Rohrschweißen und der Cobot

Ein Bediener überwacht einen Rohrschweiß-Cobot in Aktion. Auf dem Monitor wird ein Feed eines kamerabasierten Bildverarbeitungssystems angezeigt.

Einen erfahrenen Rohrschweißer zu finden, kommt heutzutage nicht mehr oft vor. Die Branche braucht mehr davon, weiß aber nicht, wo sie sie finden kann, und setzt daher, wo möglich, auf Automatisierung. Dazu gehören Rohrspulenschweißen und ähnliche Anlagen, bei denen das Rohr fixiert und gedreht wird.

Wie gut die Automatisierung sowohl aus geschäftlicher als auch praktischer Sicht funktioniert, hängt seit jeher von einer Reihe von Variablen ab. Zwei davon sind, wie die Pipeline der Automatisierung präsentiert wird und wie anpassungsfähig diese Automatisierung an unerwartete Änderungen ist. Je besser und konsistenter die Rohrschweißvorbereitung ist, desto weniger Überraschungen gibt es und desto einfacher lässt sich der Vorgang automatisieren.

Eine Herausforderung bei der Automatisierung des Rohrschweißens – und überhaupt bei jeder Art von Automatisierung – besteht darin, dass ein Bediener nach Beginn eines Zyklus normalerweise keine unerwarteten Abweichungen bei der Wurzelöffnung, dem Fasenwinkel oder der Rundheit berücksichtigen kann. Eine neue Kategorie von Robotern hat jedoch die Gleichung verändert: der kollaborative Roboter oder Cobot.

Nichts hindert einen herkömmlichen Roboter daran, sich von Punkt A nach Punkt B zu bewegen, weshalb Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Wenn Sie ihm im Weg stehen, kann dies zu schweren Verletzungen oder sogar zum Tod führen.

Nicht so bei einem Cobot. Wenn Sie mit einem Cobot kollidieren, bewegt sich der Cobot nicht ungebremst weiter. Es wird aufhören. Dadurch können der Bediener und andere während des Vorgangs in der Nähe des Roboters stehen. Ein Bediener kann in diesem Sinne an einem Projekt „mitarbeiten“ und die Roboterbewegung in Echtzeit anpassen.

Dies hat vielfältige Auswirkungen auf die Grundmontage und die Maschinenwartung, Bereiche, in denen Cobots in den Medien viel Aufmerksamkeit erregt haben. Es hat aber auch erhebliche Auswirkungen auf komplexere Aufgaben in der Fertigung, einschließlich des Rohrschweißens.

Um es klarzustellen: Cobots werden sich nicht verrenken, um Rohre aus ihrer Position zu schweißen, zumindest nicht in absehbarer Zeit. Stattdessen werden sie in Bereichen erfolgreich sein, in denen weniger extreme Bewegungsbereiche erforderlich sind, beispielsweise beim Rohrschweißen in der Werkstatt, bei dem das Werkstück auf einem rotierenden Spannfutter befestigt wird.

Für das Rohrschweißen konzipierte Cobots unterscheiden sich optisch deutlich von anderen Cobots für die Maschinenbedienung und -montage. Sie bestehen normalerweise aus einem einzelnen Arm mit einer Schweißpistole am Ende. Der Roboter bewegt sich auf und ab (Y) sowie vorwärts und rückwärts (X), um das Werkstück zu verfolgen. Während des Vorgangs führt es eine Pendelbewegung aus, die den Pendelbewegungen ähnelt, die bei anderen Roboter-Rohrschweißanlagen zu sehen sind.

Wenn Sie sich einen Rohrschweiß-Cobot in Aktion ansehen, sehen Sie einen Roboter beim Schweißen und einen Bediener in der Nähe, der zusieht und bei Bedarf möglicherweise mithilfe der Hängesteuerung geringfügige (wenn auch seltene) Anpassungen vornimmt. Der Cobot bleibt während des gesamten Vorgangs nicht stehen. Es führt kontinuierliches Schweißen von der Wurzel bis zur Kappe durch.

Beim manuellen Schweißen werden die meisten Rohre den Schweißern mit drei oder vier Brückennägeln vorgelegt. Um Schweißverbindungen für das Rohrschweißen mit bestimmten Cobots vorzubereiten, müssen Techniker gefiederte Heftnähte herstellen, über die der Cobot schweißen kann. Anstatt also herkömmliche Brückennägel zu schweißen, setzen sie drei oder vier 1-Zoll-Stiche (abhängig von der Größe des Rohrs) und schleifen (oder federn) sie dann ab, um einen glatten Übergang zwischen der Naht und der Verbindungsseitenwand zu schaffen.

Diese Lichtbogenhaube saugt Dämpfe ab und verfügt über Filter in Schweißqualität, sodass der Cobot-Bediener keinen Schweißhelm tragen muss.

Beim Überschweißen drückt der Cobot-Bediener eine Option in der Steuerung, die mehrere Schweißparameter im laufenden Betrieb ändert, sodass der Cobot über diese Heftstellen schweißen und eine vollständige Verschmelzung erreichen kann. Nachdem er über die Heftstellen gefahren ist, drückt der Bediener denselben Knopf, um das System wieder in den normalen Wurzelschweißprozess zu versetzen.

Der Übergang vom manuellen zum robotergestützten Rohrschweißen erfordert in der Regel keine großen Änderungen am Arbeitsvorgang selbst, insbesondere wenn Schweißer bereits mit konsistenten Schweißvorbereitungen arbeiten. Möglicherweise müssen sie ihre Wendepraktiken überarbeiten, aber das ist auch schon alles.

Und da Cobots keinen Perimeterschutz benötigen, benötigen sie nicht viel mehr Platz als ein manueller Betrieb. Eine Cobot-Arbeitszelle zum Rohrschweißen kann nur 4 x 4 Fuß groß sein. In den meisten Fällen erfordert die Integration dieser Art der kollaborativen Automatisierung keine wesentlichen Änderungen am Fertigungslayout oder am gesamten Teilefluss.

Heutzutage können Cobots in eine Vielzahl von Prozessen integriert werden, darunter das Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) und das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW). Und obwohl es technisch möglich ist, Cobots für beide Schweißprozesse für unterschiedliche Durchgänge zu verwenden – beispielsweise eine GTAW-Wurzel mit einer gepulsten GMAW-Kappe und -Füllung –, ist dies keine übliche Anwendung. Wenn ein Auftrag GTAW für die Wurzellage erfordert, entscheidet sich ein Unternehmen oft für manuelles GTAW und bewegt das Rohr dann zum Cobot, der das Verschließen und Füllen mit GMAW durchführt.

Natürlich ist es ideal, bei allen Rohrschweißdurchgängen bei einem Verfahren zu bleiben – etwa dem gepulsten MSG-Schweißverfahren oder einem Metallfülldrahtverfahren für hohe Abschmelzraten. Da Cobots so viel Effizienz bieten, ist die Änderung und Neuqualifizierung der Anforderungen an den Rohrschweißprozess in vielen Fällen ein geringer Preis im Vergleich zu den erzielbaren Effizienzgewinnen.

Auch wenn die Geschichte von Cobot-Rohrschweißanwendungen noch relativ kurz ist, entwickeln sie sich immer weiter – und zwar schnell. Vieles davon hängt mit der Art des Prozesses zusammen, einschließlich der Art und Weise, wie der Bediener mit dem System interagiert.

Bei frühen Installationen luden die Bediener vorbereitete Rohre und wählten einige grundlegende Parameter aus, darunter Rohrdurchmesser, Zeitplan und Verbindungsgeometrie. Nachdem das Schweißprogramm geladen war, drückten die Bediener auf dem Handgerät „Start“. Während des Wurzeldurchgangs beobachteten sie den Vorgang sorgfältig und stellten sicher, dass sich die Pistole und die Drahtverlängerung genau an der richtigen Stelle befanden. Als sie sahen, wie sich die Schweißpistole einem Stich oder einer Abweichung von der inkonsistenten Schweißnahtvorbereitung näherte, drückten sie bestimmte Knöpfe an der Steuerung.

Die Bediener mussten nicht jeden Schweißparameter im Handumdrehen manuell anpassen, aber sie mussten den Parameteränderungsprozess des Cobots einleiten. Nach Abschluss der Wurzelbildung wechselte der Cobot zu den Fülldurchgangsparametern und der gesamte Prozess wurde mithilfe der laserbasierten Fugenverfolgung deutlich stabiler. Doch während des kritischen Wurzeldurchgangs war die laserbasierte Fugenverfolgung nicht so effektiv wie erforderlich, und die Bediener mussten wachsam bleiben.

Aktuelle Installationen verwenden immer noch eine laserbasierte Verfolgung, die einen Dreilinienlaser zum Verfolgen neuer Fugen und einen weiteren Punktlaser für Höhenanpassungen in Echtzeit umfasst. Und Laser-Tracking ist immer noch sehr gut geeignet, bestimmte geometrische Merkmale der Verbindung zu verfolgen, wie zum Beispiel die Oberkante einer V-Nut.

Allerdings kann die Verfolgung tiefer in das V hinein eine Herausforderung sein, meist aufgrund von Reflexionen des Bogenlichts und sogar Änderungen der Lichtbedingungen, die durch Variationen der Fasengeometrie verursacht werden. All dies führt zu erheblichen Interferenzproblemen bei herkömmlichen Ansätzen zur laserbasierten Fugenverfolgung innerhalb der V-Nut-Gelenkgeometrie.

Ein Echtzeit-Vision-System überwacht die Schweißnaht, einschließlich der Wurzelöffnung.

Bestimmte Cobot-Installationen zum Rohrschweißen am nahen Horizont werden eine verbesserte Sicht mit kamerabasierten Systemen unterstützen. Dadurch kann der Cobot während des Wurzeldurchgangs automatische Anpassungen vornehmen, um Heftnähte zu überschweißen. Mithilfe von Frameworks wie künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen können Rohrschweiß-Bildverarbeitungssysteme die Wurzelnahtverfolgung durchführen, die Wurzel betrachten und Herausforderungen bei der Wurzelnahtverfolgung meistern. Die Verfolgung misst den Abstand zwischen den Spitzen der Abschrägung (Oberseite des Stegs) und kann die bei den Heftvorgängen angebrachten Stiche erkennen. Es erkennt auch Änderungen in der Fasengeometrie, der Wurzelöffnung und ähnlichen Inkonsistenzen. Wenn diese Abweichungen innerhalb eines bestimmten Toleranzfensters liegen, nimmt das Bildverarbeitungssystem spontan Änderungen am Schweißprozess vor.

In der Vergangenheit mussten Bediener von Cobots beim Wurzelschweißen in der Regel sehr wachsam sein, die Schweißnaht beobachten und spontan Anpassungen vornehmen. Wenn sie Änderungen in den Lichtbogeneigenschaften beobachteten – aufgrund von Schweißnähten oder Änderungen in der Wurzelöffnung oder der Fasengeometrie – mussten sie sich entsprechend anpassen, genau wie es ein manueller Rohrschweißer tun müsste.

So beobachtete der Cobot-Bediener beispielsweise wie ein manueller Rohrschweißer, der einen Wurzelschweißvorgang durchführt, die Schweißnaht und suchte nach Anzeichen von Durchbrüchen. Wenn er sah, dass einer unmittelbar bevorstand, löste er am Programmiergerät eine Root-Save-Funktion aus und der Cobot änderte etwa ein halbes Dutzend Schweißparameter, um das Durchblasen zu verhindern. Nachdem die Gefahr eines Durchbrennens vorüber war, deaktivierte der Bediener die Root-Save-Funktion an der Steuerung und der Schweißvorgang wurde fortgesetzt.

Neue Bildverarbeitungssysteme für Cobots zum Rohrschweißen erfordern jedoch möglicherweise keine solche Wachsamkeit des Bedieners. Ein Bediener muss den Cobot während des kritischen Wurzeldurchgangs nicht mehr so ​​genau überwachen. Beispielsweise kann das Bildverarbeitungssystem die Schweißparameter anpassen, wenn sich die Wurzelöffnung ändert.

Vision-Systeme könnten verschiedene Auswirkungen auf Cobot-Rohrschweißanwendungen haben. Erstens werden sie Daten liefern, die, wenn sie gesammelt und analysiert werden, das Cobot-Rohrschweißen intelligenter und anpassungsfähiger machen könnten. Jedes Schweißprotokoll enthält Angaben zu Spannung, Strom, Wärmeeintrag und anderen verwendeten Schweißparametern. Je mehr Cobot-Rohrschweißanwendungen ihre Daten teilen, desto besser werden die Algorithmen und desto intelligenter könnte das Vision-System des Cobots werden.

Dabei wird maschinelles Lernen eine immer wichtigere Rolle spielen. In gewisser Weise werden Cobot-Systeme genauso lernen, wie ein menschlicher Rohrschweißer lernt – indem sie viele Schweißnähte betrachten, Änderungen in den Lichtbogeneigenschaften analysieren und lernen, sich an eine immer größere Anzahl von Situationen anzupassen. Aber anders als der Schweißer lernt ein Cobot nicht nur aus jeder Schweißanwendung vor ihm, sondern auch aus Informationen, die von anderen Cobot-Schweißanwendungen geteilt werden. All dies könnte zu einem geringeren Arbeitsaufwand führen, da ein Cobot eine Schweißnaht von der Wurzel bis zur Deckschicht ohne Aufsicht fertigstellt. Eine Person könnte mehr als ein Cobot-Schweißsystem bedienen und überwachen und möglicherweise sogar die Schweißvorbereitung durchführen, während ein Cobot in der Nähe schweißt.

Ein unerfahrener Bediener könnte in der Bedienung des Cobots geschult werden und gleichzeitig die Grundlagen des Rohrschweißens erlernen. Techniker können auf einem Bildschirm genau sehen und überwachen, wie der Cobot einen Schweißdurchgang nach dem anderen ausführt, von der Wurzel bis zur Kappe. Sie können sehen, wie sich der Cobot während des Schweißens anpasst, gängige Variationen der Verbindungsgeometrie erkennen, auf die es zu achten gilt, Pendelbewegungen beobachten, die für verschiedene Schweißdurchgänge funktionieren, und vieles mehr.

Bediener können immer noch prozessinterne Anpassungen vornehmen, wenn sie dies für notwendig erachten. Beispielsweise könnten sie während der Fülldurchgänge eine ganz geringfügige Hoch-Tief-Anpassung vornehmen. Oder sie entscheiden sich dafür, die Webamplitude oder -frequenz zu ändern. Das Bildverarbeitungssystem und die Laserverfolgung sollten diese Anpassungen im laufenden Betrieb vornehmen. Wenn ein Bediener jedoch ein Problem feststellt, kann er es sofort beheben.

Die Möglichkeit, manuell einzugreifen, kann von entscheidender Bedeutung sein, wenn der Cobot beispielsweise eine schlampige Schweißnahtvorbereitung erhält. Für viele Anwendungen sollte beispielsweise der Fasenwinkel für die Schweißverbindung 37,5 Grad betragen. Wenn die Fasenvorbereitung 35 Grad beträgt, kann der Cobot immer noch innerhalb der eingestellten Parameter arbeiten. Wenn der Abschrägungswinkel weiter außerhalb des Toleranzfensters liegt, kann der Cobot immer noch arbeiten, erfordert jedoch höchstwahrscheinlich ein Eingreifen des Bedieners.

Traditionell erfordert die Automatisierung, dass vorgelagerte Prozesse ein gewisses Maß an Wiederholbarkeit aufweisen. Wenn ein Hersteller eine solche Wiederholgenauigkeit nicht erreichen konnte, war Automatisierung einfach keine Option. Cobots erfordern natürlich immer noch ein gewisses Maß an Wiederholgenauigkeit und angemessene Toleranzen, aber aufgrund der Art der Eingaben, die ein Bediener vornehmen kann, kann das Toleranzfenster viel größer sein. Selbst wenn also bei einem Rohrschweißbetrieb hier und da ein paar fehlerhafte Rohre zu bewältigen sind, kann der Cobot mit Hilfe des Bedieners diese Rohre dennoch durch die Produktion bringen.

Diese Lichtbogenhaube saugt Dämpfe ab und verfügt über Filter in Schweißqualität, sodass der Cobot-Bediener keinen Schweißhelm tragen muss.

Dies ist einer der Gründe dafür, dass das Schweißen mit einem Cobot nach vielen Industriestandards nicht als Roboterschweißen klassifiziert wird, bei dem die Zelle eingerichtet wird und die Maschine die Arbeit übernimmt, ohne dass der Bediener während des Prozesses eingreifen muss. Abhängig vom genauen verwendeten Cobot und der Art der Anwendung kann ein Cobot als „maschinelles Schweißen“ oder „mechanisiertes Schweißen“ klassifiziert werden.

Das heißt, wenn ein Vorgang von Hand mit halbautomatischem GMAW geschweißt würde, würde der Einsatz eines Cobots als unwesentliche Änderung betrachtet, sodass Sie die Schweißverfahren möglicherweise nicht neu qualifizieren müssten, die Schweißer jedoch dennoch für das neue Verfahren qualifizieren müssten. (Beachten Sie, dass die Schweißanforderungen je nach Auftrag, Code, Vertragsdokumenten und verwendeter spezifischer Schweißtechnologie variieren. Beziehen Sie sich daher wie immer auf das Ausgangsmaterial.)

Heutzutage muss ein Cobot-Bediener beim Rohrschweißen nicht einmal einen Schweißhelm tragen. Stattdessen deckt ein lokales Rauchabscheidergerät die Schweißnaht ab, und der Bediener kann die Schweißnaht durch am Ende des Rauchabscheiders eingebaute Filter betrachten. Der Bediener sieht den Schweißvorgang auch auf einem daneben liegenden Bildschirm, der die Schweißablagerung während des Vorgangs anzeigt – eine Aufzeichnung, die von einer Kamera erstellt wird, die alle bis auf die kritischsten Lichtwellenlängen herausfiltert, sodass der Techniker sehen kann, wie sich das Schweißgut ablagert. Diese Videoaufzeichnung kann auch gespeichert werden, um spätere Schweißnahtprüfungen zu unterstützen.

Dabei handelt es sich um eine Schweißposition auf mittlerer oder sogar Einstiegsebene, die das wiederholte manuelle Schweißen ersetzen könnte, bei dem Rohrschweißer stundenlang versuchen, ein stabiles Gewebe für horizontale Rohrschweißungen in festen Positionen nacheinander aufrechtzuerhalten.

Cobot-Bediener könnten einen Teil ihrer Tage damit verbringen, Rohre manuell zu schweißen und schließlich zu erlernen – nicht nur in der horizontalen festen Position, sondern auch in vertikaler und geneigter Position. Sie könnten auch Zeit damit verbringen, den Cobot zu beobachten, den Bildschirm zu beobachten und die Auswirkungen verschiedener Änderungen am Prozess im Detail zu sehen, wie zum Beispiel den Abstand zu den Lichtbogenparametern, einschließlich des Lichtbogenkegels und der Eindringtiefe, die der Lichtbogen erreicht.

Diese klare Sicht auf den Prozess hilft Schweißern beim Lernen. Wenn sie als manuelle Rohrschweißer Fortschritte machen, denken sie an die Lichtbogenansicht auf dem Bildschirm in der Cobot-Schweißzelle und nutzen diese visuelle Referenz als Leitfaden. Mit zunehmender Qualifikation erklimmen sie die Karriereleiter, bis sie den Guru-Status erreichen, wenn sie jeden Tag vor einer Herausforderung beim Rohrschweißen in einer falschen Position oder einer ähnlichen Herausforderung stehen.

Mehr Erfahrung verleiht Rohrschweißern mehr Fähigkeiten, was sie zuverlässiger und produktiver macht. Und da Bildverarbeitungssysteme Daten in die Cloud einspeisen, sorgt eine ausgefeilte Datenanalyse dafür, dass der Cobot im Laufe der Zeit anpassungsfähiger, zuverlässiger und produktiver wird. Die Menschen lernen, die Automatisierung lernt und das Rohrschweißen erreicht ein neues Produktivitätsniveau.

Soroush Karimzadeh ist CEO von Novarc Technologies.