Kühl kalkuliert – schnell geschweißt

Fronius hat den CMT-Schweißprozess jüngst auf die Schweißstromquelle TPS/i gebracht. Mit der zweiten Generation des „kalten Lichtbogens“ lässt sich in vielen Anwendungen robotergestützt schweißen. Der renommierte Stahlproduzent Voestalpine hat sich wegen dieser Vorzüge entschieden, die weiterentwickelte CMT-Technik in der Serienproduktion zu nutzen.

16. April 2018
Am Standort Schmölln in Thüringen produziert Voestalpine einbaufertige Stanz- und Umformteile sowie komplexe Baugruppen und Sicherheits-/Aufprallschutzkomponente für die Automobilindustrie. (Bild: Fronius)
Bild 1: Kühl kalkuliert – schnell geschweißt (Am Standort Schmölln in Thüringen produziert Voestalpine einbaufertige Stanz- und Umformteile sowie komplexe Baugruppen und Sicherheits-/Aufprallschutzkomponente für die Automobilindustrie. (Bild: Fronius))

„Die zweite Generation des CMT-Prozesses ist nochmal ein Sprung gegenüber der Vorgängerversion“, erläutert Michael Nowasz nach drei Monaten Serienproduktion rundum begeistert. Für den Leiter des Bereichs Fügen bei Voestalpine Automotive Components steht fest: „Wir haben die Qualität der TPS/i in Verbindung mit einem darauf zugeschnittenen CMT-Prozess nochmals angehoben und unseren Handlungsspielraum beim Fügen deutlich vergrößert.“

Wie schon die Vorgängergeneration zeichnet sich der neue CMT-Prozess durch einen niedrigen Wärmeeintrag und eine hohe Spaltüberbrückbarkeit aus. Das wird durch eine dynamische Regelung des Lichtbogens erreicht. „Hier unterscheidet sich der von Fronius gewählte Ansatz schon auf den ersten Blick von anderen, da die Tropfenablöse nicht nur durch die Elektronik der Stromquelle gesteuert, sondern zusätzlich mechanisch unterstützt wird“, so der Bereichsleiter.

Hierfür wird die Drahtelektrode mithilfe eines Push-Pull-Schweißbrenners immer genau dann ein Stück zurückgezogen, wenn der Strom sein Maximum erreicht hat und abgestellt wird. So wird ein besonders stabiler Lichtbogen erzeugt, der faktisch spritzerfrei arbeitet und auch höhere Schweißgeschwindigkeiten zulässt.

Die Qualität im Blick

„Mit der Umstellung vom Standard-MAG-Prozess auf CMT konnte eine zufriedenstellende Leistungssteigerung erreicht werden“, blickt Michael Nowasz in die Zeit nach der Einführung der ersten Generation 2011 zurück. „Seit dieser Umstellung müssen zudem kaum Spritzer entfernt werden, sodass sich meine Mitarbeiter seither ganz auf das fokussieren können, auf das es unseren Auftraggebern aus der Automobilindustrie ankommt: auf die Qualität der Schweißnaht.“

Ein weiterer Pluspunkt der CMT-Lösung von Fronius ist die hohe Verfügbarkeit der CMT-Anlage, betont der Bereichsleiter: „Verlöscht aus irgendeinem Grund der Lichtbogen, zündet der Prozess von alleine wieder.“ Zündfehler, ein Festbrennen der Drahtelektrode am Kontaktrohr oder ähnliche Ärgernisse gehören der Vergangenheit an.

Nicht zuletzt schätzt der Fügespezialist die von Fronius gewährten vielfältigen Einflussmöglichkeiten auf den Schweißprozess und die Lichtbogengeometrie. Dazu gehört auch die Option, CMT mit einem Pulsprozess zu überlagern, um den Wärmeeintrag über den Lichtbogen ins Grundmaterial besser zu kontrollieren und umso schneller schweißen zu können.

CMT ins Lastenheft für Neuanlagen aufgenommen

Aufgrund der positiven Erfahrungen hat der Bereichsleiter dafür gesorgt, dass der CMT-Prozess für das Lichtbogenschweißen von Stahlblechen bis drei Millimeter als Standardprozess im Lastenheft für neue Schweißanlagen aufgenommen wurde. Auf ihnen fertigt Voestalpine unterschiedlichste Automotive-Strukturbauteile aus verzinkten und hochfesten Blechen, aber auch Aluminiumblechen. Zuletzt arbeiteten sechs der zwölf Roboterschweißzellen am Standort Schmölln mit dem CMT-Prozess.

Entsprechend positiv reagierten die Verantwortlichen bei Voestalpine daher auf die zweite Generation der CMT-Technik und den Vorschlag von Fronius, einen Einsatz in der Serienproduktion zu prüfen. „Wir haben für erste Schweißversuche eine A-Säule aus hochfestem, verzinktem Stahl gewählt“, erläutert Nowasz. Dieses komplexe Bauteil eignet sich nicht nur wegen des anspruchsvollen Materials, sondern auch wegen der eingeschränkten Zugänglichkeit und der großen Spaltmaße dafür, den Prozess auf Herz und Nieren zu testen.

„Einfach genial“

Im Sommer 2016 wurden dann im Technikum am Stammsitz von Fronius in Wels die ersten Schweißversuche mit dem neuen CMT-Prozess und der TPS/i ausgeführt. „Ich habe das Labor zusammen mit unserem Entwicklungsleiter besucht und dort den neuen CMT-Prozess in Aktion erlebt“, berichtet der Bereichsleiter. „Was wir dort zu sehen bekommen haben, war einfach genial. Es war für uns sofort klar, dass Fronius wieder ein großer Wurf gelungen ist.“

Die Grundlage für den Sprung bildet die TPS/i, eine von Grund auf neu konzipierte Schweißstromquelle. Dabei hat Fronius alle Komponenten von der Steuerung, über den Kommunikationsbus und den Drahtvorschub bis hin zur Bedienoberfläche, dem Kühlsystem und dem Schlauchpaket neu entwickelt. Auf diese Weise konnte das Unternehmen durchgehend moderne Techniken einsetzen und so das Gesamtsystem auf Präzision und Leistung trimmen.

Neuer Algorithmus, neuer Roboterbrenner

Damit der CMT-Prozess maximal von der TPS/i profitieren kann, wurde der Algorithmus neu aufgesetzt und zur zweiten Generation ausgebaut. Auch der Push-Pull-Brenner, der für die TPS/i-Serie schon einem vollständigem Re-Design unterzogen wurde, blieb nicht außen vor und wurde als CMT-Variante mit einem digital geregelten, getriebelosen AC-Servomotor für höhere Frequenzen der oszillierenden Drahtelektrodenbewegung ausgestattet.

„Ein Vorteil des neuen Roboterbrenners Robacta Drive sticht sofort ins Auge“, sagt Michael Nowasz. „Er ist kompakter als das Vorgängermodell und garantiert damit eine bessere Zugänglichkeit, wie wir sie für komplexere Bauteile immer häufiger benötigen.“

Neuer CMT-Prozess in der Serienproduktion

Die Ergebnisse der Schweißversuche am realen Bauteil waren so überzeugend, dass sich die Beteiligten sofort an die Überführung der neuen CMT-Generation in die Serienproduktion bei voestalpine gemacht haben. Schon im Herbst 2016 war es soweit. Innerhalb eines Tages wurde die erste der sechs Roboterzellen von Fronius-Mitarbeitern umgerüstet, auf der Halter aus blankem, zwei bis drei Millimeter dicken Stahlblech unter CO2-Schutzgas produziert werden.

Dabei ist etwa ein Meter Schweißnaht zu legen, der sich aus 48 Einzelnähten mit einer Maximallänge von 35 Millimetern zusammensetzt. „Bereits am nächste Vormittag haben wir zusammen den Roboter geteached und die ersten Teile geschweißt“, erinnert sich Nowasz. „Es hat sich gezeigt, dass sich mit dem neuen System die richtigen Parameter schneller und einfacher finden lassen.“ So musste am dritten Tag nur noch geringfügig nachjustiert werden, um die optimalen Arbeitswerte zu erreichen.

Dabei konnte sich der Bereichsleiter auch von der Funktion der magnetischen Crashbox überzeugen: „Wir ließen den Brenner vom Roboter gegen ein Blech fahren – die Schutzvorrichtung löste so schnell aus, dass keinerlei Beschädigung an Brenner, Roboter, Vorrichtung oder Werkstück entstehen konnte.“ Nach einer Kollision muss die magnetische Verriegelung dann nur wieder eingerastet werden, wobei der Referenzpunkt erhalten bleibt, sodass unmittelbar weitergeschweißt werden kann.

Nach den Tests konnte bei Voestalpine noch am selben Tag die Serienproduktion mit der neuen CMT-Konfiguration wieder anlaufen. „Es hat mich begeistert, dass die Umstellung so reibungslos verlief und es bis heute – drei Monate und 3.000 Teile später – zu keinem Stillstand kam und wir bislang auch keinerlei weitere Unterstützung gebraucht haben“, freut sich Michael Nowasz.