Лазерный мир

Выросшие возможности лазерных сварочных систем стимулирует эту потребность

WOUTER M. ZWEERS

Лазерная сварка стала более популярной в производстве автомобилей в кузовном и компонентном производстве, поскольку она очень производительна — единственный робот для лазерной сварки может заменить до пяти обычных роботов для точечной сварки. Мощные дисковые или волоконные лазеры в сочетании со сварочной  сканаторной головкой и промышленным роботом для лазерной сварки «на лету» могут производить более ста сварных швов в минуту.

Это провоцирует проблему: если производство настолько велико, как можно обеспечить получение стабильных качественных сварных швов? Часто в автомобилестроении производятся детали, критически связанные с аварийной ситуацией, что делает качество сварки еще более важным.

AWL-Techniek, как специализированный машиностроитель, поддерживает своих клиентов в решении этой задачи.

В этой статье будут обсуждаться три аспекта стабильной производственной машины: сама машина, пределы контроля качества инспектором-человеком и автоматическая проверка качества.

Лазерная сварочная машина

Качество начинается в сварочном аппарате. Лазерная сварочная оснастка должна иметь возможность фиксировать детали стабильным образом, даже если допуски являются грубыми, как это часто бывает в штампованных металлических деталях.

Аппарат также должен быть в состоянии предотвратить ошибки оператора.

Хорошая лазерная сварочная система обнаруживает, что все отдельные детали зафиксированы правильно до начала процесса лазерной сварки. Системы Poka Yoke (японская разработка любого механизма в бережливом производственном процессе, который помогает оператору оборудования избегать [yokeru]  ошибок [poka]), датчиков обнаружения продукта и хорошо продуманной размерной цепи. Следует обратить внимание на подачу чистую  воздуха и удаление сварочных газов, а крепление должно быть легко очищаемо и легко обслуживаться (рис. 2).

AWL-Techniek разработала специальное программное обеспечение для роботов, чтобы сделать роботы более точными. Использование этого программного обеспечения позволяет производить нахлесточные сварные швы без системы слежения за швами. Это программное обеспечение является важным инструментом для изогнутых сварных швов, где требуется высокая точность, например, в круглых кромках. Эти примеры показывают, что проектирование и производство сварочных приспособлений (оснастки) для лазерных сварочных аппаратов и лазерных сварочных аппаратов — сложная задача, требующая больших навыков и опыта.

Визульная инспекция оператором в сравнении с  vs. Автоматической инспекцией

Для системы контроля качества сварки некоторые люди утверждают, что оператор может легко выполнять визуальную проверку качества, в процессе обработки детали. Это не всегда так — исследования в авиационной отрасли показывают, что для задачи контроля качества инспекторы легко пропускают небольшие дефекты и спустя всего лишь один час работы, они пропускают почти 70% дефектов (рис. 3 и 4).

Понятно, что визуальная оценка человека-инспектора  не является надежной, поэтому альтернативным решением является автоматическая система контроля качества. На рынке существуют различные системы, и AWL-Techniek установила множество систем для клиентов.

Многие популярные системы основаны на мониторинге  излучений от процесса лазерного сварки. В этих системах излучение от процесса сварки наблюдается одним или несколькими фотодиодами. Система контроля качества сравнивает измеренный сигнал фотодиодов с сигналом известного хорошего сварного шва. Если измерение аналогично, система решает, что сварной шов хорош. Если сигнал отличается, система делает вывод, что сварной шов не был хорош (рис 5).

Преимущество диодных систем заключается в быстрой и автоматической работе. Они оценивают качество сварки в реальном времени, поэтому на производственной линии не требуется дополнительная контрольная станция. Конечно, это справедливо только в том случае, если система надежна.

Однако недостатком диодных систем является то, что они измеряют косвенные сигналы. Диод измеряет излучение от процесса, которое коррелирует с качеством сварного шва, но не является фактическим качеством сварного шва. Это приводит к ошибкам, которые не обнаружены (ложно-отрицательные), и к оценке хороших сварных швов, в которых обнаруживаются  ошибки (ложноположительные). Эксперименты AWL-Techniek показали, что надежность автоматических систем на основе диодов не была идеальной, но когда частота ошибок автоматических систем контроля качества сравнивалась с визуальным контролем человека, было ясно, что хорошо отрегулированная автоматическая система работает значительно лучше.

Важно понимать, что системы контроля качества нуждаются в наладке и тонкой настройке не только при установке, но особенно во время полномасштабного производства. Тонкий баланс между чувствительностью (отсутствие истинных ошибок) и ложноположительными ошибками. Важно обучить обслуживающий персонал, работающий с установкой, чтобы они чувствовали себя комфортно при выполнении этих оптимизаций. Поэтому необходима сильная поддержка и понимание руководством завода.

Стратегия обработки ошибки

Задача заключается в разработке хорошей стратегии обработки ошибок, которая включает в себя способы обработки ложных срабатываний. Типичная деталь может иметь несколько сотен сварных швов. Поэтому даже низкий процент ложных срабатываний для одного сварного шва может привести к значительному количеству положительных результатов для полной детали.

Важно разработать правила качества детали, например, правило, что определенный процент сварных швов может быть дефектным до того, как деталь должна быть признана дефектной . Может оказаться полезным статистический анализ результатов в процессе производства и тонкой настройки системы. Если стратегия обработки ошибок недостаточно надежна, пользователь не будет удовлетворен системой контроля качества.

 

Прогноз

В будущем на рынке ожидаются более надежные системы. Появляющаяся тенденция — с появлением на рынок нескольких систем — это оптическая когерентная томография (optical coherence tomography (OCT), ОКТ), где измеряется фактическая глубина лазерного сварного шва, а также профиль поверхности. Это позволяет непосредственно оценивать особенности лазерного сварки и, таким образом, обещает большую надежность. Конечным шагом будет использование этого измерительного сигнала в качестве входа для управления обратной связью процесса лазерной сварки. Еще одна возможность заключается в использовании системы лазерной триангуляции, которая проверяет качество поверхности сварного шва. Эти системы особенно подходят для нахлесточных сварных швов.

Очевидно, что контроль качества в лазерной сварке является темой, которая стала более важной в последние годы, поскольку производство лазерных сварочных аппаратов увеличилось. Контроль качества не лишен проблем, но коммерчески доступные системы мониторинга могут оказать большую помощь.

Популярные доступные системы не являются плагинами формата plug-and-play. Необходимы оптимизация и тонкая настройка во время производства, а также обучение обслуживающего персонала этой оптимизации. Необходимо разработать надежную стратегию качества, которая учитывает надежность системы мониторинга, а также опасность ложноположительных ошибок.

Ссылки

1. C. G. Drury and J. Watson, «Good practices in visual inspection,» FAA/Human Factors in Aviation Maintenance(2002); see https://goo.gl/w2X5qN.
2. M. Schmidt, «Process monitoring for laser materials processing — standstill or progress,» Proc. EALA, Bad Nauheim, Germany (2014).
3. W. M. Zweers, «Process control in industrial applications,» Proc. AKL’16, Aachen, Germany (2016).

Оригинал на английском языке: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-6/features/quality-monitoring-in-laser-welding-gains-importance.html