Transkript

1

2

3

4

5 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce panu Ing. Jaromíru Moravcovi Ph.D. za poskytnutí cenných rad, vedení a trpělivost, díky kterým dospěla tato práce ke zdárnému konci. Dále bych chtěl poděkovat panu Smrkovskému za cenné informace a možnost zpracování diplomové práce v závodu Matador Automotive ČR, s.r.o, Liberec. V neposlední řadě děkuji své rodině za pomoc a trpělivost. Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS21122/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.

6 Analýza vzniku vad při robotickém svařování ve firmě Matador a možnosti jejich eliminace. Analysis of defects by robotic welding in the plant Matador and possibilities of their elimination. ABSTRAKT: Diplomová práce shrnuje informace o vzniku závad při robotickém svařování ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o, Liberec a navrhuje možnosti eliminace závad Klíčová slova: Robotické svařování, eliminace závad ABSTRACT: The Diploma thesis summarizes information about defects by robotic Welding in theplant Matador Automotive CR, s.r.o., Liberec and suggests possibilities of defects elimination Keywords: Robotic welding, defects elimination

7 Obsah 1 ÚVOD TEORETICKÁ ČÁST Fyzikální podstata obloukového svařování Svařování v ochranných atmosférách Způsoby přenosu kovu v oblouku Zkratový přenos kovu Přechodová oblast Bezzkratový přenos kovu Svařování impulzním proudem Nejdůležitější metalurgické reakce při MAG svařování Vliv svařovacích parametrů na geometrii svaru Svařovací parametry Robotické svařování Roboty určené pro MAG svařování Pomocná svařovací zařízení Vady svarů vyskytující se při robotickém svařování EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Popis svařence Stávající průběh výroby a zajištění kvality Vybavení automatizovaných pracovišť pilotního svařence Posouzení jakosti svařence A58, metodika řešení Analýza vzniku vad při robotickém svařování 5

8 3.5 Příčiny závad vzniklých při svařování Návrh opatření Svarová mezera Opotřebení kontaktních průvlaků Poloha a sklon hořáku Vzdálenost kontaktní špičky Čištění hořáku a průtok plynu Nastavení svářečky Transpuls Synergic Nastavení robota, délka svaru Pracoviště dováření, vizuální kontroly a oprav svarů OP Možnost negativního ovlivnění kvality vzniklé uspořádáním výroby POROVNÁVÁNÍ A VYHODNOCENÍ Ověření opatření metalografickými výbrusy Porovnání nákladů při zapálení mimo svar Porovnání nákladů na kontaktní průvlaky Vyhodnocení zbylých opatření ZÁVĚR Seznam příloh Příloha 1: Katalog opatření Analýza vzniku vad při robotickém svařování 6

9 Seznam použitých zkratek a symbolů MAG Metal Active Gas TIG Tungsten Inert Gas I proud [A] U napětí [V] L p L d D t vzdálenost kontaktní špičky, délka svarové housenky [mm] výlet drátu [mm] průměr drátu [mm] čas [s] v s rychlost svařování [m min -1 ] v d rychlost podávání drátu [m min -1 ] W šířka housenky [mm] Q v měrné vnesené teplo [J.m -1 ] η o účinnost přenosu elektrického oblouku [%] s min t B b B l B b n h n s min a U eo U a U s U k OP PSA minimální tloušťka plechu [mm] hloubka svarové lázně [mm] šířka svarové lázně [mm] délka svarové lázně [mm] šířka svaru [mm] převýšení svaru [mm] nejmenší tloušťka plechu svarového spoje [mm] velikost svaru [mm] napětí na oblouku [V] úbytek napětí v anodové oblasti [V] úbytek napětí v obloukovém sloupci [V] úbytek napětí v katodové oblasti [V] operace Peugeot Societé Anonyme Analýza vzniku vad při robotickém svařování 7

10 1 Úvod Automobilový průmysl je v posledních letech konfrontován s novou konkurenční situací na světových trzích. Nasycení tradičních trhů v USA a v západní Evropě a nárůst výkonné asijské konkurence způsobuje tvrdý konkurenční boj o přízeň každého zákazníka. Tento trend nevynechává ani dodavatelské firmy automobilového průmyslu. Zákazník požaduje individualizované a kvalitní výrobky při dobrém poměru ceny a výkonu. Pro uspokojení požadavků zákazníka a pro udržení konkurenceschopnosti se musí výrobní podnik koncentrovat na tři cíle: zvyšování kvality svých výrobků, zkrácení doby vývoje nových výrobků a snižování nákladů. [1] Tyto cíle tvoří tzv. magický trojúhelník zobrazený na obrázku 1. Obrázek vyjadřuje konkurenční vztahy mezi výše uvedenými cíli. Zlepšením jedné dimenze dojde ke zhoršení druhé nebo obou ostatních [1]. Firma Matador Automotive ČR, s.r.o. se zabývá výrobou komponentů pro automobilový průmysl. V její pobočce v Liberci jsou svařovány výztužné tyče přístrojové desky pro různé výrobce automobilů. Jedná se o svařenec, na kterém je upevněna přístrojová deska a další řídicí prvky ve vozidle. Únosnost Obr. 1 Magický trojúhelník [1] svarů na této součásti má přímý vliv na bezpečnost osob ve vozidle. Svarové spoje této součásti jsou při jízdě vozidla dynamicky namáhány, a proto musí být provedeny s odpovídající kvalitou. Při svařování vznikají vady, které mohou ovlivnit únosnost těchto svarů. Cílem této práce je navrhnout opatření k odstranění vad svarů na pracovištích robotického svařování. Zlepšením kvality svarů by zároveň nemělo dojít k nadměrnému růstu nákladů nebo výrobní doby. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 8

11 2 Teoretická část Teoretická část práce je věnována vysvětlení principu metody svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře aktivního plynu, včetně vlivu procesních parametrů na geometrii svarové lázně. Dále jsou zde popsány základní principy aplikované při automatickém svařování pomocí průmyslových robotů a také nejčastější závady, které mohou při tomto procesu vznikat. 2.1 Fyzikální podstata obloukového svařování Podstatou všech metod patřících do skupiny obloukového svařování je elektrický oblouk využitý k tavení materiálu. Jedná se o výboj v plynech a můžeme si jej představit jako plynový elektrický vodič. Elektrický proud ve sloupci elektrického oblouku je přenášen téměř výlučně elektrony, které mají 100x vyšší pohyblivost než ionty. [2] Jeho výkon, geometrický tvar a teplotu je možno měnit podle technologických požadavků. Fyzikální a metalurgické děje probíhají velmi rychle a za vysokých teplot. Pro svařování je využita disociační a ionizační energie plazmatu, která se uvolňuje v okrajových částech oblouku. Obecně je oblouk složen ze tří základních částí, které jsou viditelné na schematickém obrázku 2. Jeho uspořádání a teplota dosažená v jednotlivých jeho částech závisí na použitém druhu svařovacího proudu a na procesních parametrech. Obr. 2 Základní části elektrického oblouku [3] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 9

12 Jako je uvedeno ve vzorci (1), skládá se celkové napětí na oblouku z úbytku napětí v anodové oblasti, úbytku napětí v obloukovém sloupci a úbytku napětí v katodové oblasti. U eo = U a + U s + U k [V] (1) U eo U a U s U k celkové napětí na oblouku úbytek napětí v anodové oblasti úbytek napětí v obloukovém sloupci úbytek napětí v katodové oblasti U k Teplo vnesené do materiálu závisí u obloukových metod svařování do značné míry na způsobu regulace délky oblouku. Obecně mluvíme o statické charakteristice zdroje, která může být podle zvolené metody svařování strmá, polostrmá, nebo plochá. Při robotickém svařování je nezbytná samoregulace délky oblouku, a proto jsou používány zdroje s plochou statickou charakteristikou [4]. Charakteristika oblouku je funkcí délky oblouku, složení ochranné atmosféry, materiálu elektrody a tlaku plynu. V případě ploché charakteristiky je při svařování každá změna délky oblouku (změna velikosti napětí), reprezentována poměrně značnou změnou svařovacího proudu tak, jak je zřejmé z obrázku 3. Obr. 3 Plochá charakteristika elektrického oblouku [5] To způsobí intenzivnější, nebo naopak pomalejší odtavování tavící se elektrody, čímž je délka oblouku neustále automaticky regulována. [4,5] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 10

13 2.2 Svařování v ochranných atmosférách Svařovací metoda tavící se elektrodou v aktivním ochranném plynu je jedním ze způsobů svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách. Podle normy ČSN EN ISO 4063 je tato metoda označována trojčíslím 135. Další variantou svařování v ochranných atmosférách je metoda MIG podle ČSN EN ISO 4063 označená trojčíslím 131, která pracuje na stejném principu, ale využívá ochranné atmosféry inertních plynů, jako je např. argon, helium nebo jejich směsi. Hlavní rozdíl mezi oběma metodami je ten, že v případě metody MIG inertní plyn nereaguje s materiálem a oproti tomu u metody MAG vstupuje aktivní plyn do chemických reakcí s materiálem. Svařování v ochranných atmosférách je celosvětově nejvyužívanější způsob tavného svařování, umožňuje svařování ve všech polohách a je vhodný pro automatizované i robotizované svařování. [6, 7] Princip svařovacího procesu metodou MAG Při svařování tavící se elektrodou v ochranných atmosférách hoří elektrický oblouk v ochranném plynu mezi tavící se elektrodou a základním materiálem (viz obr. 4). Obr. 4 Princip svařování v ochranné atmosféře s odtavující se elektrodou [16] Tavící se elektroda současně slouží jako přídavný materiál. Během svařování se hořák pohybuje ve směru svařování a tavící se elektroda je pomocí kladek podávána do místa Analýza vzniku vad při robotickém svařování 11

14 svarové lázně. Ochranný plyn chrání tavící se elektrodu, elektrický oblouk i svarovou lázeň před atmosférickými vlivy, především před přístupem kyslíku, dusíku a vodíku. Při svařování metodou MAG se využívají směsné ochranné atmosféry na bázi argonu s přídavkem aktivních plynů např. CO 2 a / nebo O 2, respektive čistý CO 2. [4] Při MAG-svařování s vysokými proudy může být přimícháno i helium. Při svařování je tavící se elektroda většinou připojena ke kladnému pólu. Při tomto zapojení dochází ke stejnoměrné a klidné tvorbě kapek a profil závaru je hlubší než při opačné polaritě. Při tomto zapojení je dosažen stabilní svařovací proces s relativně konstantním odtavováním elektrody. [6,8] 2.3 Způsoby přenosu kovu v oblouku Při obloukovém svařování mohou nastat různé způsoby přenosu kovu v oblouku. Způsob přenosu kovu závisí především na velikosti svařovacího proudu a napětí, použitém ochranném plynu, ale také například na průměru tavící se elektrody. Se způsobem přenosu kovu úzce souvisí charakteristika kapek přenášeného materiálu, tzn. objem kapky, frekvence přenosu i rychlost odtavování. Od toho se odvíjejí různé druhy přenosu kovu a jejich vhodnost pro svařovací úlohy. Na obrázku 5 jsou znázorněny druhy oblouku v závislosti na proudu, respektive rychlosti podávání drátu v d a svařovacím napětí. [4] Obr. 5 Druhy oblouku [4] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 12

15 Způsob přenosu materiálu elektrickým obloukem ovlivňuje průběh metalurgických reakcí a celkovou efektivnost svařování. Má vliv na rozstřik, schopnost svařovat v polohách, tvar a kvalitu povrchu vytvořené housenky, ale i na mechanické vlastnosti svarového kovu. [2] Základní rozdělení způsobů přenosu kovu je na zkratový a bezzkratový přenos kovu. Mezi těmito oblastmi se nalézá tzv. přechodová oblast. Pro svařování metodou MAG se využívá zkratový, kapkový, sprchový a impulzní přenos kovu, případně přenos kovu rotujícím obloukem. [15] Na obrázku 6 je znázorněno rozdělení jednotlivých způsobů přenosu kovu v závislosti na efektivní hodnotě svařovacího proudu a napětí. Obr. 6 Druhy přenosu kovu v oblouku [15] Zkratový přenos kovu Při zkratovém přenosu kovu se svařovací proud pohybuje v rozmezí 60 až 180 A a napětí v rozmezí 14 až 22 V, což odpovídá výkonu odtavení přídavného materiálu mezi 1 až 3 kg h -1. Uvedené rozmezí však souvisí s použitou ochrannou atmosférou a částečně i s kombinací typu základního a přídavného materiálu. Při tomto způsobu přenosu kovu dochází k přerušování elektrického oblouku zkratem. Růstem odporu se svařovací elektroda zahřívá a vlivem elektromagnetických sil dochází ke tvorbě kapek, natavená tavící se elektroda se vlivem posuvu přiblíží ke svarové lázni a při zkratovém doteku se kapka oddělí. Použití je především pro svařování tenkých Analýza vzniku vad při robotickém svařování 13

16 plechů, kořenových vrstev tupých svarů, překlenutí širších mezer, svařování polohových svarů, svařování vysokolegovaných ocelí. [7, 6, 4] Zrychlený zkratový přenos kovu (RapidArc) Parametry pro zrychlený zkratový přenos kovu jsou u proudu v rozmezí 280 až 300 A a napětí v rozmezí 14 až 22 V [5]. Tavící se elektroda je vysokou rychlostí podávání tlačena do svarové lázně pod velkým úhlem sklonu hořáku. Při velké délce výletu drátu je elektroda dostatečně předehřívána vysokým proudem a odtavována s vysokou frekvencí zkratů. Z tohoto důvodu je i vyšší výkon odtavení materiálu, který se pohybuje od 3 do 10 kg h -1. Použití zrychleného zkratového přenosu kovu je vhodné pro vysoké rychlosti a výkony svařování, zejména pak pro tenké plechy do 1 mm, kořeny svarů a pro polohové svary. [6] Přechodová oblast Svařovací parametry se pro přechodovou oblast pohybují u proudu v rozmezí 180 až 240 A a u napětí 22 až 28 V [4]. Přechodová oblast se nalézá v pásmu mezi zkratovým a bezzkratovým přenosem kovu. Vyznačuje se tvorbou velkých kapek, které se vlivem gravitační síly uvolňují do svarové lázně. V této oblasti probíhají nepravidelné zkraty a nestabilní hoření oblouku. Z důvodů velkého povrchového napětí se výrazněji projevuje v atmosféře CO 2. Díky hrubé svarové housence a výraznému rozstřiku se tento přenos nedoporučuje. [6] Bezzkratový přenos kovu Bezzkratový přenos kovu je možné v závislosti na hodnotě svařovacího proudu dále rozdělit na kapkový a sprchový přenos kovu, moderovaný přenos kovu, případně přenos kovu rotujícím obloukem. Sprchový přenos kovu Parametry pro sprchový přenos kovu jsou u proudu v rozmezí 200 až 500 A a napětí v rozmezí 28 až 40 V. S tím souvisí i výkon odtavení, který se pohybuje mezi Analýza vzniku vad při robotickém svařování 14

17 3 až 12 kg h -1. Vysoký proud a napětí způsobují zvýšenou frekvenci oddělování kapek a snížení jejich velikosti. Přenos se vyznačuje dlouhým obloukem a vysokou proudovou hustotou. Při sprchovém přenosu vzniká hladký a čistý povrch housenky bez rozstřiků, ale i velké vnesení tepla do materiálu, protože oblouk nezhasíná. Vzhledem k velkému množství vneseného tepla se sprchový přenos kovu využívá na svařování výplňových housenek u velkých tlouštěk materiálů, zejména při svařování ve vodorovné poloze. [4, 6] Moderovaný bezzkratový přenos RAPID MELT Moderovaný bezzkratový přenos kovu se svými parametry pohybuje u napětí mezi 40 až 50 V a proud v rozmezí 450 až 750 A. Proto se tento způsob řadí mezi vysokovýkonné metody svařování. Rychlost podávání drátu u této metody se pohybuje v rozmezí od 20 do 45 m min -1. Výkon odtavení při této rychlosti podávání drátu je až 25 kg h -1. Přenos probíhá ve směsných plynech, nejčastěji ve směsi 92% Ar a 8% CO 2. Využití je pro vysoké rychlosti svařování při velké tloušťce materiálu. [6, 4] Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu Další vysokovýkonnou metodou svařování je dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu. Parametry svařovacího procesu jsou u tohoto způsobu přenosu kovu u napětí v rozmezí 35 až 65 V a u proudu v rozmezí 450 až 750 A, což odpovídá rychlosti podávání drátu v rozmezí 20 až 45 m min -1. Vysokým proudem je drát předehříván na teplotu tavení, proud taveniny se na konci drátu zužuje na tenký paprsek a je roztáčen působením elektromagnetického pole. Využití této metody je pro vysoké rychlosti svařování, umožňuje velmi dobrý závar do boků svarové plochy a vytváří hluboký a široký svar. [6, 4] Svařování impulzním proudem Pracovní oblast při svařování impulzním proudem zasahuje do zkratové i bezzkratové oblasti přenosu kovu. V praxi se při svařování impulzním přenosem kovu pracuje převážně s bezzkratovým procesem. Jedná se o pulzování elektrického proudu a přenos kovu se uskutečňuje ve frekvenci daného tvarem impulzu. Většinou se pohybuje Analýza vzniku vad při robotickém svařování 15

18 frekvence impulzů mezi 50 až 500 Hz. Ve fázi pulzu se přesune jedna nebo více kapek do svarové lázně. Pro nízký svařovací proud se používá nižší frekvence kapek. Tímto způsobem přenosu kovu je udržována konstantní velikost kapky. Impulzní přenos materiálu probíhá bez zkratů, nevytváří se rozstřik a je využitelný v ochranné atmosféře kde je alespoň 80% podíl argonu. Další předností impulzního procesu je menší náchylnost ke vzniku pórů a menší množství tepla vneseného do materiálu. Je vhodný pro svařování tenkých plechů a pro svařování v polohách. Také je vhodný pro svařování hliníku a jeho slitin, případně pro svařování vysokolegovaných ocelí. [8, 4] 2.4 Nejdůležitější metalurgické reakce při MAG svařování Nejdůležitějšími metalurgickými reakcemi jsou oxidační a dezoxidační procesy probíhající v kapkách tavící se elektrody a v roztaveném kovu svarové lázně. Tyto reakce ovlivňují tvar oblouku, vnitřní čistotu svaru, povrch svarové housenky a její přechod do svarového kovu. Zdrojem kyslíku jsou aktivní ochranné atmosféry ArO 2, ArHeO 2, CO 2, Ar + CO 2. V případě atmosfér s CO 2 se jedná o disociaci molekul CO 2 na 2CO a O 2. Vznikající kyslík způsobuje exotermickou oxidační reakci, kterou je uvolňováno teplo. Množství tepla je závislé na množství kyslíku. Toto teplo je difúzí vedeno do okolního materiálu. [9] Při svařování čistým CO 2 je výsledkem hlubší závar a oválnější tvar svarové lázně než u směsí Ar + CO 2. Nejdůležitější oxidační reakce jsou slučování O 2 s Fe, Mn a Si. Slučováním oxidu FeO s C vznikají bubliny CO, které mohou být příčinou svarových vad. Jako dezoxidační prvky se používají přídavné materiály legované s Mn, Si, a Al, které při určitém poměru vytvoří vhodnou tekutost strusky, která vyplaví vzniklé oxidy MnO, SiO 2 a Al 2 O 3 na povrch svarové lázně. [5] Vliv svařovacích parametrů na geometrii svaru Vhodnou volbou svařovacích parametrů lze zajistit stabilitu procesu, která zahrnuje stabilitu hoření oblouku, přenos kovu, rozstřik a geometrii svaru. Pomocí zdroje tepla (elektrický oblouk) se během MAG svařování natavuje základní materiál a odtavuje Analýza vzniku vad při robotickém svařování 16

19 přídavný materiál, tím se vytvoří svarová lázeň. Po ztuhnutí svarové lázně se vytvoří svar. Geometrie svaru se vztahuje k jeho průřezu. Hloubka a šířka svarové lázně se rovnají šířce a hloubce závaru hotového svaru. Další veličinou geometrie svaru je převýšení vůči základnímu materiálu. [8] Základní rozměry svarové lázně a hotového svaru jsou viditelné z obrázku 7. Obr. 7 Rozměry svaru a svarové lázně [9] Svařovací parametry Veličiny mající největší vliv na geometrii svaru jsou především svařovací proud (rychlost podávání drátu), svařovací napětí a rychlost svařování. Jsou to tak zvané základní procesní parametry. Těmito veličinami lze také podle vzorce (7) vyjádřit teplo Q v vnesené na jednotku délky svaru. Q v = η o 60U I v s (7) Q v měrné vnesené teplo [J m -1 ] η o I U účinnost přenosu elektrického oblouku svařovací proud [A] svařovací napětí [V] v s rychlost svařování [m min -1 ] Hodnota vneseného tepla ovlivňuje také velikost deformací po svaření a ovlivňuje vlastnosti materiálu a šířku tepelně ovlivněné oblasti. Mezi další parametry, které mají Analýza vzniku vad při robotickém svařování 17

20 vliv na kvalitu svarového spoje, patří proudová hustota, polarita na elektrodě, výlet drátu, vzdálenost kontaktní trysky, průměr tavící se elektrody, druh a průtokové množství ochranné atmosféry, sklon drátu vůči povrchu svařovaného materiálu, poloha svařování, geometrie svaru a další technologické parametry. [4] Proud a napětí Při MAG-svařování je velikost proudu závislá na rychlosti podávání svařovacího drátu (viz obr. 8). Svařovací proud má největší vliv na tvar svaru. S rostoucím proudem se zvětšuje rychlost odtavení a tím i velikost svarové lázně a hloubka závaru. Pokud je zachováno konstantní napětí, bude růst šířka svarové lázně se zvětšující se rychlostí posuvu drátu. Velikost svařovacího proudu ovlivňuje charakter přenosu kovu v oblouku. Při zvýšení napětí při konstantním proudu a posuvu drátu se současně redukuje hloubka závaru a přesah převýšení svaru. [2] Obr. 8 Nastavení proudu a napětí [5] Napětí na oblouku je důležité pro dosažení optimálních podmínek samoregulace délky oblouku a ustáleného pracovního bodu. Rychlost svařování Zmenší-li se svařovací rychlost (v s ) při stejném výkonu zdroje, zvětší se tepelný příkon vnesený na jednotku délky svaru a s tím se zároveň zvětší šířka svaru. S rostoucí Analýza vzniku vad při robotickém svařování 18

21 svařovací rychlostí se zmenšuje šířka svaru, roste převýšení svaru a mírně se zvětšuje hloubka závaru až do rychlosti, při které se svarové plochy stačí natavovat. Po překročení této rychlosti velikost závaru klesá. [10] Pro ruční svařování jsou používány rychlosti 0,1 až 0,4 m min -1. Při strojním svařování lze dosáhnout rychlostí překračujících 1 m min -1. [4] Průměr svařovací elektrody (drátu) Pro každý průměr drátu je určen optimální proud a napětí. Průměrem drátu a velikostí proudu může být regulována frekvence přenosu kapek kovu v materiálu. Také chemické složení drátu má vliv na způsob přenosu kovu. Nízký obsah manganu a křemíku zvyšuje frekvenci přenosu kovu. Při výběru průměru drátu lze vycházet z tloušťky a druhu svařovaného materiálu, druhu spoje, polohy svařování a typu ochranné atmosféry. Z hlediska kvality povrchu svaru je výhodnější malý průměr svařovací elektrody, protože dává větší množství malých kapek. Větší průměr drátu je ekonomicky výhodnější a svarová housenka je přesněji umisťována. Velikost kapek lze regulovat pulzním svařováním, při kterém lze dosáhnout řízené velikosti kapek. Od průřezu svařovacího drátu a velikosti proudu se také odvíjí proudová hustota. S růstem proudové hustoty při konstantním napětí roste hloubka protavení. [4] Výlet drátu a vzdálenost kontaktní špičky Změna vzdálenosti kontaktní špičky od základního materiálu při konstantním napětí vede ke změně výletu drátu. S rostoucí délkou výletu drátu roste teplota předehřevu způsobená zvětšujícím se odporem drátu. Podle toho se mění tvar svarové lázně. Na vzdálenost kontaktní špičky má vliv typ přenosu kovu a ochranný plyn. [6] Pro výlet drátu jsou doporučeny hodnoty podle vzorců (3) a (4): L d = d platí pro svařování v oxidu uhličitém, (3) L d = d platí pro svařování v plynných směsích (4) L d d výlet drátu [mm] průměr drátu [mm] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 19

22 Z provozního hlediska je však mnohem výhodnější stanovit vzdálenost kontaktní špičky od povrchu materiálu. Na obrázku 9 je schematicky znázorněn výlet drátu i vzdálenost kontaktní špičky. Doporučená vzdálenost kontaktní špičky je pro zkratový přenos kovu dána rovnicí (5) a pro bezzkratový přenos kovu rovnicí (6). L p = 10d + 1 platí pro zkratový přenos kovu (5) L p = 10d + 3 platí pro bezzkratový přenos kovu (6) Lp D vzdálenost kontaktní špičky [mm] průměr drátu [mm] Obr. 9 Vzdálenost kontaktní trysky (8) Při výletu elektrody větším než je doporučená vzdálenost dochází k většímu rozstřiku a horší ochraně tavné lázně. Klesá svařovací proud a roste odpor volného konce svařovacího drátu. Této skutečnosti se využívá, pokud je třeba zabránit nadměrnému protavení. [4] Druh a množství ochranného plynu Pro argon a směsi argonu s kyslíkem je typický úzký závar v kořenové části svaru. V případě směsi 82% Ar + 18% CO 2 je závar o něco širší. Se stoupajícím obsahem CO 2 se šířka závaru ve spodní části svaru rozšiřuje. Při vysokém podílu CO 2 nebo v případě čistého CO 2 v ochranné atmosféře vzniká hluboký a široký profil svarové housenky. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 20

23 Při stejné rychlosti posuvu drátu mají směsné plyny Ar + CO 2 skoro stejnou hloubku závaru jako čistý CO 2. Nedostatkem při svařování čistým CO 2 je značný rozstřik. [6, 9] Sklon hořáku vůči povrchu svařovaného materiálu Podélný sklon hořáku (ve směru svařování) má vliv na tvar svaru, velikost závaru, převýšení a šířku svaru. Používá se nastavení hořáku pro svařování vpřed, vzad, případně pro kolmé vertikální svařování. Obr. 10 Vliv sklonu hořáku na geometrii svarové lázně [4] Při svařování vpřed (viz obr. 10a) se působením tepla na větší plochu zmenšuje hloubka protavení a zvětšuje se šířka lázně. Znamená to větší náchylnost ke vzniku neprůvarů a pórů z důvodů nedostatečné ochrany kořene. Při svařování vzad (viz obr. 10b) dochází k hlubšímu závaru, menší šířce svaru a velkému převýšení svaru, kov je vtlačován do svarové lázně. Vertikální svařování (viz obr. 10c) pak vytváří průměrné hodnoty mezi svařováním vpřed a vzad. Dalším parametrem je posuv ve směru osy Y (vyosením hořáku vůči svaru v příčném směru). Vyosení hořáku v ose Y má velký vliv na geometrii a provedení svaru. Toto vyosení souvisí s odvodem tepla svařovaných materiálů a jeho praktický význam je znázorněn v experimentální části této práce. [4] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 21

24 Svarová mezera a její tvar Pro správné provedení kvality svaru je důležitá příprava svarových ploch a lícování svařovaných součástí. V případě automatického svařování je poloha svařovaných dílců vůči sobě zajištěna svařovacím přípravkem. Nicméně i při tomto uspořádání může dojít ke změnám svarové mezery mezi jednotlivými svařovanými komponenty. 2.5 Robotické svařování Na rozdíl od jiných oblastí je průmyslový robot v oblasti svařování přímým výkonným členem výrobního systému. Pojmem průmyslový robot rozumíme automatické manipulační zařízení, volně programovatelné a vybavené technologickou nebo úchopnou výstupní hlavicí. Svařovací roboty se používají ve skupinovém nasazení v pružných výrobních linkách nebo ve formě robotizovaných pracovišť, které jsou napojeny na dopravní a manipulační systém. Svařovací roboty mají různá konstrukční uspořádání, která se volí podle účelu jejich použití a požadované přesnosti. [7, 11] Roboty určené pro MAG svařování Z rozmanité škály kinematických struktur průmyslových robotů jako jsou kartézský, cylindrický, sférický typ nebo typ SCARA, se v moderních svařovnách v současné době nejvíce používá angulární typ robota (viz obr. 11), který je tvořen ze šesti rotačních jednotek a využívá složený souřadnicový systém. Obr. 11 Angulární typ robota [11] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 22

25 Výhodou angulárního robota je jeho pracovní prostor, který má širokou variabilitu, jeho uspořádání, které umožňuje pracovat poblíž osy Z. Je poháněn elektrickými servo-pohony a je u něj aplikováno dráhové řízení. U tohoto řízení je v každém časovém okamžiku kontrolována rychlost a poloha pohybových os tak, aby byla dosažena požadovaná pohybová trajektorie. [11] Jedná se o zpětnovazebné řízení, které je schopné reagovat na signály vnějších senzorů v reálném čase. Podíl angulárních robotů na celkovém množství vyráběných průmyslových robotů trvale roste a v současné době činí ca. 75% vyráběných robotů. U těchto robotů je přesnost umisťování výstupního členu ± 0,05 mm. [6] Řídicí systém Řídicí systém průmyslových robotů a manipulátorů je samostatný funkční blok a zajišťuje především řízení souslednosti a průběhu jednotlivých úkonů vykonávané technologické nebo manipulační operace, na základě programu, kterým je vybaven. Na obrázku 12 je schematicky znázorněn vstup programu do řídicího systému robota a blokové schéma řídicího systému svařovacího procesu. Program je sestaven z časově závislých povelů a údajů za účelem řízení manipulačního zařízení pro provedení požadovaných úkonů. Obr. 12 Schéma řídicího systému [6] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 23

26 U svařovacích robotů zajišťuje řídicí systém celý svařovací proces za účelem dosažení kvalitních svarových spojů. Tento proces se v případě MAG-svařování skládá z řízení pohybu orientovaného pracovního nástroje (hořáku) po předepsané křivce (trajektorii) předepsanou rychlostí pohybu a současné řízení technologických parametrů svařování (regulace časového průběhu svařovacího proudu, napětí na oblouku, délky oblouku, rychlost podávání drátu, průtok ochranného plynu atd.) Pomocná svařovací zařízení Pomocná svařovací zařízení jsou dělena na upínací přípravky a svařovací polohovadla. Upínací přípravky zabezpečují rozměrovou jednotnost svařenců v sériové výrobě. Zajišťují vzájemnou polohu svařovaných částí tak, aby bylo po svaření dosaženo požadovaného tvaru a rozměrů konečného svařence. Umožňují potřebnou deformaci svařovaných podsestav konečného svařence, ale zároveň zpevňují konstrukci celého svařovaného dílu a zachovávají tak předepsané výrobní tolerance. Mimo jiné zajišťují pomocí pneumatických upínek a senzorů polohy správnou vzájemnou polohu i velikost svarové mezery mezi součástmi, včetně hlídání vložení všech dílů sestavy při sériovém svařování. Provedení svařovacího přípravku ovlivňuje celý svařovací proces. Upnuté součásti ve svařovacím přípravku pro automatické svařování musí být přístupné pro svařovací hořák upevněný na robotu. Svary by měly být dostupné v preferovaných polohách pro svařování (PA, PB), aby mohly být svary provedeny v požadované kvalitě. Nedostatečná tuhost a nesprávná konstrukce svařovacích přípravků, nebo jejich opotřebení způsobuje vady svarů, jako jsou neprůvary, studené spoje, případně zápaly či nadměrná asymetrie svaru. [6] Svařovací polohovadla jsou napojena na řídicí systém robota a slouží k synchronizaci svařovacího přípravku se svařovanými součástmi s pohyby svařovacího robota v pracovním prostoru. Účelem je dostat svařenec i hořák vůči sobě do optimální svařovací polohy. Konstrukčně bývají polohovadla vybavena více upínacími plochami pro svařovací přípravky (např. otočný stůl, nebo buben). [11] Na obrázku 13 je ukázáno uspořádání výrobní buňky s bubnovým polohovadlem pro zakládání svařenců. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 24

27 Obr. 13 Bubnové polohovadlo se svařovacím přípravkem [18] 2.6 Vady svarů vyskytující se při robotickém svařování K definování vad a jejich rozdělení do příslušných stupňů jakosti je pro ruční, poloautomatické i automatické způsoby svařování využívána norma ČSN EN ISO Vady jsou dle této normy definovány jako nespojitosti ve svaru, nebo jako odchylka tvaru svaru od zamýšlené geometrie. Vady svaru lze rozdělit podle různých kritérií. Například na vady svaru způsobené vlastním procesem svařování, případně na vady zapříčiněné použitým materiálem a jeho strukturou. Toto rozdělení je schematicky znázorněno na obrázku 14. [12] Obr. 14 Vady svaru [12] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 25

28 Předložená práce se zabývá především vadami způsobenými výrobním procesem. Tyto vady lze dále rozdělit na vnější a vnitřní vady jako na níže uvedeném obrázku 15. Obr. 15 Vnější a vnitřní vady svaru [13] Vnější vady svaru jsou posuzovány vizuální kontrolou, přičemž podmínky k realizaci této kontroly jsou definovány v normě ČSN EN ISO 970. Vizuální kontrola ověřuje: shodu s normou pro přípustnost vad, např. ČSN EN ISO 5817 poškození povrchu profil svaru a velikost převýšení pravidelnost povrchu, kresbu svaru úplnost svaru: začátek svaru a konec svaru hloubku zápalů podle normy přípustnosti Kontrola vnitřních závad je nejčastěji prováděna metalografickým vyhodnocením. Jedná se o destrukční zkoušku, při které je zničen výsledný svařenec. Provádí se jen v nutných případech, nebo pro ověření kvality výrobku v daných intervalech, které jsou určeny příslušným oddělením kvality. Kromě toho existují také nedestruktivní způsoby kontroly přítomnosti vnitřních vad jako například rentgenografické a ultrazvukové vyhodnocení, zjišťování podpovrchových vad pomocí magnetické práškové metody, případně metody využívající vířivé proudy. Každá z těchto metod však má svá omezení Analýza vzniku vad při robotickém svařování 26

29 a limity. [13]. Při svařování může nastat i kumulace vad ve svaru, jak je ukázáno na níže uvedeném metalografickém výbrusu na obrázku 16. Obr. 16. Kumulace vad ve svaru [14] Použité normy Vady svaru mohou být posuzovány podle různých norem, které vycházejí z národních a mezinárodních standardů, případně z norem výrobkových. Přestože je zde snaha o mezinárodní harmonizaci norem, převzetí a akceptace výrobků je na základě požadavků definovaných obchodními smlouvami. Tam mohou být podmínky převzetí definovány na základě národních norem (ČSN, DIN), případně na základě výrobkových norem (např. VW-normy, PSA-normy atd.), nebo kombinací obojího. Pro Českou republiku je nutné zmínit normu ČSN EN ISO 5817, kde jsou závady svarových spojů přesně definovány a podle mezních hodnot závad roztříděny do příslušných stupňů jakosti. Na obrázku 17 je ukázána část tabulky dle normy ČSN EN ISO 5817 s definicemi závad a jejich mezními hodnotami povolenými pro jednotlivé stupně jakosti. Norma platí pro tloušťky plechů větší než 0,5 mm a je použitelná pro všechny typy tupých a koutových svarů zhotovených tavným svařováním (vyjma elektronového a laserového svařování). Nejvyšší stupeň kvality B odpovídá nejvyššímu požadavku na jakost zhotovených svarů. Stupeň jakosti je zpravidla definován zákazníkem a má přímou souvislost s použitím, případně způsobem zatěžování svařovaných dílů. Samozřejmě má požadavek na vyšší stupeň jakosti přímou souvislost s vyššími výrobními náklady. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 27

30 Obr. 17 Ukázka tabulky závad z normy ČSN EN ISO 5817 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 28

31 3 Experimentální část Cílem a úkolem experimentální části práce je analýza vzniku vad při robotickém svařování ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o., Liberec a nalezení možností jejich eliminace. Na základě požadavku zákazníka byla jako pilotní svařenec vybrána výztužná tyč přístrojové desky typu A58. Automobilový výrobce a přesnější specifikace vybraného produktu nebudou z důvodů utajení udávány. V následujících kapitolách bude popsán uvedený svařenec a jeho stávající průběh výroby. Dále bude popsána navržená metodika řešení s cílem nalezení způsobu eliminace závad vznikajících na tomto svařenci. Budou zde popsány zjištěné závady vznikající při automatickém svařování a jejich příčiny. Na základě zjištěných poznatků bude navržen soubor opatření a doporučení k odstranění závad. 3.1 Popis svařence Svařenec výztužné tyče přístrojové desky je umístěn v přední části vozidla. Jedná se o svařenec, na kterém je upevněna přístrojová deska a další řídicí prvky ve vozidle. Má přímý vliv na bezpečnost osob ve vozidle. Tuto součást je třeba posuzovat jako dynamicky namáhanou součást. Ke svařenci byl dodán výkres sestavy, na kterém jsou zobrazeny svary W1 až W93 včetně uvedení jejich efektivní délky. Pokud nejsou na výkrese, nebo ve zkušební normě uvedeny odchylky, je třeba efektivní délky svaru uvedené na výkrese dodržet jako minimální hodnoty délky svaru. Na výkrese ani v dodavatelsko-odběratelských smlouvách není předepsána a definována velikost svaru. Pro potřeby práce byla velikost svaru odvozena z minimální tloušťky svařovaných materiálů. Výkres celkové sestavy svařence A58, na kterém jsou uvedeny materiály podskupin je ukázán na obrázku 18. Při vlastní výrobě jsou všechny svařence označeny výrobním štítkem s čárovým kódem, na kterém je mimo jiné uveden typ součásti, číslo svařence, datum a čas jeho zhotovení. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 29

32 Obr. 18 Výkres skladby svařence [19] Materiál svařence Pro jednotlivé podskupiny svařence jsou použity následující materiály: DD13-EN10111 jedná se o za tepla válcovaný plech z nízkouhlíkové oceli vhodný pro tváření za studena a pro standardní svařovací procesy. EN E370 + Cr 2 jde o svařovanou bezešvou precizní ocelovou trubku, vhodnou pro standardní svařovací procesy. S355MC-EN jedná se o za tepla válcovaný plech vhodný pro tváření za studena a pro standardní svařovací procesy. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 30

33 3.2 Stávající průběh výroby a zajištění kvality Na zařízeních ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o. se pracuje ve dvou směnách. Kapacita pracovišť je 113 hotových svařenců za směnu. Podskupiny svařence výztužné tyče přístrojové desky se svařují na dvou automatizovaných pracovištích označených OP 10 a O P20. Tato pracoviště jsou obsluhována jedním operátorem. Poté jsou svařence transportovány do automatizovaného pracoviště OP 30, kde je celý svařenec centrální tyče dovařen. Finální operace na pracovišti OP 30 je také obsluhována jedním operátorem. Mezioperační manipulace je prováděna ručně pomocí vozíků. Uspořádání automatických pracovišť je viditelné z obrázku 19. Obr. 19 Uspořádání automatizovaných pracovišť Po těchto automatických pracovištích jsou na konci výrobního procesu v manuální operaci označené číslem 40 svářečem ručně dovařeny dva krátké svary. Tento svářeč provádí i vizuální kontrolu kvality svarů. V případě objevení nedostatků provede svářeč potřebné opravy svarů. Takt tohoto pracovníka trvá 4 minuty. Poté je součást vložena dalším operátorem do kontrolního přípravku a je kontrolována pozice otvorů, průchodnost závitů a poloha jednotlivých výztuh a dosedacích ploch. Zajištění kvality svařence: 1x denně před zahájením výroby je provedeno svaření podskupiny, kontrola svarů pracovníkem kvality a uvolnění podskupiny do výroby 1x týdně je provedena pohledová kontrola všech svarů a změření jejich délek 1x měsíčně se operativně provádí jeden metalografický výbrus 1x za tři měsíce se provádí kontrola celé tyče metalografickými výbrusy Analýza vzniku vad při robotickém svařování 31

34 3.3 Vybavení automatizovaných pracovišť pilotního svařence U automatizovaných pracovišť se jedná o uzavřené výrobní buňky (svařovací boxy) s jedním až dvěma průmyslovými roboty firmy Kuka VKR6, které jsou řízeny řídicím systémem VKRC2. Tyto roboty jsou vybaveny hořáky pro svařování metodou MAG od firmy Binzel-Abicor typ Robo WH A360 a hořáky od firmy Fronius typu RA300. Pro čištění hořáku je použito čisticí zařízení Fronius Robacta TC V buňce je umístěn otočný stůl se dvěma pozicemi, který slouží pro zakládání svařované součásti a odděluje pracovníka od robota. V některých buňkách je zakládání řešeno zakládacím přípravkem a zakládacím oknem. Na každé pozici otočného stolu je umístěno polohovadlo a svařovací přípravek s upínkami, do kterého je upínán svařenec. Svařovací přípravek s upnutým svařencem se může otáčet kolem horizontální osy, aby byl zajištěn přístup ke všem svarům (viz obr. 20). Obr. 20 Svařovací přípravek na otočném stole OP 20 Pro vybrané svary musí být z důvodu přístupnosti uvolněny upínky, které brání přístupu svařovacího hořáku. Trajektorie robota a polohy svařování jsou silně ovlivněny konstrukcí přípravku. V našem případě se jedná o 6 let používané přípravky s vysokým opotřebením dosedacích ploch a čepů. Z nákladových důvodů nelze konstrukci přípravku upravovat. Jako svařovací zařízení je použito zařízení Fronius Transpuls Synergic 4000, které je umístěno vně svařovacího boxu. Jako svařovací elektroda je pak Analýza vzniku vad při robotickém svařování 32

35 použit svařovací drát s označením OK AristoRod o průměru 1 mm, v balení Multipack obsahujícím 265 kg drátu. Jako svařovací plyn je použita ochranná atmosféra M21 ve složení 18% CO 2 a 82% Ar. 3.4 Posouzení jakosti svařence A58, metodika řešení Pro posouzení důvodu vznikajících závad svarů pilotního svařence bylo vybráno a vizuálně vyhodnoceno celkem osm různých svařenců centrální tyče A58. Všech 93 svarů na každé centrální tyči bylo vizuálně zkontrolováno a na základě vyhodnocení vizuální kontroly byly vytypované svary podrobeny metalografickému vyhodnocení. Svary pro metalografický výbrus byly vybrány podle následujících kritérií: svary vykazující pohledové vady podle ČSN EN ISO 5817, které mohou mít vliv na únosnost svaru svary z míst, kde mohou vznikat potenciální vnitřní vady, i když svary vyhověly vizuální kontrole (např. velká svarová mezera a opravované svary) ověřovací svary pro zjištění stability výroby a ověřovací svary po optimalizacích Na osmi centrálních tyčích bylo celkově metalograficky vyhodnoceno 48 svarů. Svary byly posuzovány podle požadavku výrobkové normy PSA na minimální závar do základního materiálu alespoň o velikosti 0,2 mm a zároveň podle normy ČSN EN ISO Hodnocené svary měly vyhovět alespoň stupni C dle této normy, při zachování požadavku výrobkové normy PSA na minimální závar. Minimální velikost koutového svaru a byla v hodnocených svarových spojích stanovena podle vzorce (7) na základě nejmenší tloušťky plechu. a = 0,7 s min [mm] (7) a minimální velikost svaru s min nejmenší tloušťka plechu ve svarovém spoji Je nutno uvést, že na každém vizuálně kontrolovaném svařenci se vyskytovalo 15 až 19 opravovaných svarů provedených na pracovišti č. 40. Při vizuálních kontrolách stejných svarů se vyskytovaly různé závady. Z těchto skutečností lze usuzovat na nestabilitu výrobního procesu. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 33

36 Metalografické výbrusy byly zpracovány v metalografické laboratoři na Technické univerzitě v Liberci. Pro přípravu metalografických vzorků byla použita rozbrušovací kotoučová pila DeltaAbrasiMet s vodním chlazením. Vzorky byly zality do Dentacrylu a po vytvrzení hmoty byly vybroušeny a vyleštěny na metalografické leštičce Phoenix Pro leštění bylo použito smáčedlo pro diamantové suspenze Metadifluid a diamantová suspenze se zrny o velikosti 3 µm. Na závěr byly vzorky pro zviditelnění struktury svaru naleptány 2% roztokem kyseliny dusičné v ethylalkoholu. Pro rozměrovou analýzu a vyhodnocení byly vzorky nasnímány na optickém mikroskopu Neophot 21. Z nasnímaných vzorků byl vytvořen obrazový katalog metalografických výbrusů v jednotné úpravě viz přílohu 1. V tabulce 1 je uveden přehled metalografických výbrusů, u nichž byly zjištěny vady. Minimální velikost koutového svaru a byla při vyhodnocení stanovena podle vzorce (7) a byla dodržena u všech kontrolovaných svarů. Po dohodě se zadavatelem diplomové práce nebyla nadměrná velikost svaru brána jako vada. Tab. 1 Závady svarů podle výsledků metalografických výbrusů Mezi nejzávažnější závady vyskytující se v tabulce 1 patří neprůvary a studené spoje. Tyto závady byly zjištěny u svarů W50, W65, W68 a W72. Neprůvary a studené spoje ve svarech nejsou povoleny v žádném stupni jakosti podle normy ČSN EN ISO Navíc se stávají u dynamicky zatěžovaných součástí iniciátory vzniku a růstu trhlin a při statickém zatížení významně snižují únosnost svarů. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 34

37 Studené spoje a neprůvary v tabulce 1 vznikly při automatickém svařování a ve většině případů je nelze metodou MAG (135) opravit. U svaru W72, který by vyhověl vizuální kontrole, byl na metalografickém výbrusu zjištěn neprůvar v kořeni svaru. Z toho lze usuzovat, že i když některé svary vyhovují vizuální kontrole, mohou obsahovat vnitřní vady. Na níže uvedeném obrázku 21 svaru W72 z katalogu závad je viditelný neprůvar v kořeni svaru. Obr. 21 Svar č. W72, neprůvar v kořeni svaru Další zjištěné vady jsou geometrického typu, jako je asymetrie, nerovnoměrný průřez, případně ostré přechody. Tyto vady mohou snižovat únosnost svaru a jejich maximální hodnoty jsou uvedeny v normě ČSN EN ISO Na obrázku 22 je ukázána asymetrie u svaru W23. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 35

38 Obr. 22 Svar č.w23 asymetrie svaru Dutiny a póry zmenšují průřez svaru a mohou snižovat jeho únosnost. Příklad pórů vzniklých při robotickém svařování, ale i při následné špatně provedené ruční opravě je pro svar W31 ukázán na obrázku 23. Obr. 23 Póry ve svaru W31 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 36

39 Závady délek svarů Na základě vizuálních kontrol a orientačním přeměření délek svarů bylo zjištěno, že se výjimečně vyskytly svary s kratší délkou, než je délka uvedená na výkrese sestavy. Bohužel nikde nebylo definováno, zda se u předepsaných délek jedná o celkovou, nebo efektivní délku svarové housenky. Vzhledem k rozměrům jednotlivých komponent byly předepsané délky vztahovány na celou svarovou housenku. Opravy svarů V tabulce 1 je také viditelný vysoký podíl opravovaných svarů. Opravy byly zapříčiněny závadami vzniklými při automatickém procesu svařování. Opravy jsou prováděny v manuální operaci číslo 40, která následuje po automatických operacích 10, 20, a 30. Přesto, že je mnoho svarů opravováno, bylo zjištěno, že jen malé procento oprav je provedeno tak, aby opravdu došlo k odstranění opravovaných závad. Při opravách povrchových pórů metodou MAG (135) často nedošlo k dostatečnému natavení a kovovému spojení housenek. V případě oprav neprůvarů nedošlo k jejich odstranění, jak je ukázáno například u svaru W50 na obrázku 24. Obr. 24 Opravovaný svar W50 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 37

40 3.5 Příčiny závad vzniklých při svařování Vzhledem k použitým materiálům svařence (kapitola 3.1) lze vyloučit, že výše uvedené závady jsou způsobeny svařovanými materiály. Všechny tři svařované materiály jsou z nízkouhlíkové oceli bez povrchových úprav a jsou vhodné pro běžné svařovací procesy. Na základě provedené analýzy lze také konstatovat, že zjištěné závady jsou způsobeny použitým výrobním procesem. Studené spoje a neprůvary vznikají nedokonalým tavným spojením svarového kovu se základním materiálem. Jejich hlavní příčinou mohou být nevhodně zvolené svařovací parametry na svářečce Transpuls Synergic, nesprávné vedení hořáku, velká rychlost svařování v s,, případně příliš velká svarová mezera. Na automatickém svařovacím zařízení může být tato situace způsobena: mezerou mezi plechy opotřebenými nekvalitními kontaktními průvlaky polohou a dráhou hořáku (robot) nastavením svářečky Transpuls Synergic špatnou vzdáleností kontaktní špičky, nebo výletem drátu Tvarové vady svaru vznikají špatným úhlem nastavení svařovacího hořáku, nevhodným pohybem svařovacího hořáku a nevhodnou svarovou mezerou. Na automatickém svařovacím zařízení může být tato situace způsobena: mezerou mezi plechy polohou hořáku a dráhou hořáku (robot) opotřebenými kontaktními průvlaky Dutiny a póry vznikají nedostatečnou plynovou ochranou, nebo příliš vysokým průtokem plynu. Vznik pórů může ovlivnit také směr svařování. Na automatickém svařovacím zařízení může být tato situace způsobena: špatně nastaveným průtokem plynu nedostatečným čištěním hořáku směrem svařování vpřed velkou vzdáleností hořáku (hubice) od místa svařování Analýza vzniku vad při robotickém svařování 38

41 Nedostatečná délka svaru vzniká nesprávným nastavením programované dráhy robota, nebo nedostupností, případně špatnou dostupností místa svařování. V tabulce 2 jsou k jednotlivým vadám zjištěným při vizuálním a metalografickém vyhodnocení přiřazeny možné příčiny jejich vzniku. Tab. 2 Příčiny závad v technologických zařízeních Podle tabulky 2 byly na automatických zařízeních zjištěny k výše uvedeným závadám tyto hlavní příčiny: nevhodná svarová mezera, vzájemné sestavení svařovaných dílů opotřebení kontaktních průvlaků nedostatečné čištění hořáku nesprávná vzdálenost kontaktní špičky nesprávný sklon hořáku a směr svařování nesprávné nastavení procesních parametrů nevhodné nastavení robota 3.6 Návrh opatření Pro výše uvedené příčiny závad budou v této kapitole uvedena opatření k jejich odstranění. Popis opatření se skládá z krátkého a přesnějšího popisu konkrétní příčiny, na který navazuje popis vlastního opatření. Dále zde budou uvedena doporučení pro pracoviště manuálního dováření a oprav OP 40. Na závěr bude popsána možnost negativního ovlivnění kvality vzniklého uspořádáním výroby. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 39

42 3.6.1 Svarová mezera Nevhodná svarová mezera a špatné sesazení svařovaných plechů může způsobit studené spoje, neprůvary, zápaly a ovlivňuje velikost svaru i hloubku závaru. Mezera mezi svařovanými součástmi je jeden z nejvýznamnějších geometrických parametrů pro provedení kvalitního svaru. Na obrázku 25 je ukázáno, jak se může velikost mezery projevit na výsledné geometrii a kvalitě svaru. Obr. 25 Zápal z důvodu velké mezery mezi plechy (svar W18) Opatření Pro bezproblémový svar je třeba zajistit styk svarových ploch, v ideálním případě s nulovou svarovou mezerou. Toto tvrzení platí pro malé tloušťky materiálu, nepřesahující tloušťku 2 mm. Dále je třeba provádět kontrolu vstupujících dílů na dodržení rozměrů ořezových hran a zaručit správné upínání ve svařovacím přípravku (eliminace vůlí z důvodu opotřebení). Musí být zajištěno pravidelné čištění svařovacího přípravku pro zajištění správné polohy svařovaných dílců. Podmínkou je také dostatečně tuhé upnutí dílů. Vzhledem k obtížnému zajištění výše uvedených požadavků na svarovou mezeru Analýza vzniku vad při robotickém svařování 40

43 a v rámci analýzy svařovacího procesu byl proveden experiment mající za cíl zjištění maximální akceptovatelné velikosti svarové mezery. Experiment byl realizován na trubce o průměru 50 mm s tloušťkou stěny 1,2 mm přivařené koutovým svarem k výztužné desce s tloušťkou stěny 2,5 mm. K experimentu byly použity originální sériově vyráběné komponenty, včetně používaného přípravku a pracoviště. Podstata experimentu Podskupina trubky byla pro experiment připravena frézováním pod úhlem 2,3 pro dosažení rovnoměrně se zvětšující svarové mezery v rozmezí od 0 do 2 mm tak, jak je ukázáno na obrázku 25. Svařování takto připravené trubky koutovým svarem k výztužné desce bylo provedeno v originálním svařovacím přípravku v robotové buňce operace 20. Svařování bylo realizováno dvěma svary ve směru šipek v poloze PJ podle normy ČSN EN ISO 6947 (obr. 25). Nastavené svařovací parametry: U = 19,4 V; I = 145 A; v d = 5,4 m.min -1 odpovídaly parametrům používaným v sériové výrobě. Po svaření byla trubka označena ryskami po obvodu po 30. Počátek svařování 0 byl zvolen ve shodě s obrázkem 26 a odpovídal velikosti svarové mezery 1 mm. Mezera 0 mm se nalézá v úhlu 90, mezera 2 mm v úhlu 270. Úhel 180 odpovídá konci svařování, opět v mezeře 1 mm Trubka byla svařena dvěma koutovými svary 0 až 180. První svar ve směru 0, 30 až 180 druhý svar 0, 330 až 180. Vyhodnocovaná oblast pro zjištění vlivu svarové mezery v polohách PA až PC podle ČSN EN ISO 6947 byla definována jako polovina kružnice od úhlu 270 přes 0 až do 90. Na základě druhé půlky kružnice byla analyzována oblast PC až PE. Po svaření byly svary nejprve nafoceny, poté rozřezány a metalograficky vyhodnoceny. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 41

44 Obr. 26 Princip experimentu Výsledek experimentu Pro vyhodnocení maximální akceptovatelné velikosti svarové mezery bylo u oblasti odpovídající úhlům 0 až 90 (svarová mezera od 1 mm do 0 mm) a polohám svařování PA až PC dosaženo kvalitního svaru v celém rozmezí definovaném úhlem 0 až 90, jak je zřejmé z obrázku 27. V oblasti PC až PE definované úhlem 90 až 180 byly spojeny pouze dva svary odpovídající mezeře 0 mm a 0,13 mm (90 a 120 ). Svary v mezeře 0,5 mm a 1 mm (150 a 180 ) již spojeny nebyly. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 42

45 Obr. 27 Metalografické výbrusy 0 až 120 Pro vyhodnocení maximální velikosti svarové mezery u svaru v rozmezí úhlů 0, 270 až 180 (svarová mezera od 1, 2, a 1 mm) byly dostatečně spojeny pouze svary odpovídající mezeře 1 a 1,5 mm (úhel 0 a 330 ). Svar odpovídající svarové mezeře 1,87 mm (úhel 300 ) a všechny další svary (270 až 180 ) již provařeny nebyly (viz obr. 28). Analýza vzniku vad při robotickém svařování 43

46 Obr. 28 Metalografické výbrusy 0 až 270 Z výše uvedeného je zřejmé, že při takto sestavených komponentech byla zjištěna maximální svarová mezera pro polohu PA a PB 1,5 mm. Pro doporučení maximální velikosti svarové mezery v této oblasti, byl zvolen konzervativní přístup a navržena mezera maximálně 1 mm. Pro polohu PC až PE byla zjištěna maximální svarová mezera 0,13 mm. Pro svařování v této oblasti bylo doporučeno zajištění styku svarových ploch s mezerou 0 mm. Okamžité opatření Jako okamžité opatření pro zlepšení svařitelnosti v oblasti svarové mezery lze navrhnout posunutí počátku svaru na plochu silnějšího materiálu (materiál s větším odvodem tepla) přibližně 5-6 mm před vlastní svar. Zapálení oblouku a svařování na povrchu materiálu proběhne bezproblémově a v okamžiku najetí do pozice svarové mezery již bude v příslušném místě dostatek přídavného materiálu, aby bylo možné Analýza vzniku vad při robotickém svařování 44

47 mezeru překlenout. Tímto způsobem může být dosaženo předehřevu materiálu před svařováním (jednodušší natavení) a také lepší zalití svarové mezery. Nedostatkem uvedeného opatření je prodloužení délky svaru a s tím spojená větší spotřeba materiálu (svařovacího drátu a plynu M21) a nárůst výrobní doby. Z níže uvedeného grafu 1 je zřejmá závislost ceny spotřebovaného drátu na ujeté dráze hořáku. Graf 1 Závislost ceny drátu na dráze hořáku I když se jedná o jednoduchou lineární závislost ceny spotřebovaného drátu na ujeté dráze hořáku, je třeba zohlednit všechny proměnné (v s, v d, d, ρ, s, prodloužení času výroby) tak, jak je to uděláno v tabulce 3. Tab. 3 Vícenáklady zapálením mimo svar Vzhledem k výrobnímu uspořádání (viz kapitola 3.2), kdy operace 10 a 20 vyrábějí paralelně a jimi vyrobené svařence vstupují společně do operace 30, bude nárůst Analýza vzniku vad při robotickém svařování 45

48 výrobní doby v OP 10 a OP 20 odpovídat maximu získanému součtem výrobních časů t OP10 a t OP20. Celkový nárůst výrobní doby na výrobu jedné tyče bude: t z = t OP10,20 + t OP30 [min] (9) Prodloužením délky svaru a tím i doby svařování dochází k nárůstu spotřeby ochranného plynu M21. Při kalkulaci nákladů za plyn v tabulce 3 byla použita pro všechny svary běžná cena směsného plynu M Kč (20-litrová lahev, tlak 300 barů) a průtok plynu 12 l min -1. V tomto konkrétním případě by přijetím uvedeného opatření došlo při všech třech operacích k nárůstu provozních nákladů výroby jedné centrální tyče o 0,19 Kč a celkovému navýšení výrobní doby o 4,5 minuty za směnu. To odpovídá snížení celkového počtu tyčí vyrobených za směnu ze 113 na 112. Vzhledem k eliminaci vad způsobených rozdílností geometrického sestavení a vzhledem ke snížení celkové zmetkovitosti se toto opatření jeví jako ekonomicky i kvalitativně přínosné. Porovnání nákladů je provedeno v kapitole Opotřebení kontaktních průvlaků Při opotřebení kontaktního průvlaku dochází ke zvětšení kontaktního otvoru, ve kterém dochází k převodu proudu mezi špičkou a drátem. Dochází ke zkreslení hodnot proudu a napětí, které jsou použity pro svařovací proces. Dalším důsledkem opotřebení otvoru v průvlaku je nepřesné umístění svařovacího drátu a tím nesprávná poloha housenky. V důsledku špatného kontaktu dochází ke zvyšování přechodového odporu a tím ke zvyšování teploty kontaktní špičky, až dojde k zatavení drátu ve špičce a svařovací proces musí být přerušen. Špičky jsou ve většině případů vyměňovány až po jejich zapečení v hořáku. Na obrázku 29 je ukázán vliv opotřebení kontaktního průvlaku na velikost svaru. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 46

49 Obr. 29 Vliv opotřebení kontaktního průvlaku na velikost svaru [5] V současné době jsou ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o. v hořácích Binzel a v hořácích Fronius používány levnější neznačkové průvlaky od dodavatelské firmy Profi- Weld. Nižší nákupní cena kontaktních průvlaků se však projevuje nutností častější výměny těchto průvlaků. Výměny probíhají nepravidelně během směny a tím vznikají prostoje a zpoždění výrobního taktu. Test životnosti průvlaků Fronius Vzhledem, k závažnosti vlivu opotřebení kontaktních průvlaků na kvalitu svaru byl u firmy Matador proveden test životnosti originálních kontaktních průvlaků Fronius a neznačkových v současnosti používaných průvlaků. Test proběhl v buňce se dvěma roboty. Na obou robotech byly nasazeny průvlaky stejného typu. Výměna byla prováděna při zapečení špičky nebo při závažné změně kvality vyráběných dílů vždy na obou robotech současně. Cílem testu bylo zjistit typ průvlaku, který má delší životnost a porovnat jej s nákupní cenou. Životnost byla sledována vždy v průběhu 20 směn a zjištěné výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 47

50 Tab. 4 Výsledky testu průvlaků Z tabulky je zřejmé, že použití originálních průvlaků Fronius umožní zefektivnit výrobu a zvýšit počet vyrobených kusů za směnu. Porovnání nákladů je v kapitole Průvlaky Binzel Test originálních průvlaků firmy Binzel nebyl proveden, ale jejich životnost je dle údajů dodavatele srovnatelná s průvlaky Fronius. Na obrázku 30 jsou vidět dvě možná vybavení hořáku Binzel. Masivnější kontaktní špička (viz obr. 30 pozice č. 3) má 2x větší životnost a je o třetinu kupní ceny dražší než kontaktní špička lehčího provedení (viz obr. 30 pozice č. 2). Obr. 30 Kontaktní špičky hořáku Binzel [17] Poloha a sklon hořáku Obzvláště pro svařování v polohách je důležité správné nastavení sklonu hořáku a směru svařování. Například při svařování na svislé stěně je třeba využívat polohu PF, tzn. svařovat svislý svar směrem nahoru proti směru gravitační síly. Poloha PG směrem dolů se nedoporučuje. Správný směr svařování a sklon hořáku je ukázán na obrázku 31. Pro svařování jsou však upřednostňovány polohy PA a PB, které jsou vhodnější pro správné formování svaru a také produktivita svařování v těchto polohách je vyšší. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 48

51 Obr. 31 Svařování na svislé stěně a vhodné polohy pro svařování Mezi závady způsobené polohou hořáku patří neprůvary, nedostatečné natavení a samozřejmě také asymetrie svaru. Při svařování nestejných tlouštěk materiálů, nebo při počátku svařování v ploše slabšího materiálu, může u robotického svařování dojít k nedostatečnému natavení materiálu, nebo naopak k protavení celé tloušťky a protečení kovu u slabšího materiálu. K vytvoření asymetrického svaru může dojít i v případě svařování koutových svarů nízkými hodnotami svařovacího proudu, kdy je pásnicí odváděno větší množství tepla a svar je přednostně taven do oblasti pásnice tak, jak je ukázáno na obrázku 32. Obr. 32 Vyosení hořáku [5] Analýza vzniku vad při robotickém svařování 49

52 Opatření Je třeba umístit dráhu hořáku a počátek svařování do plochy silnějšího materiálu, nebo do materiálu s větším odvodem tepla. V případě svařování materiálů a spojů se stejným odvodem tepla (např. materiály se stejnou tloušťkou) může být asymetrie zapříčiněna nesprávnou polohou hořáku (jeho vyosením) nebo měnící se mezerou mezi svařovanými materiály. V těchto případech je potřeba upravit polohu a trajektorii hořáku s ohledem na odvod tepla a vlastnosti svarového spoje Vzdálenost kontaktní špičky Nesprávná vzdálenost kontaktní špičky a velký výlet drátu způsobuje neprůvary, studené spoje a nadměrný rozstřik. Roztavený přídavný materiál je pouze nanášen na základní materiál a vzájemné metalurgické spojení může být problematické. Při automatickém svařování je třeba dodržovat nastavení správné vzdálenosti svařovací špičky pro všechny svary podle vzorců (5) a (6), uvedených v teoretické části. Z důvodu konstrukčního provedení přípravku nebylo na některých místech toto nastavení možné. V dodržení správné vzdálenosti vadily upínací skupiny svařovacích přípravků, které kolidovaly s dráhou robota. Opatření a doporučení Je třeba zkontrolovat svařovací přípravky a průběhy drah špiček svařovacích hořáků jednotlivých robotů a v místech možných kolizí zvolit nové najetí hořáku. Při příštích projektech je proto třeba zohlednit vzdálenost svařovací špičky jako jeden ze základních parametrů pro konstrukci svařovacího přípravku. Trajektorie robota a přístupnost svařovacího hořáku je jeden z nejdůležitějších parametrů při konstrukci svařovacího přípravku. Konstruktér svařovacích přípravků by měl spolupracovat se svařovacím technikem firmy a svařovací technik by měl mít možnost připomínkovat konstrukci svařovacího přípravku. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 50

53 3.6.5 Čištění hořáku a průtok plynu Nevyčištěný hořák ovlivňuje průtok plynu ochranné atmosféry. Čím větší znečištění hořáku je, tím nerovnoměrnější průtok plynu může být a proudění se lokálně může měnit na turbulentní. To má zároveň vliv na pórovitost svaru. Interval čištění hořáku je třeba určit zkouškami tak, aby se hořák nezanášel. Hořáky vybavené masivnějšími špičkami je potřeba čistit častěji než špičky užší. V případě, že namáčení do kapaliny proti přichycení rozstřiku není účinné, je třeba automatické čističky doplnit o ultrazvukové vibrování Nastavení svářečky Transpuls Synergic 4000 Během provádění výše navržených opatření je třeba optimalizovat procesní parametry nastavované na svařovacích zdrojích Transpuls Synergic Tyto parametry je vhodné odzkoušet pro různé podmínky sestavení komponent a určit tak možné rozmezí změn jednotlivých parametrů. Rychlost svařování je dána pohybem robota a tak se celková velikost svaru odvíjí od nastavených procesních parametrů, zejména od rychlosti podávání drátu. Na obrázku 33 je ukázka nastavování základních parametrů na svářečce Transpuls Synergic Obr. 33 Ukázka svařovacích parametrů Transpupls Synergic 4000 V následující tabulce 5 jsou uvedeny další příklady a příčiny možných závad, které lze ovlivnit nastavením procesních parametrů na svářečce Transpuls Synergic Analýza vzniku vad při robotickém svařování 51

54 Tab. 5 Svařovací parametry Transpuls Synergic 4000 a jejich vliv Nastavení robota, délka svaru Nastavením trajektorie hořáku v řízení robota je ovlivněna jak vzdálenost kontaktní špičky od místa svařování, tak poloha hořáku vůči svarové mezeře. V některých případech je třeba zohlednit také nerovnoměrný odvod tepla spojem tak, jak bylo ukázáno v kapitolách a Dále je zde třeba nastavit rychlost pohybu svařovacího hořáku v s, která úzce souvisí s dalšími procesními parametry a má přímý vliv na kvalitu provedení svaru. Pro dodržení správné délky svarů je nutné nastavení minimální délky svaru v robotovém řízení. Tato délka by měla odpovídat efektivní délce svaru uvedené na výkrese sestavy svařence výztužné tyče. Je však doporučeno při programování nastavit délku svaru větší o alespoň 5%, u svarů nepřesahujících délku 20 mm pak o 10%. V případě, že není možné svařit správnou délku svaru z důvodů přístupnosti hořáku, musí být zajištěno standardní ruční dováření všech těchto svarů s určením přesného pracovního postupu. Svary by měly být uvedeny v pracovní návodce a měly by být dovařeny na pracovišti, které je k tomu určeno. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 52

55 3.6.8 Pracoviště dováření, vizuální kontroly a oprav svarů OP 40 Svářeč na pracovišti OP 40 musí dodržet takt linky 4 minuty. V této době svařuje dva krátké svary, provádí vizuální kontrolu kvality svarů ve výrobních podmínkách a po této kontrole upravuje nekvalitní svary. Na pracovišti vzniká riziko nekvalitního provedení oprav z důvodu nedostatku času, což může vést ke zhoršení kvalitativního stavu a zvýšení počtu následných oprav, jak už bylo zjištěno při počáteční analýze. Opatření Po provedení opatření ve výše uvedených kapitolách by měla z automatických výrobních buněk vycházet konstantní kvalita svarových spojů. Pracovník na pracovišti operace 40 by měl svařovat jednoznačně dané svary podle své pracovní návodky. Pokud se některé svary opravují pravidelně, např. z důvodů nepřístupnosti při robotovém svařování, je třeba zavézt tyto svary do standardního výrobního postupu v operaci 40. Např. stehovat v automatické stanici a potom dovařit ručně s odpovídající kvalitou pracovníkem na pracovišti operace 40. V případě kvalitativních změn musí tento pracovník upozornit seřizovače, který zjistí příčinu závady a zajistí její odstranění v automatickém zařízení podle následujícího postupu: 1. zkontroluje hořák: kontaktní špičku, polohu na robotu, znečištění hořáku 2. zkontroluje svařovací přípravek: polohu dílů, znečištění (ostřiky) Při provádění oprav nesmějí vznikat žádné závady. Je třeba vytvořit návodku na provádění oprav, která bude striktně dodržována. Další podmínkou pro provádění oprav svarových spojů je dostatečná kvalifikace svářeče. Je třeba zohlednit, že neprůvary v kořeni svaru nelze opravit a prodloužení délky housenky svarem dlouhým pouze několik milimetrů vygeneruje v místě napojení studené spoje. Z uvedených důvodů je třeba zvážit, jaká technologie bude nasazena na provádění oprav svarů. Nyní je opravováno metodou MAG. Na uvedené opravy by bylo vhodné zvážit nasazení metody TIG. Metoda TIG umožňuje snadnější a kvalitnější napojení svarů při opravách i protavení do větších hloubek. Umožňuje opravy svarů bez vybroušení pouze přetavením svarového spoje. Pro pracoviště OP 40 je nutné vytvořit návodku na postup provádění oprav svarů a vyvěsit ji na pracovišti. Příklad takové návodky je ukázán v tabulce 6. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 53

56 Tab. 6 Opravy svarů Možnost negativního ovlivnění kvality vzniklé uspořádáním výroby Z důvodů doby taktu jsou na otočném stole v operaci 20 umístěny dva identické svařovací přípravky 20.1 a V těchto přípravcích jsou svařovány stejné svary na svařenci stejného typu a je zde tvořena geometrie svařovaných podskupin. V případě, že přípravky nejsou stejně nastaveny, vzniká nestejná tzv. dvojí geometrie a tím i dva kvalitativní stavy vystupujících svařenců. Tyto svařence pokračují do operace 30, kde se nalézá další otočný stůl se stejným uspořádáním. Zde jsou svařence zakládány do dvou identických přípravků. Tímto uspořádáním mohou vznikat 4 kvalitativní stavy svařenců (viz obr. 34). Tato situace způsobuje obtížnější odhalení závady kontrolou kvality. Část vyrobených svařenců může být v pořádku a druhá část může vykazovat vadu. Kvalitativní závada se může snadno dostat k odběrateli. Pokud dojde ke vzniku kvalitativní závady z důvodů jednoho z přípravků (např. znečištění, zvětšení vůlí atd.), bude se tato závada vyskytovat pouze na části vyrobených svařenců a tím dochází k obtížnější identifikaci závady pro opravu na pracovišti operace 40. V současné době je zakládání řízeno operátorem, který zakládá díl z přípravku 20.1 do 30.1 a analogicky z 20.2 do Operátor svařence označuje popisem podle svařovacích přípravků, ve kterých byly vyrobeny. V případě zpracování předem vyrobených svařenců z palet může dojít ke vzniku 4 kvalitativních stavů. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 54

57 Obr. 34 Uspořádání pracoviště současný stav Opatření Je třeba zavést označení svařenců v jednotlivých přípravcích pro zjištění původu svařenců nezávisle na operátorovi. Značení provádět například pomocí jednoduché raznice, která vyrazí identifikaci přípravku při zavření upínek. Tím odpadá značení operátorem a vyrobené svařence mohou být jednoznačně přiřazeny k jednotlivým přípravkům. Z výše uvedeného uspořádání vyplývá, že je potřeba v OP 20 a OP 30 na začátku směny provést kontrolu celkem čtyř svařených podskupin, aby byl prověřen kvalitativní stav svařenců pocházejících ze všech 4 svařovacích přípravků (viz zajištění kvality kap. 3.2). Opatření pro budoucí projekty Pro budoucí projekty či optimalizace je třeba zvážit způsob uspořádání znázorněný na obrázku 35. V případě tohoto uspořádání přetrvávají sice nedostatky způsobené dvojitou geometrií svařenců, výhodou je ale jednodušší kontrola kvality a nouzová strategie v případě poruchy jedné robotové buňky. Výroba není zastavena, ale pokračuje s poloviční kapacitou. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 55

58 Obr. 35 Návrh na uspořádání pracoviště Nejvhodnější uspořádání z hlediska kvality je uspořádaný a jednotný výrobní tok, jako je znázorněno na níže uvedeném obrázku 36. U tohoto uspořádání existuje pouze jeden geometrický přípravek pro zachování stejné geometrie na všech svařencích stejného typu. Obr. 36 Nejvhodnější uspořádání z hlediska kvality Analýza vzniku vad při robotickém svařování 56

59 4 Porovnávání a vyhodnocení V této kapitole je uvedeno zhodnocení jednotlivých opatření. Jsou zde porovnány metalografické výbrusy pro ověření provedených opatření u nejzávažnějších závad z tabulky 1 a údaje pozorované při zavádění opatření. Ceny materiálů a hodnoty uvedené v této části byly získány z průmyslové sféry, přesto je třeba brát je jako orientační hodnoty, protože vše závisí na aktuální nabídce a kalkulaci. 4.1 Ověření opatření metalografickými výbrusy Pro ověření funkčnosti provedených opatření byly realizovány další vizuální kontroly svařenců a na základě těchto kontrol byly po dohodě se zadavatelem vybrány svary pro metalografické výbrusy. Byla použita kritéria podle kap. 3.5 a navíc byly vybrány svary, u kterých se vyskytly nejzávažnějších problémy z tabulky 1. V níže uvedené tabulce 7 jsou uvedeny svary, které se vyskytují také v tabulce 1. U svarů W50, W65, W68, W72 se v tabulce 1 vyskytovaly studené spoje a neprůvary. Svar W 18 a W86 byl vybrán z důvodů svařování do velké mezery a u svaru W18 se navíc vyskytoval zápal. Tab.7 Tabulka závad ověřovacích metalografických výbrusů Při vizuální kontrole analyzovaného svařence nebyly nalezeny žádné viditelné závažné vady. Některé svary byly částečně asymetrické, ale tato asymetrie vyhovovala normě ČSN EN ISO 5817 u většiny svarů ve stupni B a u zbytku ve stupni C, což je u automatického způsobu svařování dostačující. Z tabulky 7 a z porovnání níže uvedených obrázků metalografických výbrusů je viditelné, že došlo k odstranění studených spojů a k výraznému zlepšení kvality svarů. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 57

60 Obr. 37 Porovnání svaru W50 Obr. 38 Porovnání svaru W65 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 58

61 Obr. 39 Porovnání svarů W68 Obr. 40 Porovnání svarů W72 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 59

62 4.2 Porovnání nákladů při zapálení mimo svar Po zkušebních testech bylo u některých svarů navrženo zapálení v ploše v určité vzdálenosti od původního počátku svaru. Tím by došlo k lepšímu zalití svarové mezery, ale částečně i ke zdražení svařence výztužné tyče a prodloužení výrobní doby jak uvedeno v kapitole Tab. 8 Přehled zvýšení nákladů při zapálení mimo svar Podle tabulky 8 dojde zvýšenou spotřebou materiálu (svařovací drát + ochranný plyn) ke zdražení tyče o 0,19 Kč. Tím dojde k navýšení celkových nákladů za materiál za směnu (113 kusů) o 21,47 Kč. Při porovnání s náklady na provedení oprav to znamená následující: Cena svářeče, který provádí opravy = Kč/rok Pracovním fond = 250 dní/rok Cena práce svářeče = 3,30 Kč/min Tyto opravy byly prováděny převážně svářečem v OP 40. Při předpokládaném poklesu objemu oprav po zavedení opatření o 80 minut za směnu můžeme vypočítat úsporu: Úspora nákladů při opravách = 80 3,30 = 264 Kč/směna Materiálové náklady: = 21,47 Kč/směna Úspora = ,47 = 242,53 Kč/směna Z výše uvedeného vzniká úspora 242,53 Kč za směnu, neboli využitelná pracovní doba svářeče 80 minut za směnu pro jiné, plánované pracovní úkoly. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 60

63 Tímto opatřením by došlo ke zvýšení kvality svarových spojů a tím ke snížení počtu oprav prováděných v OP 40. Na druhé straně by došlo k navýšení výrobní doby při automatickém svařování o 4,5 minut za směnu. Porovnáním úspory a ztráty z navýšení výrobní doby získáme celkové náklady na zavedení tohoto opatření: Doba výroby jedné tyče = 4 min. Cena za tyč = 350 Kč Ztráta navýšením výrobní doby = Celkové náklady zavedení opatření = ,5 = 393,75 Kč 393, , = 151,22 Kč/směna Celkové náklady na zavedení tohoto opatření pro zvýšení kvality a snížení počtu oprav jsou 151,22 Kč/směna. Úsporou času v OP 40 by mohl vzniknout časový prostor pro svářeče v této operaci. 4.3 Porovnání nákladů na kontaktní průvlaky Při zohlednění současného výrobního uspořádání vznikají při použití průvlaků náklady, které jsou viditelné z tabulky 9. Pokud dochází k výměně průvlaků během směny, vznikají prostoje a tím ztráty hotových výrobků. Tabulka 9 je sestavena pro současný takt výrobního zařízení 4 min/kus. Při výměně v OP 30 se zastaví celý výrobní proces. V této operaci se nalézají dva roboty. Pokud zde budou kontaktní průvlaky vyměněny na obou robotech současně, vzniká doba výměny 3 minuty. Tab. 9 Přehled nákladů za průvlaky Jako nejméně výhodná varianta se jeví použití nejlevnějších průvlaků. Zde vznikají celkové náklady ve výši 1.422,1 Kč včetně ztrát hotových tyčí z prostoje (viz tab. 9). Jediná ekonomická varianta je preventivní údržba, to znamená výměna průvlaků o přestávkách. Pro tuto variantu musí být použity průvlaky s životností vyšší Analýza vzniku vad při robotickém svařování 61

64 než 113 kusů za směnu. V tomto případě vycházejí jako nejvýhodnější originální průvlaky od firmy Fronius. V současné době jsou používány neoriginální průvlaky od firmy Profiweld. Při použití originálních průvlaků od firmy Fronius a výměně o přestávce vznikne úspora oproti současnému stavu: Celkové náklady za průvlaky Profiweld = 1.422,1 Kč/směna Celkové náklady za průvlaky Fronius = 83,2 Kč/směna Úspora = 1.422,1 83,2 = 1.338,9 Kč/směna Při použití originálních průvlaků od firmy Fronius vznikne úspora 1.338,9 Kč za směnu. 4.4 Vyhodnocení zbylých opatření U problematických svarů byla provedena kontrola a optimalizace svařovacích parametrů podle opatření v kapitolách až U všech svarů z tabulky 1 bylo dosaženo optimálního svaru, který vyhovuje kvalitativním požadavkům. U svaru W29, který se svařuje v operaci OP 30 a jehož délka je pouhých 12 mm byla zjištěna špatná přístupnost. Tento svar byl přesunut do operace manuálního dováření OP 40. Byla vytvořena pracovní návodka pro manuální pracoviště OP 40. Svářeč v této operaci provádí 3 svary a kontroluje kvalitu provedení ostatních svarových spojů. Pokud zjistí změnu kvalitativního stavu svařence, vytřídí daný díl a upozorní seřizovače. Ten udělá opatření pro odstranění příčiny vzniku závady podle kapitoly Dále bylo zachováno současné výrobní uspořádání. V operaci OP 20 a OP 30 bylo zavedeno značení svařenců v jednotlivých přípravcích, do kterých svařenec vstupuje. Operátor nemusí popisovat podskupiny a svařence jsou identifikovatelné dle umístění razítka na svařenci. Pro další projekty je třeba analyzovat jednotlivé návrhy výrobního uspořádání v kapitole například párovým srovnáním podle zvolených kritérií (např. potřeba ploch, kvalita a náklady). Analýza vzniku vad při robotickém svařování 62

65 5 Závěr Cílem diplomové práce byla analýza vzniku vad při robotickém svařování ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o., Liberec a možnosti jejich eliminace. Byla provedena analýza stávajícího stavu na pracovištích robotického svařování včetně poslední operace, která je prováděna manuálně. Byla představena nová metodika řešení. Podle této metodiky byl zmapován současný stav vyráběných tyčí a stanoveny příčiny závad. Kvalitativní stav svarů na analyzovaných tyčích nebyl uspokojivý. Na základě metalografických výbrusů byly analyzovány a zdokumentovány vlastní závady svarových spojů. Byl vytvořen názorný obrazový katalog závad s definováním příčin jejich vzniku. Experimentem byla zjištěna maximální svařitelná mezera pro určité polohy hořáku. Na základě těchto poznatků byly navrženy optimalizace svařovacích parametrů a technologické změny na výrobních zařízeních za účelem dosažení stabilního svařovacího procesu. Dále bylo navrženo použití nových kontaktních průvlaků od firmy Fronius. Tyto průvlaky mají delší životnost a jejich zavedením by došlo ke snížení doby interních časů svařovacího zařízení a tím i k úspoře nákladů. Průvlaky Fronius vydrží celou směnu a mohou být měněny o přestávkách mezi směnami v rámci preventivní údržby zařízení. Zapálení oblouku mimo svar z důvodu snadnějšího překlenutí svarové mezery u svařovaných dílců s problematickým sestavením se do výroby nepodařilo prosadit. Byly porovnány náklady na zavedení těchto opatření a vzniklé úspory. Vstupní kontrolou bylo zlepšeno lícování svařovaných dílců. V některých případech byla upravena trajektorie najíždění robotů a částečně upravena geometrie svařovacích hořáků, včetně experimentálního ověření zkušebních svarů pro dosažení požadované kvality svaru. Na pracovišti OP 40 byla vyvěšena návodka pro správné provádění oprav svarových spojů. V současné době je zde stále používána metoda MAG. Na základě analýzy výrobního uspořádání bylo zjištěno, že z důvodů čtyř eventuálně vznikajících kvalitativních stavů není celkové výrobní uspořádání robotických pracovišť ideální pro vytváření konstantní kvality svařenců s možností rychlé reakce na změnu kvality. Měnit celé uspořádání výrobních buněk by bylo v této fázi neekonomické, proto Analýza vzniku vad při robotickém svařování 63

66 bylo zavedeno značení ve svařovacích přípravcích, které umožňuje rychlou identifikaci původu svařence při změně kvality. V rámci předložené diplomové práce byla provedena analýza vznikajících závad svarových spojů při výrobních podmínkách ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o., Liberec včetně návrhu opatření k jejich eliminaci. Některá z navržených opatření však nebyla ve výrobní firmě akceptována, zejména z důvodu složitosti schvalovacího procesu v této nadnárodní firmě. Část návrhů a opatření se však do výroby začlenit podařilo a o dalších se jedná. Díky zavedeným opatřením bylo dosaženo zvýšení kvality finálních výrobků. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 64

67 Literatura [1] WEINZIERL, J.: Produktreifegrad-Management in unternehmensübergreifenden Entwicklungsnetzwerken. (Dissertation). Dortmund: Verlag Praxiswissen, ISBN [2] KILLING, R: Handbuch der Schweissverfahren. Teil 1: Lichtbogenschweißverfahren, 3 Auflage. Düsseldorf: DVS-Verlag 1999, ISBN [3] KADLEC V., ŤOPEK B. Svařování v ochranných atmosférách. Pardubice: Dům techniky ČSVTS, [4] MORAVEC, J.: Vliv procesních parametrů na geometrii svarové lázně při svařování v ochranných atmosférách. Liberec: TU v Liberci 2011, ISBN [5] MORAVEC, J.: Skripta svařování MIG MAG SZKP. Liberec: TU v Liberci [6] KOLEKTIV AUTORŮ: Technologie svařování a zařízení. Praha: SNTL [7] KUNCIPÁL A KOLEKTIV: Teorie svařování. Praha: SNTL, [8] KILLING, R.: Angewandte Schweißmetalurgie: Anleitung für die Praxis. Düsseldorf: DVS-Verlag 1996, ISBN [9] PROBST, R. HEROLD. Schweißmetalurgie: Kompendium der Schweisstechnik, Band 2. Düsseldorf: Verlag DVS 2002, ISBN [10] DuPONT, J.N., MARDER, A.J.: Thermal Efficiency of Arc Welding Processes. Welding Journal, Dec.1995, p [11] FRANTIŠEK NOVOTNÝ, MARCEL HORÁK. Konstrukce robotů. Liberec: TU v Liberci, 2015, ISBN [12] FRAUNHOFER INST., Vorlesung Schadenanalyse, [online] [vid. 14. října 2015], Dostupné z Analýza vzniku vad při robotickém svařování 65

68 [13] SOŠT Uherské Hradiště: Kontrola svaru [online], [vid. 14. října 2015] dostupné z: [14] NEUMANN, H.: Teorie svařování a pájení - část 1. Liberec: TU v Liberci, 2016, 116 s. ISBN [15] Obloukové technologie v ochranných atmosférách. In: Technologie I. [online]. Liberec: TU v Liberci, 2010 [cit ]. Dostupné z: 1_prezentace.pdf. [16] IGOR PAOLETTI [online], [vid. 14. října 2015]. Principe MAG Dostupné z: dne [17] MIG/MAG Katalog 2.0/V1, [online], [vid. 14. října 2015]. Dostupné z: [18] Interní podklady Firmy ŠKODA AUTO a.s,. Prozess Designer. [19] Interní podklady fy. Matador Automotive, ČR, s.r.o., Liberec. Analýza vzniku vad při robotickém svařování 66

69 Příloha 1: Katalog opatření Analýza vzniku vad při robotickém svařování 67

70 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 68

71 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 69

72 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 70

73 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 71

74 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 72

75 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 73

76 Analýza vzniku vad při robotickém svařování 74