Edistysaskelia auton korin hitsauksessa – vähemmän roiskeita ja paremmat 3D-visualisointijärjestelmät

1. Kattava ja jatkuva lähestymistapa pistehitsauksessa syntyvien roiskeiden vähentämiseen.

2. 3D-laserjärjestelmien nykyiset ominaisuudet hitsaus- ja juotostöiden laadun parantamiseksi.

Johtopäätös #1

Pistehitsauksen roiskeiden vähentäminen prosessin data-analyysin ja älykkään datan avulla

BMW MINI UK:n ja TWI Ltd:n (The Welding Institute, UK) jatkuvan tutkimuksen tavoitteena on vähentää hitsausroiskeita. Ne ovat kallis ongelma, joka aiheutuu siitä, että pistehitsauksessa kuumaa nestemäistä metallia päätyy auton toiseen osaan. Hitsausroiskeet (welding expulsion, weld splash tai liquid metal ejection) aiheuttavat seuraavia ongelmia:

• Sinkkipinnoitteiden palaminen, mikä heikentää korroosiosuojausta
• Näkyvät virheet auton osissa

Roiskeiden vahingoittamien osien havaitseminen ja jälkityöstö vie paljon aikaa.

Kuva 1a: Roiskeet pistehitsauksessa.

Kuva 1b: Paneelipinnan palaminen ja vaurioituminen hitsausroiskeiden vaikutuksesta. Kuvat: TWI Ltd ja BMW MINI UK.

Roiskeiden vähentäminen entisestään

BMW Groupin MINI-tehtaalla Oxfordissa roiskeiden osuus oli jo valmiiksi alhainen: 3,7 prosenttia. Ison-Britannian hallituksen WeldZero-projektin tavoitteena on kuitenkin nolla hitsausvirhettä. WeldZeron rahoituksella MINI Plant Oxford ja The Welding Institute pyrkivät järjestelmällisesti alentamaan roiskeiden määrää tehtaalla jokaisen MINI-mallin 6000 pistehitsin kohdalla.

MINI Plant Oxford käyttää kehittyneitä ja laadukkaita robotteja ja hitsauspistooleja, joissa on integroidut/mukautuvat ohjaimet kaikille pistehitseille – näin se ei aiheuta ongelmia heikkolaatuisten, liian pienten tai heikkojen hitsaussaumojen kanssa. Ainoa jäljellä oleva ongelma on hitsausroiskeet.

Jatkuvassa tutkimuksessa data-analyysin avulla tunnistetaan:

• Hitsausroiskeiden esiintyminen
• Perussyyt
• Kunkin perussyyn tietomallit

Näin tuotantoinsinöörit saavat tietoa tarvittavista korjaavista toimenpiteistä.

Ensimmäiset korjaavat toimenpiteet hitsausroiskeiden välttämiseksi

• Hitsauspistoolin ilmanpaineen vähentäminen, kun se alun perin ja tarkoituksella ”ylipaineistettiin” siinä luulossa, että ylipaine kompensoisi etäisyyden erot ilmansyötöstä hitsauspistooliin. On huomattu, että ilmanpaineen alentaminen tasoittaa hitsauspistoolien painesuhdetta, mikä vähentää hitsausroiskeita ja alentaa ilmansyötön energiakustannuksia 25 %.
• Hitsauspistoolien jäähdytysveden virtauksen valvonta, jotta voidaan havaita tukokset tai virtauksen alenemat. Jäähdytysveden virtauksen häiriöt aiheuttivat hitsauselektrodien ylikuumenemisen ja elektrodien liiallisen kulumisen, mikä johti hitsausroiskeisiin.
• Hitsausprosessin hitsausjännitteen, hitsausvirran, hitsausvoiman ja mitatun vastuksen data-analyysi, joka yhdistettiin niihin hitsausrobotteihin, joissa hitsausroiskeita esiintyi eniten.
  
  

Data-analyysissä löydetyt ylimääräiset hitsausroisketekijät

Tämän jälkeen TWI ja BMW tekivät data-analyysin jäljellä olevista hitsausroiskeista niiden tärkeimpien aiheuttajien määrittämiseksi:

• Paneelin yhteensopimattomuus: esimerkiksi osien huono muoto ja takaisinjousto, mutta myös ongelmat, kuten osien työntyminen pois paikoiltaan muiden osien vuoksi.
• Välysten vaikutus: vahvemmissa ja paksummissa osissa – tai osissa, joissa on kolme tai neljä levyä päällekkäin – paneelien väliset raot voivat häiritä hitsausprosessia ja aiheuttaa hitsausroiskeita.
• Elektrodin etäisyys reunasta: paneelin epäsopivuus voi aiheuttaa elektrodin joutumisen liian lähelle levyn reunaa, jolloin hitsausalue ”irtoaa” levyn reunasta. Seurauksena on voimakas roiske.
• Hitsauspisteen heikko suuntaus: paneelin yhteensopimattomuus tai muotovika pakottaa elektrodin muuhun kuin ihanteelliseen 90 asteen kulmaan. Tämä johtaa hitsausroiskeeseen ja elektrodin kulumiseen, mikä voi puolestaan aiheuttaa lisää roiskeita.
• Elektrodin kärkien vakavat kulumat: elektrodeissa käytetyn sinkkiseoksen määrä vaikuttaa roiskeiden määrään.
• Hitsauspistoolien huonosti suunniteltu vesijäähdytys: tukkeutumat tai ahtaat mutkat jäähdytyskanavissa rajoittavat veden virtausta, mikä aiheuttaa elektrodin ylikuumenemisen ja liian nopean kulumisen, mikä johtaa hitsausroiskeisiin.

Kunkin tekijän tärkeyden määrittäminen hitsausroiskeiden syntymisessä

TWI loi sitten robottihitsaussolun, joka simuloi BMW:n tuotantoprosesseja yrityksen omassa laboratoriossa. Näin voitiin tunnistaa prosessin toleranssit kullekin edellä mainitulle tekijälle niiden vakavuuden määrittämiseksi roiskeen syntymisessä.

Myös hitsausprosessidatan tunnisteet tunnistettiin hitsauslaitteiden ajastimista, jotta pystyttiin diagnosoimaan roiskeen syy kussakin tapauksessa.

”Savuava ase”: elektrodin kärjen kunto

Tutkimuksessa havaittiin, että kunkin roiskeita aiheuttavan tekijän kertoimen herkkyys vaihteli elektrodin kunnon mukaan. Elektrodin kärjen kuluminen vaikutti myös roiskeen tietojen tunnisteisiin.

Kuva 2: Prosessin data-analyysiä, jossa yhdistetään elektrodin kuluminen ja hitsausroiskeet Kuvat: TWI Ltd ja BMW MINI UK.

Jatkuvan tutkimuksen seuraavat vaiheet

”Jotta saadaan aikaan prosessinaikainen data-analyysijärjestelmä, jolla voidaan diagnosoida [hitsaus-] roiskeen syy, tulisi kehittää malli, joka voi ottaa huomioon elektrodilla tehtyjen hitsien määrän edellisen työstön jälkeen... Työkalua kehitetään parhaillaan, jotta verkossa ja reaaliaikaisesti voidaan tunnistaa ne laitteet, joiden roisketaso ei ole hyväksyttävällä tasolla. Roiskeen syyn diagnosoinnin avulla ongelmat voidaan korjata tehokkaasti.”

Johtopäätös #2

3D-laserjärjestelmien nykyiset ominaisuudet hitsaus- ja juotostöiden laadun parantamiseksi.

Epätäydelliset hitsit autonosissa, joiden turvallisuusvaatimukset ovat korkeat – kuten sähköautojen akkukoteloissa – käyvät kalliiksi. Servo-Robot Corp. -yrityksen raportin mukaan 3D-laserkamerajärjestelmät voivat kuitenkin parantaa autonosien robottilaserhitsauksen, laserjuotoksen ja kaarihitsauksen tuottavuutta ja laatua – mukaan lukien autonkoreissa, alustoissa ja sähköautojen akkujen suojarakenteissa.

Kamerat, joiden nopeus on vähintään 2 kHz (2 000 ruutua sekunnissa), voidaan integroida suuritehoisiin (enintään 30 kW:n) laserpäihin. Nämä kamerat, jotka on sijoitettu 20 mm:n säteelle laserin tarkennuspisteestä, voivat seurata saumoja nopean hitsauksen aikana, jopa kaarevissa muodoissa, samalla kun ne tarjoavat myös reaaliaikaisen prosessin seurannan ja hitsauksen jälkeisen tarkastuksen.

Kuva 3: Räätälöidyt aihiot, joissa on saumanseuranta ja tarkastus 3D-laserkameralla. Kuva: Servo-Robot Corp.

Suuret autonosat + suuret hitsausrobotit = hitsausliitosten suuremmat poikkeamat

Laserhitsatut aihiot (TWB) suurille osille, kuten korin sivukarmeille ja ovien sisäpaneeleille, edellyttävät suuria hitsausrobotteja. Suuresta mittakaavasta johtuen robotit eivät välttämättä pysty pitämään laserpistettä 100 mikronin sisällä hitsausliitoksesta. Saumanseurantaan tarkoitetut nopeat, laserilla toimivat kamerat, joissa on zero backlash -toimilaite, voivat vastata haasteeseen tarjoamalla tarkkaa seurantaa hitsausnopeuden ollessa jopa 15 metriä/minuutti.

Kameroiden ja ohjelmiston, jossa on takaisinheijastusta mittaava anturi, yhdistäminen mahdollistaa sekä pinnallisten että sisäisten hitsausvirheiden havaitsemisen. Tulokset lähetetään välittömästi hitsausrobottiin muiden virheellisten hitsien ehkäisemiseksi. Tämä on osa laserprosessin ohjausjärjestelmää (Laser Process Control System, LPCS).

Laserprosessin ohjausjärjestelmän takaisinheijastusanturi mittaa hitsisulan avaimenreiän alueelta tulevan lämpösäteilyn. Muutokset siinä, miten hitsiliitos ja hitsisula vaimentavat lasertehoa, kertovat hitsin sisäisistä vioista. Räätälöityjen aihioiden kohdalla havaitaan reaaliajassa viat, jotka johtuvat olosuhteista, kuten välysten vaihtelusta, aihion reunan eroista, kontaminaatiosta tai riittämättömästä laserenergiasta.

Korin laser- ja laserhybridihitsaus

Samankaltaisia visuaalisia 3D-laserjärjestelmiä voidaan käyttää korin osien laser- ja laserhybridihitsaukseen, esimerkiksi ajoneuvon katon ja rungon yhdistämiseen. Niitä käytetään myös sähköautojen akkukoteloiden (eli kehikoiden, suojakehysten) laser- ja laserhybridihitsaukseen, mukaan lukien alumiinisaumahitsaukseen ja teräspaneelihitsaukseen.

Kuva 4: Teräksisen akkukotelon laserhitsaus 3D-kamerajärjestelmän avulla. Kuva: Servo-Robot Corp.

Kuva 5: 3D-kamerat ovat havainneet 0,22 mm:n huokosreiän teräslevyjen laserhitsauksessa. Kuvat: Servo-Robot Corp.

Laserjuotettujen kattosaumojen geometrian tarkistus

Laserjuotetuissa saumoissa, esimerkiksi katoissa, voidaan myös hyödyntää kahden kameran konenäköjärjestelmiä. Ensimmäinen kamera löytää liitoksen paikantamalla sen keskiviivan. Toinen kamera mittaa hitsin geometrian ja löytää pintaviat 0,1 mm:n tarkkuudella. Juotosliitosten sisäisen eheyden tarkistaminen edellyttää takaisinheijastusanturia.

Hitsauslangan vieminen sinne missä sitä tarvitaan

Suurin syy laatuongelmiin ja tuottavuuden heikkenemiseen kaarihitsauksessa ei ole itse prosessi, vaan se yksinkertainen tosiasia, että hitsauslanka ei ole oikein hitsausliitoksessa. Yleisimpiä syitä langan virheelliseen sijoittamiseen ovat osien vaihtelu, toleranssien kertyminen kokoonpanossa ja hitsauksen lämmönsyötön aiheuttama vääristymä, jonka vaikutuksesta liitos ei ole siellä, missä robotti on ohjelmoitu liikkumaan.

Kun sauma etsitään 3D-konenäköjärjestelmällä, saadaan selville liitoksen todellinen sijainti. Sen jälkeen langan sijaintia muokataan liitoksen todellisen sijainnin mukaan, jotta saavutetaan ihanteellinen hitsauslaatu. Lisäksi, jos välystä ei voida hyväksyä, voidaan käyttää joustavaa hitsaussuunnitelmaa hyväksyttävyyden prosessi-ikkunan laajentamiseen muuttamalla hitsausvirtaa, kulkunopeutta tai levitysmallia.

Kuva 6: 3D-kamerat, joilla seurataan alustan sivukiskojen hitsausta. Kuva: Servo-Robot Corp.

Automatisoitu visuaalinen kaarihitsauksen tarkastus Teollisuus 4.0:ssä

Täysin automatisoitu, robotisoitu kaarihitsauksen tarkastus ei ole ainoastaan nopeampaa ja luotettavampaa kuin manuaalinen tarkastus – se tarjoaa myös arvokasta tietoa, joka voi täyttää Teollisuus 4.0 -vaatimukset. Sen antamien tietojen avulla voidaan ennustaa, milloin kaarihitsauksessa on tulossa ongelmia, sekä mahdollisesti ilmaista, mitä pitää parantaa: osien laatua, kiinnikkeiden toistettavuutta vai itse hitsausprosessia.

Kaarihitsauksen tarkastus on vaikeampaa kuin laserhitsien tai juotosten, koska kaarihitsauksessa kohteen koko, säännöllisyys ja pinnan tasaisuus vaihtelevat suuresti.

Siksi kaarihitsauksen tarkastuksen onnistumisen kannalta on tärkeintä käyttää vertailevaa lähestymistapaa: määrittää hitsin nimellislaatu ”kultaiselle osalle” ja verrata siihen todellisia tuotantohitsauksia ja etsiä ei-hyväksyttäviä eroja. Liialliset erot viittaavat hallitsemattomaan hitsaukseen, joka johtaa todennäköisemmin virheellisiin hitsaussaumoihin.