Volvo öffnet Prozessfenster
Selbst die Karosserie-Experten von Volvo stießen an die Grenzen der Automatisierung,
wenn es um das thermische Fügen warmumgeformter, unterschiedlich beschichteter Bleche ging. Jetzt nutzt man im schwedischen Stammwerk erfolgreich eine Roboter-Lösung mit CMT-Technik. Auf den robotergestützten Linien werden jetzt reproduzierbar hochwertige Ergebnisse erzielt.
Innerhalb des Ford-Konzerns pflegen die Technikmanager ein qualifiziertes Wissensmanagement. So erfuhren auch Johnny K Larsson, Technical Spezialist BIW Joining Technologies, Joel Lundgren, Welding Technician und Mikael Carlsson, Process Engineer Manufacturing, von der CMT(Cold Metal Transfer)-Technik. Das von Fronius entwickelte spezielle Lichtbogen-Schweißverfahren zum Fügen dünner Bleche zeichnen Eigenschaften aus, die es für prozessfähige Lösungen prädestinieren: ein großes Prozessfenster mit reproduzierbaren Ergebnissen, hohe Spaltüberbrückung, geringer Wärmeeintrag, geringer Verzug der gefügten Bleche, nahezu Spritzerfreiheit und folglich ein niedriger Bedarf an Nacharbeit. Im Göteborger Karosseriewerk kommen konkretisierende Forderungen hinzu, die die zu automatisierende Fertigung betreffen. Es galt, das Schweißen von relativ dünnen, warmumgeformten hochfesten Blechen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit der Marken „Usibor“ (beschichtet) oder „Boron“(unbeschichtet) prozesssicher zu realisieren. Gefragt war außerdem eine attraktive Nahtoptik
Enge Prozessfenster sind eine Herausforderung
Warmumgeformte hochfeste Stähle sind typische Leichtbau-Materialien. Den automobilgerechten und konstruktiv vielseitig einsetzbaren Werkstoff kennzeichnet ein gutes Festigkeitsverhalten bei hohen mechanischen Beanspruchungen. Gegen Oxydation und Entkohlen während des Warmtiefziehens schützt eine Aluminium-Zirconium-Beschichtung, die auch das lackierte Fertigteil korrosionsbeständiger macht. Den positiven Eigenschaften der Usibor- und ähnlicher Stähle stehen jedoch Nachteile beim thermischen Fügen mit MSG(Metall-Schutzgas)-Schweißverfahren gegenüber – so die Erfahrungen der Volvo-Experten. Der Wärmeeintrag während des MSG-Schweißens führt zu thermischem Verzug der gefügten Baugruppen und damit zu verminderter Genauigkeit und Qualität. Schweißspritzer verursachen erhöhten Aufwand für Nacharbeit bzw. optische Mängel. Die größte Schwierigkeit im Hinblick auf eine prozessoptimierte Fertigung stellt das eng begrenzte Prozessfenster dar. Es reduziert die Produktivität der Schweißzellen in inakzeptablem Maße. Weil der Schweißprozess nicht effizient zu automatisieren ist, resultieren hohe Kosten aus der lohnintensiven Fertigung inklusive Nacharbeit. Weiter kostentreibend wirken die erforderlichen zerstörenden Materialprüfungen. Weil sie eine dauerhaft hohe Reparatur- und Ausfallrate nicht hinnehmen wollen, sahen die Volvo-Experten zwei Lösungsstrategien: Entweder sie ändern die Konstruktion mit den Verbindungsstellen, so dass statt MSG-Schweißen ein anderes Fügeverfahren anwendbar wird, oder sie nutzen eine alternative Lichtbogen-Schweißtechnologie mit geringerem Wärmeeintrag.
In mehreren Reihen untersuchten und verglichen die Fachleute verschiedene Lichtbogen-Schweißverfahren. So ermittelten sie für jede Blechkombination die Parameter per Einzeltestreihen. Sie variierten unter anderem die Drahtvorschubgeschwindigkeit, den Bereich des Kurz- bis zum Sprühlichtbogen, den Brennerversatz, die Schweißpositionen und die Drahtdurchmesser des Schweißzusatzwerkstoffes. Danach fiel die Entscheidung eindeutig für CMT. „Mit CMT haben wir eine Möglichkeit gewonnen, Verbindungen mit Boron-Stahl zu schweißen, die wir mit dem herkömmlichen MSG-Prozess nicht hatten. Zusätzlicher Vorteil ist der fast vollständige Wegfall von Schweißspritzern während des Fertigungsprozesses“, erklärt Joel Lundgren. „Kostengünstiger als Laser – bessere Qualität als MSG“, so fasst Johnny K Larsson seine Erfahrung mit CMT zusammen. Er schildert seine Erfahrungen: „Nach anfänglicher Skepsis hat CMT uns überzeugt. Wir stellten fest, dass wir gegenüber dem Laserschweißen erheblich Kosten einsparen. Und im Vergleich zum konventionellen MSG-Prozess liegen wir qualitativ deutlich vorne. Das gilt sowohl für die Produkt- wie die Prozessaspekte.“
Vorbei mit „Schwedenstahl“: Leichtbau bei Volvo
Im Oktober 2008 integrierten die Volvo-Ingenieure das ursprüngliche CMT-Versuchssystem in die laufende Produktion. Seit Mai 2009 schweißen zwei neu erworbene Systeme TransPuls Synergic 4000 CMT in den Schweißzellen der Karosserieproduktionslinie. Als Schweißer fungieren vorhandene ABB-Roboter. Die Anlage, in Rekordzeit installiert, läuft seitdem unterbrechungsfrei.
„Dass wir mit CMT jetzt dünnere Bleche reproduzierbar fügen können, kommt unseren Leichtbauzielen entgegen. Und die Möglichkeit, bisher nicht schweißbare Bleche zu fügen, gibt den Konstrukteuren zusätzliche Freiräume“, erklärt Mikael Carlsson. In Konsequenz daraus werden die Göteborger beim MSG-Schweißen zukünftig vorzugsweise CMT einsetzen. Ihre Erfahrungen dokumentieren die Entwickler und Fertigungsingenieure sorgfältig. Während zuvor kein automatisierbarer Schweißprozess unter den vorgegebenen Kriterien möglich war, beträgt der MTBF (Mean Time Between Failure) jetzt 19,5 Stunden, das heißt nur eine Unterbrechung je (mehrschichtigem) Arbeitstag. Im Vergleich zur Situation vor Einführung der CMT-Technologie haben sich Anlagenverfügbarkeit und Produktqualität deutlich erhöht. Insgesamt 274 mm Schweißnaht beträgt der Arbeitsanteil eines Roboters je Karosserie. Vor allem die qualitativen Aspekte überzeugen die Göteborger Anwender. Mit CMT erreichen sie jetzt ein besseres Nahtaussehen. Die zuvor erforderlichen Vorrichtungen zum Schutz der Gewinde vor Schweißspritzern entfallen, und das Reinigen der Gasdüsen erfolgt in größeren Abständen. Besonders wichtig: „Die höhere Schweißgeschwindigkeit von CMT erlaubt uns, die Taktzeit der Schweißzelle zu reduzieren“, erklärt der Fertigungsexperte Joel Lundgren. Und mit den wegfallenden Schweißspritzern sparen wir Nacharbeit – sowohl an der Karosserie als auch beim Equipment in der Schweißzelle.“ Johnny K Larsson betont einen weiteren Prozess-Aspekt: Wichtig war für uns, ein neues Fügesystem in die laufende Produktion integrieren zu können, ohne das Produkt zu verändern. Das hat uns neue Zertifikationen erspart.“
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