Cobot Schweißen: Einsatz, Anforderungen und Wirtschaftlichkeit

Was ist Cobot-Schweißen? Definition und Abgrenzung

Cobot Schweißen ist das automatisierte Lichtbogenschweißen mit kollaborierenden Robotern, bei dem Mensch und Maschine im selben Arbeitsraum zusammenarbeiten können – im Gegensatz zu klassischen Schweißrobotern ohne Schutzzaun.

Kollaborierende Roboter (Cobots) unterscheiden sich von klassischen Schweißrobotern durch ihre kraft- und leistungsbegrenzte Bauweise. Sie stoppen bei Kontakt automatisch und benötigen oft keine schweren Schutzzäune. Klassische Schweißroboter arbeiten mit höherer Geschwindigkeit und Traglast, erfordern aber abgetrennte Arbeitszellen.

Die Programmierung erfolgt bei Cobots meist per Teach-by-Touch: Sie führen den Roboterarm von Hand entlang der gewünschten Schweißnaht. Klassische Roboter erfordern dagegen Programmierkenntnisse oder Offline-Software.

Typische Einsatzszenarien für Cobot-Schweißen

Cobot-Schweißen eignet sich besonders für:

• Kleinserien und häufiger Produktwechsel: Die schnelle Umprogrammierung macht Variantenvielfalt wirtschaftlich
• Begrenzte Hallenfläche: Cobots benötigen weniger Platz als Roboterzellen mit Schutzzaun
• Fachkräftemangel: Schweißer werden von monotonen Aufgaben entlastet und überwachen den Prozess
• Einstieg in die Automatisierung: Geringere Investition als bei klassischen Robotersystemen

Welche Schweißverfahren lassen sich mit Cobots automatisieren?

MIG/MAG-Schweißen ist das Standardverfahren für Cobot-Schweißen, WIG-Schweißen funktioniert mit höheren Anforderungen an Bahngenauigkeit, Lichtbogenhandschweißen bleibt Nischenanwendung.

MIG/MAG-Schweißen mit Cobots

Das MIG/MAG-Schweißen (Metallschutzgasschweißen) eignet sich ideal für die Automatisierung mit Cobots. Der Prozess ist robust gegenüber kleinen Abweichungen in der Bahnführung. Die meisten Hersteller bieten zertifizierte Komplettlösungen an.

Vorteile:

• Hohe Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit
• Geringere Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit als beim WIG-Schweißen
• Verfügbare Komplettlösungen mit Stromquelle, Brenner und Drahtvorschub
• Geeignet für Stahl, Edelstahl und Aluminium

WIG-Schweißen mit Cobots

Das WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgasschweißen) ist mit Cobots möglich, stellt aber höhere Anforderungen. Die Lichtbogenlänge muss konstant bleiben, der Abstand zwischen Wolframelektrode und Werkstück beträgt nur wenige Millimeter.

Anforderungen:

• Wiederholgenauigkeit unter 0,1 mm erforderlich
• Präzise Bahnplanung und Prozesssteuerung notwendig
• Höhere Anforderungen an Spanntechnik und Werkstückvorbereitung
• Längere Programmierzeit als bei MIG/MAG

Einige Hersteller bieten WIG-Pakete mit Nahtverfolgung und adaptiver Prozesssteuerung an.

Grenzen der Cobot-Schweißverfahren

Lichtbogenhandschweißen (Stabschweißen) lässt sich theoretisch automatisieren, bleibt aber Nischenanwendung. Der häufige Elektrodenwechsel und die diskontinuierliche Naht machen das Verfahren für Cobots unwirtschaftlich.

Verfahrensgrenzen bei Cobots:

• Traglast begrenzt Brennergröße und Werkstückgewicht
• Reichweite meist unter 1.300 mm
• Geschwindigkeit niedriger als bei klassischen Robotern (Sicherheit)
• Komplexe 3D-Geometrien erfordern Zusatzachsen

Für welche Werkstücke und Losgrößen eignen sich Cobots?

Cobots eignen sich für Werkstücke bis etwa 5–10 kg Gesamtgewicht (inkl. Brenner), gerade bis einfach gekrümmte Nähte und Losgrößen ab etwa 50 Stück, bei denen sich die Programmierung rechnet.

Geeignete Werkstücke

Werkstückgröße und -gewicht: Die Traglast gängiger Schweißcobots liegt typischerweise bei 5–10 kg Nutzlast. Davon entfallen 2–4 kg auf Brenner, Kabel und Schlauchpaket. Für das Werkstück bleiben 3–6 kg, wenn der Cobot es bewegt. Bei Verwendung von Positionierern können auch schwerere Teile geschweißt werden.

Nahtgeometrie:

• Gerade Kehlnähte: ideal für den Einstieg
• Kreisförmige Nähte: gut geeignet mit Drehpositionierer
• Einfach gekrümmte Nähte: möglich mit Teach-by-Touch
• Komplexe 3D-Geometrien: begrenzt, oft Zusatzachsen nötig

Losgröße und Variantenvielfalt: Die Programmierung per Teach-by-Touch dauert in der Praxis je nach Nahtlänge 10–30 Minuten. Ab etwa 50 Werkstücken rechnet sich der Aufwand gegenüber Handschweißen nach Herstellerangaben. Bei häufigem Produktwechsel ist die schnelle Umprogrammierung ein Vorteil gegenüber klassischen Robotern.

Cobot-Schweißen eignet sich besonders, wenn:

• Mehrere ähnliche Varianten eines Produkts gefertigt werden
• Losgrößen zwischen 50 und 5.000 Stück liegen
• Produktwechsel mehrmals pro Woche erfolgen
• Schweißer für komplexere Aufgaben benötigt werden

Ungeeignete Anwendungen

Wo Cobots an ihre Grenzen stoßen:

• Sehr schwere Bauteile über 20 kg ohne Positionierer
• Hochgeschwindigkeitsschweißen mit Taktzeiten unter 30 Sekunden
• Komplexe 3D-Geometrien mit vielen Raumlagen
• Sehr lange Nähte über 2 Meter ohne Unterbrechung
• Großserien über 10.000 Stück (klassische Roboter wirtschaftlicher)
• Baustelleneinsatz mit wechselnden Umgebungsbedingungen

Technische Anforderungen und Integration

Ein Cobot-Schweißsystem besteht aus Roboterarm, Schweißstromquelle, Brenner mit Schlauchpaket, optional Positionierer und Absaugung – die Integration erfolgt über zertifizierte Schnittstellen wie UR+.

Systemkomponenten im Überblick

Schnittstellen und Zertifizierungen: Viele Schweißstromquellen sind für Cobots zertifiziert. Das UR+ Programm von Universal Robots kennzeichnet getestete Komponenten. Lorch, Fronius und andere Hersteller bieten Komplettlösungen mit abgestimmter Hard- und Software.

Die Kommunikation erfolgt meist über digitale Schnittstellen (Profinet, EtherCAT, Modbus). Die Stromquelle übermittelt Prozessdaten an den Cobot, der die Bahngeschwindigkeit anpasst.

Programmierung und Bedienung

Teach-by-Touch: Sie führen den Roboterarm manuell entlang der Schweißnaht. Der Cobot speichert die Positionen. Anschließend passen Sie Schweißparameter (Strom, Spannung, Drahtvorschub) an. Die Methode erfordert keine Programmierkenntnisse.

Assistenzsysteme: Systeme wie Simplified Seam Tracking erkennen die Nahtlage automatisch und korrigieren Abweichungen während des Schweißens. Das reduziert Programmieraufwand und kompensiert Bauteiltoleranzen.

Offline-Programmierung: Bei komplexen Geometrien können Sie die Bahn am Computer planen und simulieren. Die Programme werden dann auf den Cobot übertragen. Diese Methode spart Stillstandzeiten.

Peripherie und Arbeitsumgebung

Arbeitsraum und Aufstellung: Cobots benötigen etwa 2–4 m² Stellfläche. Mobile Lösungen auf Fahrgestellen ermöglichen den Einsatz an verschiedenen Arbeitsplätzen. Stationäre Systeme mit Positionierer und Spanntechnik benötigen mehr Platz.

Spanntechnik: Die Werkstückfixierung ist entscheidend für die Schweißqualität. Bauteile müssen reproduzierbar positioniert werden. Einfache Spannvorrichtungen reichen oft aus, bei Variantenvielfalt sind Schnellspannsysteme sinnvoll.

Schweißrauchabsaugung: Eine Absaugung direkt am Brenner schützt Personal und Cobot. Viele Hersteller bieten integrierte Lösungen an. Die Absaugung muss die Roboterbewegung nicht behindern.

Sicherheit und Normen beim kollaborativen Schweißen

Beim kollaborativen Schweißen gelten ISO/TS 15066 für Mensch-Roboter-Kollaboration, ISO 10218 für Industrieroboter und DIN EN ISO 3834 für Schweißqualität – eine Risikobeurteilung ist Pflicht.

Relevante Normen und Vorschriften

Risikobeurteilung und Schutzmaßnahmen

Kollaboration vs. Koexistenz: Kollaboration bedeutet, dass Mensch und Roboter gleichzeitig im selben Arbeitsraum tätig sind. Koexistenz bedeutet, dass beide denselben Raum nutzen, aber zeitlich getrennt arbeiten. Beim Schweißen ist echte Kollaboration selten: Der Lichtbogen und Schweißrauch gefährden den Menschen.

In der Praxis arbeiten Cobots beim Schweißen meist im Koexistenzmodus: Der Mensch spannt das Werkstück, startet den Cobot und tritt zurück. Der Roboter schweißt, dann entnimmt der Mensch das Teil.

Gefährdungen beim Cobot-Schweißen:

• Lichtbogen: UV-Strahlung, Blendung
• Schweißrauch: Gesundheitsgefährdung bei Einatmung
• Bewegung des Cobots: Quetsch- und Stoßgefahr
• Heiße Werkstücke: Verbrennungsgefahr
• Spritzer: Brand- und Verletzungsgefahr

Schutzmaßnahmen:

• Lichtschranken oder Laserscanner begrenzen den Arbeitsbereich während des Schweißens
• Geschwindigkeitsbegrenzung beim Verfahren ohne Schweißen
• Kraftbegrenzung nach ISO/TS 15066 bei möglichem Kontakt
• Schweißrauchabsaugung direkt am Brenner
• Schutzausrüstung für Personal (Schweißerschutzschild bei Beobachtung)
• NOT-AUS-Taster in Reichweite

Die Risikobeurteilung muss vor Inbetriebnahme dokumentiert werden. Sie berücksichtigt alle Gefährdungen und definiert Schutzmaßnahmen. Ein Sicherheitsbeauftragter oder externe Fachkraft sollte hinzugezogen werden.

Qualifikation des Personals

Wer braucht welche Schulung?

Schweißfachpersonal muss die Roboterbedienung erlernen: Programmierung per Teach-by-Touch, Anpassung von Schweißparametern, Fehlerdiagnose. Schulungen dauern nach Herstellerangaben meist 2–5 Tage.

Roboterbediener ohne Schweißerfahrung benötigen Schweißgrundlagen: Nahtarten, Schweißfehler, Sichtprüfung. Sie müssen Schweißergebnisse beurteilen können.

Beide Gruppen brauchen Schulung in:

• Sicherheit und Risikobeurteilung nach ISO/TS 15066
• Bedienung und Programmierung des Cobots
• Wartung und Instandhaltung
• Qualitätssicherung nach DIN EN ISO 3834

Schweißfachpersonal nach DIN EN ISO 14731 (z. B. Schweißfachingenieur, Schweißtechniker) sollte die Prozesse freigeben und überwachen.

Wirtschaftlichkeit: Investition und Amortisation

Die Amortisation von Cobot-Schweißsystemen hängt von Auslastung, Lohnniveau und Nacharbeitsquote ab – bei Zweischichtbetrieb und mittlerer Auslastung rechnen sich Einstiegssysteme nach Herstellerangaben oft in 1,5 bis 3 Jahren.

Investitionskosten

Größenordnung für Einstiegssysteme: Konkrete Preisinformationen für Komplettlösungen mit Cobot, Stromquelle, Brenner und Basisspanntechnik erhalten Sie direkt bei Herstellern wie Lorch, Fronius oder Universal Robots. Die Investition hängt stark von Ausstattung, Schweißverfahren und Peripherie ab.

Die Investition umfasst:

• Cobot-Arm mit Steuerung
• Schweißstromquelle
• Brenner und Schlauchpaket
• Positionierer oder Spanntechnik
• Schweißrauchabsaugung
• Schulung und Inbetriebnahme
• Optional: Offline-Programmiersoftware, Nahtverfolgung

Betriebskosten und Einsparungen

Laufende Kosten:

• Energie: Schweißstromquelle 5–15 kW, Cobot 0,5–1 kW
• Verschleißteile: Brennerverschleißteile, Draht, Gas
• Wartung: Jährliche Inspektion, Softwareupdates
• Versicherung und Abschreibung

Einsparungen:

• Personalkosten: Ein Cobot ersetzt nicht den Schweißer, entlastet ihn aber bei monotonen Aufgaben
• Nacharbeit: Gleichbleibende Qualität kann Ausschuss je nach Anwendung deutlich reduzieren
• Durchlaufzeit: Kontinuierliches Schweißen ohne Pausen
• Materialeffizienz: Präzise Drahtdosierung spart Schweißzusatz

Modellrechnung zur Amortisation

Fiktives Rechenbeispiel für ein mittelständisches Unternehmen:

• Investition: 80.000 € (Komplettlösung mit Positionierer)
• Auslastung: 60 % in Zweischichtbetrieb (ca. 2.400 Stunden/Jahr)
• Eingesparte Schweißerzeit: 1.200 Stunden/Jahr (Schweißer übernimmt andere Aufgaben)
• Lohnkosten Schweißer: 35 €/Stunde (inkl. Nebenkosten)
• Reduzierte Nacharbeit: 5.000 €/Jahr
• Betriebskosten Cobot: 8.000 €/Jahr

Rechnung:

• Einsparung Personal: 1.200 h × 35 €/h = 42.000 €/Jahr
• Einsparung Nacharbeit: 5.000 €/Jahr
• Summe Einsparungen: 47.000 €/Jahr
• Abzüglich Betriebskosten: 47.000 € – 8.000 € = 39.000 €/Jahr
• Amortisationszeit: 80.000 € ÷ 39.000 €/Jahr ≈ 2,1 Jahre

Bei höherer Auslastung oder Dreischichtbetrieb verkürzt sich die Amortisationszeit. Bei geringer Auslastung unter 40 % verlängert sie sich deutlich. Die tatsächlichen Werte hängen von Ihren individuellen Rahmenbedingungen ab.

Fördermöglichkeiten: Förderprogramme für Digitalisierung und Automatisierung in KMU sollten vor Investition geprüft werden. Die Konditionen ändern sich regelmäßig. Eine Beratung durch Hausbank, IHK oder Wirtschaftsförderung ist empfehlenswert.

Hersteller und Systemanbieter im Überblick

Zu den Anbietern von Cobot-Schweißlösungen gehören Cobot-Hersteller wie Universal Robots und Yaskawa sowie Schweißtechnik-Spezialisten wie Lorch, Fronius und Abicor Binzel mit zertifizierten Komplettlösungen.

Cobot-Hersteller:

• Universal Robots (UR): Marktführer, UR5, UR10, UR+ Partnerprogramm
• Yaskawa: HC-Serie, integrierte Sicherheitsfunktionen
• Weitere: ABB, FANUC, KUKA (mit kollaborativen Modellen)

Schweißtechnik-Anbieter:

• Lorch: Cobot Welding World, myCobot-System, Software Cobotronic
• Fronius: Cobot Welding Pakete, TPS/i Stromquellen mit Roboterschnittstelle
• Abicor Binzel: Brenner und Schlauchpakete, ROBiPAK für UR-Cobots

Komplettlösungen vs. Einzelkomponenten: Komplettlösungen bieten aufeinander abgestimmte Hard- und Software, Schulung und Support aus einer Hand. Sie sind teurer, aber schneller einsatzbereit.

Einzelkomponenten erlauben individuelle Konfiguration und können kostengünstiger sein. Sie erfordern aber mehr Integrations-Know-how und längere Inbetriebnahmezeit.

Zertifizierungen: Das UR+ Programm kennzeichnet für Universal Robots getestete Komponenten. Andere Hersteller haben eigene Partnerprogramme. Zertifizierte Lösungen vereinfachen Integration und Gewährleistung.

Praxistipps: So gelingt der Einstieg ins Cobot-Schweißen

Starten Sie mit einem Pilotprojekt bei einfachen Anwendungen wie Heften oder geraden Kehlnähten, schulen Sie das Team frühzeitig und passen Sie Spanntechnik sowie Werkstückvorbereitung an.

Pilotprojekt und Einstieg

Mit einfacher Anwendung starten:

1. Wählen Sie ein Werkstück mit gerader oder kreisförmiger Naht
2. Losgröße über 100 Stück für erste Erfahrungen
3. Unkritische Schweißnaht, bei der Nacharbeit möglich ist
4. MIG/MAG-Schweißen als Verfahren

Vorgehen:

• Risikobeurteilung erstellen (intern oder mit externer Unterstützung)
• Schulung für 2–3 Mitarbeiter buchen
• System aufbauen und erste Nähte programmieren
• Prozessparameter optimieren (Geschwindigkeit, Pendelbreite)
• Qualität prüfen und dokumentieren
• Bei Erfolg: Weitere Werkstücke hinzufügen

Schulung und Change Management

Akzeptanz im Team schaffen: Schweißer sehen Cobots manchmal als Bedrohung. Kommunizieren Sie klar: Der Cobot entlastet bei monotonen Aufgaben, der Schweißer bleibt für komplexe Nähte und Überwachung verantwortlich.

Beziehen Sie erfahrene Schweißer früh ein. Sie kennen die Prozesse und können wertvolle Hinweise zur Programmierung geben. Lassen Sie sie den Cobot selbst programmieren.

Prozessoptimierung: Passen Sie Spanntechnik an: Werkstücke müssen reproduzierbar positioniert werden. Oft sind einfache Anschläge und Spannelemente ausreichend.

Optimieren Sie die Werkstückvorbereitung: Gratfreie Kanten und definierte Spaltmaße verbessern die Schweißqualität. Der Cobot kompensiert Toleranzen schlechter als ein erfahrener Schweißer.

Skalierung und häufige Fehler vermeiden

Vom Einzelsystem zur Mehrfachnutzung: Nach erfolgreicher Pilotierung können Sie weitere Werkstücke hinzufügen. Mobile Cobots lassen sich an verschiedenen Arbeitsplätzen einsetzen. Bei hoher Auslastung rechnet sich ein zweites System.

Häufige Fehler vermeiden:

1. Unrealistische Erwartungen: Ein Cobot ersetzt keinen Schweißer vollständig, sondern entlastet ihn. Planen Sie mit 60–80 % Auslastung, nicht mit 100 %.
2. Fehlende Risikobeurteilung: Die Risikobeurteilung ist Pflicht und muss vor Inbetriebnahme vorliegen. Ziehen Sie Fachleute hinzu.
3. Unzureichende Schulung: Investieren Sie in mehrtägige Schulungen. Schweißer müssen Roboterbedienung lernen, Roboterbediener Schweißgrundlagen.
4. Spanntechnik vernachlässigt: Schlechte Werkstückfixierung führt zu Qualitätsproblemen. Planen Sie Zeit und Budget für Spanntechnik ein.
5. Zu komplexe erste Anwendung: Starten Sie einfach. Komplexe 3D-Geometrien sind für den Einstieg ungeeignet.
6. Fehlende Wartung: Brennerverschleißteile und Schlauchpakete müssen regelmäßig getauscht werden. Planen Sie Wartungsintervalle ein.

Fazit: Wann lohnt sich Cobot-Schweißen?

Cobot-Schweißen eignet sich für metallverarbeitende KMU mit Losgrößen ab 50 Stück, einfachen bis mittleren Nahtgeometrien und Fachkräftemangel. Die Investition rechnet sich bei mittlerer bis hoher Auslastung nach Herstellerangaben in 1,5 bis 3 Jahren.

Voraussetzungen für den Erfolg:

• Geeignete Werkstücke (Gewicht, Geometrie, Losgröße)
• Qualifiziertes Personal (Schulung in Roboterbedienung und Sicherheit)
• Angepasste Spanntechnik und Prozessvorbereitung
• Dokumentierte Risikobeurteilung nach ISO/TS 15066
• Realistische Erwartungen an Auslastung und Amortisation

Starten Sie mit einem Pilotprojekt, sammeln Sie Erfahrungen und skalieren Sie schrittweise. Holen Sie sich Unterstützung von Herstellern, Systemintegratoren oder Beratern.