Kleine Lasernaht kommt groß raus

Die Lebensmittelindustrie stellt besonders hohe Anforderungen an die Qualität der eingesetzten Bauteile: Hochwertige Werkstoffe müssen perfekt und möglichst ohne Bearbeitungsrückstände ver­arbeitet werden. Ein Fall für Erlas.

18. Oktober 2005

Die Erlanger Laserspezialisten konzipierten die Anlage für die Herstellung von ringförmigen Schweißbaugruppen mit bis zu sieben Metern Durchmesser, wobei durch die spezielle Prozessführung Schweißnahtlängen bis zu 150 m an einem Bauteil anfallen können.

Vorwiegend dient die Anlage dabei zum Abdecken umlaufender Medienkanäle durch das Aufschweißen von Edelstahlbändern. Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist dabei eine spaltfreie Wurzelausbildung, dass diese Medienkanäle frei von Spritzern beziehungsweise Schweißperlen bleiben, da sowohl die Kontrolle als auch die Nachreinigung dieser Kanäle extrem aufwändig sind.

Erlas entwickelte dazu eine spezielle, patentierte Verfahrensfolge, mit der Hohlraumkörper und Kammern in einer Qualität hergestellt werden können, die auch sehr hohen Anforderungen für die Chemische Industrie und für die Lebensmittelindustrie genügt. Das Laserstrahlschweißen ersetzt hier das bislang eingesetzte, mehrlagige, manuelle WIG-Schweißen.

Spezielle Verfahrensfolge

Das Verfahrensprinzip erfordert eine spezielle Nahtvorbereitung als HV-Naht. Auf der dem Schweißkopf zugewandten Seite zeigt sich eine geöffnete Fuge, auf der abgewandten Seite - am Fuß der Fuge - liegen die Bauteile aneinander an.

Im ersten Bearbeitungsschritt werden die Teile im Bereich, in dem sie sich berühren, mit Wärmeleitungsschweißen miteinander verbunden. Diese Schweißnaht verhindert, dass die beim zweiten Verfahrensschritt - einem Tiefschweißprozess - entstehende Dampfkapillare sich zur Werkstückinnenseite hin öffnet und so eventuelle Sprit zer oder Schweißperlen in den Medien­kanal gelangen könnten. Bei diesem Tiefschweißprozess wird entlang der Fuge und aufbauend auf der Wärmeleitungsschweißnaht das fehlende Materialvolumen durch die Zufuhr von Zusatzdraht aufgefüllt. Die Egalisierung der Nahtoberraupe durch Laserstrahlglätten als dritter Prozessschritt schließt die Schweißaufgabe ab.

Das Verfahren bietet zunächst den großen Vorteil einer besseren Nahtqualität, wie die Schliffbilder zeigen. Die Wurzel ist konkav verrundet und spaltfrei, so dass sich beim Medienfluss im Kanal Partikel nicht festsetzen können. Zusätzlich besitzt das Verfahren aber auch einen enormen Rationalisierungseffekt durch die im Vergleich zum WIG-Schweißen um den Faktor 10 höhere Schweißgeschwindigkeit und die gute Automatisierbarkeit. Das Verfahren verhindert außerdem, dass während des Tiefschweißens Prozessemissionen an der Werkstückinnenseite austreten. Der bei verschlossenen Hohlkammern ohnehin nur schwer durchführbare Reinigungsvorgang im Anschluss an das Schweißen beschränkt sich auf einen einfachen Spülvorgang. Weitere Vorteile sind ein geringerer Verbrauch an Schweiß- und Formiergas durch eine den Spalt minimierende Nahtvorbereitung sowie der vergleichsweise geringe Verzug, da mit dem Laserstrahl deutlich weniger Wärme als bei herkömmlichen Schweißverfahren in das Bauteil eingebracht wird. Dieser minimale Bauteilverzug ermöglicht den Verzicht auf eine nachträgliche spanende Bearbeitung, so dass durch die Einsparung von Bear­beitungszugaben zusätzlich ein geringerer Werkstoffeinsatz resultiert.

King-size-Maschine

Die Maschine selbst beeindruckt bereits durch ihre reine Größe. Nicht umsonst handelt es sich hier um den bisher größten Einzelauftrag der Erlas, den das junge Unternehmen in seiner erfolgreichen Geschichte einwerben und realisieren konnte.

Die Laserprofis aus Erlangen realisierten die Anlage als kartesisches Portal mit einem Ausleger, der zwei Bearbeitungsköpfe für unterschiedliche Verfahrensvarianten trägt. Die Führungsmaschine besitzt in dieser Ausführung Verfahrwege von 7.900 mm in X-Richtung, 3.000 mm in Y-Richtung und in Z 700 mm. Die beiden Schwenkachsen haben einen Verstellbereich von je -90° bis +45° und die Drehachse C von n x 360°.

Spezialschweißköpfe

Als Strahlquelle dient ein 4-kW-Nd:YAG-Laser. Er bietet die nötige Flexibilität und schnelle Umschaltbarkeit hinsichtlich der Verfahrensparameter und durch eine Strahlführung über Lichtleitkabel. Eine Laserschutzkabine umhaust die Maschine komplett, wobei die Zufuhr der Werkstücke ein Kran durch das in der Kabinendecke integrierte Schiebedach übernimmt. Die Bauteile werden dann auf dem mittig in der Kabine installierten Drehtisch gespannt und während dem Fügevorgang gedreht. Nach dem Einrichten erlaubt ein Leitstand die Beobachtung und Kontrolle des Prozesses über die eingebaute Sensorik und mehrere Kameras.

Die speziell entwickelten Bearbeitungsköpfe vereinfachen den Rüstvorgang erheblich und garantieren hohe Positioniergenauigkeiten. Ein besonderes Merkmal dieser Anlage ist der taktile Nahtsensor, der die Ist-Lage des Stoßes ermittelt. Die Vorteile der direkten Abtastung des Werkstücks liegen in der Nachführung des Bearbeitungskopfes bei Positionsänderungen des Stoßes während des Schweißens z.B. durch Wärmeverzug. Dies gilt besonders für die hier vorliegenden großen Werkstücke, bei denen nicht allein durch die Bauteilvorbereitung oder Spanntechnik die geforderten Genauigkeiten erreicht werden können. Eine zusätzliche Schwenkachse dient zur Ausrichtung von Kopf und Laserstrahl zum Werkstück.

Die im Kopf integrierte automatische Fokuslageneinstellung beruht auf dem Triangulationsprinzip. Die Laser-Ein-Zeit erhöht sich durch die Integration des zweiten Bearbeitungskopfes in die Anlage, der für das Tiefschweißen mit den Zuführsystemen für Zusatzdraht ausgestattet ist. Dabei bauen die Bearbeitungsköpfe, von denen jeder mit einem eigenen Lichtleitkabel mit der Laserstrahlung versorgt wird, insgesamt relativ kompakt, um eine gute Zugänglichkeit zum Werkstück zu gewährleisten. In den Köpfen sind etliche weitere Systemkomponenten integriert.

Die Bearbeitungsköpfe sitzen jeweils links und rechts am Ausleger des Portals, wobei die Portalachsen während der Bearbeitung ruhen. Die erforderlichen Korrekturen aufgrund von Schwankungen in der Schweißfugenposition erfolgen lediglich durch die Andrück- und Nachführeinheit im jeweiligen Bearbeitungskopf.

Der Lasereinsatz rechnet sich für diese Applikation allein aufgrund der erzielten Rationalisierungseffekte und der technischen Vorteile. Bedingt durch das wegen ihrer Größe umständliche Handling der Bauteile ist die Nutzungsdauer der Strahlquelle jedoch derzeit noch so niedrig, dass der Laser durchaus über ein Lasernetzwerk noch eine weitere Führungsmaschine versorgen könnte. Doch das ist dann eine andere Geschichte.

Dr.-Ing. Armin Gropp,

Dr.-Ing. Martin Hoffmann

Erschienen in Ausgabe: 10/2005