Das Laserschweißen erfolgt manuell

Um die GTAW-Einschränkungen zu beseitigen, entschied sich Food Warming Equipment Co. Inc. für das Laserschweißen, das nicht mit einem Roboter-Handbediengerät, sondern mit einem Joystick gesteuert wird. Foto von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Besuchen Sie einen Automobilhersteller oder einen Zulieferer der oberen Preisklasse – vor allem in Europa und zunehmend auch in Nordamerika – und es besteht eine gute Chance, dass dort eine Laserschweißzelle zu sehen ist, von der viele mit atemberaubender Geschwindigkeit und Produktivität aufwarten. Ein komplexes Türbauteil, das zuvor einem langsamen, mehrstufigen Punktschweißen unterzogen wurde, wird jetzt in einer einzigen Laserschweißanlage in einer geschlossenen Zelle hergestellt. Ein Laser mit langer Brennweite könnte über eine Scanoptik verfügen, die den Schweißstrahl in Mikrosekunden von einem Punkt zum anderen springen lässt. Es ist, als ob das Zeitalter von „Star Trek“ angebrochen wäre.

Viele in der Branche beobachten das Laserschweißen seit Jahren oder sogar Jahrzehnten, haben aber einfach nicht die richtige Anwendung gefunden. Warum? Das liegt wahrscheinlich am Produktmix. Hersteller mit hohem Produktmix, seien es Lohnfertiger oder OEMs, finden diese Systeme zwar faszinierend, aber nicht sehr praktisch. Ja, es gibt das Problem der Lückentoleranz, aber präzise vorgelagerte Prozesse haben viele dieser Herausforderungen gemeistert.

Das Problem ist jetzt die Flexibilität des Teileflusses: die Notwendigkeit, ein völlig anderes Teil nach dem anderen auszuführen, ohne zu wissen, um welches Teil es sich handeln wird – ein sich wiederholendes Teil, ein Teil, das von einer Standardkonfiguration abgeändert wurde, oder ein völlig neues Teil. Klar, Offline-Programmierung, Simulation und Vorrichtungsentwicklung haben einen langen Weg zurückgelegt. Aber beim mechanisierten und robotergestützten Laserschweißen muss noch jemand diese Programme entwickeln und verwalten.

Food Warming Equipment Co. Inc. (FWE) steht vor den gleichen Herausforderungen wie viele Hersteller mit hohem Produktmix. Das Werk des Unternehmens in Portland, Tennessee, ist der Inbegriff flexibler Fertigung. Der Hersteller von gewerblichen Gastronomiegeräten produziert auf Anfrage, und Kunden können Produkte bis ins kleinste Detail individualisieren.

Der letzte Schweißbereich des Unternehmens umfasst verschiedene kosmetisch kritische Schweißnähte in Edelstahl und Aluminium, und die meisten Mitarbeiter in diesem Bereich verwenden einen Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißbrenner (GTAW). Aber ein Arbeitsplatz sticht heraus. Anstatt einen Wolframbrenner zu schwingen, blickt der Schweißer durch ein Stereomikroskop und bedient einen Joystick, um die Schweißgeschwindigkeit zu steuern. Er schweißt mit dem Strahl eines Faserlasers. Es ist das Ergebnis einer Anwendungsgeschichte, die zeigt, dass Automatisierung beim Laserschweißen nicht die einzige Lösung ist.

Beobachten Sie die Laserschweißzelle, die durch lasersichere Vorhänge und Barrieren von anderen GTAW-Zellen getrennt ist, und Sie werden diese atemberaubenden Schweißgeschwindigkeiten nicht erleben. Tatsächlich dauert das Einrichten eines Auftrags in der Laserschweißzelle etwas länger als das Einrichten in den GTAW-Zellen. Die meisten lasergeschweißten Teile des Unternehmens erfordern keine spezielle Vorrichtung. Typische Arbeiten umfassen abschließende Naht- oder Eckschweißungen für Wasserwannen oder Schrankoberseiten. Der Bediener verbringt jedoch Zeit damit, das Werkstück präzise unter dem Laserschweißkopf zu positionieren.

Das System nutzt einen gepulsten Faserlaser mit einer durchschnittlichen Leistung von 400 Watt und einer Spitzenleistung von 4,5 Kilowatt. Es ist leistungsstark genug, um das dünnwandige Material von FWE zu schweißen, aber leistungsschwach genug, sodass die Laserstromquelle keinen Kühler benötigt. Das System von Alliance Specialties and Laser Sales, Wauconda, Illinois, ist in verschiedenen Werkstätten im Formenbau und in der Reparaturbranche zu finden, eignet sich aber auch gut für dünne Bleche. Einige Laserschweißaufträge bei FWE umfassen 18-ga. Blech, aber die meisten Werkstücke sind 20- bis 23-ga-stark. Edelstahl (magnetisch und nicht magnetisch) und Aluminium. Typische Qualitäten sind Edelstahl 430, Edelstahl 301 und Aluminium 3003.

Der Laserschweißprozess von FWE ist nicht besonders schnell. Die Schweißgeschwindigkeit selbst spielt jedoch keine Rolle, wenn man die Zeitersparnis beim Schleifen und Polieren bedenkt. Für diese letzten, kosmetisch wichtigen Schweißnähte verbringt ein Mitarbeiter, der ein mit Gaswolframlichtbogen geschweißtes Teil erhält, möglicherweise mindestens fünf Minuten damit, eine einzelne Schweißnaht auf einer sichtbaren Oberfläche oder Kante zu schleifen und zu polieren. Die meisten lasergeschweißten Teile erfordern nur wenige bis gar keine Nachbearbeitungsschritte. Im schlimmsten Fall könnte ein Arbeiter einmal mit Poliermittel über die Schweißnaht gehen, ein Vorgang, der nur wenige Sekunden dauert.

FWE scheut keine Automatisierung. Sein Laserschneidsystem mit automatischer Materiallagerung und -entnahme hebt die Platten aus dem Schnittnest und präsentiert sie mithilfe von Förderbändern den Materialtransportern, die die Zuschnitte auf A-Rahmenwagen legen. Die Rohlinge gelangen zu Abkantpressen, die sich nicht in einer Abteilung befinden, sondern strategisch in Wertströmen angeordnet sind. Das Unternehmen verfügt über zwei Roboter-Abkantpressen mit automatischem Werkzeugwechsel, und jede manuelle Bremse verfügt über spezielle Werkzeuge, die strategisch so angeordnet sind, dass Bediener Stempel und Matrizen in wenigen Minuten austauschen können.

Wenn man diesen Wertströmen jedoch nachgelagert folgt, ändert sich die Fertigungstechnologie. FWE verfügt über keine Schweißroboter – weder Laser, Lichtbogen noch andere. Sein Produktmix und seine Herangehensweise an den Ablauf, mit einem einzigartigen Teil nach dem anderen, waren einfach nicht für die Schweißautomatisierung geeignet. Dazu gehören der Drahtschweißbereich (für Geräterahmen und andere Strukturbauteile) sowie die abschließenden, kosmetisch kritischen Schweißnähte.

FWE-Schweißer Brandon Justice hält einen sehr dünnen Zusatzdraht fest, um eine Laserschweißung um eine Ecke durchzuführen. Foto von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Als Manager 2016 damit begannen, ihre Endschweißarbeiten zu überprüfen, wussten sie, dass die Einschränkung nicht beim Schweißen, sondern beim Polieren lag. Eine weitere Herausforderung war die Fähigkeit des Bedieners. Es ist schon schwer genug, qualifizierte Schweißer zu finden. Noch schwieriger ist es, jemanden zu finden, der über Geschick und Geschick im Umgang mit einem GTAW-Brenner verfügt. Schweißer konnten GTAW auch nicht in der Nähe von Magneten an Türen und anderen Schrankkomponenten verwenden.

„Wenn Sie sich in der Nähe eines Magnetfelds befinden, lässt ein WIG-Schweißer den Lichtbogen nicht in Kontakt kommen“, sagte Mike Adams, der Schweißaufsichtsbeamte von FWE. „Beim Laserschweißen gibt es keinen Lichtbogen. Man hat einfach einen Strahl, der beide Materialien gleichzeitig zusammenschmilzt.“

Deshalb konzentrierten sie sich auf alternative Verbindungsmethoden, die das Schleifen und Polieren reduzieren oder ganz überflüssig machen könnten. Dies führte sie zum Laser. Das Problem ist, dass die Welt des Laserschweißens automatisiert ist, insbesondere in der Blechfertigung in den USA. Auch wenn das Handlaserschweißen weltweit sicherlich nicht unbekannt ist, ist es in den USA eine Seltenheit. Es gibt jedoch Handlaserschweißsysteme, und einige davon sind in Asien und Europa weit verbreitet.

Tatsächlich importiert und integriert Alliance Specialties and Laser Sales ein Handlaserschweißsystem, und das Alliance-Team hat es mit Material mit einer Dicke von bis zu 0,200 Zoll getestet. Tatsächlich haben einige Schweißer bei FWE das Handlaserschweißen ausprobiert. Die Spitze der Pistole ist so geformt, dass der Laser nicht startet, wenn sie das Grundmetall nicht berührt. Der Bediener trägt eine an die Maschine angeschlossene lasersichere Brille; Sollte die Brille verrutschen, stoppt die Maschine.

Das manuelle System war jedoch immer noch nicht flexibel genug, um den Anforderungen von FWE gerecht zu werden. Das Design der Brennerspitze machte sie etwas sperriger als eine herkömmliche GTAW-Brennerspitze, sodass der Zugang zu einigen Verbindungen eine Herausforderung darstellen könnte.

„Außerdem kann es schwierig sein, mit Füllmetall [auf dem Handlaserschweißsystem] zu schweißen“, sagte Tony Demakis, Vertriebs- und Marketingleiter bei Alliance. „Wenn die Lücken zu groß sind, kann das Metall nirgends mit sich selbst verschmelzen. Und das hätte erfordert, dass [FWE] ihre aktuellen Prozesse und Systeme anpassen musste, um dies zu erreichen.“ (Er fügte natürlich hinzu, dass das Handlaserschweißen immer noch in einer Vielzahl von Anwendungen anwendbar ist, was einer der Gründe dafür ist, dass es sowohl in Japan als auch in Europa erfolgreich ist.)

Letztendlich entschied sich das FWE-Team für den ID-1-Faserlaser von Alliance, ein Joystick-gesteuertes System, das hauptsächlich an den Formenbau vermarktet wird – keine Überraschung, wenn man bedenkt, dass Alliance als Formenwartungs- und Reparaturwerkstatt gegründet wurde (und dies auch weiterhin ist). Alliance stieg in das Lasergeschäft ein, indem es eigene Systeme zur Formenreparatur baute und schließlich damit begann, diese Systeme an andere Unternehmen zu verkaufen.

Der Laserkopf ist an einem kleinen Portal befestigt, das auf einem einzelnen Sockel montiert ist und dem Kopf eine vertikale Bewegung von 6 Fuß ermöglicht. „Der Kopf kann sich in einem Winkel zur Seite bewegen, so dass wir über Ecken und Kurven schweißen und ihn in einem angenehmen, gleichmäßigen Tempo bewegen können“, sagte Derek Coddington, Manager für kontinuierliche Verbesserung bei FWE.

„Wenn es um den gemeinsamen Zugang geht, braucht das System lediglich eine gute Sichtverbindung“, sagte Demakis. „Ganz allgemein kann es sein, dass sich eine innere Verbindung in einem Hohlraum befindet, an den man beim manuellen Schweißen möglicherweise nicht herankommt. Aber wenn man eine gute Sicht hat, besteht eine gute Chance, dass man es mit dem Laser verschweißen kann.“ Der Schlüssel besteht darin, den richtigen Abstand zu wählen, der durch die Fokuslinse vorgegeben wird, um den Fokuspunkt dort zu platzieren, wo er für die Schweißung sein muss.

Während der Tests schien das System bei FWE saubere Schweißnähte zu erzeugen, sogar durch die Rückstände, die von kürzlich entfernten Schutzfolien zurückgeblieben waren, obwohl die Rückstände etwas Rauch erzeugten (der jetzt mit einem lokalen Vakuumsystem entfernt wird).

Eine fertige, autogene Laserschweißung an einer Eckverbindung erfordert kein Schleifen oder Polieren. Foto von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Doug Niggemann, Vizepräsident bei Alliance, fügte hinzu, dass klebrige Rückstände zwar keine Probleme verursachen, Beschichtungen jedoch schon. Das Laserschweißen von verzinktem Metall, eloxiertem Material oder allem anderen mit einer Beschichtung führt zu Ausgasungen und Porosität. FWE verwendet kein solches Material, daher spielt es keine Rolle.

„Aber in der Vergangenheit hat [Alliance] bei Anwendungen gearbeitet, bei denen sich ein beschichtetes Material nicht schweißen ließ. Bei einer Anwendung handelte es sich beispielsweise um ein Aluminium mit einer sehr dicken Beschichtung. Wir schweißten die beiden Teile zusammen und ließen sie von Hand auseinanderbrechen. Sie hatten sehr wenig Kraft. Wir haben es mit Sandstrahlen versucht, wir haben versucht zu reinigen und alles, was wir konnten, um die Beschichtung loszuwerden. Also haben wir schließlich ein Programm in unserer Lasergravurmaschine erstellt.“

Das Gravursystem fungierte wie ein Laserreinigungssystem und entfernte die Beschichtung an den zu schweißenden Stellen. Damit konnte das Unternehmen die Teile zusammenschweißen.

Um das Lasersystem bei FWE zu bedienen, positioniert der Schweißer das Werkstück unter dem Laserkopf und dem 10-fach-Stereomikroskop, das als lasersichere Schutzbrille des Bedieners fungiert. (Jeder Beobachter in der Nähe der Zelle muss eine Schutzbrille tragen, die für Laser der Klasse 4 geeignet ist.) Anschließend positioniert er die Düse für die Argonabschirmung.

„Wir verwenden reines Argon“, sagte Adams, „obwohl wir festgestellt haben, dass es tatsächlich ohne Abschirmung schweißt.“ Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Schweißnaht nicht ganz so sauber ist. Es erfordert ein wenig Polieren. Wenn Sie jedoch ein Teil schweißen und Schutzgas verwenden, ist in vielen Fällen überhaupt kein Polieren erforderlich. Es ist so sauber, dass man es nicht einmal berühren muss.“ Und dieser Vorteil, so Adams, sei ein wichtiger Grund, warum FWE überhaupt in Laserschweißen investiert habe.

Das Unternehmen hinterlegt Programme, die unter anderem die Pulsfrequenz definieren, die zwischen 0 und 50 Pulsen pro Sekunde liegen kann. „Wir haben eine Grundeinstellung von 10 Impulsen pro Sekunde“, sagte Adams und fügte hinzu, dass dies zusammen mit der Standardtemperatureinstellung als Basis dient, zusammen mit bestimmten Penetrationsniveaus. Bediener können diese je nach Schweißnahtgeometrie und Fahrgeschwindigkeit anpassen. Schnelleres Reisen erfordert mehr Impulse, langsameres Reisen erfordert weniger Impulse.

Dies habe die Schulung teilweise erheblich verkürzt, sagte Coddington und fügte hinzu, dass die Schulung in den meisten Fällen nur wenige Stunden dauere. Im Allgemeinen könne ein Schweißer den Umgang mit einem Laserstrahl viel schneller erlernen als mit einem Wolframbrenner. „Gleichzeitig ist es auch flexibel genug, sodass wir eine Vielzahl von Teilen darauf herstellen können. Und wir müssen uns nicht auf die Programmierung verlassen, wie wir es tun würden, wenn wir ein Robotersystem hätten.“

Demakis von Alliance fügte einen Vorbehalt hinzu. „Natürlich wird das Schweißen komplexer Geometrien zu einer Kunstform wie bei jedem anderen Schweißverfahren auch. Aber wenn Sie gerade erst anfangen, einfache Geometrien zu schweißen, können Sie in ein oder zwei Tagen mit dem Schweißen beginnen.“

Die meisten Laserschweißungen bei FWE erfolgen an stumpfen oder ausgekehlten Eckverbindungen. Und bei etwa 90 Prozent ihrer Arbeit schweißen die Bediener mit dem Laser ohne Zusatzwerkstoff, eine Leistung, die durch gleichmäßige Lücken erreicht wird, die durch vorgelagerte Prozesse – insbesondere die modernen Abkantpressen und Werkzeuge des Unternehmens – entstehen. Mit dem Gerät können Schweißer auch die „Impulsbreite“ anpassen. Ein breiterer Impuls führt im Wesentlichen zu einem Wackeln des Laserfokus, was dazu beitragen kann, Lückenschwankungen und andere Probleme und Inkonsistenzen in der Gelenkgeometrie auszugleichen.

Schweißleiter Mike Adams führt eine autogene Laserschweißung an einer Eckverbindung durch. Foto von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

„Mit einem Laserschweißgerät mussten wir den Verbindungsspalt vollständig beseitigen“, sagte Adams. „Sie schweißen mit einem feinzinkigen Kamm. Wenn man in ein Mikroskop schaut, ist etwas, das nicht größer als ein Haar aussieht, wirklich entscheidend.“

Typische Spalttoleranzen für autogenes Laserschweißen können ±1/32 Zoll betragen. Allerdings kann es vorkommen, dass der Spalt zwischen zusammenpassenden Teilen größer ist oder die Art der Verbindungsgeometrie selbst sich nicht für autogenes Schweißen eignet.

„Manchmal hat man einfach nicht genug Grundmaterial, aus dem man schöpfen kann“, sagte Adams und erklärte, dass die Grundmaterialien in diesem Fall einfach nicht so zusammenfließen, wie sie sollten.

In diesen Fällen verwendet der Operateur einen sehr dünnen, fast haarähnlichen Füllstab. Anders als beim GTAW taucht der Laserschweißer den Stab nicht in das Schweißbad. Tatsächlich ist die Schweißbadbildung beim Laser grundsätzlich anders, weshalb der Laserprozess eine so schmale Wärmeeinflusszone aufweist. Stattdessen hält der Schweißer das Zusatzmetall fest und führt es über die Verbindung. Die extrem konzentrierte Energie des Laserstrahls hält das Becken aufrecht; Der Füllstoff gewährleistet lediglich eine vollständige Verschmelzung über den Schweißspalt hinweg.

Mit GTAW arbeitet der Schweißer daran, ein gleichmäßiges Schweißbad aufrechtzuerhalten. Wenn er GTAW mit einem Füllstab verwendet, taucht er den Stab in die Pfütze, um sie gleichmäßig zu halten und das geschmolzene Grundmetall gleichmäßig fließen zu lassen, wodurch das charakteristische Aussehen eines Zehngroschenstapels entsteht.

„Beim WIG hilft die Schwerkraft dabei, dass das geschmolzene Metall in die Pfütze fließt“, sagte Adams. „Aber mit dem Laser schiebt man das Metall über [die Verbindung] und arbeitet gegen die Schwerkraft.“

FWE prüft die Möglichkeit, ein weiteres Laserschweißsystem ins Haus zu bringen, eines mit höherer Leistung (z. B. 600 W Durchschnittsstrom), das für einige seiner Hochleistungslebensmittel dickere Bleche wie 10 oder 12 ga verarbeiten kann Wärmewagenprodukte für den Einsatz in Gefängnissen.

„Wenn Sie auf ein [Joystick-gesteuertes] 600-Watt-System umsteigen, benötigen Sie eine Kältemaschine“, sagte Niggemann. „Aber man kann mindestens 1/8 Zoll nahtschweißen. Material."

FWE befasst sich weiterhin mit allen Formen der Schweißautomatisierung, einschließlich Offline-Programmierung, Simulation und allem anderen, was die Flexibilität der Schweißabteilung aufrechterhalten oder steigern könnte.

Allerdings darf die Automatisierung nicht auf Kosten der Flexibilität gehen. Ein System, mit dem ein ganzer Warmhaltewagen im Handumdrehen geschweißt werden kann, würde Spaß machen, aber für FWE, einen OEM, der im Wesentlichen wie eine Lohnfertigung arbeitet und alles auf Bestellung herstellt, von geringem Nutzen sein.

Wenn ein Schweißer durch das 10-fach-Stereomikroskop blickt, sieht er eine klare Sicht auf die Laserschweißung, einschließlich des sauberen Aussehens eines „Stapels von Groschen“, nur in kleinem Maßstab. Foto von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Manager betrachten die aktuelle Struktur des Unternehmens als einen guten Mittelweg zwischen Handbedienung und vollwertiger Automatisierung. Die Schweißgeschwindigkeit ist nicht spektakulär, aber wenn man bei FWE das Gesamtbild und die Gesamtzeit des Schweiß-, Schleif- und Polierzyklus betrachtet, ergibt die Einführung des Laserschweißverfahrens absolut Sinn.

Fotos von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.

Fotos von Micah Beard, Food Warming Equipment Co. Inc.