Framsteg inom karossvetsning – mindre svetsstänk vid punktsvetsning och förbättrade 3D-kamerasystem

1. Ett heltäckande tillvägagångssätt för att minska svetsstänk vid punktsvetsning.

2. Aktuell förmåga hos 3D-laserkamerasystem att höja kvaliteten på svetsning och hårdlödning.

Lärdom 1

Minska förekomsten av svetsstänk vid punktsvetsning med hjälp av processanalys och smarta data

Målet med en pågående studie av BMW MINI UK och TWI Ltd (The Welding Institute, UK) är att minska förekomsten av svetsstänk, ett dyrt problem som inträffar när het metall från punktsvetsen landar på en annan del av bilen. Svetsstänk, som även kallas svetssprut eller svetsloppor, leder till:

• Brända zinkbeläggningar, vilket försämrar korrosionsskyddet
• Synliga defekter på synliga bildelar

Det är mycket tidskrävande att identifiera och omarbeta delar som har skadats av svetsstänk.

Bild 1a: Svetsstänk från en punktsvets.

Bild 1b: Brännmärken och skador på en plåtyta från svetsstänk. Bilder med tillstånd av TWI Ltd och BMW MINI UK.

Minska en redan låg andel svetsstänk

BMW-koncernens MINI-fabrik i Oxford hade redan en låg andel svetsstänk på 3,7 procent. Men målet för den brittiska regeringens WeldZero-projekt är noll svetsdefekter. Med finansiering från WeldZero arbetade MINI-fabriken i Oxford och The Welding Institute systematiskt för att minska andelen svetsstänk på anläggningen ännu mer för alla de 6 000 punktsvetsar (RSW) som finns på varje MINI-modell.

MINI-fabriken i Oxford använder toppmoderna, avancerade robotar och svetspistoler, med integrerade/adaptiva kontroller för alla punktsvetsar – så de har inga problem med svetsarnas kvalitet, hållfasthet eller storlek. Det enda återstående problemet är svetsstänk.

I den pågående studien används dataanalys för att identifiera:

• Förekomst av svetsstänk
• Grundorsaker till detta
• Datamönster för varje grundorsak

Informera produktionsingenjörer om lämpliga korrigerande åtgärder.

Inledande korrigerande åtgärder för svetsstänk

• Minska svetspistolens lufttryck, som inledningsvis och avsiktligt ställts för högt i tron att övertryck skulle kompensera för skillnaderna i avstånd mellan lufttillförseln och svetspistolerna. Genom att sänka lufttrycket blev det faktiskt lättare att utjämna trycknivån för alla svetspistoler, vilket minskade andelen svetsstänk samtidigt som energikostnaderna för lufttillförseln sänktes med 25 procent.
• Övervaka kylvattenflödet till svetspistolerna för att upptäcka blockeringar eller tryckfall. Störningar i kylvattenflödet orsakade överhettning av svetselektroderna och överdrivet elektrodslitage, vilket ledde till svetsstänk.
• Analys av svetsprocessdata för svetsspänning, svetsström, svetskraft och uppmätt resistans, vilket sedan korrelerades med de svetsrobotar som hade högst förekomst av svetsstänk.
  
  

Ytterligare faktorer bakom svetsstänk som identifierats via dataanalys

Därefter utförde TWI och BMW en dataanalys av återstående fall av svetsstänk för att fastställa huvudfaktorerna:

• Plåtar som inte passar: bland annat bristfällig form på delar och återfjädring, men även problem som att delar trycks ur läge av andra delar.
• Inverkan av spalter: för mer hållfasta och tjockare komponenter – eller delar som består av tre eller fyra plåtskikt – kan spalter mellan plåtarna destabilisera svetsprocessen och leda till svetsstänk.
• Avstånd mellan elektrod och kant: plåtar som inte passar kan göra att svetselektroden hamnar för nära kanten på en plåt, vilket gör att svetszonen överskrider plåtens kant – med kraftigt svetsstänk som följd.
• Bristfällig placering av svetspunkterna: orsakas av plåtar som inte passar eller formfel och gör att elektroden inte har den perfekta 90-gradersvinkeln. Detta leder till svetsstänk, samt förslitning av elektroden vilket i sin tur kan orsaka mer svetsstänk.
• Kraftigt slitna elektrodspetsar: mängden zinklegering på elektroderna påverkar förekomsten av svetsstänk.
• Dåligt utformad vattenkylning av svetspistoler: blockeringar eller snäva böjar i kylkanalerna begränsar vattenflödet, vilket gör att elektroden överhettas och slits ut för snabbt, vilket leder till svetsstänk.

Avgöra betydelsen av varje faktor vid svetsstänk

TWI installerade sedan en robotsvetscell för att simulera BMWs produktionsprocesser i sitt eget laboratorium. De kunde då identifiera processtoleranserna för var och en av de ovannämnda faktorerna för att fastställa hur respektive faktor påverkade uppkomsten av svetsstänk.

De identifierade också signaturerna för svetsprocessdata från svetstiduren för att diagnostisera orsaken till svetsstänk i varje enskilt fall.

Den viktigaste faktorn: elektrodspetsens skick

Studien kom fram till att respektive faktors inverkan på förekomsten av svetsstänk berodde på elektrodens aktuella skick. Slitage på elektrodspetsen påverkade också svetsstänkens datasignaturer.

Bild 2: Delar av processdataanalysen som visar sambandet mellan elektrodslitage och svetsstänk. Bild med tillstånd av TWI Ltd och BMW MINI UK.

Nästa steg i den pågående studien

”För att skapa ett system för processdataanalys som kan diagnostisera orsaken till svetsstänk behövs en modell som kan ta hänsyn till antalet svetsar som gjorts med en uppsättning elektrodspetsar sedan det senaste efterarbetet... Ett verktyg håller på att utvecklas som i realtid kan identifiera svetsare med oacceptabla stänknivåer och diagnostisera orsaken till svetsstänk så att problemen kan lösas effektivt.”

Lärdom 2

Aktuell förmåga hos 3D-laserkamerasystem att höja kvaliteten på svetsning och hårdlödning

Att inte ha perfekta svetsar på bildelar med höga säkerhetskrav – som batterihöljen för elbilar – har ett högt pris. Men enligt Servo-Robot Corp. kan 3D-laserkamerasystem öka produktiviteten och höja kvaliteten vid robotlasersvetsning, laserlödning och bågsvetsning av bilkomponenter – inklusive karosser, chassin och batteriskyddshöljen för elbilar.

Kameror med en bildfrekvens på 2 kHz (2 000 bilder per sekund) eller högre kan integreras i laserhuvuden med hög effekt (upp till 30 kW). Dessa kameror – placerade inom 20 mm från laserns fokuspunkt – kan sedan spåra fogarna vid höghastighetssvetsning, även på krökta ytor, samtidigt som de möjliggör processövervakning och efterkontroll i realtid.

Bild 3: Svetsning av skräddarsydda ämnen med 3D-laserkamera för spårning och inspektion. Bild med tillstånd av Servo-Robot Corp.

Stora bildelar + stora svetsrobotar = större avvikelser från svetsfogen

Lasersvetsade skräddarsydda ämnen (TWB) för stora delar – som karossidor och dörrinnerplåtar – kräver stora svetsrobotar. På grund av sin storlek kan det hända att robotarna inte klarar av att hålla laserpunkten inom 100 mikrometer från svetsfogen. Snabba laserkameror för fogspårning med precisionsställdon kan lösa detta problem genom exakt spårning vid svetshastigheter på upp till 15 meter/minut.

Genom att kombinera kameror och programvara med en bakåtreflekterande sensor – i ett laserbaserat processtyrsystem – kan både ytliga och inre svetsdefekter detekteras, där resultaten omedelbart skickas till svetsroboten för att förhindra fler dåliga svetsar.

Det laserbaserade processtyrsystemets bakåtreflekterande sensor mäter den termiska strålningen som avges från smältan kring nyckelhålet. Förändringar i absorptionen av lasereffekten i svetsfogen och smältan tyder på inre defekter i svetsen. För skräddarsydda svetsade ämnen detekteras defekter som spaltvariation, skillnader i ämnets kant, kontaminering eller otillräcklig laserenergi i realtid.

Laser- och laserhybridsvetsning av karosser

Liknande 3D-laserkamerasystem kan användas för laser- och laserhybridsvetsning av karosskomponenter, till exempel vid sammanfogning av fordonets tak och kaross. De används också för laser- och laserhybridsvetsning av batterihöljen (även kallade burar, skyddsramar), inklusive sömpunktsvetsning av aluminium och svetsning av stålplåtar.

Bild 4: Lasersvetsning av batterilåda av stål med 3D-kamerasystem. Bild med tillstånd av Servo-Robot Corp.

Bild 5: 0,22 mm ytpor detekterad av 3D-kameror i lasersvetsad stålplåt. Bilder med tillstånd av Servo-Robot Corp.

Kontroll av svetssträngens geometri på laserlödda takfogar

Laserlödda fogar, till exempel hårdlödda skarvar för tak, kan också dra nytta av system med två kameror. Den första kameran hittar och spårar skarven och lokaliserar dess centrumlinje. Den andra kameran mäter strängens geometri och hittar ytdefekter med en upplösning på 0,1 mm. För att kontrollera den invändiga styrkan i hårdlödda fogar krävs en bakåtreflekterande sensor.

Få svetstråden på rätt plats

Den främsta orsaken till kvalitetsproblem och minskad produktivitet vid bågsvetsning är inte själva processen utan det enkla faktum att svetstråden inte är korrekt placerad i svetsfogen. De vanligaste orsakerna till felaktig trådplacering är delar med detaljvariationer, ackumulerade toleranser i en enhet och distorsion orsakad av svetsens värmetillförsel, vilket gör att fogen inte är där roboten är programmerad att förflytta sig.

Fogsökning med 3D-kamerasystem lokaliserar fogens faktiska position. Därefter anpassas trådens position till fogens verkliga position för att uppnå optimal svetskvalitet. Om det finns en oacceptabel spalt kan ett adaptivt svetsschema dessutom användas för att öka acceptansintervallet för processen genom att ändra svetsströmmen, körhastigheten eller pendlingsmönstret.

Bild 6: 3D-kameror utför fogspårning för svetsning av chassits sidobalkar. Bild med tillstånd av Servo-Robot Corp.

Automatisk visuell inspektion av bågsvets för Industry 4.0

Helautomatisk, robotiserad inspektion av bågsvetsar är inte bara snabbare och mer tillförlitlig än manuell inspektion – den ger också värdefull information som kan uppfylla kraven i Industry 4.0. Dessa data kan hjälpa till att förutsäga när en bågsvets håller på att bli defekt – och kan även indikera vad som behöver förbättras, som detaljkvalitet, fixturens repeterbarhet eller själva svetsprocessen.

Bågsvetsar är svårare att inspektera än lasersvetsar eller hårdlödning på grund av de större variationerna i bågsvetsarnas storlek, jämnhet och ytjämnhet.

Därför är den mest framgångsrika metoden för bågsvetsinspektion att använda en jämförande metod: man fastställer den nominella svetskvaliteten på en ”idealisk” del och jämför sedan de faktiska produktionssvetsarna med den och letar efter oacceptabla skillnader. Stora skillnader indikerar en svetsoperation som inte är under kontroll och därmed mer benägen att ge defekta svetsar.