Progressi nella saldatura della scocca nuda (BIW) – espulsioni RSW ridotte e sistemi di visione 3D migliorati

1. Un approccio completo e continuo alla riduzione dei tassi di espulsione dalla saldatura a punti a resistenza.

2. Le attuali capacità dei sistemi di visione laser 3D per migliorare la qualità di saldatura e brasatura.

Punto chiave n. 1

Riduzione dei tassi di espulsione della saldatura a punti a resistenza attraverso l'analisi di processo e i dati intelligenti

L'obiettivo di uno studio in corso condotto da BMW MINI UK e TWI Ltd (The WeldingInstitute, UK) è quello di ridurre l'espulsione della saldatura, un problema costoso causato dal fatto che il metallo liquido caldo proveniente dalla saldatura a punti finisce su un'altra parte dell'auto. Conosciute anche come schizzi di saldatura o espulsione di metalli liquidi, le espulsioni comportano le seguenti conseguenze:

• Bruciatura dei rivestimenti di zinco, con conseguente riduzione della protezione contro la corrosione
• Difetti visivi sulle parti visibili dell'auto

L'identificazione e la rilavorazione delle parti danneggiate dall'espulsione della saldatura richiedono molto tempo.

Figura 1a: Espulsione da una saldatura a punti a resistenza.

Figura 1b: Ustioni e danni alla superficie del pannello dovuti all'espulsione della saldatura. Immagini per gentile concessione di TWI Ltd e BMW MINI UK.

Diminuzione dei tassi di espulsione già bassi

Lo stabilimento di MINI del BMW Group a Oxford aveva già un basso tasso di espulsione del 3,7%. Tuttavia, l'obiettivo del progetto WeldZero del governo britannico è l'assenza dei difetti di saldatura. Con il finanziamento di WeldZero, lo stabilimento di MINI di Oxford e The Welding Institute hanno lavorato sistematicamente per ridurre ulteriormente il tasso di espulsione dello stabilimento per ciascuna delle 6000 saldature a punti a resistenza (RSW) presenti su ogni modello MINI.

Lo stabilimento di MINI a Oxford utilizza robot e pistole di saldatura all'avanguardia e di alto livello, con controlli integrati/adattivi per tutte le saldature a punti; quindi non presenta problemi di scarsa qualità, sottodimensionamento o saldatura a bassa resistenza. L'unico problema residuo sono gli schizzi di saldatura.

Nello studio in corso, l'analisi dei dati viene usata per identificare:

• Eventi di espulsione della saldatura
• Le loro cause principali
• Schemi di dati per ogni causa principale

Informare i tecnici di produzione delle azioni correttive appropriate.

Misure correttive iniziali per gli schizzi di saldatura

• Ridurre la pressione dell'aria della pistola di saldatura, che era originariamente e intenzionalmente "sovrapressurizzata" nell'errata convinzione che la sovrapressione avrebbe compensato le differenze nelle distanze dall'alimentazione dell'aria alla pistola di saldatura. Riducendo la pressione dell'aria, si ottiene una migliore equalizzazione della pressione per tutte le pistole di saldatura, riducendo le espulsioni di saldatura e riducendo i costi energetici dell'alimentazione d'aria del 25%.
• Monitoraggio del flusso dell'acqua di raffreddamento alle pistole di saldatura per individuare ostruzioni o cali nei livelli di flusso. Le interruzioni del flusso dell'acqua di raffreddamento hanno causato il surriscaldamento degli elettrodi di saldatura e l'eccessiva usura degli elettrodi, con conseguenti schizzi di saldatura.
• Analisi dei dati del processo di saldatura di tensione di saldatura, corrente di saldatura, forza di saldatura e resistenza misurata, che è stata poi correlata ai robot di saldatura che hanno il più alto numero di espulsioni di saldatura.
  
  

Fattori di espulsione della saldatura aggiuntivi rilevati dall'analisi dei dati

Dopodiché, TWI e BMW hanno eseguito un'analisi dei dati delle espulsioni di saldatura rimanenti per determinare i loro fattori principali:

• Disadattamento del pannello: che comprende la forma scadente del pezzo e il ritorno elastico, ma anche problemi come le parti che vengono spinte fuori posizione da altre parti.
• Effetto degli spazi vuoti: per i componenti più resistenti e spessi — o quelli con tre o quattro lamiere sovrapposte — gli spazi vuoti tra i pannelli possono destabilizzare il processo di saldatura, portando all'espulsione della saldatura.
• Distanza dal bordo dell'elettrodo: la mancata corrispondenza del pannello può far sì che l'elettrodo di saldatura sia troppo vicino al bordo di un pannello, provocando la fuoriuscita della zona di saldatura dal bordo del pannello, con conseguente espulsione pesante.
• Scarso orientamento del punto di saldatura: causato da un disadattamento del pannello o da un difetto di forma e con conseguente orientamento dell'elettrodo diverso da quello ideale di 90 gradi. Questa situazione porta all'espulsione della saldatura e al deterioramento dell'elettrodo che, a sua volta, può causare più espulsioni.
• Punte degli elettrodi molto usurate: la quantità di lega di zinco sugli elettrodi influisce sulle velocità di espulsione.
• Raffreddamento ad acqua delle pistole di saldatura progettato in modo non soddisfacente: le ostruzioni o le curve strette nei canali di raffreddamento limitano il flusso d'acqua, causando il surriscaldamento e l'usura troppo rapidi dell'elettrodo, con conseguenti espulsioni della saldatura.

Determinazione dell'importanza di ogni fattore negli schizzi di saldatura

Il TWI ha quindi creato una cella di saldatura robotizzata per simulare i processi di produzione BMW nel proprio laboratorio. Ha quindi potuto identificare le tolleranze di processo per ciascuno dei fattori sopraelencati per determinare la gravità di ciascun fattore necessario a causare un'espulsione della saldatura.

Inoltre, ha identificato le firme dei dati del processo di saldatura dai timer della saldatrice per diagnosticare la causa dell'espulsione per ciascun caso.

La "pistola fumante": la condizione della punta dell'elettrodo

Lo studio ha determinato che la sensibilità di ciascun fattore di espulsione dipendeva dalla condizione attuale dell'elettrodo. L'usura della punta dell'elettrodo ha influenzato anche le firme dei dati di espulsione.

Figura 2: Alcune analisi dei dati di processo che collegano la condizione di usura dell'elettrodo all'espulsione della saldatura. Immagine per gentile concessione di TWI Ltd e BMW MINI UK.

Passaggi successivi per lo studio in corso

"Per ottenere un sistema di analisi dei dati in linea che possa diagnosticare la causa dell'espulsione della [saldatura], dovrebbe essere sviluppato un modello che possa prendere in considerazione il numero di saldature fatte con un set di punte [di elettrodi] dall'ultima operazione di ravvivatura... Uno strumento è in fase di sviluppo per fornire, online e in tempo reale, l'identificazione dei saldatori con livelli di espulsione inaccettabili e la diagnostica della causa dell'espulsione in modo che i problemi possano essere efficacemente corretti."

Punto chiave n. 2

Capacità attuali dei sistemi di visione laser 3D per migliorare la qualità di saldatura e brasatura

La penalità per la presenza di saldature non perfette su parti automobilistiche con alti requisiti di sicurezza, come i contenitori delle batterie EV, è significativa. Tuttavia, come riferito da Servo-Robot Corp., i sistemi di visione laser 3D possono migliorare la produttività e la qualità della saldatura laser robotizzata, della brasatura laser e della saldatura ad arco per i componenti automobilistici, tra cui la scocca nuda (BIW), il telaio e le strutture protettive per le batterie dei veicoli elettrici.

Le videocamere con velocità di 2 kHz (2000 fotogrammi al secondo) o superiori possono essere integrate in teste laser ad alta potenza (fino a 30 kW). Queste videocamere, posizionate entro 20 mm dal punto di focalizzazione del laser, possono quindi tracciare le giunzioni durante la saldatura ad alta velocità, anche su forme curve, fornendo al contempo il monitoraggio del processo in tempo reale e l'ispezione post-saldatura.

Figura 3: Saldatura di pezzi grezzi saldati su misura con tracciamento e ispezione delle giunture con telecamera laser 3D. Immagine per gentile concessione di Servo-Robot Corp.

Grandi parti di automobili + grandi robot di saldatura = maggiori scostamenti dal giunto di saldatura

Gli elementi di chiusura saldati a laser (TWB) per componenti di grandi dimensioni, come telai laterali della carrozzeria e pannelli interni della portiera, richiedono grandi robot di saldatura. A causa della grande scala, i robot potrebbero non essere in grado di mantenere il punto laser entro 100 micron dal giunto di saldatura. Le telecamere ad alta velocità, a visione laser, per il tracciamento delle saldature con attuatori a gioco zero possono superare questa sfida, fornendo un tracciamento di precisione a velocità di saldatura fino a 15 metri/minuto.

Combinando telecamere e software con un sensore di riflessione posteriore, parte di un sistema di controllo dei processi laser (LPCS), è possibile rilevare difetti di saldatura sia interni che superficiali, con risultati inviati immediatamente al robot di saldatura per evitare ulteriori saldature non corrette.

Il sensore di riflessione posteriore del sistema di controllo di processo laser misura la radiazione termica emessa dall'area dell'incavo del bagno di fusione. Le modifiche all'assorbimento della potenza laser da parte del giunto di saldatura e del relativo bagno di fusione indicano difetti interni nella saldatura. Per i pezzi grezzi saldati su misura, i difetti causati da condizioni quali variazione del gap, differenze tra i bordi del pezzo grezzo, contaminazione o energia laser insufficiente vengono rilevati in tempo reale.

Saldatura a laser e ibrida al laser della scocca nuda

Sistemi di visione laser 3D simili possono essere utilizzati per la saldatura laser e ibrida a laser di componenti della scocca nuda, come nel caso della giunzione del tetto e della carrozzeria del veicolo. Vengono inoltre utilizzati per la saldatura laser e ibrida al laser di alloggiamenti per batterie di EV (ad es. gabbie, telai protettivi), compresa la saldatura di punti in alluminio e la saldatura di pannelli in acciaio.

Figura 4: Saldatura laser del vano batteria in acciaio con sistema di videocamere 3D. Immagine per gentile concessione di Servo-Robot Corp.

Figura 5: Foro da 0,22 mm rilevato da telecamere 3D nella saldatura laser di lamiere di acciaio. Immagini per gentile concessione di Servo-Robot Corp.

Controllo della geometria del cordone di saldatura delle giunzioni del tetto saldobrasate al laser

Anche le giunture saldobrasate al laser, come i giunti brasati per tetti, possono trarre vantaggio dai sistemi di visione con due videocamere. La prima videocamera individua e traccia il giunto, individuandone la linea centrale. La seconda videocamera misura la geometria del cordone, individuando difetti superficiali con una risoluzione di 0,1 mm. Il controllo della solidità interna dei giunti brasati richiede l'uso di un sensore di riflessione posteriore.

Posizionamento del filo di saldatura dove necessario

La più grande causa di problemi di qualità e di perdita di produttività nella saldatura ad arco non è il processo in sé, ma il semplice fatto che il filo di saldatura non è posizionato correttamente nel giunto di saldatura. I motivi più comuni per un errato posizionamento del filo sono la variabilità dettagliata della parte, l'impilaggio delle tolleranze in un gruppo e la distorsione causata dall'apporto di calore per saldatura che fa sì che il giunto non sia dove il robot è programmato per spostarsi.

Il rilevamento delle giunzioni con i sistemi di visione 3D individua l'effettiva posizione del giunto. La posizione del filo viene quindi modificata per adattarsi alla posizione reale del giunto e ottenere una qualità di saldatura ottimale. Inoltre, se è presente uno spazio inaccettabile, è possibile utilizzare un programma di saldatura adattivo per aprire la finestra di accettabilità del processo modificando la corrente di saldatura, la velocità di corsa o il modello di tessitura.

Figura 6: Videocamere 3D che tracciano le giunture per la saldatura dei longheroni del telaio. Immagine per gentile concessione di Servo-Robot Corp.

Ispezione visiva automatica della saldatura ad arco per il settore 4.0

L'ispezione completamente automatica della saldatura ad arco robotica non solo è più veloce e più affidabile dell'ispezione manuale, ma fornisce anche dati preziosi in grado di soddisfare i requisiti del settore 4.0. Questi dati possono aiutare a prevedere quando una saldatura ad arco tende a diventare difettosa, nonché a indicare cosa deve essere migliorato, come la qualità del pezzo, la ripetibilità dell'attrezzatura o il processo di saldatura stesso.

L'ispezione delle saldature ad arco è più difficile da eseguire rispetto alle saldature a laser o alla brasatura a causa delle maggiori variabilità nelle dimensioni, nella regolarità e nella regolarità della superficie.

Per questo motivo, l'approccio più efficace per l'ispezione delle saldature ad arco è quello di utilizzare un approccio comparativo: si stabilisce la qualità nominale della saldatura su un "pezzo d'oro" e poi si confrontano le saldature di produzione reali con essa, cercando differenze inaccettabili. Differenze eccessive indicheranno un'operazione di saldatura che non è sotto controllo e quindi è più probabile che produca saldature difettose.