Bergmann & Steffen Auf Messers Schneide? Immer haarscharf an der Kante entlang!

Autor / Redakteur: Uwe Bergmann / M.A. Frauke Finus

Kann man Altbewährtes noch toppen? Man kann! Schweißen ist in der Blechbearbeitung nicht wegzudenken – einen neuen Entwicklungsschritt bedeutet nun das Laser-Remote-Schweißen von Stirnkehlnähten mit optischer Nahtführung. Hier können die Vorteile des Laser-Remote-Schweißens wie Schnelligkeit und Flexibiliät mit den gestiegenen Genauigkeitsanforderungen vereint werden.

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Laser-Remote-Schweißen von Pkw-Dachbauteilen im Laserzentrum von Bergmann & Steffen.
Laser-Remote-Schweißen von Pkw-Dachbauteilen im Laserzentrum von Bergmann & Steffen.
(Bild: Bergmann & Steffen)

Das Laser-Remote-Schweißen oder auch Laser-Scanner-Schweißen ist seit einigen Jahren im Automobilbau etabliert. Die Anzahl der Anwendungen steigt stetig. Bislang wurden mit diesem Schweißverfahren überwiegend Überlappverbindungen hergestellt und das Remote-Schweißen eingesetzt um ursprünglich widerstands-punktgeschweißte Anwendungen zu substituieren. Typische Beispiele hierfür sind Automobil-Baugruppen wie Pkw-Hintersitzlehnen. Diese werden seit dem Jahr 2002 in der Serienproduktion mit Remote-Schweißtechnik gefertigt. Heute werden fast alle Volumenmodelle mittels Laserschweißtechnik gefertigt.

Im Rahmen der Neuentwicklung von Pkw-Baugruppen spielen zunehmend Themen wie Leichtbau, Korrosionseigenschaften, Energieeffizienz, Designfreiheit und die Verwendung von hochfesten Werkstoffen eine Rolle. Aufgrund dieser neuen Anforderungen werden zunehmend andere Schweißnahtformen als der etablierte Überlappstoß erforderlich. Das sind zum Beispiel Stumpfstossverbindungen oder Kehlnähte. Diese Schweißnahtformen konnten bislang mit robotergeführten Schweißscannern, insbesondere bei „Welding-on-the-fly“-Anwendungen, nicht prozesssicher hergestellt werden, da sich verschiedene Ungenauigkeiten, wie Roboterbahn, Bauteilkante und Spannwerkzeug aufaddieren.

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Die ideale Schweißnahtlage sicher erreichen

Als sich abzeichnete, dass zukünftig vermehrt lasergeschweißte Kehlnähte beziehungsweise Stirnkehlnähte eine größere Rolle spielen werden, hat der Schweiß-Spezialist Bergmann & Steffen im eigenen Laserzentrum im nordrhein-westfälischen Spenge ein Nahtführungssystem für Schweißscanner installiert, in Betrieb genommen, getestet und zur Serienreife gebracht. Es wurde ein System entwickelt, das auf einer Kombination von einem handelsüblichen Schweißscanner von Scanlab Intelliweld , einem Prozessrechner von Blackbird und einem optischen Nahtführungssystem von Lessmüller Lasertechnik basiert.

Bei diesem System werden Graubilder hochfrequent ausgewertet, die Abweichung zur idealen Schweißnahtlage errechnet und die Laserposition über die Scannerspiegel auf den gewünschten Wirkort korrigiert. Die Bauteilkante wird nur wenige mm vor dem heißen Laserstrahl und mit einer so hohen Frequenz detektiert und verrechnet, dass Schweißgeschwindigkeiten bis 10 m/min und auch Kurvenfahrten problemlos möglich werden. Die Kameraführung erfolgt koaxial zum heißen Laserstrahl. Die erreichbare Genauigkeit des Nahtführungssystems beträgt in der Praxix etwa +/- 0,1 mm. Zusätzlich kann ein Offset eingestellt werden, sodass der Laserstrahl dann kontinuierlich der Bauteilkante folgend weiter auf dem Ober- oder Unterblech schweißt. Auch für das immer häufiger diskutierte Laser-Remote-Schweißen von Aluminiumlegierungen ist eine exakte Positionierung des Laserstrahls auf der Bauteilkante wichtig, da hiermit bestimmte Materialeigenschaften wie Durchmischung und Phasenbildung prozesssicher abbildbar werden.

Schmalerer Bauteilflansch spart Material

Als erstes Unternehmen weltweit setzte BMW im Jahre 2012 dieses Nahtführungssystem in Serie für die Produktion von Pkw-Türen erfolgreich ein. Seitdem hat Bergmann & Steffen weltweit mehr als 20 Laserschweißsysteme mit optischer Schweißnahtführung in der Automobilindustrie installiert. Geschweißt werden hier sogenannte Stirnkehlnähte, das heißt das Oberblech liegt um einige mm versetzt zum Unterblech und es wird in die entstehende Kehle an der Bauteilkante des Oberbleches hineingeschweißt.

Diese Schweißnahtform hat erhebliche Vorteile gegenüber Überlappverbingungen. So wird konstruktiv ein deutlich schmalerer Bauteilflansch benötigt, sodass Material eingespart und dem Design mehr Spielraum ermöglicht wird. Zudem wird, bei gleichem Anbindungsquerschnitt, erheblich weniger Laserleistung benötigt und damit auch weniger Wärme und weniger Verzug in das Bauteil eingebracht. Auch unter Korrosionsgesichtpunkten bietet diese Schweißnahtform Vorteile. Nicht zuletzt erhöhen das Nahtführungssystem und die gewählte Nahttform noch die Prozesssicherheit, da kleinere Bauteil- oder Spannfehler kompensiert werden und eine gute Zinkentgasung stets gegeben ist.

Dieses System verbindet die Vorteile einer Laser-Scanner-Schweißoptik (hohe Dynamik, großer Arbeitsabstand) und die Vorteile von geführten Schweißoptiken (Kantentracking, geeignet für lange, durchgängige Schweißnahtverbindungen). Typische Anwendungen könnten zukünftig das Laserschweißen von ganz oder teilweise geschlossenen Profilen (Achsträger, Schweller, A- und B-Säulen) sowie hochfesten Aluminium- und Stahllegierungen sein.

Ein voll funktionsfähiges System mit 6-kW-Faserlaser steht im Laserzentrum von Bergmann & Steffen für Kundenversuche zu Verfügung.

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