Roboterschweißen: Prozesse, Nutzen und Wirtschaftlichkeit

Der Gewinn durch robotergestütztes Schweißen kommt nicht von einem anderen Lichtbogen. Er kommt davon, dass dieselbe Naht mit denselben Parametern wiederholt wird und der Lichtbogen pro Stunde über deutlich mehr Minuten offen gehalten wird. Dieselbe Eigenschaft bestimmt, was das Projekt erfordert: Da der Roboter die Bahn wiederholt, muss sich die Fuge stets an derselben Stelle befinden.

Dieser Leitfaden zeigt, welche Prozesse der Roboter ausführt, woher der Produktivitätsgewinn stammt, welche Anforderungen das Werkstück erfüllen muss und wie man einen Fall erkennt, bei dem sich die Automatisierung lohnt. Robotergestütztes Schweißen und robotergestützte Schweißtechnik sind dasselbe Thema.

Was ist robotergestütztes Schweißen?

Es handelt sich um ein Schweißverfahren, bei dem ein 6-Achsen-Industrieroboter den Brenner oder die Punktschweißzange entlang einer programmierten Bahn führt, mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit, Winkel und elektrischen Parametern. Der Roboter arbeitet integriert in die Stromquelle, den Positionierer und die Vorrichtung zur Werkstückspannung innerhalb eines geschützten Bereichs.

Die vollständige Einheit ist die robotergestützte Schweißzelle, ein Thema eines eigenen Artikels. Hier liegt der Fokus auf dem Prozess und der Entscheidung für die Automatisierung.

Prozesse, die der Roboter ausführt

Die ISO 4063 weist jedem Schweißprozess eine Referenznummer zu. In robotergestützten Zellen verwendete Prozesse:

Prozess	Nr. in ISO 4063	Typischer Einsatz mit Roboter
MAG-Schweißen mit Massivdraht	135	Kohlenstoffstahl und niedriglegierter Stahl: Konstruktionen, Anbaugeräte, Kfz-Teile
MIG-Schweißen mit Massivdraht	131	Aluminium und andere Nichteisenmetall-Legierungen
MAG-Schweißen mit Fülldraht	136	Fugen mit Anforderungen an die Abscheideleistung oder spezifische Eigenschaften
WIG-Schweißen	141	Dünne Bleche und Edelstahl mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität
Widerstandspunktschweißen	21	Überlappende Bleche, mit am Roboterarm montierter Zange

MIG und MAG eignen sich gut für die Automatisierung, da der Draht kontinuierlich zugeführt wird und die Abscheideleistung hoch ist. Beim Punktschweißen wird die Zange am Arm montiert und erfordert oft einen Roboter mit hoher Traglast. Beim Lichtbogenschweißen ist das Werkzeug leichtgewichtig; entscheidend sind Wiederholgenauigkeit und Reichweite.

In der QJAR-Linie gibt es drei Modelle, die für das Lichtbogenschweißen entwickelt wurden. Sie haben eine Reichweite von 1.410,5 mm bis 2.014 mm und eine Wiederholgenauigkeit von ±0,03 mm bis ±0,08 mm. Der Vergleich zwischen ihnen ist im Artikel über die robotergestützte Schweißzelle zu finden, und die Interpretation jeder Zahl wird im Leitfaden zum Industrieroboter erläutert.

Woher kommt der Gewinn

Zeit mit offenem Lichtbogen

Der Indikator, der die Produktivität beim Schweißen am besten erklärt, ist der Anteil der Schichtzeit, in dem der Lichtbogen tatsächlich offen ist. Beim manuellen Schweißen ist dieser Wert niedrig: In einem Bericht des Magazins The Fabricator gibt ein Schweißingenieur eines Herstellers von automatisierten Schweißsystemen an, dass der offene Lichtbogen typischerweise zwischen 5% und 20% der Zeit beträgt, wobei er in üblichen Werkstätten bei 10% bis 15% liegt. Die übrige Zeit entfällt auf das Positionieren des Werkstücks, das Wechseln der Position, das Reinigen, das Messen und Pausen.

Beim vollautomatisierten Schweißen zitiert Canadian Metalworking einen offenen Lichtbogen im Bereich von 80% bis 90%. Eine Zelle mit manueller Beladung der Werkstücke bleibt unter diesem Höchstwert, da sie von der Umrüstzeit abhängt, aber die Größenordnung des Unterschieds ist genau diese. Layouts mit zwei Stationen existieren gerade deshalb, damit der Bediener ein Werkstück beladen kann, während der Roboter ein anderes schweißt.

Konstante Parameter

Vorschubgeschwindigkeit, Abstand zwischen Düse und Werkstück, Brennerwinkel und Stromstärke variieren während der gesamten Schicht nicht. Das Ergebnis ist eine Naht mit identischer Geometrie beim ersten und letzten Werkstück, was übermäßiges Schweißgut, Spritzer und Nacharbeit reduziert.

Planbarkeit

Bei fester Trajektorie und festen Parametern wird die Zykluszeit zu einer verlässlichen Planungsgröße. Die Fabrik weiß dann genau, wie viele Werkstücke die Zelle pro Schicht liefert – etwas, das beim manuellen Schweißen selten mit derselben Präzision möglich ist.

Anforderungen an das Werkstück

Der Roboter wiederholt die Trajektorie mit einer Streuung von Hundertstel Millimetern: ±0,03 mm bis ±0,08 mm bei den Schweißmodellen der Linie. Wenn die Fuge um 2 mm versetzt ankommt, liegt der Fehler nicht am Roboter, sondern am Werkstück. Daher beginnt die Bewertung eines Projekts vor dem Schweißvorgang.

Wiederholgenauigkeit im vorgelagerten Prozess. Zuschneiden, Biegen und Heften müssen die Fuge stets an derselben Stelle und mit derselben Spaltbreite bereitstellen.
Zugänglichkeit. Der Brenner muss jede Naht im korrekten Winkel erreichen. Manchmal ermöglicht bereits eine kleine Änderung am Produkt den Zugang zu einer gesamten Naht.
Spannmittel. Die Vorrichtung definiert die Position des Werkstücks. Sie wandelt Fertigungstoleranzen in eine bekannte Position um.
Teilefamilie. Ähnliche Teile teilen sich Vorrichtungen, Programme und Positionierer und verteilen so die Investitionskosten.

Es gibt Sensoriklösungen zur Lokalisierung der Fuge und zur Verfolgung von Abweichungen. Diese erweitern die Möglichkeiten für die Automatisierung, ersetzen jedoch kein gut vorbereitetes Werkstück. Welche Ressourcen eingesetzt werden, ist eine projektbezogene Entscheidung, Fall für Fall.

Qualität und Qualifizierung

Die Robotisierung ersetzt nicht das Qualitätssystem für das Schweißen. Das Verfahren muss weiterhin spezifiziert und qualifiziert werden, und die Naht wird weiterhin inspiziert. Was sich ändert, ist wer qualifiziert sein muss und wie dies geschieht.

Die ISO 14732 legt die Qualifizierung von Schweißbedienern und Einrichtern für mechanisiertes und automatisiertes Schweißen fest.
Die ISO 3834 definiert Qualitätsanforderungen für das Lichtbogenschweißen in der Werkstatt und auf der Baustelle.
Die ISO 6947 standardisiert die Schweißpositionen. Mit einem Positionierer bringt die Zelle die Fuge in die Flachposition (PA), die für den Abscheidevorgang am günstigsten ist.

Eine gut geführte Zelle kann auch Aufzeichnungen erstellen: Parameter pro Teil, Alarme und Produktionszähler stehen für die Rückverfolgbarkeit zur Verfügung.

Gesundheit und Sicherheit

Im Jahr 2017 stufte die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) Schweißrauch als krebserregend für Menschen ein, Gruppe 1. Die Bewertung findet sich im Band 118 der Monographien der Agentur. Die robotisierte Zelle entfernt den Arbeiter aus der Rauchwolke und der Strahlung des Lichtbogens, beseitigt aber nicht die Notwendigkeit der Erfassung und Absaugung am Schweißpunkt.

Die Zelle ist auch eine Maschine, die unter die NR-12 fällt: Schutzvorrichtungen, Verriegelungen, Not-Halt und Dokumentation. Die Anforderungen finden sich im Artikel über NR-12 in robotisierten Zellen.

Wann sich die Investition lohnt

Signale dafür	Vorher zu prüfen
Wiederholte Teile oder ähnliche Teilefamilien	Schnitt- und Biegetoleranzen, die von Charge zu Charge variieren
Hohe Schweißnahtlänge pro Teil	Fugen ohne Zugang für den Brenner
Zwei oder drei Produktionschichten	Vorrichtungen, die die Fugenposition nicht sicherstellen
Schwierigkeiten bei der Einstellung und Bindung von Schweißern	Produkt mit häufigen Designänderungen
Nacharbeit aufgrund von Schwankungen zwischen Schweißern	Fehlende Kompetenz in der Belegschaft für Schweißparameter

Die rechte Spalte ist kein Grund aufzugeben. Sie ist die Liste dessen, was in den Projektumfang aufgenommen wird. Viele machbare Zellen beginnen mit einer Anpassung beim Zuschnitt oder mit einer neuen Vorrichtung.

Die finanzielle Kalkulation folgt derselben Logik wie jede andere Zelle: Gesamtinvestition gegenüber jährlichem Nettogewinn, wobei die Anzahl der Schichten eine der gewichtigsten Variablen ist. Die Methode finden Sie unter was kostet ein Industrieroboter.

So beginnen Sie

Eine seriöse Bewertung basiert auf Teiledaten, nicht auf Roboter-Katalogen:

Zeichnung oder 3D-Modell des Teils und der Fugen;
Material und Wandstärken;
Gesamtschweißnahtlänge pro Teil;
Jahresvolumen und Losgröße;
Aktuelle Schweißzeit und Anzahl der Schichten;
Norm oder Abnahmekriterium für die Naht.

Damit kann ein Roboterintegrator feststellen, ob es sich um eine einfache Station, einen Positionierer oder eine Bahn handelt, und welcher Roboter geeignet ist.

Häufige Fragen

Was ist Roboterschweißen?

Beim Roboterschweißen führt ein Industrieroboter den Brenner oder die Zange entlang einer programmierten Bahn mit konstanter Geschwindigkeit und festen Parametern. Die Stromquelle, der Positionierer und die Spannvorrichtungen arbeiten innerhalb einer geschützten Zelle synchron mit dem Roboter zusammen.

Welche Schweißprozesse kann ein Roboter ausführen?

Der Roboter führt Lichtbogenschweißen mit kontinuierlichem Drahtvorschub wie MIG und MAG (Prozesse 131 und 135 nach ISO 4063) an Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Aluminium durch. Er beherrscht auch WIG-Schweißen (141), Widerstandspunktschweißen (21) und Laserschweißen (52), jeweils mit spezifischen Werkzeugen und Quellen.

Ersetzt das Roboterschweißen den Schweißer?

Es verändert die Funktion. Die Zelle benötigt Fachkräfte mit Schweißkenntnissen zur Definition der Parameter, Bewertung der Naht und Korrektur der Bahn. Die Norm ISO 14732 regelt genau die Qualifizierung von Bedienern und Einrichtern für mechanisiertes und automatisiertes Schweißen.

Welches Stückzahlvolumen rechtfertigt eine robotergeschweißte Zelle?

Es gibt keine eindeutige Zahl. Entscheidend sind die Schweißnahtlänge pro Teil, die Anzahl der Schichten, die Teilevielfalt und die Rüstzeit. Ähnliche Teilefamilien machen das Projekt auch bei mittleren Losgrößen oft wirtschaftlich, da sie Vorrichtungen und Programme teilen.

Muss das Werkstück für das Roboterschweißen geändert werden?

Oft ja, in Details. Der Roboter wiederholt die Trajektorie und gleicht eine fehlerhafte Fugenanordnung nicht selbst aus. Schnitt und Biegung müssen Teile innerhalb der Toleranzen liefern, und das Design kann Anpassungen für den Zugang der Brennerdüse erfordern.

Sprechen Sie mit BR Robotics

BR Robotics integriert in Brasilien die QJAR-Schweißroboter, einschließlich Schweißstromquelle, Positionierern und Führungsschienen desselben Herstellers. Senden Sie das Werkstück und das Volumen: Die Antwort enthält das empfohlene Modell und den Layoutplan der Zelle. Sprechen Sie mit BR Robotics oder sehen Sie sich die Linie der Roboter und Peripheriegeräte an.