Robotyzacja spawania

POMIARY I STEROWANIE W PRODUKCJI BLACH

Następnym stanowiskiem jest zespół walcowniczy. Składa się on, w zależności od specyfiki produktu końcowego, z kilku walcarek. Z kolei obróbka wykończeniowa blach polega na ich prostowaniu, chłodzeniu, cięciu, obróbce cieplnej i nakładaniu powłok ochronnych.

Kontrola pracy linii walcowniczej to złożone zadanie, które wymaga zintegrowanego sterowania poszczególnymi etapami tego procesu. Na przykład w przypadku pieców mierzy się temperaturę i na tej podstawie reguluje się dopływ paliwa. Działanie walcarek nadzoruje z kolei system automatycznej kontroli oraz regulacji szerokości szczeliny walcowniczej (Automatic Gauge Control, AGC).

Za pośrednictwem systemu AGC zmieniane są nastawy hydraulicznego układu regulacji położenia walców. Żeby uzyskać wymaganą grubość arkusza blachy, zadana szerokość szczeliny pomiędzy walcami powinna uwzględniać jej przyrost pod wpływem obciążenia walcarki. W tym celu mierzy się nacisk blachy na walce oraz szacuje się ich odkształcenie tym spowodowane.

Kontrolować trzeba także szybkość schładzania blachy, od niej bowiem zależą jej właściwości. Reguluje się ją na przykład, zmieniając prędkość taśmociągu, na którym przenoszone są arkusze lub włączając dodatkowe wentylatory przyspieszające schładzanie. Do pomiaru temperatury blach wykorzystywane są kamery termowizyjne.

Te ostatnie, w związku z wysokimi temperaturami występującymi w produkcji i obróbce stali oraz z kluczowym znaczeniem, jakie ma ta wielkość dla ich przebiegu, są w hutach używane powszechnie. Przykłady zastosowania termowizji w hutnictwie metali przedstawiamy w ramce.

CIĘCIE BLACH LASEREM

Blachy są następnie gięte, przecinane i spawane. Do rozcięcia materiału dochodzi wtedy, gdy siła tnąca do niego przyłożona przekracza wartość graniczną. Oddziaływanie to jest wywierane przez dwa narzędzia, nad i pod arkuszem, na przykład górne i dolne ostrze. Przeważnie drugie jest nieruchome. Pomiędzy ich krawędziami zachowuje się odstęp (5 do 10% grubości arkusza), ułatwiający rozcięcie materiału.

W cięciu blach korzysta się także z metod bezdotykowych, m.in. lasera. Jego promień jest kierowany i skupiany przez układ luster i soczewek na powierzchni arkusza. W miejscu, gdzie pada taka wiązka o dużej energii, metal topi się i odparowuje. Następnie jego pozostałości są zdmuchiwane z blachy przez strumień gazu, zazwyczaj tlenu albo azotu. Do cięcia blach zwykle używane są lasery gazowe CO₂, o mocy do 2 kW. Głowica lasera może być ruchoma i przemieszczać się nad nieruchomym arkuszem albo pozostaje nieruchoma, a cięty materiał znajduje się na obrotowym stole.

Termowizja w produkcji i przetwórstwie stali Kamer termowizyjnych używa się do badania temperatury powierzchni kadzi, którymi transportuje się roztopioną stal przed rozlaniem do form. Jeśli na termogramie widoczne są gorące punkty, oznacza to, że w tych miejscach wewnętrzna ogniotrwała powłoka zbiornika jest uszkodzona albo nadmiernie zużyta. W obu przypadkach możliwy jest wyciek stali. Jest on niebezpieczny dla osób, które znajdują się w pobliżu. Trzeba się również liczyć ze stratą surowca, kosztami naprawy zalanych urządzeń i wstrzymaniem produkcji na czas usuwania skutków wycieku. Wykrywając zagrożenie wcześniej, kadź można zawrócić, a stal wlać do nieuszkodzonego zbiornika. Rejestrując obraz termiczny kadzi okresowo, można natomiast śledzić postęp jej zużycia i, w razie potrzeby, zawczasu ją wymienić. Kamerami termowizyjnymi bada się także bloki stali przed walcowaniem. Jeżeli nie są równomiernie ogrzane i na obrazie termowizyjnym widoczne są obszary zimniejsze, należy wyregulować temperaturę pieca. Przyczyną mogą być też straty ciepła w czasie przelewania stali do formy. Wówczas należy pogrubić jej ściany w miejscach widocznych na termogramie jako obszary, przez które ciepło jest tracone.

ZALETY WYCINAREK LASEROWYCH

Lasery są używane do cięcia metali żelaznych i nieżelaznych. Najłatwiej w ten sposób tnie się materiały o małej odblaskowości i małej przewodności cieplnej, takie jak stal węglowa i nierdzewna. Te, które silnie odbijają światło i dobrze przewodzą ciepło, jak aluminium i stopy miedzi, wymagają użycia laserów o większej mocy.

Cięcie laserem jako metoda bezkontaktowa ma wiele zalet. Krawędzie są gładsze i nie potrzebują dodatkowej obróbki. Blacha odkształca się w niewielkim stopniu i jest nagrzewana w wąskim obszarze. Zaletą wycinarek laserowych jest ponadto duża precyzja.

Blachy tnie się też przy użyciu strumienia wody pod dużym ciśnieniem, czystej lub zmieszanej ze ścierniwem. Uderzając w powierzchnię metalu, powoduje ona jej erozję. Jakość krawędzi rozcięć tak wykonanych jest zadowalająca. Ponadto cięty materiał nie jest podgrzewany. Do cięcia blach używa się również plazmy (patrz: ramka).

Wstępnie ukształtowane arkusze blach łączy się, spawając je ze sobą. Polega to na ich miejscowym stopieniu i zestaleniu. Złącze wypełnia się spoiwem, które stapia się wraz z materiałem rodzimym. Wyróżnia się kilka metod spawania, m.in. gazowe i elektryczne.

JAK SPAWAĆ BLACHY?

W spawaniu gazowym źródłem ciepła jest płomień palnika powstający w wyniku spalania gazu, zazwyczaj acetylenu, rzadziej wodoru lub propanu. Do zalet tej metody zalicza się: szybkość, wydajność, możliwość łączenie zarówno blach cienkich, jak i grubych, oraz niższą cenę urządzeń niż w przypadku innych technik.

Niestety pewnych materiałów nie da się w ten sposób spawać albo jest to trudne. Problem ten dotyczy stali o wyższej zawartości węgla, odpornych na korozję oraz aluminium. Ponadto spoiny są mniej estetyczne od tych wykonanych pozostałymi metodami.

W drugiej metodzie źródłem ciepła jest łuk elektryczny. Jej odmianą jest spawanie w osłonie gazowej, na przykład metodą TIG (Tungsten Inert Gas). Łuk elektryczny wytwarza nietopliwa wolframowa elektroda w osłonie gazu obojętnego, zwykle argonu lub helu. Jego zadaniem jest ochrona roztopionego metalu przed utlenianiem.

Metoda TIG ma wiele zalet, m.in. umożliwia łączenie różnych metali w zasadzie bez ograniczeń i pozwala na scalanie cienkich blach. Oprócz tego spoina jest wysokiej jakości i nie wymaga czyszczenia. Wadą jest wolne spawanie.

Jak ciąć blachy plazmą? Gaz z dyszy, przepływając przez łuk elektryczny, ulega jonizacji - strumień powstałej w ten sposób plazmy przecina materiał Do cięcia używany jest łuk plazmowy powstały w wyniku jonizacji gazu przepływającego przez łuk elektryczny jarzący się pomiędzy elektrodami: nietopliwą oraz ciętym materiałem. Strumień plazmy formuje się w dyszy. Osiąga ona wysoką temperaturę i uderzając w rozcinany materiał, wytapia go miejscowo, jednocześnie wydmuchując jego resztki z powstałej w ten sposób szczeliny. Plazmę wytwarza się m.in. z azotu, argonu, wodoru, tlenu lub suchego sprężonego powietrza. Wybór gazu zależy od ciętego materiału. Tlenem tnie się stal węglową i stal niskostopową o grubości maksymalnie 20 mm, a sprężonym powietrzem - cienkie blachy. Azot jest używany do cięcia na przykład stali nierdzewnej i aluminium, a mieszanina argonu z wodorem - grubych materiałów (do 100 mm), m.in. stali nierdzewnej, miedzi, tytanu i aluminium. Wycinarki plazmowe są mniej dokładne niż laserowe. Ponadto krawędzie nimi rozcięte są szorstkie, szczególnie w grubszych blachach. Możliwość przecinania tych ostatnich jest jednak ważną zaletą tej techniki, w porównaniu do cięcia laserem.

ROBOTYZACJA SPAWANIA

Tematy numerów w najbliższym kwartale

Ręczne spawanie nadal jest popularne, ponieważ operator szybciej niż system automatyczny adaptuje się do zmieniających się warunków. Po wstępnej ocenie jakości krawędzi, które ma połączyć, jest on w stanie, wykonując kolejne fragmenty spawu, na bieżąco regulować ustawienia spawarki. Jeżeli zauważy jakiś ubytek na krawędzi, przez który arkusze dzieli większa szczelina, wykonuje grubszą spoinę. Jeśli z kolei z powodu nierówności brzegi są zbyt blisko siebie, wykona on odpowiednio cieńszy spaw.

Z drugiej strony automatyzacja ma wiele zalet, m.in. większą wydajność i powtarzalność. Ciągłość i jakość produkcji nie zależy od dostępności oraz kwalifikacji operatorów. Wyręczenie tych ostatnich robotami poprawia też ich bezpieczeństwo.

Podobnie jak operatora, tak też robota trzeba "nauczyć" spawania, aby wykonywał je w sposób powtarzalny. Cel ten osiąga się przez programowanie. Podobnie jak człowiek musi się on też dostosowywać do zmiennych warunków. W tym celu kontroler robota powinien modyfikować parametry ruchu ramienia spawającego.

Realizuje się to, sterując nim na podstawie informacji z czujników. Ich zadaniem jest m.in.: detekcja krawędzi złącza, śledzenie jego przebiegu, żeby odpowiednio do niego zmieniało się położenie płomienia palnika i pomiar szerokości złącza w celu wykrycia wszelkich nieregularności i nieciągłości krawędzi.

Do wykrycia początku złącza lub krawędzi arkusza używa się sensorów dotykowych oraz zbliżeniowych. Pierwsze realizuje się, doprowadzając napięcie do dyszy, którą dostarczany jest gaz osłonowy, spawalniczego drutu albo dodatkowego próbnika. Kiedy ich końcówka dotknie blachy, sterownik robota wykrywa zwarcie. Sensory zbliżeniowe to zazwyczaj sensory indukcyjne. Do śledzenia przebiegu i wyznaczania wymiarów złącza używane są systemy wizyjne i skanery laserowe.

Monika Jaworowska