Elektrodendrehung beim Punktschweißen per Roboter verkürzt die Taktzeit

Das Widerstandspunktschweißen ist gerade im Karosseriebau nach wie vor eines der am meisten eingesetzten Verbindungsverfahren. Doch mit dem Laserschweißen, besonders mit Scanneroptik, und den mechanischen Fügetechniken hat es ernsthafte Konkurrenz bekommen. Kuka Systems hat jetzt mit Robospin eine neue Verfahrenstechnik beim Widerstandspunktschweißen entwickelt, die durch Elektrodendrehung mit dem Roboter die Taktzeit verkürzt sowie Qualität und Standmenge der Elektrodenkappen verbessert.

Beim konventionellen Widerstandspunktschweißen erfolgt der eigentliche Schweißvorgang im Stillstand der Elektroden. In automatisierten Fertigungslinien mit Industrierobotern besteht eine Punktsequenz aus dem Versatz der Zange zum nächsten Schweißpunkt mit beschleunigen und abbremsen der Roboterachsen, dem Schließen der Zange mit Kraftaufbau, der Vorpreßzeit, dem Schweißen, der Nachpreßzeit, dem Öffnen der Zange und dem Versatz zum nächsten Schweißpunkt. Die Sequenzen Schweißen und Versetzen erfolgen zeitlich nacheinander.

In der neuen Verfahrenstechnik Robospin sind Hauptzeit (Schweißen) und Nebenzeit (Zangenversatzbewegung) überlagert. Dabei erfolgt der Versatz zum nächsten Punkt im Wesentlichen durch Orientierungsänderung aus den Roboterhandachsen.

Während des Schweißens bei geschlossener Zange bleiben die Hauptachsen in Bewegung weiter zum nächsten Punkt. Die Elektroden bleiben also während des Schweißprozesses nicht starr, sondern drehen sich auf der zu schweißenden Stelle um einen bestimmten Winkel. In der Phase der Drehbewegung um die Elektrodenachse bei geschlossener Zange erfolgen Kraftaufbau, Schweißen, Nachpressen und Einleitung der Zangenöffnung.

Kürzere Taktzeit und bessere Schweißqualität

Damit bewegt sich die Roboterkinematik mit den Haupt- und Nebenachsen schon auf den nächsten zu schweißenden Punkt zu, während der eigentliche Punkt noch geschweißt wird. Gleichermaßen werden die Nachpresszeit und ein Teil der Zangenöffnungszeit für die Versatzbewegung ausgenutzt. Schweißvorgang und Zangenversatzbewegung erfolgen somit zeitgleich parallel und nicht sequenziell mit Stillstand des Roboters während des Schweißens und anschließenden Beschleunigungs- und Abbremsphasen während der Versatzbewegung.

Diese neue Verfahrenstechnik des Widerstandspunktschweißens mit Elektrodendrehung um die Elektrodenachse wurde laut Kuka mit dem Ziel der Taktzeitverkürzung entwickelt. Gleichzeitig verbesserte sich die Schweißqualität durch reproduzierbarere Widerstandsbedingungen während der Drehphase und es erhöhte sich die Kappenstandmenge durch die kontinuierliche Elektrodenpflege bei der Drehung.

Haupt- und Nebenzeit überlagern sich

Der entscheidende Vorteil von Robospin liegt in der Taktzeitreduzierung, die sich durch die Überlagerung von Haupt- und Nebenzeit ergibt. Damit reduziert sich die Punkt-zu-Punkt-Zeit. Simulationsrechnungen von Kuka haben ergeben, dass je nach Zangenbauart und -anbringung, Schweißaufgabe sowie Lage des Bauteils im Arbeitsraum des Roboters Taktzeiteinsparungen von unter 5 bis über 30% möglich sind.

Bei der Optimierung werden offline zuerst die kollisionsfreien Drehwinkel bestimmt und anschließend die taktzeitminimalen Drehwinkel für die einzelnen Schweißpunkte. Gleichermaßen kann mit festen Drehwinkeln gearbeitet werden, wobei der kleinste maximale kollisionsfreie Winkel vorher ermittelt werden muss.

Die Verfahrensvariante Robospin führt aber auch zu einer Qualitätsverbesserung und Erhöhung der Kappenstandmenge. Durch die Drehbewegung der Elektroden beim Schweißen unter Kraft erfolgt eine kontrolliertere Abtragung der Anlegierungsschicht auf der Elektrodenwirkfläche, das heißt ein kontinuierliches Elektrodenkappendressing beim Schweißen.

Bartbildung wie beim konventionellen Punktschweißen wird vermieden

Zudem wird im Vergleich zum konventionellen Punktschweißen die Bartbildung vermieden. Die Drehbewegung der Elektroden sorgt auch für eine Konstanthaltung der Elektrodenwirkfläche und damit der Stromdichte beim Schweißen. Damit ist kein Steppen notwendig, weil die Elektrodengeometrie gleich bleibt. Weiterer positiver Nebeneffekt ist das Schonen der Robotermechanik sowie von Motor und Getriebe durch die kontinuierliche Bewegung.

Weitere Untersuchungen sollen Aufschluss darüber bringen, inwieweit die neue Verfahrenstechnik Robospin eine Verbesserung des Widerstandspunktschweißens von Aluminium-Stahl-Verbindungen ermöglicht oder inwieweit sich die Punktschweißbarkeit von Aluminium durch Zerstörung der Oxidschicht verbessert. Zudem soll die Schweißeignung von nicht oder schwer punktschweißbaren Werkstoffen ermittelt werden.