Fette Bleche dick verschweisst

© Sigrid Rauchdobler

Zwanzig Tonnen schwer und bis zu 200 Millimeter dick — niemals zuvor schweißte ein Laserhybridschweißkopf von Fronius International GmbH Bleche mit diesen Dimensionen wie bei TRUMPF in Österreich. Dort entstehen voll automatisiert tonnenschwere Gestelle für Biegemaschinen.

Bei einer Umfrage in der Fußgängerzone würden die meisten Menschen auf die Frage „Was fällt Ihnen zu Blech ein?“ wohl spontan etwas wie „Backblech“ oder „Kotflügel“ antworten. Jedenfalls nicht das, was Herbert Staufer, Leiter Hochleistungsschweißen bei Fronius International, jedes Mal vor Augen hat, wenn er die Halle von TRUMPF Österreich in Pasching betritt. Vier Meter lang sind die Stahlbleche dort und so dick, dass das unterste ihm bis zum Knöchel reicht — insgesamt 200 Millimeter. Staufer kennt sich mit dem Material aus, schließlich gehört Fronius zu den führenden Anbietern von Hybridschweißanlagen.

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Fertig geschweißtes Gerüst vor der Halle in der Halle, in der die Schweißanlage arbeitet. Foto | Sigrid Rauchdobler

In der Regel besucht er Pasching als Kunde. Für ein gemeinsames Projekt durfte er allerdings in die Rolle des Lieferanten schlüpfen. Warum, das erklärt sein Projektpartner und Kunde Thomas Reiter, Leiter der Blechfertigung in Pasching: „Wir verschweißen diese Bleche zu Maschinenrahmen für unsere Biegemaschinen und das ist eine spezielle Geschichte.“ Um zu zeigen, wie diese Schweißungen funktionieren, lassen die beiden die Bleche hinter sich liegen und schlendern auf eine graue Wand zu — die fensterlose Außenwand einer Halle in der Halle. Winzig erscheint dagegen der Scheibenlaser TruDisk 8002, der danebensteht.

320 Tonnen Presskraft

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Nur mit so dicken Blechen lassen sich Maschinengerüste bauen, die ohne Präzisionsverlust Hunderte von Tonnen Presskraft aufnehmen können. Foto | Sigrid Rauchdobler

Auf der anderen Seite der Wand, im Inneren dieser riesigen Laserschutzkabine, stemmt die Hydraulik zwanzig Tonnen empor und kippt die aufgespannten Stahlbleche in den richtigen Winkel. Ein Portal fährt über die Vorrichtung und der Roboterarm mit dem Hybridschweißkopf senkt sich herab. Langsam fährt er die ersten Fügestellen ab und wärmt mit Laserlicht das Material vor. Dann folgt das Funkenfeuerwerk: Der Laserstrahl und der Lichtbogen des Metallaktivgas (MAG)-Schweißbrenners verbinden in gemeinsamer Arbeit die Bleche. Die bis zu acht Millimeter tiefen Schweißungen werden später die Belastungen aus bis zu 320 Tonnen Presskraft aufnehmen. Hub für Hub — ein ganzes Biegemaschinenleben lang.

Das Beste aus zwei Welten

TruDisk 8002

Der Scheibenlaser ist wegen der Unempfindlichkeit gegenüber Rückreflexionen das ideale Laserwerkzeug für das Laser-Hybridschweißen. Bei den kompakten fasergeführten TruDisk Lasern von TRUMPF werden energieeffiziente Diodenlaser als Anregungsquelle genutzt. Die Scheibe sorgt anschließend für die hohe Strahlqualität. Der TruDisk 8002 hat eine Leistung von 8 kW.

Draußen verfolgen Staufer und Reiter den Prozess am Monitor. „Früher haben wir die Gerüste extern schweißen lassen — per Hand! Das dauerte eine ganze Woche. Wir wollten aber effizienter werden“, erklärt Reiter. Als geeignetes Verfahren hatte er gleich das Laserhybridschweißen im Sinn: „Das Schweißen geht wesentlich schneller, weil ein einziger Durchgang reicht und wir nicht wie beim Lichtbogenschweißen Raupe auf Raupe legen müssen. Zudem können wir den Laser gleich noch zum Vorwärmen verwenden und die Qualitätssicherung ist in dem automatisierten Prozess viel leichter.“

Das Schweißen geht wesentlich schneller, weil ein einziger Durchgang reicht.

Thomas Reiter, Leiter der Blechfertigung in Pasching

Diese Lösung war deshalb sein „Plan A“. Der „Plan B“ für alle Fälle sah eine Automatisierungslösung vor, die mit einem konventionellen MAG-Schweißroboter arbeitet. „Dann hätten wir aber noch eine Vorwärmstation gebraucht und nachträgliches Spannungsarmglühen“, sagt Reiter. Das wollte keiner. Doch hinter Plan A stand noch ein dickes Fragezeichen, wie Staufer deutlich macht: „Wir haben schon über hundert Laserhybridschweißköpfe ausgeliefert. Aber die dicksten Bleche, die uns davor begegnet waren, reichten bis etwa zehn Millimeter.“

Mut zu weniger Tiefe

Der Schweißkopf | Foto: Sigrid Rauchdobler

Der von Fronius International entwickelte Schweißkopf | Foto: Sigrid Rauchdobler

Zwei Jahre zuvor: Reiter und Staufer sitzen, wie so häufig damals, im Entwicklungslabor bei Fronius und blicken etwas ratlos auf Schliffbilder. Durch die Schweißwurzel ziehen sich feine Risse und Verunreinigungen und machen die Naht unbrauchbar. Dabei waren sie so zuversichtlich: „Mit den acht Kilowatt Laserleistung kommen wir ohne Weiteres zwölf Millimeter tief in das Material. Unten im Keyhole allerdings bekamen wir einfach keine Kontrolle über den Prozess“, erläutert Staufer. Die Rissbildung legte nahe, dass es am Vorwärmen lag. Aber: „Egal wie wir die Temperaturen variierten — und mit dem Laser als Vorwärmwerkzeug haben wir ja maximale Kontrolle –, an der Rissbildung änderte sich nichts.“ Alles sprach dafür, auf Plan B zu schwenken. Doch dann kamen sie in einer der Sitzungen — „vielleicht weil es um die Kehrtwende ging“, lacht Reiter heute — auf den Gedanken, stattdessen bei der Schweißstrategie kehrtzumachen. „Wir haben uns gefragt: Brauchen wir überhaupt eine derart tiefe Schweißnaht, um eine absolut stabile Verbindung zu erhalten?“, erinnert er sich. Staufer und sein Laserteam bei Fronius begannen also mit dem Rückzug bei der Einschweißtiefe und konnten ab Millimeter zehn aufatmen: Die Qualität der Schweißnaht verbesserte sich kontinuierlich. „Das optimale Schweißergebnis erzielten wir schließlich bei acht Millimetern“, so Staufer.

Auf der Kippe

Eine frische Kehlnaht, rund acht Millimeter tief. Foto | Sigrid Rauchdobler

Eine frische Kehlnaht, rund acht Millimeter tief. Foto | Sigrid Rauchdobler

Mit diesem Teilsieg in der Tasche konnte das Projektteam sich dem nächsten Problem zuwenden. „Der Schweißprozess verläuft nur dann optimal, wenn das Laserlicht im richtigen Winkel auf das Material trifft“, sagt Staufer. „Die Freiheitsgrade des Roboters genügten jedoch nicht, um jede Stelle zu erreichen.“ Zum Glück kannte Staufer den richtigen Mann. Raimund Geh liebt solche Probleme und hat sich mit seiner Firma Femitec GmbH in Gersthofen bei Augsburg auf die Konzeption von Schweißanlagen spezialisiert. Seine Logik: „Wenn der Roboterarm mit der Laserhybridschweißanlage nicht vernünftig an die Fügestelle kommt, lassen wir eben die Bauteile zum Schweißkopf kommen.“ Das Ergebnis war ein Kipptisch, auf dem die Bauteile eingespannt werden. „So schaffen wir es, in Wannenlage zu schweißen.“ Dafür entwickelte Geh und sein Team eine aufwendige Simulation. Jetzt galt es nur noch, sie in die Wirklichkeit zu hieven.

 

Es ist ja auch nur eine Spannvorrichtung auf einem kippbaren Maschinentisch — nur etwas größer.

Otwin Kleinschmidt, Leiter des Projektmanagements

Das übernahm Yaskawa Europe, ein weltweit führender Hersteller in den Bereichen Antriebstechnik, Industrieautomatisierung und Robotik. Otwin Kleinschmidt, Leiter des Projektmanagements, kippt seine Handfläche in den entscheidenden 45-Grad-Winkel und sagt: „Im Prinzip ganz einfach. Es ist ja auch nur eine Spannvorrichtung auf einem kippbaren Maschinentisch.“ Er grinst. „Eben etwas größer.“ Die erste große Herausforderung bei der Umsetzung war daher, die Hydraulik so auszulegen, dass sie die tonnenschweren Bauteile millimetergenau und unerschütterlich in Position hält. „So kann der Schweißroboter die Bahn präzise einhalten“, erklärt Kleinschmidt. Die andere war die Abstimmung der Bewegungen von Roboter und Portal. Nach vier Monaten war alles an seinem Platz.

Thomas Reiter von TRUMPF und Herbert Staufer von Fronius. Foto | Sigrid Rauchdobler

Thomas Reiter von TRUMPF (l.) und Herbert Staufer von Fronius in Pasching. Foto | Sigrid Rauchdobler

Bahn um Bahn

Fronius

Das Unternehmen mit Sitz in Österreich beschäftigt mehr als 3.300 Mitarbeiter. Es ist spezialisiert auf Technologien und Lösungen zur Kontrolle und Steuerung von Energie mit den Schwerpunkten Schweißtechnik, Batterieladesysteme und Solarelektronik.

Zurück in die Fertigungshalle in Pasching. Staufer und Reiter gehen noch einmal die einzelnen Stationen der Anlage ab. Vor ihr stehen die Bauteile auf Paletten bereit. Ein Kran hilft einem Mitarbeiter, die Bleche auf der Rüstvorrichtung zu positionieren. Zwei Stunden dauert es, bis alles perfekt sitzt — klingt viel, doch gemessen an den Bauteilen, mit denen der Mensch hantiert, ist es eine extrem schnelle Lösung. Dann fährt der Tisch auf Schienen in die Laserschutzkabine ein.

Während der Schweißroboter nun seine Bahnen zieht, geht der Mitarbeiter auf die andere Seite der Schutzkabine und beginnt dort, den nächsten Maschinenrahmen auf dem zweiten Rüsttisch aufzuspannen. „Pro Woche schaffen wir es, mit der Anlage über 20 Maschinenrahmen zu schweißen“, sagt Reiter. Auch Staufer ist zufrieden: „Den Schweißprozess konnten wir bereits für einen anderen Auftrag verwenden.“

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