Valk Welding: 1997

Pod  vlivem čerstvých dojmů z veletrhu „SCHWEISSEN UND SCHNEIDEN“, který se nedávno konal v areálu Messehallen v Essenu a na kterém byla představena řada robotických systémů, jsme došli k závěru, že by bylo velmi zajímavé podívat se na jedno z těchto zařízení poněkud blíže.

Pojďme se vydat do firmy ACV INTERNATIONAL v Ruisbroeku. Tento rodinný podnik, který oslavil již 75. výročí své existence, se specializuje na výrobu tepelných zařízení určených k ohřevu vody v ústředním topení a k sanitárním účelům. Firma již po nějakou dobu používá robotický systém Panasonic. Zcela nedávno jí společnost Valk Welding dodala nový robotický systém Panasonic určený pro velmi specifické zařízení. To bylo nainstalováno do nové dílny firmy ACV v Seneffe. (Obr. 1)

Výrobek určený ke svařování
Dané robotické zařízení bylo kompletně navrženo za účelem svařování typického tepelného výměníku AVC, který sestává z jádra z nerezové oceli (304) obaleného pláštěm z uhlíkové oceli. Toto RVS jádro je tvořeno především svazkem trubek o průměru 40 mm a s tloušťkou stěny 1,5 mm.

Počet trubek se může lišit. Zařízení, které jsme si prohlíželi, jich obsahovalo 36 (6 x 6). (Obr. 2) Koncové části trubek jsou uchyceny do sběrných desek o tloušťce 1,5 mm. Na spodní a vrchní část jádra je tenkostěnný plášť z uhlíkové oceli upevněn koutovými svary a po jeho stranách několika podpůrnými svary. (Obr. 3)

U tepelného zařízení jsou trubky kladeny do vertikální polohy. Pod nimi je nainstalován hořák, který vysílá plameny a horké kouřové plyny do systému trubek. Hořák lze plnit a vyprazdňovat prostřednictvím potrubních přípojek umístěných v plášti z uhlíkové oceli. Z obrázku jednoznačně vyplývá, že manuální svařování by v tomto případě bylo obzvlášť náročné a namáhavé. Zvláště 72 svarů (v tomto případě) u koncových částí trubek je velmi obtížné celistvě svařit vzhledem k malé tloušťce plechu (1,5 mm) a jejich umístění. Vzhledem k možnosti vzniku rozsáhlých deformací při svařování tenkostěnných konstrukcí RVS je tepelný výměník před započetím svařování kompletně sestaven a připevněn k nějakému relativně pevnému celku. Proto je manuální svařování sady trubek umístěných podél jeho stěn ještě daleko obtížnější. Lze je provádět pouze za pomoci speciálního hořáku s rozšířeným dosahem. Požadavky na kvalitu jsou v tomto případě velmi vysoké. Všechny svarové spoje musí být absolutně nepropustné. Velký význam je přikládán také vnějšímu vzhledu. Hustota všech tepelných výměníků se prověřuje na testovací válcovací stolici působením tlaku o velikosti 4 kg/m2. Všechny tyto uvedené technické důvody a také záměr vyrábět co nejefektivněji byly určujícími momenty pro zavedení robotického svařování.

Robotický systém
Robotický systém Panasonic má 6 os. Obrobek je upevňován do manipulátoru se dvěma osami. Upevňování se provádí pomocí jednoduché vidlice, s jejíž pomocí forma zajišťuje správné umístění produktu. (Obr. 4)

Osy robotického systému a dvě osy manipulátoru jsou propojeny prostřednictvím softwaru. Tímto způsobem může být obrobek optimálně napolohován ke svařování při minimální manipulaci a v minimálním čase. Program je navržen tak, aby po stisknutí spouštěcího tlačítka zařízení kompletně a bez přerušení svařilo odpovídající produkt, a to bez jakéhokoliv zásahu obsluhy.
Robotický systém pracuje s celoživotní opakovanou přesností v řádu 0,1 mm. Problémem je, že po upevnění produktu se přesnost umístění tepelného výměníku a švů určených ke svařování pohybuje v řádech milimetrů. V průběhu svařování dochází dokonce ještě k větším odchylkám od ideální programové situace v důsledku deformací. Otázku nevyřeší ani maximální pozornost vynaložená v průběhu příprav. Proto robotický systém bude pravidelně snímat umístění obrobku a místa předpokládaných švů a odesílat nasnímaná data do „mozku“ zařízení. Na základě těchto údajů bude program robotického systému přizpůsoben. Zvolili jsme metodu „dotekového“ vyhledávání. Pouzdro na ochranu plynu umístěné na konci svařovacího hořáku vyhledá aktuální pozici svarů na základě kontaktu s konkrétním materiálem. Pouzdro je napájeno nízkým napětím o rozsahu 24 V. Jakýkoliv kontakt způsobí elektrický signál. Proto je nutno použít speciální (citlivý) senzor.

Např. u  koutového svaru je konec švu vyhledáván prostřednictvím kontaktování všech třech rovin. Při svařování trubek do kruhu stačí identifikovat pouze umístění dvou z nich. Zařízení naskenuje středové čepy umístěné na koncových částech trubek. Ke svařování 36 koutových švů to zcela stačí, vzhledem k tomu, že dvě sousedící trubky jsou uloženy v dostatečně přesné poloze.

V průběhu svařování může docházet i k dalším odchylkám. Šev určený ke svařování musí být proto sledován po celé jeho stopě, a to za pomoci monitorovacího systému švů, v rámci kterého se pro monitorování svaru používá oblouk. Svařovací hořák vyvíjí konstantní kmitavý pohyb, na základě kterého může být změřena délka a odpor oblouku na obou svařovaných stranách. Jakmile je v odporu oblouku zaznamenán jakýkoliv rozdíl, je okamžitě korigován.

Napájecí zdroj
Konečný výsledek robotického svařování se ve značné míře odvíjí od charakteristiky použitého zdroje energie. Svařování se provádí metodou MAG při využití zdroje Panasonic HM 350 Dip Pulse (typ invertora (měniče) určeného pro svařování pulzujícím obloukem). Invertor je vybaven vnitřním monitorovacím systémem (nazývaným firmou Panasonic “umělou inteligencí”), který permanentě optimalizuje všechny parametry svařování. Hlavní výhoda tohoto zařízení spočívá v tom, že i v případě svařování obloukem při nižším napětí je zabráněno omezení jeho dosahu. Např. při nadměrném svařování v rámci spoje se délka oblouku může zkracovat a hrozí riziko omezení jeho dosahu. Proto je vygenerován dodatečný impulz, na základě kterého oblouk vyloučí všechny drobné částečky. Svařování tak můžete vždy provádět bez rušivých vlivů a potřísnění svaru svařovacími kapkami. To je velmi důležité pro konečné nakládání s produktem.

Ochranný plyn
Jako ochranný plyn se používá ternární plyn, který kromě argonu a CO2 obsahuje také helium. (Inarc 172 Air Liquide, 63.8% argon, 32% helium, 3.2% CO2, 1% H).

Svařovací drát
Ke svařování se využívá pevný drát o tloušťce 1 mm vyrobený z nerezové oceli (309). Jako zásobovací skříň byl zvolen tradiční čtyřkotoučový systém. Nemusíme snad dodávat, že motor je ovládán prostřednictvím softwaru. Zásobník je umístěn do blízkosti svařovacího hořáku ve vzdálenosti asi 1,5 m, což zabraňuje vzniku nadbytečného tření.

Svařovací hořák
Svařovací hořák pro toto zařízení byl speciálně navržen. Aby bylo možno dosáhnout na všechny švy (a obzvlášť ty v blízkosti stěny), byl zhotoven dlouhý hořák speciálního tvaru. Součástí programu jsou pravidelné přestávky určené pro čištění svařovacího hořáku. Ten je umístěn na vrchní části malé brusky, určené k internímu čištění, a naproti kartáči, určenému k externímu čištění pouzdra na ochranu plynu. Posledně zmíněná operace je velmi důležitá vzhledem ke skenovací funkci hořáku. Zabraňuje totiž  zkreslování při přenosu dat.

Výkonnost (účinnost)
Výše bylo zmíněno, že tepelný výměník je svařován v rámci jedné činnosti a bez přerušení. Produkt složený ze 36 trubek, který jsme měli možnost vidět, byl dokončen během 57 minut. Relativní doba oblouku je přibližně 70%, To vše vede ke zvýšení kvality produktu – svary jsou čisté, bez (s minimálním množstvím) svarových kapek a absolutně nepropustné. (Obr. 5)

Rozhodnutí použít robotický systém v rámci této činnosti bylo tedy rozhodně správné.

(Zdroj: Lastijdschrift č. 4, 1997, J. Tondeleir, BIL)