Nowa generacja robotów spawalniczych z nowatorskim procesem spawania SP-MAG /część 1/

Dipl. Ing. Alexander Thomas (PANASONIC Industrial Europe)
inż. Mirosław Nowak (EWE) (TECHNIKA SPAWALNICZA Poznań)

TAWERS
The Arc Welding Robot System

W świecie robotów przemysłowych bardzo ważną grupę stanowią roboty przeznaczone do procesów spawalniczych. Stanowią one około 40% wszystkich zastosowań [1]. Można przypuszczać, że 90% robotów przeznaczonych do systemów spawalniczych pracuje
w oparciu o metody MIG/MAG (131, 135 według PN – EN ISO 4063:2002).

Do niedawna głównym czynnikiem wymuszającym szybki rozwój robotyzacji było zwiększenie wydajności prac spawalniczych. Obecnie równie ważnym uzasadnieniem jest konieczność zapewnienia wysokiej jakości złączy spawanych z możliwością jej monitorowania.
Roboty przeznaczone do spawania szczególnie metodami MIG/MAG przeszły ewolucję
w komunikowaniu się ze źródłem prądu (spawarką) od komunikacji analogowej poprzez cyfrową (digital) do komunikacji w pełni cyfrowej "full digital".

Najbardziej zaawansowanym etapem w rozwoju komunikacji między sterownikami robota i źródłem prądu jest najnowszej generacji zrobotyzowany system spawalniczy TAWERS (The Arc Welding Robot System) do spawania metodami MIG/MAG. Firma PANASONIC zaprezentowała tę technologię po raz pierwszy w świecie w 2004 roku na targach w Japonii. We wrześniu 2005 roku technologia TAWERS została zaprezentowana po raz pierwszy w Europie na "Olimpiadzie Spawalniczej" w Essen.

Polska premiera systemu TAWERS miała miejsce w październiku 2005 roku podczas targów INTERWELDING w Katowicach, na których system jako jedyny otrzymał wyróżnienie -Medal Targów za: "Zrobotyzowany system spawalniczy TAWERS, jego jakość i precyzję wykonania, nowoczesność i oryginalność rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych".

OPIS TECHNOLOGII
Innowacyjność systemu TAWERS zasadza się na koncepcji połączenia sterownika robota ze sterownikiem źródła prądu spawania oraz systemem monitorowania procesu spawania – co w języku angielskim nazwano skrótowo "FUSION 3-in-1".

Jest to pierwsze i jedyne w świecie rozwiązanie, gdzie nie ma klasycznego źródła prądu. Zostało ono zastąpione przez źródło prądu zintegrowane ze sterownikiem robota.

Bezpośrednie połączenie sterowników zwiększa ponad 250-krotnie szybkość komunikacji między sterownikami. W najnowocześniejszych systemach "full digital" komunikacja zwrotna następuje w ciągu kilkunastu milisekund, a w systemie TAWERS wymiana informacji następuje co 10 mikrosekund. Tak szybka komunikacja pozwala do perfekcji zarządzać głównymi parametrami spawania MIG/MAG tj. napięciem łuku i natężeniem prądu oraz utrzymywać je na praktycznie stałym poziomie.

Takie precyzyjne sterowanie parametrami spawania umożliwiło powstanie nowej odmiany metody spawania MIG/MAG tzw. procesu SP-MAG (SUPER IMPOSITION). Proces SP-MAG łączy zalety spawania tzw. łukiem krótkim i łukiem pulsującym. Dzięki superszybkiej komunikacji między sterownikami robota i źródłem prądu umieszczonych w jednym wspólnym module możliwe jest sterowane przenoszenie kropli metalu w przestrzeni międzyelektrodowej przy zasilaniu łuku napięciem stałym. Superszybka kontrola procesu umożliwia wykonanie złącza praktycznie bez rozprysków z prędkością do 1,2 metra na/minutę, w zakresie natężenia do 250 A.

Do momentu wdrożenia na skalę przemysłową zrobotyzowanego systemu TAWERS z procesem SP-MAG przyjmowało się następujące założenia:

> przy zasilaniu łukiem napięciem stałym (spawanie łukiem zwarciowym, zwarciowym krótkim, mieszanym, natryskowym) zjawiska zachodzące w przestrzeni międzyelektrodowej są niesterowalne, a sposoby przenoszenia metalu zależą jedynie od wartości parametrów napięcia, prędkości podawania drutu elektrodowego oraz rodzaju gazu osłonowego [2];

> jedną z osobliwości procesu spawania łukiem zwarciowym jest termoeksplozyjny charakter topienia i parowania metalu w czasie zwarcia. Mostek płynnego metalu powstający w chwili zwarcia, podczas spływania kropli metalu do jeziorka spoiny, przewodzi prąd kilka razy większy od wartości średniej prądu spawania, a ciepło nagromadzone w mostku powoduje bardzo szybkie wyparowanie metalu, graniczące z termoeksplozją, stwarzające niebezpieczeństwo powstania rozprysków metalu. [2]

> zmianę jakościową procesu spawania, brak rozprysków, odpowiednie wtopienie można uzyskać przez zasilanie łuku prądem pulsującym, który umożliwia sterowane przenoszenie metalu w przestrzeni międzyelektrodowej [2].

Istotę prądu pulsującego najprościej można wyjaśnić w następujący sposób:
w czasie przepływu prądu bazowego o wartości nastawianej od 20A do wartości mniejszej niż prąd krytyczny, następuje topienie metalu na końcu elektrody oraz nadtopienie krawędzi spawanych elementów, natomiast w czasie przepływu impulsu prądowego o wartości większej od prądu krytycznego następuje dzięki siłom elektrodynamicznym oderwanie kropli metalu i przemieszczenie jej do jeziorka spawalniczego [2].

W procesie SP-MAG spawamy bezodpryskowo przy minimalnych odkształceniach. Proces SP-MAG możemy wykorzystywać w zakresie natężenia do 250 A. Powyżej tej wartości system umożliwia spawanie metodą MAG, łukiem standardowym i pulsującym PULS-MAG oraz HYPER-DIP-PULS.

Na wykresie (patrz rys.1 pod artykułem) oraz rysunku (rys.2) poniżej przedstawiono tworzące się rozpryski w zależności od metody spawania i natężenia prądu.

Wykres pokazuje, że w procesie SP-MAG oraz PULS MAG ilość tworzących się rozprysków jest porównywalna i około 80-85% mniejsza niż w metodzie MAG.

Praktyczne wdrożenie procesu SP-MAG wspomagają w systemie TAWERS następujące nowatorskie rozwiązania:

1. Automatyczna kontrola długości łuku, funkcja "AUTOEXTENSION"

W przypadku natrafienia na nieprzewidziane przeszkody na drodze spawania (spoina sczepna, wybrzuszenia elementu itp.) ramię robota elastycznie unosi się w górę lub opada w dół. Utrzymywanie stałej wartości wolnego wylotu elektrody w połączeniu z kontrolą procesu umożliwia na całej drodze spawania utrzymanie zadanych parametrów.

2. Bezodpryskowe zajarzanie "LIFT-START"

Funkcję ARC LiftStart robot realizuje w ten sposób, że drut stykając się z powierzchnią spawanego detalu nie zajarza się od zwarcia, ale dopiero po bardzo szybkim uniesieniu do góry na około 2 mm. Przy płynącym prądzie dzięki jonizacji łuk zajarza się bezzwarciowo i bez charakterystycznych dla tradycyjnego sposobu zajarzania rozprysków.

3. Bezodpryskowe zakańczanie "LIFT-END"
Przy zakończeniu spawania włącza się funkcja ARC LiftEnd pozwalająca na uniknięcie krateru w spoinie.

Funkcje ARC LiftStart oraz ARC LiftEnd są szczególnie przydatne gdy w elementach spawanych są krótkie spoiny. W tradycyjnej technologii MAG przy bardzo krótkich spoinach mamy do czynienia z sytuacją, gdzie praktycznie obok siebie stykają się niebezpieczne kratery.

> Działanie funkcji "AUTOEXTENSION", "LIFT START" oraz "LIFT END" jest
możliwe dzięki 10-mikosekundowej komunikacji sterownika robota i sterownika źródła prądu.

> Funkcja "LIFT START" oraz "LIFT END" są szczególnie przydatne tam gdzie wymagane są krótkie czasy cyklu (motoryzacja).

…wkrótce kolejna część artykułu o systemie TAWERS

____________________________________________________________________________

TECHNIKA SPAWALNICZA w sposób kompleksowy zajmuje się technologiami spajania i cięcia metali. Zespół wykwalifikowanych inżynierów projektuje i wdraża systemy w zakresie mechanizacji, automatyzacji i robotyzacji procesów spawania, zgrzewania, lutowania, oraz cięcia termicznego. Firma jest integratorem zrobotyzowanych systemów spawalniczych.

Kontakt:

TECHNIKA SPAWALNICZA Sp. z o.o.
ul. Babimojska 11
60-161 Poznań
tel./fax (48 61) 862 81 61
tel. (48 61) 661 87 10
tel. (48 61) 661 90 00

____________________________________________________________________________

LITERATURA:
[1] W. Gawrysiuk B. Łeśko: Robotyzacja procesów spawalniczych na świecie i w kraju, stan, przykłady i technologie rozwojowe. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, nr 5 rok 2002.
[2] E. Dobaj: Maszyny i urządzenia spawalnicze WNT Warszawa 1994r.
[3] Materiały firmy PANASONIC.

____________________________________________________________________________

Rys. 1 i Rys. 2 – tworzące się rozpryski w zależności od metody spawania i natężenia prądu.

Wykres pokazuje, że w procesie SP-MAG oraz PULS MAG ilość tworzących się rozprysków jest porównywalna i około 80-85% mniejsza niż w metodzie MAG.

Rys. 3 Funkcja Autoextension
Rys. 4 Funkcja LiftStart
Rys. 5 Funkcja LiftEnd

Źródło: Technika Spawalnicza Sp. z o.o. http://www.techspaw.com.pl