Herr Tousch will Ruhe

© Photo | KD Busch

Kupfer auf Aluminium schweißen: Mit 72 Sekunden Taktzeit und hoher Zugfestigkeit schafft sich Viessmann Freiräume.

Die Halle kocht noch nicht, das passiert nur im Hochsommer. Trotzdem ist es warm. Die beiden Maschinenbediener sprühen sich Wassernebel ins Gesicht. Lichtflecken und Schatteninseln bilden Muster auf Alublech, Kupferrohren und der schnellsten Lasermaschine in der Solarbranche. Diese Spitzenposition hält sie seit 2010.

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Die Unternehmen

Mit mehr als 10.000 Mitarbeitern ist Viessmann einer der international führenden Hersteller für Heiztechnik-Systeme. Das familiengeführte Unternehmen sitzt im hessischen Allendorf. Das Werk für Solarthermie befindet sich in Faulquemont, in Lothringen.

Das Unternehmen DTEC aus dem ober­österrei­chischen Spital am Pyhrn ist Spezialist für Maschinenbau und Automatisierungstechnik in der Solarbranche, Automotiv- und Weißwarenindustrie. 2007 gegründet hat das Familienunternehmen heute 20 Mitarbeiter.

Die Technik

  • Die Rekordmaschine bei Viessmann ist eine PulsSpeed von DTEC. DTEC hat das Maschinenkonzept mittlerweile weiterentwickelt: Sie schweißt nicht nur die Rohre, sondern biegt sie auch. Sehen Sie in diesem Video die neue Generation der Pulsspeed Anlage in Aktion.
Claude-Tousch-Viessmann

Claude Tousch, Fertigungsleiter des Département Solaire von Viessmann in Faulquemont, Frankreich

Die Halle war einmal eine Lagerhalle und gehört zum lothringischen Werk von Viessmann. Das Unternehmen aus dem hessischen Allendorf hat dort seine Fertigung von Sonnenkollektoren für Solarthermie angesiedelt und diese dehnte sich schnell aus. Im schattigeren hinteren Teil biegen und fügen Spezialmaschinen Kupferrohre zu Mäandern. Im vorderen Teil steht die Rekord-Anlage und verschweißt Mäanderrohre und Alublech zu Absorbern, dem Herzstück eines Sonnenkollektors.

Damit sie das tun kann, musste Fertigungsleiter Claude Tousch Überzeugungsarbeit leisten: „Wir hatten eigentlich gar nicht geplant, neu zu investieren. Alles was wir wollten, war Kupfer durch Aluminium ersetzen.“

Denn Kupfer ist teuer und Absorber wurden damals noch komplett aus Kupfer gefertigt. Das Metall ist nicht nur sehr wärmeleitfähig sondern auch höchst korrosionsbeständig. Letzteres spielt aber nur für die Rohre eine Rolle. „Beim Absorber konnten wir im Prinzip sorglos auf Aluminium schwenken“, sagt Tousch. „Für die Funktion und Lebensdauer des Kollektors spielt es keine Rolle, bei den Materialkosten entlastet es uns aber deutlich.“

423 Kelvin Unterschied

Wo der Werkstoff allerdings eine Rolle spielt, ist beim damals bereits branchenüblichen Laserschweißprozess mit Punktnähten. Der Schmelzpunkt beider Metalle liegt weit auseinander. Kupfer schmilzt bei 1083,4 Grad Celsius, Aluminium schon bei 660,4 Grad Celsius. Wenn sich Kupfer also gerade mal wohlig dehnt, läuft das Aluminium längst davon. Dennoch sind die Werkstoffe nicht unschweißbar, wie Tousch erklärt: „Es kommt darauf an, eine Reihe von Bedingungen zu erfüllen.“

Die Fügepartner: Links der Coil mit dem beschichteten Blech. Rechts der Wagen mit den Mäanderohren.

Die Fügepartner: Links der Coil mit dem beschichteten Blech. Rechts der Wagen mit den Mäanderohren.

Um mit den extremen Unterschieden im Schmelzpunkt fertig zu werden, zielt der Schweißlaser nicht auf den Kontaktpunkt, in dem Rohr und Blech sich berühren. Stattdessen treffen die Pulse einige Hundertstel Millimeter oberhalb dieses Punktes auf das Kupferrohr, das dann einen Teil der entstehenden Hitze in das Aluminium abgibt.

Und wenn alles passt, wenn das Rohr fugenlos Kontakt zum Blech hat, wenn der Fokus perfekt sitzt, und wenn Pulsenergie und Pulsleistung genau dosiert sind, dann leitet das heiße, schmelzende Kupfer gerade so viel Energie in das Aluminium, dass es ebenfalls schmilzt. Die entstehende Serie aus Schweißpunkten fügt die Werkstücke. Die entscheidende Frage aber ist: Wie fest verbindet sie Rohr und Blech tatsächlich?

Da die Sonnenkollektoren von Viessmann sehr hohen Qualitätsansprüchen genügen sollen, definierte Tousch 30 Newton Punktabziehkraft als Ziel, das Doppelte dessen, was die Punktnähte mindestens aushalten müssen. Aber: „In hunderten Schweißversuchen kamen wir mit der alten Anlage nicht einmal in die Nähe.“

Tests auf DTECs Schweißanlage

„Mit diesem Frust im Bauch fuhr ich nach Österreich“, erinnert sich Claude Tousch. Der Geschäftsführer des Maschinenbauers DTEC, Michael Dietl, hatte Tousch etwas Besonderes versprochen: Tests auf DTECs neuer Schweißanlage für Absorberbleche – auf einer echten Installation, bei einem echten Viessmann-Wettbewerber.

Fertige Lasernaht auf der Vorderseite des Absorbers. Deutlich erkennbar ist die Kurve, die der Krümmung des Mäanderrohrs folgt.

Fertige Lasernaht auf der Vorderseite des Absorbers. Deutlich erkennbar ist die Kurve, die der Krümmung des Mäanderrohrs folgt.

Tousch und seine Kollegen packten ihre Bleche und Mäander aus, schweißten und staunten: Schon beim ersten Durchgang saß jeder einzelne Schweißpunkt! Das hatte das Team Zuhause meist nicht erreicht. Dann der kritische Zugtest: Die Punkte hielten bis 45 Newton – weit mehr als verlangt.

Kupfer-Alu-Schweißen mit PulsSpeed

Auch bei den nächsten Versuchen löste die PulsSpeed Anlage von DTEC die vielen „Wenns“ des Kupfer-Alu-Schweißprozesses bei jedem einzelnen Schweißpunkt zuverlässig ein.

Qualitätskontrolle direkt an der Maschine: Mit einem zerstörungsfreien Messverfahren testen die Mitarbeiter in der laufenden Produktion und in festgelegten Abständen die Qualität der Schweißung.

Qualitätskontrolle direkt an der Maschine: Mit einem zerstörungsfreien Messverfahren testen die Mitarbeiter in der laufenden Produktion und in festgelegten Abständen die Qualität der Schweißung.

Bis dahin war es in der Solarthermie üblich, den Kopf mit Sensoren am Rohr entlangzuführen. Die Sekundenbruchteile zwischen Sensormeldung und Steuerbefehl bedeuteten jedoch immer wieder kleine Abweichungen in der Fokuslage. Das gefährdet den Prozess bei Kupfer auf Aluminium.

„Wir setzen dagegen auf eine unverrückbare mechanische Führung: Eine Rolle drückt das Rohr an das Blech und der schwenkbare Schweißkopf folgt dem Rohr sogar um die Kurven“, erklärt Michael Dietl, „Damit ist der Wärmefluss gesichert, die Position des Rohrs immer exakt definiert und die Laser können nun gar nicht mehr anders, als sicher zu treffen.“

Ohne Pausen, ohne Mucken

Die Ingenieursleistung hat allerdings ihren Preis. „Ich war mir sicher, dass unsere Zukunft in dieser Anlage steckte“, sagt Tousch. „Wenn die Maschine schnell genug arbeitet, ließe sich mit ihr der ganze Prozess straffen und wir könnten unsere Lagerhaltung reduzieren.“ Voraussetzung dafür war: Er musste sich auf die Anlage hundertprozentig verlassen können. Sie musste arbeiten ohne Pausen, ohne Mucken, ohne ungeplante Zusatzkosten, Stillstandskosten, Reparaturkosten. Das schrieb er DTEC ins Pflichtenheft. Und die Taktzeit: alle 72 Sekunden ein fertiger Absorber.

Der Schweißkopf: Deutlich zu sehen sind die Rollen, die das Rohr auf das Absorberblech drücken und die beiden Schweißoptiken, die in der Kehle zwischen Rohr und Blech von beiden Seiten die Schweißpunkte setzen.

Der Schweißkopf: Deutlich zu sehen sind die Rollen, die das Rohr auf das Absorberblech drücken und die beiden Schweißoptiken, die in der Kehle zwischen Rohr und Blech von beiden Seiten die Schweißpunkte setzen.

Die Österreicher konzipierten die Anlage mit zwei Laserkammern. So kann sie mit einer Kammer weiterarbeiten, während die andere gewartet wird. Sieben von der Maschine gesteuerte Tische sind zwischen Beladestation und den Kammern unterwegs.

Die Pulse liefern vier TruPulse Laser von TRUMPF. Die Festkörperlaser arbeiten auch bei den für Kupfer so typischen Rückreflexion stabil. „Mit den Strahlquellen hatten wir noch nie Kummer. Wir wechseln die Lampen nach Plan und denken dann erst beim nächsten Wartungszyklus wieder an sie“, so Tousch.

DTEC-Maschine schweißt und schweißt und schweißt…

Die DTEC-Maschine läuft nun seit drei Jahren im lothringischen Faulquemont und schweißt 17 unterschiedliche Typen Solarabsorber. „Wir haben auf den Knopf gedrückt und seither arbeitet sie. Wir mussten noch nicht einmal die Parameter korrigieren“, erzählt Tousch.

Man kann die Zuverlässigkeit der Maschine sehen: Es gibt Platz. Maximal 50 Absorber lagern zwischen. Das würde der nachfolgenden Fertigungslinie gerade einmal vier Stunden lang reichen. „Wenn wir früher weniger als zehn Stunden Sicherheitsbestand hatten, bekam ich feuchte Hände“, sagt Tousch und fügt hinzu: „Heute produzieren wir viel weniger Absorber auf Vorrat, ich weiß aber ich kann meiner Maschine vertrauen.“ Er blickt auf die arbeitende Laserschweißanlage. „Wir haben ein bisschen mehr bezahlt für sie. Dafür ist jetzt Ruhe. Alle wollen Ruhe. Wir haben sie.“

Ansprechpartner
Claude Tousch
Telefon: +33 387291783
E-Mail: toc@viessmann.com

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