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Linearführung für SchweißanlageVerminderte Haftung

Schweißtechnik

Die Schweißtechnik ist ein kritischer Anwendungsbereich von Antriebs- und Führungskomponenten, weil die nicht zu vermeidenden Schweißspritzer an den Komponenten anhaften und zu verringerter Lebensdauer führen.

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Cold Process Schweißverfahren (CP), Cold Metal Transfer Prozess (CMT)Im Banne des Bogens

MIG/MAG-Schweißen heute: Schnell soll es ablaufen, materialschonend, mit kontinuierlich hoher Nahtqualität und möglichst ohne Nacharbeit. SCOPE-Redakteur Michael Stöcker zeigt an zwei Fallbeispielen, wie die Schweißtechnik-Hersteller versuchen, diese Anforderungen miteinander zu vereinen.
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Verbindungstechnik: Im Banne des Bogens

Wie sich mit moderner Schweißtechnik innovative Produktlösungen realisieren lassen, zeigt die Herstellung von Auspuffteilen mit Hilfe des "Kaltschweiß"-Verfahrens von Cloos. Während gängige Impulsschweiß-Verfahren unipolar positiv gepolt arbeiten, nutzt diese spezielle MIG-Technik namens Cold Process (CP) wechselnde Polaritäten. Damit wird der relative Wärmeeintrag in die Drahtelektrode und in das Werkstück steuerbar, was einen geringeren Energieeintrag in die Schweißnaht und damit in das verschweißte Material selbst zur Folge hat. Der westfälische Automobil-Zulieferer PWS (Presswerk Struthütten) hat dieses Verfahren in seine Serienfertigung von Auspuffkrümmern integriert. Dabei verwendet er für die Herstellung der Krümmerteile, die bis zu 900 Grad Celsius heiße Abgase aushalten müssen, nur Edelstahlbleche. "Um dem Kostendruck der Autohersteller begegnen zu können, haben wir die Teile so modifiziert, dass sie nicht mit der teuren Hydroform-Technologie, sondern als Stanzteil gefertigt werden können", berichtet Michael Jud, technischer Geschäftsführer von PWS. Damit stiegen die Anforderungen an die Schweißtechnik allerdings derart, dass sich mit den üblichen Verfahren die geforderte Qualität und der Fertigungsdurchsatz nicht erreichen ließen. "Die dreidimensionalen Stanzteile in Blechstärken um 1,0 Millimeter weisen sehr unterschiedliche Spaltmaße auf. Außerdem fordern die Autohersteller spritzerfreie Bauteile, weil sich Spritzer unter den gegebenen heißen Extremanforderungen im Auspuff lösen und beispielsweise Katalysatoren zerstören können", erklärt Jud. Nachdem die Verfahren unterschiedlicher Hersteller nicht die gewünschten Ergebnisse brachten, entschied sich PWS für den CP-Prozess von Cloos, der in nur etwa 14 Tagen auf die Kundenanforderungen angepasst wurde. Für Gundolf Braun, den kaufmännischen Geschäftsführer von PWS unterstreicht dies "die Wichtigkeit, in komplexen Prozessen seine Systempartner in greifbarer Nähe zu haben, um Dinge kurzfristig optimieren zu können. Mit einem funktionierenden Netzwerk aus Systemlieferant und Hersteller ist auch der Standort Deutschland im internationalen Wettbewerb erfolgreich." Der große Vorteil des CP-Verfahrens ist der geringere Energieeintrag in Schweißnaht und Werkstücke, was sowohl den Bauteilverzug minimiert als auch das Problem der Rissbildung. "Da die CP-Nähte nahezu spritzerfrei aus dem Schweißprozess herauskommen, reduziert sich auch die Nacharbeit an den Bauteilen", sagt Gundolf Braun, der als kaufmännischer Geschäftsführer bei PWS. Die CP-Technik eignet sich zum Schweißen hochfester Stahlbleche, Aluminiumbleche oder Dünnbleche aus Edelstahl mit Wandstärken von bis etwa 3,5 Millimeter. In der Pulsphase kommt es zu einer spritzerfreien Ablösung vom Schweißdraht. In der negativen Phase umgreift der Lichtbogen das Drahtende. Dabei wird die Wärme in den Draht geleitet, und das Schmelzbad kühlt ab. Durch die geringere Wärmeenergie dieses "Kaltschweiß-Prozesses" verringert sich der Einbrand, was bei Edelstahl zu einer Reduzierung der Anlauffarben führt. Selbst bei beschichteten Blechen bleibt die Oberfläche weitgehend intakt. Als weiteren Pluspunkt des Verfahrens nennt Tim Oppermann, bei PWS zuständig für die Schweißtechnik, "die größere Spaltüberbrückbarkeit, die ein Verschweißen unserer Stanzteile erst möglich macht". Dazu muss man wissen, dass die gestanzten und gezogenen T-Halbschalen aus Edelstahl im zusammengesteckten Zustand abweichende Spaltmaße von 0 bis über 2 Millimeter aufweisen. Darüber hinaus erlaubt der Cloos Cold Process erhöhte Schweißgeschwindigkeiten und damit auch kürzere Taktzeiten in der Fertigung. Gut 15.000 Krümmer-Komponenten fertigt PWS derzeit monatlich. Dabei werden Schweißgeschwindigkeiten von 2,2 Meter in der Minute erreicht - selbst bei den komplexen Bauteilen mit kurvenreichen Schweißnähten und engen Radien. Unter bestimmten Umständen seien auch doppelte Geschwindigkeiten erreichbar, verraten die Experten von Hersteller und Anwender. Bei PWS agiert das CP-Verfahren in einer Fertigungszelle mit zwei festen Arbeitstischen. Während an einem Arbeitstisch ein fertig geschweißtes Bauteil entnommen und die Vorrichtung mit zwei neuen Halbschalen bestückt wird, schweißt ein Romat-Roboter von Cloos am zweiten Arbeitsplatz bereits wieder. "Mit dieser Fertigungszelle können wir flexibel auf die Anfragen und Seriengrößen unserer Kunden reagieren", sagt Michael Jud. Die Zelle enthält auf einer Grundfläche von 3,90 x 2,25 Meter alle notwendigen Komponenten wie den Roboter Romat 320 mit wassergekühlter Schweißausrüstung, Duo-Drive-Drahtantrieb und Brennerreinigung. Auf dem Grundrahmen befinden sich auch Steuerschrank (Rotrol) und Impulsstromquelle (Quinto CP). Die Zelle verfügt über eine Schutzumhausung mit integrierter Sicherheitstechnik. Frontseitig liegen die beiden Arbeitstische hinter zwei Schiebetüren, die abwechselnd zu öffnen sind. Über die Bedienoberfläche der Rotrol-Steuerung und die abgestimmten Kennlinien der Impulsstromquelle Quinto CP lassen sich kürzeste Umrüstzeiten erreichen. Dazu verfügt das System über den sogenannten True Synergy Mode (TSM), mit dem sich passend zum jeweiligen Bauteil die geeigneten Schweißparameter aufrufen lassen. "Nur so erreichen wir die geforderten Stückzahlen für die unterschiedlichen Krümmerteile", betont Geschäftsführer Gundolf Braun. Die komplette Zelle kann bei Änderungen im Fertigungsablauf - etwa per Gabelstapler - bewegt werden. Dazu sind unter dem Grundrahmen Staplertaschen angebracht. Um funktionsfähig zu sein, benötigt die Zelle lediglich den Anschluss von Elektrik, Druckluft und Schutzgas. Die PWS-Experten arbeiten mit einer Argon-Sauerstoff-Mischung mit zwei Prozent Sauerstoff. Fazit von Geschäftsführer Michael Jud: "Die Entscheidung für den Cloos Cold Process war in jeder Hinsicht richtig. Wir fertigen mit diesem modernen Schweißprozess technisch wie optisch einwandfreie Teile und haben den Ausstoß deutlich erhöhen können dank schneller Schweißabläufe und minimierter Nacharbeit."

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Die Mischung macht`s

Ein ähnliches "Kaltschweiß"-Verfahren ist der Cold Metal Transfer Prozess (CMT) von Fronius. Zu dessen Erstanwendern gehört Bernd Ruß, Gründer und Inhaber der mittelständischen Lohnschweißerei HABS, die unter Einsatz des Lichtbogenschweißens und -lötens innovative Lösungen für hoch sensible Metallverbindungen realisiert. Das Unternehmen mit Sitz im rheinland-pfälzischen Mogendorf fügt metallene Halbzeuge zu kompletten Bauteilen und wendet die aktuelle CMT-Verfahrensvariante namens Puls-Mix an. Deren wesentliche Nutzen-Aspekte bestehen in der Möglichkeit, den reduzierten Wärmeeintrag sehr genau zu beeinflussen sowie die CMT-typisch hohe Prozessstabilität auf den Leistungsbereich des Impulslichtbogen-Prozesses zu übertragen. Geschäftsführer Bernd Ruß erkannte frühzeitig die Möglichkeit des Verfahrens, durch die minimierte Wärmeeinbringung weniger Materialverzug zu bewirken. Er präferiert den "kalten" Prozess von Fronius, weil "die hervorragende Spaltüberbrückung von CMT, gepaart mit praktischer Spritzerfreiheit, das Fügen unter einer Kombination von hohen Qualitätsansprüchen ermöglicht. Das sind Vorzüge, die sich aus der CMT-typischen reversierenden Drahtbewegung ergeben." Wie sich auf diesem Weg differenzierte Qualitätsanforderungen erfüllen lassen, zeigt die Herstellung von Gestellen für IT-Schaltschränke bei HABS. "Erdbebensicher gemäß Stufe 4" - so lautet das Gütekriterium für die dabei zu fügenden Verbindungen. Zudem sind in der Reinraum-Atmosphäre der Schaltschränke auch kleinste Partikel tabu ¿ die Metalltröpfchen der Schweißspritzer oder Späne aus der Nachbearbeitung würden ein unzulässiges Risiko der Funktionssicherheit bedeuten. Die Mogendorfer lösen die Aufgabe in einer durchgehend automatisierter Fertigung mit der volldigitalisierten und mikroprozessorgesteuerten MIG/MAG-Stromquelle (320 A) Trans Puls Synergic 3200 CMT von Fronius. Auf Profilrahmen aus zwei Millimeter dickem, aluminiumvergüteten Stahlblech setzen sie 50 Millimeter lange Nähte. "Das Spaltmaß ist mit 1,5 Millimetern grenzwertig. Wir nutzen die außerordentlich hohe Spaltüberbrückung, einen Vorzug von CMT. Zusätzlich erreichen wir eine höhere Qualität mit praktisch null Spritzern", erläutert Bernd Ruß. Und das sonst übliche nachträgliche Richten der Rahmen erübrigt sich ebenfalls. Ein zweites Anwendungsbeispiel für den CMT-Einsatz bei HABS ist die Herstellung einer 360 Millimeter hohen Box aus Edelstahl 4301. Diese Auffangwanne für Batterien entsteht aus zwei 1,5 Millimeter dicken Blechteilen. Laut Kundenvorgabe darf das Teil an seiner oberen Öffnung höchstens 0,4 Millimeter vom definierten Maß (320 x 365 Millimeter) abweichen. Im CMT Puls-Mix-Verfahren setzt der Brenner eine circa zwei Meter lange Naht, wobei er sich in einer Geschwindigkeit von 1,5 Meter pro Minute bewegt. Dabei ist der Wärmeverzug ist so niedrig, dass die Maßhaltigkeit gewährleistet bleibt. In beiden Fällen - IT-Gestelle und Edelstahl-Wanne - regeln die HABS-Schweißer über die genaue Einstellung des Verhältnisses von CMT und Impulslichtbogen-Zyklen den erforderlichen heißen Werkstoffübergang bei gleichzeitig relativ kalter Naht. Testergebnisse belegen deren Festigkeit. Michael Stöcker

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