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EHR Vermessung und Dokumentation von Schweißnähten in der Raumfahrt

| Autor/ Redakteur: Thomas Rehmann / M.A. Frauke Finus

Bauteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie müssen hohen Anforderungen genügen. Dabei sind Schweißverbindungen besonders kritisch. Im Gegensatz zur Auslegung von Komponenten für die Auto-Industrie sind sehr viel geringere Toleranzen für die Prozessschwankungen vorhanden, so dass insbesondere Schweißnähte an kritischen Stellen umfangreich geprüft werden müssen.

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Die Schweißnahtqualität der Bulkheads (Tankboden, Dom) der europäischen Trägerrakete Ariane 5 wird mithilfe der Tivis-Software von EHR geprüft.
Die Schweißnahtqualität der Bulkheads (Tankboden, Dom) der europäischen Trägerrakete Ariane 5 wird mithilfe der Tivis-Software von EHR geprüft.
(Bild: ESA/CNES/Arianespace)

So auch bei MT-Aerospace, einem führenden Unternehmen der Luft- und Raumfahrtbranche und Teil des börsennotierten europäischen Raumfahrt- und Technologiekonzerns OHB SE (Prime Standard, ISIN: DE0005936124) in Augsburg. Neben Ultraschall- und Röntgenprüfungen werden bei MT-Aerospace auch Lasertriangulationsverfahren in Kombination mit der Tivis-Software von EHR eingesetzt, um die Schweißnahtqualität während des Prozesses zu überwachen und gegebenenfalls regelnd in den Prozess eingreifen zu können. Zu prüfende Bauteiltypen sind unter anderem die Bulkheads (Tankboden, Dom) der europäischen Trägerrakete Ariane 5. Im Gegensatz zu Ultraschall- oder Röntgenverfahren können die Bauteile mit der Lasertriangulation bereits während des Prozesses auf alle von außen sichtbaren Parameter geprüft werden. Ein regelndes Eingreifen ist in diesem Fertigungsschritt noch möglich. Später gefundene Fehler können meist nicht mehr korrigiert werden. Solche Bauteile können nach dem Schweißen einen Wert von über 1 Mio. Euro haben und müssen schlimmstenfalls verschrottet werden.

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Ein weiterer Aspekt für den Einsatz optischer Prüfsysteme im Prozess stellen die umfangreichen Dokumentationsmöglichkeiten solcher Systeme dar. Grundsätzlich können alle Schweißnähte inklusive der zugehörigen Prozessparameter vollständig dokumentiert werden. Da die prozessrelevanten physikalischen Größen bekannt sind, kann bei Abweichungen während des Prozesses umgehend auf die tatsächliche Ursache geschlossen werden. Die relevanten Parameter werden in diesem Fall entsprechend geregelt. Das Tivis-Softwarepaket ist eine Standardlösung zur Vermessung von Schweißnähten unterschiedlicher Schweißnahttypen und Bauteilgeometrien. Geprüft werden können Kehlnähte, Bördelnähte, Strichnähte (Klammern, Kreise, andere Formen) und Stoßnähte. Außerdem können mit einer beidseitigen Prüfung die Nahtdurchdrückung sowie ein auftretender Fügespalt detektiert werden. Die einstellbaren Parameter unterscheiden sich je nach Schweißnahttyp und zugrunde liegender Bauteilgeometrie. Die flexible Parametrierbarkeit auf die unterschiedlichsten Bauteiltypen ist wichtig, da es in der Praxis die „optimalen“ Nähte wie in den jeweiligen Normen beschrieben, so nicht gibt. Im praktischen Einsatz werden Schweißnähte direkt in Radien oder auf Bauteilkanten platziert. Diese Fälle müssen in einem praxistauglichen System abgebildet werden können. Das Tivis-System wird neben den Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik weltweit in mehr als 150 vollautomatischen Schweißanlagen zur Schweißnahtvermessung im Rohbau in der Automobilindustrie eingesetzt. Neben den Geometriemaßen kann die Software noch die Oberflächenbeschaffenheit einer Schweißnaht (Poren, Lunker und Spritzer) auswerten.

Schweißnaht in verschiedenen 3D-Ansichten betrachten

Umfangreiche vorhandene Schnittstellenimplementierungen und Konfigurationsmöglichkeiten ermöglichen die Kommunikation mit übergeordneten Steuerungen und Industrierobotern verschiedener Hersteller. Im hier beschriebenen Projekt werden mit dem Tivis-System von EHR folgende Parameter über die gesamte Länge der Schweißnaht vermessen:

  • Nahtbreite
  • Nahthöhe
  • Nahtüberwölbung
  • Nahtwinkel
  • Nahtversatz
  • Nahtunterwölbung
  • Einbrandkerbe

Der Lasertriangulationssensor ist in einem Abstand von rund 30 mm zur Schweißquelle angebracht. Das System kommuniziert über eine Profinet-Schnittstelle mit der Anlage. Den Schweißnahtanfang erkennt das Prüfsystem vollautomatisch. Die Messung der oben genannten Parameter beginnt automatisch und wird bis zum Ende des Schweißvorganges fortgesetzt. Alle Werte werden abgespeichert und außerdem in einer Live-Anzeige dem Anlagenbediener permanent angezeigt. Im Nachgang kann dann die Schweißnaht jederzeit in verschiedenen 3D-Ansichten mit Vergrößerung betrachtet und analysiert werden. An jeder beliebigen Stelle der Naht, kann der jeweilige Schnitt mit allen zur Auswertung relevanten Parametern angezeigt werden.

Das Tivis-System von EHR ist so programmiert, dass Anpassungen auf kundenspezifische Anforderungen (Customizing) jederzeit möglich sind. Das Customizing betrifft in der Regel vorwiegend spezielle Bauteilgeometrien oder Kommunikationsschnittstellen. Von Haus aus ist das System mit umfangreichen Kommunikationsfunktionen, beispielsweise Schnittstellen zur Fehleranzeige an Ausschleusstationen, ausgestattet. Das Tivis-System kann um verschiedene Optionen, zum Beispiel einem weiteren Sensor zur gleichzeitigen Kontrolle von Materialober- und -unterseite, erweitert werden. Damit ist das System flexibel und universell einsetzbar.

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