Engpass beseitigt CMT im Überblick

Schweissen

Schweissroboter können spritzen, und Spritzer können zu Prozessunterbrechungen führen, was Die Effizienz vollautomatisierter Fertigungslinien erheblich reduziert. Dass es auch anders geht, zeigt Volkswagen in Zwickau — Dank der Integration des CMT-Verfahrens.

19. August 2009

Vorreiter für automatisierte und robotergestützte Schweißverfahren ist die Automobilindustrie. Erst der hohe Automationsgrad ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse hinsichtlich Kosteneffizienz, Qualität und Produktivität beim Schweißen. Wesentlichen Anteil daran haben Industrieroboter. Sie verdanken ihren Siegeszug vor allem ihrer hohen Präzision, Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit. Des Weiteren bieten sie eine außerordentlich hohe Prozesssicherheit und Verfügbarkeit. Letztere liegt heute je nach Anwendung bei einer MTBF (Mean Time Between Failure) über 80.000 Stunden — planmäßige Wartung vorausgesetzt.

Roboter lassen sich zudem sehr platzsparend in Prozessketten integrieren. Nur, was nutzt die ganze Automation und eine perfekt funktionierende Robotertechnik, wenn sich andere Teilprozesse als Engpass erweisen? Drei dieser Schwachstellen sind beim Roboterschweißen mit konventionellen MAG-Systemen (Metall-Aktivgas) das Erzeugen von Schweißspritzern, der Verzug der geschweißten Teile aufgrund des hohen Wärmeeintrags und die begrenzte Spaltüberbrückung.

Schweissspritzer als Ursache von Zusatzaufwand

MAG-Schweißen von Dünnblechen erfolgt überwiegend im Kurzlichtbogen. Kennzeichnend dafür ist ein periodischer Auf- und Abbau des Lichtbogens mit Werkstoffübergang während der Kurzschlussphase. Der Tropfenübergang selbst ist mit einem mehr oder weniger starken Erzeugen von Schweißspritzern verbunden. Zwar lässt sich dieser Effekt bei konventionellen Systemen durch Optimieren der Stromquellendynamik deutlich vermindern — aber eben nicht vermeiden. Die entstehenden Schweißspritzer führen prozesstechnisch zu Problemen und können die Produktqualität beeinträchtigen. Das gilt vor allem für alle sichtbaren Oberflächen eines Automobils. Deshalb sind Schweißspritzer hier nachträglich zu entfernen.

Der Schweißbrenner selbst ist am stärksten von den Schweißspritzern betroffen, da diese sich außen auf der Gasdüse und innen im Ringbereich zwischen Gasdüse und der stromführenden Drahtdüse anlagern. Besonders kritisch ist dies beim Schweißen in Überkopfposition (PE-Lage). Die inneren Anlagerungen stören den Schweißprozess erheblich, da sie den Düsenquerschnitt verengen und so Turbulenzen im Schutzgasstrom erzeugen, die wiederum verstärkt Luftsauerstoff von der Umgebungsluft in den Schutzgasmantel saugen. Das Ergebnis sind unter anderem Oxideinschlüsse im Schweißgut. Weiter kann es zu Kurzschlüssen kommen, wenn die erstarrten Schweißspritzer allmählich eine leitende Brücke zwischen den beiden Düsenrohren bilden.

Eine bewährte Gegenmaßnahme ist das Bestreichen der Düsen mit Düsenfett oder Antihaftsprays. Es verhindert in hohem Maße das Einbrennen von Spritzern in Strom- und Gasdüsen beim Schweißen und verlängert die Lebensdauer der Düsen. Der regelmäßige Gebrauch von Düsenfett reduziert außerdem dieerforderlichen Rei-nigungsintervalle der Düsen und erhöht so die Maschinennutzungszeit. Sicher ein guter Weg, aber doch nur ein Manipulieren an den Symptomen. Die Ursachen selbst sind damit nicht beseitigt — nämlich das Entstehen der Schweißspritzer. Genau hier hat Fronius den Hebel angesetzt.

Gute Spaltüberbrückung und geringer Wärmeeintrag

Eingehende Untersuchungen des Tropfenübergangs beim Kurzlichtbogen führten zu neuen Erkenntnissen über die Steuerung des Lichtbogens und zu einem neuen Schweißverfahren — dem spritzerarmen und mit deutlich geringerem Wärmeeintrag arbeitenden CMT-Prozess (Cold Metal Transfer). Die Ergebnisse überzeugen: Vermeiden der Spritzer, praktisch kein Bauteilverzug durch zu hohen Wärmeeintrag und eine zwei- bis dreimal so gute Spaltüberbrückung gegenüber konventionellen MAG-Verfahren.

Alle drei Aspekte kommen dem automatisierten Schweißen mit Robotern zugute. Hier ist neben der Spritzerfreiheit die verbesserte Spaltüberbrückung ein wichtiger Faktor, da im modernen Automobilbau immer komplexere, multifunktionale Bauteile miteinander zu verschweißen sind. Die meisten dieser Schweißbaugruppen entstehen in einer Folge von Umform- und Schweißprozessen. Das alles führt aber dazu, dass sich die Produkte nicht immer punktgenau auf ein definiertes Spaltmaß einstellen lassen. Besonders dann, wenn durch Kombination verschiedener Bau-teile eine Toleranzkette entsteht. Und eben diese großen Schwankungsbreiten im Spaltmaß gilt es schweißtechnisch zu überbrücken. Deshalb muss das eingesetzte Fügeverfahren neben höchstmöglicher Spritzerfreiheit vor allem zwei Eigenschaften bieten: Eine extrem gute Spaltüberbrückung und einen äußerst geringen Wärmeeintrag. Das ermöglicht einen gezielten Werkstoffübergang.

Für den Planungschef Reiner Tunger von Volkswagen Sachsen stand fest, dass ein optimales Zusammenspiel zwischen Roboter und Schweißsystem unter dem Strich für den Erfolg entscheidend ist. Er erkannte auch, dass der Engpass dabei in der konventionellen MAG-Schweißtechnikliegt:»DiesenEngpasswolltenwirnach-haltig beseitigen. Deshalb lauteten unsere Vorgaben: Qualität weiter optimieren, Störanfälligkeit reduzieren und Aufwand verringern.« Eine Alternative versprach er sich von dem 2005 von Fronius als neuem Verfahren eingeführten CMT-Prozess.

Bereits im Herbst 2005 begann VW Sachsen im Werk Zwickau mit ersten Versuchen und überführte das neue System schon nach drei Monaten in die Serienfertigung —tatkräftigundkompetentunterstütztvonJens Rickmann, einem Fachmann von Fronius vor Ort. Die Technik hat sich bewährt, und inzwischen produzieren im Werk Zwickau zirka zwanzig CMT-Systeme hochwertige Löt- oder Schweißverbindungen.

Am Standort Zwickau produziert die Volkswagen Sachsen GmbH vor allem die Modelle Golf und Passat-Limousine. Die Fertigungskapazität beträgt bis 1.242 Fahrzeuge pro Tag. Hinzu kommen Pressteile für den Konzern sowie Karosserien und Aluminiumbauteile für den Phaeton und für die Bentley Continental-Baureihe. Im Werk Zwickau arbeiten etwa 6.200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

Beim Schweißen der komplexen Dach-Seitenteil-Verbindungen und der Dachquerträger an der Dachverbindung im Inneren der Karosserien von Golf und Passat treffen mehrere Schweißbaugruppen zusammen. In allen Fällen entstehen Toleranzketten, die hohe Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit des Fügens der 0,8 mm bis 1,75 mm dicken Stahlbleche stellen. Spezielle Spannvorrichtungen fixieren die Baugruppen und stellen so die erforder-lichen Bauteilpassungen sicher. Als Fügetechnik ist MAG-Schweißen vorgegeben. Hier profitieren die Fertigungsexperten im Vergleich zum konventionellen Standardprozess von den Vorteilen des CMT.

Lars Lorenz, verantwortlich für den Karosserieaufbau in der Serienplanung/Karosseriebau, berichtet aus der Praxis: »Der geringere Wärmeeintrag reduziert die Einzüge im Bereich der Seitenteile und des Daches. Weil die Spaltüberbrückung der neuen Technologie deutlich größer ist, erweitert sich das Toleranzfeld hinsichtlich Bauteilabmessungen bei gleichzeitig sehr guter Ausprägung der Schweißnahtwurzel. Bemerkenswert ist weiter, dass trotz Überkopfposition beim Schweißen kaum Verunreinigungen der Schweißdüsen entstehen, denn CMT arbeitet praktisch spritzerfrei. Alles in allem reduzieren wir die manuelle Nacharbeit sowohl für das Oberflächen-Finish als auch für geplante Instandhaltungen — und das bei größerer Prozesssicherheit!« Deshalb stellten die Fertigungs-Verantwortlichen die Prozesse partiell auf den innovativen CMT um.

Zufrieden fasst Tunger seine Erfahrung und die Ergebnisse zusammen: »Die Qualität haben wir weiter stabilisiert, die Störanfälligkeit deutlich verringert, und die temporären Aufwendungen haben wir um mehr als 70 Prozent reduziert.«

Kurz: Der CMT-Prozess überzeugt. Der Ersatz des konventionellen MAG-Verfahrens bei kritischen Schweißungen durch CMT ermöglicht es, den vollen Nutzen aus der robotergestützten Automation zu ziehen. Lorenz ergänzt: »Wir schweißen beim Passat insgesamt 26, beim Golf sogar 30 CMT-Nähte je Fahrzeug. Die Baugruppen bestehen aus Blechen unterschiedlicher Güte und Wanddicke. So sind Dachquerträger von 0,8 mm bis 1,0 mm Wandstärke mit Seitenteilen mit 0,75 mm bis 1,75 mm zu verbinden. Dachquerträger bestehen aus Werkstoffen wie H320LA, H220PD + Z100 oder H280, Seitenteile aus HC300LA, H320LA oder TL4225. Als Schutzgas verwenden wir Krysal, ein Gemisch aus 82 Volumenprozent Argon und 18 Volumenprozent Kohlendioxid. Der Prozess läuft unter Einhaltung der vorgegebenen Reinigungsintervalle nahezu störungsfrei.«

Gerd Trommer, Hans P. Fritsche

Freie FachJournalisten

CMT im Überblick

CMT steht für ›Cold Metal Transfer‹ und beschreibt einen Schmelzschweißprozess mit einem deutlich kälteren, effizienteren und vor allem spritzerfreien Werkstoffübergang als beim konventionellen MSG-Schweißen. Auffällig ist vor allem die ungewöhnliche, reversierende Vorschubbewegung des Schweißdrahtes durch zwei voneinander entkoppelte Antriebssysteme mit einem zwischengeschalteten Drahtpuffer. Der hintere Antrieb am Inverter sorgt wie bisher für einen kontinuierlichen Vorschub der Drahtelektrode von der Haspel zum Brenner. Der zusätzliche, im Schweißkopf integrierte vordere Antrieb für die geregelte, kurzzeitige Reversierbewegung des Drahtes. Das Ergebnis erinnert an eine Springprozession nach dem Muster ›zwei vor und eins zurück‹.

Die ›intelligente‹ Lichtbogensteuerung erkennt den Eintritt des Kurzschlusses und baut den Lichtbogen programmgesteuert durch kurzzeitiges Senken des Schweißstroms ab. So vermeidet CMT die Spritzerbildung. In dieser stromlosen Phase kann ein Wärmeeintrag nur noch über den Schmelztropfen selbst erfolgen. Während dieser lichtbogenfreien Phase zieht der brennerseitige Antrieb den Draht für einen Sekundenbruchteil etwas zurück und verbessert so gezielt die Tropfenablöse. Nach erfolgtem Tropfenübergang führt die Steuerung den Draht wieder nach vorn in Richtung Schmelzbad, erhöht den Schweißstrom und baut erneut einen Lichtbogen auf. Die insgesamt übertragene Wärmemenge ist deshalb deutlich geringer als bei konventionellen Systemen. Das erübrigt beim Schweißen von Wurzellagen die sonst oft erforderlichen Badstützen — ein weiterer Vorteil des Systems.

Die Entwicklung geht in Richtung Frequenzsteigerung für eine deutlich feinstufigere Regelung des Wärmeeintrags sowie Werkstoffübergangs und verbesserte Spaltüberbrückung sowie eine deutlich höhere Arbeitsgeschwindigkeit.

Erschienen in Ausgabe: 8-9/2009