Robotizace svařování kovů je v současné době v České i Slovenské republice na vzestupu. Tato technika má své jednoznačné výhody, ale také celou řadu úskalí. Jedním z hlavních úskalí je zvládnutí technické a technologické přípravy výroby polotovarů. Rovněž upínací přípravky, resp. jejich správná konstrukce významně ovlivňují výslednou kvalitu robotem prováděných svarů.

Tento článek přinášíme proto, abychom nastínili základní technické podmínky, které je vhodné dodržet při přípravě polotovarů a upínacích přípravků určených pro robotizované svařování.

 

O robotizovaných pracovištích obecně

Na trhu České i Slovenské republiky robotizovaná pracoviště nabízí více než 40 firem. Každá firma má pak různý cíl při jejich prodejích. Některé chtějí jen prodat robota max. s polohovadlem a svářečkou a tím jejich úkol končí. Jiní dodavatelé pak mají zájem o dlouhodobou spolupráci. Tedy nejen dodat kompletní robotizované pracoviště, ale zajistit jejich technickou i technologickou podporu vč. servisu.

Pravdou ovšem je, že firmy druhého typu lze spočítat na prstech jedné ruky. Proto je někdy velmi obtížné získat potřebné informace o možnostech robotizovaného svařování. A právě proto přinášíme tento článek.

 

TPV1

Obr. 1: Typické robotizované svařovací pracoviště pro hromadnou,
velkosériovou výrobu. Zde se svařují dílce pro automobilový
průmysl. Bez robotizovaného svařování by tyto dílce nebylo možné
vůbec svařovat. A to nejen kvůli velkému množství, ale také kvůli
stálé kvalitě svařování.

 

Opakovaná rozměrová přesnost polotovarů

Robotizované svařování, hovoříme především o obloukovém svařování kovů, nese celou řadu úskalí. Snad tím nejzásadnějším je zajištění opakované rozměrové tolerance svařovaných dílů. Kvůli tomuto úskalí zhavarovalo až 80 % ze všech neúspěšných instalací svařovacích robotů. V České i Slovenské republice jsou jich bohužel stovky.

Robotické svařování je v tomto ohledu v porovnání s ručním odlišné. Robot nemá oči a nevidí, zda je např. kořenová mezera větší nebo menší, případně zda je dílec „o něco“ kratší nebo delší apod. Svářeč se přizpůsobí podmínkám svařování podle aktuální situace. Robot ovšem nikoliv.

Robot vždy najede na místo svařování s vysokou opakovanou přesností dle nastaveného pohybového programu. Pokud je však svar z důvodu velké rozměrové tolerance svařovaných dílců nutné položit např. o 2–3 mm vedle, nastává technický problém. Jeho řešení je buď zpřesnit výrobu polotovarů, nebo použít jednu z možností aktivního navádění robota na svary.

Ovšem zde je vhodné se řídit dvěma zásadními informacemi. Ta první je, že pokud je možné se aktivnímu navádění vyhnout tím, že se zpřesní výroba polotovarů, je to vždy ta lepší cesta. Druhou je fakt, že systém pro aktivní navádění robotů na svary není nikdy 100%. I tak zde mohou vznikat vady ve svarech. Někdy tento systém není možné použít vůbec.

 

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Obr. 2: Pro svařování hliníku metodou MIG je potřeba dodržet
přísnější rozměrové tolerance svařovaných dílců. Každá větší nepřesnost
se při svařování vymstí a vznikají zmetky.

 

Rozměrové tolerance pro metodu MAG

Pokud se svařují dílce metodou MAG, především hovoříme o svařování běžných uhlíkových ocelí, obecně platí max. přípustná rozměrová tolerance svařovaných dílců do ±1,0 mm.

Pravdou je, že pokud se svařují dílce z tenkostěnného materiálu, např. kde je síla stěny pod 2,0 mm, pak je potřeba tuto max. přípustnou toleranci ještě zpřísnit.

 

Rozměrové tolerance pro metodu TIG

Pro metodu TIG nebo svařování plasmou či laserem je tato max. přípustná tolerance daleko menší. U těchto metod záleží na síle stěny svařovaného materiálu. Ale obecně lze říci, že se tato tolerance musí pohybovat do ±0,5 mm (to platí především pro svařování uhlíkových nebo nerezových ocelí).

Pro svařování tenkostěnných materiálů nebo hliníku i jeho slitin je pak potřeba dodržet max. rozměrovou toleranci do ±15 % jejich síly stěny. To jsou velmi přísné hodnoty. Ovšem pokud má být robotická svařovací aplikace úspěšná, je nutné je dodržet.

 

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Obr. 3: Při svařování metodou TIG také platí přísné rozměrové
tolerance svařovaných dílců. Na obrázku se svařují nerezové pláště
průmyslových mikrovlných trub.

 

Největším problémem jsou ohýbané díly

Tam, kde se svařují ohýbané dílce, vznikají největší problémy s dodržením jejich max. rozměrové tolerance. Pokud se jedná o ohýbané plechy, je nutné výpalky z plechu řezat laserovými technologiemi. Ohyby se pak musí provádět jen na CNC ohraňovacím lisu. Pokud se ohýbají trubky nebo profily, musí být rovněž ohýbané na CNC ohýbačkách.

Jakékoliv řezání výpalků a následného ohýbání na technicky méně dokonalých strojích nezaručí požadovanou opakovanou max. toleranci svařovaných dílců. Takto vyrobené nepřesné dílce se pak často musí do upínacích přípravků vpáčit a robot se nemusí trefit na místa svarů. Pak samozřejmě vznikají vady ve svarech a zmetky.

 

Nesvařitelné mezery

Dalším problémem u rozměrově nepřesných polotovarů jsou příliš velké mezery mezi svařovanými dílci v oblasti kořene svaru. Obecně opět platí, že pokud je mezi dílci mezera, měla by být stejná. Rozměrově stejná mezera by měla být v opakované toleranci, která je uvedená u jednotlivých metod svařování předchozích odstavcích tohoto článku.

Uveďme si příklad. Pokud je potřeba svařovat dvě pásnice – jednu kolmo na druhou koutovým svarem, kdy síla stěny obou pásnic je např. 5,0 mm, může být max. kořenová mezera do 1,5 mm. Zde bude platit max. nepřesnost této mezery do ±0,5 mm. Pokud bude síla stěny obou pásnic 8,0 mm, max. mezera bude stejná, ale opakovaná tolerance této mezery může být větší, tj. do ±1,0 mm.

Pozn.: toto platí pouze obecně. U pevnostních spojů, kde se vyžadují zkoušky svarů, budou tyto tolerance přísnější.

Podobně je tomu při svařování dílců k sobě natupo. Zde může být problémem nejen velikost a tolerance kořenové mezery, ale také přesazení obou materiálů – tedy jejich rozdílná výška. Pokud bude jeden plech výše, než ten druhý, pak se jedná o komplikované místo pro svařování robotem. V řadě takových případů jsou taková místa svařována ručně,
např. při stehování budoucího svařence.

 

TPV4

Obr. 4: Vyhledávání svarů se používá především při svařování
větších a hmotných dílců. Pokud bychom chtěli svařovat podobný
dílec o délce např. 4 m bez použití vyhledávání svarů svařovacím
robotem, musela by být max. tolerance začátku místa svařování mezi
body 1 a 2 v toleranci do ±1,0 mm. U takového dílce, který je na obrázku,
dodržení takové max. tolerance není určitě možné. Podobně
to může platit také u menších dílců, které jsou technologicky náročné
opakovaně sestehovat v max. rozměrové toleranci do ±1,0 mm.

 

Vyhledávání svarů pomocí doteků

Pokud nelze technicky zajistit požadovanou rozměrovou toleranci svařovaných dílců, v řadě případů lze využít funkce robota pro aktivní vyhledávání místa svařování. Nejvíce rozšířeným způsobem je tzv. dotekové vyhledávání referenčních ploch svařence pomocí doteků konce svařovacího drátu, někdy také pomocí doteků plynové hubice hořáku. Robot dokáže upravit výslednou pohybovou trajektorii nalezením referenčních ploch právě pomocí postupných doteků na referenční části svařence.

Zjednodušeně popíšeme princip tohoto vyhledávání. Na svařovací drát je přivedeno bezpečné napětí, např. 24 V. Před zahájením svařování méně přesného místa programátor vsune automatickou proceduru, kterou robot pomocí doteků svařovacího drátu na kovový povrch svařence zjistí, jak daleko je svařovací hořák nad povrchem referenční plochy.

Uveďme si příklad při svařování jednoduchého koutového svaru. Robot zjistí, kde se nachází skutečný počáteční bod svařování dotekem na svislou a spodní pásnici. Protne obě plochy do společného bodu, který tvoří skutečné místo, ve kterém se oba dílce spojují. Robot si pak automaticky upraví skutečnou pozici tohoto bodu. Na konci svaru opět robot zjistí přesnou skutečnou pozici koncového bodu. Robot pak upraví původní naprogramovanou trajektorii pohybu robota mezi těmito body a pak provede svar přesně tam, kde je potřeba.

Zní to složitě, ale pro programátora se nejedná o příliš náročný úkon. Vyžaduje to jen cvik a zkušenost.

 

TPV5

Obr. 5: Na obrázku je znázorněný postup nalezení nového
místa začátku svařování. Bod číslo 4 je programátorem definovaný
začátek svařování – výchozí místo, odkud robot zahájí svařování.
Je-li však toto místo vlivem rozměrové tolerance sestehovaných
dílců posunuté např. o 5 mm, má robot možnost toto nové místo
vyhledat pomocí dvou dotyků ploch pomocí svařovacího drátu. Bod
5 pak je nově nalezené místo začátku svařování. Robot tak provedl
automatickou korekci svařovacího programu.

 

Napěťové/proudové vyhledávání svarů

Další způsob navádění je napěťové nebo proudové vyhledávání především koutového svaru. Robot v průběhu svařování nepatrně pendluje se svařovacím hořákem a postupně rychle měří napětí nebo proud na svařovacím oblouku, a to v obou krajních pozicích, a také uprostřed. Tedy ve třech bodech při průjezdu hořákem jedné pendlovací smyčky.

Pokud je např. naměřené napětí vyšší, než původně nastavené, znamená to, že je robot příliš od materiálu daleko, má dlouhý svařovací oblouk. Robot tak v tomto bodě provede nepatrnou korekci tím, že přisune svařovací hořák k tomuto bodu blíž. Naopak, pokud je např. napětí velmi nízké, nižší než původní nastavené, znamená to, že je robot ke svaru velmi blízko, je téměř ve zkratu. Pak tedy provede korekci – pohyb směrem od tohoto měřeného bodu.

Tímto způsobem robot provádí automatickou korekci svého směru pohybu. Robot tak může v podstatě prakticky zahnout v místě, kde je svařenec „nečekaně“ zaoblený nebo zahnutý.

Je to jen obecně popsaný postup. Pro naprogramování tohoto způsobu vyhledávání svarů je zapotřebí praktická zkušenost programátora.

 

TPV6

Obr. 6: Pomocí nepatrného rozkmitu svařovacího hořáku tato
funkce umožňuje měřit odchylky svařovacího proudu oproti původně
nastaveného svařovacího proudu postupně ve třech bodech. Na
základě naměřených hodnot je pak robot schopen provést výpočet
nové dráhy svařovacího hořáku, provést tzv. korekci pohybu robota.
Využití této funkce by však měla být tou poslední možností, jak
si poradit s nepřesnými dílci. Na prvním místě bude vždy snaha
zpřesnit rozměrové tolerance sestehovaných nebo upnutých dílců.

 

Laserové a optické vyhledávání svarů

Posledním způsobem vyhledávání je laserové – optické vyhledávání místa svařování. Toto je rozporuplné téma. Na všech výstavách se dodavatelé robotů předhánějí tím, že mají vyřešené optické nebo laserové navádění – pozor SVAŘOVACÍCH robotů. Ovšem v praxi je tato technologie stále komplikovaná a má velmi mnoho technických úskalí.

Více informací jsme přinesli v časopise Svět Svaru č. 3/2014. Článek je k dispozici na internetových stránkách časopisu Svět Svaru. Zde bychom doporučovali si optické navádění na dané místo svařování prakticky odzkoušet u potenciálního dodavatele robotizovaného pracoviště, nebo se tomuto způsobu vyhledávání raději zcela vyhnout.

 

Upínací přípravky pro robotizované svařování

Také vhodná konstrukce upínacích přípravků je klíčem k bezproblémovému robotickému svařování. Při obloukovém svařování v upínacích přípravcích tvoří největší problémy rozstřik svarového kovu, dýmy vznikající u svařování, teplo vnesené do základního materiálu a rozvody kabeláže nebo pneumatických hadic. Při konstrukci upínacích přípravků je nutné vzít tyto aspekty do úvahy, aby měl upínací přípravek dlouhodobou provozní spolehlivost, a také stálou opakovanou přesnost upnutí svařovaných dílců.

Některé větší rozměrové tolerance lze upínacími přípravky částečně eliminovat, a to mechanickými dorazy či vhodným umístěním upínaných dílců použitím referenčních otvorů v dílcích. Ovšem to lze skutečně posoudit pouze individuálně.

 

TPV7

Obr. 7: Vhodná konstrukce upínacích přípravků musí zajistit
jejich dlouhodobou provozní spolehlivost a opakovaně stejné upnutí
svařovaných dílců.

 

Robotizované svařování malosériové, opakované nebo jednorázové výrobě svařenců

Stále převládá obecný názor, že se investice do robotizovaného svařování vyplatí při velkosériové výrobě svařenců, že změna technické přípravy výroby je nákladná a tím pádem se svařování dílců robotem v malých sériích nevyplatí. Opak je pravdou. V zásadě stačí získat jen více informací.

Skutečností je, že firmy vyrábějící svařence ve velkosériové výrobě se bez robotizovaného svařování již neobejdou. Ovšem svařovací robot je rovněž ideálním řešením pro svařování
dílců v opakované i malosériové výrobě.

Uveďme si příklad z naší praxe. Firma vyrábí ocelový školní nábytek, především židličky a stoly. Má velice širokou nabídku, v mnoha případech je nucena upravovat standardní konstrukci svých výrobků podle přání zákazníka. Ve výsledku přes 50 % zakázek této firmy tvoří výrobky, které jsou A-typem a vyrábí se pouze pro tuto jednu zakázku. Dále se již tento model zpravidla neopakuje. Průměrný počet kusů v jedné zakázce činí 100–150.

Aby byla firma schopna dodat 100 stejných židliček nebo stolů, musí si pro tento model vyrobit svařovací přípravek. Do tohoto momentu je v zásadě jedno, jestli se budou dílce
svařovat ručně nebo svařovacím robotem. Pokud se bude svařování provádět ručně, jeden svářeč je schopen tuto zakázku svařit za 5 pracovních dnů. Pokud se bude provádět svařování robotem, sestavení a odladění svařovacího programu robota zabere zkušenému programátorovi cca 3 hodiny práce. Robot pak svaří všechny požadované kusy za jednu pracovní směnu.

Pokud tedy tato firma vytíží svařovacího robota na jednu směnu, činí obecná návratnost investice 12–20 měsíců. Pokud bude robot vytížený na dvě směny, bude tato návratnost
přibližně o 1/3 rychlejší.

 

TPV8

Obr. 8: Svařovací přípravek pro svařování školních židliček.

 

TPV9

Obr. 9: Obotizované pracoviště pro svařování dílců v malosériové
opakované výrobě. Obsahuje tři stanoviště, svařují se zde
především podstavce kompresorů pro jejich transport.

 

Co dodat na závěr?

Robotizované svařování má celou řadu výhod, ale také úskalí. Úskalí se není nutné obávat, je potřeba však vzít je do úvahy a tím předejít zbytečným problémům a případným vícenákladům.

O dalších úskalích robotizovaného svařování přineseme ještě další články v následujících vydáních časopisu. Pokud máte další otázky, neváhejte nás kontaktovat nejlépe prostřednictvím e-mailu hadyna@hadyna.cz.

 

TPV10

Obr. 10: Další robotizované pracoviště pro opakovanou výrobu
dílců v malých sériích. Zde se svařují kolové nosníky pojezdových regálů.