Sollten Sie bezweifeln, dass ein Industrieroboter mit einem reinen Schub-Drahtfördersystem mehr als drei Millionen Aluminium-Lichtbogenstarts pro Woche erzielen kann, denken Sie noch einmal darüber nach. Viele behaupten, dass das erfolgreiche robotergestützte Schweißen von Aluminium ein zweifach angetriebenes Push-Pullördersystem erfordert, doch das ist nicht zwingend der Fall. Angesichts der höheren Betriebs- und Wartungskosten ist Push-Pull nicht immer die beste Lösung.

Erfolg mit dem klassischen Schubsystem

In den 1990er Jahren fertigten Hunderte von Robotern Aluminium-Radiatorträger für Lkws. Eine der damals größten Fertigungslinien für Aluminiumbauteile – mit 90 Schweißnähten pro Teil und einer Spitzenproduktion von 35.000 Teilen pro Woche – setzte auf ältere, traditionelle Roboter und Stromquellen.

Diese Roboterarme verwendeten Drahtvorschübe, die am Oberarm montiert waren, um die Brennerlänge zu minimieren. Moderne hohle Handgelenke, die Kabelbiegeradien und Drahtvorschubprobleme verhindern, gab es damals noch nicht. Die Stromquellen arbeiteten bereits mit Invertergleichrichtung, aber die Verarbeitungs- und Rückkopplungszeiten waren langsamer als die heutigen Systeme, die Aktionen in Mikrosekunden steuern können.

Zeitlose Schweißtipps

Trotz technischer Fortschritte, welche die Zuverlässigkeit reiner Schubsysteme beim Aluminiumschweißen verbessert haben, gibt es bewährte „Tricks“, die heute noch gelten. Der Drahtvorschubweg kann beim Ein- und Austritt aus dem Drahtvorschubgerät am Roboterarm getrennt werden. Ab dem Drahtvorschub sorgen folgende Maßnahmen dafür, dass die Aluminium-Elektrode zuverlässig durch den Brenner geschoben wird:

• Halten Sie die Brennerlänge so kurz und direkt wie möglich. Moderne Roboter mit innenliegender Kabeldurchführung platzieren den Vorschub direkt in Linie mit dem Arm, sodass sich der Biegeradius des Brennerkabels verteilt und keine scharfen Knicke entstehen.
• Verwenden Sie einen wassergekühlten Brenner für besseren Drahtvorschub. Beim Aluminiumschweißen wird häufig ein gepulster Strom verwendet, der heißer ist und mehr Wärme abstrahlt. Die starke Ausdehnung des Aluminiumdrahts und der Kupferspitze kann zu Verklemmen und Vorschubproblemen bei hohen Temperaturen führen.
• Reduzieren Sie die Anzahl der Unterbrechungen im Drahtfördersystem. Idealerweise ist der Kunststoff-Brennerliner durchgehend von den Vorschubrollen bis zur Rückseite der Kontaktdüse. Adapter mit unterbrochenen Linern sollten vermieden werden, da sie Fehlstellungen und Abrieb am Draht verursachen können.
• Nutzen Sie einen „Jump Liner“ am Ende des Brenners. Der Kunststoffliner, der eine glatte Oberfläche für den Aluminiumdraht bietet, kann durch die Hitze des Lichtbogens beschädigt werden. Brennerhersteller bieten kurze Messingliner an, die an das Ende des Kunststoffliners geschraubt werden, um das Schmelzen des Kunststoffs und scharfe Kanten zu verhindern. Der Kunststoffliner sollte über die Biegung im Brennerhals hinausreichen, das Messingstück die letzten Zentimeter bis zum Diffusor abdecken.
• Begrenzen Sie den Brennerwinkel für die jeweilige Anwendung. Es ist heute üblich, bei Robotern mit innenliegender Kabeldurchführung einen 45°-Brenner einzusetzen, sodass der Arbeitswinkel 45° beträgt und das Handgelenk nach unten zeigt. Ein solch großer Winkel kann jedoch hohen Widerstand gegen die Drahtschubkraft bedeuten; ein kleinerer 35°- oder 22°-Brennerwinkel kann insbesondere bei längeren Brennerkabeln besser funktionieren.

Diese Hinweise sind für die Einrichtung robotergestützter Aluminiumschweißsysteme relevant, doch auch alltägliche Maßnahmen beeinflussen die Produktivität einer Roboterzelle. Für die Wartung des Brenners am Arbeitsplatz sollten Hersteller folgendes beachten:

• Schneiden Sie Kunststoffliner nicht mit Drahtschneidern oder Kombizangen. Diese können den Innendurchmesser zerdrücken und scharfe Kanten hinterlassen, die die Elektrode beim Durchlaufen beschädigen. Verwenden Sie stattdessen ein Messer zum Ablängen. Entsteht ein Grat am Innendurchmesser, entfernen Sie ihn vorsichtig mit dem Messerrücken und erzeugen Sie eine Fase.
• Verwenden Sie den Liner nach einem „Vogelnest“ nicht erneut. Eine Blockade im Brenner kann dazu führen, dass der Vorschub weiter Draht nachschiebt, bis ein Fehler ausgelöst wird. Der Draht muss dann rückwärts aus dem Brenner gezogen werden. Die Wiederverwendung des Liners führt jedoch zu einem erweiterten Vorschubweg, wodurch erneute Blockaden wahrscheinlicher werden.
• Verwenden Sie keine Verbrauchsmaterialien für Aluminium und Stahl im Wechsel. Lässt man eine Stahlelektrode durch Kunststoffverbrauchsteile laufen, kann es zu eisenhaltigen Ablagerungen kommen, zudem verschleißen die Teile schneller. Viele Betriebe geben zu, Setups zwischen Materialien zu mischen, aber Aluminiumdraht durch Stahlliner zu führen, verursacht regelmäßig Probleme.
• Prüfen Sie den Widerstand des Drahtvorschubwegs. Lösen Sie dazu die Anpressung der Vorschubrollen und ziehen Sie den Draht durch die Kontaktdüse. Einige Pfund Kraft sollten ausreichen, 10 Pfund wären zu viel.
• Kontrollieren Sie die Anpresskraft der Vorschubrollen. Erhöhen Sie sie, bis Sie den Draht nicht mehr mit Daumen und Zeigefinger stoppen können. Drahtbegradiger sollten vermieden werden, da sie den Vorschubweg unterbrechen. Die Vorschubrollen gleichen etwaige Begradigungsrückstände aus; zu hohe Anpresskraft lässt den Aluminiumdraht hinter der Spitze einkringeln.
• Wechseln Sie Brennerliner häufiger als bei Stahldraht. Blasen Sie Druckluft durch den Liner und beobachten Sie, was am anderen Ende herauskommt. Eine große Rußwolke deutet auf Schmierstoffe im Draht hin und kann häufigeren Wechsel nötig machen. Bei Metallspänen sollte der Vorschubweg auf Verschleißstellen kontrolliert werden. Drehen Sie den Draht zwischen den Händen, um kleine Rillen zu erkennen – sie sind deutlicher sichtbar, wenn der Draht abgeschabt wird.

Ebenso entscheidend ist die Zufuhr der Elektrode vom Gebinde zum Roboter. Die meisten Aluminiumdrähte werden in Fässern geliefert und beim Aufwickeln umgedreht, damit sie beim Herausziehen nicht überschlagen. Durch ein Abgabesystem mit rotierendem Arm kann der Draht über keramische Einlässe in den Vorschubweg gelangen, ohne sich zu verknoten oder an Kartonkanten zu schleifen.

Je nach Förderdistanz kann ein zusätzlicher Vorschub hilfreich sein, um den Draht aus dem Gebinde zu ziehen und leicht zum Roboter zu schieben. Die erwähnte Automobilanwendung nutzte Motoren, um große Holzspulen mit 250 kg Draht zu drehen, sodass der Roboter-Vorschubmotor nur wenig Kraft aufbringen musste. Heute gibt es Nachrüstsysteme, die pneumatisch oder elektronisch gesteuert werden und unabhängig vom Hauptvorschub arbeiten, indem sie nur bei Bedarf Draht zuführen.

Wie beim Brennerliner sollte auch das hintere Führungsrohr aus Kunststoffpolymer bestehen, um den Reibungswiderstand gering zu halten und Drahtabrieb zu vermeiden. Es gibt zahlreiche kommerzielle Lösungen, die einen reibungsarmen Übergang vom Drahtpaket in die Führung bieten. Winklige Übergänge mit Rollen ermöglichen eine Richtungsänderung des Drahts ins Arbeitsfeld, ohne zusätzlichen Widerstand oder Verschleiß.

Ein flexibleres Abschnitt des Führungsrohres ist erforderlich, um zum Vorschubgerät am Roboterheck zu führen. Leitungen mit Rollensegmenten sind erhältlich, damit der Draht mit weniger Widerstand um Kurven geführt werden kann, sind aber teurer. Drahtführungen sind Verschleißteile und sollten vor dem Versagen getauscht werden, um keine Abriebstellen am Draht zu verursachen. Obwohl Kunststoffpolymer die Reibung reduziert, können Kerben oder scharfe Kanten entstehen, die die weiche Aluminium-Elektrode beschädigen.

Überlegungen zur Schweißausrüstung

Die Stromquelle ist das zentrale Element eines Aluminiumschweißsystems. Hersteller sollten Prozessparameter für die gewünschte Legierung und Drahtstärke hinterlegen. Diese Parameter sollten Lichtbogenstartwerte enthalten, die einen zuverlässigen Start sicherstellen. Beim Radiatorträger-Projekt war das Ziel, 2000 Lichtbogenstarts mit derselben Kontaktdüse zu erreichen. Ein guter Aluminiumstart klingt klar und knackig, ohne zu ploppen oder zu verlöschen.

Das Ende des Lichtbogens ist noch kritischer als der Start – der Draht sollte mit einer scharfen Spitze oder einem kleinen Radius enden. Eine Kugel am Drahtende erschwert den nächsten Start wegen der größeren oxidierten Oberfläche.

Stromquellenhersteller, die ihre Geräte für Aluminium-Schubsysteme empfehlen, liefern Kunststoff-Drahtführungen für ihren Vorschub und Vorschubrollen mit U-förmigen Rillen für 1,2- oder 1,6-mm-Elektroden. Elektroden unter 1,2 mm sollten bei Schubsystemen vermieden werden.

Kollaborative Schubsysteme

Die zunehmende Verbreitung kollaborativer Roboter (Cobots) im Schweißbereich bringt die traditionelle Brenneranbringung mit externem Kabel zurück. Auch wenn dies nicht immer ideal ist, kann das Schweißen von Aluminium auf Cobots mit diesem Setup erfolgreich sein. Die Brennerlänge sollte dabei so kurz wie möglich gehalten werden, der Drahtvorschub sollte oberhalb oder hinter dem Roboter angebracht sein. Das Brennerkabel sollte bogenförmig über den Roboter geführt werden, ohne scharfe Knicke oder Umwicklungen am Arm oder Handgelenk.

Aktuelle Erfolge mit Schubsystemen

Mit dem erfolgreichen Schweißen von über 35.000 hochwertigen Aluminiumteilen (1,73 m lang, mit 60 Nähten pro Teil) ist TnL Welding, ein Fertigungsbetrieb in Sidney, Ohio, bestens mit dem robotergestützten Aluminiumschweißen mittels Schubsystem vertraut. Robuste Werkzeuge, darunter mehrere Yaskawa ArcWorld®-Schweißzellen verschiedener Generationen, unterstützen diese Produktion. Jede ArcWorld ist mit ein bis zwei Hochleistungs-Lichtbogenrobotern ausgestattet, die Schubsysteme souverän beherrschen. TnL hat festgestellt, dass die neuere Schweißtechnologie die Ergebnisse beim Aluminiumschweißen weiter verbessert. Wie TnL können auch andere Unternehmen hochwertige Aluminiumschweißnähte mit klassischen Schubsystemen erzielen, wenn bestimmte Kriterien eingehalten werden.