Stoßgeführtes Laserfügen-Laserschweißkopf mit integriertem Ringscan zur Nahtführung und Qualitätskontrolle (StolaFügen)

Problemstellung
Ausgangspunkt ist die derzeitige Problematik beim Laserfügen ohne Zusatzdraht. Es werden immer mehr
Bauteile mit 3D-Konturen und Nähten mit engen Radien gebaut. Die klassische Methode der Nahtführung
besteht im Prinzip aus einer Laseroptik und einem Nahtfürungssensor, der vorlaufend in einem
bestimmten Abstand die Stoßposition vermisst. An Stellen, wo die Naht in einem engen Radius seitlich in
eine andere Richtung abweicht, besteht die Gefahr, dass die Naht aus dem Sichtfeld des Sensors gerät.
Weiterhin kann ein rechter Winkel mit diesem Aufbau nicht ohne absetzen und umorientieren des ganzen
Roboters geschweißt werden. Probleme entstehen, wenn hohe Genauigkeiten bei der Stoßdetektion
erreicht werden sollen und dafür der Stoß mit einem sehr geringen Vorlauf abgetastet werden soll. Durch
auftretende Spritzer und das Prozessleuchten steigt die Wahrscheinlichkeit von Signalausfällen, je näher
am Schweißprozess gemessen wird. Ebenfalls wäre bei einem klassischen Aufbau für die Nahtkontrolle
ein weiterer Triangulationssensor nachlaufend notwendig, der den Aufbau noch weiter vergrößert und
nicht im Sinn einer kleinen Störkontur ist.

Vorgehensweise
Die wesentlichen Schritte in dem Projekt waren:
1. Erzeugung des Kegelmantelprofils für die Kreislinie unter Beachtung der späteren Verformung
durch die Fokussierlinse des Arbeitslasers und des großen Abstands zum Bauteil
2. Einkopplung des Kreises in den Strahlengang des Arbeitslasers
3. Design der Optik so, dass der projizierte Kreis rückwärts durch den Strahlengang des Lasers
durch die Fokussierlinse und durch die Entkopplung des Arbeitslasers und Messlasers auf einer
Matrixkamera abgebildet wird
4. Auswertung der Abbildung und Berechnung des Oberflächenprofils im Kreis um den Schweißpunkt
5. Berechnung der Soll-Position des Schweißpunkts
6. Beurteilung der Nahtoberfläche
7. Kommunikation mit dem Roboter / der Führungsmaschine

Ergebnisse und Anwendungspotential
Die Entwicklung ist neuartig. Die bestehenden Nachteile bei den derzeitigen
den Nahtführungssensoren wurden damit beseitigt: Durch einen Ringscan um den Schweißpunkt
herum sollen mindestens immer zwei Stoß-Stellen detektiert werden. Bei durchfliegenden Spritzern kann
so anhand der zweiten detektierten Stelle die Naht immer noch approximiert werden. Für den Fall des
Auftretens von sehr vielen Spritzern, wie es bei bestimmten zu schweißenden Materialien vorkommen
kann, soll die Möglichkeit der Zweikreisprojektion untersucht werden. Durch die Bestimmung mehrerer
Messpunkte vor und hinter der Fügestelle soll die Genauigkeit der Nahtführung auch bei engen Radien
des Stoßes zwischen Messpunkt und Schweißpunkt erhöht werden. Zusätzlich kann der abgetastete Stoß
hinter dem Schweißpunkt zur Nahtkontrolle verwendet werden, ohne dass ein weiterer Sensor eingesetzt
werden muss. Die Sensorik soll koaxial in der Schweißoptik integriert sein, so dass nur geringe
Auswirkungen auf die Baugröße der Laseroptik bzw. Störkontur entstehen.

• Scansonic MI GmbH