Достижения в области сварки кузовных компонентов – уменьшение выплесков металла при точечной контактной сварке и улучшение систем трёхмерного моделирования

1. Принимаемые в настоящее время комплексные меры по уменьшению выплесков металла в процессе точечной контактной сварки.

2. Потенциал лазерных 3D-систем визуального контроля для улучшения качества сварки и пайки.

Новость №1

Уменьшение выплесков металла в процессе точечной контактной сварки посредством анализа процесса и использования интеллектуальных данных

Целью текущего исследования компании BMW MINI UK и Британского института по изучению процессов сварки TWI Ltd является уменьшение выплесков металла – связанной со значительными затратами проблемы, которая заключается в выбрасывании из зоны точечной сварки частиц расплавленного металла и их попадании на другие компоненты автомобиля. Выплески, называемые также выбросом расплавленного металла, приводят к:

• прожогу цинковых покрытий и снижению антикоррозийной защиты;
• визуальным дефектам видимых компонентов автомобиля

Выявление и восстановление повреждённых выплесками металла компонентов является трудоёмкой задачей.

Рис. 1a. Выплески при точечной контактной сварке.

Рис. 1б. Прожог и повреждение поверхности в результате выплесков металла. Изображения предоставлены компаниями TWI Ltd и BMW MINI UK.

Дополнительное снижение низкого уровня выплесков

На оксфордском заводе BMW выпускающем автомобили MINI уровень выплесков составляет всего 3,7%. Тем не менее, британское правительство, представив проект WeldZero, поставило цель добиться полного отсутствия дефектов сварки. В рамках проекта WeldZero предприятие MINI Plant Oxford и Британский институт по изучению процессов сварки объединили свои усилия, чтобы дополнительно снизить уровень выплесков при выполнении соединений методом точечной контактной сварки (в каждом автомобиле MINI их насчитывается 6000).

На предприятии MINI Plant Oxford используются самые современные роботы и сварочные пистолеты со встроенными и адаптивными средствами управления всеми точечными сварными швами. Эти средства исключают низкое качество, а также недостаточную прочность и размер сварных швов. Единственная проблема – выплески металла.

В ходе текущего исследования проведён анализ данных, чтобы выявить:

• случаи выплеска металла,
• основные причины их возникновения,
• шаблон данных для каждой основной причины,

а также чтобы проинформировать инженеров-технологов о необходимых мерах.

Общие меры по устранению брызг металла при сварке

• Уменьшение давления воздуха в сварочном пистолете, которое было преднамеренно увеличено из-за ошибочного предположения, что повысить давление необходимо из-за расстояния между источником воздуха и сварочным пистолетом. Понизив давление, можно уравнять подачу воздуха на все сварочные пистолеты, уменьшить выплески металла и добиться 25%-ного снижения энергозатрат на эксплуатацию пневмосистемы.
• Контроль потока охлаждающей воды к сварочным пистолетам для выявления закупорок или снижения расхода. Ненадлежащая подача охлаждающей воды приводит к перегреву и чрезмерному износу электродов, что создаёт условия для возникновения брызг расплавленного металла.
• Путём изучения параметров сварки (напряжение, сила тока, сварочное усилие, измеренное сопротивление) анализируется работа роботов с наибольшим количеством выплесков.
  
  

Выявление дополнительных факторов посредством анализа данных

Затем TWI и BMW проанализировали данные систем, где сохранились выплески, что позволило выявить основные факторы их возникновения.

• Несоответствие панелей: неверная форма, пружинение и другие проблемы (смещение компонентов другими частями и т.п.).
• Зазоры: при использовании компонентов большей прочности и толщины (или при совмещении трёх – четырёх листов) зазоры между панелями могут дестабилизировать процесс сварки, что приведёт к выплескам металла.
• Расстояние электрода до кромки: из-за несоответствия панелей сварочный электрод может быть расположен слишком близко к кромке, что приводит к выходу зоны сварки за край панели со значительными выплесками.
• Неверная ориентация сварной точки: несовпадение панелей или неровная форма приводят к тому, что положение электрода отличается от идеальной ориентации в 90 градусов. В результате возможны выплески металла при сварке и разрушение электрода, что также может привести к увеличению выплесков.
• Сильно изношен рабочий конец электрода: выплески металла зависят от количества цинкового сплава на электродах.
• Плохо спроектировано водяное охлаждение сварочных пистолетов: изогнутые и заблокированные линии охлаждения ограничивают поток воды, что приводит к чрезмерному перегреву и износу электрода, в результате чего возникают выплески металла.

Определение значимости факторов, влияющих на выплески металла

Затем сотрудники TWI создали роботизированный сварочный модуль для имитации производственных процессов BMW в собственной лаборатории. Таким образом они смогли определить технологические допуски для каждого из перечисленных выше факторов, чтобы определить, насколько каждый из них влияет на возникновение выплесков.

Кроме того, с целью диагностики каждого случая они идентифицировали метки таймеров сварочного агрегата на технологических данных.

Очевидная причина: состояние рабочего конца электрода

В ходе исследования было установлено, что степень влияния каждого фактора зависит от состояния электрода. Износ рабочего конца электрода также влиял на характер выплесков.

Рисунок 2. Анализ технологических данных демонстрирует взаимосвязь износа электрода и выплеска металла при сварке. Изображение предоставлено компаниями TWI Ltd и BMW MINI UK.

Следующие этапы исследования

«Чтобы сформировать систему анализа технологических данных, способную выявить причину выплесков, необходимо разработать модель, которая сможет учитывать количество сварных швов, выполненных с использованием имеющихся электродов с момента последней заправки... В настоящее время разрабатывается средство для оперативной дистанционной идентификации сварочных агрегатов с неприемлемым уровнем выплесков и выявления их причины, что позволит эффективно устранять возникшие проблемы».

Новость №2

Потенциал лазерных 3D-систем визуального контроля для улучшения качества сварки и пайки

Неидеальные сварные швы на автомобильных компонентах с высокими требованиями в отношении безопасности (например, на корпусе аккумуляторной батареи электромобиля) могут быть причиной серьёзных санкций. Однако, из доклада компании Servo-Robot Corp. следует, что лазерные 3D-системы визуального контроля способны повысить производительность и качество процессов роботизированной лазерной и дуговой сварки, а также лазерной пайки автомобильных компонентов, в том числе деталей кузова, шасси и защитных конструкций аккумуляторных батарей электромобиля.

В мощные лазерные головки (до 30 кВт) могут быть встроены камеры со скоростью съёмки 2 кГц (2000 кадров в секунду) или выше. Камеры, помещённые в пределах 20 мм от фокального пятна лазера, могут в процессе высокоскоростной сварки отслеживать швы даже на изогнутых поверхностях, обеспечивая при этом контроль процесса в реальном времени и после сварки.

Рисунок 3. Контролируемая сварка кузовных деталей по выкройке с отслеживанием шва при помощи лазерной 3D-камеры. Изображение предоставлено компанией Servo-Robot Corp.

Большие размеры деталей и сварочных роботов являются причиной значительных отклонений

Для лазерной сварки больших кузовных деталей, таких как каркас боковины кузова и внутренние панели дверей, требуются большие сварочные роботы. Из-за больших размеров роботы могут не поддерживать расположение лазерного пятна в пределах 100 микрон от сварного соединения. Высокоскоростные лазерные камеры с функцией отслеживания шва, оснащённые приводами с нулевым люфтом, способны справиться с этой задачей и обеспечить точное отслеживание при скорости сварки до 15 метров в минуту.

Камеры, программное обеспечение и датчик обратного отражения, которые являются частью лазерной системы управления технологическим процессом, обнаруживают поверхностные и внутренние дефекты сварного соединения и немедленно отправляют данные в систему сварочного робота, чтобы предотвратить дальнейшее выполнение некачественных швов.

Датчик обратного отражения лазерной системы управления технологическим процессом измеряет тепловое излучение, исходящее от ванны расплава с формой замочной скважины. Изменения в поглощении лазерной энергии сварным швом и ванной расплава указывают на внутренние дефекты шва. При сварке кузовных деталей дефекты, вызванные изменением зазора, несоответствием кромок, загрязнением или недостаточной энергией лазера, выявляются в режиме реального времени.

Лазерная и гибридная сварка кузовных компонентов

Аналогичные трёхмерные лазерные видеосистемы могут использоваться для лазерной и гибридной сварки кузовных компонентов, например, при соединении крыши и кузова. Кроме того, они используются для лазерной и гибридной сварки корпуса (клетки, защитной рамы) аккумуляторной батареи электромобиля, включая прерывистую сварку алюминиевых компонентов и сварку стальных панелей.

Рисунок 4. Лазерная сварка стального корпуса батареи с использованием 3D-камеры. Изображение предоставлено компанией Servo-Robot Corp.

Рисунок 5. При лазерной сварке стальных листов 3D-камерами обнаружено микроотверстие размером 0,22 мм. Изображения предоставлены компанией Servo-Robot Corp.

Проверка геометрии наплавки при лазерной пайке компонентов крыши

Качество лазерных швов (например, при пайке компонентов крыши) можно повысить с помощью двухкамерных систем визуального контроля. Первая камера находит и отслеживает соединение, определяя его центральную линию. Вторая камера измеряет геометрию наплавки, обнаруживая поверхностные дефекты с разрешением 0,1 мм. Для проверки внутренней целостности паяных соединений используется датчик обратного отражения.

Сварочная проволока там, где она требуется

Главной причиной низкого качества соединений и проблем с производительностью при дуговой сварке являются не параметры сварочного процесса, а неверное расположение сварочной проволоки в соединении. Наиболее распространёнными причинами неправильного расположения проволоки являются непостоянные параметры деталей, суммирование допусков в сборке и деформации, вызванные тепловложением при сварке. Это приводит к смещению соединения от запрограммированного пути перемещения робота.

С помощью трёхмерных оптических систем можно определить фактическое расположение соединения. Это позволяет откорректировать положение проволоки и обеспечить оптимальное качество сварки. Кроме того, при наличии недопустимого зазора можно воспользоваться адаптивным режимом сварки, чтобы обеспечить приемлемое качество за счёт изменения сварочного тока, скорости или схемы перемещения.

Рисунок 6. 3D-камеры используются для отслеживания шва при сварке продольных балок шасси. Изображение предоставлено компанией Servo-Robot Corp.

Автоматизированный визуальный контроль дуговой сварки для «Промышленности 4.0»

Полностью автоматизированный контроль дуговой сварки с помощью роботизированных систем не только быстрее и надёжнее ручной проверки, но и позволяет получить ценные данные, соответствующие требованиям «Промышленности 4.0». Эти данные помогают предсказать тенденцию к возникновению дефектов при использовании дуговой сварки, а также определить необходимые меры (например, повысить качество компонентов, обеспечить воспроизводимость креплении или откорректировать процесс сварки).

Из-за несистематичности, а также значительной вариации размеров и качества поверхности контролировать дуговую сварку сложнее, чем лазерную сварку или пайку.

По этой причине наиболее успешным методом контроля дуговой сварки является сравнительный: вы устанавливаете эталонный образец с необходимым качеством сварки, затем сравниваете с ним фактические сварные соединения, выявляя неприемлемые различия. Чрезмерные различия указывают на неконтролируемую сварку, в результате которой могут возникнуть дефекты.