Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen

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Das Merkblatt DVS 0922-3 „Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen – Schweißtechnische Ausrüstung für das MIG-/MAG-Schweißen“ bietet einen praxisorientierten Überblick über die Ausrüstung, die beim Einsatz von Industrierobotern für das MIG-/MAG-Schweißen notwendig ist. Außerdem dient das Merkblatt als praxisnahe Orientierungshilfe für die Planung, Auswahl und den Betrieb von Roboterschweißanlagen im industriellen Umfeld. Im Fokus steht die schweißtechnische Ausrüstung für das MIG-/MAG-Schweißen mit Industrierobotern, einschließlich technischer Anforderungen, Auswahlkriterien und praxisgerechter Empfehlungen für den Betrieb.

Die Inhalte des Merkblatts richten sich insbesondere an das Schweißaufsichtspersonal, das für die Planung, Überwachung und Qualitätssicherung von automatisierten Schweißprozessen verantwortlich ist.

Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen Auszug. Den vollständigen Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.

Geltungsbereich: Ausrüstung für Industrierobotersysteme zum Metall-Schutzgasschweißen

Das Merkblatt richtet sich an Anwender von Industrierobotersystemen für das Metall-Schutzgasschweißen und beschreibt die dafür erforderliche schweißtechnische Ausrüstung. Es berücksichtigt sowohl aktuell verwendete als auch künftig relevante Robotersysteme im Bereich des Lichtbogenschweißens. Für weiterführende Informationen wird auf das DVS-Merkblatt 0924 „Gütesicherung beim vollmechanischen bzw. automatischen MIG-/MAG-Schweißen – Anforderungen an MIG-/MAG-Schweißgeräte“ verwiesen.

Zweck: Klare Kommunikation

Bei flexiblen Industrierobotersystemen ist eine präzise Planung der gesamten schweißtechnischen Peripherie erforderlich – deutlich stärker als bei konventionellen, starr automatisierten Anlagen. Um eine klare Kommunikation sicherzustellen und die Ausrüstung gezielt auf den Robotereinsatz abzustimmen, vereinheitlicht das Merkblatt zentrale Begriffe und Kenngrößen. Damit schafft es eine verlässliche Grundlage für die Auswahl, Auslegung und Bewertung schweißtechnischer Komponenten im automatisierten MIG-/MAG-Schweißen.

Anforderungen an die Schweißstromquelle

Für den Einsatz in Industrierobotersystemen kann man grundsätzlich alle auf dem Markt verfügbaren Geräte verwenden, die den Anforderungen der jeweiligen Schweißaufgabe gerecht werden. Vorzugsweise sollte man jedoch Schweißstromquellen verwenden, die unmittelbar vom Industrieroboter angesteuert werden können, wobei grundsätzlich Inverterstromquellen zum Einsatz kommen.

Die Schweißstromquellen sollten dabei folgende Anforderungen erfüllen:

• Eignung für Dauerbetrieb: Die Stromquelle muss für den Dauerbetrieb ausgelegt sein und den zulässigen Dauerschweißstrom gemäß EN 60974-1 „Lichtbogenschweißeinrichtungen – Teil 1: Schweißstromquellen“ (mindestens 80 % ED) dauerhaft unterstützen.
• Feinabstimmung der Schweißparameter: Eine nahezu stufenlose Einstellmöglichkeit der Schweißparameter durch die Robotersteuerung sollte gegeben sein.
• Spannungsschwankungskompensation: Die Stromquelle sollte eine Kompensation von Spannungsschwankungen bis ± 10 % ermöglichen.
• Integration in den Not-Aus-Kreis: Die Stromquelle muss in der Lage sein, in den Not-Aus-Kreis des Systems integriert zu werden.

Ansteuerung der Schweißstromquellen: digital oder analog

Für das Roboterschweißen geeignete Schweißstromquellen können digital und/oder analog angesteuert werden. Die Wahl der Ansteuerung hängt von der jeweiligen Anwendung und den Anforderungen des Systems ab.

So erfolgt die digitale Ansteuerung

Bei der digitalen Ansteuerung erfolgt die Steuerung über die Robotersteuerung in digitaler Form. Hier können sämtliche Parameter der Schweißstromquelle separat angepasst werden. Eine spezielle Variante ist die Jobanwahl, bei der vordefinierte Parameterkombinationen über digitale Signale abgerufen werden. Dafür müssen seitens der Stromquelle vorprogrammierte Parametersätze (z.B. durch Potentiometer oder Datenspeicher) verfügbar sein. Diese Ansteuerung kommt vor allem in Anlagen zum Einsatz, bei denen nur eine begrenzte Anzahl von Parametersätzen benötigt wird.

So erfolgt die analoge Ansteuerung

Die analoge Ansteuerung erfolgt über Leitspannungen (z.B. von 0 bis 10 V) oder Stromsignale (z.B. zwischen 0 und 20 mA). Diese Methode ermöglicht eine stufenlose Parametereinstellung der Stromquelle über den gesamten Arbeitsbereich, was eine feinere Abstimmung und eine flexible Anpassung der Schweißparameter gestattet.

So erfolgt die Ansteuerung über eine Rechnerschnittstelle

Bei der Ansteuerung über eine Rechnerschnittstelle werden die Schweißparameter über eine Datenleitung vom Industrieroboter an die Schweißstromquelle übertragen. Hierfür bedarf es der Festlegung eines Datenübertragungsprotokolls. Gängige Bus-Systeme, die in der Vernetzung verwendet werden, sind:

• ProfiNet
• ProfiBus
• Ethernet
• EtherCat

In diesem Fall sollte der Roboter als Master in der Kommunikation mit der Stromquelle definiert sein, um die Steuerung effizient zu ermöglichen.

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Schweißbrenner und Zusatzausrüstungen: abgestimmte Systemkomponenten für zuverlässige Prozesse

Beim automatisierten Lichtbogenschweißprozess ist der durch den Industrieroboter geführte Schweißbrenner das zentrale Werkzeug. Damit der Prozess sicher, stabil und wirtschaftlich läuft, müssen Brenner, Zusatzausrüstungen und Robotertechnik sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Zur Zusatzausrüstung gehören folgende Einrichtungen:

• Schlauchpaket
• Brennerhalterung
• Abschaltsicherung
• Brennerjustiereinrichtung
• Brennerwechsel- und Reinigungseinrichtungen

Um eine sichere Roboterbewegung und lange Lebensdauer der Komponenten zu gewährleisten, sollte die Traglast des Roboters maximal zu 80 bis 85 % ausgelastet sein.

Anforderungen an den Schweißbrenner

Die Auswahl des richtigen Brenners erfolgt je nach Schweißaufgabe und thermischer Belastung. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall können gasgekühlte Hochleistungsbrenner oder wassergekühlte Systeme zum Einsatz kommen. Ein qualitativ hochwertiger Brenner sorgt für hohe Prozessstabilität und einen exakten Drahtaustritt – auch nach mehrfachen Wechseln von Verschleißteilen. Der Brennerhals kann je nach Zugänglichkeit und Schweißaufgabe in Länge und Krümmungswinkel individuell angepasst werden.

Anforderungen an das Schlauchpaket

Grundsätzlich sind die Einrichtungen zur Zufuhr von

• Schweißstrom,
• Schweißgas,
• Schweißdraht und
• Kühlwasser

in einem Schlauchpaket zusammengefasst.

In der Praxis gelten folgende Anforderungen an das Schlauchpaket:

• geringes Gewicht und kompakte Bauweise, um die Beweglichkeit des Roboters nicht einzuschränken
• hohe Flexibilität sowie mechanische und UV-Beständigkeit der äußeren Hülle
• kraftfreier Lauf bei Roboterbewegung – zur Vermeidung von Beschädigungen

Biegeradien, die Drahtförderprobleme verursachen könnten, sollten bei der Installation und Programmierung vermieden werden.

Das gilt für die Brennerhalterung

Die Brennerhalterung ist je nach System das Verbindungsglied

• zwischen dem Flansch des Roboters und dem Schweißbrenner oder
• zwischen der Abschaltsicherung und dem Schweißbrenner.

Eine stabile und exakte Halterung ist essenziell für positionsgenaues Schweißen und verringert den Justieraufwand bei Wechseln.

Abschaltsicherung zum Schutz bei Kollisionen

Kollisionen des Schweißbrenners mit Werkstücken oder Vorrichtungen können schwerwiegende Schäden verursachen. Um dies zu vermeiden, stoppt eine pneumatische, elektrische oder mechanisch-elektrische Abschaltsicherung bei einem Aufprall sofort den Roboter und weitere kritische Komponenten.

Brennerjustiereinrichtung zur Wiederherstellung der TCP-Genauigkeit

Nach einem Brennerwechsel oder im Falle einer Kollision kann es zu einem Verrutschen des Lichtbogenfußpunkts (TCP – Tool Center Point) kommen. Die Brennerjustiereinrichtung ermöglicht die genaue Überprüfung und ggf. die Wiederherstellung der ursprünglichen Position des Lichtbogenfußpunkts. Bei stark verbogenen Brennern sollte auf eine Rückverformung verzichtet werden, weil die Gefahr einer erneuten Verformung hoch ist.

Automatische Wechseleinrichtungen für unterbrechungsfreies Arbeiten

Für eine automatisierte Instandhaltung oder Umrüstung von Brennerkomponenten sind am Markt verschiedene Wechselsysteme erhältlich:

• automatisierter Wechsel des stromübertragenden Kontaktrohrs
• automatisierte Wechselvorrichtungen für Brennerhälse
• vollständiger Wechsel des Schweißbrenners einschließlich des Schlauchpakets
• ggf. Wechsel des Drahtvorschubs

Beim Wechsel auf andere Drahtdurchmesser oder Zusatzwerkstoffe ist ein Komplettwechsel aller drahtführenden Komponenten erforderlich.

Brennerreinigungseinrichtung sorgt für gleichbleibende Qualität

Spritzer und Rückstände im Brenner beeinträchtigen die Schweißqualität. Mechanische Reinigungseinrichtungen entfernen diese zuverlässig – entweder über einen fest installierten Reinigungszyklus oder geführt durch den Roboter. Eine Ausblaseinrichtung bläst die gelösten Spritzer sowie andere Verunreinigungen durch Druckluft oder Schutzgas aus dem Brenner aus. Gleichzeitig kann das Brennerinnere mit Trennmittel benetzt werden. Das Trennmittel kann auch in einer separaten Station von außen her in die Gasdüse eingespritzt werden. Alternative Brennerreinigungssysteme mit Sand oder CO₂ sind am Markt ebenfalls verfügbar.

Brennerkühleinrichtung: prozesssichere Wärmeableitung

Aufgrund der thermischen Belastung von Brenner und Schlauchpaket ist eine effektive Kühlung zwingend erforderlich. Hierbei wird unterschieden zwischen

• passiven Kühlsystemen (integriert in der Stromquelle) und
• aktiven Kühlsystemen (separat aufgestellt, leistungsstärker).

Im Falle einer parallel erfolgenden Ansteuerung der Brenner wird der Einsatz von Durchflusswächtern je Brennersystem empfohlen. Im Dünnblechbereich kommen häufig gasgekühlte Systeme zum Einsatz. Dies genügt bei einer geringeren Wärmelast.

Autor: Lic.jur./Wiss.Dok. Ernst Schneider
Ernst Schneider ist Experte für technisches Recht und Normung. Er berät technologieorientierte Unternehmen und ist Mitglied im Ausschuss Normenpraxis des DIN e.V.

Den kompletten Beitrag finden Sie in „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.