilanz um 24 % optimiert. Laufende Kosten für beispielsweise Zusatzdraht oder Schutzgläser konnten signifikant um 95 % reduziert werden.

Durch die Möglichkeit der In-situ-Qualitätsüberwachung kann auf separate, im Produktionsdurchlauf nachfolgende Stationen gänzlich verzichtet werden. Somit wurde der Gesamtinvest durch Einsparung der separaten Qualitätsüberwachungsstationen sowie des notwendigen Zwischenpuffers ebenfalls um 24 % reduziert. Über diese Vorteile berichtete Dr. Jan-Philipp Weberpals, Teamkoordinator Laserstrahltechnologie/Sensorik in der Technologieentwicklung bei der Audi AG auf der Konferenz European Automotive Laser Applications (EALA) in de Jahren 2015 und 2016.

Mittlerweile ist der „Weld Master Scan Track & Inspect“ weltweit bei Applikationen rund um das Automobil im Serieneinsatz. Neben vielfältigen Aluminium-Applikationen ist der Weld Master auch bei Stahl- oder Mischverbindungen einsetzbar..