Wann lohnt sich Laserschweißen mit Roboter oder Cobot?

Ein Roboter kann eine programmierte Bahn sehr gleichmäßig wiederholen. Eine Abweichung, die das einzelne Bauteil mitbringt, gleicht er ohne Sensorik nicht aus. Beim handgeführten Schweißen übernimmt diese Korrektur die Person am Werkstück.

Dieser Beitrag ordnet Voraussetzungen und Grenzen der Automatisierung ein. Er ersetzt weder die Risikobeurteilung des Anlagenherstellers noch die Gefährdungsbeurteilung des Betreibers und ist keine Rechtsberatung.

Was sich beim Automatisieren ändert

Beim handgeführten Laserschweißen sieht die Person am Gerät die Fügestelle. Sie kann Position, Vorschub und Anstellwinkel nachführen, wenn ein Spalt breiter wird oder eine Kante versetzt liegt.

Ein Roboter fährt dagegen die programmierte Bahn. Liegt die Naht am nächsten Bauteil etwas anders, trifft der Strahl ohne Nahterkennung trotzdem die programmierte Stelle. Das Fraunhofer IWS hat diesen Zielkonflikt früh benannt: unvermeidbare Form- und Maßtoleranzen jedes Bauteils auf der einen Seite, begrenzte Genauigkeit der Maschinensysteme auf der anderen.

Was beim Handschweißen während der Naht ausgeglichen wird, sollte in der Zelle vorher geklärt sein:

• wie genau die Bauteile gefertigt und angeliefert werden
• wie sie in der Vorrichtung liegen
• ob und wie die Naht erkannt wird
• wie die Laserstrahlung zuverlässig abgeschirmt wird

Bauteiltoleranzen und Fügespalt

Ohne Zusatzwerkstoff reagiert Laserschweißen empfindlich auf Spalte. Die britische Schweißforschungseinrichtung TWI nennt als Richtwert, dass beim Stumpfstoß Spalte unter etwa 10 Prozent der Materialdicke eingehalten werden müssen, um Nahtfehler zu vermeiden. Bei 2 mm Blech wären das weniger als 0,2 mm.

TWI beschreibt auch Wege, diese Toleranz zu erweitern:

• Zusatzdraht: bei Stählen bis 6 mm Dicke nach TWI-Angabe bis etwa zur vollen Blechdicke
• Strahloszillation: etwa 20 bis 30 Prozent der Dicke
• Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen mit geringeren Anforderungen an die Kantenvorbereitung
• zwei nebeneinander angeordnete Laserstrahlen

Jede dieser Erweiterungen bringt eigene Komponenten und Parameter mit. Harald Keller von der Keller Blechtechnik GmbH sagt dazu in einem Beitrag von TRUMPF: Wer das Potenzial des Laserschweißens nutzen will, muss bis zur Konstruktion zurückdenken — Präzision wird von Anfang an gebraucht. Zuschnitt, Umformung und Vorbearbeitung bestimmen also mit, ob eine Zelle ohne ständige Nacharbeit laufen kann.

Spannvorrichtungen gehören zum Prozess

Bei TRUMPF heißt es, der „Nullspalt“ sei beim Laserschweißen das Maß aller Dinge — dafür brauche es praktisches Wissen über geeignete Spannvorrichtungen.

Eine Spannvorrichtung hat beim automatisierten Laserschweißen mehrere Aufgaben:

• Bauteile reproduzierbar positionieren, sodass die Naht dort liegt, wo das Programm sie erwartet
• Fügepartner so andrücken, dass der Spalt im zulässigen Bereich bleibt
• die Lage während des Schweißens halten
• Zugänglichkeit für Schweißkopf und gegebenenfalls Sensor lassen
• sicheres Einlegen und Entnehmen erlauben

Für jede Bauteilvariante kann eine eigene Vorrichtung oder zumindest ein eigener Einsatz nötig werden. Konstruktion, Bau und Erprobung gehören in die Rechnung, bevor über den Roboter entschieden wird. Ändert sich das Bauteil, ändert sich in der Regel auch die Vorrichtung.

Nahtführung und Sensorik

Sensorik kann einen Teil der Toleranzen auffangen. Der Hersteller Precitec gliedert die Prozessüberwachung beim Laserschweißen in drei Phasen:

1. Vor dem Prozess: Eine optische Nahtführung erkennt die tatsächliche Nahtposition. Nach Herstellerangabe hilft das beim Umgang mit Bauteiltoleranzen, Spannabweichungen und wechselnden Nahtgeometrien.
2. Während des Prozesses: Prozesssignale werden laufend erfasst, um Abweichungen sichtbar zu machen.
3. Nach dem Prozess: Eine optische Nahtinspektion prüft die fertige Naht auf geometrische und oberflächennahe Fehler.

Ein mögliches Messprinzip ist der Lichtschnitt. Das Fraunhofer IWS beschrieb einen Nahtverfolgungssensor, dessen Kamera den Spalt mittels Lichtschnitt aufnimmt und Angaben zu Lage, Verlauf und Breite des Schweißspalts liefert.

Die Grenze: Sensorik erkennt, wo die Naht liegt. Einen zu großen Spalt schließt sie nicht. Sie kann aber die Grundlage liefern, um Parameter anzupassen, Zusatzwerkstoff gesteuert zuzuführen oder ein Bauteil auszusortieren — und sie kostet Geld, Platz am Schweißkopf und Einrichtaufwand.

Einhausung und Laserschutzwände

Die TROS Laserstrahlung Teil 3 folgt der Rangfolge der OStrV: Gefährdungen zuerst durch andere Verfahren oder Arbeitsmittel vermeiden oder minimieren, dann technische, danach organisatorische Maßnahmen, zuletzt persönliche Schutzausrüstung. Zu den technischen Maßnahmen zählt sie Einhausungen, gegebenenfalls mit Verriegelung, und Vorrichtungen zur automatischen Abschaltung. Für Abschirmungen nennt sie Laserschutzwände nach DIN EN 60825-4.

Für robotergestützte Laseranlagen formuliert eine Fachinformation von BG ETEM und DGUV Test den Anspruch deutlich: Gefahr bringende Laserstrahlung darf nicht aus der Laserschutzeinhausung austreten. Das Sicherheitskonzept kann unter anderem bestehen aus:

• passiven Laserschutzwänden mit sicherheitsverriegelten Türen
• eingeschränkten oder überwachten Roboter-Arbeitsbereichen
• Überwachung der Roboterbewegung und der Strahlrichtung
• Begrenzung der Laser-Ein-Zeit
• aktiven Laserschutzwänden, auch nur in Teilbereichen

Die Fachinformation betrachtet ausdrücklich auch den Fehlerfall, etwa einen Roboter, der seine programmierte Bahn verlässt. Passive Laserschutzwände leisten gegen direkt auftreffende Strahlung nur zeitlich begrenzt Widerstand.

Laserklasse, Service und Einrichtbetrieb

Die Laserklasse legt der Hersteller fest. Die DGUV Information 203-093 nennt als Beispiel für Laserklasse 1 Beschriftungsgeräte mit vollständiger Abschirmung. Eine Einhausung kann also darüber entscheiden, welche Gefährdung außerhalb der Anlage verbleibt.

Dieselbe DGUV Information weist auf einen Punkt hin, der leicht übersehen wird: Auch eingehauste Einrichtungen können in Sonderbetriebsarten wie Wartung, Service oder Einstellarbeiten einen offenen Betrieb erfordern. Dann gelten die Anforderungen an den offenen Betrieb. Außerdem heißt es dort:

• Öffnungen werden in der Regel über einen Sicherheitspositionsschalter überwacht.
• Bei geöffneter Einhausung darf keine gefährliche Laseremission möglich sein.
• Beobachtungsfenster werden in der Regel nach DIN EN 207 oder DIN EN 60825-4 ausgelegt; alternativ kann eine Kamera das Bild nach außen übertragen.

Für Lasereinrichtungen der Klassen 3R, 3B und 4 sieht § 5 OStrV einen Laserschutzbeauftragten vor — es sei denn, der Arbeitgeber verfügt selbst über die nötigen Fachkenntnisse. Wie groß der Laserbereich ist — auch im offenen Service- und Einrichtbetrieb — und welche Schutzmaßnahmen nötig sind, ist in der Gefährdungsbeurteilung zu klären.

Ein Cobot braucht trotzdem Laserschutz

Die DGUV-Information FB HM-080 beschreibt, dass kollaborierende Robotersysteme in der Funktion „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ ohne traditionelle Schutzeinrichtungen wie Zäune und Lichtvorhänge eingesetzt werden können. Diese Funktion betrifft Kräfte und Drücke beim Kontakt zwischen Person und Roboter.

Laserstrahlung ist eine andere Gefährdung. Zum kollaborierenden Robotersystem gehören nach der DGUV-Information auch Werkzeuge, Werkstücke und Vorrichtungen — beim Laserschweißen also der Laserkopf. Das IFA betont, dass die Risikobeurteilung den vorgesehenen Arbeitsplatz einschließen muss.

Der Laserhersteller IPG Photonics schreibt, Laserschweiß-Cobots müssten zum Schutz umstehender Personen in einer lasersicheren Einhausung installiert werden. Der Nutzen eines Cobots liegt beim Laserschweißen damit eher in einfacherer Programmierung und schnellerer Umstellung als im Wegfall der Abschirmung.

Programmierung per Teach-in oder offline

Beim Teach-in wird die Bahn am realen Bauteil eingelernt. Die Fachzeitschrift Maschine + Werkzeug weist darauf hin, dass die Produktion dafür ruhen muss; bei einfachen Aufgaben kann ein erfahrener Einrichter trotzdem schneller sein als der Aufbau eines digitalen Modells. Cobots lassen sich nach Angabe von IPG Photonics zum Einlernen von Hand führen.

Bei der Offline-Programmierung wird die Zelle auf Basis von CAD-Daten als digitaler Zwilling nachgebaut, schon bevor die reale Zelle steht. Weil Modell und Halle nie ganz übereinstimmen, ist eine Kalibrierung notwendig. Für komplexe räumliche Konturen, etwa beim Schweißen, sieht der Beitrag die Offline-Programmierung im Vorteil.

Neben der Bahn müssen die Prozessparameter stimmen: Laserleistung, Vorschub und gegebenenfalls Strahloszillation werden für Werkstoff, Dicke und Stoßart ermittelt und an Musterteilen erprobt. Dieser Aufwand fällt je Bauteilvariante an.

Rauch, Absaugung und Sekundärstrahlung

Die Einhausung schirmt Laserstrahlung ab. Andere Gefährdungen des Prozesses bleiben.

Die DGUV Information 203-093 nennt beim Laserschweißen die vom Plasma ausgehende UV-, sichtbare und Infrarotstrahlung als Beispiel für Sekundärstrahlung. Sie kann zu Blendung und Verblitzen, aber auch zu irreversiblen Schäden führen.

Bei der Lasermaterialbearbeitung werden außerdem partikelförmige und gasförmige Gefahrstoffe freigesetzt. Die DGUV Information verweist unter anderem auf die TRGS 528 „Schweißtechnische Arbeiten“ und behandelt auch mögliche Brandgefährdungen in Absauganlagen. Für eine Zelle heißt das: Erfassung und Absaugung werden mitgeplant, nicht nachgerüstet.

Wer für die Zelle verantwortlich ist

Die DGUV-Information FB HM-080 beschreibt für kollaborierende Robotersysteme: Ein einzelner Roboter gilt als unvollständige Maschine und erhält eine Einbauerklärung. Erst das System aus Roboter, Werkzeugen, Werkstücken und Vorrichtungen bildet die Maschine, die mit Konformitätserklärung und CE-Kennzeichnung bereitgestellt wird.

Die Fachinformation von BG ETEM und DGUV Test hält fest, dass Auswahl der Schutzmaßnahmen, Verantwortung und Haftung beim Hersteller der Laserbearbeitungsmaschine liegen, und nennt dazu eine vollständige Risikobeurteilung durch den Hersteller und eine vollständige Gefährdungsbeurteilung durch den Betreiber.

Die Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 gilt nach Angaben der IHK Halle-Dessau grundsätzlich ab dem 20. Januar 2027 und ersetzt die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Wer eine wesentliche Veränderung vornimmt, wird danach zum Hersteller mit den entsprechenden Pflichten. Wer Roboter, Laserquelle und Einhausung selbst kombiniert oder eine Anlage umbaut, sollte vorab klären, wer diese Rolle übernimmt.

Wann sich Automatisierung lohnen kann

IPG Photonics sieht klassische Industrieroboter vor allem dort, wo große Mengen gleicher Nähte an gleichen Bauteilen entstehen, etwa in einer Fertigungslinie. Cobots bieten nach Herstellerangabe mehr Flexibilität, wenn häufig neue Schweißaufgaben programmiert werden.

Günstige Voraussetzungen können sein:

• wiederkehrende Bauteile in ausreichender Stückzahl
• geringe und stabile Toleranzen aus der Vorfertigung
• gut zugängliche Nähte
• ein Bauteilspektrum, das mit wenigen Vorrichtungen auskommt

Auf der Kostenseite steht mehr als der Roboter: Einhausung, Vorrichtungen, gegebenenfalls Sensorik, Absaugung, Programmierung, Erprobung, Unterweisung und Konformitätsbewertung. Dem gegenüber stehen bisherige Schweißzeit, Nacharbeit und Ausschuss. Das Ergebnis hängt vom einzelnen Betrieb ab und lässt sich nur mit dessen Zahlen belastbar rechnen.

Wann handgeführt sinnvoller bleibt

Handgeführtes Laserschweißen kann die bessere Wahl bleiben bei:

• Einzelteilen, Reparaturen und Prototypen
• großen oder sperrigen Bauteilen, die in keine Zelle passen
• wechselnden Geometrien und kleinen Losgrößen, bei denen Programmierung und Vorrichtung länger dauern als das Schweißen
• schwankenden Spaltmaßen, die eine erfahrene Person im Rahmen des Verfahrens noch ausgleichen kann

Handgeführt heißt allerdings offener Betrieb. Nach der DGUV Information 203-093 werden die meisten handgeführten Laser-Einrichtungen vom Hersteller in Klasse 4 eingestuft, und der Laserbereich ist in der Regel zugänglich. Der Schutzaufwand verlagert sich damit von der Maschine auf Arbeitsplatz, Abschirmung, Unterweisung und persönliche Schutzausrüstung.

Beamlux führt ein fahrbares Laserschweißgerät in Leistungsstufen von 1500 bis 6000 W. Der Produktkatalog nennt als eines seiner Merkmale die Eignung für automatisierte Abläufe. Ob und wie sich das Gerät in eine bestimmte Roboterzelle einbinden lässt, hängt von Bauteil, Vorrichtung und Steuerung ab und ist im Einzelfall zu klären.

Quellen

• TROS Laserstrahlung Teil 3 „Maßnahmen zum Schutz vor Gefährdungen durch Laserstrahlung“ — Rangfolge der Schutzmaßnahmen, Einhausungen mit Verriegelung, automatische Abschaltung, Laserschutzwände nach DIN EN 60825-4.
• OStrV § 5 — Fachkundige Personen, Laserschutzbeauftragter (gesetze-im-internet.de) — Bestellung eines Laserschutzbeauftragten für Lasereinrichtungen der Klassen 3R, 3B und 4.
• DGUV Information 203-093 „Handlungshilfe für die Gefährdungsbeurteilung beim Betrieb von offenen Laser-Einrichtungen zur Materialbearbeitung mit Handführung oder Handpositionierung (HLG)“ — Ausgabe April 2019. Einstufung der Laserklasse durch den Hersteller, Laserbereich, Einhausung, Sonderbetriebsarten, Beobachtungsfenster, Sekundärstrahlung, Gefahrstoffe und Absaugung.
• BG ETEM / DGUV Test — Fachinformation „Hochleistungslaser in der Automobilbranche“ — Stand 2. Juni 2014. Sicherheitskonzepte für robotergestützte Laseranlagen, passive und aktive Laserschutzwände, Fehlerbetrachtung.
• DGUV-Information FB HM-080 „Kollaborierende Robotersysteme“ — Ausgabe 08/2017. Leistungs- und Kraftbegrenzung, Robotersystem als Maschine, Einbauerklärung.
• IFA — Fachinfos Kollaborierende Roboter — Normen für kollaborierende Roboter, Endeffektor und Risikobeurteilung.
• IHK Halle-Dessau — Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 — Geltungsbeginn, Ablösung der Maschinenrichtlinie, wesentliche Veränderung.
• TWI — FAQ zur Toleranz des Laserschweißens gegenüber der Fügespaltpassung — Richtwerte für Spalte beim Stumpfstoß und Möglichkeiten, die Toleranz zu erweitern.
• TRUMPF — „Laser trumps arc“ — Nullspalt und Spannvorrichtungen; Aussage von Harald Keller (Keller Blechtechnik GmbH) zur Präzision ab der Konstruktion.
• Fraunhofer IWS — Pressemitteilung „Sensor führt den Laser“ — Optische Nahtverfolgung mit Lichtschnitt, Bauteiltoleranzen und Maschinengenauigkeit.
• Precitec — Prozessüberwachung beim Laserschweißen — Nahtführung vor dem Prozess, Überwachung im Prozess, Nahtinspektion danach.
• IPG Photonics — Laser Welding Cobots vs. Traditional Robots — Einhausung bei Laserschweiß-Cobots, Programmierung, Einsatzbereiche klassischer Roboter.
• Maschine + Werkzeug — „Roboter-Programmierung: Teach-In vs. Offline“ — Stillstand beim Teach-in, digitaler Zwilling und Kalibrierung bei der Offline-Programmierung.

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