Schweißen im XXL-Format

Das Laser-Hybridschweißen ermöglicht das automatische Fertigen von Paneelen im Schiffbau. Mit Licht haben die Meyer Werft in Papenburg und Schuler Held Lasertechnik GmbH & Co. KG, Heusenstamm, den...

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Das Laser-Hybridschweißen ermöglicht das automatische Fertigen von Paneelen im Schiffbau Mit Licht haben die Meyer Werft in Papenburg und Schuler Held Lasertechnik GmbH & Co. KG, Heusenstamm, den Schiffbau revolutioniert. Herzstück der neuen Vorfertigung auf der Werft sind vier Laseranlagen von Schuler Held, die mit Hilfe des Laser-Hybridverfahrens automatisch Bodenpaneele und Wände erst quer und längs zusammenschweißen und anschließend darauf Aussteifungen unterschiedlichster Form, Größe und Stückelung aufsetzen. Der wesentliche Vorteil der Anlagen liegt darin, dass der Prozess trotz der unterschiedlichen Konfiguration jedes Paneels automatisch ablaufen kann und die Größe der Anlagen sowie die Qualität des Schweißverfahrens eine Vorfertigung von 20 m · 20 m großen Sektionen ermöglicht, ohne das Paneel beim Schweißen wenden zu müssen. Für den Schiffbau kommen Bauteilgröße, Genauigkeit und Automatisierungsgrad einer Revolution gleich - dort wo bisher in der Vorfertigung die Handarbeit dominierte. Wie in der Automobilindustrie müssen auch im Schiffbau Material und Gewicht gespart werden, um die nachgelagerten Betriebskosten so klein wie möglich zu halten. Hier bedient man sich der Technik der ,,Tailor Welded Blanks", also des Zusammensetzens der Paneele aus Blechen unterschiedlicher Dicke je nach Anforderungen aus der Statik des Schiffsrumpfes. Die Meyer Werft wendet dabei das von ihr selbst zur Produktionsreife gebrachte Laser-Hybridverfahren an. Mit Hilfe eines MIG-Brenners werden Zusatzwerkstoff und Nahtkante aufgeschmolzen, während der unmittelbar nachlaufende Brennfleck des Lasers durch den Tiefschweißeffekt für das Durchschmelzen bis zur Nahtwurzel sorgt. Der Laser stellt so unter Bearbeitung von nur einer Seite und mit geringen Nahtöffnungswinkeln eine Schweißverbindung her, die so gut ist wie eine durchgeschweißte konventionelle Naht mit Wurzelverschweißung. Mit dem gleichen Schweißverfahren werden anschließend von nur einer Seite die zur Stabilisierung der Schiffsdecks notwendigen Aussteifungen als Kehlnahtschweißung auf die Paneele gesetzt (Bild 1). Dabei werden die Profile über die gesamte Querschnittsdicke angeschweißt. Diese Vorgehensweise bringt folgende Vorteile: - Die Paneele müssen nicht mehr für eine Wurzelverschweißung gewendet werden, was mit größer werdenden Vorfertigungseinheiten (Blöcken) und größer werdenden Paneelen immer schwieriger wird. - Die Schweißgeschwindigkeit ist wesentlich höher gegenüber einem reinen MIG-, aber auch gegenüber einem reinen Laserschweißprozess. - Bedingt durch den Tiefschweißeffekt kann der Flankenwinkel auf 6° reduziert werden, womit die Zusatzdrahtmenge gegenüber konventioneller Schweißtechnik deutlich reduziert werden kann.- Die Verringerung des Flankenwinkels führt zu reduziertem Spanvolumen bei der Nahtvorbereitung.- Durch die Verkleinerung der wärmebeeinflussten Zone wird die eingetragene Streckenenergie geringer, womit der Verzug der Paneele verringert wird. Damit wird die Automatisierbarkeit des Schweißvorgangs sichergestellt. Weiterhin werden dadurch aufwendige und teure Nacharbeiten reduziert.- Durch die Verwendung einer MIG-Schweißstromquelle für den Energieeintrag in oberflächennahe Bereiche steht der Laser ausschließlich für die Tiefschweißung zur Verfügung. Gegenüber einer reinen Laserschweißung werden so die Energiekosten fast halbiert. Kern der Anlage sind vier Schweißmaschinen von Schuler Held, zwei Stumpfnahtschweißmaschinen zum Herstellen der Paneele und zwei Kehlnahtschweißmaschinen mit entsprechender Automatisierung zum Aufsetzen der Aussteifungen. Während die Stumpfnahtschweißmaschinen die Deckspaneele aus Einzelplatten zusammenschweißen, besetzen die Kehlnahtschweißmaschinen die Paneele mit den Aussteifungen, den so genannten Steifen, die sich in Längsrichtung des Schiffes erstrecken. Erstmalig weltweit werden hier Laserstumpf- und Laserkehlnähte mit einer Länge von 20 m gezogen. Vor allem die große Kehlnahtschweißmaschine mit einer Länge von 29 m und einem Gesamtgewicht von rund 160 t ist nicht nur die aufwendigste Lasermaschine, die Schuler Held je gebaut hat. Sie stellt auch einen Meilenstein in der Laserschweißtechnik dar, weil sie erstmals automatisch ein ganzes Deckspaneel mit Steifen unterschiedlichster Formen, Größen und Stückelungen besetzt. Eine manuelle Vorbereitung entfällt. Für den Schweißprozess werden ein HF-angeregter CO2-Laser mit einer Spitzenleistung von 12 kW sowie eine MIG-Schweißstromquelle von 450 A eingesetzt.Die Datenbereitstellung erfolgt als geschlossene Verfahrenskette aus dem CAD-Programm heraus an die Maschine. Die Geometrie eines Decks wird in einen EDV-Arbeitsplan umgewandelt, dessen Schritte mit den entsprechenden Geometrieinformationen an die Kopfrechner der Maschinen übergeben werden. Dort generiert ein eigens erstellter Postprozessor aus den Anweisungssätzen die CNC-Programme.Die Maschine enthält 27 CNC- und drei hydraulische Achsen, die von zwei CNC-Steuerungen kontrolliert werden. Die Steuerungen tauschen mittels einer Soft-SPS Daten aus und werden hierüber synchronisiert. Eine der CNC-Steuerungen kontrolliert die fünf Handlingeinheiten, die zum Auflegen und Positionieren der Steifen auf dem Paneel dienen. Die besondere steuerungstechnische Herausforderung besteht darin, dass diese Handlinggeräte absolut synchron fahren müssen, um gemeinsam die bis zu 20 m langen Steifen zu verarbeiten, die für den sicheren Transport alle fünf Handlings benötigen. Zur Verarbeitung von mehreren kurzen Profilstücken hingegen arbeiten die Greifer unabhängig voneinander. Dazu wird jede Handlingeinheit über einen eigenen Kanal der CNC-Steuerung gesteuert, so dass eine Parallelverarbeitung möglich ist. Um auch möglichst kurze Profilstücke in die Schweißmaschine einfädeln zu können, müssen die Handlings zudem bis auf wenige Millimeter an die Störkontur des Kopfes herangefahren werden. Da Schweißkopf und Handlinggeräte von unterschiedlichen Steuerungen kontrolliert werden, kommt es auf eine genaue Synchronisierung der Bewegungen des Kopfes und jedes einzelnen Handlinggerätes an, um Kollisionen zu vermeiden. Der Schweißschlitten besteht aus dem Richtkopf, der die Steifen spannt und orientiert, dem Laserschlitten und dem MIG-Schlitten. Jede Teileinheit verfügt über eigene Verfahrachsen in den verschiedenen Raumrichtungen. Die Spannung der Steifen erfolgt durch einen horizontalen hydraulisch betätigten Spannbacken. In vertikaler Richtung hängt die Qualität der Naht davon ab, ob es gelingt, den Spalt zwischen den Fügepartnern zu schließen. Hierzu wird das Blech von einer mitfahrenden hydraulischen Andrückrolle auf die Profilsohle gewalzt, wobei die Nettoanpresskraft nach Abzug des Blechgewichtes auf den vorgegebenen Wert eingeregelt wird. Nach dem Positionieren des Schweißschlittens auf dem Blech wird die Aussteifung in den geöffneten Richtkopf eingefädelt. Zur Querpositionierung sucht eine Vertikalkamera die dem Steifenstrang parallel laufende Aufsetzlinie und verfährt den Richtkopf entsprechend. Die Längspositionierung des Schweißkopfes erfolgt mit der gleichen Kamera anhand einer auf dem Blech angebrachten Markierung. Die Positionierung der Profile in Längsrichtung erfolgt durch die Handlingeinheiten, die das Profilstück solange gegenüber dem Schweißschlitten verschieben, bis eine weitere Kamera eine auf dem Profil angebrachte Markierung in Bildmitte findet. Um die Steifen auf dem Paneel während des Schweißvorgangs auszurichten, verfolgt die Vertikalkamera die Aufsetzlinie auf dem Paneel. Die Bildverarbeitung läuft dabei über einen eigenen Rechner. Alle 80 ms wird ein Koordinatenwert für die Orientierungslinie als Messwert ausgegeben, der zur Online-Regelung des Richtwagens und der Y-Achsen von Laser und MIG benutzt wird. Drei Sensoren dienen der Zustellung der Laser- und MIG-Achsen, um trotz der relativ großen Lageabweichungen bei der Positionierung der Steifen und der Maßtoleranzen von Profilen und Blechen, Laserfokus und MIG-Brenner auf 6 0,1 mm zur Steife und zum Blech zu positionieren. Die Qualität der Schweißnaht wird wesentlich davon beeinflusst, wie genau der Abstand von Laserfokus und Stromdüse zur Nahtwurzel eingehalten werden kann und wie gut die Parameter des Laser- und des MIG-Prozesses aufeinander abgestimmt sind. Die Schweißparameter werden durch Versuche ermittelt und in einer Datenbank in der Maschinensteuerung hinterlegt.