Postępy w spawaniu karoserii – ograniczenie rozprysku podczas punktowego zgrzewania oporowego i ulepszone systemy wizyjne 3D

1. Kompleksowe i długofalowe podejście do obniżania współczynnika rozprysku podczas punktowego zgrzewania oporowego.

2. Aktualne możliwości laserowych systemów wizyjnych 3D w zakresie poprawy jakości spawania i lutowania.

Lekcja 1

Obniżenie współczynnika rozprysku podczas punktowego zgrzewania oporowego dzięki zastosowaniu analizy procesu i inteligentnych danych

Celem trwającego badania prowadzonego przez BMW MINI UK i TWI Ltd (The Welding Institute – Instytut Spawalnictwa, Wielka Brytania) jest zmniejszenie rozprysku, kosztownego problemu powstającego, gdy podczas zgrzewania gorący ciekły metal ze spoiny punktowej ląduje na innej części samochodu. Rozprysk ciekłego metalu z jądra zgrzeiny, nazywany również ekspulsją, prowadzi do:

• Spalenia powłoki cynkowej i obniżenia ochrony przed korozją
• Wizualnych wad widocznych części samochodowych

Identyfikacja i naprawa części uszkodzonych przez rozprysk metalu jest bardzo czasochłonna.

Ilustracja 1a: Rozprysk metalu ze spoiny punktowej.

Ilustracja 1b: Przypalenie i uszkodzenie powierzchni panelu w wyniku rozprysku ze zgrzeiny. Ilustracje dzięki uprzejmości TWI Ltd i BMW MINI UK.

Obniżanie i tak już niskiego współczynnika rozprysku

Zakład MINI Grupy BMW w Oksfordzie miał już niski współczynnik rozprysku wynoszący 3,7%. Jednak celem brytyjskiego rządowego projektu WeldZero jest całkowite wyeliminowanie defektów spawalniczych. Dzięki dofinansowaniu z WeldZero, Zakład MINI w Oksfordzie i The Welding Institute systematycznie pracowały nad dalszym obniżeniem współczynnika rozprysku dla każdej z 6000 oporowych spoin punktowych (RSW) występujących w każdym modelu MINI.

Zakład MINI w Oksfordzie wykorzystuje najnowocześniejsze, wysokiej klasy roboty i uchwyty spawalnicze ze zintegrowanymi/adaptacyjnymi elementami sterującymi dla wszystkich spoin punktowych – dzięki czemu nie ma problemów z niską jakością, niewymiarowymi lub niskowytrzymałymi spoinami. Jedyny pozostały problem to rozprysk metalu ze zgrzeiny.

W trwającym badaniu analiza danych służy do identyfikacji:

• występowania rozprysku
• jego pierwotnych przyczyn
• wzorców danych dla każdej przyczyny pierwotnej

w celu poinformowania inżynierów ds. produkcji o odpowiednich działaniach zaradczych.

Wstępne środki zaradcze w przypadku występowania rozprysku metalu ze zgrzeiny

• Zmniejszenie ciśnienia powietrza uchwytu spawalniczego, które pierwotnie zostało celowo ustawione na nadmierne ciśnienie w błędnym przekonaniu, że nadciśnienie zrekompensuje różnice w odległościach od doprowadzenia powietrza do uchwytu spawalniczego. Okazuje się, że obniżenie ciśnienia powietrza pozwala lepiej wyrównać ciśnienie dla wszystkich uchwytów spawalniczych, zmniejszając rozprysk metalu przy jednoczesnym obniżeniu kosztów zasilania powietrzem o 25%.
• Monitorowanie przepływu wody chłodzącej do uchwytów spawalniczych w celu wykrycia blokad i spadków poziomu przepływu. Zakłócenia w przepływie wody chłodzącej powodują przegrzewanie elektrod spawalniczych i ich nadmierne zużycie – co prowadzi do rozprysku metalu podczas zgrzewania.
• Analiza danych procesu spawania: napięcia spawania, prądu spawania, siły spawania i mierzonej rezystancji, które następnie skorelowano z robotami spawalniczymi o największym współczynniku występowania rozprysku.
  
  

Dodatkowe czynniki wpływające na występowanie rozprysku, ustalone na podstawie analizy danych

Następnie TWI i BMW przeprowadziły analizę danych pozostałych przypadków rozprysku, aby określić wiodące czynniki:

• Niedopasowanie panelu: w tym nieodpowiedni kształt części i sprężynowanie, ale także problemy takie jak przesuwanie części w niewłaściwe miejsce przez inne części.
• Szczeliny: w przypadku elementów o większej wytrzymałości i grubości – lub w przypadku trzech lub czterech arkuszy blachy ułożonych jeden na drugim – szczeliny między panelami mogą destabilizować proces spawania, prowadząc do rozprysku.
• Odległość elektrody od krawędzi: niedopasowanie panelu może sprawić, że elektroda spawalnicza znajdzie się zbyt blisko krawędzi panelu, powodując „oderwanie się” strefy spawania od krawędzi panelu – a w konsekwencji silny rozprysk.
• Zła orientacja spoiny punktowej: spowodowana niedopasowaniem panelu lub wadą kształtu, w wyniku której orientacja elektrody jest inna niż idealna orientacja 90 stopni. Taka sytuacja prowadzi do rozprysku, a także degradacji elektrody, co z kolei może powodować dalszy rozprysk.
• Mocno zużyte końcówki elektrod: ilość stopu cynku na elektrodach wpływa na współczynnik rozprysku.
• Źle zaprojektowane chłodzenie wodne uchwytów spawalniczych: zatory lub ciasne zagięcia w kanałach chłodzących ograniczają przepływ wody, powodując przegrzewanie i zbyt szybkie zużywanie się elektrody, co prowadzi do rozprysku.

Określanie znaczenia każdego czynnika w odniesieniu do rozprysku

Następnie instytut TWI utworzył zrobotyzowane stanowisko spawalnicze do symulacji procesów produkcyjnych BMW w swoim własnym laboratorium. Umożliwiło to ustalenie tolerancji procesu dla każdego z wyżej wymienionych czynników, aby określić znaczenie każdego czynnika powodującego rozprysk.

Zidentyfikowano również sygnatury danych procesu spawania na podstawie zegarów robotów spawalniczych, aby zdiagnozować przyczynę rozprysku w każdym przypadku.

Winowajca: stan końcówki elektrody

W badaniu ustalono, że wpływ każdego czynnika rozprysku zależał od aktualnego stanu elektrody. Zużycie końcówki elektrody wpływało również na sygnatury danych rozprysku.

Ilustracja 2: Związek pomiędzy stanem zużycia elektrody z rozpryskiem podczas spawania na podstawie analizy danych procesowych Ilustracja dzięki uprzejmości TWI Ltd i BMW MINI UK.

Kolejne kroki trwającego badania

„Aby stworzyć system analizy danych w trakcie procesu, który może zdiagnozować przyczynę rozprysku [ze zgrzeiny], należy opracować model uwzględniający liczbę spoin wykonanych za pomocą zestawu końcówek [elektrod] od czasu ostatniego ostrzenia końcówek… Trwają prace nad opracowaniem narzędzia umożliwiającego identyfikację online w czasie rzeczywistym robotów spawalniczych z niedopuszczalnym poziomem rozprysku oraz diagnostykę przyczyny rozprysku w celu skutecznego rozwiązania problemów.”

Lekcja 2

Aktualne możliwości laserowych systemów wizyjnych 3D w zakresie poprawy jakości spawania i lutowania

Konsekwencje wszelkich niedoskonałości spawów części samochodowych o wysokich wymaganiach w zakresie bezpieczeństwa – jak obudowy akumulatorów pojazdów elektrycznych – są poważne. Jednak, jak donosi Servo-Robot Corp., systemy kamer wizyjnych 3D mogą poprawić wydajność i jakość zrobotyzowanego spawania laserowego, lutowania laserowego i spawania łukowego podzespołów samochodowych – w tym nadwozi, podwozi i struktur ochronnych akumulatorów pojazdów elektrycznych.

Kamery o częstotliwości 2 kHz (2000 klatek na sekundę) lub wyższej można zintegrować z głowicami laserowymi o dużej mocy (do 30 kW). Kamery te – umieszczone w odległości 20 mm od ogniskowej lasera – mogą następnie śledzić spoiny podczas szybkiego spawania, nawet na zakrzywionych kształtach, zapewniając jednocześnie monitorowanie procesu w czasie rzeczywistym i kontrolę po spawaniu.

Ilustracja 3: Spawanie wytłoczek TWB ze śledzeniem spoiny i inspekcją przy pomocy kamery laserowej 3D Ilustracja dzięki uprzejmości Servo-Robot Corp.

Duże części samochodowe + duże roboty spawalnicze = większe odchylenia spoin

Spawane laserowo wytłoczki TWB (tailor-welded blanks) do dużych części – takich jak ramy boczne nadwozia i wewnętrzne panele drzwi – wymagają dużych robotów spawalniczych. Ze względu na dużą skalę roboty mogą nie być w stanie utrzymać plamki lasera w odległości 100 mikronów od spoiny. Szybkie, laserowe kamery do śledzenia spoin z bezluzowymi siłownikami mogą sprostać temu wyzwaniu, zapewniając precyzyjne śledzenie przy prędkościach spawania do 15 metrów/minutę.

Połączenie kamer i oprogramowania z czujnikiem odbicia wstecznego – częścią systemu laserowego sterowania procesem (LPCS) – zapewnia wykrywanie zarówno powierzchniowych, jak i wewnętrznych wad spoin, a wyniki są natychmiast przesyłane do robota spawalniczego, aby zapobiec błędom podczas dalszego spawania.

Czujnik odbicia wstecznego laserowego systemu sterowania procesem mierzy promieniowanie cieplne emitowane z oczka jeziorka spawalniczego. Zmiany w absorpcji mocy lasera przez złącze spawane i jego jeziorko spawalnicze wskazują na wewnętrzne wady spoiny. W przypadku wytłoczek TWB, defekty spowodowane czynnikami takimi jak zmienna grubość szczelin, różnice krawędzi półfabrykatu, zanieczyszczenia lub niewystarczająca energia lasera, są wykrywane w czasie rzeczywistym.

Spawanie laserowe i laserowe hybrydowe

Podobne laserowe systemy wizyjne 3D można stosować do spawania laserowego i laserowego hybrydowego elementów karoserii samochodów, na przykład do łączenia dachu i nadwozia pojazdu. Są one również wykorzystywane do spawania laserowego i laserowego hybrydowego obudów akumulatorów pojazdów elektrycznych (tzw. klatek, ram ochronnych), w tym zgrzewania aluminium gęstym ściegiem punktowym i spawania paneli stalowych.

Rysunek 4: Spawanie laserowe stalowej obudowy akumulatora z wykorzystaniem systemu kamery 3D. Ilustracja dzięki uprzejmości Servo-Robot Corp.

Ilustracja 5: Otwór o średnicy 0,22 mm wykryty przez kamery 3D podczas spawania laserowego blach stalowych. Ilustracja dzięki uprzejmości Servo-Robot Corp.

Sprawdzanie geometrii ściegu spoiny lutowanych laserowo połączeń dachowych

Dwukamerowe systemy wizyjne mogą być również przydatne podczas lutowania laserowego, na przykład dachów. Pierwsza kamera znajduje i śledzi zgrzew, lokalizując jego linię środkową. Druga kamera mierzy geometrię ściegu, wyszukując wady powierzchni z rozdzielczością 0,1 mm. Sprawdzenie szczelności wewnętrznej połączeń lutowanych wymaga zastosowania czujnika odbicia wstecznego.

Drut spawalniczy zawsze tam, gdzie powinien być

Najczęstszą przyczyną problemów z jakością i utratą wydajności podczas spawania łukowego nie jest sam proces, ale prosty fakt, że drut spawalniczy nie jest prawidłowo umieszczony w spoinie. Najczęstszymi przyczynami nieprawidłowego umieszczenia drutu są zmienność obrabianej części, nagromadzenie tolerancji w zespole oraz odkształcenia spowodowane ciepłem ze spoiny, co powoduje, że złącze nie znajduje się w miejscu, do którego zgodnie z programem podróżuje robot.

Wyszukiwanie spoiny za pomocą systemów wizyjnych 3D lokalizuje rzeczywistą pozycję złącza. Następnie położenie drutu jest modyfikowane, aby dostosować je do rzeczywistego położenia złącza i uzyskać optymalną jakość spoiny. Ponadto w razie stwierdzenia niedopuszczalnej szczeliny można przy pomocy adaptacyjnego programu spawania otworzyć okno procesowe dopuszczalności poprzez zmianę prądu spawania, prędkości przesuwu lub wzoru ściegów zakosowych.

Ilustracja 6: Kamery 3D śledzące spoiny podczas spawania belek bocznych podwozia. Ilustracja dzięki uprzejmości Servo-Robot Corp.

Zautomatyzowana wizualna kontrola spoin łukowych dla Industry 4.0

W pełni zautomatyzowana, zrobotyzowana kontrola spoin łukowych jest nie tylko szybsza i bardziej niezawodna niż kontrola ręczna, ale zapewnia również cenne dane, które mogą spełnić wymagania Industry 4.0. Dane te mogą pomóc w przewidywaniu tendencji do występowania wad spoin łukowych – a także w niektórych przypadkach wskazać czynniki wymagające poprawy, takie jak jakość części, powtarzalność osprzętu lub sam proces spawania.

Kontrola spoin łukowych jest trudniejsza niż w przypadku spawania laserowego lub lutowania ze względu na większą zmienność wielkości, regularności i gładkości powierzchni spoin łukowych.

Z tego powodu najskuteczniejsze w odniesieniu do spoin łukowych jest podejście porównawcze: ustala się nominalną jakość spoiny na części wzorcowej, a następnie porównuje z nią rzeczywiste spoiny produkcyjne, szukając niedopuszczalnych różnic. Nadmierne różnice wskazują brak kontroli nad operacją spawania, a co za tym idzie, większe prawdopodobieństwo występowania wad spoin.