Роботизированная сварка: процессы, выгоды и целесообразность

Выигрыш от роботизированной сварки достигается не за счет изменения дуги. Он обеспечивается повторением одного и того же шва с одинаковыми параметрами и поддержанием горения дуги в течение значительно большего количества минут каждый час. Именно эта характеристика определяет требования к конструкции: поскольку робот повторяет траекторию, стык должен всегда попадать в одно и то же место.

В этом руководстве описано, какие процессы выполняет робот, откуда берется прирост производительности, какие требования предъявляются к детали и как распознать случай, когда роботизация оправдана. Роботизированная сварка и автоматическая сварка — это одно и то же понятие.

Что такое роботизированная сварка

Это сварка, при которой промышленный робот с 6 осями перемещает горелку или клещи для контактной точечной сварки по запрограммированной траектории с постоянной скоростью подачи, углом наклона и электрическими параметрами. Робот работает в связке со сварочным источником, позиционером и приспособлением для крепления детали внутри защищенной зоны.

Полный комплекс представляет собой ячейку роботизированной сварки, которой посвящена отдельная статья. Здесь фокус сделан на самом процессе и принятии решения о роботизации.

Процессы, выполняемые роботом

Стандарт ISO 4063 присваивает каждому процессу сварки референсный номер. Процессы, используемые в роботизированных ячейках:

Процесс	№ в ISO 4063	Типичное применение с роботом
MAG со сплошной проволокой	135	Углеродистые и низколегированные стали: металлоконструкции, навесное оборудование, автокомпоненты
MIG со сплошной проволокой	131	Алюминий и другие цветные сплавы
MAG с порошковой проволокой	136	Соединения, требующие высокой скорости наплавления или определенных свойств металла шва
TIG	141	Тонкий лист и нержавеющая сталь с высокими требованиями к качеству поверхности
Контактная точечная сварка	21	Нахлесточные соединения листов, с закреплением клещей на фланце робота

Процессы MIG и MAG хорошо подходят для автоматизации благодаря непрерывной подаче проволоки и хорошей скорости наплавления. При контактной точечной сварке клещи крепятся на фланце, что обычно требует робота с большой грузоподъемностью. В дуговой сварке инструмент легкий, а решающими факторами являются повторяемость и вылет руки.

В линейке QJAR представлены три модели, предназначенные для дуговой сварки, с вылетом от 1 410,5 mm до 2 014 mm и повторяемостью от ±0,03 mm до ±0,08 mm. Сравнение этих моделей приведено в статье о роботизированной сварочной ячейке, а подробная расшифровка каждого показана — в руководстве по промышленному роботу.

Откуда берется выигрыш

Время горения дуги

Наиболее показательным критерием производительности при сварке является доля смены, в течение которой дуга фактически горит. При ручной сварке этот показатель низкий: в публикации журнала The Fabricator инженер по сварке из компании-производителя систем автоматизированной сварки утверждает, что время горения дуги обычно составляет от 5% до 20% общего времени, а в обычных мастерских — от 10% до 15%. Остальное время уходит на позиционирование детали, смену положения, очистку, измерение и отдых.

При полностью автоматизированной сварке издание Canadian Metalworking указывает время горения дуги в диапазоне от 80% до 90%. Ячейка с ручной загрузкой деталей не достигает этого верхнего предела, поскольку зависит от времени загрузки, но порядок величины разницы именно таков. Планировки с двумя рабочими станциями существуют именно для того, чтобы оператор загружал одну деталь, пока робот сваривает другую.

Постоянные параметры

Скорость подачи, расстояние от сопла до детали, угол наклона горелки и сварочный ток не изменяются от начала до конца смены. Результатом является сварной шов с одинаковой геометрией на первой и последней детали, что снижает избыток сварочного металла, разбрызгивание и переделку.

Предсказуемость

При фиксированной траектории и параметрах время цикла становится планировочным показателем. Завод получает возможность точно знать, сколько деталей выдает ячейка за смену, чего ручная сварка редко позволяет достичь с той же точностью.

Требования к детали

Робот повторяет траекторию с рассеянием в сотые доли миллиметра: ±0,03 mm — ±0,08 mm для моделей сварочных роботов данной линейки. Если стык смещен на 2 mm относительно заданного положения, ошибка возникает не из-за робота, а из-за детали. Поэтому оценка проекта начинается еще до этапа сварки.

Повторяемость на предыдущих этапах. Резка, гибка и прихватка должны обеспечивать расположение стыка всегда в одном и том же месте с одинаковым зазором.
Доступность. Горелка должна подходить к каждому шву под правильным углом. Иногда небольшое изменение конструкции изделия открывает доступ ко всему шву.
Фиксация. Приспособление определяет положение детали. Именно оно превращает производственные допуски в известное позиционирование.
Семейство деталей. Схожие детали используют одни и те же приспособления, программы и позиционеры, что позволяет распределить инвестиции.

Существуют средства сенсорного контроля для поиска стыка и отслеживания отклонений. Они расширяют возможности автоматизации, но не заменяют хорошо подготовленную деталь. Выбор конкретных средств является проектным решением, принимаемым в каждом случае отдельно.

Качество и квалификация

Роботизация не отменяет систему качества сварки. Процедура по-прежнему должна быть специфицирована и квалифицирована, а сварной шов — подвергнут контролю. Меняются лишь то, кто должен быть квалифицирован, и методы квалификации.

ISO 14732 устанавливает требования к квалификации операторов сварки и наладчиков для механизированной и автоматической сварки.
ISO 3834 определяет требования к качеству при дуговой сварке в заводских условиях и на монтажной площадке.
ISO 6947 стандартизирует положения сварки. При использовании позиционера ячейка обеспечивает расположение стыка в нижнем положении (PA), наиболее благоприятном для наплавки.

Правильно организованная роботизированная ячейка также позволяет вести регистрацию данных: параметры обработки каждой детали, сигналы тревоги и счетчик произведенных изделий доступны для обеспечения прослеживаемости.

Охрана здоровья и техника безопасности

В 2017 году Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицировало сварочные аэрозоли как канцерогенные для человека, отнеся их к Группе 1. Оценка приведена в томе 118 Монографий агентства. Роботизированная ячейка удаляет работника из зоны воздействия облака аэрозолей и дугового излучения, но не устраняет необходимости в местном улавливании и вытяжке в точке сварки.

Ячейка также является машиной, подпадающей под действие NR-12: защитные ограждения, блокировки, аварийный останов и документация. Требования изложены в статье о NR-12 в роботизированной ячейке.

Когда это выгодно

Признаки в пользу внедрения	Что подготовить заранее
Повторяющиеся детали или семейства похожих деталей	Допуски при резке и гибке, варьирующиеся от партии к партии
Большая длина сварного шва на деталь	Соединения без доступа для горелки
Две или три производственные смены	Оснастка, не гарантирующая положение соединения
Трудности с наймом и удержанием сварщиков	Изделие, конструкция которого часто меняется
Переделка из-за разброса качества между сварщиками	Отсутствие в команде специалиста, владеющего параметрами сварки

Правый столбец — не повод отказываться. Это список того, что входит в объем проекта. Многие жизнеспособные ячейки начинаются с корректировки режима резки или с новой оснастки.

Финансовый расчет следует той же логике, что и для любой ячейки: общие инвестиции против годовой чистой выгоды, где количество смен является одной из наиболее весомых переменных. Методика описана в статье сколько стоит промышленный робот.

Как начать

Серьезная оценка исходит из данных по детали, а не из каталога роботов:

чертеж или 3D-модель детали и соединений;
материал и толщины;
общая длина сварного шва на деталь;
годовой объем и размер партии;
текущее время сварки и количество смен;
стандарт или критерий приемки сварного шва.

На основе этих данных интегратор роботов может определить, требуется ли простая станция, позиционер или рельсовый путь, и какой робот подходит.

Частые вопросы

Что такое роботизированная сварка?

Это сварка, при которой промышленный робот перемещает горелку или клещи по запрограммированной траектории с постоянной скоростью и параметрами. Источник питания, позиционер и фиксирующие устройства работают синхронно с роботом внутри защищенной ячейки.

Какие процессы сварки выполняет робот?

Робот выполняет дуговую сварку сплошной проволокой, такую как MIG и MAG (процессы 131 и 135 по стандарту ISO 4063), на углеродистой стали, нержавеющей стали и алюминии. Также он выполняет TIG (141), контактную точечную сварку (21) и лазерную сварку (52), каждый из которых требует собственного инструмента и источника питания.

Заменяет ли роботизированная сварка сварщика?

Она меняет функцию. Ячейке нужен специалист, знающий сварку, для настройки параметров, оценки шва и корректировки траектории. Стандарт ISO 14732 посвящен именно квалификации операторов и наладчиков механизированной и автоматической сварки.

Какой объем деталей оправдывает внедрение роботизированной сварочной ячейки?

Единого числа не существует. Важны длина сварного шва на деталь, количество смен, разнообразие деталей и время переналадки. Семьи похожих деталей, даже в средних партиях, часто делают проект целесообразным, так как они используют общие приспособления и программы.

Нужно ли изменять деталь для сварки роботом?

Часто да, в деталях. Робот повторяет траекторию и самостоятельно не компенсирует смещение соединения. Резка и гибка должны обеспечивать изготовление деталей в пределах допуска, а конструкция может потребовать изменений доступа для горелки.

Свяжитесь с BR Robotics

BR Robotics интегрирует в Бразилии сварочных роботов QJAR, включая сварочные источники питания, позиционеры и рельсовые системы того же производителя. Отправьте чертеж детали и требуемый объем: вы получите ответ с указанием подходящей модели и планировкой ячейки. Свяжитесь с BR Robotics или ознакомьтесь с линейкой роботов и периферийного оборудования.