Schweißzeit mehr als halbiert
Um mehr als die Hälfte verkürzen konnte Liebherr die Schweißzeit bei den Eckstielrohren für die Gittermasten von Raupenkränen. Ermöglicht hat dies eine eigens für diesen Einsatz gebaute Schweißroboteranlage von igm. Die Schweißnähte, mit denen die Gabeln und Finger an die Eckstielrohre gefügt werden, sind besonders hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Die auf der Anlage geschweißten Nähte erfüllen alle diese Anforderungen mit einer nachvollziehbaren, gleichmäßigen Qualität – ohne Kaltrisse, ohne Bindefehler, ohne Kerbwirkungen.
Autor: Martin Wohlgenannt, Technischer Fachredakteur
Das Liebherr-Werk Ehingen ist auf die Herstellung von Mobil- und Raupenkränen spezialisiert. Dafür werden pro Jahr über 20.000 t Feinkornbaustähle verarbeitet. Die All-Terrain-Mobilkrane, mit bis zu neun Achsen, sind auf eigengefertigten Fahrgestellen aufgebaut. 75 Prozent des Umsatzes werden mit diesen Geräten erwirtschaftet – 20 Prozent erbringen die Raupenkräne der obersten Größenklassen mit Tragkräften über 350 t.
Diese Großkräne werden z. B. für die Montage von Windkraftanlagen eingesetzt – aber auch für den Zusammenbau großer Fertigteilkomponenten oder das Einheben schwerer Brückenbauteile. Zum Transport werden sie in Einzelteile von max. 70 t zerlegt – der Hauptmast und die Wippspitze z. B. in 12 m lange Gitterelemente. An den Eckstielen dieser Gitterelemente sind Gabeln und Finger angeschweißt, die bei der Montage der Masten ineinander geführt und durch Bolzen in den Augenbohrungen fixiert werden. Die Schweißnähte sind also äußerst hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Die manuelle Schweißung benötigte z. B. bei einem einzigen Eckstielrohr mit 419 mm Durchmesser und 60 mm Wandstärke 25 Stunden. Seit Sommer 2010 verkürzt eine Schweißroboteranlage von igm diese Zeit auf weniger als zehn Stunden.
Ein eingespieltes Team
Kernstück der Schweißanlage ist ein sechsachsiger Roboter des Typs RTi330, 
Im Liebherr-Werk Ehingen wird auch der größte konventionelle Raupenkran der Welt gebaut, mit einer Tragkraft von 3.000 t. Allein das Raupenfahrwerk ist mit 3,5 m so hoch wie zwei aufeinander stehende Menschen.
Im Liebherr-Werk Ehingen wird auch der größte konventionelle Raupenkran der...
Der Manipulator, auf dem die zwischen 2,5 und 5,5 t wiegenden Eckstielrohre aufgelegt werden, verfügt über eine angetriebene Lünette und drei Unterstützungs-Rollböcke. Alle sind so auf Rohrdurchmesser zwischen 150 und 500 mm einstellbar, dass sich die Rohrachse immer an der gleichen Position befindet. Außerdem ist an jedem Ende des Manipulators eine Bürsteinrichtung installiert, mit der die Naht von Schlacke gesäubert werden kann.
Die Rohre bestehen aus hochfestem Feinkornbaustahl 890, die Finger und Gabeln aus vergütetem Stahlguss. Die einzelnen Strichraupen werden bei 450 Ampere mit einer Geschwindigkeit von 70 bis 80 cm/min geschweißt. Um diese hohe Leistung zu erreichen, arbeitet der Schweißroboter mit einem TWIN-Brenner, der dem Schweißbad zwei Drähte zuführt. Der erste führt die Masterfunktion aus und schweißt mit Drahtvorschubgeschwindigkeiten zwischen 10 und 10,5 m/min, der zweite mit 9 bis 9,5 m/min. Die beiden MAG-Schweißdrähte des Typs Union X90 sind 1,2 mm dick. Als Schutzgas dient 85 % Argon und 15 % CO² – pro Minute werden 20 l benötigt.
Großvolumige Schweißnähte
Zum Schweißen werden die Eckstielrohre mit angehefteten Gabeln bzw. Fingern angeliefert. Für die erforderliche Nahtvorbereitung sind die Rohre mit konischer Schnittfläche auf Maß ausgebrannt. Die Gabeln und Finger sind Gussteile, an denen die schrägen Flächen der Nahtvorbereitung angedreht sind. Der zylindrische Teil der Gabeln bzw. Finger ragt einige Millimeter in das Innere des Rohrs und bildet die Schweißbadsicherung. Die zwischen 25 und 60 mm messenden Wandstärken und der im Winkel von 2 x 20° geöffnete Schweißspalt ergeben großvolumige V-Nähte, die mit bis zu 80 Strichraupen und einer ganzen Reihe von Schichten geschweißt werden.
Der Manipulator der Anlage dreht das Rohr ständig so mit, dass der Roboter immer an der höchsten Stelle schweißt – also weder steigend noch fallend. Die Herausforderung liegt somit nicht an der Zugänglichkeit der Schweißnähte und auch nicht beim Schweißverzug, der auf der gesamten Rohrlänge nur einen Millimeter beträgt. Hingegen hat die fehlerfreie Ausführung der Schweißung entscheidende Bedeutung. Ebenso wichtig ist das exakte Einhalten des Temperaturfensters zwischen 120 und 200° C, um das Entstehen von Wasserstoffrissen (Kaltrissen) zu verhindern.
In einem ersten Arbeitsschritt wird die Wurzellage geschweißt, einer Sichtprüfung unterzogen und danach eventuelle Kerben ausgeschliffen. Daraufhin scannt der iCAM Schweißnahtsensor – ein von igm entwickelter Laser-Linienscanner mit 150 mm Reichweite – die Naht-Querschnittsfläche. Dazu vermisst er auf den 360° des Umfangs 1.200 Querschnittsframes.
Mit den einzelnen Querschnittsberechnungen ist die Steuerung in der Lage, 
Die iCAM Laserkamera vermisst auf den 360° des Umfangs 1.200 Querschnittsframes. Damit kann die Steuerung das Schweißnahtvolumen, trotz der großen Rohr-Rundheitstoleranzen, laufend dem aktuellen Querschnitt anpassen.
Die iCAM Laserkamera vermisst auf den 360° des Umfangs 1.200 Querschnittsframes....
Weitere Scan-Durchgänge nach einer, zwei und vier Lagen sichern trotz der Rohr-Unwuchten eine konstante Schweißnahtfüllung über den gesamten Querschnitt. Bei den einzelnen Scan-Durchgängen wählt die Kamera jeweils den tiefsten Punkt der zuletzt geschweißten Lage als Trackingpunkt. Um Anfangs-Bindefehler und Endkrater auszugleichen, wird der Beginn jeder neuen Strichraupe um 45° versetzt. Auf diese Weise entsteht eine Schweißnaht mit hoher Qualität und mit einem gleichmäßigen Decklagenaufbau ohne Gefahr von Kerbwirkung.
Bei der Programmierung gibt der Maschinenbediener der Steuerung nur die Anzahl der zu schweißenden Lagen fix vor, die anderen Schweißparameter regelt die Steuerung innerhalb der programmierten Füllungs-Bandbreite selbst. Der Brenner pendelt beim Schweißen mit einer zwischen 1,5 und 3 mm programmierbaren Amplitude. Durch das Brennerpendeln ist eine weniger große Anzahl von Strichraupen erforderlich.
Sensorkamera in die Robotersteuerung integriert
Die iCAM Laserkamera, eine Eigenentwicklung von igm, ist in das System der 
Die Schweißnähte, mit denen die Gabeln und Finger an den Enden der Eckstielrohre angeschweißt sind, müssen äußerst hohen Beanspruchungen standhalten.
Die Schweißnähte, mit denen die Gabeln und Finger an den Enden der Eckstielrohre...
Die automatische Steuerung der Belichtung und des Lasers sorgen für eine optimale Erkennung und Auswertung des Messsignals. Die Automatik regelt außerdem den Betrachtungsbereich und steigert damit die Anpassungsfähigkeit der Kamera. Alle Messwerte werden protokolliert und sind auch nach dem Beenden des Programms verfügbar. Dies ermöglicht die Analyse der Schweißfuge direkt an der Anlage. Die Kamera ist unempfindlich gegenüber Hochfrequenzen und magnetischen Feldern und eignet sich daher ausgezeichnet für den Einsatz unter rauen Betriebsbedingungen.
Exakte Einhaltung des Temperaturfensters
Damit die zu schweißenden Rohre bzw. Gabeln oder Finger nicht zu heiß werden, ist das Programm so erstellt worden, dass abwechselnd an beiden Enden der Rohre geschweißt wird. Zur Vermeidung von Kerbwirkungen, Schlackeneinschlüssen und anderen Schweißfehlern wird nicht nur nach der Wurzellage sondern nach jeder vorletzten Strichraupe einer Schicht geschliffen und gebürstet. Dieser Arbeitsgang erfolgt während der Roboter am anderen Ende des Eckstielrohrs am Schweißen ist.
Die Schweißreihenfolgen für die einzelnen Typen der Eckstielrohre werden manuell programmiert, wobei das Programm in der Steuerung gespeichert und beim nächsten, gleichartigen Werkstück wieder aufgerufen werden kann. Die Steuerung protokolliert den Ablauf jeder einzelnen Schweißung. Dass keine Wasserstoffrisse (Kaltrisse) entstanden sind, lässt sich erst nach Ablauf von zwei Tagen – nach dem vollständigen Abkühlen des Bauteils – nach einer zerstörungsfreien Bauteilprüfung mit Sicherheit sagen. Um das Gefüge nicht zu verändern, muss die T8/5-Zeit zur Abkühlung des Schmelzbades von 800° auf 500° C unbedingt eingehalten werden. Nach der Schweißung wird das Rohr ca. vier Stunden lang auf einer Temperatur von 150° C gehalten. Erst danach darf die langsame Abkühlung erfolgen.
Größere Wandstärke – höhere Rentabilität
Bis zur Inbetriebnahme des Schweißroboters wurden die Gabeln und Finger von Hand an den Enden der Eckstielrohre angeschweißt. Dies dauerte nicht nur mehr als doppelt so lang, sondern stellte für den Schweißer eine hohe physische Belastung dar. Mit der Schweißroboteranlage konnten die Schweißzeiten um bis zu 64 Prozent verkürzt werden, wobei die Zeiteinsparung umso stärker zu Buche schlägt, je größer die Wandstärke der Rohre ist. Wie die Schweißfachleute von Liebherr betonen, kommt zur massiven Verkürzung der Schweißzeiten noch hinzu, dass der Roboter nahezu fehlerfrei schweißt und eine ausgesprochen gleichmäßige Nahtqualität erzielt. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Schweißzeiten durch weitere Optimierungen, insbesondere bei der Vor- und Nachwärmung, um weitere fünf Prozent reduzieren lassen.
Im Liebherr-Werk Ehingen wird auch der größte konventionelle Raupenkran der Welt gebaut, mit einer Tragkraft von 3.000 t. Allein das Raupenfahrwerk ist mit 3,5 m so hoch wie zwei aufeinander stehende Menschen.
Die iCAM Laserkamera vermisst auf den 360° des Umfangs 1.200 Querschnittsframes. Damit kann die Steuerung das Schweißnahtvolumen, trotz der großen Rohr-Rundheitstoleranzen, laufend dem aktuellen Querschnitt anpassen.
Die Schweißnähte, mit denen die Gabeln und Finger an den Enden der Eckstielrohre angeschweißt sind, müssen äußerst hohen Beanspruchungen standhalten.
Special Blechexpo/Schweisstec 2011
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