Zrobotyzowane spawanie aluminium
W artykule pokazujemy zrobotyzowane stanowisko do spawania aluminium z wykorzystaniem zewnętrznej osi robota. Jako przykład posłuży nam wdrożenie wykonane dla Valeo THS Skawina – zakładu, w którym produkowane są chłodnice powietrza. Spawanie prowadzone w opisany sposób pozwoliło uzyskać dobrą jakość spawów i dużą wydajność pracy.
Zbudowane w 2010 roku stanowisko służy do spawania elementów aluminiowych: połączenia blachy o grubości 1,5 mm z odlewanymi korpusami aluminiowym o ściance grubości 4–5 mm. Połączenie to, oprócz odpowiednich własności mechanicznych, musi być przede wszystkim szczelne. Dlatego do sprawdzenia poprawności jego wykonania korzysta się z helu, co umożliwia wykrycie nawet bardzo niewielkich przecieków.
Innowacyjna technologia
Spawane elementy mają kształt prostopadłościanu. Rdzeń z cienkiej blachy jest wypełniony strukturą wspomagającą wymianę ciepła. W dwie otwarte, naprzeciwległe ścianki prostopadłościanu wciskane są dwa grube korpusy. Spoina przebiega wokół czterech krawędzi łączących rdzeń z korpusem po jednej stronie i czterech krawędzi po drugiej stronie rdzenia.
PIAP, wykonawca wdrożenia, zaproponował zastosowanie współpracującego z robotem pozycjonera z dwiema stacjami roboczymi. Oba urządzenia dostarczyła firma ABB. Do wymiarów elementów spawanych dobrano odpowiedni robot – IRB1600 – oraz pozycjoner – IRBP R300. Ze względu na cienkie spawane blachy zastosowano źródło spawalnicze firmy Fronius (typ TPS3200) z nową, opatentowaną przez Fronius technologią spawania – CMT (Cold Metal Transfer).
W technologii tej, przy palniku znajdują się dodatkowe, napędzane rolki podające drut. Rolki te powodują pulsacyjne wysuwanie i cofanie drutu z częstotliwością około 60 Hz. Takie podawanie drutu, w połączeniu z odpowiednim sterowaniem parametrami elektrycznymi spawania, powoduje odrywanie się kropli od rozgrzanego drutu i umożliwia bardzo precyzyjne umieszczanie tych kropli w wykonywanej spoinie. Dodatkowym elementem w układzie podawania drutu, odróżniającym od klasycznych urządzeń spawalniczych, jest bufor kompensujący pulsację drutu w palniku względem głównego podajnika drutu. Przy zrobotyzowanym spawaniu cienkich blach, a zwłaszcza aluminiowych, technologia CMT jest praktycznie niezastąpiona. Już sama nazwa, tłumaczona jako „Przenoszenie Zimnych Metali” wskazuje, że w procesie wytwarza się mniej ciepła niż przy użyciu tradycyjnych metod spawania MIG/MAG. Jest to niezwykle korzystne przy łączeniu blach o grubości ok. 1–2 mm.
Spawanie w ciągłym ruchu
Każda ze stacji pozycjonera, o poziomej osi obrotu, jest traktowana przez układ sterowania robota, jako tzw. oś zewnętrzna. Po odpowiednim zadeklarowaniu tych stacji, ruchy robota i stacji są skoordynowane, pozwalając w efekcie na płynne przemieszczanie spawanych elementów względem palnika spawalniczego, w trakcie wykonywania spawania.
Pozycjonery, współpracujące z robotem jako zewnętrzna oś, były stosowane już wcześniej, ale głównie do ustawiania elementów między wykonywaniem kolejnych spoin. Stanowisko wykorzystujące spawanie w trakcie obrotu elementu było jednym z pierwszych w kraju. Wykonanie jednej, ciągłej spoiny dookoła korpusu sprzyja zapewnieniu szczelności łączonych elementów ze względu na to, że każdy punkt rozpoczęcia spawu jest potencjalnym miejscem wycieku. Spawanie, w którym palnik i detale są w ciągłym ruchu względem siebie, stwarza również wiele problemów, zwłaszcza przy pokonywaniu narożników, z którymi należało sobie poradzić podczas rozruchu stanowiska. Na stacjach pozycjonera zamontowano dwa identyczne przyrządy spawalnicze, które zostały zaprojektowane i wykonane od podstaw z uwzględnieniem wymagań klienta i specyfiki produktu. Narzędzia te muszą m.in. zapewniać prawidłowe pozycjonowanie detali w czasie spawania.
Dwie innowacje
Dwie opisane wyżej, innowacyjne technologie, umożliwiły zbudowanie zrobotyzowanego stanowiska spawania i spełnienie dosyć wysokich wymagań. Konieczne były praktyczne próby. Najpierw dobrano odpowiednie materiały spawalnicze i parametry spawania, a po osiągnięciu właściwej jakości spoin przeprowadzono próby na stacjach pozycjonera, jako zewnętrznych osiach z wykorzystaniem dedykowanych przyrządów spawalniczych. Najwięcej wysiłku pochłonęło osiągnięcie właściwej jakości spoin na narożach produktu przy przejściu z jednej płaskiej ścianki na drugą. Konieczne były zmiany ustawienia kąta nachylenia palnika, zmiany odległości rozpoczynania i kończenia obrotu stacji, zmiany prędkości robota, itp. Ponieważ dla uzyskania szczelności spoiny lepszym rozwiązaniem jest spoina szeroka, zastosowano oscylacje palnika w trakcie spawania, pomimo że zwykle stosuje się ją dla bardzo grubych blach. Zastosowanie oscylacji przyniosło znaczny spadek wadliwych elementów oraz miało pozytywny wpływ na jakość spoiny i lepsze rozprowadzanie ciepła podczas spawania.
Wyniki testów praktycznych
Aby spełnić bardzo ostre wymagania klienta pod względem m.in. szczelności wyrobu gotowego, przeprowadzone zostały liczne testy uwzględniające dobór materiałów i parametrów procesu spawania. W efekcie końcowym, po kilku miesiącach prób technologicznych i wprowadzeniu wielu zmian, głównie dzięki użytkownikom stanowiska, poziom braków spadł kilkukrotnie. Przez ponad rok intensywnego użytkowania stanowiska nie odnotowano żadnej awarii, utrzymując zarazem założoną wydajność i jakość produkcji. Aktualnie na stanowisku prowadzone są prace mające na celu wdrożenie do produkcji nowych typów produktów spawanych.
Wykorzystane maszyny i urządzenia
Jako podstawowe urządzenia na stanowisku działają:
- robot IRB1600 firmy ABB,
- pozycjoner IRBP R300 firmy ABB,
- zestaw spawalniczy TPS3200 z CMT firmy Fronius,
- autonomiczny filtr i wyciąg gazów firmy Klimawent.
Całością pracy stanowiska zarządza sterownik PLC firmy Allen-Bradley z panelem operatora, za pomocą którego operator komunikuje się z urządzeniami stanowiska. W algorytmie pracy uwzględnione są różne możliwe sytuacje, takie jak: zakończenie pracy stanowiska, sprawdzanie poprawnej kolejności montażu detali przez operatora, błędy spawarki lub robota.
Stanowisko jest chronione przez system oparty na sterowniku bezpieczeństwa firmy PILZ, do którego podłączone są wszystkie urządzenia bezpieczeństwa na stanowisku: rygiel drzwi wejściowych, przyciski stopów awaryjnych, pionowe i poziome kurtyny świetlne. Stanowisko jest również otoczone szczelnym ogrodzeniem, które ochroni pracowników przed skutkami narażenia na łuk spawalniczy.
W stanowisku zastosowano również czujniki zabezpieczające przed skończeniem się drutu spawalniczego i gazu osłonowego w trakcie spawania. Indukcyjny czujnik drutu na bieżąco sprawdza obecność drutu podawanego z dużego pojemnika (tzw. Marathon Pac), a czujnik ciśnienia sprawdza poziom ciśnienia gazu w przewodzie spawarki. Oba te sygnały są sprawdzane przez PLC przed rozpoczęciem każdego cyklu spawania. W razie braku drutu, bądź zbyt niskiego ciśnienia gazu praca robota jest blokowana, a operator otrzymuje informację o przyczynie zatrzymania na wyświetlaczu swojego panelu.
Zastosowanie dużych zewnętrznych beczek z drutem zamiast rolek montowanych w podajniku spawarki pozwoliło na zwiększenie wydajności pracy stanowiska, minimalizując przestoje spowodowane wymianą materiałów eksploatacyjnych. Pomocne było też zastosowanie dwóch identycznych przyrządów spawalniczych zamontowanych na stacjach pozycjonera oraz dynamicznych podajników, grawitacyjnie dostarczających komponenty bezpośrednio do strefy pracy operatora.
Zastosowanie robota wraz z zewnętrznymi osiami, technologii spawania CMT, odpowiednich narzędzi spawalniczych, oraz przeprowadzenie szeregu prób technologicznych umożliwiło wprowadzenie do seryjnej produkcji niezwykle skomplikowanego procesu spawania cienkich blach aluminiowych. Warto dodać, że opisane wdrożenie zostało wyróżnione na targach „Expowelding 2012” w Sosnowcu.
Marcin Lubiński
Valeo THS Skawina
www.valeo.com
Marek Petz
Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa
www.piap.pl