Scanlab Welding

Bei vielen Anwendungen gilt mittlerweile das ‚Welding on the fly‘ oder Remote-Welding als ¬state of the art. Damit wird das Schweißen schneller und effektiver. - Bild: Scanlab

Der Anwender

BMW Baginsk
Dr. Stefan Markus Baginski ist Leiter Anlagenbau bei der BMW Group. - Bild: BMW

„Die Potenziale des Remote-Laserstrahlschweißens werden bei einer hohen Auslastung des Systems optimal genutzt. Dazu sollten möglichst viele Steppnähte in einer Ebene liegen, die bei der einmaligen Überfahrt des Roboters geschweißt werden. Das Verfahren eignet sich sowohl für Stahl als auch Aluminium. Die Zugänglichkeit ist im Vergleich zu konventionellen Technologien aufgrund des großen Arbeitsabstandes vorteilhaft. BMW setzt dieses Verfahren weltweit im Karosseriebau ein – aktuell in Deutschland, UK, Niederlande und China.

Das scannerbasierte Remote-Laserstrahlschweißen bietet im Vergleich zu konventionellen Fügetechniken wie dem Widerstandspunktschweißen verschiedene Vorteile hinsichtlich Produktgestaltung – sprich Flanschreduzierung, Leichtbau und Steifigkeit –, Wirtschaftlichkeit – sprich Flexibilität, Reduzierung der Nebenzeiten und Produktivitätssteigerung – und Nachhaltigkeit, da es nachfolgerflexibel ist.

Um die Qualität der Schweißnaht sicherzustellen, hat BMW gemeinsam mit dem Lieferantennetzwerk weltweit erstmals eine echtzeitfähige Sensorik für das scannerbasierte 'Welding on the fly' von Kehlnähten entwickelt. Dabei wird der Schweißprozess mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und die Qualität sichergestellt. Darüber hinaus gibt es zyklische Bauteilprüfungen durch entsprechend geschultes Personal.“

Der Integrator

Bergmann & Steffen  Bergmann
Uwe Bergmann, Geschäftsführer von Bergmann & Steffen. - Bild: Bergmann & Steffen

„Zusammen mit Partnern haben wir ein Nahtführungssystem zur Serienreife entwickelt, das den Einsatz von ‚Welding on the fly‘ erleichtert. Man schweißte bislang ausschließlich Überlappverbindungen, weil systembedingte Toleranzen – wie die Roboterbahn, Spannvorrichtung oder der Bauteilbeschnitt – andere Schweißnahtformen nicht sicher zuließen. Bei dem neuen System ist es erstmals gelungen, ein Nahtführungssystem als In-Line-Prozess in eine Scannerschweißoptik zu integrieren. Mit diesem neuen System können nun diese Unzulänglichkeiten über ein Kamerasystem detektiert und ausgeregelt werden. Das neue System schafft also neue Einsatzmöglichkeiten für den Schweißscanner. Da das System in Echtzeit in der Lage ist, einer Bauteilkante zu folgen, können heute zum Beispiel sogenannte Stirnkehlnähte sicher hergestellt werden.


Mit dem neuen Nahtführungssystem lässt sich nur bedingt schneller schweißen, allerdings wird weniger Laserenergie benötigt. Der Anlageninvest und die laufenden Energiekosten sind also geringer. Hinzu kommen weitere, durch die Schweißnahtform bedingte Vorteile wie ein besseres Korrosionsverhalten und eine geringere Wärmeeinbringung beziehungsweise eine kleinere Wärmeeinflusszone insgesamt.


Wir bearbeiten zur Zeit schon einige interessante Anwendungen von ‚Welding on the fly inklusive Nahtführungssystem‘ für Automobilteile aus höchstfesten Stählen, zum Beispiel B-Säulen oder Schweller. Auch für das Schweißen von Aluminiumlegierungen der 5- und 6-tausender Reihe sehen wir zukünftig großes Potenzial, da - bei geeigneter Parameterwahl – quasi rissfreie Schweißnähte ohne die Notwendigkeit von Zusatzwerkstoffen möglich werden. Letztlich werden sich, bei steigendem Bekanntheitsgrad, etliche weitere Anwendungen ergeben, die heute noch konventionell geschweißt werden.


Grundvoraussetzung für 'Welding on the Fly' ist die Zugänglichkeit des Laserstrahls zur Wirkstelle bei variierendem Einschweißwinkel und das prozesssichere Spannen der Einzelteile im Bereich aller Schweißnähte. Dies kann durch einen speziellen Vorrichtungsaufbau realisiert werden. Außerdem ist für eine prozesssichere Serienanwendung ein relativ hoher Luftaustausch in der Schweißzelle selbst sowie eine sichere Extraktion der Schweißrauchgase direkt am Entstehungsort und zwischen Optik und Bauteil erforderlich.“

Der Scan-Experte

Scanlab Megerle
Dr. Uwe Megerle, Experte in der Optik-Entwicklung bei Scanlab. - Bild: Scanlab

„Scan-Systeme für roboterbasiertes Schweißen mit fasergekoppelten Lasern gibt es seit über 10 Jahren. Scanlab hat den ersten 3D-Scankopf für Hochleistungsschweißen 2005 vorgestellt. Dieser wurde bei einem asiatischen Automobilbauer in der Produktion eingesetzt. 2007 begann bei Daimler die industrielle Nutzung dieser Technologie in der Serienproduktion mit einem Wettbewerbsprodukt.


Der wesentliche Vorteil des Scanner-Schweißens ist die deutlich höhere Effizienz, da im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien wie Laserschweißen mit Festoptiken der vergleichsweise langsame Roboter nur noch in weitgehend glatten Bahnen über das Bauteil bewegt werden muss. Die genaue Positionierung der Schweißungen übernehmen die um Größenordnungen schnelleren Scanner-Achsen. Das spart Zeit, erhöht den Durchsatz und verringert somit die Kosten, zum Beispiel was die Anzahl benötigter Roboter insgesamt angeht.


Die einfache Programmierbarkeit von Nähten verschiedenster Formen und Geometrien mit unterschiedlichsten Parametern wie unter anderem Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Spotgröße oder überlagerte Oszillationen bietet eine Flexibilität, die mit konventionellen Methoden kaum zu erreichen ist. Schweißungen können somit gezielt optimiert werden, nicht zuletzt auch in Bezug auf benötigte Flanschbreiten. Wenn man mit optisch nachgeregelten Systemen direkt in der Kehlnaht schweißt, können Flansche bis auf wenige Millimeter Breite reduziert werden. Durch optische Überwachungssysteme, die leicht in den Scanner integriert werden können, lässt sich die Qualität der Schweißung online – bereits während des Prozesses – prüfen. In Verbindung mit einer Regelung können manche Fehler dann sofort behoben werden: ein weiteres Einsparpotenzial.


Manche Materialien, beispielsweise Kupfer oder Verbundmaterialien, können mit den typischen Wellenlängen der fasergekoppelten Festkörperlaser von etwa 1 µm nicht ideal verschweißt werden. Laser im sichtbaren Spektralbereich, wie zum Beispiel frequenzverdoppelte Scheibenlaser oder CO2-Laser mit zirka 10 µm, sind hier besser geeignet, müssen aber im Freistrahl über Spiegel zum Scanner geführt werden. Dies stellt eine zusätzliche Herausforderung für die Laserschutzumhausung dar.


Mit steigender Anzahl an Kunden und Installationen wachsen auch die Anforderungen und Ideen für weitere Entwicklungen. Aktuell befinden wir uns in der Endphase einer größer angelegten Neuauflage unseres 3D-Schweißkopfes intelliWELD. Details dazu werden erstmals auf der Messe Laser World of Photonics im Juni präsentiert werden.


Die generelle Stoßrichtung ist dabei ein deutlicher Ausbau der Flexibilität, mit der unsere Scan-Lösungen eingesetzt werden können. Dazu gehören neue Freiheitsgrade, zusätzliche optische Konfigurationen, erweiterte Ansteueroptionen und mehr online beinflussbare Parameter – die besonders in Kombination mit leistungsfähiger Sensorik - auch für das Thema Automatisierung und Industrie 4.0 von Bedeutung sind“

Der Forscher

Fraunhofer Abels
Peter Abels ist Leiter der Gruppe Prozesssensorik und Systemtechnik am Fraunhofer ILT in Aachen. - Bild: Fraunhofer ILT

„Fakt ist, dass die Kombination aus Scanner und Roboter eine breite Anwendungspalette bei kostengünstiger Systemtechnik bietet. Für Scanner basierte Anwendungen sind allerdings funktionierende Fugenfolgesysteme heute nicht Stand der Technik. Grundsätzlich ist aber zu erwarten, dass Welding-on-the-fly-Systeme ausgestattet mit Fugenfolge vorteilhaft sein werden, weil sich zum einen einen Synchronisationsfehler zwischen Roboter und Scanner aber auch Bauteiltoleranzen aktiv ausgeglichen lassen.

Damit wird der Einsatz des Laserstrahlschweißens rationeller und sichererer möglich. Das erlaubt Anwendungen auch bei kleinen Losgrößen oder Prozessanpassungen bei moderatem Implementierungsaufwand und guter, gleichbleibender Schweißqualität.


Das Fraunhofer ILT beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit Qualitätsüberwachung bei der Lasermaterialbearbeitung und insbesondere mit der Entwicklung von koaxialen, bildgebenden, schnellen, ortssynchronisierten und echtzeitfähigen Diagnosesystemen, die auch zur Fugenfolge verwendet werden. Dabei ist ein Arbeitspunkt die Integration der notwendigen Beleuchtungstechnik in den Strahlengang des Laserstrahls, die ebenso wie die integrierten Sensoren die Beweglichkeit und Zugänglichkeit von Laserstrahl und Bauteil nicht beeinträchtigen darf.

In Umsetzung befindet sich aktuell, dass zeitnah solche Beleuchtungssysteme in Kombination mit Bilderfassung und Hardware basierter Signalauswertung auf dem Markt für Anwender verfügbar sein werden."

Susanne Nördinger/Stefan Weinzierl