Zum Hauptinhalt springen

Jetzt wird eingeheizt!

Laserschweißen verbessert Aussehen, Festigkeit und Fehlerquote der Schweißnaht

 

 

 

 

A.O. Smith, wohl am besten für die Entwicklung des emaillierten Brauchwassererhitzers bekannt, stellte einen Engpass an seiner Widerstandsschweißstation fest und war auf der Suche nach einem alternativen Schweißverfahren. Das Unternehmen setzte für seine Überlappungsschweißungen an verzinktem Stahl auf das Widerstandsschweißen. Dabei wurde jedoch häufig verdampftes Zink eingeschlossen und die austretenden Dämpfe schwächten die Schweißnaht. Bei dem neuen Verfahren zur Erzeugung einer Stumpfnaht durch Laserschweißen werden keine Dämpfe eingeschlossen. Es hinterlässt eine optisch ansprechende und im Wesentlichen fehlerfreie Schweißnaht.

 

Mit seiner Unternehmensgeschichte voller innovativer Metallbearbeitungstechniken ist die A. O. Smith Corporation aus Milwaukee in der Metallumformung und -fertigung seit langem führend. Das 1874 als familiengeführte Maschinenfabrik gegründete Unternehmen nutzte seine Kompetenz in der Umformung von Metallrohren, um eine Nische in der Fahrradindustrie zu besetzen. So stellte es zunächst hauptsächlich Gabeln und anschließend komplette Fahrradrahmen her. Später wagte das Unternehmen den Sprung in die neue und wachsende Automobilindustrie. Auch dort konzentrierte es sich auf Rahmen und entwickelte Prozesse, die es dem Unternehmen ermöglichten, alle acht Sekunden einen Rahmen zu fertigen.

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Unternehmens interessierte sich außerdem für moderne Schweißtechniken und trug damit wesentlich dazu bei, dass das Lichtbogenschweißen zu dem Massenproduktionsprozess wurde, den wir heute kennen. 1925 begann das Unternehmen mit der Herstellung von Druckbehältern. Seine Forschung an der zur Verschmelzung von Glas und Stahl führte 1933 zur Entwicklung der ersten großen, emaillierten, einteiligen Brautanks.

1936 entwickelte und patentierte das Unternehmen das Produkt, für das es heute am bekanntesten ist: emaillierte Warmwasserbereiter. Dieses Konzept entwickelte sich schnell zum Industriestandard und machte Warmwasserbereiter für die breite Masse erschwinglich. Heute betreibt das Unternehmen viele Fabriken für Warmwasserbereiter auf der ganzen Welt und verkauft seine Produkte unter verschiedenen Markennamen sowohl über den Einzel- als auch über den Großhandel.

Neue Herausforderungen

Bei all diesen Innovationen versteht es sich von selbst, dass auch ein Unternehmen wie A. O. Smith gelegentlich auf Herausforderungen in der Fertigung trifft. Angesichts inakzeptabler Ausfallzeiten einer Widerstandsschweißanlage für Brennkammerwände machte sich Travis Salyers, ein Senior Manufacturing Engineer des Unternehmens, auf die Suche nach einem besseren Schweißverfahren. Kollege und Welding Engineer Richard Garner schlug das Laserschweißen als Alternative vor. Garner untersuchte und evaluierte das Laserschweißen bereits seit 15 Jahren. Daher war er überzeugt, dass die Leistung und Zuverlässigkeit moderner Laser für diese Anwendung hervorragend geeignet sein würden. Er schlug vor, dass Salyers Weil Engineering, einen Lieferanten von Produktionsanlagen für kurze Rohre, Tanks und Fässer, kontaktiert.

Die von Salyers gesuchte Maschine musste mit minimaler Umrüstzeit 14-, 16-, 18- und 20-Zoll-Ringe aus 0,048 Zoll dickem verzinktem Stahl schweißen. In einer Acht-Stunden-Schicht müsste sie dabei zwischen 1.200 und 1.400 Teile verarbeiten.

Weil Engineering schlug eine kundenspezifische Version seines RingMaster vor, einer automatisierten Walz- und Schweißmaschine, die für Bierfässer und ähnliche Anwendungen entwickelt wurde. Die Produktionsschritte für die Maschine wären wie folgt:

  1. Entnahme eines einzelnen Rohlings von einer Palette für einen beliebigen Durchmesser bzw. eine beliebige Höhe zur Herstellung von Warmwasserbereitertanks von 30 bis 75 Gallonen.
  2. Drehen des Rohlings auf die Kante, um ihn durch die vertikal ausgerichtete Walzstation zu führen.
  3. Transport des Rohlings zu einer Laserschweißstation.
  4. Verschweißung zu einem geschlossenen Ring.
  5. Ablage des Fertigteils auf einem Fördertisch.

Um die Zykluszeit so kurz wie möglich zu halten, ist die Maschine mit einer Umformstation und einer Schweißstation ausgestattet, die im Tandem an zwei verschiedenen Rohlingen arbeiten. Das vertikale Design der Maschine mit dem Schweißbereich in Zoll über der Formstation rationalisiert den Materialfluss durch die Maschine und trägt zur Reduzierung des Platzbedarfs bei.

Um die Flexibilität und Maschinenredundanz zu erhalten, entschied sich A. O. Smith dafür, die neue Maschine neben dem bestehenden Widerstandsschweißsystem zu installieren und ein Rollförderband hinzuzufügen, welches Teile von beiden Maschinen an das Fließband leitet.

Salyers hatte Bedenken hinsichtlich der Festigkeit, Verformbarkeit und des kosmetischen Aussehens der Schweißraupe. Er entwickelte einige Ideen für Festigkeits- und Umformbarkeitsprüfstände, entschied sich jedoch letztlich dafür, alle fehlerhaften Teile unmittelbar nach ihrem Bruch oder Versagen von der Leitung abzuziehen, da der geschweißte Ring direkt zur Bördel- und Umformstation gehen würde. Ein Zwischenprüfungsschritt wäre daher einfach nicht notwendig.

Was das kosmetische Aussehen betrifft, so fand A. O. Smith heraus, dass der Wechsel von einer Überlappnaht zu einer Stumpfnaht zu signifikanten Verbesserungen führte. Überlappungsnähte an verzinktem Stahl weisen selten ein ästhetisches Erscheinungsbild auf. Nachdem die Schweißwärme das Zink verdampft hat, wird der Dampf zwischen den überlappenden Oberflächen eingeschlossen. Da es keinen anderen Ausweg gibt, bricht es durch die Schweißpfütze hervor. Dadurch tritt Material aus dem Schmelzbad aus. Das Ergebnis ist eine mit Kratern übersäte Schweißnaht, die häufig weniger stabil ist als das Grundmaterial.

Weniger Ausschuss, geringerer Lagerbestand

Bei voller Produktionsauslastung der neuen Maschine mit zwei Schichten an fünf Tage in der Woche hatte A. O. Smith genug Zeit, um den Nutzen seiner Investition zu quantifizieren. Erstens hat sich die Betriebszeit der Schweißzelle erheblich verbessert, da keine nennenswerten Ausfälle aufgetreten sind.

Zweitens bemerkte das Unternehmen einen deutlichen Rückgang der Ausschussrate; bisher hat keine der Schweißnähte in der Formstation versagt. Die Mitarbeiter in der Produktion müssen nicht mehr länger zweimal pro Schicht einen kleinen Müllcontainer mit Ausschuss entleeren.

Ein Blick in die Zukunft

A.O. Smith ist heute ein Unternehmen mit einem Wert von 2,2 Milliarden Dollar. Zu seinen Marken zählen unter anderem State, American®, Reliance®, GSW, John Wood® und die Hauptmarke Marke A. O. Smith. Der Hauptsitz dieses Innovators mit seinen unzähligen Patenten (das letzte wurde 2013 erteilt) befindet sich nach wie vor in Milwaukee. In seinem 140-jährigen Bestehen hat das Unternehmen einen Innovationsgeist entwickelt, der sich auch heute in seinen Investitionsgütern fortsetzt. Der Einstieg in das Laserschweißen ist ein Beweis dafür, dass das Unternehmen mit den Trends in der modernen Fertigung Schritt hält und die Grundlage für weitere 140 Jahre des Wachstums schafft.

Dank an ERIC LUNDIN, FMA Communications Inc.