ROLLINER NG ist bereits die zweite Generation eines völlig neuen Lösungsansatzes für das Fördern von Schweißdrähten. Weg von reibungsbehafteten Schläuchen, weg von Abrieb, von ungleichmäßiger Förderung und von unnötigem Wartungsaufwand. Die Drahtelektrode wird nur durch jeweils um 90° versetzte Rollen geführt – ohne Gleitreibung. Damit ist es möglich Roboterschweißanlagen wesentlich einfacher aufzubauen und Drahtgroßgebinde auch für das Handschweißen einzusetzen.

Mit der zweiten Generation des Rolliners ergibt sich eine breite Palette von Anwendungen und völlig neue Ansätze für die Lichtbogen- und Laserschweißverfahren.

Mit der zweiten Generation des Rolliners ergibt sich eine breite Palette von...

Autor: Robert Lahnsteiner, MIG WELD GmbH International

Speziell das Metallschutzgasschweißen ist äußerst weit verbreitet und stellt einen erheblichen Anteil an der schweißtechnischen Wertschöpfung dar. Die dabei eingesetzen, runden Drahtelektroden sind auf Drahtspulen aufgewickelt und werden mit Hilfe von so genannten Drahtförderschläuchen von diesen Spulen der eigentlichen Verwendung zugeführt. Diese Drahtförderschläuche oder auch Drahtseelen bestehen bei un- und niedriglegierten Stahldrähten üblicherweise aus einer Stahlspirale, bei nichtrostenden Zusätzen und Nichteisenmetallen aus Kunststoffschläuchen.

Gewöhnlich befindet sich die Drahtspule direkt in der Nähe des Drahtvorschubgerätes. Der Draht wird direkt von der Spule abgezogen, anschließend mit einem Fördersystem in die Drahtseele geschoben und erreicht nach einigen Metern die Stromdüse. Die Länge der Drahtseele ist durch die Reibung des Drahtes begrenzt, welche der Förderkraft des Drahtantriebes entgegenwirkt. Die maximal mögliche Länge beträgt meist 5m.

Stillstände vermeiden

In den letzten 20 Jahren kam es durch den zunehmenden Einsatz von mechanisierten Schweißprozessen, speziell in Verbindung mit Industrierobotern zum vermehrten Einsatz von größeren Drahtgebinden, um Stillstände durch das häufige Wechseln von Drahtspulen zu vermeiden. Diese können aufgrund ihres Gewichtes

Aufbau einer Roboterschweißanlage mit Drahtfass.

Aufbau einer Roboterschweißanlage mit Drahtfass.

und der Größe nicht mehr in unmittelbarer Nähe des Drahtvorschubgerätes positioniert werden. Somit wurde es notwendig die Drahtelektrode durch eine weitere Drahtseele zunächst vom Großgebinde zur Drahtfördereinrichtung zu transportieren und anschließend zum eigentlichen Lichtbogen.

Auch hier ist die maximal mögliche Förderlänge durch die zunehmende Reibung begrenzt und beträgt üblicherweise nur einige Meter. Ein häufiges Problem bei derartigen Anlagen sind eine zu hohe Reibung und die damit verbundenen hohen Kräfte, welche durch den Drahtantrieb geleistet werden müssen. Diese führen in vielen Fällen zu Schlupf in den Drahtfördersystemen, dadurch unregelmäßigen Drahttransportgeschwindigkeiten, sowie mechanischer Beschädigung des Drahtes. Diese Beschädigung kann auch zu Abrieb und einer folgenden Verstopfung der Drahtseele mit kompletten Stillständen führen.

Um dieser Problematik entgegen zu wirken, werden häufig Drahtfördersysteme mit mehreren Drahtantrieben (Anm.: Push-Pull-System) verwendet. Dies kann zu neuen Schwierigkeiten aufgrund der problematischen Synchronisierung der Antriebe führen. Darüber hinaus ist es in regelmäßigen Abständen notwendig, die Drahtseelen zu reinigen und auszuwechseln. Der Zeitaufwand kann dafür erheblich sein. Insgesamt ist die Situation unbefriedigend und wirkt einer zunehmenden Verbreitung der damit verbunden Verfahren entgegen.

Rollreibung vs. Gleitreibung
Reibung bzw. Friktion ist die Hemmung einer Bewegung. Man unterscheidet

Robotersystem ohne Drahtantrieb auf der dritten Achse.

Robotersystem ohne Drahtantrieb auf der dritten Achse.

zwischen äußerer Reibung, die zwischen den sich berührenden Grenzflächen von Festkörpern auftritt, und innerer Reibung bei der Verformung von Fluiden und Festkörpern.
Bei dem Transport von dünnen Drähten durch Drahtseelen tritt sowohl äußere als auch innere Reibung auf. Diese wird durch Biegeradien verursacht, wodurch der Draht die innere Schlauchwand berührt und dort Gleitreibung verursacht. Gleichzeitig wird der Draht verformt was zur inneren Reibung führt. Je mehr Biegeradien vorhanden sind und je kleiner diese Radien sind, umso höher wird die Gesamtreibung im Drahtfördersystem.

Bei mehreren aufeinander folgenden Radien müssen die Radien addiert werden und es kommt aufgrund der Exponentialfunktion sehr schnell zu einer Überschreitung der maximal vom Drahtvorschubsystem zur Verfügung gestellten Förderkräfte. In der Vergangenheit wurde daher speziell nach Materialien mit niedrigen Gleitreibungskoeffizienten gesucht um die auftretenden Reibungskräfte zu reduzieren. Auch durch verbesserte Werkstoffe waren die Fortschritte in der Verringerung des Gleitreibungskoeffizienten zuletzt nur mehr gering. Gleichzeitig nimmt die Verwendung von Drahtgroßgebinden beständig zu, somit auch die Forderung nach Drahttransportsystemen mit großen Förderlängen. Deshalb war es nur nahe liegend die deutlich geringere Rollreibung auch für den Transport von Schweißdrähten einzusetzen.

Die Rollreibung, auch Rollwiderstand, entspricht dem Verformungswiderstand eines sich abwälzenden Körpers. Als Kennwert wird der Rollwiderstandskoeffizient angegeben. Die Werte für die Rollwiderstandskoeffizienten

Handschweißanlage mit Fassdrahtversorgung.

Handschweißanlage mit Fassdrahtversorgung.

sind verglichen mit den passenden Werten für Gleitreibung erheblich kleiner. Rollwiderstandskoeffizienten liegen um ein bis über zwei Größenordnungen unter denen des Gleitreibungskoeffizienten. Umso erstaunlicher ist es, dass diese Entwicklung erst nach 60 Jahren erfolgte.

Rolliner – Die 2. Generation

Beim Rolliner von MIG WELD erfolgt der Drahttransport ausschließlich über Rollreibung. Durch jeweils um 90° versetzte Rollenpaare wird der Draht auch über sehr große Längen von mehreren zehn Metern transportiert, ohne an irgendeiner Stelle Gleitreibung zu verursachen. Dadurch werden die Förderkräfte erheblich verringert, größere Transportlängen möglich, mechanische Drahtbeschädigung vermieden und Schwankungen der Drahtfördergeschwindigkeit reduziert. Die innere Reibung durch sehr kleine Biegeradien besteht jedoch weiterhin.

Ein erheblicher Fortschritt liegt auch in der Tatsache, dass es sich beim Rolliner nicht mehr um ein Verschleißteil handelt. Die Systeme bewähren sich bereits seit drei Jahren, ohne jemals gereinigt oder gar gewechselt worden zu sein. Die wesentliche Herausforderung bei der Konstruktion des Rolliners lag in der Realisierung einer geringen Baugröße (Durchmesser) sowie einer wirtschaftlichen Fertigung.

Die vor etwa drei Jahren vorgestellte erste Generation des Rolliners hatte noch einen Außendurchmesser von 50mm und Kosten in der Größenordnung von weit über einhundert Euro je Meter. Dadurch war die Anwendung lediglich auf jene Anlagen beschränkt, welche mit anderen Drahtseelen, oder Zusatzantrieben nicht zufriedenstellend funktionierten. Mit der zweiten Generation des Rolliners wurde nun der Durchmesser auf 20mm reduziert und der Preis unter die einhundert Euro Marke gesenkt. Damit ergibt sich eine breite Palette von Anwendungen und völlig neue Ansätze für die Lichtbogen- und Laserschweißverfahren.

Der Durchbruch gelang durch die Konstruktion von Kunststoffspritzteilen, welche sowohl die Funktion der Rollenpaare, als auch jene des Schutzschlauches in einem Bauteil übernehmen. Die Einzelelemente werden durch einfaches Aneinanderklipsen verbunden und zu beliebigen Längen verkettet. Dabei ist es auch jederzeit möglich die Klipse wieder zu öffnen und Elemente einzufügen oder zu entfernen. Der minimale Biegeradius ergibt sich mit 120mm und das Gewicht je Meter Schlauch beträgt nur 150 Gramm.
Bei einer Versuchsanordnung wurden Messungen der Reibungskoeffizienten bei konventionellen Draht/Seelen-Paarungen, sowie mit Draht/Rolliner-Paarungen durchgeführt. Untersucht wurden Drahtelektroden G3Si1 gepaart mit Stahlseelen, sowie AlMg5 gepaart mit Teflon. Die Seelen wurden jeweils auch durch den Rolliner ersetzt. Für konventionelle Seelen wurde ein Reibungskoeffizient von etwa 0,004 ermittelt und für den Rolliner von etwa 0,001. Dieser Unterschied ist auf den ersten Blick nicht so dramatisch, entscheidet jedoch in der Praxis häufig zwischen „geht“ und „geht nicht“.

Völlig neue, bisher unmögliche Einsatzgebiete

Die neuen Drahtförderschläuche ermöglichen jedoch auch völlig neue, bisher unmögliche Einsatzgebiete für das Lichtbogenschweißen. Beispielsweise wird es möglich bei Roboterschweißanlagen auf den Drahtantrieb, welcher üblicherweise auf der dritten Achse befestigt ist, völlig zu verzichten und mittels eines Schweißbrenners mit integriertem Motor den Draht direkt aus dem Drahtfass, auch über große Distanzen, zu ziehen. Die Vorteile liegen im Wegfall des Gewichtes auf der dritten Achse, dem Wegfall der Antriebssynchronisation und der geringeren Kosten.

Beim halbautomatischen Schweißen von sehr großen Bauteilen (Anm.: Schiffe, Behälter, Nutz- und Schienenfahrzeuge) wird es nun möglich, den Schweißdraht ebenfalls aus Drahtfässern zur Verfügung zu stellen. Es wurden bereits Drahtförderlängen von 50m im Schiffbau mit nur einem Antrieb realisiert. Die Vorteile liegen in einer deutlichen Reduzierung der Nebenzeiten, durch den Wegfall der Spulenwechsel, sowie der Humanisierung der Arbeitswelt des Schweißers, da die bis zu 18kg schweren Drahtspulen nicht mehr manipuliert werden müssen.

Die Einsparungen an Nebenzeiten können erheblich sein. Mit einem einzigen Drahtfass für unlegierten Stahldraht lassen sich bis zu 30 Spulenwechsel mit einem Zeitaufwand von jeweils 15-20 Minuten einsparen. Dies summiert sich auf 10 Arbeitsstunden innerhalb von 5-6 Wochen im Einschichtbetrieb.

Rolliner verbessert Schweißprozess

Aufgrund der beschriebenen Vorteile des Rolliners ist zukünftig damit zu rechnen, dass dieser für alle Schweißanlagen mit Großspulen oder Fasssystemen eingesetzt wird, unabhängig von der Länge der Verbindung. Damit wird ein Verschleißteil substituiert und die Anlagenverfügbarkeit erhöht, wodurch die Mehrkosten in kurzer Zeit amortisiert werden. Ebenso wurde bereits in vielen Fällen beobachtet, dass die Schweißprozesse stabiler ablaufen, mit geringerer Spritzerbildung und weniger Schweißnahtfehlern wie z.B. Poren. Damit wird Nacharbeit und Ausschuss reduziert.

Als nächsten Entwicklungsschritt kann man möglicherweise auch damit rechnen, dass der Rolliner auch für Brennerschlauchpakete eingesetzt wird und der Draht nicht durchgezogen, sondern durchgeschoben wird. Dafür ist möglicherweise eine weitere Verringerung des Durchmessers nötig. Mit dem Rolliner ist es gelungen die Lichbogen- und Laserstrahlprozesse erheblich zu verbessern und einen weiteren Schritt zur Akzeptanz dieser Verfahren zu leisten.

Mit der zweiten Generation des Rolliners ergibt sich eine breite Palette von Anwendungen und völlig neue Ansätze für die Lichtbogen- und Laserschweißverfahren.

Aufbau einer Roboterschweißanlage mit Drahtfass.

Robotersystem ohne Drahtantrieb auf der dritten Achse.

Handschweißanlage mit Fassdrahtversorgung.