Biegen und Schweißen Hybrides Laserschweißen für Gesenk- und Schwenkbiegesysteme

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Trumpf Maschinen Austria aus Pasching steht für innovative Gesenk- und Schwenkbiegesysteme. Damit die Blechbearbeitung noch besser läuft, ist Fronius-Schweißtechnik dort gefragt.

Trumpf genießt in den letzten Jahren ein signifikantes Wachstum im Bereich Biegemaschinen. Deshalb erweiterte man das Produktportfolio in diesem Sektor kontinuierlich. Die gestiegene Auslastung machte auch den Zukauf tonnenschwerer Rahmen für Biegemaschinen nötig. Das verlängerte aber die Produktionszeiten, erhöhte die Kosten und schränkte die Flexibilität der Fertigung ein, heißt es weiter. Und geschweißt wurde beim Lieferanten manuell, verbunden mit aufwendiger Nacharbeit. Um dann im Anschluss an das Handschweißen unerwünschte Härteanstiege im Stahl zu vermeiden, musst man das Bauteil auch weichglühen. Dabei wird der Stahl auf bis zu 800 °C erhitzt. Während des Aufheizens reagiert das Material mit dem Sauerstoff aus der Luft, oxidiert an der Oberfläche und bildet folglich Rost. Deshalb müssen die Bauteile vor dem Lackieren erst noch sandgestrahlt werden“, so Thomas Reiter, Fertigungsleiter bei Trumpf. Doch mithilfe der neuen Laserhybrid-Portalschweißanlage von Fronius kann das Unternehmen nun auf den energieintensiven und kostspieligen Weichglühprozess verzichten. Denn per Laser erwärmt man den Stahl nun entlang der Schweißnaht (je nach Material auf 150 °C bis 180 °C) und reduziert dadurch die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen. Reiter kommentiert: „So vermeiden wir Aufhärtungen, Kaltrisse und Korrosion. Auch sind wir durch die eigene Produktion unabhängiger und flexibler.“ Die Einsparung an Energie entspricht übrigens dem Strombedarf von ungefähr 270 4-Personen-Haushalten pro Jahr, wenn man einen mittleren Verbrauch von rund 3.800 Kilowattstunden pro Haushalt ansetze.

Die herausragenden Merkmale des Laserhybrid-Schweißens

Das Laserhybrid-Schweißverfahren kombiniert laut Fronius einen auf die Schweißnaht gerichteten Laserstrahl mit einem MSG-Prozess (Metallschutzgas-Schweißen) in einer gemeinsamen Prozesszone. Der dazu stark gebündelte Laserstrahl zeichne sich durch seine hohe Energiedichte aus und dringe beim Schweißen der Maschinenrahmen bis zu zehn Millimeter tief in den Stahl ein. Unmittelbar nach der Laserbearbeitung folgt der MAG-Schweiß-Prozess (Metallaktivgas-Schweißen), der die Wurzel auffüllt und für eine optimale Flankenanbindung sorgt, wie Fronius weiter erklärt. Die zusätzlich eingebrachte Wärme gebe dem Material Zeit zum Ausgasen und reduziere die Porenbildung im Vergleich zum reinen Laserschweißen. Abhängig von der Blechstärke würden bei Trumpf so bis zu 29 Decklagen mittels MAG-Prozess aufgeschweißt. Das Fronius-Verfahren Laserhybrid bietet Trumpf, wie es weiter heißt, im Vergleich zum reinen MAG-Schweißen entscheidende Vorteile. Reiter dazu: „Wir sparen bis zu vier Tonnen Schweißdraht und wertvolle Arbeitszeit pro Jahr, weil wir besonders bei dünneren Blechen auf das aufwendige Anfasen der Blechkanten verzichten können.“ Die Nahtquerschnitte blieben dadurch klein und erforderten weniger Zusatzmaterial. Auch kann Trumpf die Produktivität aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeiten steigern, was sich aus dem stabilisierten Lichtbogen, der aus dem Zusammenspiel von Laserhybrid und MAG entsteht, erklärt, so Fronius. Es kommt noch hinzu, dass die geringe Streckenenergie den Bauteilverzug verringert. Zum Schluss muss noch gesagt werden, dass sich der Schweißprozess positiv auf den Verbrauch von Schweißzusatz auswirkt, so Reiter. Durch das Laserhybrid-Verfahren kann die Schweißnaht auch noch weiter nach innen verlegt werden. So könne beim Kehlnahtschweißen näher an die Seitenteile herangefahren und die Schweißfuge schmaler gehalten werden.

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Pluspunkte sprachen für das Schweißangebot

Bevor sich Trumpf aber für das robotergestützte Laserhybrid-Schweißsystem von Fronius entschieden hat, wurden Konzepte verschiedener Anbieter evaluiert, um sicherzugehen. Möglichkeiten, die bis zu 18 Tonnen schweren und 4,5 × drei × zwei Meter messenden Bauteile beim Schweißen zu umfahren, oder sie auf Dreh-/Kipptischen zu positionieren, wurden dabei schnell verworfen, wie sich Reiter erinnert. Denn das von Beginn an favorisierte hauptzeitparallele Rüsten wäre bei diesen Varianten gar nicht oder nur eingeschränkt möglich gewesen. Deshalb entschied man sich für eine 2-Stationen-Portalanlage mit je einem Laserhybrid- und einem MAG-Schweißroboter, sowie für zwei große Kipp-Positionierer, die eine waagerechte Bauteilzuführung garantieren.

Dossier Schweißen

Schweißtechnik der Zukunft

Während ein Maschinenrahmen geschweißt wird, kann deshalb auf dem freien Positionierer der nächste aufgespannt werden. Damit ist auch die Gefahr gebannt, dass es bei Dreh-/Kipptischen zu hohen Kippmomenten kommt, wenn die Schwerpunkte der tonnenschweren Bauteile zu weit von der Dreh- oder Kippachse entfernt liegen. Um das zu vermeiden, müssten diese Systeme unvergleichlich groß und hoch werden, was nicht praktikabel ist. Alles in allem stellte sich die von Fronius vorgeschlagene Variante also als die beste heraus. Ausschlaggebend waren mehrere Faktoren. Dazu gehörten ein vernünftiges Sicherheitskonzept, der Verzicht auf eine Brennerwechselstation durch den Einsatz von zwei Schweißrobotern, die problemlose Schlauchpaketführung durch die Portalbauweise, der Einsatz von Wiresense für die Nahtsuche und die gute Zugänglichkeit des schlanken MAG-Roboters im Bereich der Ecken, wie Trumpf aufzählt. Auch gewährleistet das System das hauptzeitparallele Rüsten mithilfe der beiden Kipppositionierer. Weitere Pluspunkte sind die langjährige, vertrauensvolle Geschäftsbeziehung, die Möglichikeit zur Offline-Programmierung der Schweißjobs mit Pathfinder und die Kompetenz der Fronius-Fachkräfte in der Anlagentechnik.

Zwei Roboter schweißen auf einer Fahrschiene

Der Einsatz von zwei Schweißrobotern auf derselben Fahrschiene stellt aber eine besondere Herausforderung dar, wie Fronius betont. Die Idee besteht darin, dass immer nur einer am Bauteil schweißt, während der andere in Parkposition bleibt. Für jeden Roboter wurde dazu eine spezifische Programmvorlage erstellt, die alle Bewegungen und Fahrten beinhaltet und die Basis für die Programmierung der bauteilspezifischen Schweißaufgaben bildet. Die von Trumpf für die Abnahmebauteile zur Verfügung gestellten Schweißfolgen wurden während der Konstruktionsphase mithilfe von Fronius-Pathfinder am digitalen Zwilling simuliert und auf Machbarkeit überprüft, wie man dazu erfahren darf. So konnten die Schweißfachkräfte schon im Vorfeld auf mögliche Produktionsschwierigkeiten – zum Beispiel Zugänglichkeitsprobleme – aufmerksam gemacht werden. So haben die Fronius-Spezialisten den Postprozessor (Parser) erweitert, damit er für den MAG-Schweißroboter spezielle Befehle wie den Einsatz der Wiresense-Nahtsuch-Sensorik übersetzen kann. Der Parser überträgt die erstellten Schweißprogramme vom digitalen Zwilling auf die echte Anlage. Die Erweiterungen beinhalte Programmabschnitte, die genau auf das System von Trumpf zugeschnitten und in der Standardversion von Pathfinder nicht enthalten sind. So können die Anlagenbediener nun genau festlegen, welche Informationen in welchem Umfang vom Postprozessor übertragen werden sollen. Das Ergebnis sei ein Schweißprogramm, das exakt den Anforderungen des Roboters entspreche. Man kann außerdem im Pathfinder einen Kollisionssensor anlegen, damit später der Brenner in der Praxis nicht auf das Bauteil aufprallen wird.

Der Schweißdraht zum Sensor für die Nahtsuche

Aber auch wenn alle Systemkomponenten nahezu perfekt ineinandergreifen, riskiert man ohne Nahtsuchsensorik Abweichungen beim Lagenschweißen, wie die Experten anmerken. Das kann zu Bindefehlern wie Durchbrand oder unzureichenden A-Maßen führen. Fronius-Wiresense nutzt deshalb die Drahtelektrode als Sensor für die Schweißnahtsuche und verzichtet dabei auf optische Messhilfen, die die Bauteilzugänglichkeit des Brenners beeinträchtigen können. Durch punktgenaues Abtasten mittels hochfrequent reversierender Drahtbewegungen werden die verschiedenen Bauteilgeometrien dabei erfasst und die Lage der einzelnen Bleche zueinander präzise bestimmt. Wiresense kommt außerdem ohne zusätzliche Brenneranbauteile aus und es bedarf dazu weder Kalibrierungs- noch Wartungsarbeiten. Durch diese spezielle Sensorikidee profitiere Trumpf von fehlerfreien Schweißnähten und verringerten Produktionskosten.

Keine Maschine kommt heute ohne passende Steuerung aus

Und die, wie es heißt, benutzerfreundliche Systemsteuerung HMI-T21 RS ist nicht zuletzt das Herzstück der Schweißanlage von Trumpf. Sie überwacht und koordiniert nämlich alle Peripheriekomponenten (Roboter, Schweißstromquelle, Kipppositionierer und Brennerreinigung). Wegen der verfügbaren 3D-Echtzeitansichten könnten die Schweißfachkräfte damit sämtliche Roboterbewegungen live auf dem Monitor verfolgen. Dabei haben sie die Möglichkeit, zwischen voreingestellten oder selbst erstellten Ansichten zu wählen und diese zu speichern, um stets eine optimale Darstellung zu genießen. Ein wesentlicher Bestandteil der Steuerung ist laut Fronius ihr Programmeditor. Bei diesem definieren die Bediener die einzelnen Programmabläufe, weisen diese einer Bearbeitungsstation zu und speichern sie als Ablaufschrittkette ab. In der Statusleiste werden Stör-, Warn- oder wichtige Informationen als Klartext angezeigt. Sind keine Meldungen vorhanden, werden sämtliche Anlagenzustände und der Programmablauf dargestellt, wobei man in der rechten Spalte den angemeldeten Benutzer sieht. Die Statusübersicht zeigt den Zustand aller vorhandenen Sensoren an. Kommt es zu einer Störmeldung, können sämtliche Signale mithilfe der HMI überprüft werden.

Schweißgigantin wird virtuell vorab in Betrieb genommen

Aufgrund der gewaltigen Dimensionen von Portal und Positionierer war die bei Fronius übliche Installation und vorherige Inbetriebnahme des Schweißsystems für Trumpf aber am eigenen Standort undenkbar. Deshalb wurde auf eine virtuelle Inbetriebnahme mit Pathfinder zurückgegriffen. Mithilfe dieser Software entstand dann ein virtuelles Modell der Maschine inklusive aller im Schaltplan festgelegten Signale nebst realistischer Kinematik. Diese digitale Nachbildung erlaubte den Softwarespezialisten schließlich die realitätsnahe Simulation des Anlagenbetriebs. Auch bei der Vorab-Begutachtung durch Trumpf erwies sich Pathfinder als überaus nützlich, denn sämtliche Bewegungsabläufe der Schweißroboter und Kipppositionierer, die bis zu zehn verschiedene Bauteile aufnehmen können, konnten mithilfe einer Virtual-Reality-Brille (VR) quasi wie echt erlebt werden. Während der gesamten Designphase waren die zuständigen Mitarbeiter von Trumpf auch involviert und leisteten mit ihren Anregungen und Rückmeldungen einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg, wie nicht vergessen werden darf. Die Montage der Laserhybrid-Schweißanlage bei Trumpf erwies sich ebenso als besonders anspruchsvoll. Denn die enormen Ausmaße des Portals und der bis zu 90° schwenkbaren Kipppositionierer stellten die Logistik auf eine harte Probe, heißt es. Alle Komponenten mussten dabei auch noch zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein, um unnötige Verzögerungen zu vermeiden. Besonders herausfordernd war die nächtliche Lieferung der beiden Kipppositionierer, die aufgrund ihrer Größe teilweise über gesperrte Autobahnen transportiert werden mussten. Doch der Aufwand hat sich laut Trumpf mehr als bezahlt gemacht.

Fronius auf der Schweissen & Schneiden 2025

Schweißlösungen, Automationsanlagen und Live-Erlebnisse

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