Was ist Roboterschweißen? - Verfahren und Anwendung

Schweißen ist ein Prozess, bei dem zwei Materialien durch Erhitzen, Vermischen und anschließendes Abkühlen der Materialien und/oder eines Füllstoffs miteinander verschmolzen werden, um eine starke Verbindung zu bilden. Vom Lichtbogenschweißen bis zum Punktschweißen werden neue und gebrauchte Schweißroboter in der Regel in Schweißprozessen eingesetzt, bei denen sich die erforderliche Schweißnaht wiederholt und Qualität und Geschwindigkeit entscheidend sind. Roboterschweißen ist ein automatisierter Prozess, der die Effizienz, Konsistenz und den ROI erhöht.

Was ist Roboterschweißen?

Roboterschweißen ist die Verwendung mechanisierter programmierbarer Werkzeuge (Roboter), die einen Schweißprozess vollständig automatisieren, indem sie sowohl die Schweißung durchführen als auch das Teil handhaben. Prozesse wie das Metallschutzgasschweißen sind zwar oft automatisiert, aber nicht unbedingt mit dem Roboterschweißen gleichzusetzen, da manchmal ein menschlicher Bediener die zu schweißenden Materialien vorbereitet.

Roboterschweißen wird häufig für das Widerstandspunktschweißen und das Lichtbogenschweißen in hochproduktiven Anwendungen wie der Automobilindustrie eingesetzt.

Roboterschweißen ist eine relativ neue Anwendung der Robotik, obwohl Roboter erstmals in den 1960er Jahren in der US-Industrie eingeführt wurden. Der Einsatz von Robotern beim Schweißen begann erst in den 1980er Jahren, als die Automobilindustrie damit begann, Roboter in großem Umfang für das Punktschweißen einzusetzen.

Seitdem ist sowohl die Zahl der in der Industrie eingesetzten Roboter als auch die Zahl ihrer Anwendungen stark gewachsen. 2005 waren mehr als 120.000 Roboter in der nordamerikanischen Industrie im Einsatz, etwa die Hälfte davon zum Schweißen. Das Wachstum wird in erster Linie durch hohe Gerätekosten und die daraus resultierende Beschränkung auf hochproduktive Anwendungen begrenzt.

Das Roboter-Lichtbogenschweißen hat erst vor kurzem begonnen, schnell zu wachsen, und beherrscht bereits etwa 20 % der Industrieroboteranwendungen. Die Hauptkomponenten von Lichtbogenschweißrobotern sind der Manipulator oder die mechanische Einheit und die Steuerung, die als „Gehirn“ des Roboters fungiert.

Der Manipulator ist das, was den Roboter bewegt, und das Design dieser Systeme kann in mehrere gängige Typen eingeteilt werden, wie z. B. SCARA- und kartesische Koordinatenroboter, die unterschiedliche Koordinatensysteme verwenden, um die Arme der Maschine zu steuern.

Der Roboter kann eine vorprogrammierte Position schweißen, durch maschinelles Sehen oder durch eine Kombination der beiden Methoden geführt werden. Die vielen Vorteile des Roboterschweißens haben sich jedoch als eine Technologie erwiesen, die vielen Erstausrüstern dabei hilft, Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Durchsatz zu steigern

Die Technologie der Signaturbildverarbeitung wurde seit den späten 1990er Jahren entwickelt, um elektrische Daten in Echtzeit zu analysieren, die beim automatisierten Roboterschweißen gesammelt wurden, und so die Optimierung von Schweißnähten zu ermöglichen.

Roboterschweißgeräte

Roboterschweißen kombiniert Schweißen, Robotik, Sensorik, Steuerungssysteme und künstliche Intelligenz. Zu den Komponenten gehören die Software mit spezifischer Programmierung, die Schweißausrüstung, die die Energie von der Schweißstromquelle zum Werkstück liefert, und der Roboter, der die Ausrüstung zum Schweißen verwendet.

Die Prozesssensoren des Roboters messen die Parameter des Schweißprozesses und seine geometrischen Sensoren die geometrischen Parameter der Schweißnähte. Durch das Erfassen und Analysieren der Eingabeinformationen von den Sensoren passt das Steuersystem die Ausgabe des automatisierten Schweißprozesses basierend auf den im Programm definierten Schweißverfahrensspezifikationen an.

Je nach Verwendungszweck können Roboter Roboterarme oder Roboterportale sein. Üblicherweise werden sechsachsige Industrieroboter mit einem dreiachsigen Unterarm und einem dreiachsigen Handgelenk verwendet, da sie es ermöglichen, den Schweißbrenner am Handgelenk zu montieren, um alle für das dreidimensionale Schweißen erforderlichen Positionen zu erreichen.

Das System muss in den Roboter integriert werden, und die Schweißausrüstung muss mit dem Roboterschweißen kompatibel und vorzugsweise speziell dafür ausgelegt sein, da dann alle Prozesse vom Roboter gesteuert werden können.

Wie Roboterschweißen funktioniert ?

Bei der Verwendung von Robotern für irgendeinen Prozess muss das Verfahren geändert werden, um eine Automatisierung zu ermöglichen. Dasselbe gilt für das Schweißen, das mehrere Werkzeuge verwendet, die in seinem manuellen Äquivalent nicht zu finden sind. Menschen müssen nicht wie Roboterschweißer programmieren.

Der Roboter selbst hat einen Arm, der sich in drei Dimensionen für geradlinige Typen und durch mehr Ebenen mit Gelenkversionen bewegen kann. Ein Drahtvorschubgerät schickt den Schweißdraht an den Roboter, wie er ihn für eine Schweißaufgabe benötigt. Ein Hochtemperaturbrenner am Ende des Arms schmilzt Metall, um den Schweißprozess zu ermöglichen. Da die Temperaturen Tausende von Grad erreichen, sorgt der Einsatz von Robotern für diesen Prozess für mehr Sicherheit.

Zertifizierte menschliche Bediener müssen weiterhin in der Nähe der Roboter bleiben. Diese Arbeiter sollten über eine Zertifizierung der American Welding Society, AWS, verfügen, die nicht nur manuelle Schweißer, sondern auch Bediener von Roboterschweißarmen zertifiziert. Die Bediener programmieren die Steuerung mit einem Programmierhandgerät. Dieses Gerät stellt neue Programme ein, bewegt den Arm und ändert Parameter für den Prozess. Um das Schweißen zu starten, verwendet der Bediener die Tasten auf der Bedienbox.

Das Werkzeug im Roboterarm erhitzt sich, um Metall zu schmelzen und die gewünschten Teile zu verbinden. Bei Bedarf führt ein Drahtvorschub mehr Metalldraht zum Arm und Brenner. In Erwartung der nächsten zu schweißenden Teile bewegt der Arm den Brenner zum Reiniger, um alle Metallspritzer vom Arm zu entfernen, die sich ohne diesen Prozess an Ort und Stelle verfestigen könnten.

Da einer der Hauptgründe für Schweißroboter der Schutz menschlicher Arbeiter ist, verfügen diese automatisierten Systeme über mehrere Sicherheitsfunktionen. Lichtbogenabschirmungen verhindern, dass sich der Hochtemperaturlichtbogen mit Sauerstoff vermischt. Geschlossene Bereiche schützen die Bediener vor den Temperaturen und hellem Licht.

Vorteile des Roboterschweißens

Die Automatisierung einer Fabrik mit Schweißrobotern bietet mehrere Vorteile, darunter schnellere, konsistente Zykluszeiten, keine Produktionsunterbrechung und eine bessere Schweißqualität. Grundsätzlich dauert der Prozess durch die Verwendung von Schweißroboterautomatisierung weniger Zeit, und die Hersteller können die Kosten für direkte Arbeit und Sicherheit senken und Materialien sparen.

Roboter-Schweißzellen sorgen für eine noch sicherere Arbeitsumgebung, da Lichtbogenblendung, Overspray und direkter Kontakt mit dem Roboter und dem Teil drastisch reduziert werden. Ein Schweißroboter ist beständiger und kann schnell von einer Schweißnaht zur nächsten wechseln, wodurch der gesamte Prozess beschleunigt wird.

• Weniger Zeitaufwand :Roboterschweißsysteme erledigen die Arbeit schnell. Egal, ob Sie neue oder gebrauchte Schweißroboter haben, sie machen weniger Fehler als manuelles Schweißen. Im Gegensatz zu Arbeitern benötigen Roboter keine Pausen, Urlaube usw. Ihre Arbeit kann ohne Unterbrechung rund um die Uhr fortgesetzt werden. Dies wiederum erhöht Ihren Durchsatz und Ihre Produktivität.
• Reduzieren Sie die Kosten für direkte Arbeit und Sicherheit: Die Kosten für manuelles Schweißen können hoch sein. Es erfordert Zeit, Geschick und Konzentration. Es ist auch gefährlich. Blitze, Dämpfe, Funken und Hitze machen manuelles Schweißen zu einer anstrengenden und gefährlichen Arbeit. Mit Roboterschweißen schützen Sie Arbeiter und senken Kosten. Diese Systeme halten die Gefahren aus und erhöhen oft die Produktion. Auch Versicherungs- und Unfallkosten werden erheblich reduziert.
• Materialien sparen: Auch die geschicktesten Schweißer machen Fehler. Bei neuen und gebrauchten Schweißrobotern ist jedoch alles geregelt, einschließlich Strom und Draht. Automatisierte gebrauchte Schweißrobotersysteme sparen Energie, indem sie konstant laufen (weniger Anläufe). Außerdem sind die erzeugten Schweißnähte gleichmäßiger. Die Genauigkeit von Robotersystemen bedeutet weniger Material- und Zeitverschwendung. Schonen Sie Ihr Material und steigern Sie gleichzeitig Ihre Produktqualität!

Einige Unternehmen stellen schrittweise auf Roboterschweißanwendungen um, beginnend mit einer einzelnen Schweißzelle und stellen sie langsam auf einen vollautomatischen Schweißprozess um. Roboter können hilfreich sein, wenn der Zugang zu einem Teil eingeschränkt oder schwer zu erreichen ist. Hersteller haben Designs entwickelt, die es einem schlanken Roboterarm ermöglichen, kleinere Bereiche zu erreichen.

Einschränkungen

Ein Problem beim Schweißen mit Robotern ist, dass die verwendeten Kabel und Schläuche für Strom und Luft etc. dazu neigen, die Bewegungskapazität des Roboterhandgelenks einzuschränken.

Eine Lösung für dieses Problem ist das Drehgelenk, das den Durchgang von Druckluft, Kühlwasser, elektrischem Strom und Signalen innerhalb einer einzigen rotierenden Einheit ermöglicht.

Die Schwenkeinheit ermöglicht auch eine Offline-Programmierung, da alle Kabel und Schläuche entlang definierter Bahnen des Roboterarms geführt werden können.

Weitere Einschränkungen des Roboterschweißens:

• Aufwändige Endbenutzer-Programmierung, nicht benutzerfreundlich, nur für Spezialisten
• Eingeschränkte APIs, die eine einfache Änderung erschweren
• Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) funktioniert nicht wirklich. Systeme erfordern Anpassung und Schulung. Schwierig, Roboterschweißsysteme anzupassen.
• Herausforderungen bei der Konnektivität, Mangel an miteinander verbindbaren Standards
• Ersetzt menschliche Arbeit
• Technologie veraltet

Roboterschweißprozesse

Schweißen erfordert ein hohes Maß an Ausbildung und Können. Die Zahl der professionellen Schweißer entspricht jedoch nicht den Anforderungen der Branche. Laut der American Welding Society werden der Branche bis 2022 450.000 Schweißer fehlen. Anstatt kritische Projekte zuzulassen, würden diese Mitarbeiter vollständig ins Hintertreffen geraten, Roboter können die Lücke schließen.

Roboter automatisieren den Prozess, was eine höhere Genauigkeit, weniger Abfall und einen schnelleren Betrieb gewährleistet. Mit der Auswahl an verfügbaren Maschinen passen sich Roboter an eine Vielzahl von Schweißverfahren an, darunter Lichtbogen-, Widerstands-, Punkt-, WIG-Schweißen und mehr.

1. Lichtbogenschweißen

Eine der häufigsten Arten des Roboterschweißens ist das Lichtbogenverfahren. Bei dieser Methode erzeugt ein Lichtbogen extreme Hitze von bis zu 6.500 Grad Fahrenheit, die das Metall schmilzt. Geschmolzenes Metall verbindet Teile und erstarrt nach dem Abkühlen zu einer stabilen Verbindung. Wenn ein Projekt eine große Menge präzise verbundener Metalle erfordert, ist das Lichtbogenschweißen eine ideale Anwendung.

2. Widerstandsschweißen

Wenn Projekte eine Wärmebehandlung oder eine Möglichkeit zur Kostensenkung benötigen, können Roboter das Widerstandsschweißen verwenden. Während dieses Vorgangs erzeugt ein elektrischer Strom einen Pool aus geschmolzenem Metall, wenn er zwischen den beiden Metallbasen hindurchfließt. Dieses geschmolzene Metall verbindet die Metallstücke miteinander.

3. Punktschweißen

Einige Materialien widerstehen elektrischen Strömen, was sie von anderen Schweißarten ausschließt. Diese Situation tritt häufig in der Automobilindustrie beim Zusammensetzen von Teilen einer Automobilkarosserie auf. Um dieses Problem zu lösen, verwenden Roboterschweißer eine Variante des Widerstandsschweißens, um ein Paar dünner Metallbleche an einer einzigen Stelle zu verbinden.

4. WIG-Schweißen

Roboterschweißanwendungen, die ein hohes Maß an Präzision erfordern, können WIG-Schweißen erfordern. Dieses Verfahren ist auch unter dem Begriff Gas Wolfram Arc Welding oder GTAW bekannt. Zwischen einer Wolframelektrode und der Metallbasis verläuft ein Lichtbogen.

5. MIG-Schweißen

Metallschutzgasschweißen, auch bekannt als GMAW oder MIG, ist ein schnelles und unkompliziertes Verfahren, das einen hohen Abscheidungsgrad verwendet. Ein Draht bewegt sich kontinuierlich zur erhitzten Spitze des Schweißers, der den Draht schmilzt, wodurch eine große Menge geschmolzenen Metalls auf die Basis tropfen kann, um die Basis mit einem anderen Teil zu verbinden.

6. Laserschweißen

Wenn Schweißprojekte Genauigkeit für eine große Anzahl von Teilen erfordern, ist das Laserschweißen die bevorzugte Methode zum Verbinden von Metallen. Kleine Teile wie Schmuck oder medizinische Komponenten werden häufig mit Laserschweißen hergestellt.

7. Plasmaschweißen

Das Plasmaschweißen bietet den größten Grad an Flexibilität, da der Bediener sowohl die Geschwindigkeit des durch die Düse strömenden Gases als auch die Temperatur leicht ändern kann.

Roboterschweißanwendungen

Aufgrund seiner zeitsparenden Vorteile und hohen Produktivität ist das Roboterschweißen in der Metall- und Schwerindustrie und insbesondere in der Automobilindustrie, die Punkt- und Laserschweißen einsetzt, wichtig geworden.

Es eignet sich am besten für kurze Schweißnähte mit gekrümmten Oberflächen und wiederholbaren, vorhersehbaren Aktionen, die keine kontinuierlichen Verschiebungen und Änderungen im Schweißprozess erfordern. Mit Hilfe externer Achsen eignet sich der Roboter auch für lange Schweißnähte, beispielsweise im Schiffbau.

Obwohl das Roboterschweißen hauptsächlich in der Massenproduktion eingesetzt wird, in der Effizienz und Quantität von entscheidender Bedeutung sind, können Programme für alle Anforderungen erstellt werden, und Roboter können für kleinere und sogar einmalige Produktionen bei gleichzeitig hoher Kosteneffizienz eingesetzt werden.

Roboter vs. Manuelles Schweißen

Das manuelle Schweißen hat immer noch einen Platz in der modernen Fertigung. Für Projekte, bei denen Sie einen Experten benötigen, um die verwendeten Schweißarten schnell zu ändern, ist manuelles Schweißen die beste Wahl. Ein professioneller Schweißer kann sofort ändern, was er tut, aber Roboter passen sich nicht so schnell an unsichere Situationen an.

Da manuelles Schweißen nach wie vor ein Prozess ist, den viele Unternehmen noch benötigen, werden professionelle Schweißer so schnell nicht verschwinden. Angesichts des oben erwähnten Mangels an erfahrenen Schweißern finden diejenigen mit einer Zertifizierung leicht Arbeit, selbst wenn mehrere Unternehmen in Roboter investieren.

Das Ersetzen manueller Schweißgeräte durch Roboter wird AWS nicht aus seinem Zertifizierungsgeschäft herausnehmen. Die meisten Bediener von Roboterschweißgeräten müssen eine Zertifizierung auf der Robotikseite dieses Bereichs besitzen, für die die AWS ebenfalls Zertifizierungen anbietet. Roboterexperten zu haben, die sich mit Schweißen auskennen, stellt sicher, dass die Projekte richtig programmiert werden, um so schnell und kostengünstig wie möglich fertig zu werden.

Video zum Roboterschweißen