Geballte Agilität in engen Hohlräumen: Ein Schweißtraktor macht es möglich

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1 Geballte Agilität in engen Hohlräumen: Ein Schweißtraktor macht es möglich Im Rahmen eines Abschlussprojekts der Fachschule für Technik sahen sich vier Studenten aus dem Bereich Maschinenbautechnik mit einer komplexen Herausforderung konfrontiert: Dem zuverlässigen Verbinden von Bauteilen unter extremen thermischen Bedingungen im Inneren von Rechteckprofilen mithilfe eines eigens dafür konzipierten Schweißautomaten. Die Firma Severt stellt Positionierer und Roboteranlagen her. Das Unternehmen aus Vreden versteht sich seit über 20 Jahren als Roboter-Systemhaus mit umfassender Erfahrung in der Fertigungsautomation. Darüber hinaus werden bei Severt Schweißkomponenten für den schweren Sonderfahrzeug- und Anlagenbau sowie für die Automobilindustrie gefertigt. Dabei steht die kundenorientierte individuelle Problemlösung von komplizierten Schweißaufgaben im Vordergrund. Severt C-Portal mit Doppelständerpositionierer Für einen namhaften Hersteller von Nutzfahrzeugen sollte eine Möglichkeit geschaffen werden, die innen liegenden Kehlnähte von Monoblöcken verschiedener Größenordnungen zuverlässig und reproduzierbar zu verschweißen. Die Anforderung, die an die Maschinenbautechniker gestellt wurde, bestand darin, einen Schweißautomaten zu konzipieren, der diese Aufgabe übernimmt. Was das Verbinden solcher Werkstücke betrifft, werden in der Regel erst die innenliegenden Nähte gefügt, um im Anschluss daran mithilfe von Schweißrobotern von außen die Gegenlage einzubringen. Das Verschweißen der Innennähte wurde bis dato von einem Handschweißer vorgenommen. Dies bringt verschiedene Problemstellungen mit sich: der Schweißer muss sich in den Monoausleger begeben und auf engstem Raum in Zwangslage schweißen extreme thermische Bedingungen, denn vor Beginn des Schweißprozesses wird der Stahl je nach Legierung auf bis zu 120 C vorgewärmt, um eine ausreichend lange t 8/5 Zeit zu gewährleisten Fazit: Die enge Lage im Hohlraum des Monoblocks, eine damit verbundene schlechte Fügestellezugänglichkeit sowie hohe Temperaturen führen dazu, dass das Schweißergebnis nicht akkurat und eindeutig ausfallen kann. Eine verlässliche Reproduzierbarkeit ist nicht gegeben. Das Ziel war klar definiert: Es musste eine Lösung gefunden werden, innerhalb des Monoblocks trotz dieser kritischen Rahmenbedingungen sowohl auf der geraden Strecke als auch im Radius gleichbleibend hochqualitative, saubere und reproduzierbare Schweißnähte zu produzieren.

2 Bei der technischen Umsetzung des Schweißautoamten stand der Systementwickler DINSE den Studenten tatkräftig zur Seite. Denn das Hamburger Unternehmen hat sich auf dem Markt erfolgreich als Spezialist für Sonderlösungen im Bereich des Lichtbogenschweißens etabliert. Darüber hinaus fiel die Entscheidung auf die Integration von Schweißwerkzeugen aus dem Hause DINSE, weil diese in der Praxis durch ihr ausgeklügeltes Kühlsystem besonders in Extremsituationen überzeugen. Der Einsatz von Industrierobotern zur Automatisierung des Schweißens ist heute in vielen Branchen sehr erfolgreich. Allerdings trifft dies hauptsächlich auf das Schweißen in der Serienfertigung zu. Für Industrieroboter unzugängliche Fügestellen müssen jedoch manuell ausgeführt werden. Dies liegt insbesondere an der Komplexität und Größe der Baugruppen. Um den Automatisierungsgrad solcher Fertigungsbereiche zu erhöhen, müssen entsprechende Schweißautomaten zur Anwendung kommen. Will man automatisierte Betriebsmittel zum Schweißen einsetzen, gibt es prinzipiell zwei Lösungen: Entweder wird das Werkstück unter einem stationären Schweißkopf bewegt oder der Schweißbrenner wird entlang der Schweißfuge verfahren. Die einfachste Art, diese Vorschubbewegung zu realisieren, ist die Verwendung eines motorisierten Fahrwagens, auf dem der Schweißkopf befestigt ist, der über das Werkstück fährt. Solche Fahrwagen bezeichnet man auch als Schweißtraktoren. Dabei werden zur Führung der Traktoren entlang der Schweißfuge folgende Standardlösungen in der Praxis eingesetzt: Der Traktor fährt frei auf/in dem Werkstück, wobei der Schweißer nach Sichtkontrolle die Schweißkopfposition manuell korrigiert. Führungsrollen, die sich am Werkstück selbst abstützen, führen den Traktor entlang der Fuge. Der Traktor hat Spurräder und wird hiermit auf einer zum Werkstück ausgerichteten Fahrschiene bewegt. Ihre Grenzen finden konventionelle Traktorsysteme da, wo gekrümmte Schweißnähte eingebracht werden müssen. Monoausleger (Schweißnähte in gelb)

3 Der konzipierte Schweißtraktor besteht aus zwei Modulen: einer Antriebseinheit und einer Positioniereinheit. Die in der Praxis übliche Führung eines Schweißtraktors auf einem Schienensystem ist in diesem Fall nicht möglich: Da es sich bei den zu fügenden Teilen um nicht genau definierte ausgebrannte Biegeteile handelt, sind die Toleranzen relativ groß. Es müssen also undefinierte Konturen mit Radien 500mm abgefahren werden. Die freie Drahtlänge darf um ± 1mm abweichen, im Winkel sind Abweichungen von bis zu ± 2,5 in der Kehle sowie zwischen stechend/schleppend tolerierbar. Geschweißt werden soll ausschließlich in PB. Die Lösung: Der Traktor wird mit Magneten an der undefinierten Kontur gehalten, welche nach Werkstattversuchen sowie FEM-Analysen den Lichtbogen nicht beeinflussen. Sowohl am Antriebswagen, um das Drehmoment zu übertragen und um die Vorschubgeschwindigkeit zu gewährleisten, als auch an der Positioniereinheit, um das Verfolgen der Kontur unter den gegebenen Toleranzen zu gewährleisten. So kann der Schweißtraktor exakt und zuverlässig die durch die Fügeteile vorgegebene Schweißposition abfahren. Unter der Antriebseinheit sowie der Positioniereinheit wurden von den Technikern Kugelrollen angebracht. Auf jeder Seite der Antriebseinheit sind je zwei angetriebene Räder sowie zwei geschleppte Räder angebracht, die mit einem Drehgeber abgenommen werden. Dies dient zur Kontrolle der Vorschubgeschwindigkeit. Die beidseitig angetriebene Antriebseinheit erlaubt ein einfaches Umsetzen auf die gegenüberliegende Fügestelle, ohne den Traktor drehen zu müssen. Was die Konzipierung dieses Schweißtraktors betrifft, so war es gar nicht so einfach, alle notwendigen Funktionen in der doch sehr kleinen Antriebseinheit (300mm/250mm/300mm L/B/H) unterzubringen, erläutert der Technikstudent Enrico Kunath, und fügt ergänzend hinzu auch die Positioniereinheit mit ihrer besonderen Kinematik stellte eine große Herausforderung dar. Positioniereinheit mit DINSE DIX METZ 570

4 Bei der Positionier- bzw. Schweißeinheit fiel die Wahl auf die flüssiggekühlte Roboter-Schweißpistole DIX METZ 570, da diese den hohen thermischen Belastungen optimal standhält. Durch das Zweikreis-Kühlsystem werden die Verschleißteile des Pistoleneinsatzes separat gekühlt. Die Gasdüse besitzt einen eigenen Kühlkreislauf und erspart somit den Kühlmantel. Die Kühlflüssigkeit umspült die Düse und entzieht der Schweißpistole schnell große Wärmemengen: Für die Gegebenheiten innerhalb des Monoauslegers optimal. Um einen sicheren Schweißprozess innerhalb des Bauteils zu gewährleisten haben wir den Kühlkreislauf der METZ 570 angezapft um mit der Flüssigkeit auch das Innere des Antriebswagens mit geeigneten Wasserkühlern und einem Umwälzlüfter zu kühlen, verrät Enrico Kunath. Ohne Kühlung würde der Motor sowie der Drehgeber zu heiß werden. Ein weiteres Plus, das für die flüssiggekühlte Roboter-Schweißpistole METZ 570 sprach: Alle Komponenten von Schweißpistole, Versorgungsleitung und Anschluss sind einzeln austauschbar. Dies garantiert einen langen Einsatz und nur kurze Arbeitsunterbrechungen durch Verschleißteilwechsel. Die Positioniereinheit um die METZ 570 ist in fünf Achsen einstellbar und kann sich um ein Drehgelenk und ein Kardangelenk bewegen, beschreibt Benedikt Haverkotte, einer der am Projekt beteiligten Maschinenbautechniker. Um ein hochwertiges und reproduzierbares Schweißergebnis zu erzielen, ist die absolut zuverlässige Drahtförderung, auch über längere Distanzen, von größter Wichtigkeit. In diesem Fall hat das Schlauchpaket eine Länge von 10m. Aus diesem Grund fiel die Wahl auf eine LK 60 Push-Pull Einheit mit zwei gekoppelten Antriebseinheiten. FEM-Analyse zur Temperatur im Monoträger Schweißtraktor mit DINSE LK60 im Hintergrund

5 Schlussendlich hat DINSE eine Sonderlösung auf Basis der Schweißpistole METZ 570 konstruiert. Mit dem fundiertem Know-how hat uns der technische Berater von DINSE die verschiedenen Möglichkeiten aufgezeigt und stand uns im Laufe des Projekts mit Rat und Tat zur Seite. Super, dass wir eine Adaption einer Standard-Schweißpistole verwenden können. Damit sparen wir Kosten und können auf Standard-Verschleißteile zurück greifen, erklärt Benedikt Haverkotte. Das Ergebnis hat die Firma Severt sowie den Kunden überzeugt: Jeder der vier am Projekt beteiligten Studenten hatte ein anderes Spezialgebiet, deshalb stand uns ein ganzes Spektrum an Know-how zur Verfügung. Der Schweißtraktor wird den Anforderungen vollstens gerecht: Die Schweißergebnisse sind absolut zufriedenstellend und der Schweißtraktor liefert sowohl im Radius als auch beim mehrlagigen Schweißen in schleppender und stechender Position höchst zufrieden stellende Ergebnisse, so Berthold Elkemann, Projektleiter bei Severt.