Projekte

Stola-Fügen

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

Programm: KMU-innovativ: Produktionsforschung
Bekanntmachung: KMU-innovativ (bis 2015)
Wettbewerb: 02. Runde, Stichtag 15.04.2008

Kurzbeschreibung:
Im Projekts wurde ein Prototyp eines Laserschweißkopfes mit integriertem Ringscan zur Nahtführung
und Qualitätskontrolle entwickelt. Die integrierte Lasertriangulationssensorik soll einen Ringscan um den
Schweißpunkt herum legen, so dass vom Schweißpunkt aus gesehen in allen Richtungen die Umgebung
gescannt werden kann. Durch die Aufnahme der Stoßgeometrie vor und hinter dem Schweißprozess kann
der zu führende Arbeitspunkt genauer und ohne Signalausfall ausgeregelt werden. Die StoLa-Fügeoptik
wird für die Nahtführung, das Laserschweißen und die Qualitätskontrolle eingesetzt.

Projektdauer: 01.09.2008 − 31.12.2010

Projektkoordinator:
René Plewa
Scansonic MI GmbH
Telefon: +49 30 912074-722
E-Mail: rene.plewa@scansonic.de

Ansprechpartner bei PTKA:
Dipl.-Wi.-Ing. Christel Schwab
Telefon: +49 721 608-25288
E-Mail: christel.schwab@kit.edu

Detaillierte Projektbeschreibung

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.



Publikationen

Stoßgeführtes Laserfügen-Laserkopf mit integriertem Ringscan zur Nahtführung und Qualitätskontrolle
Autor: Fa. Scansonic
Verlag: Eigenverlag
Erscheinungsjahr: 2011
Beschreibung: Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Funktionsmusters eines integrierten Laserfügekopfes, der eine richtungsunabhängige Sensorik sowie eine Laserbearbeitungsoptik enthält. Der integrierte Sensor sollte vorzugsweise kreisförmig um den Schweißpunkt herum messen, die Stoßposition detektieren und Korrekturdaten an die Führungsmaschine senden. Ein Lösungsansatz war ein Ringprojektor, der einen Ringscan um den Schweißpunkt herum projiziert, so dass die Bauteiloberfläche in der Umgebung des Schweißpunktes in allen Richtungen gescannt werden kann. Die weiteren Systemkomponenten sind ein in die Schweißoptik integrierter Sensor und ein embedded System, das die Oberflächendaten in Echtzeit auswertet und Korrekturdaten an die Führungsmaschine weitergibt.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Produktion, Dienstleistung und Arbeit
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

+49 (0)721 608-25281
+49 (0)721 608-992003

info@ptka.kit.edu
Standort Dresden
PTKA

Ansprechpartner

Sekretariat Karlsruhe

Susanne Zbornik

+49 (0)721 608-25281
susanne.zbornik@kit.edu

Sekretariat Standort Dresden

Heike Blumentritt

+49 (0)721 608-31435
heike.blumentritt@kit.edu