FOKUS: LASERSCHWEISSEN

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Laserschweißen kombiniert mit WirbelstromtechnikNeue Technik zur Prozesskontrolle beim Fügen von Nullspaltfugen

Das Fügen von Blechteilen erfordert heute eine hohe Präzision. Die genaue Po-sitionierung von Fügepartnern und Laser-fokus bestimmen Kosten und Geschwin-digkeit bei vielen Verfahren. Beim Nullspaltfügen bietet ein Wirbelstrom-sensor die Möglichkeit, schnell, robust und präzise die Lage des Spalts zu bestim-men. Damit lässt sich der Laserfokus effi-zient und in fast beliebigen Konturen über dem Werkstück positionieren.

Die gestiegene Auswahl an Stahllegie-rungen, sowohl im Bereich der weichen Stähle, als auch im Bereich der höher- und höchstfesten Stähle, hat zur Entwicklung von belastungsangepassten Produkten und vor allem von Halbzeugen geführt. Der be-kannteste Vertreter dieser Produkte sind so genannte Tailored Blanks. Diese maßge-schneiderten Blechplatinen finden Einsatz im Karosseriebau. Hierfür wird eine ebene Blechplatine aus artgleichen Werkstoffen unterschiedlichen Materialdicken und Fe-stigkeiten gefügt und anschließend in einem Umformprozess in die gewünschte Struktur gebracht. Werkstoffkombinationen, die sich durch Festigkeitskennwerte jedoch nicht

durch Materialdicken unterscheiden, weisen in der Fügezone häufig einen technischen Nullspalt auf, da sie nicht über ein geome-trisches Merkmal wie einen Dickensprung oder ähnliches verfügen.

Beim Laserstrahlschweißen können durch den Einsatz von Sensoren die Nahtfehler minimiert werden. Damit die Nahtqualität stimmt, muss der Laserstrahl dem Fügespalt präzise folgen. Sensoren für die Nahtverfol-gung beobachten im Verlauf der Schweiß-bahn den Fügespalt und überwachen die Position des Laserstrahls entweder taktil oder berührungslos. Weicht der Fügespalt vom programmierten Weg ab, so nimmt

der Sensor den Istwert auf und korrigiert die Position des Laserstrahls.

Um eine umfassende Überwachung der Naht zu erreichen, werden mehrere Sen-soren eingesetzt. Man unterscheidet in Pre-Sensorik, In-Sensorik und Post-Sensorik. Die Pre-Sensorik umfasst Sensoren, die Mess-werte vor der Bearbeitungsstelle aufnehmen. Sie übernimmt die Funktion der Nahtver-folgung, positioniert und regelt die Zufuhr eines eventuellen Zusatzwerkstoffes. Die In-Sensorik ist während des Schweiß vorgangs aktiv. Sie überwacht den Dampfkanal und das Schmelzbad. Die Post-Sensorik prüft das Ergebnis nach dem Schweißen (erstarrte

OLIVER MEIERDr. Oliver Meier arbeitet am Laser Zentrum Han-nover seit Ende seines Studiums an der Leibniz Universität Hannover im Jahr 2001. Im Jahr 2004 übernahm er die Leitung der Fach-gruppe Fügetechnik. Ein Jahr später wurde er zum Leiter der Abteilung Werkstoff- und Prozesstechnik.

DIE AUTOREN

PETER KALLAGEDipl.-Ing. Peter Kallage studierte an der Leibniz Universität Hannover Maschinenbau. Seit 2005 ist er Mitarbeiter der Fachgruppe Fü-getechnik und übernahm 2007 die Leitung dieser Gruppe. Zu seinen Forschungsschwer-punkten gehören Laser-Hybridverfahren zur Grobblechbearbeitung.

CHRISTIAN VON DER HAARDipl.-Ing. Christian von der Haar ist Mitarbeiter der Fachgruppe Füge-technik seit 2006. Er stu-dierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover von 2002 bis 2006. Schwerpunkte seiner Forschungsaktivitäten sind neben der Wirbelstromtechnik zur Spaltdetektion das Fügen von Stahl-Aluminium-Mischverbin-dungen.

●●Laser Zentrum Hannover e.V.

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Hohlwelle SchrittmotorBefestigungsplatte

Sensorhalterung Laserstrahl

ABBILDUNG 1: Sensornachführung mit Schrittmotor und Sensorhalterung

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36 LTJ März 2008 Nr. 2 © 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Schweißnaht). Sie prüft, ob die Naht den Qualitätsanforderungen entspricht oder nicht und kann so Ausschussteile erkennen.

Technische Herausforderung beim Schweißen von Nullspaltfugen

In der Fertigung von Blechhalbzeugen, ge-rade in der Herstellung von Platinen für Tai-lored Blanks, wird häufig ein Nullspalt in der Fügezone bevorzugt. Dieser Nullspalt hat den Vorteil, dass er keines Zusatzwerkstoffes bedarf, um eine kerbfreie Fügeverbindung ohne Nahteinfall zu erzeugen. Kerben kön-nen beim Überbrücken von Spalten entste-hen und stellen eine Schwächung der Platine dar, die an dieser Stelle einen reduzierten tragfähigen Querschnitt hat.

Im Gegensatz zu Stumpfstößen mit Ma-terialdickensprung oder Überlappstößen verfügt der Nullspalt per Definition über kein geometrisches Merkmal, an dem sich ein optisches oder taktiles Nahtführungssystem ausrichten kann. Es bedarf also einer aufwen-digen Spanntechnik und einer zeitintensiven Programmierung der Schweißbahn an der Laserstrahlschweißanlage, welche mit einem höheren Kapitaleinsatz verbunden ist. Um für diesen Einsatz eine geeignete Sensorik bereitzustellen, wurde am Institut für Werk-stoffkunde der Leibniz Universität Hannover in Zusammenarbeit mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. ein Wirbelstromsensor entwi-ckelt, der zur Nahtverfolgung beim Laser-strahlschweißen eingesetzt werden soll.

Prinzip der Wirbelstromtechnik

Wirbelstromsensoren sind für die berüh-rungslose und zerstörungsfreie Fehlstel-lenprüfung von leitfähigen Materialien konzipiert. Der große Vorteil der Wirbel-stromsensoren liegt in der kleinen Bauform und der berührungslosen Messmethode. Der Sensor wird hierfür im Arbeitsabstand über das zu prüfende Bauteil gehalten und induziert einen Wirbelstrom im Bauteil. Mit Hilfe einer zweiten Spule, die ebenfalls in den Sensor integriert ist, kann das erzeugte

Feld detektiert werden. Bei einer Ände-rung der Permeabilität wird eine Änderung des Stromes in der zweiten Spule (um 90° zur ersten verdreht) festgestellt. Mit ande-ren Worten: Ändert sich die magnetische Beschaffenheit des Werkstückes (Perme-abilität) so ändert sich das detektierte Ma-gnetfeld. Das detektierte Signal wird mit einer geeigneten Software aufbereitet und ergibt einen charakteristischen Verlauf. Die Mitte des Nullspalts erkennt man am Null-durchgang des Messsignals. Mit Hilfe dieses Signals kann eine Abweichung der Position des Nullspaltes festgestellt und die Bahn des Schweißkopfes angepasst werden.

Diese Technik wird bereits zur zerstö-rungsfreien Prüfung von Bauteilen verwen-det, Fehlstellen wie Lunker oder Poren lassen sich damit detektieren. Zudem erwies sich diese Technik als äußerst störungsunemp-findlich z. B. gegen Öl, Schmutz, Wasser oder elektromagnetische Felder.

Für die spezielle Anwendung bei der Nullspaltdetektion kann dieser Sensor ange-passt werden. Der Sensor ist in der Lage, den Spalt durch die Änderung der Permeabilität zu detektieren. Die Änderung entsteht in diesem Fall durch die Luftschicht zwischen den Stoßkanten, die eine Behinderung im Stromfluss gegenüber dem Fluss im Bauteil darstellt. Das Sensorsignal beim Überfah-ren des Nullspaltes ist punktsymmetrisch zur Mitte des Nullspaltes (Siehe Abb. 2). Im Bereich des Nulldurchgangs stellt sich ein li-nearer Signalverlauf ein, der über eine hohe Empfindlichkeit verfügt. Mit diesem Signal kann eine Detektion des Spaltes im Bereich von +/– 2 mm um die Spaltmitte erfolgen.

Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)Hannover

Seit mittlerweile über 20 Jahren forscht, entwickelt und berät das Laser Zentrum Hannover e.V. in den Bereichen Lasertech-nik, Optik und Photonik. Durch interdis-ziplinäre Kooperation setzt das LZH hohe Qualitätsstandards und spielt regional, na-tional und international in der ersten Liga der unabhängigen Forschungsinstitute. Über 250 Mitarbeiter und Wissenschaftler aus ca. 30 Ländern sind im Institut in der Biophotonik bis zur Laserentwicklung, in der Nanotechnologie bis zur Werkstoff-kunde, in der Fertigungsorganisation bis zur Medizintechnik tätig. Gefördert durch nationale und internationale Dritt-mittelgeber engagiert sich das LZH in der Grundlagenforschung sowie in der an-wendungsorientierten Forschung.

Hervorzuheben sind hier insbesondere die Arbeitsgemeinschaft industrieller For-schungsvereinigungen (AiF), das Bundes-ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Deutsche Forschungsge-meinschaft (DFG).Im Auftrag kleiner, mittlerer und großer Unternehmen aus den unterschiedlichsten Branchen führt das LZH industrieorien-tierte Projekte durch. Die Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen ist ein wichtiges Ziel des LZH und Technologie-transfer wird groß geschrieben, damit Forschungsergebnisse zeitnah in die prak-tischen Anwendungen der Industrie ein-fließen und umgesetzt werden.

DAS INSTITUT

ABBILDUNG 2: Prinzipieller Verlauf des Wirbelstromsensorsignals (Quelle: Insti tut für Werkstoffkunde der LU Hannover)

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Lösungsansatz mit WirbelstromtechnikDer Wirbelstromsensor soll dem Laserstrahl vorlaufend die Spaltposition detektieren, wobei eine exakte Nachführung des Sensors auf die Spaltmitte gewährleistet sein muss. Um ein möglichst weites Anwendungsfeld zu ermöglichen, soll der Sensor 360° um den Brennfleck des Lasers verdrehbar sein. Diese Anordnung ermöglicht die Spaltdetektion auch an einer Kreisbahn, wobei allerdings ein Mindestwert für den Radius gegeben ist. Dieser Mindestwert ergibt sich aus dem Sensorabstand zum Brennfleck und aus der Vorschubgeschwindigkeit.

Das Positioniersystem benötigt die Vor-gabe von Stützstellen, um die grobe Naht-geometrie abfahren zu können. Die Fein-positionierung erfolgt durch einen Scanner, der mit den Bahnabweichungen angesteu-ert wird, die vom Wirbelstromsensor detek-tiert wurden. Es ist wichtig, dass der Sensor im Bereich von 2 mm links bzw. rechts über der Spaltmitte gehalten wird, da ansonsten keine Signaldetektion möglich ist. Hierfür wurde eine Sensornachführung mit einer Hohlwelle entwickelt, die die Positionie-rung des Sensors rotationssymmetrisch zum Brennfleck ermöglicht. Die Nachführung er-folgt über einen Schrittmotor und wird über

einen Zahnriemen auf die Hohlwelle über-tragen. Durch die unterschiedlichen Durch-messer der Zahnriemenscheiben konnte das Auflösungsverhältnis der Sensornachfüh-rung im Vergleich zum Schrittmotor noch erhöht werden.

Um dem Bedarf der Industrie gerecht zu werden, werden Sensorik und Aktorik als au-tarkes System ausgelegt. So kann das System von einem Anlagentyp auf den nächsten übertragen werden ohne in die Steuerung eingreifen zu müssen.

Um eine schnelle Regelung zu ermög-lichen, das System aber gleichzeitig be-dienerfreundlich zu gestalten, wurde die Steuerung mit Hilfe einer SPS umgesetzt. Die Programmierung der SPS gestaltet sich wesentlich bedienerfreundlicher als alterna-tive Varianten.

Integration in den Bearbeitungskopf

Für die Schnittstellenkonfiguration wurde eine programmierbare Fokussieroptik (Siehe Infokasten PFO) der Firma Trumpf ausgewählt. Die PFO erlaubt das Ablenken des Brennflecks in X- und Y-Richtung und ist somit in der Lage, die Feinpositionierung des Brennflecks durchzuführen. Durch eine

analoge Ansteuerung der einzelnen Spiegel ist es möglich, die Lageabweichung des Fü-gespaltes mit einem analogen Ausgangssi-gnal der SPS an die PFO weiterzugeben und somit die Bahnkorrektur vorzunehmen. Das Bearbeitungsfeld wird durch den Durchmes-ser der Hohlwelle begrenzt und beträgt in X- wie in Y-Richtung 60mm.

Ausblick

Ausgehend von dem hier vorgestellten System sollen weitere Anwendungen er-schlossen werden. Beispielsweise soll für das Rohrlängsnahtschweißen ein System aufgebaut werden, das den Sensor mit ei-ner Linearachse in der Position über dem Fügespalt führt. Aus dem Verfahrweg der Linearachse wird dann die Spaltlage de-tektiert und als Stellsignal zeitverzögert auf einen 1-Achsscanner gegeben. Hierdurch wird ein einfaches System entstehen, dass die Schweißverbindung beim Rohrlängs-nahtschweißen verbessern kann. Das Sys-tem soll in bestehende Anlagen integriert werden können, da der Abstand zwischen Sensor und Fügestelle variabel sein wird. Bei einer Veränderung des Abstandes oder der Vorschubgeschwindigkeit muss lediglich die Verzögerungszeit im Programmablauf ange-passt werden.

In der weiteren Projektlaufzeit sollen Untersuchungen durchgeführt werden, die systematisch die Grenzen des Systems austesten sollen, um den Einsatzbereich der Sensornachführung festzulegen. Bei diesen Untersuchungen sollen außerdem Optimie-rungsmöglichkeiten des Systems verifiziert werden.

Der AiF und dem DVS sei an dieser Stelle für die Förderung des Forschungsvorhabens 14.960N/6.062 gedankt.

Der durch eine Lichtwellenleiter (LWL) zur Scanneroptik geführte Laserstrahl wird mit zwei beweglichen Spiegeln deren Dreh-achsen rechtwinklig zueinander stehen in x- und y-Richtung positioniert. Der ausge-lenkte Strahl wird durch ein Objektiv fokus-siert. Das ermöglicht eine Positionierung des Fokus in jeden beliebigen Punkt des Arbeitsfeldes (Abb 3).

In dem elliptischen Arbeitsfeld wird der Fokus mit Planfeldobjektiven in eine Ebene projiziert. Das Arbeitsfeld vergrößert sich, wenn die Brennweite und der Durch-messer des Objektivs vergrößert werden. Dieses System arbeitet im zweidimensio-nalen Bereich.

Ein großer Vorteil der Scanneroptiken ist eine sehr schnelle Positionierung des Laserstrahls. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass nur kleine, leichte Spiegel und nicht ganze Optik- und Bewegungs-einheiten verfahren werden müssen. Durch kleine Drehungen der Spiegel kön-nen große Bewegungen im Arbeitsfeld er-zielt werden.

PFO – PROGRAMMIERBARE FOKUSSIEROPTIK

ABBILDUNG 3: Prinzipdarstellung der programmierbaren Fokussieroptik (PFO). Quelle: Trumpf