Roboter-Schweißen erklärt: Prozess, Vorteile und Anwendungen

Schweißen ist ein Prozess, bei dem zwei Materialien durch Erhitzen, Vermischen und Abkühlen der Materialien und/oder eines Zusatzwerkstoffs zu einer festen Verbindung verschmolzen werden. Vom Lichtbogenschweißen bis zum Punktschweißen werden neue und gebrauchte Schweißroboter typischerweise in Prozessen eingesetzt, bei denen die Schweißnaht repetitiv ist und Qualität sowie Geschwindigkeit entscheidend sind. Roboter-Schweißen ist ein automatisierter Prozess, der Effizienz, Konsistenz und ROI steigert.

Was ist Roboter-Schweißen?

Roboter-Schweißen ist der Einsatz mechanisierter programmierbarer Werkzeuge (Roboter), die einen Schweißprozess vollständig automatisieren, indem sie sowohl den Schweißvorgang ausführen als auch das Teil handhaben. Verfahren wie Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), die oft automatisiert sind, sind nicht zwingend gleichbedeutend mit Roboter-Schweißen, da ein menschlicher Bediener manchmal die zu schweißenden Materialien vorbereitet.

Roboter-Schweißen wird häufig für Widerstands-Punktschweißen und Lichtbogenschweißen in Hochproduktionsanwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Automobilindustrie.

Roboter-Schweißen ist eine relativ neue Robotikanwendung, obwohl Roboter bereits in den 1960er Jahren in die US-Industrie eingeführt wurden. Der Einsatz von Robotern im Schweißen nahm erst in den 1980er Jahren Fahrt auf, als die Automobilindustrie Roboter umfangreich für Punktschweißen einsetzte.

Seitdem sind sowohl die Anzahl der in der Industrie eingesetzten Roboter als auch ihre Anwendungen stark gewachsen. 2005 waren in Nordamerika über 120.000 Roboter im Einsatz, etwa die Hälfte davon für Schweißzwecke. Das Wachstum wird primär durch hohe Anlagenkosten und die daraus resultierende Beschränkung auf Hochproduktionsanwendungen limitiert.

Roboter-Lichtbogenschweißen wächst erst kürzlich stark und macht bereits etwa 20 % der industriellen Roboteranwendungen aus. Hauptkomponenten von Lichtbogenschweißrobotern sind der Manipulator (mechanische Einheit) und der Controller, der als „Gehirn“ des Roboters fungiert.

Der Manipulator bewegt den Roboter. Das Design dieser Systeme lässt sich in gängige Typen kategorisieren, wie SCARA und kartesische Koordinatenroboter, die unterschiedliche Koordinatensysteme zur Steuerung der Maschinenarme nutzen.

Der Roboter kann eine vorprogrammierte Position schweißen, durch Maschinenvision geführt werden oder eine Kombination beider Methoden. Die vielen Vorteile des Roboter-Schweißens haben sich als Technologie erwiesen, die vielen Erstausrüstern (OEMs) hilft, Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Durchsatz zu steigern.

Die Technologie der Signaturbildverarbeitung wurde seit Ende der 1990er Jahre für die Echtzeit-Analyse elektrischer Daten aus automatisiertem robotischem Schweißen entwickelt, was die Optimierung von Schweißnähten ermöglicht.

Roboter-Schweißausrüstung

Roboter-Schweißen kombiniert Schweißen, Robotik, Sensortechnik, Steuerungssysteme und künstliche Intelligenz. Komponenten sind die Software mit spezifischer Programmierung, die Schweißausrüstung, die Energie von der Schweißstromquelle zum Werkstück liefert, und der Roboter, der die Ausrüstung zum Schweißen nutzt.

Prozesssensoren des Roboters messen Schweißprozessparameter, geometrische Sensoren die geometrischen Parameter der Nähte. Durch Erfassung und Analyse der Sensordaten passt das Steuersystem die Ausgabe des robotergestützten Schweißprozesses basierend auf den im Programm definierten Schweißverfahrensspezifikationen an.

Je nach Verwendungszweck können Roboter Roboterarme oder Portalsysteme sein. Normalerweise werden sechsachsige Industrieroboter mit dreiachsigem Unterarm und dreiachsigem Handgelenk eingesetzt, da sie es ermöglichen, die Schweißbrenner am Handgelenk zu montieren und alle für dreidimensionales Schweißen notwendigen Positionen zu erreichen.

Das System muss mit dem Roboter integriert sein, und die Schweißausrüstung muss kompatibel und idealerweise speziell für Roboter-Schweißen ausgelegt sein, damit alle Prozesse vom Roboter gesteuert werden können.

Wie Roboter-Schweißen funktioniert

Bei der Roboternutzung für jeden Prozess muss die Methode an die Automatisierung angepasst werden. Dasselbe gilt für Schweißen, das mehrere Werkzeuge verwendet, die im manuellen Pendant nicht vorkommen. Menschen benötigen keine Programmierung wie robotische Schweißer.

Der Roboter selbst hat einen Arm, der sich bei geradlinigen Typen in drei Dimensionen und bei gelenkigen Versionen durch weitere Ebenen bewegen kann. Ein Drahtvorschub führt den Zusatzdraht zu, sobald der Roboter ihn für einen Schweißauftrag benötigt. Ein Hochtemperaturbrenner am Armende schmilzt Metall für den Schweißprozess. Da Temperaturen von tausenden Grad erreicht werden, schützt der Roboter-Einsatz Menschen.

Zertifizierte menschliche Bediener müssen in Robonähe bleiben. Diese sollten eine Zertifizierung der American Welding Society (AWS) besitzen, die nicht nur manuelle Schweißer, sondern auch Roboter-Schweißarmbediener zertifiziert. Der Bediener programmiert den Controller über ein Teach-Pendant. Dieses Gerät legt neue Programme an, bewegt den Arm und ändert Prozessparameter. Zum Schweißstart nutzt der Bediener die Tasten am Bedienfeld.

Das Werkzeug im Roboterarm erhitzt sich, um Metall zu schmelzen und die gewünschten Teile zu verbinden. Bei Bedarf liefert ein Drahtvorschub weiteren Draht an Arm und Brenner. Beim Warten auf die nächsten Schweißteile bewegt der Arm den Brenner zur Reinigung, um Metallspritzer zu entfernen, die sich sonst festsetzen könnten.

Da einer der Hauptgründe für Roboter-Schweißen der Schutz menschlicher Arbeiter ist, verfügen diese Systeme über vielfältige Sicherheitsfunktionen. Lichtbogenschirme verhindern, dass der Hochtemperatur-Lichtbogen mit Sauerstoff mischt. Eingeschlossene Bereiche schützen Bediener vor Temperaturen und hellem Licht.

Vorteile des Roboter-Schweißens

Es gibt mehrere Vorteile der Fabrikautomatisierung mit Schweißrobotern: schnellere, konsistente Zykluszeiten, keine Produktionsunterbrechung, bessere Schweißqualität. Durch robotergestützte Schweißautomatisierung dauert der Prozess kürzer, und Hersteller können Direktlohn- und Sicherheitskosten senken sowie Material schonen.

Roboter-Schweißzellen bieten eine noch sicherere Arbeitsumgebung, reduzieren Lichtbogenblendung, Überspritzer und direkten Kontakt mit Roboter und Teil drastisch. Ein Roboter-Schweißer ist konsistenter und bewegt sich schnell von einer Naht zur nächsten, was den gesamten Prozess beschleunigt.

• Weniger Zeitbedarf: Roboter-Schweißsysteme erledigen den Job schnell. Ob neue oder gebrauchte Roboter – sie machen weniger Fehler als manuelles Schweißen. Im Gegensatz zu Arbeitern benötigen Roboter keine Pausen, Urlaub etc. Die Arbeit kann ununterbrochen 24/7 fortgesetzt werden. Das steigert Durchsatz & Produktivität.
• Senkung von Direktlohn- & Sicherheitskosten: Manuelles Schweißen ist kostspielig. Es erfordert Zeit, Können und Konzentration. Es ist auch gefährlich. Lichtbogen, Dämpfe, Funken und Hitze machen manuelles Schweißen anstrengend und gefährlich. Roboter-Schweißen schützt Arbeiter und senkt Kosten. Diese Systeme ertragen die Gefahren und steigern oft die Produktion. Versicherungs- und unfallbedingte Kosten sinken erheblich.
• Materialschonung: Selbst die erfahrensten Schweißer machen Fehler. Bei neuen und gebrauchten Schweißrobotik-Systemen ist alles geregelt, einschließlich Leistung und Draht. Automatisierte Systeme schonen Energie durch konsistenten Betrieb (weniger Anläufe). Zudem sind die erzeugten Nähte konsistenter. Die Genauigkeit von Robotersystemen bedeutet weniger Material- und Zeitverschwendung. Material schonen und gleichzeitig Produktqualität steigern!

Manche Unternehmen steigen schrittweise auf Roboter-Schweißen um, beginnend mit einer einzelnen Schweißzelle und langsam zur vollautomatisierten Schweißfertigung. Roboter helfen, wenn der Zugang zu einem Teil begrenzt oder schwer erreichbar ist. Hersteller haben schlanke Roboterarme für kleinere Bereiche entwickelt.

Einschränkungen

Ein Problem beim Roboterschweißen: Kabel und Schläuche für Strom, Luft etc. begrenzen die Bewegungsfähigkeit des Roboterhandgelenks.

Eine Lösung ist der Drehverteiler (Swivel), der den Durchlass von Druckluft, Kühlwasser, Strom und Signalen in einer einzelnen Dreheinheit ermöglicht.

Der Drehverteiler ermöglicht auch Offline-Programmierung, da alle Kabel und Schläuche entlang definierter Pfade des Roboterarms geführt werden können.

Weitere Einschränkungen des Roboter-Schweißens:

• Komplexe Endanwenderprogrammierung, nicht benutzerfreundlich, nur für Spezialisten
• Begrenzte APIs, selbst einfache Änderungen sind kompliziert
• Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) funktioniert nicht wirklich. Systeme erfordern Anpassung und Schulung. Schwierig, robotische Schweißsysteme anzupassen
• Konnektivitätsherausforderungen, Fehlen verbindbarer Standards
• Ersetzt menschliche Arbeit
• Technologie wird veraltet

Roboter-Schweißverfahren

Schweißen erfordert hohes Bildungs- und Qualifikationsniveau. Die Anzahl professioneller Schweißer deckt den Industriebedarf nicht. Laut American Welding Society wird die Industrie bis 2022 einen Mangel von 450.000 Schweißern erleben. Statt kritische Projekte zurückzustellen, können Roboter die Lücke schließen.

Roboter automatisieren den Prozess, was höhere Genauigkeit, weniger Abfall und schnellere Abläufe sicherstellt. Mit der verfügbaren Maschinenvielfalt passen sich Roboter einer breiten Palette von Schweißverfahren an: Lichtbogen, Widerstand, Punkt, WIG, und mehr.

1. Lichtbogenschweißen

Einer der häufigsten Roboter-Schweißtypen ist das Lichtbogenverfahren. Ein elektrischer Lichtbogen erzeugt extreme Hitze, bis zu 6.500 °F (ca. 3.600 °C), die das Metall schmilzt. Flüssiges Metall verbindet Teile, die nach Abkühlung zu einer stabilen Verbindung erstarren. Bei Projekten mit großem Volumen präzise verbundener Metalle ist Lichtbogenschweißen ideal.

2. Widerstandsschweißen

Wenn Projekte Härten oder Kostensenkung erfordern, können Roboter Widerstandsschweißen nutzen. Dabei erzeugt ein Stromfluss ein Schmelzbad zwischen zwei Metallbasen. Dieses flüssige Metall verbindet die Teile.

3. Punktschweißen

Manche Materialien widerstehen elektrischen Strömen, was andere Schweißformen ausschließt. Dies tritt häufig in der Automobilindustrie bei der Montage von Karosserieteilen auf. Roboter-Schweißer nutzen eine Widerstandsschweißvariante, um zwei dünne Metallbleche an einem Punkt zu verbinden.

4. WIG-Schweißen

Roboter-Schweißanwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen können WIG-Schweißen erfordern. Auch als Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) bekannt. Ein elektrischer Lichtbogen brennt zwischen einer Wolframelektrode und der Metallbasis.

5. MIG-Schweißen

Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW/MIG) ist eine schnelle, unkomplizierte Methode mit hoher Abschmelzleistung. Ein Draht wird kontinuierlich zur heißen Brennerspitze geführt, schmilzt und lässt viel flüssiges Metall auf die Basis tropfen, um diese mit einem anderen Teil zu verbinden.

6. Laserschweißen

Wenn Schweißprojekte hohe Genauigkeit bei großen Stückzahlen erfordern, ist Laserschweißen die bevorzugte Metallfügemethode. Kleine Teile wie Schmuck oder Medizinkomponenten nutzen oft Laserschweißen.

7. Plasmaschweißen

Plasmaschweißen bietet den höchsten Flexibilitätsgrad, da der Bediener sowohl Gasgeschwindigkeit durch die Düse als auch Temperatur einfach ändern kann.

Anwendungen des Roboter-Schweißens

Dank zeitsparender Vorteile und hoher Produktivität ist Roboter-Schweißen in Metall- und Schwerindustrie, besonders in der Automobilindustrie mit Punktschweißen und Laserschweißen, wichtig geworden.

Am besten geeignet für kurze Nähte mit gekrümmten Oberflächen und wiederholbare, vorhersehbare Aktionen, die keine ständigen Prozessänderungen erfordern. Mit externen Achsen auch für lange Nähte geeignet, z. B. im Schiffbau.

Obwohl Roboter-Schweißenmostly in der Massenfertigung eingesetzt wird, wo Effizienz und Menge zählen, können Programme für beliebige Bedürfnisse erstellt werden, und Robotik kann auch für kleinere und sogar Einzelfertigungen bei hoher Kosteneffizienz genutzt werden.

Roboter- vs. Manuelles Schweißen

Manuelles Schweißen hat weiterhin Platz in der modernen Fertigung. Für Projekte, bei denen ein Experte schnell die Schweißart ändern muss, ist manuelles Schweißen die beste Wahl. Ein Profi kann prompt reagieren, Roboter passen sich unsicheren Situationen nicht so schnell an.

Da manuelles Schweißen ein Prozess bleibt, den viele Unternehmen brauchen, werden professionelle Schweißer nicht so bald verschwinden. Angesichts des erwähnten Fachkräftemangels finden zertifizierte Schweißer leicht Arbeit, selbst wenn viele Betriebe in Roboter investieren.

Der Ersatz manueller Schweißer durch Roboter beendet nicht das AWS-Zertifizierungsgeschäft. Die meisten Roboter-Schweißbediener benötigen Zertifizierung im Robotikbereich, die AWS ebenfalls anbietet. Robotik-Experten mit Schweißkenntnissen stellen sicher, dass Projekte optimal programmiert werden, um schnell und kosteneffizient abzuschließen.

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