Unter dem Sammelbegriff Sensoren für das Lichtbogenschweißen versteht man Geräte, die als Bestandteil einer vollmechanisierten Schweißanlage Informationen über Lage und möglichst Geometrie der zu schweißenden Naht am Werkstück erfassen und entsprechende Daten in geeigneter Form zur Regelung der Position des Schweißbrenners und möglichst der Schweißprozessgrößen bereitstellen.
Einführung Die Güte einer Schweißnaht hängt neben den für den Schweißprozess maßgebenden Schweißparametern (z. B. Spannung, Strom, Drahtvorschub und Schweißgeschwindigkeit) zu einem wesentlichen Teil auch davon ab, wie die Prozessenergie und der Zusatzwerkstoff eingebracht werden. Die Positionierung des Brenners hat direkte Auswirkung auf den Materialfluss. Auch die Wärmeeinbringung zum Aufschmelzen der Bauteilkanten und der gleichmäßige Wärmefluss sind direkt mit der Brennerführung verknüpft und haben erheblichen Einfluss auf die Qualität der Naht und auf resultierende Eigenspannungen. Beim vollmechanisierten und automatisierten Schutzgasschweißen addieren sich Ungenauigkeiten der Brennerführung, der Werkstückhandhabung, der Fugenvorbereitung und des Wärmeverzugs zu Abweichungen der Fugenlage und Fugengeometrie. Beim vollmechanischen Schweißen können die für die jeweils erforderliche Schweißnahtqualität notwendigen Informationen durch Sensoren ermittelt werden. Sensoren werden daher zur Lagebestimmung des Bauteils (Nahtanfangs- und Nahtendfindung), zur Fugenverfolgung und zur Adaption der Prozessparameter an aktuelle Fugenveränderungen eingesetzt. Die Sensoren können sowohl online (gleichzeitig mit dem Schweißprozess) als auch offline (in einem separaten Arbeitsschritt vor dem Schweißen) eingesetzt werden. Der überwiegende Teil der Sensoranwendungen liegt bei der Online-Fugenverfolgung.
Funktionsprinzipien miniatur|300px|rechts|Bild 1. Einteilung der Sensorsysteme Jedes physikalische Prinzip, das Informationen über die Lage eines Gegenstandes liefern kann, kommt als Ausgangsbasis für eine Sensorfunktion in Frage. Die beim Lichtbogenschweißen herrschenden Umgebungsbedingungen sowie die Anforderungen, die die vollmechanisierte Anlage stellt, führen jedoch zu vielerlei Einschränkungen. Bild 1 zeigt die Systemübersicht. Als übergeordnetes Kriterium wurde die Beobachtungsstrategie des Sensors (Prozess oder Geometrie) gewählt, die weitere Unterteilung orientiert sich am Messprinzip. Ein weiteres Unterscheidungskriterium von Sensorsystemen liegt in der Betrachtung der Bauform. So sind vorlaufende Sensoren dadurch gekennzeichnet, dass Mess- und Fügestelle nicht ortsgleich sind. Mess- und Fügevorgang laufen in diesem Fall meist sequenziell ab. Um positionsrelevante Aussagen für den Schweißprozess treffen zu können, ist bei diesen Systemen eine Kalibrierung der relativen Lage erforderlich. Bei prozessorientierten Sensoren sind Mess- und Fügestelle identisch. Allen Messprinzipien gemeinsam ist die Tatsache, dass durch die Auswertung der Sensorsignale eine geometrische Information über die Fuge und deren relative Lage zum Messkopf gewonnen wird. Die einzelnen Wirkprinzipien erlauben hierbei eine unterschiedliche Verarbeitungsgeschwindigkeit, mit der diese Information gewonnen werden kann.
Geometrieorientierte Sensoren Geometrieorientierte Sensoren gewinnen ihre Signale aus der Geometrie der Fuge oder einer definiert dazu verlaufenden Kante oder Fläche.
Taktile Sensoren Eine Art taktiler Sensoren sind elektrisch berührende Sensoren zur Nahtfindung bzw. Werkstückvermessung. Der Sensor stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Werkstück her; das elektrisch leitende Werkstück wird in den Messstromkreis des Sensors einbezogen. Die mechanisch berührenden Sensoren bilden die zweite Kategorie der taktilen Sensoren. Bei ihnen wird die mechanische Auslenkung eines das Werkstück berührenden Tastelementes ausgewertet.
Elektrisch berührende Sensoren Elektrisch berührende Sensorsysteme ertasten, einer bestimmten Suchstrategie folgend, den Nahtanfang oder auch weitere Bahnpunkte, indem sie mit spannungsbeaufschlagten (Gleichspannung von einigen zehn Volt bis 1 KV je nach Werkstoff und Oberfläche) Komponenten der Schweißanlage (Schutzgasdüse, Schweißelektrode, Taststift o. ä.) das Werkstück kontaktieren. Das bedeutet eine Offline-Vermessung des Nahtanfangs, der Bauteillage oder -geometrie vor dem Schweißen. Aus der Kenntnis des geplanten Bahnverlaufs wird eine Transformation der Bahnpunkte entsprechend den gemessenen Gegebenheiten durchgeführt. Während des Schweißprozesses findet in diesem Fall kein korrigierender Eingriff statt.
Thermische Sensoren Bei diesen Sensoren wird mit Hilfe von zwei am Schweißbrenner angeordneten Thermoelementen der übertragene Wärmestrom gemessen und zur Seitenlagen- und Höhenregelung des Brenners verwendet. Über den Vergleich der Sensortemperaturen der beiden Thermoelemente kann die Ausrichtung des Brenners zur Fuge detektiert werden. Bei symmetrischer Ausrichtung des Brenners ist die Differenz der eingestrahlten Wärmeströme gleich Null und ebenso die Temperaturdifferenzen der Thermoelemente. Abhängig von der seitlichen Fehlstellung des Brenners werden die Thermoelemente, einerseits durch die Deformation des Lichtbogens und andererseits durch die veränderte Lage des Schmelzbades, unterschiedlichen Wärmeströmen ausgesetzt.
Mechanisch berührende Sensoren miniatur|300px|rechts|Bild 2. Induktive Messwandler miniatur|300px|rechts|Bild 3. Taktile Sensoren Mechanisch berührende Systeme setzen die Auslenkung eines Tastelements direkt in elektrische Steuersignale um. Es werden folgende Messwandlerprinzipien unterschieden: Mikroschalter Potentiometer Optische Messwandler (Lichtschranken o. ä.) Induktive Messwandler Messwandler mit Mikroschaltern haben aufgrund des erforderlichen Abstands der Schaltpunkte in einer Ebene eine Regelhysterese im Arbeitspunkt und damit eine begrenzte Nachführgenauigkeit zur Folge. Eine elektrische Verschiebung des Arbeitspunktes ist nicht möglich. Die anderen genannten Messwandlersysteme (optische Systeme je nach Ausführung ggf. eingeschränkt) erzeugen Analogsignale proportional zur Tastelementauslenkung und ermöglichen damit eine Fehler-proportionale Schweißkopfnachführung sowie eine elektrische Arbeitspunktverschiebung durch die übergeordnete Steuerung z. B. beim Mehrlagenschweißen. Die Ausgangssignale der am meisten verbreiteten induktiven Messwandlersystemen betragen 0 bis 10 V DC je nach Tastelementauslenkung (Bild 2).
Randbedingungen Bei elektrisch berührenden Systemen ist jede Beeinträchtigung der elektrischen Kontaktierung zwischen Sensortastelement und Werkstück problematisch, z. B. durch Schweißspritzer an der Schutzgasdüse, durch Zunderschicht und Walzhaut auf der Werkstückoberfläche oder durch ein kugelig angeschmolzenes und mit Schlacke behaftetes Drahtelektrodenende. Bei mechanisch berührenden Sensoren sind die Tastelemente den jeweiligen Fugenformen anzupassen. Stumpfnähte mit I-Stoßvorbereitung sollten einen Fugenspalt von mehr als 3 mm aufweisen, bei Überlappstößen sollte die Dicke des Oberblechs größer als 3 mm sein.
Der Sensor muss räumlich getrennt vom Schweißbrenner montiert werden. Dadurch erfolgt die Fugenabtastung meist vor dem Brenner vorlaufend. Bei überwiegend gerade verlaufenden Nähten stellt diese Anordnung kein Problem dar. Es sind auch Tastelementanordnungen machbar (z. B. Gabeltaster oder getrennte Tastelemente für Höhen- und Seitenabtastung) mit denen eine Abtastung in Brennerebene und damit eine nahezu von Nachlauffehlern freie Nahtabtastung erfolgen kann. Neben der Brennerführung entlang einer Schweißfuge können mechanisch berührende Sensoren auch zur Nahtanfangsfindung und Nahtendeerkennung eingesetzt werden.
Optische Sensoren Optische Sensoren sind eine Art der berührungslos messenden, geometrieorientierten Sensoren (Bild 1). Bei den optischen Sensoren wird die Schweißfuge zur Informationsgewinnung mittels eines Strahlungsdetektors, der die emittierte optische Strahlung eines Messobjekts erfasst, abgetastet. Als Strahlungsdetektoren werden Halbleiterbildaufnehmer verwendet. Bei den optischen Messprinzipien kann unterschieden werden in Sensoren mit und ohne aktive strukturierte Beleuchtung. Ohne aktive strukturierte Beleuchtung bedeutet, dass zur Signalgewinnung eine Kamera verwendet wird, welche das Werkstück betrachtet und aus dem zweidimensionalen Grauwertbild die gesuchten Informationen extrahiert. Eine aktive strukturierte Beleuchtung meint den Einsatz einer Lichtquelle zur gezielten Beleuchtung bestimmter Regionen des Bauteils. Zur anschließenden Erfassung dieser können je nach Ausführung einzelne Fotoelemente, Zeilen oder Arrays verwendet werden.
Funktionsweise miniatur|200px|rechts|Bild 4. Triangulation Zur optischen Messung ohne aktive strukturierte Beleuchtung wird eine Kamera auf den Bereich der Schweißfuge gerichtet und die interessierende Szene direkt betrachtet. Dies wird beispielsweise bei UP-Schweißprozessen verwendet, um dem Werker an einem Monitor ein Live-Bild der Schweißfuge darzustellen. Als Bildaufnehmer sind zwei Halbleitertechnologien bekannt. Die CCD-Kamera (CCD: Charged Coupled Device) ist der ältere, am weitesten verbreitete Kameratyp, er wird auch in Standard-Videokameras eingesetzt. Bei der Verwendung eines CMOS-Bildaufnehmers ist es selbst bei brennendem Lichtbogen durch dessen hohe Eingangsdynamik möglich, ein verwertbares Bild der Schweißfuge aufzunehmen. Die Methode der optischen Messtechnik mit aktiver strukturierter Beleuchtung, meist durch einen Laser mit einer definierten Wellenlänge erzeugt, wird häufig zur Automatisierung von Schweißvorgängen angewendet. Hierbei sind 1-, 2- und 3-dimensional messende Systeme zu unterscheiden. Da ein Messen unmittelbar im Lichtbogen selbst nicht möglich ist, muss ein gewisser Abstand (Vorlauf), der von der Art und Größe des Lichtbogens selbst abhängt, eingehalten werden.
Bei den eindimensionalen Messsystemen wird der Abstand vom Sensor zur Werkstückoberfläche ermittelt. Dies kann durch eine Laufzeitmessung erfolgen. Ein anderes weit verbreitetes Verfahren ist die Lasertriangulation (Bild 4).
Aus den bekannten Abmessungen des Sensors und dem Triangulationswinkel α lässt sich der Abstand des Werkstücks bestimmen. Solche eindimensionalen, optischen Abstandsmesssysteme haben eine große Verbreitung im Bereich der industriellen Automatisierungstechnik und werden daher von einer Vielzahl von Herstellern angeboten. Beim automatisierten Schweißen werden sie häufig zur Detektion der Bauteil- und/oder Fugenlage vor dem Schweißvorgang eingesetzt. Bei den zweidimensional messenden Sensorsystemen sind wiederum verschiedene Ausführungen bekannt. Unmittelbar aus dem 1D-Triangulationssensor lässt sich durch eine Pendelbewegung der zweidimensionale Laserscanner ableiten. Hierbei wird durch eine quer zur Fuge ausgeführte Scanbewegung die Fugengeometrie erfasst (Bild 5). Diese wird meist durch eine im Sensorkopf integrierte bewegliche Spiegeleinheit realisiert.
miniatur|200px|rechts|Bild 5. Laserscanner miniatur|200px|rechts|Laserscanner Alternativ dazu kann auch eine pendelnde Bewegung des gesamten Sensorkopfs vorgenommen werden, jedoch kann dies nur als eine spezielle Anwendung eines eindimensional messenden Systems angesehen werden. Ein Vorteil des Laserscanners besteht darin, dass bei entsprechender Verarbeitungsgeschwindigkeit für jede einzelne punktförmige Abstandsmessung die Belichtungsverhältnisse neu angepasst werden können, womit sich ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild ergibt. Außerdem wird infolge der punktförmigen Beleuchtung der Laserpunkt durch die konzentrierte Laserleistung sowie durch geeignete optische Filterung im Vergleich zur störenden Lichtbogenstrahlung besser für das Detektionselement erkennbar.