Mit Kupfer, Computer und Physik Neuer Sensor löst Problem beim Laserschweißen von verdeckten T-Stößen

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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Forscher am Fraunhofer IPK aus Berlin kennen die heikle Gratwanderung zwischen einer defekten oder guten Laserschweißverbindung bei verdeckten T-Stößen. Dieser Grat ist jetzt ein sicherer Pfad ...

Es ist ein schmales Fenster zwischen gut oder schlecht, zwischen sicher oder defekt, wenn Ingenieure mit dem Thema Laserstrahlschweißen von sogenannten verdeckten T-Stößen konfrontiert werden. Denn der Laserstrahl muss dabei millimetergenau ein sogenanntes Stegblech treffen, das sich aber unsichtbar unterhalb des Deckblechs befindet. Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) haben nun einen einfachen und auch noch günstigen Sensor entwickelt, der genau dieses Problem löst. Und das klappt auch noch „nur“ mit einer kleinen Kupferelektrode, einem Messcomputer und etwas Know-how in Sachen Physik.

Metallischer Leichtbau wird durch Laserschweißen optimiert

In Schiffswerften, im Schienenfahrzeugbau und eben überall dort, wo leichte und dennoch stabile Konstruktionen gefragt sind, kommen sogenannte Sandwich-Panels und Verstärkungsrippen zum Einsatz. Diese Bauweise ermöglicht eine signifikante Gewichtsreduktion bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Tragfähigkeit des so gefertigten Systems. Das ist eine Kombination, die in modernen Industrien und insbesondere unter dem Druck steigender Nachhaltigkeitsanforderungen zunehmend gefordert wird. Bleche werden dabei im Rahmen eines T-Stoßes angeordnet und miteinander verbunden, wobei ein senkrecht stehendes Stegblech von einem horizontal liegenden Deckblech überlagert wird. Vor allem das Laserstrahlschweißen bietet für diese Anwendung entscheidende Vorteile im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren: Geringe Wärmeeinbringung, hohe Prozessgeschwindigkeiten, exzellente Nahtqualitäten und minimaler thermischer Verzug. Diese Vorteile machen das Verfahren besonders für den modernen Leichtbau in puncto Schiffe, Schienenfahrzeugtechnik und Luftfahrt attraktiv.

Manche Situationen führen leicht zu schlechter Verschweißung

Doch nicht immer ist die Schweißoptik von der Stegblechseite aus zugänglich. Konstruktionsbedingte Einschränkungen oder bereits montierte Komponenten machen nämlich einen einseitigen Zugang häufig unmöglich. In diesen Fällen wird eine Stichnaht von oben gesetzt, bei der der Laserstrahl das Deckblech vollständig durchdringt und es schmelzmetallurgisch mit dem darunterliegenden Stegblech verbindet. Das Problem: Der Laserstrahl muss dabei aber den verdeckten Steg innerhalb eines Toleranzfensters treffen, das kaum breiter ist als das Stegblech selbst. Typische Stegbleche sind aber nur zwei bis vier Millimeter. Durch unvermeidliche Bauteiltoleranzen sowie Einspannungseffekte besteht deshalb die erhebliche Gefahr, dass der Laserstrahl das Stegblech verfehlt. Entsteht aber keine tragende Verbindung, ist der Fehler von außen nicht sichtbar, was aufwendige – teils zerstörende – Prüfverfahren erfordert, um ein solches Problem nachträglich über die Qualitätssicherung zu erkennen.

Bisherige Gegenmaßnahmen sind teuer und sehr aufwendig

Bisher begegnete man diesem Problem entweder mit aufwendigen Spannvorrichtungen, die eine präzise und reproduzierbare Bauteilpositionierung gewährleisten sollen. Auch mit einem zickzackförmig geführten Laserstrahl, der die Trefferwahrscheinlichkeit erhöht, aber Nahtqualität und erreichbare Prozessgeschwindigkeit beeinträchtigen kann, wollte man das Problem lösen. Kamerabasierte Systeme und die optische Kohärenztomographie liefern zwar gute Ergebnisse, sind aber teuer, erfordern umfangreiche Trainingsdaten und stoßen bei hohen Schweißgeschwindigkeiten an ihre Grenzen. Es bestand aus diesen Gründen ein klarer Bedarf an einer robusten, günstigen und nicht zuletzt echtzeitfähigen Überwachungsmöglichkeit, die sich unkompliziert in bestehende Produktionsumgebungen integrieren lässt.

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