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Fügetechnik (Subject) / Mechanisierung Automatisierung (Lesson)

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• Mechanisierung / Automatisierung – Mechanisierungsgrade Figure 1 Handschweißen werden alle notwendigen Arbeitsabläufe manuell ausgeführt. Teilmechaniserten Prozessen spricht man dann, wenn die Zuführung des Zusatzwerkstoffes mechanisch erfolgt Vollmechanischen Schweißen wird auch die Brennerführung mechanisiert. Automatische Anlagen bedürfen dann keines Eingriffs des Menschen mehr. Zu beachten bleibt, dass die verschiedenen Schweißprozesse durch Umrüstung in sehr unterschiedlichen Mechaniserungsgraden betrieben werden können. Der Ersatz des Schweißstabes durch einen mechanisch von einer Rolle zugeführten Draht führt zu einem teilmechanisierten Prozess, die Führung dieser Einheit und des Brenners z.B. durch eine Roboter nennt man dann vollmechanisches Schweißen. Erst wenn dieser Roboter dann mechanisch mit Teilen versorgt bzw. die fertigen Produkte mechanisch abtransportiert werden, spricht man von automatischem Schweißen.
• Mechanisierung / Automatisierung – Regelkreise beim Schweißen Prozess als Regelkreise verdeutlicht die Schwierigkeiten bei der Übertragung vom Mensch auf die Maschine. Regelstrategien, die im Vergleich zu den menschlichen Fähigkeiten als vergleichsweise primitiv bezeichnet werden müssen. Dies hat direkten Einfluss auf die kompensierbaren Störgrößen Idealerweise werden vollmechanisierte Prozesse so geplant, dass ein geschlossener Regelkreis nicht notwendig ist.
• Mechanisierung / Automatisierung – Toleranzen des Bauteiles und der Brennerführung -          Schweißgeschwindigkeit                          ΔBauteiltolerance  Brennerführungstolerance Mögliche Bauteiltoleranzen und die notwendige Genauigkeit bei der Brennerführung hängen direkt voneinander ab. Dabei gilt, dass je größer die Toleranzen in der Brennerführung sind, umso genauer dieBauteile vorbereitet sein müssen (und umkehrt), damit der Schweißprozess noch akzeptable Ergebnisse liefert. Als weitere Einflussgröße spielt die Schweißgeschwindigkeit eine Rolle, die zur Erhöhung der Produktivität der Schweißanlage möglichst hoch angestrebt wird. Langsame Schweißgeschwindigkeiten erlauben die Kompensation größerer Toleranzen als hohe Schweißgeschwindigkeiten. Die menschliche Arbeit wäre in diesem Diagramm eher im unteren Bereich anzusiedeln, die Bereiche für vollmechanische und automatische Prozesse aus wirtschaftlichen Gründen eher im oberen Bereich, wo die Prozesse weniger robust sind.
• Mechanisierung / Automatisierung – Einfluss auf die Fertigungskosten Figure 2 Je größer die Bauteiltoleranzen sein dürfen, umso preiswerter lassen sie sich herstellen Gleichzeitig steigen die Schweißkosten. Für vollmechanisierte und automatisierte Prozesse ist dieser Anstieg wegen des für die Kompensation zu treibenden Aufwandes sehr viel steiler als bei der Schweißung durch den Menschen Die Addition von Vorbereitungskosten und Schweißkosten ergibt optimale Bereiche für die jeweiligen Mechanisierungsgrade der Fertigungen
• Mechanisierung / Automatisierung – Einfluss auf die Fertigungsflexibilität Figure 3 Sehr unterschiedliche Produkte, kleine Losgrößen und grobe Toleranzen erfordern höchste Flexibilität in der Fertigung. Hier wird man in der Regel auf Handschweißer zurückgreifen, die neben der eigentlichen Schweißausrüstung mit wenigen universellen, einfachen Hilfsvorrichtungen auskommen. Höhere Losgrößen, viele ähnliche Bauteile, Serien oder Großserienfertigung sind daher Argumente für eine vollmechanisierte oder automatische Fertigung. Für eine prozesssichere Fertigung ist erhöhter Aufwand hinsichtlich der Schweißvorrichtungen und Bauteilvorbereitung zu treiben. Die daraus und aus den höheren Investitionskosten entstehenden sehr viel höheren Stundensätze sind durch die höhere Produktivität der Anlagen gegen zu rechnen.
• Mechanisierung / Automatisierung – Hilfsmittel zum manuellen und teilmechanisierten Schweißen Hilfsmittel zum vollmechanisierten und automatisierten Schweißen manuellen und teilmechanisierten Schweißen Spindel-Reitstock-Positioniersystem Rollenböcke Drehkipptische vollmechanisierten und automatisierten Schweißen Schienensystem- unterpulverschweißen Schweißtraktor Industrieroboter- MSG-, WIG- und Plasmaschweißens, des Widerstandpunktschweißens und des    Laserstrahlschweißens
• Mechanisierung / Automatisierung – Zusammenbauvorrichtungen Schweißprozesse funktionieren nur in vergleichsweise engen Toleranzen hinsichtlich Nahtvorbereitung und Führung der Wärmequelle. Ausgebildete sind aufgrund ihrer Sinne in der Lage auf Abweichungen vom Optimum mit Strategiewechsel und Nachführung des Brenners zu reagieren und können so auch bei recht groben Abweichungen vom Soll noch gute Schweißergebnisse erzielen. Vollmechanische und automatische Schweißanlagen fehlen diese Sinne, die Maschinen führen ihre Bewegungen und die Schweißvorgänge (durchaus mit hoher Präzision) immer wieder so aus, wie sie einmal programmiert wurden. Veränderungen am Bauteil können (ohne weitere Maßnahmen) weder erkannt noch kompensiert werden. Entscheidend sind für eine hohe Reproduzierbarkeit (Prozesssicherheit) beim Schweißen sind daher zum einen reproduzierbare Nahtvorbereitungen und eine reproduzierbare Führung des Brenners / der Wärmequelle relativ zu dieser. Dazu sind genau gefertigte Einzelteile erforderlich, die dann zu Baugruppen zusammengestellt werden und bis zum Schweißen sicher fixiert werden müssen. Hilfsmittel hierzu ist die Schweißvorrichtung. In der Serienfertigung sind dieses oft sehr komplexe Einrichtungen, die die Bauteile lagegenau fixieren. Insbesondere bei der Verarbeitung dünner Bleche werden häufig noch kupferne Badabstützungen integriert. Mit Hilfe zahlreicher kräftiger Spanner können darüber hinaus auch kleinere Formabweichungen der Einzelteile „zurecht gedrückt“ werden.
• Mechanisierung / Automatisierung – Zusammenbauvorrichtungen Die mögliche Positioniergenauigkeit ist dabei nicht nur vom Vorrichtungsaufbau abhängig. Bei der Konstruktion der Bauteile sind geeignete Anschlagsflächen vorzusehen. BSP:- Indexbohrungen,- Formstück- Ankonstruierte Positionierhilfe
• Mechanisierung / Automatisierung – Zusammenbauvorrichtungen - Wärmeausdehnung Hauptsächliche Ursache für das Klemmen der Bauteile in der Vorrichtung ist die unvermeidbare Wärmedehnung. Um das Klemmen zu vermeiden, muss sich das Bauteil ausdehnen können, was zum Beispiel durch elastische Spannelemente ermöglicht werden kann. Um eine möglichst genaue Positionierung der Schweißnähte zu gewährleisten, werden die festen Anschläge möglichst nahe an diesen angeordnet.
• Mechanisierung / Automatisierung – Sensorik zum Schweißen Sensoren für das vollmechanische lichtbogenschweißen geometrieorientiert: berührend-mechanisch-elektrisch berühungslos-optisch- induktiv- radar- kapazitiv- akustisch- pneumatisch prozessorientiert primäre Prozessgrößen- mechanisch gependelter Schweißbrenner- magnetisch Lichtbogenauslenkung- Doppeldrahtverfahren- Rotierender Schweißbrenner sekundäre Prozessgrößen-Optische Analyse des Schmelzbadbereichs- Spektralanalyse der Schmelzbadabstrahlung- Thermische Analyse der Schmelzbadabstrahlung
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• Mechanisierung / Automatisierung – Sensorik zum Schweißen geometrieorientierte Sensoren Mechanisch tastend Taktiler Sensor - Gasdüse (Antasten von drei Ebenen lässt sich der Schnittpunkt der Ebenen im Raum berechnen) Triangulationsprinzip – optische Sensoren (Das Triangulationsmessverfahren liefertInformationen über den Abstand zur Werkstückoberfläche.) Optische Sensoren: Scanner Lichtschnittverfahren
• Mechanisierung / Automatisierung – Sensorik zum Schweißen – prozessorientierte Sensoren Verschiedene Varianten der Signalerfassung Mechanisches Pendeln- häufigsten genutzte Variante - Roboterbewegung mit Pendelfrequenzen bis zu 5 Hz Zweidrahtschweißen- UP-Schweißen- beiden Drähte quer zur Schweißrichtung ausgerichtet und die Differenz der beiden  Ströme ausgewertet Magnetisches Pendeln- Magnetfelder kann aber auch nur Lichtbogen selbst ausgelenken- Vorteil dieser Methode ist die hohe Auslenkungsfrequenz von ca. 15 Hz.- Nachteil dieser Variante ist die Baugröße der Magneten und damit verbunden eine  eingeschränkte Zugänglichkeit zum Bauteil Rotierender Draht- mechanisch eine Rotation des Schweißdrahtes- Auslenkung des Lichtbogens kann mit Frequenzen bis zu 30 Hz- Signalerfassung kontinuierlich während der Bewegung- Informationen über die Orientierung des Brenners und über die Spaltbreite zur    Verfügung gestellt- Fugenformen mit deutlichen Flanken beschränkt- Zusammen mit dem taktilen Gasdüsensensor ist dieses eine häufig eingesetzte  Kombination zur Nahtfindung und -verfolgung beim Roboterschweiße
• Mechanisierung / Automatisierung – Qualitätssicherung beim Schweißen So genannte Standardprozesse im Sinne der QS Normen sind Prozesse deren Ergebnis man direkt vermessen kann. Daraus folgt unmittelbar man bei Kenntnis der Streuung der Eingangsgrößen auch die Übertragungsfunktion des Prozesses selber ermitteln kann und bei Kenntnis dieser aus den Eingangsgrößen unmittelbar auf das Ergebnis schließen kann. Solange die Eingangsgrößen innerhalb der erwarteten Toleranzen liegen erübrigt sich theoretisch die Überwachung des Ergebnisses. Praktisch führt man Stichproben durch, um erkennen zu können, ob und wann der Prozess aus dem Ruder läuft.
• Mechanisierung / Automatisierung – Qualitätssicherung beim Schweißen Serienfertigung vs Einzelteilfertigung Schweißprozesse gehören zu den speziellen Prozessen im Sinne der QS Normen,weil sich die für die Gebrauchsfähigkeit relevanten mechanischen und technologischen Größen (wie Festigkeit, Zähigkeit usw.) eben nicht direkt sondern letztendlich nur durch den zerstörenden Bauteilversuch ermitteln lassen Aussagen können nur mittelbar durch Ermittlung sekundärer Merkmale (Nahtabmessungen, Erscheinungsbild, Freiheit von Ungänzen usw.) gewonnen werden. Serienfertigung: Statistik zunutze eine repräsentative Anzahl von Bauteilen zerstörend geprüft, um eine Korrelation der sekundären Merkmale zur den mechanisch und technologischen Größen herzustellen Zur fortlaufenden Prozessüberwachung wird in regelmäßigen Abständen eine Stichprobe zerstörend geprüft. Einzelteilfertigung: Das Ergebnis am Bauteil ist nicht prüfbar, weil es dieses zerstören würde Ersatzbauteilen und einem erfahrungsbasierten System aus Richtlinien und Normen gearbeitet Nach festgelegten Mustern auf Einhalten sekundäre Qualitätsmerkmale und danach zerstörend geprüft Toleranzen, wie sie aus den Unterschieden zwischen Prüfstück und Bauteil resultierenkönnen, sind erfahrungsbasiert über Sicherheitsbeiwerte berücksichtigt
• Mechanisierung / Automatisierung – Sensorik zur Qualitätssicherung beim Schweißen Beim Lichtbogenschweißen Messung von Strom und Spannung (Mittelwerte) Prozessbegleitende Ultraschallprüfung z.B. beim Rohrschweißen Beim Widerstandsschweißen Strom Spannung Druck Zeit Mittelwerte oder Kurvenverläufe US-Prüfung in den Elektroden
• Mechanisierung / Automatisierung – Zerstörungsfreie Prüfverfahren – Sichtprüfung Voraussetzungen Ausreichende Beleuchtung Sicht auf die Naht Sicht auf die Nahtwurzel • Vorhandensein der Naht• Nahtdicke• Nahtlänge• Einbrandkerben• Oberflächliche Risse und Poren• Spritzer• Anlauffarben• Wurzelkerben
• Mechanisierung / Automatisierung – Zerstörungsfreie Prüfverfahren - Farbeindringverfahren Bei feinen Rissen besteht die Gefahr, dass diese bei der Sichtprüfung übersehen werden. Das Farbeindringverfahren nutzt die Kapillarkräfte, um diese sichtbar zu machen. Auf das gereinigte Bauteil wird ein dünnflüssiges Eindringmittel aufgetragen, das von der Kapillarwirkung in auch in sehr feine Risse gesogen wird. Überschüssiges Eindringmittel wird entfernt. Anschließend wird ein Entwickler aufgesprüht. Dieser besteht aus einen feinen Puder, der seinerseits über die Kapillarkräfte das Eindringmittel aus den Rissen saugt und in die Breite verteilt. Der starke Kontrast zwischen der meist roten Eindringfarbe und dem rein weißen Entwickler zeigt die Risse an. Das Prinzip eignet sich nur zur Detektion zur Oberfläche hin geöffneter Risse.
• Mechanisierung / Automatisierung – Prüfverfahren - Magnetpulverprüfung auch oberflächennahe Risse gefunden werden. Das Verfahren macht sich zunutze, dass Risse in ferromagnetischen Werkstoffen dem magnetischen Fluss einen so hohen Widerstand entgegen setzen, dass dieser das Hindernis zu umgehen versucht und dabei auch aus der Werkstückoberfläche austritt. Der Prüfablauf ist wie folgt: Auf die Oberfläche wird ggfs. eine Kontrastfarbe aufgetragen und über einen Elektromagneten im Bauteil ein Magnetfeld aufgebaut. Um die austretenden Feldlinien sichtbar zu machen, wird eine Suspension mit magnetisierten Eisenpartikeln aufgesprüht, welche sich an den Stellen austretender Feldlinien, also im Bereich der Risse, sammeln und dort diese so sichtbar werden lassen. Häufig sind die Pulverpartikel mit fluoreszierenden Farben beschichtet, so dass sie unter UV-Beleuchtung gut gesehen werden können. Es können nur senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Feldlinien orientierte Ungänzen gefunden werden. Im Prüfablauf wird daher der Elektromagnet immer wieder im 90° Winkel versetzt auf das Prüfstück aufgesetzt.
• Mechanisierung / Automatisierung – Prüfverfahren – Ultraschallprüfung Die Ultraschallprüfung macht sich zunutze, dass Schallwellen an Grenzflächen reflektiert werden. Die reflektierten Wellen können dann mit Hilfe eines Empfängers auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden. In der Praxis werden kombinierte Sender und Empfängereinheiten verwendet. Risse, Poren und Bindefehler innerhalb von Schweißnähten stellen solche Grenzflächen dar, die den Ultraschall reflektieren. Mit Kenntnis der Schallgeschwindigkeit lässt sich der Anstand Sender-Fehler-Empfänger bestimmen, was eine Tiefenlokalisierung ermöglicht. Zur Fehlersuche wird das Bauteil mit dem Prüfkopf abgerastert. Am deutlichsten sichtbar werden Fehler, die eine flächenhafte Ausdehnung senkrecht zur Einstrahlrichtung haben. Fehler, die senkrecht zur Oberfläche liegen, werden daher nur mit Winkelprüfköpfen gefunden.
• Mechanisierung / Automatisierung – Prüfverfahren - Durchstrahlungsprüfung Energiereiche elektromagnetische Strahlung wie beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlung hat die Fähigkeit auch feste Materie zu durchdringen. Dabei wird sie abgeschwächt, das Maß der Abschwächung ist abhängig von der Dichte des zu durchdringenden Materials und dem Weg den die Strahlung darin zurücklegt. Unregelmäßigkeiten in Schweißnähten stellen solche Variationen der Entfernung und der Dichte auf dem Weg der Strahlung dar. Sie führen zu unterschiedlicher Abschwächung der Strahlung auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite des Prüflings, wo die Strahlungsdichte mit Hilfe eines fotografischen Filmes oder eines elektronischen Detektors sichtbar gemacht werden kann. Es entsteht dort ein zweidimensionales Bild der Strahlungsintensitäten. Bereiche geringer Dichte (z.B. Poren) oder Stellen, an denen die Materialdicke reduziert ist (z.B. Einbrandkerben), bilden sich heller ab, Bereiche höherer Dichte (z.B. Wolframeinschlüsse) dagegen dunkler. Je weiter sich die Unregelmäßigkeit in Durchstrahlungsrichtung ausdehnt, umso kontrastreicher bildet sich ab. So sind Risse in Durchstrahlungsrichtung sehr gut zu erkennen, Risse quer zur Durchstrahlungsrichtung dagegen nur schwach. Gleiches gilt für Bindefehler, bei denen die beiden Grenzflächen direkt aufeinander liegen. Auf dem Graustufenbild ist keine direkte Information über die Höhe der Unregelmäßigkeiten in Durchstrahlungsrichtung ableitbar. Die entstandenen Bilder können direkt zur Dokumentation der Nahtqualität verwendet werden

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