Neue Technologie für Roboterschweißen

Aug 07, 2023

Getrieben durch die Nachfrage aus der Automobilindustrie ist das Laserschweißen eine der am schnellsten wachsenden Anwendungen für Sechs-Achs-Roboter. Foto mit freundlicher Genehmigung von ABB Robotics

Das Kleiderpaket für das Laserschweißen erfordert einige Sorgfalt bei der Einrichtung. Die Beschränkungen des Biegeradius müssen eingehalten werden und die Kabel sind stoßfest. Foto mit freundlicher Genehmigung von Comau LLC

Unabhängig davon, ob der Roboter für GTAW oder GMAW eingesetzt wird, empfehlen Experten eine Maschine, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. Foto mit freundlicher Genehmigung von FANUC America Corp.

ABB hat kürzlich das TIP-WIG-Verfahren zu seiner Plattform für Roboterschweißtechnologien hinzugefügt. Anstatt den Zusatzdraht kontinuierlich in das Schweißbad einzuführen, bewegt der Vorschubgerät den Draht hin und her. An den Zusatzdraht wird außerdem elektrischer Strom angelegt, der von einer sekundären Stromquelle geliefert wird. Foto mit freundlicher Genehmigung von ABB Robotics

Beim vorrichtungslosen Schweißen befindet sich das Basisteil in einer einfachen Vorrichtung. Dann nimmt ein bildgesteuerter Materialhandhabungsroboter das zu schweißende Teil auf, setzt es auf dem Basisteil ab und hält es dort, während ein Lichtbogenschweißroboter seine Aufgabe erledigt. Foto mit freundlicher Genehmigung von FANUC America Corp.

Fast seit der Erfindung dieser Technologie ist Schweißen auf die eine oder andere Art die Hauptanwendung für Industrieroboter.

Nach Angaben der International Federation of Robotics werden 50 Prozent aller Roboter weltweit zum Schweißen eingesetzt. Konkret sind 33 Prozent mit dem Punktschweißen beschäftigt, 16 Prozent mit dem Lichtbogenschweißen und 1 Prozent mit einer anderen Art von Schweißvorgang.

Mit Sechs-Achs-Robotern können Monteure Teile besser, schneller, gleichmäßiger und sicherer schweißen. Und die Fähigkeiten von Schweißrobotern haben sich in den letzten Jahren dramatisch verbessert, auch wenn sie einfacher zu bedienen und kostengünstiger in der Bereitstellung geworden sind. Eine Technologie, die einst ausschließlich Automobilherstellern und anderen großen Herstellern vorbehalten war, ist heute auch für kleine und mittlere Unternehmen zugänglich.

Kein Wunder also, dass der weltweite Markt für Schweißroboter laut dem Marktforschungsunternehmen Technavio bis 2019 jährlich um 6,09 Prozent wachsen wird.

Getrieben durch die Nachfrage aus der Automobilindustrie ist das Laserschweißen eine der am schnellsten wachsenden Anwendungen für Sechs-Achs-Roboter. Autohersteller stehen unter dem Druck, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, und Laserschweißen löst dieses Problem an mehreren Fronten, sagt Mark Anderson, Material- und Technologiedirektor bei Comau LLC.

Um beispielsweise Gewicht zu sparen, verwenden Automobilhersteller zunehmend hydrogeformte Rohre für verschiedene Fahrwerkskomponenten. Das Verbinden von Blechen mit solchen Rohren stellt ein Problem beim Widerstandspunktschweißen dar, das den Zugang zu beiden Seiten der Baugruppe erfordert. Beim Laserschweißen gilt diese Einschränkung nicht. Es ist lediglich Zugriff auf eine Seite der Baugruppe erforderlich.

Da der Brennpunkt des Laserstrahls außerdem so klein ist, können Teilflansche für Überlappungsverbindungen schmaler sein als diejenigen, die für das Widerstandspunktschweißen ausgelegt sind, sagt Anderson. Weniger Metall bedeutet weniger Gewicht und geringere Kosten.

„Die Endkappen einer Punktschweißpistole haben möglicherweise einen Durchmesser von 0,25 Zoll“, erklärt er. „Das bedeutet, dass der Flansch mindestens 10 oder 12 Millimeter breit sein muss. Beim Laserschweißen können Sie eine Punktgröße von 1 Millimeter Durchmesser erreichen. Jetzt kann Ihr Flansch nur noch 3 oder 4 Millimeter breit sein. Das ist eine Ersparnis von 50 Prozent.“ im Material.“

Die Notwendigkeit, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, führt auch dazu, dass Automobilhersteller Karosserien aus verschiedenen Materialien in unterschiedlichen Stärken zusammenbauen. Früher wurden möglicherweise alle Teile einer Türverkleidung aus derselben Stahlblechrolle gestanzt. Heutzutage besteht das gleiche Türpaneel möglicherweise aus fünf verschiedenen Materialien unterschiedlicher Dicke.

Auch bei dieser Herausforderung kann Laserschweißen helfen. „Ein Laserstrahl kann viel mehr Wärme erzeugen als GMAW [Gas-Metalllichtbogenschweißen]“, sagt Mark X. Oxlade, Marktentwicklungsmanager für Schweißen und Schneiden bei ABB Robotics. „Unterschiedliche Materialien lassen sich bei diesen höheren Temperaturen leichter verbinden.“

Aufgrund der Größe des End-of-Arm-Tooling (EOAT) erfordert das Widerstandsschweißen einen ziemlich schweren Roboter mit einer hohen Nutzlastkapazität von etwa 100 bis 250 Pfund. Andererseits sind die Werkzeuge für das MSG-Schweißen kleiner und leichter, sodass ein Roboter mit einer Nutzlastkapazität von 20 bis 40 Pfund ausreichend sein könnte.

Das Laserschweißen liegt irgendwo in der Mitte, sagt Anderson. Heutzutage ist die Laserlichtquelle selbst – ein Faser-, Dioden- oder Scheibenlaser – nicht Teil des EAOT. Vielmehr befindet sich der Laser weit entfernt vom Roboter und der Strahl wird über ein Glasfaserkabel zum EAOT geleitet. Der Roboter muss daher lediglich verschiedene Optiken (den Laserkopf), Kabel und Hilfswerkzeuge wie ein Andruckrad tragen, um die Teile beim Schweißen zusammenzuklemmen. Infolgedessen benötigen Monteure möglicherweise nur einen Roboter mit einer Nutzlastkapazität von 60 bis 90 Pfund.

Andererseits haben Roboter mit geringerer Nutzlastkapazität in der Regel auch eine geringere Reichweite. Wenn also ein größerer Arbeitsbereich gewünscht wird, möchten Monteure möglicherweise auf einen Roboter mit höherer Kapazität umsteigen.

Das Ausstattungspaket für einen Laserschweißroboter ähnelt dem für andere Arten von Schweißrobotern, mit der Ausnahme, dass Glasfaserkabel die elektrischen Kabel ersetzen.

„Das Dress-Paket für das Laserschweißen erfordert eine gewisse Sorgfalt bei der Einrichtung, wahrscheinlich mehr als beim Widerstandspunktschweißen“, warnt Anderson. „Die Beschränkungen des Biegeradius müssen eingehalten werden und die Kabel können Stößen nicht standhalten.“

Laserlieferanten wie Trumpf Inc. und IPG Photonics Corp. arbeiten eng mit Robotik-OEMs zusammen, damit die beiden Technologien harmonisch funktionieren. ABB hat beispielsweise eine Schnittstelle entwickelt, die es ermöglicht, den Laserkopf der Programmable Focusing Optics (PFO) von Trumpf über die Robotersteuerung von ABB und nicht über einen externen PC zu steuern.

„Das führt zu enormen Verbesserungen der Zykluszeit“, sagt Oxlade. „Ein Drittel bis zwei Drittel der typischen Zykluszeit können allein durch diese Funktion verkürzt werden. Früher musste man sich zu einem Punkt bewegen, ihn schweißen, zu einem anderen bewegen usw. Jetzt ermöglicht Ihnen die Software das einfach.“ Machen Sie es in einem einzigen Arbeitsgang, und das ist eine große Einsparung von Zykluszeit.“

Der PFO positioniert den Laserstrahl mit zwei rotierenden Spiegeln, um die Bearbeitungs- und Positionierungsgeschwindigkeit zu maximieren und die Gesamtzykluszeit zu reduzieren. Der Laserstrahl kann an einer beliebigen vordefinierten Position im Prozessraum platziert oder über eine beliebige Kontur geführt werden. Punktschweißen, Stichschweißen, Endlosnahtschweißen und Schneiden sind ohne Bewegung des Werkstücks oder der Fokussieroptik möglich.

Der PFO ist sowohl für gepulste als auch für Dauerstrich-Festkörperlaser verfügbar. Unterschiedliche Brennweiten von 90 bis 1.200 Millimeter ermöglichen unterschiedliche Bearbeitungsfeldgrößen.

Die Verarbeitung kann „on the fly“ erfolgen, um Positionierungszeiten aufgrund der Überlappung von Roboter- und Scannerbewegungen zu minimieren. Je nach Brennweite können Arbeitsbereiche von 56 x 56 Millimeter bis 406 x 630 Millimeter erreicht werden.

Mit dem PFO ist die Taumelbewegung des Laserpunktes individuell einstellbar für eine optimale Schweißnahtqualität sowohl beim Wärmeleitungsschweißen als auch beim Tiefschweißen.

„Ein Laserstrahl ist sehr dünn“, erklärt Oxlade. „Wenn es also nicht genau ins Schwarze trifft, kann sich die Qualität verschlechtern. Mit dem PFO können Sie den Strahl streuen. Sie können den Strahl zittern und wackeln lassen, ein bisschen wie beim Lichtbogenschweißen.“

So kann auch bei einer geringfügigen Abweichung der Positionierung der Teile noch eine qualitativ hochwertige Schweißnaht erzeugt werden.

Obwohl das Roboter-Laserschweißen in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt hat, hat sich die Technologie des Roboter-Lichtbogenschweißens in den letzten Jahren ebenfalls erheblich verbessert.

Beispielsweise hat ABB kürzlich das TIP-WIG-Verfahren zu seiner Plattform für Roboterschweißtechnologien hinzugefügt. Das von der TIP TIG International AG entwickelte Verfahren ist eine Variante des Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißens (GTAW). Anstatt den Zusatzdraht kontinuierlich in das Schweißbad einzuführen, bewegt der Vorschubgerät den Draht hin und her. An den Zusatzdraht wird außerdem elektrischer Strom angelegt, der von einer sekundären Stromquelle geliefert wird.

GTAW ist mit Sechs-Achsen-Robotern bekanntermaßen schwierig durchzuführen, da die Teilemontage vor dem Schweißen präzise und wiederholbar sein musste, erklärt Oxlade.

„Durch das Vibrieren des Fülldrahts wird der Prozess besser auf die Passung der Teile abgestimmt und die Seiten der Verbindung lassen sich leichter benetzen“, sagt er. „Es gibt auch andere Vorteile, wie eine geringere Wärmezufuhr und höhere Vorschubgeschwindigkeiten. Normalerweise ist das WIG-Schweißen extrem langsam, aber mit dem Roboter-TIP-WIG können Sie GMAW-Geschwindigkeiten erreichen.“

Unabhängig davon, ob der Roboter für GTAW oder GMAW eingesetzt wird, empfehlen Experten eine Maschine, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde.

Ein gutes Beispiel ist der ARC Mate 100iC/8L von FANUC America Corp. Der im letzten Herbst vorgestellte Roboter hat eine Reichweite von 2.028 Millimetern und eine Nutzlast von 8 Kilogramm.

Wie alle FANUC-Roboter arbeitet der ARC Mate 100iC/8L mit der neuesten R-30iB-Steuerung des Unternehmens mit integrierten intelligenten Funktionen wie Vision und integrierter Sekundärsteuerung, Roboguide-Simulation und DCS-Software zur Geschwindigkeits- und Positionsprüfung.

Neben dem Model 8L umfasst die ARC Mate 100iC-Serie das Model 12 mit einer Reichweite von 1.420 Millimetern und einer Nutzlast von 12 Kilogramm sowie das Model 7L mit einer Reichweite von 1.632 Millimetern und einer Nutzlast von 7 Kilogramm. Die Roboter können am Boden, über Kopf oder schräg montiert werden und Gelenk 3 kann umgedreht werden.

„Eines unserer Hauptziele bei der Entwicklung der 100iC-Serie bestand darin, einen Roboter mit kompakter Stellfläche, aber maximaler Reichweite und maximalem Hub zu schaffen, um jedes Teil zu erreichen und den Brenner auf verschiedene Bereiche des Teils auszurichten“, sagt Mark Scherler, Geschäftsführer für Materialverbindungen bei FANUC America Corp.

Alle 100iC-Roboter verfügen über ein hohles Handgelenk, was die Verlegung von Kabeln und Schläuchen vereinfacht und Probleme bei der Kabelführung beseitigt, sagt Scherler. Im Vergleich zu herkömmlichen Abrichtpaketen, die extern am Roboterarm montiert werden, ermöglicht die interne Führung des ARC Mate 100iC, dass das ARC Mate 100iC dem Bewegungsbereich des Roboters folgt, was die Programmierung vereinfacht und die Sorgen über Biegen, Hängenbleiben oder Brechen von Kabeln eliminiert.

ARC Mate 100iC-Roboter und die R-30iB-Steuerung können in ein Schweißsystem integriert werden, das das Schweißbrennerkabel, den Drahtvorschub und die Schweißstromversorgung umfasst. FANUC hat eng mit dem Schweißgerätelieferanten Lincoln Electric Co. zusammengearbeitet, um eine Ethernet-basierte Schnittstelle – ArcLink XT – zwischen der Robotersteuerung und der Schweißstromversorgung zu entwickeln.

„Dadurch können alle Einrichtungsarbeiten für eine Roboter-Lichtbogenschweißanwendung über das Programmierhandgerät des Roboters durchgeführt werden“, erklärt Scherler. „Beim Netzteil muss keine zusätzliche Programmierung vorgenommen werden.“

Eine weitere neue Technologie für das Roboter-Lichtbogenschweißen ist das „vorrichtungslose Schweißen“. Normalerweise erfordert das Roboter-Lichtbogenschweißen, dass Teile starr und präzise in einer kostspieligen Vorrichtung positioniert werden, die normalerweise nur für diese Anwendung entwickelt wurde. Beim vorrichtungslosen Schweißen wird das Basisteil in einer einfacheren Vorrichtung sicher fixiert. Anschließend nimmt ein visionsgesteuerter Sechs-Achsen-Roboter für die Materialhandhabung das zu schweißende Teil auf, setzt es auf dem Basisteil ab und hält es dort, während der 100iC-Lichtbogenschweißroboter seine Aufgabe erledigt.

„Durch das vorrichtungslose Schweißen sinken Ihre Kapitalkosten. Sie bauen nicht für jeden Auftrag spezielle Vorrichtungen. Das gibt Ihnen mehr Flexibilität“, sagt Scherler.