BIW kaynağındaki gelişmeler - RSW fışkırmasında azalma ve 3D görüntü sistemlerinde iyileştirme

1. Direnç nokta kaynağından kaynaklanan fışkırma oranlarını azaltmaya yönelik kapsamlı ve sürekli bir yaklaşım.

2. Kaynak ve lehimleme kalitesini iyileştirmek için 3D lazer görüş sistemlerinin mevcut özellikleri.

Sonuç 1

Proses analizi ve akıllı veriler sayesinde direnç noktası kaynağında fışkırma oranlarını azaltın

BMW MINI UK ve TWI Ltd ( The Welding Institute, İngiltere) tarafından yapılan ve devam eden bir çalışmanın amacı, nokta kaynaktan gelen sıcak sıvı metalin arabanın başka bir bölümüne ulaşmasından kaynaklanan pahalı bir sorun olan kaynak fışkırmasını azaltmaktır. Kaynak sıçraması veya sıvı metal ejeksiyonu olarak da bilinen fışkırmalar aşağıdakilere yol açar:

• Çinko kaplamaların yanması; korozyon korumasını azaltır
• Görünür araç parçalarında gözle görülen kusurlar

Kaynak fışkırması nedeniyle hasar gören parçaların tanımlanması ve yeniden işlenmesi çok zaman alır.

Şekil 1a: Nokta direnç kaynağından fışkırma.

Şekil 1b: Kaynak fışkırması sonucu panel yüzeyinin yanması ve hasar görmesi. Görseller, TWI Ltd ve BMW MINI UK'nin izniyle kullanılmıştır.

Düşük olan fışkırma oranlarını daha da azaltın

BMW Group'un Oxford'daki MINI fabrikası zaten %3,7'lik düşük bir fışkırma oranına sahipti. Ancak İngiliz hükümetinin WeldZero projesinin hedefi sıfır kaynak hatasıdır. WeldZero'nun finansmanıyla MINI Plant Oxford ve The Welding Institute sistematik bir şekilde çalışarak, her MINI modelinde bulunan 6000 direnç noktası kaynağının (RSW) her biri için fabrikanın fışkırma oranını daha da düşürdü.

MINI Plant Oxford, tüm nokta kaynakları için entegre/uyarlanabilir kontrollerle en son teknoloji ürünü, ileri teknolojili robotlar ve kaynak tabancaları kullanır; bu nedenle düşük kaliteli, düşük ebatlı veya düşük dayanımlı kaynaklarla ilgili hiçbir sorunu yoktur. Kalan tek sorun kaynak sıçramasıdır .

Devam eden çalışmada, veri analizi kullanılarak aşağıdakiler tanımlanmaktadır:

• Kaynak fışkırma olayları
• Temel nedenler
• Her temel neden için veri modelleri

Üretim mühendislerine uygun düzeltici eylemleri bildirmek.

Kaynak fışkırması için ilk düzeltici önlemler

• Aşırı basıncın, hava beslemesinden kaynak tabancasına olan mesafe farklılıklarını telafi edeceğine dair yanlış bir inanç nedeniyle başlangıçta kasten "aşırı basınca" ayarlanmış olan kaynak tabancasındaki hava basıncının azaltılması. Hava basıncının düşürülmesinin, tüm kaynak tabancaları için basınç oranını daha iyi dengeleyerek kaynak fışkırmasını azaltırken, hava besleme enerjisinin maliyetini de %25 oranında azalttığı ortaya çıktı.
• Akış seviyelerindeki tıkanmaları veya düşüşleri tespit etmek için kaynak tabancalarına giden soğutma suyu akışını izleme. Soğutma suyu akışındaki kesintiler, kaynak elektrotlarının aşırı ısınmasına ve aşırı elektrot aşınmasına neden olarak kaynak sıçramasına yol açar .
• Kaynak voltajı, kaynak akımı, kaynak gücü ve ölçülen direncin kaynak prosesi veri analizi yapılarak, kaynak fışkırmasının en yüksek düzeyde meydana geldiği kaynak robotları ile ilişkilendirildi.
  
  

Veri analizi ile bulunan ek kaynak fışkırma faktörleri

Ardından TWI ve BMW, kalan kaynak fışkırmalarının veri analizini yaparak başlıca faktörleri belirledi:

• Panel uyumsuzluğu: Parçada şekil bozukluğu ve geri yaylanmanın yanı sıra, diğer parçalar tarafından yerinden itilen parçalar gibi sorunları da içerir.
• Boşlukların etkisi: Daha yüksek dayanım ve daha kalın parçalar (veya üç ya da dört sac istiflemeli parçalar) ve paneller arasındaki boşluklar, kaynak işleminin dengesini bozabilir ve kaynak fışkırmasına yol açabilir.
• Elektrot kenar mesafesi: Panel uyumsuzluğu, kaynak elektrodunun bir panelin kenarına çok yakın olmasına ve kaynak bölgesinin panel kenarının "kırılmasına" ve sonuç olarak ağır fışkırmaya neden olabilir.
• Kaynak noktasının kötü yönlendirilmesi: Panel uyumsuzluğu veya şekil bozukluğundan kaynaklanır ve elektrodun 90 derecelik ideal yönünün dışında kalmasına neden olur. Bu durum, kaynak fışkırmasına ve elektrot bozunmasına yol açarak sonuçta daha fazla fışkırmaya yol açar .
• Ağır şekilde yıpranmış elektrot uçları: Elektrotların üzerindeki çinko alaşımının miktarı, fışkırma hızlarını etkiler.
• Kaynak tabancalarında su soğutmasının iyi tasarlanmamış olması: Soğutma kanallarındaki tıkanmalar veya dar kıvrımlar, su akışını sınırlayarak elektrodun aşırı ısınmasına ve çok hızlı aşınmasına neden olur ve kaynak fışkırmasına yol açar.

Kaynak sıçramasında her bir faktörün öneminin belirlenmesi

TWI daha sonra kendi laboratuvarlarında BMW üretim süreçlerini simüle etmek için bir robotik kaynak hücresi kurdu. Ardından, bir kaynak fışkırmasına neden olabilecek her faktörün önem derecesini belirlemek için, yukarıda listelenen faktörlerin her birinin proses toleranslarını belirlediler.

Ayrıca, her bir durumdaki fışkırma nedenini teşhis etmek için, kaynak makinesi zamanlayıcılarından alınan kaynak prosesi veri imzalarını da tanımladılar.

"Tüten tabanca": Elektrot ucunun durumu

Çalışmada, her fışkırma faktörünün duyarlılığının elektrodun mevcut durumuna bağlı olduğu görüldü. Elektrot ucu aşınması ayrıca fışkırmaların veri imzalarını da etkiledi.

Şekil 2: Elektrot aşınma durumunu kaynak fışkırmasına bağlayan bazı proses verisi analizleri. Görsel, TWI Ltd ve BMW MINI UK'nin izniyle kullanılmıştır.

Devam eden çalışma için sonraki adımlar

"[Kaynak] fışkırmasının nedenini teşhis edebilen bir proses içi veri analiz sistemi elde etmek için, son bileme işleminden bu yana [elektrot] uçlarıyla yapılan kaynak sayısını hesaba katabilecek bir model geliştirilmelidir...Kabul edilemez fışkırma seviyelerine sahip kaynakçıların çevrimiçi ve gerçek zamanlı olarak tespit edilmesini ve fışkırma sebebinin teşhis edilmesini sağlayarak sorunların etkili şekilde düzeltilmesini sağlamak için bir araç geliştirilmektedir."

Sonuç 2

Kaynak ve lehimleme kalitesini iyileştirmek için 3D lazer görüş sistemlerinin mevcut özellikleri

EV akü muhafazaları gibi yüksek güvenlik gereksinimleri olan otomotiv parçalarında, hatalı kaynaklar çok ciddi sonuçlara yol açabilir. Ancak Servo-Robot Corp.tarafından bildirildiği gibi, 3D lazer görüş kamera sistemleri, beyaz gövde (BIW), şasi ve EV akü koruma yapıları dahil olmak üzere, otomobil bileşenleri için robotik lazer kaynağı, lazer lehimi ve ark kaynağı verimliliğini ve kalitesini artırabilir.

2 kHz (saniyede 2000 çerçeve) veya daha yüksek oranlara sahip kameralar yüksek güçlü (30 kW'a kadar) lazer kafalarına entegre edilebilir. Lazerin odak noktasının 20 mm içine yerleştirilen bu kameralar, yüksek hızlı kaynaklama sırasında eğimli şekillerde bile dikişleri takip edebilir ve ayrıca gerçek zamanlı proses izleme ve kaynak sonrası denetim sağlar.

Şekil 3: 3D lazer kamera dikiş izleme ve denetimi ile özel kalıp kaynağı (TWB). Görüntü, Servo-Robot Corp.'un izniyle kullanılmıştır .

Büyük araç parçaları + büyük kaynak robotları = kaynak bağlantısından daha büyük sapmalar

Gövde yan çerçeveleri ve kapı iç panelleri gibi büyük parçalar için lazer kaynaklı özel kalıplar (TWB'ler) büyük kaynak robotları gerektirir. Büyük ölçekli olduğundan, robotlar lazer noktasını kaynak bağlantısının 100 mikron dahilinde tutamayabilir. Geri tepmesiz aktüatörlere sahip yüksek hızlı, lazer görüşlü, dikiş izlemeli kameralar, bu zorluğun üstesinden gelebilir ve kaynak hızlarında 15 metre/dakika'ya varan hassas takip olanağı sağlar.

Lazer Proses Kontrol Sisteminin (LPCS) bir parçası olan arka yansıma sensörlü yazılım ile kameraların kombine edilmesi, hem yüzey hem de dahili kaynak hatalarının tespit edilmesini sağlar ve sonuçlar hemen kaynak robotuna gönderilerek kötü kaynakların oluşmasını önler.

Lazer Proses Kontrol Sisteminin geri yansıma sensörü, erimiş havuz anahtar deliğinden yayılan termal radyasyonu ölçer . Lazer gücünün kaynak bağlantısı ve erimiş havuzu tarafından emiliminde oluşan değişimler, kaynakta iç hatalar olduğuna işarettir. Özel kaynaklı kalıplarda; boşluk varyasyonu, boş kenar farklılıkları, kontaminasyon veya yetersiz lazer enerjisi gibi koşulların yol açtığı hatalar gerçek zamanlı olarak tespit edilir.

BIW için lazer ve lazer-hibrit kaynaklaması

Benzer 3D lazer görüş sistemleri, araç tavanı ve gövdesinin birleştirilmesi gibi BIW parçalarının lazer ve lazer-hibrit kaynaklaması için de kullanılabilir . Ayrıca, alüminyum dikiş kaynağı ve çelik panel kaynağı da dahil olmak üzere EV akü muhafazalarının (kafesler, koruyucu çerçeveler) lazer ve lazer-hibrit kaynaklaması için de kullanılırlar.

Şekil 4: 3D kamera sistemi kullanılarak çelik akü kutusunun lazer kaynağı . Görüntü, Servo-Robot Corp.'un izniyle kullanılmıştır .

Şekil 5: Çelik sacların lazer kaynağında 3D kameralar tarafından algılanan 0,22 mm'lik pim deliği. Görseller Servo-Robot Corp'un izniyle kullanılmıştır.

Lazerle lehimlenmiş tavan dikişlerinin kaynak dikişi geometrisinin kontrol edilmesi

Tavanlar için lehimlenmiş bağlantılar gibi lazer lehimli dikişler de iki kameralı görüntü sistemlerinden faydalanabilir. İlk kamera, bağlantıyı bulup takip ederek orta çizgisini belirler. İkinci kamera, dikiş geometrisini ölçerek yüzey kusurlarını 0,1 mm'ye varan çözünürlükle tespit eder. Lehimli bağlantıların iç sağlamlığını kontrol etmek için geri yansıma sensörü kullanılması gerekir.

Kaynak telini gereken yere ulaştırma

Kalite sorunlarının ve ark kaynağındaki verimlilik kaybının en büyük nedeni, prosesin kendisi değil, kaynak telinin kaynak bağlantısında doğru bir şekilde konumlanmaması gibi basit bir durumdur. Uygunsuz kablo yerleşiminin en yaygın nedenleri, ayrıntılı parçaların değişkenliği, takımdaki toleransların birikimi, ve kaynak ısı girdisinin yol açtığı çarpılma nedeniyle birleşme yerinin robotun hareket etmeye programlandığı yerde olmamasıdır.

3D kameralı kontrol sistemleri ile dikiş bulma özelliği, bağlantının o anki gerçek konumunu belirler. Ardından, optimum kaynak kalitesini elde etmek için, kablonun konumu bağlantı noktasının gerçek konumuna uyacak şekilde değiştirilir. Ayrıca eğer kabul edilemez bir boşluk varsa, kaynak akımını, hareket hızını veya dokuma düzenini değiştirerek kabul edilebilir bir proses aralığına ulaşmak için, uyarlanabilir bir kaynak programı kullanılabilir.

Şekil 6: Şasi yan kollarının kaynaklanması için dikiş izleme işlemi yapan 3D kameralar. Görüntü, Servo-Robot Corp.'un izniyle kullanılmıştır .

Endüstri 4.0 için otomatik görsel ark kaynağı denetimi

Tam otomatik robotik ark kaynağı denetimi, manuel denetimden daha hızlı ve daha güvenilir olmasının yanı sıra, Endüstri 4.0 gerekliliklerini karşılayabilecek değerli veriler de sağlar. Bu veriler, bir ark kaynağının ne zaman hata eğiliminde olduğunu tahmin etmeye yardımcı olur ve parça kalitesi, fikstür tekrarlanabilirliği veya bizzat kaynak prosesi gibi iyileştirilmesi gereken unsurlara işaret eder.

Ark kaynağı boyutundaki büyük değişkenlikler, düzenlilik ve yüzey pürüzsüzlüğü nedeniyle, ark kaynaklarının denetimi lazer kaynaklara veya lehimlemeye kıyasla daha zordur.

Bu nedenle, ark kaynağı denetimi için en başarılı yaklaşım, karşılaştırmalı bir yaklaşım kullanmaktır: Nominal kaynak kalitesini "altın bir parça" üzerinde kurar, ardından gerçek üretim kaynaklarını bununla karşılaştırır ve kabul edilemeyecek düzeyde farklılıkların olup olmadığına bakarsınız. Aşırı farklılıklar, kontrol altında olmayan ve dolayısıyla kusurlu kaynak yapma olasılığının daha yüksek olduğu bir kaynak işlemini gösterir .