Tandem & Hybride

Schweißtechnik - Schweißen wird heute überwiegend mit Robotern bewältigt. Da diese immer mehr ausreifen, zieht die Schweißtechnik nach. Laser und Plasma bestimmen das Bild.

14. Dezember 2005

In den vergangenen Jahrzehnten ist die Automatisierung des Schweißens vor allem in Großbetrieben ständig gestiegen, Vorreiter waren die Automobilindustrie und deren Zulieferer. Immer mehr hat dieser Trend aber auch in anderen Wirtschaftsbereichen Einzug gehalten. Hierzu gehören der Stahl-, Behälter- und Schiffbau ebenso wie die Produktion von Baumaschinen und Schienenfahrzeugen. In Deutschland setzt bereits ein hoher Prozentsatz aller Unternehmen Industrieroboter in der Fertigung ein. Neben dem Rationalisierungsdruck sind die gefallenen Preise für Roboter ebenso Gründe hierfür wie die stetig verbesserte Technik der Schweißkomponenten.

Klassische Methoden

Das klassische Einsatzgebiet von Industrierobotern in der Schweißtechnik ist neben dem Punktschweißen seit etwa 1980 das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG). Bei diesem Verfahren schmilzt ein Endlosdraht von ein bis zwei Millimeter Durchmesser in einem Lichtbogenprozess unter Schutzgas ab. Bauteile werden so durch Schweißnähte miteinander verbunden. Die Hersteller von Schweißanlagen haben die Komponenten für dieses nach wie vor am weitesten verbreitete Verfahren über eine lange Zeit immer weiter verfeinert.

Mehr Abschmelzleistung

Beispiele sind elektronisch geregelte Pulsstromquellen, robuste Lichtbogenbrenner sowie immerpräzisere Drahtvorschubsysteme, die die Bewegung der Drahtelektrode gleichmäßig und millimetergenau regeln können. Industrie und Hersteller haben in den letzten zehn Jahren viele Anstrengungen unternommen, das klassische MSG Schweißen leistungsfähiger zu gestalten. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf mehr Abschmelzleistung bei gleich zeitig fehlerfreien Nähten. Die Abschmelzleistung gibt an, wie viel Kilogramm Metall in einer Stunde als Naht in die Schweißverbindung eingebracht werden kann. Durch zahlreiche Detailverbesserungen wurde dieser Wert in den letzten zehn Jahren nahezu verdoppelt - beim automatisierten Schweißen beträgt er aktuell zwölf Kilogramm unlegierten Stahl pro Stunde. Konventionelles Lichtbogenschweißen lässt allerdings auch keine wesentlich erhöhte Schweißgeschwindigkeit zu. Diese ist physikalisch durch das Fließverhalten der Metallschmelze begrenzt.

Durchbrüche

Der Durchbruch ist mit der MSG-Tandem-Technik gelungen. Zwei Lichtbögen laufen unmittelbar hintereinander, mit zwei separat geführten und getrennt elektrisch gespeisten Drahtelektroden. Mit dieser Technik lässt sich die Abschmelzleistung auf 18 Kilogramm Draht pro Stunde steigern und zudem auch die Schweißgeschwindigkeit. Sie liegt bei bis zu vier Meter pro Minute. Das Tandem-Schweißen erfordert einen erhöhten Einsatz von Technik und wäre ohne Robotersteuerungen, die mit den Steuerungen der Schweißgeräte direkt gekoppelt sind, nicht machbar. Für das Fügen von verzinkten Stahlwerkstoff en eignet sich das herkömmliche MSG-Schweißen weniger. Stattdessen hat sich hier das MIG-Löten als günstiges Verfahren etabliert. Die Drahtelektrode besteht aus einem Bronzewerkstoff mit relativ niedrigem Schmelzpunkt. Moderne Pulsstromquellen halten die Prozesstemperaturen auf einem Niveau, bei dem der Grundwerkstoff Stahl nicht angeschmolzen wird. Während im Fügebereich die Zinkschicht durch die Lichtbogeneinwirkung verdampft, geht der geschmolzene Zusatzwerkstoff eine Lötverbindung mit dem Grundwerkstoff ein. Insbesondere im Automobilbereich können auf diese Weise dünne, durch Zinkbeschichtungen vor vorzeitiger Korrosion geschützte Bleche zuverlässig und aufgrund der geringen Wärmeeinbringung sehr verzugsarm verbunden werden. Neue Erkenntnisse in der Lichtbogen-Physik sowie starke, moderne Stromquellen, die den Schweißstrom schnell umpolen, schufen die Voraussetzungen für das Cold-Process-Verfahren, eine Weiterentwicklung des MIG-Schweißens. Es ist prädestiniert, um dünnwandige Aluminiumbauteile zusammen zu bringen. Die geringe Wärmeeinbringung verhindert den sonst nur schwer zu beherrschenden Verzug dünner Bleche und ermöglicht die Überbrückung von Spalten.

WIG und Co. für Roboter

Die Technik des Wolfram-Inertgas-Schweißens (WIG) galt lange als für Industrieroboter nicht geeignet. Die Schwierigkeit besteht darin, dem zwischen einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode und dem Grundwerkstück brennenden Lichtbogen von außen einen Zusatzwerkstoff in Drahtform zuzuführen. Die Wolframnadel darf nicht das Material berühren, da dieses die Materialeigenschaften des Werkstückes verschlechtern und die Wolframelektrode unbrauchbar machen würde. Geübte Schweißer bewerkstelligen dies mühelos mit zwei Händen. Für den Roboter ist das - besonders beim Schweißen komplexer Konturen - nicht ohne Probleme umsetzbar. Durch die seitliche Drahtzuführung geht ein Freiheitsgrad verloren. Der WIG-Drive bietet volle Bewegungsfreiheit - durch eine in die Mechanik integrierte siebte Achse zur Verstellung der Drahtzuführung, sie ist von der Robotersteuerung synchron verfahrbar. Alternativ zum WIG-Schweißen mit Zusatzdraht steht das Schweißen oder Löten mit Plasmapulver zur Wahl. Ein sehr schlanker Brenner erzeugt dabei unter inertem Schutzgas einen fokussierten Plasmastrahl. Dem äußeren Gasstrom wird dann ein Metallpulver zugemischt, das im Plasma schmilzt und auf dem Werkstück eine Schmelze aufbaut. Die entstehende Schmelze verbindet die zu fügenden Bauteile bei relativ geringer Wärmeeinbringung. Dünnwandige, spaltbehaftete und ungenau vorbereitete Bauteile, die mit anderen Verfahren automatisiert nur schwer zu verbinden sind, lassen sich mit diesem PPAW-Verfahren jetzt verarbeiten. Das manuelle Erstellen von Roboterprogrammen für das Bahnschweißen ist an komplexen Bauteilen trotz verschiedener Hilfsmittel zeitaufwändig und damit teuer. An der Schaffung und Verbesserung von so genannten Offline-Programmiersystemen für die Robotertechnik arbeiten die Hersteller permanent und intensiv. Bevor in kostspielige Werkzeuge investiert wird, führen solche Systeme Produktionsplanungen durch und erstellen Machbarkeitsanalysen via Echtzeitsimulation. So verkürzt sich die manuelle Programmierung an der realen Anlage. Durch exakte Kalibrierung minimiert das System >RoboPlan

Flexibler Kopf

Der Bearbeitungskopf des Hybrid-Schweißgerätes enthält neben der erforderlichen Laseroptik einen angepassten MSG-Brenner zum Lichtbogenschweißen in unmittelbarer Nähe zum Laserstrahl. Verschiedene Ausführungen von Laserköpfen eignen sich darüber hinaus zum lasergestützten Löten, Schneiden und Schweißen mit handelsüblichen Industrierobotern. Die neue Technologie ist in der Automobilherstellung bereits im Einsatz, ihr wird von Fachleuten eine große Zukunft vorausgesagt.

Dr. Johannes Platz, Cloos Schweißtechnik

STANDPUNKT

Die Laser-MSG-Hybrid-Technologie ist die Schweißtechnologie der Zukunft. Die Kombination von sehr starkem Laserstrahl und bewährtem MSG-Prozess vereint den lasertypische Tiefschweißeffekt mit günstigem Wärmefluss und der Einbringung von Zusatzwerkstoffen. Schweißen funktioniert am effektivsten mit kooperierenden Robotern, bei denen einer das Werkstück führt und der andere den Laserkopf.

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006