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

Wyobraź sobie, że całkowite wyeliminowanie defektów spawalniczych jest w zasięgu ręki, a roboty wyposażone są w system zwiększający precyzję śledzenia spoin i spawania, nawet przy prędkości 15 metrów na minutę. Oto dwa krótkie streszczenia prezentacji spawalniczych z Międzynarodowego Kongresu Karoserii Samochodowych IABC 2021, które mogą poprawić jakość spawania nadwozi samochodowych.

  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.

Rozprysk metalu ze spoiny punktowej

Ilustracja 1a: Rozprysk metalu ze spoiny punktowej.

Przypalenie i uszkodzenie powierzchni panelu w wyniku rozprysku ze zgrzeiny

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.

Wykres przedstawiający związek pomiędzy stanem zużycia elektrody z rozpryskiem podczas spawania na podstawie analizy danych procesowych

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.

Spawanie wytłoczek TWB ze śledzeniem spoiny i inspekcją przy pomocy kamery laserowej 3D

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.

 

Spawanie laserowe stalowej obudowy akumulatora z wykorzystaniem systemu kamery 3D

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

Otwór o średnicy 0,22 mm wykryty przez kamery 3D podczas spawania laserowego blach stalowych.

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.

Kamery 3D śledzące spoiny podczas spawania belek bocznych podwozia

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.

Powiązane dokumenty

180