Roboter-Schweißen erklärt: Prozesse, Vorteile und Anwendungen

Schweißen ist ein Prozess, bei dem zwei Materialien durch Erhitzen, Vermischen und anschließendes Abkühlen der Materialien und/oder eines Zusatzwerkstoffs zu einer festen Verbindung verschmolzen werden. Vom Lichtbogenschweißen bis zum Punktschweißen – neue und gebrauchte Schweißroboter werden typischerweise in Prozessen eingesetzt, bei denen die Naht 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. Prozesse wie Metall-Schutzgasschweißen (MIG), die oft automatisiert sind, sind nicht zwingend gleich Roboter-Schweißen, da ein menschlicher Bediener manchmal die zu schweißenden Materialien vorbereitet.

Roboter-Schweißen wird häufig für Widerstandspunktschweißen und Lichtbogenschweißen in Hochproduktionsanwendungen genutzt, z. B. in der Automobilindustrie.

Roboter-Schweißen ist eine relativ neue Robotikanwendung, obwohl Roboter bereits in den 1960ern in die US-Industrie eingeführt wurden. Der Durchbruch kam in den 1980ern, als die Automobilindustrie Roboter massenhaft für Punktschweißen einsetzte.

Seither wuchsen sowohl Roboteranzahl in der Industrie als auch ihre Anwendungen stark. 2005 waren in Nordamerika über 120.000 Roboter im Einsatz, etwa die Hälfte zum Schweißen. Wachstum wird primär durch hohe Anlagenkosten und daraus resultierende Beschränkung auf Hochproduktionsanwendungen begrenzt.

Roboter-Lichtbogenschweißen wächst erst kürzlich stark und macht bereits ca. 20 % der industriellen Roboteranwendungen aus. Hauptkomponenten von Lichtbogenschweißrobotern: Manipulator (mechanische Einheit) und Steuerung – das „Gehirn“ des Roboters.

Der Manipulator bewegt den Roboter; Designs lassen sich in gängige Typen kategorisieren: SCARA und kartesischer Koordinatenroboter, die unterschiedliche Koordinatensysteme zur Armsteuerung 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 OEMs hilft, Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Durchsatz zu steigern.

Die Technologie der Signaturbildverarbeitung wurde seit Ende der 1990er für die Echtzeitanalyse elektrischer Daten aus automatisiertem Roboterschweißen entwickelt, was die Optimierung von Schweißnähten ermöglicht.

Roboter-Schweißausrüstung

Roboter-Schweißen vereint Schweißen, Robotik, Sensortechnik, Steuerungssysteme und künstliche Intelligenz. Komponenten: Software mit spezifischer Programmierung, Schweißausrüstung (Energieübertragung von Schweißstromquelle zum Werkstück), Roboter (nutzt Ausrüstung zum Schweißen).

Prozesssensoren messen Schweißprozessparameter, geometrische Sensoren die geometrischen Nahtparameter. Durch Erfassung und Analyse der Sensoreingangsdaten passt das Steuerungssystem den Output des robotergestützten Schweißprozesses basierend auf den im Programm definierten Schweißverfahrensspezifikationen an.

Je nach Verwendungszweck: Roboterarme oder Roboterportale. Normalerweise Sechs-Achs-Industrieroboter (dreiachsiger Unterarm + dreiachsiges Handgelenk), da sie ermöglichen, den Schweißbrenner am Handgelenk zu montieren für alle Positionen dreidimensionalen Schweißens.

Systemintegration mit Roboter nötig, Schweißausrüstung muss kompatibel und idealerweise speziell für Roboter-Schweißen ausgelegt sein – dann können alle Prozesse vom Roboter gesteuert werden.

Wie Roboter-Schweißen funktioniert

Bei Roboter-Einsatz für beliebige Prozesse muss die Methode für Automatisierung angepasst werden. Gleiches gilt für Schweißen – es nutzt Werkzeuge, die im manuellen Pendant nicht existieren. Menschen brauchen keine Programmierung wie Roboter-Schweißer.

Der Roboter hat einen Arm, der sich in drei Dimensionen bewegt (rektilinear) bzw. durch mehr Ebenen (artikuliert). Drahtvorschub führt Zusatzdraht zu, wenn der Roboter ihn für einen Schweißjob braucht. Hochtemperaturbrenner am Armende schmilzt Metall für den Schweißprozess. Da Temperaturen tausende Grad erreichen, schützt Roboter-Einsatz Menschen.

Zertifizierte menschliche Bediener müssen in Robonähe bleiben. Diese sollten AWS-Zertifizierung (American Welding Society) haben – zertifiziert nicht nur manuelle Schweißer, sondern auch Roboter-Schweißarm-Bediener. Bediener programmieren Steuerung über Teach Pendant. Dieses Gerät setzt neue Programme, bewegt Arm, ändert Prozessparameter. Zum Schweißstart: Tasten am Bedienfeld.

Werkzeug im Roboterarm erhitzt, schmilzt Metall zur Verbindung der gewünschten Teile. Bei Bedarf liefert Drahtvorschub mehr Draht an Arm und Brenner. Beim Warten auf nächste Teile: Arm bewegt Brenner zur Reinigung, um Metallspritzer zu entfernen, die sonst fest anbacken würden.

Da ein Hauptgrund für Roboter-Schweißen der Schutz menschlicher Arbeiter ist, haben diese Systeme diverse Sicherheitsfeatures. Lichtbogenschilde verhindern Mischung des Hochtemperaturbogens mit Sauerstoff. Einhausungen schützen Bediener vor Temperaturen und hellem Licht.

Vorteile des Roboter-Schweißens

Mehrere Vorteile bei Fabrikautomatisierung mit Schweißrobotern: schnellere, konsistente Zykluszeiten, keine Produktionsunterbrechung, bessere Nahtqualität. Kurz: Durch robotergestützte Schweißautomatisierung dauert der Prozess kürzer, Hersteller senken direkte Arbeits- und Sicherheitskosten und schonen Material.

Roboter-Schweißzellen bieten sicherere Arbeitsumgebung, drastisch reduzierte Lichtbogenblendung, Überspritzer und direkter Kontakt mit Roboter und Teil. Roboter-Schweißer ist konsistenter und bewegt sich schnell von Naht zu Naht – beschleunigt Gesamtprozess.

• Weniger Zeit: Roboter-Schweißsysteme erledigen den Job schnell. Ob neue oder gebrauchte Roboter – weniger Fehler als manuelles Schweißen. Roboter brauchen keine Pausen, Urlaub etc. Arbeit läuft ununterbrochen 24/7. Erhöht Durchsatz & Produktivität.
• Direkte Arbeits- & Sicherheitskosten senken: Manuelles Schweißen ist teuer. Erfordert Zeit, Können, Konzentration. Auch gefährlich. Lichtbogen, Dämpfe, Funken, Hitze machen manuelles Schweißen anstrengend und riskant. Roboter-Schweißen schützt Arbeiter und senkt Kosten. Systeme ertragen Gefahren und steigern oft Produktion. Versicherungs- und Unfallkosten deutlich reduziert.
• Material schonen: Selbst beste Schweißer machen Fehler. Mit neuen/gebrauchten Schweißrobotern ist alles geregelt – Leistung, Draht. Automatisierte Systeme sparen Energie durch konsistenten Lauf (weniger Anläufe). Schweißnähte konsistenter. Genauigkeit = weniger Material- und Zeitverschwendung. Material schonen UND Produktqualität steigern!

Manche Firmen steigen schrittweise um: einzelne Schweißzelle, dann langsam vollautomatisierter Prozess. Roboter helfen bei begrenztem/schwer erreichbarem Teilezugang. Hersteller bieten schlanke Roboterarme für kleine Bereiche.

Grenzen

Ein Problem: Kabel und Schläuche für Strom, Luft etc. begrenzen Bewegungskapazität des Roboterhandgelenks.

Lösung: Schwenkgelenk (Swivel) – erlaubt Durchführung von Druckluft, Kühlwasser, Strom, Signale in einer drehbaren Einheit.

Schwenkeinheit ermöglicht auch Offline-Programmierung, da alle Kabel/Schläuche entlang definierter Roboterarm-Pfade geführt werden können.

Weitere Grenzen des Roboter-Schweißens:

• Komplexe Endanwender-Programmierung, nicht benutzerfreundlich, nur für Spezialisten
• Begrenzte APIs – einfache Änderungen kompliziert
• Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) funktioniert nicht wirklich. Systeme brauchen Anpassung und Training. Roboter-Schweißsysteme schwer anpassbar.
• Konnektivitätsherausforderungen, fehlende interconnectable Standards
• Ersetzt menschliche Arbeit
• Technik veraltet

Roboter-Schweißprozesse

Schweißen erfordert hohes Ausbildungs- und Qualifikationsniveau. Doch Anzahl professioneller Schweißer deckt Branchenbedarf nicht. Laut AWS wird die Industrie bis 2022 einen Mangel von 450.000 Schweißern erleben. Statt kritische Projekte zurückzustellen, können Roboter die Lücke füllen.

Roboter automatisieren den Prozess → höhere Genauigkeit, weniger Ausschuss, schnellere Operation. Mit Maschinenvielfalt passen Roboter sich diversen Schweißprozessen an: Lichtbogen, Widerstand, Punkt, WIG, und mehr.

1. Lichtbogenschweißen (Arc Welding)

Einer der häufigsten Roboter-Schweißtypen. Elektrischer Lichtbogen erzeugt extreme Hitze bis 6500 °F (3593 °C), schmilzt Metall. Schmelze verbindet Teile, erstarrt nach Abkühlung zur stabilen Verbindung. Bei Großvolumen präzise verbundener Metalle: ideale Anwendung.

2. Widerstandsschweißen (Resistance Welding)

Bei Wärmebehandlung oder Kostensenkung: Roboter nutzen Widerstandsschweißen. Stromdurchgang zwischen zwei Metallbasen erzeugt Schmelzbad. Schmelze verbindet Metallstücke.

3. Punktschweißen (Spot Welding)

Manche Materialien widerstehen Strom – schließen andere Schweißformen aus. Häufig in Autoindustrie für Karosserieteile. Lösung: Roboter nutzen Widerstandsschweißvariante zum Verbinden zweier dünner Bleche an einem Punkt.

4. WIG-Schweißen (TIG Welding)

Roboteranwendungen mit höchster Präzision erfordern WIG-Schweißen. Auch Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW). Elektrischer Bogen zwischen Wolframelektrode und Metallbasis.

5. MIG-Schweißen (MIG Welding)

Metall-Schutzgasschweißen (GMAW/MIG): schnelles, unkompliziertes Verfahren mit hoher Abschmelzleistung. Draht bewegt sich kontinuierlich zur beheizten Brennerspitze, schmilzt Draht → große Menge Schmelze tropft auf Basis zur Verbindung mit anderem Stück.

6. Laserschweißen (Laser Welding)

Bei hoher Genauigkeit für Großserienteile: Laserschweißen bevorzugte Metallfügemethode. Kleine Teile wie Schmuck oder Medizinkomponenten nutzen oft Laserschweißen.

7. Plasmaschweißen (Plasma Welding)

Plasmaschweißen bietet höchste Flexibilität – Bediener kann Gasgeschwindigkeit durch Düse und Temperatur leicht ändern.

Roboter-Schweißanwendungen

Durch Zeitersparnis und hohe Produktivität ist Roboter-Schweißen in Metall- und Schwerindustrie wichtig, besonders in Automobilindustrie mit Punktschweißen und Laserschweißen.

Am besten geeignet für kurze Nähte mit gekrümmten Flächen und wiederholbare, vorhersehbare Aktionen ohne kontinuierliche Prozessumstellungen. Mit externen Achsen auch für lange Nähte geeignet, z. B. Schiffbau.

Obwohl meist in Massenfertigung (Effizienz, Menge essenziell), können Programme für beliebige Bedürfnisse erstellt werden – Robotik auch für kleine und Einzelfertigung bei hoher Kosteneffizienz nutzbar.

Roboter- vs. Manuelles Schweißen

Manuelles Schweißen hat weiterhin Platz in moderner Fertigung. Projekte, die schnellen Wechsel der Schweißarten erfordern: manuelles Schweißen beste Wahl. Profi kann prompt umschalten, Roboter passen sich unsicheren Situationen nicht so schnell an.

Da manuelles Schweißen weiter gebraucht wird, verschwinden Profi-Schweißer nicht bald. Im Gegenteil: mit oben genanntem Mangel finden Zertifizierte leicht Arbeit, auch wenn Firmen in Roboter investieren.

Ersetzen manueller Schweißer durch Roboter bedeutet nicht Ende der AWS-Zertifizierung. Die meisten Roboter-Schweißer-Bediener brauchen Zertifizierung im Robotik-Bereich, die AWS auch anbietet. Robotik-Experten mit Schweißwissen stellen sicher, dass Projekte optimal programmiert werden – schnell und kosteneffizient.

Roboter-Schweißen Video