Analýza vzniku vad při robotickém svařování ve firmě Matador a možnosti jejich eliminace.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

PODĚKOVÁNÍ

Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce

panu Ing. Jaromíru Moravcovi Ph.D. za poskytnutí cenných rad, vedení a trpělivost, díky kterým dospěla tato práce ke zdárnému konci.

Dále bych chtěl poděkovat panu Smrkovskému za cenné informace a možnost zpracování diplomové práce v závodu Matador Automotive ČR, s.r.o, Liberec.

V neposlední řadě děkuji své rodině za pomoc a trpělivost.

Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS21122/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.

(6)

Analýza vzniku vad při robotickém svařování ve firmě Matador a možnosti jejich eliminace.

Analysis of defects by robotic welding in the plant Matador and possibilities of their elimination.

ABSTRAKT:

Diplomová práce shrnuje informace o vzniku závad při robotickém svařování ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o, Liberec a navrhuje možnosti eliminace závad

Klíčová slova: Robotické svařování, eliminace závad

ABSTRACT:

The Diploma thesis summarizes information about defects by robotic Welding in theplant Matador Automotive CR, s.r.o., Liberec and suggests possibilities of defects elimination

Keywords: Robotic welding, defects elimination

(7)

FS TUL Diplomová práce Václav Vodička

______________________________________________________________________

Analýza vzniku vad při robotickém svařování 5

Obsah

1 ÚVOD ... 8

2 TEORETICKÁ ČÁST... 9

2.1 Fyzikální podstata obloukového svařování ... 9

2.2 Svařování v ochranných atmosférách ... 11

2.3 Způsoby přenosu kovu v oblouku ... 12

2.3.1 Zkratový přenos kovu ... 13

2.3.2 Přechodová oblast ... 14

2.3.3 Bezzkratový přenos kovu ... 14

2.3.4 Svařování impulzním proudem ... 15

2.4 Nejdůležitější metalurgické reakce při MAG svařování ... 16

2.4.1 Vliv svařovacích parametrů na geometrii svaru ... 16

2.4.2 Svařovací parametry ... 17

2.5 Robotické svařování ... 22

2.5.1 Roboty určené pro MAG svařování ... 22

2.5.2 Pomocná svařovací zařízení ... 24

2.6 Vady svarů vyskytující se při robotickém svařování ... 25

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST... 29

3.1 Popis svařence ... 29

3.2 Stávající průběh výroby a zajištění kvality ... 31

3.3 Vybavení automatizovaných pracovišť pilotního svařence ... 32

3.4 Posouzení jakosti svařence A58, metodika řešení ... 33

(8)

______________________________________________________________________

3.5 Příčiny závad vzniklých při svařování ... 38

3.6 Návrh opatření ... 39

3.6.1 Svarová mezera ... 40

3.6.2 Opotřebení kontaktních průvlaků ... 46

3.6.3 Poloha a sklon hořáku ... 48

3.6.4 Vzdálenost kontaktní špičky ... 50

3.6.5 Čištění hořáku a průtok plynu ... 51

3.6.6 Nastavení svářečky Transpuls Synergic 4000 ... 51

3.6.7 Nastavení robota, délka svaru ... 52

3.6.8 Pracoviště dováření, vizuální kontroly a oprav svarů OP40 ... 53

3.6.9 Možnost negativního ovlivnění kvality vzniklé uspořádáním výroby ... 54

4 POROVNÁVÁNÍ A VYHODNOCENÍ ... 57

4.1 Ověření opatření metalografickými výbrusy ... 57

4.2 Porovnání nákladů při zapálení mimo svar ... 60

4.3 Porovnání nákladů na kontaktní průvlaky ... 61

4.4 Vyhodnocení zbylých opatření ... 62

5 ZÁVĚR ... 63

Seznam příloh

Příloha 1: Katalog opatření………...……….67

(9)

______________________________________________________________________

Seznam použitých zkratek a symbolů MAG Metal Active Gas

TIG Tungsten Inert Gas

I proud [A]

U napětí [V]

L_p vzdálenost kontaktní špičky, délka svarové housenky [mm]

L_d výlet drátu [mm]

D průměr drátu [mm]

t čas [s]

vs rychlost svařování [m∙min^-1] v_d rychlost podávání drátu [m∙min^-1] W šířka housenky [mm]

Qv měrné vnesené teplo [J.m^-1]

ηo účinnost přenosu elektrického oblouku [%]

s_min minimální tloušťka plechu [mm]

t_B hloubka svarové lázně [mm]

b_B šířka svarové lázně [mm]

l_B délka svarové lázně [mm]

b_n šířka svaru [mm]

h_n převýšení svaru [mm]

s_min nejmenší tloušťka plechu svarového spoje [mm]

a velikost svaru [mm]

U_eo napětí na oblouku [V]

Ua úbytek napětí v anodové oblasti [V]

Us úbytek napětí v obloukovém sloupci [V]

Uk úbytek napětí v katodové oblasti [V]

OP operace

PSA Peugeot Societé Anonyme

(10)

______________________________________________________________________

1 Úvod

Automobilový průmysl je v posledních letech konfrontován s novou konkurenční situací na světových trzích. Nasycení tradičních trhů v USA a v západní Evropě a nárůst výkonné asijské konkurence způsobuje tvrdý konkurenční boj o přízeň každého zákazníka. Tento trend nevynechává ani dodavatelské firmy automobilového průmyslu.

Zákazník požaduje individualizované a kvalitní výrobky při dobrém poměru ceny a výkonu. Pro uspokojení požadavků zákazníka a pro udržení konkurenceschopnosti se musí výrobní podnik koncentrovat na tři cíle: zvyšování kvality svých výrobků, zkrácení doby vývoje nových výrobků a snižování nákladů. [1]

Tyto cíle tvoří tzv. „magický trojúhelník“ zobrazený na obrázku 1. Obrázek vyjadřuje konkurenční vztahy mezi výše uvedenými cíli. Zlepšením jedné dimenze dojde ke zhoršení druhé nebo obou ostatních [1].

Firma Matador Automotive ČR, s.r.o. se zabývá výrobou komponentů pro automobilový průmysl. V její pobočce v Liberci jsou svařovány výztužné tyče přístrojové desky pro různé výrobce automobilů. Jedná se o svařenec, na kterém je upevněna přístrojová deska a další řídicí prvky ve vozidle. Únosnost svarů na této součásti má přímý vliv na bezpečnost osob ve vozidle. Svarové spoje této součásti jsou při jízdě vozidla dynamicky namáhány, a proto musí být provedeny s odpovídající kvalitou.

Při svařování vznikají vady, které mohou ovlivnit únosnost těchto svarů. Cílem této práce je navrhnout opatření k odstranění vad svarů na pracovištích robotického svařování. Zlepšením kvality svarů by zároveň nemělo dojít k nadměrnému růstu nákladů nebo výrobní doby.

Obr. 1 Magický trojúhelník [1]

(11)

______________________________________________________________________

2 Teoretická část

Teoretická část práce je věnována vysvětlení principu metody svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře aktivního plynu, včetně vlivu procesních parametrů na geometrii svarové lázně. Dále jsou zde popsány základní principy aplikované při automatickém svařování pomocí průmyslových robotů a také nejčastější závady, které mohou při tomto procesu vznikat.

2.1 Fyzikální podstata obloukového svařování

Podstatou všech metod patřících do skupiny obloukového svařování je elektrický oblouk využitý k tavení materiálu. Jedná se o výboj v plynech a můžeme si jej představit jako plynový elektrický vodič. Elektrický proud ve sloupci elektrického oblouku je přenášen téměř výlučně elektrony, které mají 100x vyšší pohyblivost než ionty. [2] Jeho výkon, geometrický tvar a teplotu je možno měnit podle technologických požadavků. Fyzikální a metalurgické děje probíhají velmi rychle a za vysokých teplot.

Pro svařování je využita disociační a ionizační energie plazmatu, která se uvolňuje v okrajových částech oblouku. Obecně je oblouk složen ze tří základních částí, které jsou viditelné na schematickém obrázku 2. Jeho uspořádání a teplota dosažená v jednotlivých jeho částech závisí na použitém druhu svařovacího proudu a na procesních parametrech.

Obr. 2 Základní části elektrického oblouku [3]

(12)

______________________________________________________________________

Jako je uvedeno ve vzorci (1), skládá se celkové napětí na oblouku z úbytku napětí v anodové oblasti, úbytku napětí v obloukovém sloupci a úbytku napětí v katodové oblasti.

𝑈_𝑒𝑜 = 𝑈_𝑎+ 𝑈_𝑠+ 𝑈_𝑘 [V] (1)

Ueo celkové napětí na oblouku Ua úbytek napětí v anodové oblasti Us úbytek napětí v obloukovém sloupci Uk úbytek napětí v katodové oblasti Uk

Teplo vnesené do materiálu závisí u obloukových metod svařování do značné míry na způsobu regulace délky oblouku. Obecně mluvíme o statické charakteristice zdroje, která může být podle zvolené metody svařování strmá, polostrmá, nebo plochá.

Při robotickém svařování je nezbytná samoregulace délky oblouku, a proto jsou používány zdroje s plochou statickou charakteristikou [4].

Charakteristika oblouku je funkcí délky oblouku, složení ochranné atmosféry, materiálu elektrody a tlaku plynu. V případě ploché charakteristiky je při svařování každá změna délky oblouku (změna velikosti napětí), reprezentována poměrně značnou změnou svařovacího proudu tak, jak je zřejmé z obrázku 3.

Obr. 3 Plochá charakteristika elektrického oblouku [5]

To způsobí intenzivnější, nebo naopak pomalejší odtavování tavící se elektrody, čímž je délka oblouku neustále automaticky regulována. [4,5]

(13)

______________________________________________________________________

2.2 Svařování v ochranných atmosférách

Svařovací metoda tavící se elektrodou v aktivním ochranném plynu je jedním ze způsobů svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách. Podle normy ČSN EN ISO 4063 je tato metoda označována trojčíslím 135. Další variantou svařování v ochranných atmosférách je metoda MIG podle ČSN EN ISO 4063 označená trojčíslím 131, která pracuje na stejném principu, ale využívá ochranné atmosféry inertních plynů, jako je např. argon, helium nebo jejich směsi.

Hlavní rozdíl mezi oběma metodami je ten, že v případě metody MIG inertní plyn nereaguje s materiálem a oproti tomu u metody MAG vstupuje aktivní plyn do chemických reakcí s materiálem. Svařování v ochranných atmosférách je celosvětově nejvyužívanější způsob tavného svařování, umožňuje svařování ve všech polohách a je vhodný pro automatizované i robotizované svařování. [6, 7]

Princip svařovacího procesu metodou MAG

Při svařování tavící se elektrodou v ochranných atmosférách hoří elektrický oblouk v ochranném plynu mezi tavící se elektrodou a základním materiálem (viz obr. 4).

Obr. 4 Princip svařování v ochranné atmosféře s odtavující se elektrodou [16]

Tavící se elektroda současně slouží jako přídavný materiál. Během svařování se hořák pohybuje ve směru svařování a tavící se elektroda je pomocí kladek podávána do místa

(14)

______________________________________________________________________

svarové lázně. Ochranný plyn chrání tavící se elektrodu, elektrický oblouk i svarovou lázeň před atmosférickými vlivy, především před přístupem kyslíku, dusíku a vodíku.

Při svařování metodou MAG se využívají směsné ochranné atmosféry na bázi argonu s přídavkem aktivních plynů např. CO₂ a / nebo O₂, respektive čistý CO₂ . [4]

Při MAG-svařování s vysokými proudy může být přimícháno i helium. Při svařování je tavící se elektroda většinou připojena ke kladnému pólu. Při tomto zapojení dochází ke stejnoměrné a klidné tvorbě kapek a profil závaru je hlubší než při opačné polaritě.

Při tomto zapojení je dosažen stabilní svařovací proces s relativně konstantním odtavováním elektrody. [6,8]

2.3 Způsoby přenosu kovu v oblouku

Při obloukovém svařování mohou nastat různé způsoby přenosu kovu v oblouku.

Způsob přenosu kovu závisí především na velikosti svařovacího proudu a napětí, použitém ochranném plynu, ale také například na průměru tavící se elektrody.

Se způsobem přenosu kovu úzce souvisí charakteristika kapek přenášeného materiálu, tzn. objem kapky, frekvence přenosu i rychlost odtavování. Od toho se odvíjejí různé druhy přenosu kovu a jejich vhodnost pro svařovací úlohy. Na obrázku 5 jsou znázorněny druhy oblouku v závislosti na proudu, respektive rychlosti podávání drátu v_d a svařovacím napětí. [4]

Obr. 5 Druhy oblouku [4]

(15)

______________________________________________________________________

Způsob přenosu materiálu elektrickým obloukem ovlivňuje průběh metalurgických reakcí a celkovou efektivnost svařování. Má vliv na rozstřik, schopnost svařovat v polohách, tvar a kvalitu povrchu vytvořené housenky, ale i na mechanické vlastnosti svarového kovu. [2]

Základní rozdělení způsobů přenosu kovu je na zkratový a bezzkratový přenos kovu.

Mezi těmito oblastmi se nalézá tzv. přechodová oblast. Pro svařování metodou MAG se využívá zkratový, kapkový, sprchový a impulzní přenos kovu, případně přenos kovu rotujícím obloukem. [15] Na obrázku 6 je znázorněno rozdělení jednotlivých způsobů přenosu kovu v závislosti na efektivní hodnotě svařovacího proudu a napětí.

Obr. 6 Druhy přenosu kovu v oblouku [15]

2.3.1 Zkratový přenos kovu

Při zkratovém přenosu kovu se svařovací proud pohybuje v rozmezí 60 až 180 A a napětí v rozmezí 14 až 22 V, což odpovídá výkonu odtavení přídavného materiálu mezi 1 až 3 kg∙h^-1. Uvedené rozmezí však souvisí s použitou ochrannou atmosférou a částečně i s kombinací typu základního a přídavného materiálu.

Při tomto způsobu přenosu kovu dochází k přerušování elektrického oblouku zkratem.

Růstem odporu se svařovací elektroda zahřívá a vlivem elektromagnetických sil dochází ke tvorbě kapek, natavená tavící se elektroda se vlivem posuvu přiblíží ke svarové lázni a při zkratovém doteku se kapka oddělí. Použití je především pro svařování tenkých

(16)

______________________________________________________________________

plechů, kořenových vrstev tupých svarů, překlenutí širších mezer, svařování polohových svarů, svařování vysokolegovaných ocelí. [7, 6, 4]

Zrychlený zkratový přenos kovu (RapidArc)

Parametry pro zrychlený zkratový přenos kovu jsou u proudu v rozmezí 280 až 300 A a napětí v rozmezí 14 až 22 V [5]. Tavící se elektroda je vysokou rychlostí podávání tlačena do svarové lázně pod velkým úhlem sklonu hořáku. Při velké délce výletu drátu je elektroda dostatečně předehřívána vysokým proudem a odtavována s vysokou frekvencí zkratů. Z tohoto důvodu je i vyšší výkon odtavení materiálu, který se pohybuje od 3 do 10 kg∙h^-1. Použití zrychleného zkratového přenosu kovu je vhodné pro vysoké rychlosti a výkony svařování, zejména pak pro tenké plechy do 1 mm, kořeny svarů a pro polohové svary. [6]

2.3.2 Přechodová oblast

Svařovací parametry se pro přechodovou oblast pohybují u proudu v rozmezí 180 až 240 A a u napětí 22 až 28 V [4]. Přechodová oblast se nalézá v pásmu mezi zkratovým a bezzkratovým přenosem kovu. Vyznačuje se tvorbou velkých kapek, které se vlivem gravitační síly uvolňují do svarové lázně. V této oblasti probíhají nepravidelné zkraty a nestabilní hoření oblouku. Z důvodů velkého povrchového napětí se výrazněji projevuje v atmosféře CO2. Díky hrubé svarové housence a výraznému rozstřiku se tento přenos nedoporučuje. [6]

2.3.3 Bezzkratový přenos kovu

Bezzkratový přenos kovu je možné v závislosti na hodnotě svařovacího proudu dále rozdělit na kapkový a sprchový přenos kovu, moderovaný přenos kovu, případně přenos kovu rotujícím obloukem.

Sprchový přenos kovu

Parametry pro sprchový přenos kovu jsou u proudu v rozmezí 200 až 500 A a napětí v rozmezí 28 až 40 V. S tím souvisí i výkon odtavení, který se pohybuje mezi

(17)

______________________________________________________________________

3 až 12 kg∙h^-1. Vysoký proud a napětí způsobují zvýšenou frekvenci oddělování kapek a snížení jejich velikosti.

Přenos se vyznačuje dlouhým obloukem a vysokou proudovou hustotou. Při sprchovém přenosu vzniká hladký a čistý povrch housenky bez rozstřiků, ale i velké vnesení tepla do materiálu, protože oblouk nezhasíná. Vzhledem k velkému množství vneseného tepla se sprchový přenos kovu využívá na svařování výplňových housenek u velkých tlouštěk materiálů, zejména při svařování ve vodorovné poloze. [4, 6]

Moderovaný bezzkratový přenos RAPID MELT

Moderovaný bezzkratový přenos kovu se svými parametry pohybuje u napětí mezi 40 až 50 V a proud v rozmezí 450 až 750 A. Proto se tento způsob řadí mezi vysokovýkonné metody svařování. Rychlost podávání drátu u této metody se pohybuje v rozmezí od 20 do 45 m∙min^-1. Výkon odtavení při této rychlosti podávání drátu je až 25 kg∙h^-1. Přenos probíhá ve směsných plynech, nejčastěji ve směsi 92% Ar a 8% CO_2.

Využití je pro vysoké rychlosti svařování při velké tloušťce materiálu. [6, 4]

Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu

Další vysokovýkonnou metodou svařování je dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu.

Parametry svařovacího procesu jsou u tohoto způsobu přenosu kovu u napětí v rozmezí 35 až 65 V a u proudu v rozmezí 450 až 750 A, což odpovídá rychlosti podávání drátu v rozmezí 20 až 45 m∙min^-1. Vysokým proudem je drát předehříván na teplotu tavení, proud taveniny se na konci drátu zužuje na tenký paprsek a je roztáčen působením elektromagnetického pole. Využití této metody je pro vysoké rychlosti svařování, umožňuje velmi dobrý závar do boků svarové plochy a vytváří hluboký a široký svar.

[6, 4]

2.3.4 Svařování impulzním proudem

Pracovní oblast při svařování impulzním proudem zasahuje do zkratové i bezzkratové oblasti přenosu kovu. V praxi se při svařování impulzním přenosem kovu pracuje převážně s bezzkratovým procesem. Jedná se o pulzování elektrického proudu a přenos kovu se uskutečňuje ve frekvenci daného tvarem impulzu. Většinou se pohybuje

(18)

______________________________________________________________________

frekvence impulzů mezi 50 až 500 Hz. Ve fázi pulzu se přesune jedna nebo více kapek do svarové lázně. Pro nízký svařovací proud se používá nižší frekvence kapek. Tímto způsobem přenosu kovu je udržována konstantní velikost kapky.

Impulzní přenos materiálu probíhá bez zkratů, nevytváří se rozstřik a je využitelný v ochranné atmosféře kde je alespoň 80% podíl argonu. Další předností impulzního procesu je menší náchylnost ke vzniku pórů a menší množství tepla vneseného do materiálu. Je vhodný pro svařování tenkých plechů a pro svařování v polohách. Také je vhodný pro svařování hliníku a jeho slitin, případně pro svařování vysokolegovaných ocelí. [8, 4]

2.4 Nejdůležitější metalurgické reakce při MAG svařování

Nejdůležitějšími metalurgickými reakcemi jsou oxidační a dezoxidační procesy probíhající v kapkách tavící se elektrody a v roztaveném kovu svarové lázně. Tyto reakce ovlivňují tvar oblouku, vnitřní čistotu svaru, povrch svarové housenky a její přechod do svarového kovu. Zdrojem kyslíku jsou aktivní ochranné atmosféry ArO2,

ArHeO_2, CO₂, Ar + CO₂. V případě atmosfér s CO₂ se jedná o disociaci molekul CO₂ na 2CO a O₂. Vznikající kyslík způsobuje exotermickou oxidační reakci, kterou je uvolňováno teplo. Množství tepla je závislé na množství kyslíku. Toto teplo je difúzí vedeno do okolního materiálu. [9]

Při svařování čistým CO2 je výsledkem hlubší závar a oválnější tvar svarové lázně než u směsí Ar + CO₂. Nejdůležitější oxidační reakce jsou slučování O2 s Fe, Mn a Si.

Slučováním oxidu FeO s C vznikají bubliny CO, které mohou být příčinou svarových vad. Jako dezoxidační prvky se používají přídavné materiály legované s Mn, Si, a Al, které při určitém poměru vytvoří vhodnou tekutost strusky, která vyplaví vzniklé oxidy MnO, SiO2 a Al2O3 na povrch svarové lázně. [5]

2.4.1 Vliv svařovacích parametrů na geometrii svaru

Vhodnou volbou svařovacích parametrů lze zajistit stabilitu procesu, která zahrnuje stabilitu hoření oblouku, přenos kovu, rozstřik a geometrii svaru. Pomocí zdroje tepla (elektrický oblouk) se během MAG svařování natavuje základní materiál a odtavuje

(19)

______________________________________________________________________

přídavný materiál, tím se vytvoří svarová lázeň. Po ztuhnutí svarové lázně se vytvoří svar. Geometrie svaru se vztahuje k jeho průřezu. Hloubka a šířka svarové lázně se rovnají šířce a hloubce závaru hotového svaru. Další veličinou geometrie svaru je převýšení vůči základnímu materiálu. [8] Základní rozměry svarové lázně a hotového svaru jsou viditelné z obrázku 7.

Obr. 7 Rozměry svaru a svarové lázně [9]

2.4.2 Svařovací parametry

Veličiny mající největší vliv na geometrii svaru jsou především svařovací proud (rychlost podávání drátu), svařovací napětí a rychlost svařování. Jsou to tak zvané základní procesní parametry. Těmito veličinami lze také podle vzorce (7) vyjádřit teplo Qv vnesené na jednotku délky svaru.

𝑄

_𝑣

= 𝜂

_𝑜∙^{60𝑈∙𝐼}_𝑣

𝑠 (7)

Q_v měrné vnesené teplo [J∙m^-1]

ηo účinnost přenosu elektrického oblouku I svařovací proud [A]

U svařovací napětí [V]

vs rychlost svařování [m∙min^-1]

Hodnota vneseného tepla ovlivňuje také velikost deformací po svaření a ovlivňuje vlastnosti materiálu a šířku tepelně ovlivněné oblasti. Mezi další parametry, které mají

(20)

______________________________________________________________________

vliv na kvalitu svarového spoje, patří proudová hustota, polarita na elektrodě, výlet drátu, vzdálenost kontaktní trysky, průměr tavící se elektrody, druh a průtokové množství ochranné atmosféry, sklon drátu vůči povrchu svařovaného materiálu, poloha svařování, geometrie svaru a další technologické parametry. [4]

Proud a napětí

Při MAG-svařování je velikost proudu závislá na rychlosti podávání svařovacího drátu (viz obr. 8). Svařovací proud má největší vliv na tvar svaru. S rostoucím proudem se zvětšuje rychlost odtavení a tím i velikost svarové lázně a hloubka závaru. Pokud je zachováno konstantní napětí, bude růst šířka svarové lázně se zvětšující se rychlostí posuvu drátu. Velikost svařovacího proudu ovlivňuje charakter přenosu kovu v oblouku. Při zvýšení napětí při konstantním proudu a posuvu drátu se současně redukuje hloubka závaru a přesah převýšení svaru. [2]

Obr. 8 Nastavení proudu a napětí [5]

Napětí na oblouku je důležité pro dosažení optimálních podmínek samoregulace délky oblouku a ustáleného pracovního bodu.

Rychlost svařování

Zmenší-li se svařovací rychlost (v_s) při stejném výkonu zdroje, zvětší se tepelný příkon vnesený na jednotku délky svaru a s tím se zároveň zvětší šířka svaru. S rostoucí

(21)

______________________________________________________________________

svařovací rychlostí se zmenšuje šířka svaru, roste převýšení svaru a mírně se zvětšuje hloubka závaru až do rychlosti, při které se svarové plochy stačí natavovat.

Po překročení této rychlosti velikost závaru klesá. [10]

Pro ruční svařování jsou používány rychlosti 0,1 až 0,4 m∙min^-1. Při strojním svařování lze dosáhnout rychlostí překračujících 1 m∙min^-1. [4]

Průměr svařovací elektrody (drátu)

Pro každý průměr drátu je určen optimální proud a napětí. Průměrem drátu a velikostí proudu může být regulována frekvence přenosu kapek kovu v materiálu. Také chemické složení drátu má vliv na způsob přenosu kovu. Nízký obsah manganu a křemíku zvyšuje frekvenci přenosu kovu. Při výběru průměru drátu lze vycházet z tloušťky a druhu svařovaného materiálu, druhu spoje, polohy svařování a typu ochranné atmosféry.

Z hlediska kvality povrchu svaru je výhodnější malý průměr svařovací elektrody, protože dává větší množství malých kapek. Větší průměr drátu je ekonomicky výhodnější a svarová housenka je přesněji umisťována. Velikost kapek lze regulovat pulzním svařováním, při kterém lze dosáhnout řízené velikosti kapek. Od průřezu svařovacího drátu a velikosti proudu se také odvíjí proudová hustota. S růstem proudové hustoty při konstantním napětí roste hloubka protavení. [4]

Výlet drátu a vzdálenost kontaktní špičky

Změna vzdálenosti kontaktní špičky od základního materiálu při konstantním napětí vede ke změně výletu drátu. S rostoucí délkou výletu drátu roste teplota předehřevu způsobená zvětšujícím se odporem drátu. Podle toho se mění tvar svarové lázně. Na vzdálenost kontaktní špičky má vliv typ přenosu kovu a ochranný plyn. [6]

Pro výlet drátu jsou doporučeny hodnoty podle vzorců (3) a (4):

𝐿_𝑑 = 5 + 5 ∙ 𝑑 platí pro svařování v oxidu uhličitém, (3) 𝐿_𝑑 = 7 + 5 ∙ 𝑑 platí pro svařování v plynných směsích (4) Ld výlet drátu [mm]

d průměr drátu [mm]

(22)

______________________________________________________________________

Z provozního hlediska je však mnohem výhodnější stanovit vzdálenost kontaktní špičky od povrchu materiálu. Na obrázku 9 je schematicky znázorněn výlet drátu i vzdálenost kontaktní špičky. Doporučená vzdálenost kontaktní špičky je pro zkratový přenos kovu dána rovnicí (5) a pro bezzkratový přenos kovu rovnicí (6).

𝐿_𝑝 = 10𝑑 + 1 platí pro zkratový přenos kovu (5)

𝐿_𝑝 = 10𝑑 + 3 platí pro bezzkratový přenos kovu (6) Lp vzdálenost kontaktní špičky [mm]

D průměr drátu [mm]

Obr. 9 Vzdálenost kontaktní trysky (8)

Při výletu elektrody větším než je doporučená vzdálenost dochází k většímu rozstřiku a horší ochraně tavné lázně. Klesá svařovací proud a roste odpor volného konce svařovacího drátu. Této skutečnosti se využívá, pokud je třeba zabránit nadměrnému protavení. [4]

Druh a množství ochranného plynu

Pro argon a směsi argonu s kyslíkem je typický úzký závar v kořenové části svaru.

V případě směsi 82% Ar + 18% CO2 je závar o něco širší. Se stoupajícím obsahem CO2

se šířka závaru ve spodní části svaru rozšiřuje. Při vysokém podílu CO2 nebo v případě čistého CO2 v ochranné atmosféře vzniká hluboký a široký profil svarové housenky.

(23)

______________________________________________________________________

Při stejné rychlosti posuvu drátu mají směsné plyny Ar + CO₂ skoro stejnou hloubku závaru jako čistý CO2. Nedostatkem při svařování čistým CO₂ je značný rozstřik. [6, 9]

Sklon hořáku vůči povrchu svařovaného materiálu

Podélný sklon hořáku (ve směru svařování) má vliv na tvar svaru, velikost závaru, převýšení a šířku svaru. Používá se nastavení hořáku pro svařování vpřed, vzad, případně pro kolmé vertikální svařování.

Obr. 10 Vliv sklonu hořáku na geometrii svarové lázně [4]

Při svařování vpřed (viz obr. 10a) se působením tepla na větší plochu zmenšuje hloubka protavení a zvětšuje se šířka lázně. Znamená to větší náchylnost ke vzniku neprůvarů a pórů z důvodů nedostatečné ochrany kořene.

Při svařování vzad (viz obr. 10b) dochází k hlubšímu závaru, menší šířce svaru a velkému převýšení svaru, kov je vtlačován do svarové lázně. Vertikální svařování (viz obr. 10c) pak vytváří průměrné hodnoty mezi svařováním vpřed a vzad.

Dalším parametrem je posuv ve směru osy Y (vyosením hořáku vůči svaru v příčném směru). Vyosení hořáku v ose Y má velký vliv na geometrii a provedení svaru. Toto vyosení souvisí s odvodem tepla svařovaných materiálů a jeho praktický význam je znázorněn v experimentální části této práce. [4]

(24)

______________________________________________________________________

Svarová mezera a její tvar

Pro správné provedení kvality svaru je důležitá příprava svarových ploch a lícování svařovaných součástí. V případě automatického svařování je poloha svařovaných dílců vůči sobě zajištěna svařovacím přípravkem. Nicméně i při tomto uspořádání může dojít ke změnám svarové mezery mezi jednotlivými svařovanými komponenty.

2.5 Robotické svařování

Na rozdíl od jiných oblastí je průmyslový robot v oblasti svařování přímým výkonným členem výrobního systému. Pojmem průmyslový robot rozumíme automatické manipulační zařízení, volně programovatelné a vybavené technologickou nebo úchopnou výstupní hlavicí. Svařovací roboty se používají ve skupinovém nasazení v pružných výrobních linkách nebo ve formě robotizovaných pracovišť, které jsou napojeny na dopravní a manipulační systém. Svařovací roboty mají různá konstrukční uspořádání, která se volí podle účelu jejich použití a požadované přesnosti. [7, 11]

2.5.1 Roboty určené pro MAG svařování

Z rozmanité škály kinematických struktur průmyslových robotů jako jsou kartézský, cylindrický, sférický typ nebo typ SCARA, se v moderních svařovnách v současné době nejvíce používá angulární typ robota (viz obr. 11), který je tvořen ze šesti rotačních jednotek a využívá složený souřadnicový systém.

Obr. 11 Angulární typ robota [11]

(25)

______________________________________________________________________

Výhodou angulárního robota je jeho pracovní prostor, který má širokou variabilitu, jeho uspořádání, které umožňuje pracovat poblíž osy Z. Je poháněn elektrickými servo-pohony a je u něj aplikováno dráhové řízení. U tohoto řízení je v každém časovém okamžiku kontrolována rychlost a poloha pohybových os tak, aby byla dosažena požadovaná pohybová trajektorie. [11] Jedná se o zpětnovazebné řízení, které je schopné reagovat na signály vnějších senzorů v reálném čase.

Podíl angulárních robotů na celkovém množství vyráběných průmyslových robotů trvale roste a v současné době činí ca. 75% vyráběných robotů. U těchto robotů je přesnost umisťování výstupního členu ± 0,05 mm. [6]

Řídicí systém

Řídicí systém průmyslových robotů a manipulátorů je samostatný funkční blok a zajišťuje především řízení souslednosti a průběhu jednotlivých úkonů vykonávané technologické nebo manipulační operace, na základě programu, kterým je vybaven.

Na obrázku 12 je schematicky znázorněn vstup programu do řídicího systému robota a blokové schéma řídicího systému svařovacího procesu. Program je sestaven z časově závislých povelů a údajů za účelem řízení manipulačního zařízení pro provedení požadovaných úkonů.

Obr. 12 Schéma řídicího systému [6]

(26)

______________________________________________________________________

U svařovacích robotů zajišťuje řídicí systém celý svařovací proces za účelem dosažení kvalitních svarových spojů. Tento proces se v případě MAG-svařování skládá z řízení pohybu orientovaného pracovního nástroje (hořáku) po předepsané křivce (trajektorii) předepsanou rychlostí pohybu a současné řízení technologických parametrů svařování (regulace časového průběhu svařovacího proudu, napětí na oblouku, délky oblouku, rychlost podávání drátu, průtok ochranného plynu atd.).

2.5.2 Pomocná svařovací zařízení

Pomocná svařovací zařízení jsou dělena na upínací přípravky a svařovací polohovadla.

Upínací přípravky zabezpečují rozměrovou jednotnost svařenců v sériové výrobě.

Zajišťují vzájemnou polohu svařovaných částí tak, aby bylo po svaření dosaženo požadovaného tvaru a rozměrů konečného svařence. Umožňují potřebnou deformaci svařovaných podsestav konečného svařence, ale zároveň zpevňují konstrukci celého svařovaného dílu a zachovávají tak předepsané výrobní tolerance. Mimo jiné zajišťují pomocí pneumatických upínek a senzorů polohy správnou vzájemnou polohu i velikost svarové mezery mezi součástmi, včetně hlídání vložení všech dílů sestavy při sériovém svařování. Provedení svařovacího přípravku ovlivňuje celý svařovací proces.

Upnuté součásti ve svařovacím přípravku pro automatické svařování musí být přístupné pro svařovací hořák upevněný na robotu. Svary by měly být dostupné v preferovaných polohách pro svařování (PA, PB), aby mohly být svary provedeny v požadované kvalitě. Nedostatečná tuhost a nesprávná konstrukce svařovacích přípravků, nebo jejich opotřebení způsobuje vady svarů, jako jsou neprůvary, studené spoje, případně zápaly či nadměrná asymetrie svaru. [6]

Svařovací polohovadla jsou napojena na řídicí systém robota a slouží k synchronizaci svařovacího přípravku se svařovanými součástmi s pohyby svařovacího robota v pracovním prostoru. Účelem je dostat svařenec i hořák vůči sobě do optimální svařovací polohy. Konstrukčně bývají polohovadla vybavena více upínacími plochami pro svařovací přípravky (např. otočný stůl, nebo buben). [11] Na obrázku 13 je ukázáno uspořádání výrobní buňky s bubnovým polohovadlem pro zakládání svařenců.

(27)

______________________________________________________________________

Obr. 13 Bubnové polohovadlo se svařovacím přípravkem [18]

2.6 Vady svarů vyskytující se při robotickém svařování

K definování vad a jejich rozdělení do příslušných stupňů jakosti je pro ruční, poloautomatické i automatické způsoby svařování využívána norma ČSN EN ISO 5817.

Vady jsou dle této normy definovány jako nespojitosti ve svaru, nebo jako odchylka tvaru svaru od zamýšlené geometrie. Vady svaru lze rozdělit podle různých kritérií.

Například na vady svaru způsobené vlastním procesem svařování, případně na vady zapříčiněné použitým materiálem a jeho strukturou. Toto rozdělení je schematicky znázorněno na obrázku 14. [12]

Obr. 14 Vady svaru [12]

(28)

______________________________________________________________________

Předložená práce se zabývá především vadami způsobenými výrobním procesem. Tyto vady lze dále rozdělit na vnější a vnitřní vady jako na níže uvedeném obrázku 15.

Obr. 15 Vnější a vnitřní vady svaru [13]

Vnější vady svaru jsou posuzovány vizuální kontrolou, přičemž podmínky k realizaci této kontroly jsou definovány v normě ČSN EN ISO 970.

Vizuální kontrola ověřuje:

 shodu s normou pro přípustnost vad, např. ČSN EN ISO 5817

 poškození povrchu

 profil svaru a velikost převýšení

 pravidelnost povrchu, kresbu svaru

 úplnost svaru: začátek svaru a konec svaru

 hloubku zápalů podle normy přípustnosti

Kontrola vnitřních závad je nejčastěji prováděna metalografickým vyhodnocením.

Jedná se o destrukční zkoušku, při které je zničen výsledný svařenec. Provádí se jen v nutných případech, nebo pro ověření kvality výrobku v daných intervalech, které jsou určeny příslušným oddělením kvality. Kromě toho existují také nedestruktivní způsoby kontroly přítomnosti vnitřních vad jako například rentgenografické a ultrazvukové vyhodnocení, zjišťování podpovrchových vad pomocí magnetické práškové metody, případně metody využívající vířivé proudy. Každá z těchto metod však má svá omezení

(29)

______________________________________________________________________

a limity. [13]. Při svařování může nastat i kumulace vad ve svaru, jak je ukázáno na níže uvedeném metalografickém výbrusu na obrázku 16.

Obr. 16. Kumulace vad ve svaru [14]

Použité normy

Vady svaru mohou být posuzovány podle různých norem, které vycházejí z národních a mezinárodních standardů, případně z norem výrobkových. Přestože je zde snaha o mezinárodní harmonizaci norem, převzetí a akceptace výrobků je na základě požadavků definovaných obchodními smlouvami. Tam mohou být podmínky převzetí definovány na základě národních norem (ČSN, DIN), případně na základě výrobkových norem (např. VW-normy, PSA-normy atd.), nebo kombinací obojího.

Pro Českou republiku je nutné zmínit normu ČSN EN ISO 5817, kde jsou závady svarových spojů přesně definovány a podle mezních hodnot závad roztříděny do příslušných stupňů jakosti. Na obrázku 17 je ukázána část tabulky dle normy ČSN EN ISO 5817 s definicemi závad a jejich mezními hodnotami povolenými pro jednotlivé stupně jakosti. Norma platí pro tloušťky plechů větší než 0,5 mm a je použitelná pro všechny typy tupých a koutových svarů zhotovených tavným svařováním (vyjma elektronového a laserového svařování). Nejvyšší stupeň kvality B odpovídá nejvyššímu požadavku na jakost zhotovených svarů.

Stupeň jakosti je zpravidla definován zákazníkem a má přímou souvislost s použitím, případně způsobem zatěžování svařovaných dílů. Samozřejmě má požadavek na vyšší stupeň jakosti přímou souvislost s vyššími výrobními náklady.

(30)

______________________________________________________________________

Obr. 17 Ukázka tabulky závad z normy ČSN EN ISO 5817

(31)

______________________________________________________________________

3 Experimentální část

Cílem a úkolem experimentální části práce je analýza vzniku vad při robotickém svařování ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o., Liberec a nalezení možností jejich eliminace. Na základě požadavku zákazníka byla jako pilotní svařenec vybrána výztužná tyč přístrojové desky typu A58. Automobilový výrobce a přesnější specifikace vybraného produktu nebudou z důvodů utajení udávány.

V následujících kapitolách bude popsán uvedený svařenec a jeho stávající průběh výroby. Dále bude popsána navržená metodika řešení s cílem nalezení způsobu eliminace závad vznikajících na tomto svařenci. Budou zde popsány zjištěné závady vznikající při automatickém svařování a jejich příčiny. Na základě zjištěných poznatků bude navržen soubor opatření a doporučení k odstranění závad.

3.1 Popis svařence

Svařenec výztužné tyče přístrojové desky je umístěn v přední části vozidla. Jedná se o svařenec, na kterém je upevněna přístrojová deska a další řídicí prvky ve vozidle. Má přímý vliv na bezpečnost osob ve vozidle. Tuto součást je třeba posuzovat jako dynamicky namáhanou součást.

Ke svařenci byl dodán výkres sestavy, na kterém jsou zobrazeny svary W1 až W93 včetně uvedení jejich efektivní délky. Pokud nejsou na výkrese, nebo ve zkušební normě uvedeny odchylky, je třeba efektivní délky svaru uvedené na výkrese dodržet jako minimální hodnoty délky svaru. Na výkrese ani v dodavatelsko-odběratelských smlouvách není předepsána a definována velikost svaru. Pro potřeby práce byla velikost svaru odvozena z minimální tloušťky svařovaných materiálů. Výkres celkové sestavy svařence A58, na kterém jsou uvedeny materiály podskupin je ukázán na obrázku 18.

Při vlastní výrobě jsou všechny svařence označeny výrobním štítkem s čárovým kódem, na kterém je mimo jiné uveden typ součásti, číslo svařence, datum a čas jeho zhotovení.

(32)

______________________________________________________________________

Obr. 18 Výkres skladby svařence [19]

Materiál svařence

Pro jednotlivé podskupiny svařence jsou použity následující materiály:

 DD13-EN10111 – jedná se o za tepla válcovaný plech z nízkouhlíkové oceli vhodný pro tváření za studena a pro standardní svařovací procesy.

 EN10305-3-E370 + Cr 2 – jde o svařovanou bezešvou precizní ocelovou trubku, vhodnou pro standardní svařovací procesy.

 S355MC-EN10149-2 - jedná se o za tepla válcovaný plech vhodný pro tváření za studena a pro standardní svařovací procesy.

(33)

______________________________________________________________________

3.2 Stávající průběh výroby a zajištění kvality

Na zařízeních ve firmě Matador Automotive ČR, s.r.o. se pracuje ve dvou směnách.

Kapacita pracovišť je 113 hotových svařenců za směnu. Podskupiny svařence výztužné tyče přístrojové desky se svařují na dvou automatizovaných pracovištích označených OP 10 a O P20. Tato pracoviště jsou obsluhována jedním operátorem. Poté jsou svařence transportovány do automatizovaného pracoviště OP 30, kde je celý svařenec centrální tyče dovařen. Finální operace na pracovišti OP 30 je také obsluhována jedním operátorem. Mezioperační manipulace je prováděna ručně pomocí vozíků. Uspořádání automatických pracovišť je viditelné z obrázku 19.

Obr. 19 Uspořádání automatizovaných pracovišť

Po těchto automatických pracovištích jsou na konci výrobního procesu v manuální operaci označené číslem 40 svářečem ručně dovařeny dva krátké svary. Tento svářeč provádí i vizuální kontrolu kvality svarů. V případě objevení nedostatků provede svářeč potřebné opravy svarů. Takt tohoto pracovníka trvá 4 minuty. Poté je součást vložena dalším operátorem do kontrolního přípravku a je kontrolována pozice otvorů, průchodnost závitů a poloha jednotlivých výztuh a dosedacích ploch.

Zajištění kvality svařence:

 1x denně před zahájením výroby je provedeno svaření podskupiny, kontrola svarů pracovníkem kvality a uvolnění podskupiny do výroby

 1x týdně je provedena pohledová kontrola všech svarů a změření jejich délek

 1x měsíčně se operativně provádí jeden metalografický výbrus

 1x za tři měsíce se provádí kontrola celé tyče metalografickými výbrusy

(34)

______________________________________________________________________

3.3 Vybavení automatizovaných pracovišť pilotního svařence

U automatizovaných pracovišť se jedná o uzavřené výrobní buňky (svařovací boxy) s jedním až dvěma průmyslovými roboty firmy Kuka VKR6, které jsou řízeny řídicím systémem VKRC2. Tyto roboty jsou vybaveny hořáky pro svařování metodou MAG od firmy Binzel-Abicor typ Robo WH A360 a hořáky od firmy Fronius typu RA300.

Pro čištění hořáku je použito čisticí zařízení Fronius Robacta TC 1000. V buňce je umístěn otočný stůl se dvěma pozicemi, který slouží pro zakládání svařované součásti a odděluje pracovníka od robota. V některých buňkách je zakládání řešeno zakládacím přípravkem a zakládacím oknem.

Na každé pozici otočného stolu je umístěno polohovadlo a svařovací přípravek s upínkami, do kterého je upínán svařenec. Svařovací přípravek s upnutým svařencem se může otáčet kolem horizontální osy, aby byl zajištěn přístup ke všem svarům (viz obr. 20).

Obr. 20 Svařovací přípravek na otočném stole OP 20

Pro vybrané svary musí být z důvodu přístupnosti uvolněny upínky, které brání přístupu svařovacího hořáku. Trajektorie robota a polohy svařování jsou silně ovlivněny konstrukcí přípravku. V našem případě se jedná o 6 let používané přípravky s vysokým opotřebením dosedacích ploch a čepů. Z nákladových důvodů nelze konstrukci přípravku upravovat. Jako svařovací zařízení je použito zařízení Fronius Transpuls Synergic 4000, které je umístěno vně svařovacího boxu. Jako svařovací elektroda je pak

(35)

______________________________________________________________________

použit svařovací drát s označením OK AristoRod 12.50 o průměru 1 mm, v balení Multipack obsahujícím 265 kg drátu. Jako svařovací plyn je použita ochranná atmosféra M21 ve složení 18% CO2 a 82% Ar.

3.4 Posouzení jakosti svařence A58, metodika řešení

Pro posouzení důvodu vznikajících závad svarů pilotního svařence bylo vybráno a vizuálně vyhodnoceno celkem osm různých svařenců centrální tyče A58. Všech 93 svarů na každé centrální tyči bylo vizuálně zkontrolováno a na základě vyhodnocení vizuální kontroly byly vytypované svary podrobeny metalografickému vyhodnocení.

Svary pro metalografický výbrus byly vybrány podle následujících kritérií:

 svary vykazující pohledové vady podle ČSN EN ISO 5817, které mohou mít vliv na únosnost svaru

 svary z míst, kde mohou vznikat potenciální vnitřní vady, i když svary vyhověly vizuální kontrole (např. velká svarová mezera a opravované svary)

 ověřovací svary pro zjištění stability výroby a ověřovací svary po optimalizacích Na osmi centrálních tyčích bylo celkově metalograficky vyhodnoceno 48 svarů.

Svary byly posuzovány podle požadavku výrobkové normy PSA na minimální závar do základního materiálu alespoň o velikosti 0,2 mm a zároveň podle normy

ČSN EN ISO 5817. Hodnocené svary měly vyhovět alespoň stupni C dle této normy, při zachování požadavku výrobkové normy PSA na minimální závar. Minimální velikost koutového svaru a byla v hodnocených svarových spojích stanovena podle vzorce (7) na základě nejmenší tloušťky plechu.

𝑎 = 0,7 𝑠_𝑚𝑖𝑛 [mm] (7)

a minimální velikost svaru

s_min nejmenší tloušťka plechu ve svarovém spoji

Je nutno uvést, že na každém vizuálně kontrolovaném svařenci se vyskytovalo 15 až 19 opravovaných svarů provedených na pracovišti č. 40. Při vizuálních kontrolách stejných svarů se vyskytovaly různé závady. Z těchto skutečností lze usuzovat na nestabilitu výrobního procesu.

(36)

______________________________________________________________________

Metalografické výbrusy byly zpracovány v metalografické laboratoři na Technické univerzitě v Liberci. Pro přípravu metalografických vzorků byla použita rozbrušovací kotoučová pila DeltaAbrasiMet s vodním chlazením. Vzorky byly zality do Dentacrylu a po vytvrzení hmoty byly vybroušeny a vyleštěny na metalografické leštičce Phoenix 4000. Pro leštění bylo použito smáčedlo pro diamantové suspenze Metadifluid a diamantová suspenze se zrny o velikosti 3 µm. Na závěr byly vzorky pro zviditelnění struktury svaru naleptány 2% roztokem kyseliny dusičné v ethylalkoholu.

Pro rozměrovou analýzu a vyhodnocení byly vzorky nasnímány na optickém mikroskopu Neophot 21. Z nasnímaných vzorků byl vytvořen obrazový katalog metalografických výbrusů v jednotné úpravě viz přílohu 1.

V tabulce 1 je uveden přehled metalografických výbrusů, u nichž byly zjištěny vady.

Minimální velikost koutového svaru a byla při vyhodnocení stanovena podle vzorce (7) a byla dodržena u všech kontrolovaných svarů. Po dohodě se zadavatelem diplomové práce nebyla nadměrná velikost svaru brána jako vada.

Tab. 1 Závady svarů podle výsledků metalografických výbrusů

Mezi nejzávažnější závady vyskytující se v tabulce 1 patří neprůvary a studené spoje.

Tyto závady byly zjištěny u svarů W50, W65, W68 a W72. Neprůvary a studené spoje ve svarech nejsou povoleny v žádném stupni jakosti podle normy ČSN EN ISO 5817.

Navíc se stávají u dynamicky zatěžovaných součástí iniciátory vzniku a růstu trhlin a při statickém zatížení významně snižují únosnost svarů.

(37)

______________________________________________________________________

Studené spoje a neprůvary v tabulce 1 vznikly při automatickém svařování a ve většině případů je nelze metodou MAG (135) opravit. U svaru W72, který by vyhověl vizuální kontrole, byl na metalografickém výbrusu zjištěn neprůvar v kořeni svaru. Z toho lze usuzovat, že i když některé svary vyhovují vizuální kontrole, mohou obsahovat vnitřní vady. Na níže uvedeném obrázku 21 svaru W72 z katalogu závad je viditelný neprůvar v kořeni svaru.

Obr. 21 Svar č. W72, neprůvar v kořeni svaru

Další zjištěné vady jsou geometrického typu, jako je asymetrie, nerovnoměrný průřez, případně ostré přechody. Tyto vady mohou snižovat únosnost svaru a jejich maximální hodnoty jsou uvedeny v normě ČSN EN ISO 5817. Na obrázku 22 je ukázána asymetrie u svaru W23.

(38)

______________________________________________________________________

Obr. 22 Svar č.W23 asymetrie svaru

Dutiny a póry zmenšují průřez svaru a mohou snižovat jeho únosnost. Příklad pórů vzniklých při robotickém svařování, ale i při následné špatně provedené ruční opravě je pro svar W31 ukázán na obrázku 23.

Obr. 23 Póry ve svaru W31

(39)

______________________________________________________________________

Závady délek svarů

Na základě vizuálních kontrol a orientačním přeměření délek svarů bylo zjištěno, že se výjimečně vyskytly svary s kratší délkou, než je délka uvedená na výkrese sestavy.

Bohužel nikde nebylo definováno, zda se u předepsaných délek jedná o celkovou, nebo efektivní délku svarové housenky. Vzhledem k rozměrům jednotlivých komponent byly předepsané délky vztahovány na celou svarovou housenku.

Opravy svarů

V tabulce 1 je také viditelný vysoký podíl opravovaných svarů. Opravy byly zapříčiněny závadami vzniklými při automatickém procesu svařování. Opravy jsou prováděny v manuální operaci číslo 40, která následuje po automatických operacích 10, 20, a 30. Přesto, že je mnoho svarů opravováno, bylo zjištěno, že jen malé procento oprav je provedeno tak, aby opravdu došlo k odstranění opravovaných závad.

Při opravách povrchových pórů metodou MAG (135) často nedošlo k dostatečnému natavení a kovovému spojení housenek. V případě oprav neprůvarů nedošlo k jejich odstranění, jak je ukázáno například u svaru W50 na obrázku 24.

Obr. 24 Opravovaný svar W50

(40)

______________________________________________________________________

3.5 Příčiny závad vzniklých při svařování

Vzhledem k použitým materiálům svařence (kapitola 3.1) lze vyloučit, že výše uvedené závady jsou způsobeny svařovanými materiály. Všechny tři svařované materiály jsou z nízkouhlíkové oceli bez povrchových úprav a jsou vhodné pro běžné svařovací procesy. Na základě provedené analýzy lze také konstatovat, že zjištěné závady jsou způsobeny použitým výrobním procesem.

Studené spoje a neprůvary vznikají nedokonalým tavným spojením svarového kovu se základním materiálem. Jejich hlavní příčinou mohou být nevhodně zvolené svařovací parametry na svářečce Transpuls Synergic, nesprávné vedení hořáku, velká rychlost svařování vs,, případně příliš velká svarová mezera. Na automatickém svařovacím zařízení může být tato situace způsobena:

 mezerou mezi plechy

 opotřebenými nekvalitními kontaktními průvlaky

 polohou a dráhou hořáku (robot)

 nastavením svářečky Transpuls Synergic

 špatnou vzdáleností kontaktní špičky, nebo výletem drátu

Tvarové vady svaru vznikají špatným úhlem nastavení svařovacího hořáku, nevhodným pohybem svařovacího hořáku a nevhodnou svarovou mezerou.

Na automatickém svařovacím zařízení může být tato situace způsobena:

 mezerou mezi plechy

 polohou hořáku a dráhou hořáku (robot)

 opotřebenými kontaktními průvlaky

Dutiny a póry vznikají nedostatečnou plynovou ochranou, nebo příliš vysokým průtokem plynu. Vznik pórů může ovlivnit také směr svařování. Na automatickém svařovacím zařízení může být tato situace způsobena:

 špatně nastaveným průtokem plynu

 nedostatečným čištěním hořáku

 směrem svařování vpřed

 velkou vzdáleností hořáku (hubice) od místa svařování

(41)

______________________________________________________________________

Nedostatečná délka svaru vzniká nesprávným nastavením programované dráhy robota, nebo nedostupností, případně špatnou dostupností místa svařování.

V tabulce 2 jsou k jednotlivým vadám zjištěným při vizuálním a metalografickém vyhodnocení přiřazeny možné příčiny jejich vzniku.

Tab. 2 Příčiny závad v technologických zařízeních

Podle tabulky 2 byly na automatických zařízeních zjištěny k výše uvedeným závadám tyto hlavní příčiny:

 nevhodná svarová mezera, vzájemné sestavení svařovaných dílů

 opotřebení kontaktních průvlaků

 nedostatečné čištění hořáku

 nesprávná vzdálenost kontaktní špičky

 nesprávný sklon hořáku a směr svařování

 nesprávné nastavení procesních parametrů

 nevhodné nastavení robota

3.6 Návrh opatření

Pro výše uvedené příčiny závad budou v této kapitole uvedena opatření k jejich odstranění. Popis opatření se skládá z krátkého a přesnějšího popisu konkrétní příčiny, na který navazuje popis vlastního opatření. Dále zde budou uvedena doporučení pro pracoviště manuálního dováření a oprav OP 40. Na závěr bude popsána možnost negativního ovlivnění kvality vzniklého uspořádáním výroby.

(42)

______________________________________________________________________

3.6.1 Svarová mezera

Nevhodná svarová mezera a špatné sesazení svařovaných plechů může způsobit studené spoje, neprůvary, zápaly a ovlivňuje velikost svaru i hloubku závaru. Mezera mezi svařovanými součástmi je jeden z nejvýznamnějších geometrických parametrů pro provedení kvalitního svaru. Na obrázku 25 je ukázáno, jak se může velikost mezery projevit na výsledné geometrii a kvalitě svaru.

Obr. 25 Zápal z důvodu velké mezery mezi plechy (svar W18)

Opatření

Pro bezproblémový svar je třeba zajistit styk svarových ploch, v ideálním případě s nulovou svarovou mezerou. Toto tvrzení platí pro malé tloušťky materiálu, nepřesahující tloušťku 2 mm.

Dále je třeba provádět kontrolu vstupujících dílů na dodržení rozměrů ořezových hran a zaručit správné upínání ve svařovacím přípravku (eliminace vůlí z důvodu opotřebení). Musí být zajištěno pravidelné čištění svařovacího přípravku pro zajištění správné polohy svařovaných dílců. Podmínkou je také dostatečně tuhé upnutí dílů.

Vzhledem k obtížnému zajištění výše uvedených požadavků na svarovou mezeru

(43)

______________________________________________________________________

a v rámci analýzy svařovacího procesu byl proveden experiment mající za cíl zjištění maximální akceptovatelné velikosti svarové mezery.

Experiment byl realizován na trubce o průměru 50 mm s tloušťkou stěny 1,2 mm přivařené koutovým svarem k výztužné desce s tloušťkou stěny 2,5 mm. K experimentu byly použity originální sériově vyráběné komponenty, včetně používaného přípravku a pracoviště.

Podstata experimentu

Podskupina trubky byla pro experiment připravena frézováním pod úhlem 2,3°

pro dosažení rovnoměrně se zvětšující svarové mezery v rozmezí od 0 do 2 mm tak, jak je ukázáno na obrázku 25.

Svařování takto připravené trubky koutovým svarem k výztužné desce bylo provedeno v originálním svařovacím přípravku v robotové buňce operace 20. Svařování bylo realizováno dvěma svary ve směru šipek v poloze PJ podle normy ČSN EN ISO 6947 (obr. 25).

Nastavené svařovací parametry: U = 19,4 V; I = 145 A; vd = 5,4 m.min^-1 odpovídaly parametrům používaným v sériové výrobě.

Po svaření byla trubka označena ryskami po obvodu po 30°. Počátek svařování 0° byl zvolen ve shodě s obrázkem 26 a odpovídal velikosti svarové mezery 1 mm. Mezera 0 mm se nalézá v úhlu 90°, mezera 2 mm v úhlu 270°. Úhel 180° odpovídá konci svařování, opět v mezeře 1 mm

Trubka byla svařena dvěma koutovými svary 0° až 180°. První svar ve směru 0°, 30°

až 180° druhý svar 0°, 330° až 180°. Vyhodnocovaná oblast pro zjištění vlivu svarové mezery v polohách PA až PC podle ČSN EN ISO 6947 byla definována jako polovina kružnice od úhlu 270° přes 0° až do 90°. Na základě druhé půlky kružnice byla analyzována oblast PC až PE.

Po svaření byly svary nejprve nafoceny, poté rozřezány a metalograficky vyhodnoceny.

(44)

______________________________________________________________________

Obr. 26 Princip experimentu

Výsledek experimentu

Pro vyhodnocení maximální akceptovatelné velikosti svarové mezery bylo u oblasti odpovídající úhlům 0 až 90° (svarová mezera od 1 mm do 0 mm) a polohám svařování PA až PC dosaženo kvalitního svaru v celém rozmezí definovaném úhlem 0 až 90, jak je zřejmé z obrázku 27. V oblasti PC až PE definované úhlem 90° až 180° byly spojeny pouze dva svary odpovídající mezeře 0 mm a 0,13 mm (90° a 120°). Svary v mezeře 0,5 mm a 1 mm (150° a 180°) již spojeny nebyly.

(45)

______________________________________________________________________

Obr. 27 Metalografické výbrusy 0° až 120°

Pro vyhodnocení maximální velikosti svarové mezery u svaru v rozmezí úhlů 0°, 270°

až 180° (svarová mezera od 1, 2, a 1 mm) byly dostatečně spojeny pouze svary odpovídající mezeře 1 a 1,5 mm (úhel 0° a 330°). Svar odpovídající svarové mezeře 1,87 mm (úhel 300°) a všechny další svary (270° až 180°) již provařeny nebyly (viz obr. 28).

(46)

______________________________________________________________________

Obr. 28 Metalografické výbrusy 0° až 270°

Z výše uvedeného je zřejmé, že při takto sestavených komponentech byla zjištěna maximální svarová mezera pro polohu PA a PB 1,5 mm. Pro doporučení maximální velikosti svarové mezery v této oblasti, byl zvolen konzervativní přístup a navržena mezera maximálně 1 mm. Pro polohu PC až PE byla zjištěna maximální svarová mezera 0,13 mm. Pro svařování v této oblasti bylo doporučeno zajištění styku svarových ploch s mezerou 0 mm.

Okamžité opatření

Jako okamžité opatření pro zlepšení svařitelnosti v oblasti svarové mezery lze navrhnout posunutí počátku svaru na plochu silnějšího materiálu (materiál s větším odvodem tepla) přibližně 5-6 mm před vlastní svar. Zapálení oblouku a svařování na povrchu materiálu proběhne bezproblémově a v okamžiku najetí do pozice svarové mezery již bude v příslušném místě dostatek přídavného materiálu, aby bylo možné