Роботизированная сварка: процессы, преимущества и применение

Сварка — процесс соединения двух материалов нагреванием, перемешиванием и охлаждением материалов и/или наплавного металла для образования прочного стыка. От дуговой до точечной сварки, новые и б/у сварочные роботы обычно используются там, где сварка повторяется, а качество и скорость критичны. Роботизированная сварка — автоматизированный процесс, повышающий эффективность, стабильность и ROI.

Что такое роботизированная сварка?

Роботизированная сварка — использование механизированных программируемых инструментов (роботов), полностью автоматизирующих процесс сварки: выполнение шва и манипуляция деталью. Процессы вроде полуавтоматической сварки в защитных газах, хоть часто автоматизированы, не всегда эквивалентны роботизированной сварке, так как оператор иногда готовит материалы.

Роботизированная сварка часто применяется для точечного контактного сварки и дуговой сварки в высокопроизводительных приложениях, например автопроме.

Роботизированная сварка — относительно новое применение робототехники, хотя роботы ввели в промышленность США в 1960-х. Использование роботов в сварке взлетело в 1980-х, когда автопром начал массово применять роботов для точечной сварки.

С тех пор число роботов в промышленности и их применений сильно выросло. В 2005 г. в Северной Америке использовалось более 120 000 роботов, около половины — для сварки. Рост ограничен высокой стоимостью оборудования и привязкой к высокопроизводительным приложениям.

Роботизированная дуговая сварка начала расти недавно и уже составляет около 20% применений промышленных роботов. Основные компоненты дуговых сварочных роботов — манипулятор (механический блок) и контроллер ("мозг" робота).

Манипулятор заставляет робота двигаться. Конструкция этих систем классифицируется на распространенные типы: SCARA и декартовы координатные роботы, использующие разные координатные системы для управления манипуляторами.

Робот может сваркивать предпрограммированную позицию, управляться машинным зрением или комбинацией методов. Однако многочисленные преимущества роботизированной сварки делают её технологией, помогающей ОЕМ повысить точность, повторяемость и производительность.

Технология обработки сигнатурного изображения разработана с конца 1990-х для анализа электрических данных в реальном времени от автоматизированной роботизированной сварки, позволяя оптимизировать швы.

Оборудование роботизированной сварки

Роботизированная сварка объединяет сварку, робототехнику, сенсорные технологии, системы управления и ИИ. Компоненты: ПО с специфической программировкой, сварочное оборудование (поставка энергии от источника к заготовке) и робот, использующий оборудование для сварки.

Процессные сенсоры робота измеряют параметры сварки, геометрические сенсоры — геометрические параметры швов. Получая и анализируя входную информацию от сенсоров, система управления адаптирует выход роботизированного процесса на основе спецификаций сварочной процедуры в программе.

В зависимости от назначения, роботы — манипуляторы или портальные. Обычно используются шестиосевые промышленные роботы: трехосевое плечо и трехосевое запястье, позволяющие монтировать горелку на запястье для всех позиций трехмерной сварки.

Система должна быть интегрирована с роботом, сварочное оборудование совместимо и желательно специально разработано для роботизированной сварки — тогда все процессы контролируются роботом.

Как работает роботизированная сварка?

При использовании роботов метод требует адаптации для автоматизации. То же для сварки — используются инструменты, отсутствующие в ручной сварке. Людям не нужно программирование, как роботизированным сварщикам.

Робот имеет манипулятор, движущийся в трех измерениях для декартовых типов и через больше плоскостей для артикулированных версий. Проволочный подачник подает наплавную проволоку роботу по мере необходимости. Высокотемпературная горелка на конце манипулятора плавит металл для сварки. Поскольку температуры достигают тысяч градусов, роботы защищают людей.

Квалифицированные операторы должны оставаться у роботов. Эти работники должны иметь сертификат Американского сварного общества (AWS), который сертифицирует не только ручных сварщиков, но и операторов роботизированных манипуляторов. Операторы программируют контроллер через пульт обучения (teach pendant). Устройство задает новые программы, движет манипулятором, меняет параметры. Для запуска сварки — кнопки на пульте управления.

Инструмент в манипуляторе нагревается для плавления металла и соединения деталей. По необходимости подачник доставляет проволоку к манипулятору и горелке. Ожидая следующие детали, манипулятор двигает горелку к очистителю для удаления брызг металла, иначе застывающих на месте.

Так как одна из главных причин роботизированных сварщиков — защита людей, эти системы имеют множество функций безопасности. Дуговые экраны предотвращают смешивание высокотемпературной дуги с кислородом. Огражденные зоны защищают операторов от температур и яркого света.

Преимущества роботизированной сварки

Несколько преимуществ автоматизации завода сварочными роботами: быстрые, стабильные циклы, непрерывное производство, лучшее качество шва. Базовая автоматизация сварки означает: процесс занимает меньше времени, производители сокращают затраты на прямой труд и безопасность, экономят материалы.

Роботизированные сварочные ячейки дают более безопасную среду, резко снижая слепоту от дуги, перебрызги и прямой контакт с роботом и деталью. Робот-сварщик более стабилен и быстро переходит от шва к шуву, ускоряя процесс.

• Экономия времени: Роботизированные системы выполняют работу быстро. Новые или б/у роботы делают меньше ошибок, чем ручная сварка. В отличие от рабочих, роботы не нуждаются в перерывах, отпусках. Работа продолжается беспрерывно 24/7. Это повышает пропускную способность и производительность.
• Сокращение затрат на прямой труд и безопасность: Ручная сварка дорога. Требует времени, мастерства, концентрации. Опасна. Вспышки, дымы, искры, тепло — тяжелая и опасная работа. Роботизированная сварка защищает рабочих и снижает затраты. Системы выдерживают опасности и часто повышают выпуск. Страховые и аварийные расходы также резко снижаются.
• Экономия материалов: Даже лучшие сварщики ошибаются. С новыми и б/у роботами всё регламентировано: мощность и проволока. Автоматизированные системы экономят энергию за счет стабильной работы (меньше пусков). Швы более стабильны. Точность роботов — меньше отходов материала и времени. Экономьте материал и повышайте качество одновременно!

Некоторые компании переходят к роботизированной сварке постепенно: от одной сварочной ячейки к полностью автоматизированному процессу. Роботы полезны, когда доступ к детали ограничен или труднодоступен. Производители создали конструкции со тонкими манипуляторами для малых зон.

Ограничения

Проблема: кабели и шланги для тока, воздуха и т.д. ограничивают подвижность запястья робота.

Решение — ротор (swivel), пропускающий сжатый воздух, охлаждающую воду, ток и сигналы в едином вращающемся блоке.

Ротор также позволяет внестрочное программирование, так как все кабели и шланги можно прокладывать по заданным путям манипулятора.

Другие ограничения:

• Сложная программа для конечного пользователя, недружелюбная, только для специалистов
• Ограниченные API, простая модификация усложнена
• Интерфейс человек-машина (HMI) не работает. Системы требуют кастомизации и обучения. Сложно кастомизировать.
• Проблемы связи, отсутствие стандартов взаимосвязи
• Заменяет живой труд
• Технология устаревает

Процессы роботизированной сварки

Сварка требует высокого образования и мастерства. Но число профессионалов не покрывает потребности отрасли. По AWS, к 2022 г. нехватка составит 450 000 сварщиков. Вместо задержки критических проектов роботы могут взять нагрузку.

Роботы автоматизируют процесс, обеспечивая высокую точность, меньше отходов, большую скорость. С доступным оборудованием роботы адаптируются к широкому спектру процессов: дуговая, контактная, точечная, TIG и др.

1. Дуговая сварка

Один из самых частых типов роботизированной сварки. Электрическая дуга дает экстремальное тепло до 3600 °C (6500 °F), плавя металл. Расплавленный металл соединяет детали, затвердевая в стабильную связь после охлаждения. Для больших объемов точно соединяемых металлов — идеально.

2. Контактная сварка

Когда проектам нужна термообработка или снижение затрат, роботы могут использовать контактную сварку. Электрический ток создает ванну расплавленного металла между двумя основаниями. Расплавленный металл соединяет детали.

3. Точечная сварка

Некоторые материалы сопротивляются току, исключая другие сварки. Часто в автопроме для сборки кузова. Роботизированные сварщики используют вариацию контактной сварки для соединения пары тонких листов в одной точке.

4. TIG-сварка

Роботизированные применения, требующие высокой точности, могут нуждаться в TIG. Также — газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW). Электрическая дуга проходит между вольфрамовым электродом и основанием металла.

5. MIG-сварка

Полуавтоматическая сварка в защитных газах (GMAW/MIG) — быстрый, прямой метод с высокой производительностью наплавки. Проволока непрерывно движется к нагретому концу горелки, плавится, позволяя большому количеству расплавленного металла капать на основание для соединения с другой деталью.

6. Лазерная сварка

Когда проектам нужна точность для больших объемов деталей — лазерная сварка предпочтительный метод. Малые детали: ювелирка, медицинские компоненты — часто лазерная сварка.

7. Плазменная сварка

Плазменная сварка дает максимальную гибкость: оператор легко меняет скорость газа через сопло и температуру.

Применение роботизированной сварки

Благодаря экономии времени и высокой производительности роботизированная сварка важна в металлургии и тяжелых отраслях, особенно в автопроме с точечной и лазерной сваркой.

Лучше подходит для коротких швов с изогнутыми поверхностями и повторяемых, предсказуемых действий, не требующих постоянных смен процесса. С внешними осями подходит и для длинных швов — судостроение.

Хотя роботизированная сварка в основном для массового производства, где важны эффективность и количество, программы можно сделать под любые нужды, и робототехнику можно использовать для мелких и даже единичных партий с высокой стоимостью.

Роботизированная против ручной сварки

Ручная сварка все еще имеет место в современном производстве. Для проектов, где эксперт должен быстро менять стили сварки — ручная сварка лучший выбор. Профессионал может оперативно менять действия, роботы не адаптируются так быстро к неопределенности.

Поскольку ручная сварка остается нужным процессом, профессиональные сварщики не исчезнут. Более того, с дефицитом экспертов, сертифицированные легко найдут работу, даже при инвестициях в роботов.

Замена ручных сварщиков роботами не лишит AWS сертификационного бизнеса. Большинство операторов роботов нуждаются в сертификации робототехнической сварки, которую AWS тоже предлагает. Наличие экспертов по робототехнике, знающих сварку, гарантирует правильную программировку проектов для максимальной скорости и стоимостной эффективности.

Видео роботизированной сварки