SB_14.960NLP

2008
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einsatz von Wirbelstromtechnik
zur Nahtverfolgung
beim Laserstrahlschweißen
von Nullspalten

Einsatz von Wirbelstromtechnik
zur Nahtverfolgung beim
Laserstrahlschweißen
von Nullspalten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 14.960 N
DVS-Nr.: 06.062
Leibniz Universität Hannover Institut
für Werkstoffkunde
Laser Zentrum Hannover e.V.
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 14.960 N / DVS-Nr.: 06.062 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2008 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 130
Bestell-Nr.: 170239
ISBN: 978-3-96870-129-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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i
Inhaltsverzeichnis
1 Forschungsthema..................................................................................................... 1
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ........................... 1
2.1 Anlass für den Forschungsantrag...................................................................... 1
2.2 Beschreibung der Ausgangssituation ................................................................ 1
2.3 Stand der Technik vor Projektbeginn ................................................................ 2
3 Forschungsziel / Ergebnisse .................................................................................... 3
3.1 Forschungsziel .................................................................................................. 3
4 Ergebnisse IW .......................................................................................................... 3
4.1 Grundlagen der Wirbelstromprüftechnik............................................................ 3
4.2 Entwicklung von Wirbelstromsensoren.............................................................. 5
4.3 Untersuchung und Optimierung von Wirbelstromsensoren ............................... 7
4.4 Variation der Sensorgeometrie.......................................................................... 8
4.5 Variation der Prüffrequenz .............................................................................. 10
4.6 Untersuchung von Störgrößen ........................................................................ 13
4.6.1 Untersuchung und Einfluss des Abstandseffektes ................................... 14
4.7 Untersuchung und Einfluss des Kanteneffektes.............................................. 16
4.8 Untersuchung und Einfluss von Magnetfeldern............................................... 18
4.9 Konzeption der Signalanalysetechnik.............................................................. 20
4.10 Systeminitialisierung........................................................................................ 21
4.11 Spaltverfolgung ............................................................................................... 22
4.12 Aufbau Mustersensor und -auswerteeinheit .................................................... 23
5 Ergebnisse LZH...................................................................................................... 27
5.1 Lösungsansätze und Varianten des Sensornachführungssystems ................. 27
5.2 Lösungsansatz 1: Rotationsmotor mit großer Hohlwelle ................................. 28
5.3 Lösungsansatz 2: Rotatorische Nachführung über Getriebe........................... 29
5.4 Lösungsansatz 3: Linearachsnachführung...................................................... 30
5.5 Konstruktion der Sensornachführung nach Lösungsansatz 2 ......................... 31
5.5.1 Konstruktion der Sensorhalterung............................................................ 35
5.6 Steuerung........................................................................................................ 37
5.7 Ansteuerung der Dreheinheit .......................................................................... 37
5.8 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)................................................... 40

ii
5.8.1 Programmieren der Bewegung unter EASY – SOFT 6 – Pro................... 40
5.9 Ansteuerung der programmierbaren Fokussieroptik (PFO)............................. 42
5.9.1 Lösungsansatz 1: CAN – Bus – Schnittstelle ........................................... 42
5.9.2 Lösungsansatz 2: Schnittstelle PFO – Extern – E/As............................... 42
5.10 Erweiterung der Steuerung zur PFO – Ansteuerung ....................................... 43
5.10.1 Berechnung der Steuerspannung ............................................................ 44
5.11 Versuchsaufbau .............................................................................................. 47
5.12 Erprobung ....................................................................................................... 48
5.13 Ergebnis der Inbetriebnahme .......................................................................... 49
5.14 Konstruktion der Sensornachführung nach Lösungsansatz 3 ......................... 49
5.15 Ansteuerung der Linearachse und des Scanners ........................................... 52
5.16 Programmierung der SPS ............................................................................... 53
5.17 Ergebnis der Inbetriebnahme des Systems nach Lösungsansatz 3................ 57
5.17.1 Schweißergebnisse mittels Sensorsystem............................................... 57
5.17.2 Untersuchungen zur Verschmutzungsanfälligkeit des Sensorsystems .... 61
5.17.3 Untersuchungen zur Auswirkung von magnetischen Spannvorrichtungen
auf das Messergebnis .............................................................................. 62
5.17.4 Untersuchungen zur Schweißspaltfindung mittels Wirbelstrom am
Realbauteil ABS-Polrad............................................................................ 63
5.17.5 Schweißversuche am Realbauteil nichtlineares Tailored Blank ............... 64
6 Zusammenfassung/ Ausblick.................................................................................. 65
7 Danksagung ........................................................................................................... 68
8 Forschungsstellen .................................................................................................. 68
8.1 Durchführende Forschungsstelle 1.................................................................. 68
8.2 Durchführende Forschungsstelle 2.................................................................. 69

Einsatz von Wirbelstromtechnik zur Nahtverfolgung beim Laserstrahlschweißen von Nullspaltfugen Seite 1
1 Forschungsthema
Einsatz von Wirbelstromtechnik zur Nahtverfolgung beim Laserstrahlschweißen von
Nullspaltfugen.
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
2.1 Anlass für den Forschungsantrag
Beim Laserstrahlschweißen von dünnen Blechen und Bauteilen im Stumpfstoß mit stetigem
Nahtverlauf werden hohe Anforderungen an die Positionierung des Bearbeitungskopfes
gestellt. Um den Programmier- und Einrichtungsaufwand des Handhabungssystems
zu verringern und größere Bauteil- und Lagetoleranzen zulassen zu können, werden
Nahtverfolgungssysteme eingesetzt, die eine hohe Prozesssicherheit des Verfahrens
und Qualität der erzeugten Laserstrahlschweißnähte gewährleisten. Bestehende,
industriell zum Einsatz kommende Nahtverfolgungssysteme sind zum einen sehr kostenintensiv
und stoßen zum anderen aufgrund ihrer physikalischen Wirkprinzipien an
anwendungs- und verfahrensbedingte Grenzen.
Bei Herstellern als auch bei Anwendern von Laserschweißanlagen existierende Problemstellungen
resultieren im Bereich der Nahtverfolgung aus hohen Prozessgeschwindigkeiten,
geringen Spaltbreiten, möglichen Nullspalten, gleichen Blechdicken ohne
Kantenversatz, Tailored Blanks mit Dickensprüngen unterhalb von 0,2mm sowie stark
ähnlichen Reflexions- oder zu starken Absorptionseigenschaften der Werkstückoberflächen.
2.2 Beschreibung der Ausgangssituation
Das Laserstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen hat bereits breiten Einzug in
die industrielle Fertigung gefunden. Beim Laserstrahlschweißen von dünnen Blechen im
Stumpfstoß muss der Laserstrahl sehr präzise zum Fügespalt ausgerichtet werden
(

Einsatz von Wirbelstromtechnik zur Nahtverfolgung beim Laserstrahlschweißen von Nullspaltfugen Seite 2
gen Spaltbreiten o.ä. optisch oder taktil schwer detektierbar sind, derzeit keine geeigneten
Nahtverfolgungssysteme.
2.3 Stand der Technik vor Projektbeginn
Erste Ergebnisse bezüglich der Schweißfugenvermessung sowie -verfolgung mittels
elektromagnetischer Prüftechniken wurden bereits veröffentlicht. Dabei wurden niederfrequent
arbeitende, elektromagnetische Jochsensoren zum Finden geradliniger Fugen
beim Lichtbogenschweißen dickwandiger, ferromagnetischer Bleche für geringe
Schweißgeschwindigkeiten von 0,5m/min (für das Laserstrahlschweißen jedoch zu langsam)
erfolgreich eingesetzt. Eine hohe Messgenauigkeit von ±0,1mm konnte bei konstantem
Abstand des Sensors zur Blechoberfläche unter Vermeidung von Kantenversätzen
realisiert werden. Diese Störgrößen lassen sich in der Praxis oft nicht vermeiden.
Höherfrequente Wirbelstromprüfungen mit Differenzsonden zur Nahtverfolgung beim
MIG-Schweißen von Stahlblechen für die Automobilindustrie wurden bereits durchgeführt.
Die für diese Anwendung als ausreichend einzustufende Messgenauigkeit von
±0,5mm ist für den angestrebten Einsatz beim Laserstrahlschweißen ungenügend. Jedoch
zeigen sowohl diese als auch Untersuchungen beim Laserstrahl-
Längsnahtschweißen von Rohren erarbeiteten Ergebnisse das in der Wirbelstromtechnik
befindliche, bisher jedoch nur ansatzweise genutzte Potenzial für die präzise Nahtverfolgung
beim Laserstrahlschweißen von Stumpfstößen auf.
Um den Einfluss von Abstandsänderungen, Kantenversätzen oder Oberflächenbeschichtungen
der zu detektierenden Werkstoffe abschätzen zu können, wurden erste
Versuche am LZH / IW mit unbeschichteten und verzinkten Stahlblechen vorgenommen
[1-5].

Einsatz von Wirbelstromtechnik zur Nahtverfolgung beim Laserstrahlschweißen von Nullspaltfugen Seite 3
3 Forschungsziel / Ergebnisse
3.1 Forschungsziel
Ziel dieses Vorhabens war die Bereitstellung eines Verfahrens zur Nahtverfolgung und
Bahnkorrektur beim Laserstrahlschweißen von Nullspalten basierend auf dem berührungslos
wirkenden Wirbelstromprinzip. Es sollte ein eigenständiges (autarkes) Nahtverfolgungssystem
entwickelt, aufgebaut und erprobt, sowie der industrielle Einsatz unter
relevanten Prozessbedingungen in einer Laserschweißanlage demonstriert werden.
4 Ergebnisse IW
4.1 Grundlagen der Wirbelstromprüftechnik
Grundlage der Wirbelstromprüfung ist allgemein die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften
des Systems „Spule – Werkstoff“ in Abhängigkeit induzierter magnetischer
Wechselfelder. Die Prüfanordnung mit einem Wirbelstromsensor in T-Anordnung ist in
Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Wirbelstrom-Differenzsensor in T-Anordnung