Autor: J. Delskamp, Bergmann & Steffen GmbH, Spenge (www.bergmann-steffen.de)
Remote-Laserstrahlschweißen: Gebläse-Crossjet für Scanner-Anwendungen
Remote-Laserstrahlschweißen erfreut sich aufgrund der hohen Dynamik und der mannigfaltigen Vorteile steigender Beliebtheit. Betriebswirtschaftlich stehen dem aber hohe Betriebskosten entgegen. Das neuartige Gebläse-Crossjet „Tornadoblade“ hilft nun die Betriebskosten solcher Remote-Laserstrahlschweißanlagen zu senken und wirkt sich positiv auf die Prozessstabilität aus. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche und wirtschaftliche Umsetzung einer Schweißaufgabe.
Laser finden in vielen Anwendungsbereichen Verwendung, beispielsweise zum Schweißen, Schneiden oder zum Oberflächenbearbeiten und stellen mittlerweile ein industrielles „Standardwerkzeug“ dar. Die heute verwendeten Laserstrahlleistungen für das Schweißen von Metallen betragen mehrere Kilowatt. Besonders im Automobilbereich gewinnen zunehmend hochproduktive sogenannte Remote-Laserstrahlschweißoptiken an Bedeutung. Diese werden im Regelfall an einen Industrieroboter adaptiert, über ein Lichtleitkabel mit der Laserstrahlquelle verbunden und positionieren den Laserstrahl über schnelle Umlenkspiegel. Durch zudem große Brennweiten bzw. einem großen Arbeitsabstand von bis zu 1 m besteht die Herausforderung auch in der langen „freien“ Strecke für den Laserstrahl bis
hin zum Werkstück. Innerhalb dieses Arbeitsraums wird der Laserstrahl mit der – insbesondere durch den Schweißprozess selbst verunreinigten – Atmosphäre interagieren. Streuungs- und Abschirmungseffekte führen hier zu Leistungsverlust am Werkstück, reduzieren die Qualität des Laserstrahls und führen zu Prozessinstabilitäten.
Diese äußern sich in Form von Auswurf flüssiger Metallschmelze. Diese Schweißspritzer können leicht bis zur Schweißoptik fliegen und sich dort auf den optisch vergüteten Flächen absetzen und anhaften. Deshalb werden Remote-Laserstrahlschweißoptiken durch systembedingt große Schutzgläser (Durchmesser ungefähr 130 mm, Stückkosten rund 125 €) vor dem Schweißprozess selbst geschützt. Um die Standzeit dieser Verschleißartikel zu verlängern, wird konventionell ein quer zum Laserstrahl angeordneter, starker Luftstrom eingesetzt. Dazu werden jedoch große Mengen an Druckluft benötigt (etwa 2.500 Nl/min = 150 m³/h; Systemdruck typischerweise 8 bar), deren Bereitstellung und Erzeugung zu hohen Investitions- und Betriebskosten führen. Zudem kommen unplanmäßige Maschinenausfallzeiten für den Austausch des Schutzglases hinzu.
Entwicklung
Der Entwicklungsansatz im Jahr 2013 bestand also darin, eine Lösung zur Senkung der Betriebskosten zu finden. Je nach Fall können nach dem zuvor beschriebenen konventionellen Druckluftkonzept leicht 10.000 € pro Jahr und Schweißkopf überschritten werden. Doch die alleinige Substitution von durch Kompressoren erzeugter Druckluft durch deutlich günstigere Gebläseluft stellte keine praxistaugliche Errungenschaft dar. Der Schlüssel zum Durchbruch lag in der gesamten Neugestaltung der Düseneinheit.
Im weiteren Entwicklungsverlauf, sowie ersten Tests im hauseigenen Applikationslabor zeigten sich weitere positive Effekte wie eine Verbesserung der Schweißqualität sowie das Potenzial zu Taktzeiteinsparung und eine erhöhte Programmierfreiheit für Roboterbahnen. Testphasen bei Anwendern aus dem Automotive-Bereich waren derart erfolgreich, sodass ein Erstausrüster bereits alle seine Remote- Laserstrahlschweißoptiken nachgerüstet hat. Die neuartige Prozessdüse „Tornadoblade“ ist nun also in der Lage, die Schweißoptiken zu schützen, die Betriebskosten der Laserschweißanlage nachhaltig zu senken und die Stabilität des Laserschweißprozesses selbst zu erhöhen.