Vorteil Festkörper

Fokus

Seit mehr als 25 Jahren ist das Laserschweißen fest etabliert in der Herstellung von längsgeschweißten Rohren und Profilen. Gegenüber dem konventionellen Wolfram-Inertgas-Schweißen lassen sich mit dem Laserschweißen kleinere Schweißnahtbreiten bei deutlich höheren Prozessgeschwindigkeiten erzielen.

30. Mai 2017
Das TPS 6000 kann ein breites Spektrum an Materialstärken und Legierungen mit einem Setup schweißen. Bildquelle: IPG
Bild 1: Vorteil Festkörper (Das TPS 6000 kann ein breites Spektrum an Materialstärken und Legierungen mit einem Setup schweißen. Bildquelle: IPG)

Heutzutage wird in den meisten Fertigungsbetrieben ein CO2-Laser genutzt, obwohl diese Systeme aufgrund starrer Strahlführungen und geringen elektrischen Wirkungsgraden hohe Betriebskosten verursachen. Der komplexe Aufbau, die anspruchsvolle Handhabung und die hohen Kosten hinsichtlich Anschaffung und Instandhaltung haben bisher den Anteil an lasergeschweißten Rohren am Gesamtmarkt limitiert.

IPG, in Sachen Faserlaser einere der ganz Großen, hat in den letzten Jahren mit seinen Kunden ein Rohrschweißsystem namens ›Tube and Profile System‹, kurz TPS 6000, entwickelt und in Fertigungslinien in Italien und Deutschland erfolgreich integriert. Hier werden die üblichen austenitischen und ferritischen Edelstähle mit Wandstärken von 0,3 bis 5 mm gefertigt. Ein breites Spektrum an Materialstärken und Legierungen kann mit einem Setup geschweißt werden. Den hohen Qualitätsansprüchen aus der Chemie- und Lebensmittelindustrie an die Schweißnaht wird das TPS 6000 laut IPG mehr als gerecht. Im Vergleich zu den mit CO2-Laser geschweißten Rohren werde in vielen Fällen die Schweißnahtqualität sogar übertroffen.

Da seine Betriebskosten gegenüber dem CO2-Laser vor allem wegen des drei- bis vierfachen Wirkungsgrades um bis zu 75 Prozent reduziert werden können, ist der Faserlaser in der Materialbearbeitung auf dem Vormarsch. Eine weitere große Rolle spielt die flexible Strahlführung mittels Lichtleitkabel bei höchster Strahlqualität. Mit großen Arbeitsabständen und einem vertikalen Verfahrweg von 600 mm können notwendige Wartungsarbeiten an einer Produktionsanlage somit einfacher und schneller durchgeführt werden. Wartungs- und Rüstzeiten haben erheblichen Einfluss auf die Anlagenverfügbarkeit und können Produktionskosten und Amortisationszeit in die Höhe treiben. Der wartungsfreie Faserlaser benötigt dank Glasfaser keine Strahlführung mit Umlenkspiegeln, die regelmäßig gereinigt und wieder justiert werden müssen. Die Kompaktheit der Laserquelle und der damit einhergehende geringe Platzbedarf führt zu weiteren Kosteneinsparungen. Dies betrifft nicht nur die Strahlquelle selbst, sondern – wegen der geringeren Energieverluste – auch den Kühler.

Einfach, robust und sehr flexibel

Das Laserrohrschweißsystem TPS 6000 wurde erstmals auf der Tube 2016 präsentiert. Die Basis des Systems bildet ein kartesisches Dreiachsen-Positioniersystem. Die Auslegung der Verfahrwege wurde mit den Anwendern von Rohrschweißmaschinen abgesprochen. So wurde die Z-Achse im Vergleich zu bisherigen Systemen deutlich auf einen Verfahrweg von 600 mm verlängert. Somit kann der Schweißkopf für notwendige Service- und Wartungsarbeiten an den jeweiligen Andruck- und Führungsrollen weit aus dem Bearbeitungsraum herausgefahren werden. Dies vereinfacht die Arbeit für Anlagenführer und Instandhalter und erhöht somit die Anlagenverfügbarkeit. Die X-Achse des TPS 6000 verläuft parallel zur Werkstückachse und bietet einen maximalen, sehr großzügig bemessenen Verfahrweg von 300 mm, der einen großen Freiraum für die Wahl der Schweißposition bietet. In der Regel wird der Druckpunkt des letzten Rollenpaares oder eine Stelle wenige Millimeter davor als Schweißposition gewählt. Der Schweißkopf ist an der Y-Achse mit ihrem Verfahrbereich von 100 mm montiert.

Die Steuerung des TPS 6000 erfolgt über ein 21-Zoll-Touchscreen. Der strukturierte und simple Aufbau der Softwareoberfläche ermöglicht eine gute Übersicht über den Prozess, Parameter und Status des Systems. Dies erlaubt eine schnelle Einarbeitung und intuitive Bedienung des Systems.

Über einen Schlüsselschalter kann zwischen drei unterschiedlichen Zugriffsberechtigungen gewählt werden. Diese unterscheiden sich für den Anwender in Produktionsbetrieb mit und ohne Schreibrechte sowie in einem Einrichtbetrieb, indem alle Funktionen freigeschaltet sind, etwa um ein neues Produkt einzufahren. IPG kann auch im Fall der Fälle Hilfestellung über Fernwartung leisten. Hierzu kann der IPG-Service über eine LAN- oder Mobilfunkverbindung auf das System zugreifen. Alle Parameter können während der Schweißung mittels Handbedienpanel verändert werden. Dies war eine der wichtigsten Forderungen der Kunden an die IPG-Steuerung. Diese Art der Bedienung hat sich gerade in kontinuierlichen Prozessen als sehr hilfreich herausgestellt.

Hohe Nahtqualität mit geringen Betriebskosten

Aufgrund der flexiblen Arbeitsfaser und der Kompaktheit des gesamten Systems ist dessen Versetzung von einer Linie zur anderen in kurzer Zeit realisierbar. Das TPS 6000 ist so flexibel konstruiert, dass es mit wenigen Arbeitsschritten sowohl links wie rechts zur Produktverfahrrichtung aufgestellt werden kann. Auch ist es möglich, mit einer Zweifach-Strahlweiche und nur einem Laser zwei Linien mit Laserlicht zu versorgen.

Ein Ytterbium-Faserlaser emittiert bei einer Wellenlänge von 1,07 µm – etwa ein Zehntel der Wellenlänge des CO2-Lasers und sehr nahe am sichtbaren Bereich, der bei etwa 0,78 µm endet. Die Laserstrahlung des Faserlasers lässt sich daher unkompliziert über ein Lichtleitkabel bis zur Prozessoptik führen. Der Absorptionsgrad der zu schweißenden Werkstoffe ist bei der Wellenlänge des Faserlasers weitaus höher. Um die Plasmabildung beim Schweißen mit einem CO2-Laser zu unterbinden, werden teure Prozessgase wie Argon, Helium oder heliumhaltige Mischgase benötigt. Beim Faserlaser reicht preisgünstiger Stickstoff als Schutzgas. Das TPS 6000 hat drei Eingänge für Prozessgase, die durchflussgeregelt auf zwei Ausgänge geschaltet werden können.

Die von IPG entwickelte Nahtverfolgung mit integrierter Beleuchtung erkennt prozesssicher den Fügespalt und garantiert somit, dass sich der Laserstrahl immer mittig auf dem Spalt befindet. Die Bilderkennung erfolgt mittels Graulichtauswertung, so dass auch eine Nullspalterkennung gegeben ist. Der Arbeitsbereich der Nahtverfolgung kann per Software individuell begrenzt werden, um eine Beschädigungen der Rollumformer und sonstiger Anbauteile auszuschließen. Auch auf eine minimale Maximale Arbeitsplatz-Konzentration (MAK) und die Strahlungsdichtheit wurde bei der Konzeption der Maschine Wert gelegt.

Faserlaser auf dem Vormarsch

Durch die Verwendung von Faserlasermodulen kan der Faserlaser in der Leistung einfach skaliert werden. Mit seinem elektrisch-optischen Wirkungsgrad von mehr als 50 Prozent (Herstellerangabe) und einem Aufstellplatzbedarf unter 0,7 qm können Faserlaser der ECO-Serie Leistungen bis 10 KW erreichen. Zur Kühlung des Resonators kann auf DI-Wasser gänzlich verzichtet werden. IPG hat auch schon luftgekühlte Laser im Multi-KW Bereich realisiert. In Rohrschweißanwendungen werden in der Regel Laserleistungen von wenigen 100 W bis 10 KW eingesetzt. Je nach Schweißgeschwindigkeit und Materialstärke kann auch die ausgelegte Strahlqualität variieren. Für geringe Wandstärken werden zum Teil Single-Mode-Laser eingesetzt, während für größere Wandstärken der Faserkern des Lichtwellenleiters auf 200 bis 300 µm vergrößert wird. Aufgrund der guten Strahlqualität können Schweißoptiken mit langen Brennweiten und Abbildungsverhältnissen von beispielsweise 2:1 verwendet werden. Dies führt zu großen Arbeitsabständen, was dem Anwender mehr wertvollen Platz in der Schweißkabine bietet. Die Verwendung einer Strahlweiche kann die Flexibilität des Lasers weiter steigern, so dass ein Laser für mehrere Linien verwendet werden kann.

Schweißoptiken mit vielen Features

Die kompakten Schweißoptiken seien »der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz von Faserlasern in der Rohrfertigung«, so IPG. Die optischen Komponenten werden von IPG selbst hergestellt »garantieren eine konstante Fokuslage und höchste Prozessstabilität«. Dies gelte morgens beim Start der Anlage, aber auch nach vielen Kilometern Schweißnaht. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sei in jedem Fall gegeben und mache Umrüsten und Produktwechsel sehr benutzerfreundlich.

Das Nahtverfolgungssystem kann an die Schweißoptik angeflanscht werden und unmittelbar vor dem Schweißprozess die Spaltposition ermitteln. Die integrierte Steuerung regelt dann die Position der Schweißoptik. Eine Schutzglasüberwachung zeigt ständig den Zustand des Schutzglases an.

Koaxial zum Laserstrahl können der Prozess und das Schmelzbad über eine weitere Kamera beobachtet werden. Diese hilft dem Anwender auch, den Prozess einzurichten und Schweißparameter weiter zu optimieren. Eine direkt an der Schweißstelle angebrachte Absaugvorrichtung sichert den sauberen Prozess ab.

Energieverbrauch und Betriebskosten gesenkt

Ein italienischer IPG-Kunde berichtet, durch die Umstellung von einem CO2-Laser auf ein TPS 6000 die Betriebskosten im Dreischichtbetrieb von 16 € pro Stunde auf 3,60 € gesenkt zu haben.

Erschienen in Ausgabe: 04/2017