Direkte Antwort: Bei mitteldicken Blechen erfordert ein einzelner Schweißgang einen so hohen Wärmeeintrag, dass die Kosten für Kornwachstum und Verzug die Kosten mehrerer Schweißgänge übersteigen. Mehrlagenschweißen beginnt daher an der Naht: Winkel, Wurzelfläche und Wurzelspalt bestimmen den Querschnitt, und dieser wiederum die Mindestanzahl an Schweißlagen. Die Raupenführung beeinflusst dann die Verstärkung, das Profil zwischen den Schweißlagen und das Risiko von Verschmelzungsfehlern.
Für wen ist das: Dieser Leitfaden richtet sich an Schweiß- und Fertigungsingenieure, die das robotergestützte Mehrlagenschweißen von mitteldicken Blechen planen, bei denen ein einzelner Schweißgang nicht möglich ist und die Planung des Schweißgangs häufig dem Programmierer überlassen wird.
Umfang: Es behandelt, wie die Geometrie der Schweißnaht die Schicht- und Raupenplanung bestimmt, warum die Raupenplatzierung sowohl das Erscheinungsbild als auch die Verschmelzung beeinflusst und welchen zusätzlichen Nutzen das Roboterschweißen mit sich bringt. Nicht behandelt werden die Verfahrensqualifizierung selbst, die Auswahl der Schweißzusätze oder die Konstruktion des zu verschweißenden Bauteils.
Warum ein einziger Durchgang nicht ausreicht, um eine dicke Fuge fertigzustellen
Mit zunehmender Dicke steigt der Wärmeeintrag, der für das Verschmelzen des gesamten Querschnitts in einem Arbeitsgang erforderlich ist, auf ein kaum noch zu rechtfertigendes Niveau. Die Folgen sind metallurgischer und maßlicher Natur: gröberes Korngefüge, eine breitere Wärmeeinflusszone und ein höherer, nachträglich zu korrigierender Verzug.
Durch das schichtweise Ausfüllen der Fuge bleibt die Wärmeeinbringung bei jedem Durchgang in einem praktikablen Bereich. Dies führt außerdem zu nützlichen Effekten: Jeder Durchgang erwärmt den Bereich für den nächsten vor, und nachfolgende Durchgänge härten einen Teil des zuvor aufgetragenen Materials.
Die makroskopischen Befunde sind eindeutig. Eine Mehrlagenschweißung erscheint nicht als ein einheitliches Band, sondern als eine Reihe einzelner, nacheinander gestapelter Schweißraupen, deren Übergänge auf der fertigen Oberfläche sichtbar sind.
In der Praxis entscheidet der Schweißplan darüber, ob das robotergestützte Mehrlagenschweißen wiederholbar wird oder weiterhin vom Programmierer abhängt. Laut ISO-15614 1: 2017Schweißverfahren werden durch Tests und nicht durch Behauptungen qualifiziert; dies ist der Mechanismus, der einen Prüfplan in ein dokumentiertes Verfahren umwandelt.
Die Nut bestimmt den Querschnitt, der Querschnitt bestimmt die Durchgänge
Nutwinkel, Wurzelfläche und Wurzelspalt bestimmen gemeinsam die zu füllende Fläche. Teilt man diese Fläche durch die Menge, die ein einzelner Durchgang sinnvollerweise aufbringen kann, erhält man die Untergrenze für die Anzahl der Durchgänge. Deshalb beginnt die Planungssequenz an der Nut und nicht an den Parametereinstellungen.
Die Geometrie der Nut beeinflusst auch die Zugänglichkeit. Ist sie zu eng, kann die Taschenlampe nicht oder nur in einem ungünstigen Winkel eindringen. Ist sie zu breit, vergrößert sich das zu füllende Volumen unverhältnismäßig, was die Zykluszeit verlängert und zu Verzerrungen führt. ISO-9692 1: 2013 behandelt verschiedene Arten der Gelenkpräparation und bietet ein gemeinsames Vokabular für diese Diskussion.
Beide Vorgehensweisen sind mit Kosten verbunden, daher sollte die Abwägung bereits in der Konstruktionsphase und nicht erst in der Produktion erfolgen. Eine Nut, die aufgrund ihrer einfachen Schneidbarkeit gewählt wurde, kann unbemerkt einen deutlich höheren Füllaufwand in der Zelle erfordern, als es bei einer nur geringfügig anderen Vorbereitung der Fall gewesen wäre.
Gemäß ISO-9692 1: 2013Die verschiedenen Arten der Nahtvorbereitung werden explizit klassifiziert, wodurch Verarbeiter und Integratoren eine gemeinsame Sprache verwenden können, anstatt darüber zu streiten, wie eine Fasennaht aussehen sollte. EVST beginnt Diskussionen über Mehrlagenschweißen auf Grundlage dieser Klassifizierung.
Die Platzierung der Perlen beeinflusst Aussehen und Verschmelzung.
Die Position jedes Bewehrungsdurchgangs relativ zum vorhergehenden bestimmt, ob die Bewehrung gleichmäßig ist, ob sich zwischen den Durchgängen Rillen bilden und ob die Grenzfläche zwischen den Schichten ordnungsgemäß verschmolzen ist. Dies sind zwar zusammenhängende, aber dennoch unterschiedliche Ergebnisse, und nur das erste ist von außen sichtbar.
Die Reihenfolge der Raupen innerhalb einer Schicht beeinflusst ebenfalls die Verformung. Unterschiedliche Raupenreihenfolgen führen zu unterschiedlicher Winkelverformung und unterschiedlicher Längsschrumpfung an derselben Verbindung, und bei Konstruktionsarbeiten ist dieser Unterschied oft größer als die Auswirkung einer Parameteranpassung.
Die Zwischenlagentemperatur gehört in denselben Bereich. Sie beeinflusst sowohl die metallurgischen Eigenschaften als auch die Bildung der nächsten Schweißraupe, weshalb sie ein Parameter ist, der festgelegt und kontrolliert werden muss, und nicht ein Ergebnis, das erst im Nachhinein erklärt wird.
Entscheidungstabelle: Was die gemeinsame Entscheidung rechtfertigt
Die Tabelle zeigt auf, welche Plattendicke und welche Verbindungsart allein schon gerechtfertigt sind, im Vergleich zu den Nachweisen, die ein Lieferant noch erbringen muss.
| Beweise aus der gemeinsamen | Die Planung rechtfertigt es | Beweise, die Sie noch schulden |
|---|---|---|
| Gleichmäßige maschinelle oder thermische Schnittvorbereitung, stabile Passung | Ein festgelegter Schicht- und Perlenplan, der einmal gelehrt und im gesamten Lauf wiederverwendet wird. | Die Passgenauigkeitsverteilung wurde gemessen und der Passplan anhand des qualifizierten Verfahrens überprüft. |
| Manuell gefertigte Fasen mit sichtbaren Abweichungen | Nahtfindung oder strengere Kontrolle der Präparationsmethode, die vor dem Zelldesign entschieden wird | Der tatsächliche Variationsbereich, da er darüber entscheidet, ob eine Sensorik erforderlich oder optional ist. |
| Die Dicke oder die Verbindungsart variiert je nach Teilemix. | Ein individueller Prüfungsplan pro gemeinsamer Klasse anstatt eines einheitlichen Plans für alles | Gemeinsame Klassen definiert, mit dem Akzeptanzniveau für jede |
| Akzeptanzniveau noch nicht vereinbart | Kein endgültiges Verfahren; Anforderungen an Aussehen und Volumen werden in der Diskussion getrennt behandelt. | Vereinbartes Qualitätsniveau und die Prüfmethode, mit der es nachgewiesen werden kann |
Die Konsistenz der Rillen ist die Variable, die Roboter aufdecken
Beim manuellen Schweißen werden gewisse Vorbereitungsabweichungen ausgeglichen, da der Schweißer die Schweißnaht beobachtet und seine Technik kontinuierlich anpasst. Ein Roboter, der einen vorgegebenen Pfad abfährt, kann dies nicht, wodurch Vorbereitungsabweichungen von einer tolerierbaren Störgröße zu einem Prozessparameter werden, der kontrolliert oder gemessen werden muss.
Das führt zu einer Entscheidung, die früh im Projekt getroffen werden muss: Entweder wird die Vorbereitungsmethode verschärft, sodass Abweichungen innerhalb des vorgegebenen Plans bleiben, oder es werden Nahtfindungs- oder Nahtverfolgungsmaßnahmen eingeführt, damit die Zelle diese Abweichungen aufnehmen kann. Beide Vorgehensweisen sind legitim; keine von beiden zu wählen, ist nicht zielführend.
Für die Entscheidungsfindung werden die tatsächlichen Passungs- und Fasenmaße aus der laufenden Produktion benötigt. Fehlen diese Daten, wird die Entscheidung üblicherweise bis zur Inbetriebnahme verschoben, was die teuerste Vorgehensweise darstellt.
Äußerlichkeiten sind nicht gleichzusetzen mit Durchdringung.
Die Makroaufnahme einer fertigen Mehrlagenschweißung zeigt die Raupenfolge, die Überlappung und die Oberflächenebenheit. Sie gibt jedoch keinen Aufschluss über den Schweißdurchgang, die Verschmelzung der Lagen, die innere Festigkeit oder die mechanischen Eigenschaften und sollte auch nicht so dargestellt werden.
ISO 5817:2023 definiert Qualitätsstufen für Mängel und gibt beiden Parteien ein gemeinsames Vokabular für das, was akzeptabel ist. ISO-15614 1: 2017 umfasst die Verfahrensqualifizierung, also den Mechanismus, durch den interne Ergebnisse tatsächlich nachgewiesen werden.
Die Trennung der beiden Kategorien ist die mit Abstand wichtigste Vorgehensweise in diesem Bereich. Sichtbare Nachweise unterstützen die Prozessrichtung; volumetrische und mechanische Angaben erfordern die entsprechende Prüfung.
Dimensionale Erwartungen gehören in die Spezifikation
Mehrlagenschweißen an Strukturbauteilen führt zu messbarem Schwinden und Winkelverzug. Werden Maßvorgaben nicht explizit genannt, werden diese meist erst bei der Montage festgestellt, und die Korrektur wird dem Schweißen selbst zugeschrieben, anstatt dem Fehlen einer vereinbarten Toleranz.
ISO 13920:1996 Sie legt allgemeine Toleranzen für Schweißkonstruktionen fest und bildet einen praktischen Ausgangspunkt für die entsprechende Vereinbarung. Die explizite Bezugnahme auf eine Klasse ist sinnvoller als die Beschreibung der Anforderung mit Adjektiven.
Wenn die Konstruktion strengere lokale Anforderungen stellt, sorgt die separate Angabe dieser Anforderungen dafür, dass die allgemeine Toleranz praktikabel bleibt, anstatt die gesamte Baugruppe auf den engsten Fall zu zwingen.
Gemäß ISO 13920:1996Allgemeine Toleranzen für Schweißkonstruktionen werden in Klassen angegeben, daher ist die Angabe einer Klasse sinnvoller als die Beschreibung der Anforderung mit Adjektiven. EVST fragt nach der zutreffenden Klasse, bevor das Befestigungskonzept gezeichnet wird.
Was in den Kapitalantrag aufgenommen werden soll
Geben Sie die Blechdicke und das Material, die Verbindungsart und die von Ihnen vorgesehene Nutvorbereitung, das Akzeptanzniveau und die Prüfmethode sowie die gemessene Verteilung der Passungsabweichung gegenüber der aktuellen Produktion an.
Geben Sie dann an, was der Lieferant noch nachweisen muss: den aus der Nut abgeleiteten und nicht angenommenen Passplan, den Zugang zum Brenner an jeder Passposition, ob Nahtfindung oder -verfolgung angesichts Ihrer Passungsdaten erforderlich ist und welche Maßtoleranzklasse die fertige Baugruppe erfüllen muss.
Häufig gestellte Fragen
Warum nicht eine dicke Schweißnaht in einem Arbeitsgang verschweißen?
Da der erforderliche Wärmeeintrag aufgrund des erhöhten Kornwachstums, der vergrößerten Wärmeeinflusszone und des höheren Verzugs mehr Kosten verursachen würde als die zusätzlichen Durchgänge, hält das Auffüllen der Schichten jeden Durchgang in einem praktikablen Wärmeeintragsbereich.
Wer sollte die Anzahl der Schichten und Durchgänge festlegen?
Dies ergibt sich aus der Geometrie der Nut, welche den zu füllenden Querschnitt vorgibt. Es handelt sich um eine Planungsentscheidung, die vor der Produktion getroffen wird, nicht um eine Entscheidung, die erst beim Brennschneiden getroffen wird.
Ist beim Roboterschweißen eine Nahtverfolgung für Mehrlagenschweißungen erforderlich?
Das hängt von der jeweiligen Fertigungstoleranz ab. Ein Roboter, der einen vorgegebenen Pfad abfährt, passt sich einer variablen Fasenform nicht so an wie ein Schweißgerät. Daher muss die Vorbereitung entweder präzise genug für den vorgegebenen Plan gesteuert oder eine Sensorik integriert werden. Die gemessene Abweichung von der aktuellen Produktion entscheidet darüber, welche Methode angewendet wird.
Bedeutet eine optisch ansprechende Schweißnaht, dass die Verbindung dicht ist?
Nein. Das Oberflächenbild zeigt die Reihenfolge, Überlappung und Regelmäßigkeit der Schweißraupen. Penetration, Verschmelzung zwischen den Schweißgängen und mechanische Eigenschaften erfordern eine entsprechende Prüfung und Verfahrensqualifizierung.
Projektbeiträge für eine Antragsprüfung
Senden Sie die folgenden Angaben, damit der Passplan anhand des realen Gelenks anstatt eines Parametersatzes überprüft werden kann:
- Plattendicke und -material, einschließlich der betrachteten Verbindungsarten
- Die Art der Rillenvorbereitung, die Sie derzeit verwenden oder verwenden möchten, und wie diese hergestellt wird
- das Akzeptanzniveau und die Prüfmethode, die dies nachweisen wird
- Gemessene Passungs- und Fasenabweichungen gegenüber der aktuellen Produktion
- die Maßtoleranzklasse, die die fertige Baugruppe erfüllen muss
Wenn Sie das robotergestützte Mehrlagenschweißen von mittelstarken Blechen planen, geben Sie bitte die Dicke und das Material, die Nahtarten und die Nahtvorbereitung, das Abnahmekriterium und die Prüfmethode, Ihre gemessene Passungstoleranz sowie die erforderliche Maßtoleranzklasse an. Die Lagen- und Raupenstrategie kann dann aus der Naht abgeleitet werden, anstatt sie anzunehmen. Weiterführende Informationen: Mehrpassprozessplanung und Zwischenpasssteuerung, Anwendungen im Bereich des Strukturschweißens, Lösungen für automatische Schweißsysteme, Datenwiederherstellung an großen Strukturen.