Koaxiale Nahtverfolgung
Echtzeit-Nahtverfolgung für Laser-Schweißverfahren
Das Remote-Schweißen mithilfe von Scan-Systemen ist eine bewährte Technologie bei der Herstellung von Karosserieanbauteilen und Sitzen. Bislang am weitesten verbreitet ist das Schweißen von Überlappverbindungen. Kehlnahtverbindungen, bei denen der Laserstrahl wesentlich genauer positioniert werden muss, erlauben hingegen kleinere Flanschbreiten, was Material und Gewicht spart, und bieten weitere Prozessvorteile, z.B. das Schweißen von verzinkten Blechen mit Nullspalt. Um den Anwendungsbereich des Remote-Schweißens auf Kehlnähte zu erweitern, wurde ein Scan-system mit koaxialer Sensorik zur Nahtverfolgung entwickelt und bereits erfolgreich in der Serienproduktion der BMW-Mini-Türen eingesetzt.
Das Konzept des Remote-Laserstrahl-Schweißens aus mehreren Hundert Millimetern Abstand wurde durch die modernen Multi-kW-Laser mit hoher Strahlqualität entscheidend vorangebracht und ist heute in großer Breite in der industriellen Fertigung anzutreffen. Zur genauen Führung des Laserstrahls werden dabei Scan-Optiken mit Galvanometer-getriebenen Spiegeln (x- und y-Achse) und zunehmend auch einer Linearachse (z) zur dynamischen Verschiebung der Fokuslage entlang der Strahlrichtung eingesetzt. Diese optischen Werkzeuge sind hochpräzise und können den Laserfokus innerhalb weniger Millisekunden beliebig umpositionieren. Zudem bieten sie die Möglichkeit zur simultanen Prozessbeobachtung: Hierfür wird i.d.R. ein bestimmter Wellenlängenbereich aus dem optischen Strahlengang ausgekoppelt und einem Detektor, z.B. einer Kamera oder einem Pyrometer, zur Überwachung zugeführt. Scanlab hat im Juni diesen Jahres einen Prototypen des intelliWeld II FT-Scan-Systems vorgestellt, das den Anwendern mehr Flexibilität für Schweißprozesse bietet. Dank der zusätzlichen Zoom-Achse kann der Fokusdurchmesser um den Faktor 1,5 stufenlos und hochdynamisch vergrößert werden -und zwar bei gleichbleibender Intensitätsverteilung (top-hat-Profil). Somit kann die Nahtbreite innerhalb einer Naht oder auch bei unterschiedlichen Schweißnähten auf einem oder verschiedenen Bauteilen flexibel angepasst werden. Die ideale Ergänzung zum wirtschaftlichen Einsatz sind Mehr-Achs-Roboter zur Führung der Scan-Systeme. Dadurch kann das Bearbeitungsvolumen vervielfacht werden. Durch eine Verkippung des Scanners können außerdem frei wählbare Einstrahlwinkel realisiert werden, sodass auch voluminöse Bauteile von allen Seiten zugänglich sind. Bei konventionellen Fügemethoden (z.B. Widerstandspunktschweißen) muss dagegen jede einzelne Fügestelle vom Roboter angefahren werden, was zu langen Totzeiten für Repositionierungen führt. Die Durchlaufzeit pro Bauteil kann somit drastisch reduziert werden, wenn ein Remote-Scanner synchron mit dem Führungsroboter angesteuert wird. In diesem On-the-fly-Modus bewegt der Roboter den Scanner auf einer glatten und gleichmäßigen Bahn über das Bauteil, während alle schnellen Bewegungen und Sprünge von den dynamischeren Scannerachsen ausgeführt werden (Bild 2).
Remote-Schweißen von Kehlnähten
Im stetigen Bestreben nach Gewichts- und Materialeinsparungen versuchen die Automobilhersteller u.a. auch die Flanschbreiten bei Karosseriebauteilen zu reduzieren. Die bisher weitgehend eingesetzten Überlappverbindungen sind dabei einem Kehlnahtstoß deutlich unterlegen. Darüber hinaus bieten Kehlnähte Prozessvorteile, insbesondere bei verzinkten Blechen. Beim Schweißen mit Nullspalt kann das Zink stabil ausgasen und man erhält saubere Nähte. Der zeit- und kostenintensive Arbeitsschritt der Bereitstellung eines definierten Spalts zwischen den Blechen für die Zinkausgasung entfällt. Ferner kann eine Qualitätsprüfung und -sicherung bei Kehlnähten viel direkter durch Messung der Oberflächentopografie erreicht werden. Das Schweißen von Kehlnähten erfordert aber eine robuste und genaue Detektion der Kantenlage. Bislang war dies nur mit taktilen oder triangulierenden Sensoren im Vorlauf des Schweißprozesses möglich. Bei diesen Methoden muss der Roboter die Optik jedoch in zeitraubender Weise genau entlang der Nahtkontur führen. Schnelle Drehungen oder gar Sprünge waren damit unmöglich.
Scanner mit EchtzeitNahtverfolgung
Zur Lösung dieses Dilemmas wurde auf Initiative von BMW das Remote-Schweiß-System von Scanlab samt Ansteuerung der Tochterfirma Blackbird Robotersysteme mit der Weldeye-Kameralösung der Firma Lessmüller Lasertechnik kombiniert und in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt zu einem Scan-System mit koaxialer Nahtverfolgung weiterentwickelt. Wesentliche Voraussetzung dabei war die optische Auslegung des intelliWeld-PR-Scanners, die – anders als bei konventionellen Systemen – auf einem Vorfokus-Prinzip basiert. Dabei wird der Laserstrahl nicht wie üblich durch ein F-Theta-Objektiv nach den Scanspiegeln fokussiert, sondern durch eine Optik vor den Spiegeln. Durch die hochdynamisch verschiebbaren Kollimationslinsen wird dann die Fokuslage auf jeden beliebigen Punkt x,y,z im Arbeitsvolumen des Scanners eingestellt. Dieses Design hat insbesondere für die optische Messtechnik entscheidende Vorteile. So gibt es etwa keine Abweichungen in x und y zwischen Bearbeitungs- und Beobachtungsposition. Durch die geringere Anzahl an Linsen wird außerdem die Transmission für Bearbeitungslaser und Sensorik erhöht, bei einer gleichzeitigen Reduzierung von thermischen Linseneffekten, die das Kamerabild unscharf machen könnten. Die Integration des Kamerasystems mit dem Scan-Kopf ist in Bild 3 (links) gezeigt. Beleuchtungslicht wird koaxial in den Strahlengang des Lasers eingekoppelt und trifft rund um den Bearbeitungspunkt auf das Werkstück. Nur die Anteile des Lichts, die von der Nahtkante wie von einem Katzenauge reflektiert werden, gelangen zurück in den Scan-Kopf und auf die Kamera, der Rest wird weggestreut. Im Kamerabild markiert somit eine helle Linie auf dunklem Grund die exakte Nahtlage (Bild 3b). In der ScanControlUnit von Blackbird werden die Informationen aus der Bildauswertung mit den Bahndaten des Scanners verknüpft. Bei Abweichungen zwischen der erwarteten und der detektierten Position der Naht wird die Bahn des Scanners in Echtzeit nachgeregelt.
