Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání

Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Oddělení Expertního Inženýrství

Využití bodového svařování ve strojírenském průmyslu Bakalářská práce

Vedoucí Bakalářské práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.

Vypracoval: Petr Bartošek

Brno 2013

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití bodového svařování ve strojírenském průmyslu vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a ředitelky vysokoškolského ústavu ICV Mendelovy university v Brně.

Brno, dne …………................................. Podpis studenta ………..…………….....

Poděkování

Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu své bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za odborné vedení při zpracovávání této bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval své rodině a všem svým přátelům za podporu při psaní bakalářské práce.

Abstrakt Práce popisuje základy technologie bodového svařování, princip funkce svařovacího zdroje a svařovacích kleští. Stručně je zde nastíněno jakým způsobem se provádí zkoušení svarů a způsoby automatizace svařování, zejména průmyslovými roboty. V poslední části je popsán praktický příklad volby svařovacích parametrů.

Abstract Work describes basics of spot welding technology, principle of weld timer and welding gun. Briefly is shown how is done testing of spots and ways of spot welding automation, especially with industrial robots. In the last part is described practical example of choosing welding parameters.

Klíčová slova Bodové svařování, odporové svařování, svařovací zdroj, svařovací kleště, destruktivní zkouška, svařování roboty.

Keywords Spot welding, resistance welding, weld timer, welding gun, destructive test, robot welding.

Obsah 1

Úvod.......................................................................................................................... 8

2

Cíl práce .................................................................................................................... 9

3

Technologie bodového svařování ........................................................................... 10

4

5

3.1

Základní schéma svařovacího stroje ............................................................... 10

3.2

Princip tvorby svaru ........................................................................................ 11

3.3

Množství tepla ve svaru .................................................................................. 11

3.4

Svařovací cyklus ............................................................................................. 11

3.5

Princip funkce svařovacího zdroje .................................................................. 13

3.5.1

Vysokofrekvenční invertor ..................................................................... 13

3.5.2

Střídavý svařovací zdroj ......................................................................... 14

3.5.3

Kapacitní zdroj ........................................................................................ 15

3.5.4

Lineární stejnosměrný zdroj ................................................................... 15

3.6

Konstrukční provedení svařovacích kleští ...................................................... 15

3.7

Princip funkce svařovacích kleští ................................................................... 17

3.8

Seřízení svařovacího zdroje a svařovacích kleští ........................................... 19

3.9

Požadavky na svařované díly.......................................................................... 20

3.10

Základní svařovací parametry ......................................................................... 20

3.10.1

Svařovací síla .......................................................................................... 21

3.10.2

Průměr plochy elektrody a velikost svařovacího proudu........................ 21

3.10.3

Čas svařování .......................................................................................... 21

3.11

Režimy svařování ........................................................................................... 22

3.12

Postup určení svařovacích parametrů ............................................................. 22

Mechanické vlastnosti a zkoušení svařovaných spojů ............................................ 24 4.1

Namáhání svarů .............................................................................................. 24

4.2

Určení pevnosti svaru ..................................................................................... 24

4.3

Destruktivní a nedestruktivní zkoušení svarů ................................................. 25

4.3.1

Sekáčová zkouška ................................................................................... 25

4.3.2

Odlupovací zkouška ................................................................................ 26

4.3.3

Zkouška ultrazvukem .............................................................................. 27

Automatizace bodového svařování ......................................................................... 29 5.1

Ruční svařování .............................................................................................. 29

5.2

Jednoúčelové svařovací stroje ........................................................................ 30

6

5.3

6

Svařovaní průmyslovými roboty .................................................................... 30

5.3.1

Popis průmyslového robota .................................................................... 30

5.3.2

Způsoby svařování průmyslovými roboty .............................................. 31

Příklad aplikace bodového svařování ..................................................................... 33 6.1

Zadání příkladu ............................................................................................... 33

6.2

Výpočet příkladu............................................................................................. 33

6.2.1

Volba počtu bodů .................................................................................... 33

6.2.2

Volba parametrů svařování ..................................................................... 33

6.2.3

Volba svařovacích čepiček a elektrod .................................................... 34

6.2.4

Odhad velikosti svarové čočky ............................................................... 34

6.2.5

Výpočet rozmístění svarů ....................................................................... 35

6.2.6

Výpočet pevnosti svarů ........................................................................... 35

6.3

Provedení svařování a shrnutí ......................................................................... 35

7

Závěr ....................................................................................................................... 37

8

Použitá literatura ..................................................................................................... 39

9

Seznam použitých norem ........................................................................................ 42

10

Seznam obrázků ...................................................................................................... 43

7

1

ÚVOD

První zmínky o svařování jako o metodě spojování kovů pochází z doby bronzové, kdy starověcí kováři spojovali bronzové díly zkováním, tedy působením teploty a tlaku. Po více jak tisíci letech, v době asi 1200 př. n. l., po rozpadu Chetitské říše, uniklo do světa tajemství zpracování železa. Tím nastalo dlouhé období, při kterém kováři zdokonalovali svoje znalosti zpracování železa a dalších kovů (ZAMAROVSKÝ, 1961). Zkování pak zůstalo jediným způsobem spojování kovů až do začátku 19. století, kdy bylo vynalezeno svařování elektrickým obloukem pomocí uhlíkových elektrod a nastalo období rozmachu svařování. V roce 1885 jeden ze zakladatelů General Electric, slavný americký vynálezce Elihu Thompson, podal patent na princip bodového svařování. Během dalších 20 let pak podal mnoho patentů týkajících se odporového svařování. Právem tak může být považován za otce této technologie. V následujících letech se bodové svařování stalo nejdůležitějším způsobem spojování tenkých plechů a drátů a nalezlo své uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích, zejména v automobilovém průmyslu. Další průlom pro odporové svařování nastal v padesátých letech 20. století s vynálezem tyristoru, který umožnil velmi efektivní a jednoduchou regulaci množství energie dodané do místa svaru. Odporové svařování se tak stalo ještě úspornější technologií než dříve. V šedesátých letech 20. století se začaly objevovat první průmyslové roboty, ale až v sedmdesátých letech byla přesnost robotů dostatečná pro jejich

nasazení

v oblasti

bodového

svařování

v automobilovém

průmyslu

(SVARINFO.cz, 2006). V následujících letech prošla technologie bodového svařování mohutným vývojem, ať už přímo zdokonalováním a zkoumáním samotné technologie, tak nepřímo vývojem v oblasti dalších oborů jako elektronika a elektrotechnika, měření, řízení, materiálové inženýrství. Můžeme tak svařovat s minimálním množstvím elektrické energie. Při zkoušení není třeba velkého množství destruktivních zkoušek, protože můžeme svary bez poškození testovat ultrazvukem. V automatizovaných provozech můžeme svařovat rychle a efektivně za použití průmyslových robotů. Stále jsou však oblasti, ve kterých je třeba intenzivního výzkumu, např. svařování žáruvzdorných materiálů, svařování nestejnorodých materiálů, svařování vysoce vodivých materiálů atd.

8

2

CÍL PRÁCE •

Popsat technologii bodového svařování

•

Vysvětlit princip funkce svařovacího zdroje a svařovacích kleští

•

Popsat základní svařovací parametry a způsob jejich určení

•

Ukázat způsoby namáhání a metody zkoušení svarových spojů

•

Vysvětlit rozdíly mezi ručním a automatizovaným svařováním a detailně popsat svařování průmyslovými roboty

•

Na praktickém příkladu ukázat volbu svařovacích parametrů, rozmístění svarů a navrhnout provedení svařování

9

3

TECHNOLOGIE BODOVÉHO SVAŘOVÁNÍ

Bodové svařování je jedním z nejstarších a nejpoužívanějších způsobů odporového svařování. Spolu s výstupkovým a švovým svařováním se řadí do skupiny odporového svařování. Jedná se o velmi produktivní a levnou metodu pro svařování tenkých plechů. Hlavními přednostmi je jednoduchost technologie, výborná opakovatelnost, vhodnost pro automatizaci a v případě ručního svařování nižší nároky na obsluhu než u jiných způsobů svařování. Zdaleka nejčastější využití bodového svařování je v automobilovém průmyslu při svařování karoserie (KUNCIPÁL, 1980).

3.1 Základní schéma svařovacího stroje V této kapitole je popsáno základní schéma svařovacího stroje. Detailní informace o jednotlivých částech stroje lze nalézt zejména v kapitolách 3.5 a 3.7. Svařovací zařízení se skládá ze zdroje svařovacího proudu, ve kterém je síťové napětí usměrněno na vysoký proud a nízké napětí. Elektrická energie je ze zdroje vedena k elektrodám svařovacích kleští. Elektrody zajišťují přívod energie do místa svaru a navíc stlačují svařované díly k sobě tak, aby se v místě svaru dotýkaly.

Legenda k obrázku 1: a.c. supply – střídavé napájení; Transformer – transformátor; Fixed arm (copper) – pevné rameno (měď); Weld nuget – svarová čočka; Applied pressure – aplikovaný tlak; Movable arm applies pressure – aplikace tlaku pohyblivým ramenem; Copper alloy electrodes – elektrody ze slitiny mědi; Greatest resistence at inner surfaces of patern metal at point of application of pressure - největší odpor na vnitřních površích svařovaného plechu v místě aplikace tlaku

Obr. 1: Základní schéma svařovacího stroje (FÁS LEARNING INNOVATION UNIT a STACK, 2006) 10

3.2 Princip tvorby svaru K tvorbě svaru dochází vlivem působení tepla a tlaku na spojovaný materiál. Svařovaný materiál je stlačen pomocí elektrod a ve styku svařovaných ploch dochází k uzavření elektrického obvodu. I přesto, že se v makroskopickém měřítku styčné plochy elektrod dokonale dotýkají, v mikroskopickém měřítku se vlivem drsnosti styčných ploch, přítomností drobných nečistot a povrchových oxidů materiály dotýkají pouze mikroskopickými ploškami. Tento jev je příčinou tzv. přechodového odporu, který řádově převyšuje odpor svařovaného materiálu. Přechodový odpor je také mezi svařovací elektrodou a svařovaným dílem. Jelikož jsou však elektrody vyrobeny z materiálu s velmi nízkým elektrickým odporem, je odpor mezi elektrodou a svařovaným dílem velmi malý (KUNCIPÁL, 1980). Po přivedení elektrického proudu do místa svaru dochází v místě vysokého přechodového odporu k lokálnímu ohřevu, roztavení styčných plošek a vzniku nových styčných ploch mezi zatím neroztavenými částmi materiálu. Elektrický odpor roztaveného kovu je vyšší než odpor nových styčných ploch. Díky tomu nedochází během procesu ke snižování odporu v místě styku a nic nebrání roztavení celého rozhraní mezi materiály. Po natavení spojovaných dílů je ukončen průtok svařovacího proudu. Většina tepla z místa svaru je odvedena vodou proudící uvnitř elektrod a součásti jsou trvale spojeny (MIYACHI UNITEK CORPORATION, 2007).

3.3 Množství tepla ve svaru Celkové množství tepla vzniklé průchodem proudu místem svaru je dáno JouleovýmLenzovým zákonem (KUNCIPÁL, 1980): Q = R ⋅ I 2 ⋅ t [J ] R odpor v místě svaru [Ω] I svařovací proud [ A] t doba průchodu proudu při svařování [ s ]

3.4 Svařovací cyklus Cyklus bodového svařování lze rozdělit do čtyř základních operací. Doba nutná pro vytvoření svaru je dána součtem časů jednotlivých operací. V první fázi dochází k sevření svařovaných součástí elektrodami svařovacích kleští, čímž dojde k vytvoření podmínek pro průchod elektrického proudu materiálem.

11

Zároveň je možné silou elektrod přitisknout svařované součásti, které se vlivem nepřesnosti založení či tvarové nepřesnosti před sevřením nedotýkají. Čas sevření je závislý zejména na konstrukci kleští (více o tomto tématu v kapitole 3.7) a na přístupnosti svaru, která ovlivňuje velikost otevření kleští před sevřením. V druhé fázi je materiál sevřen a elektrodami začíná procházet elektrický proud. Dochází k natavení spojovaných částí. Doba trvání této operace vychází z technologických požadavků na příslušný svar. Ve třetí fázi sevřenými elektrodami neprotéká elektrický proud a dochází k ochlazení svaru. Většina tepla je odvedena vedením v místě styku svaru s elektrodami. Čas nutný pro ochlazení svaru je ovlivněn zejména množstvím tepla přivedeném při svařování do místa svaru, rychlostí proudění a teplotou chladící kapaliny proudící v elektrodách. Poslední čtvrtá fáze je otevření svařovacích kleští. Čas otevření závisí na konstrukci kleští a velikosti otevření (FÁS LEARNING INNOVATION UNIT a STACK, 2006).

Legenda k obrázku 2: Weld nuget – svarová čočka; Pressure – tlak; Time – čas; Current – proud; Weld cycle – svařovací cyklus; Weld time – doba svařování; Squeeze time – doba stlačení; Forge time or hold time – doba držení

Obr. 2: Schéma svařovacího cyklu (FÁS LEARNING INNOVATION UNIT a STACK, 2006)

12

3.5 Princip funkce svařovacího zdroje Energie nutná pro svařování je transformována ve svařovacím zdroji. Svařovací agregáty pro bodové svaření umožňují přesně dávkovat energii dodávanou do svaru nastavením svařovacího proudu a síly ve svařovacích kleštích v čase. Celý svařovací zdroj nebo část od transformátoru včetně tyristoru bývá součástí svařovacích kleští, protože by bylo velmi neekonomické kvůli ztrátám a nepraktické kvůli velkému průměru vodičů, přenášet vysoké proudy na větší vzdálenost. Je třeba proto brát v úvahu, že pokud je výrobce svařovacích kleští rozdílný od výrobce svařovacího zdroje, je nutné tato dvě zařízení nějakým způsobem spárovat. O tomto procesu pojednává kapitola 3.8. 3.5.1

Vysokofrekvenční invertor

Vysokofrekvenční invertor je jedním z nejpoužívanějších zdrojů pro bodové svařování. Zařízení je napájeno třífázovým elektrickým napětím ze sítě a toto napětí je následně usměrněno na stejnosměrné napětí. Stejnosměrné napětí je vyhlazeno pomocí kondenzátorového filtru a pomocí spínacích tranzistorů je generováno střídavé napětí o vysoké frekvenci, řádově 1–25 kHz, ve formě pulzů. Spínací tranzistory generující napětí ve formě pulzů jsou ovládané řídícím systémem svařovacího zdroje. Během svařování zdroj kontroluje celkový odpor mezi elektrodami, protékající proud a napětí mezi elektrodami. Změnou šířky pulzů je možné velmi rychle v řádu 10 µs (BOSCH, 2001) měnit výstupní proud. Svařovací zdroj je tak schopen v řádu desetin milisekund nastavovat svařovací parametry v závislosti na údajích ze zpětné vazby. Střídavé napětí je přivedeno do transformátoru a transformováno na nízké napětí řádově

5–15

V

a

vysoké

proudy

8–100

kA

(BOSCH,

2001).

Použití

vysokofrekvenčního invertoru má několik výhod. Zejména široké možnosti řízení svařovacích parametrů, díky využití spínaného zdroje. Transformace elektrického napětí o vysoké frekvenci má vysokou účinnost, a s tím související malou spotřebu energie a kompaktní rozměry transformátoru. Kvůli malému množství ztrátové energie jsou menší nároky na chlazení v porovnání s transformátory převádějícími energii o nízké frekvenci. Díky tomu mají kleště vybavené invertorem kompaktní rozměry v porovnání se střídavým zdrojem (MIYACHI UNITEK CORPORATION, 2007).

13

Obr. 3: Schéma vysokofrekvenčního invertoru (vlastní nákres) 3.5.2

Střídavý svařovací zdroj

Střídavý svařovací zdroj je dalším často používaným svařovacím zdrojem. Zde je síťové napětí přímo převáděno transformátorem na požadované napětí a proud pro svařování. Střídavé svařovací napětí má tedy frekvenci napájecí sítě. Před transformátorem, popř. i za ním, jsou zařazené dva antiparalelně zapojené výkonové tyristory (tzv. triak), které propouští pouze část period střídavého napětí, a tím je možné regulovat velikost napětí a proudu vstupujícího do transformátoru. Řízením tyristoru je možné měnit parametry během svařování. Transformátor má v primárním a sekundárním okruhu navito několik různých vedení a jejich přepínáním lze skokově měnit napětí a proud na výstupu. Hlavní výhodou tohoto zdroje je jednoduchost konstrukce a nízká cena v porovnání se spínaným zdrojem. Nevýhodami jsou vyšší spotřeba energie, nižší účinnost, velké rozměry transformátoru a chlazení (MIYACHI UNITEK CORPORATION, 2007).

Obr. 4: Schéma střídavého svařovacího zdroje (vlastní nákres)

14

3.5.3

Kapacitní zdroj

V kapacitním zdroji nejdříve dochází k nabití kondenzátorů ze sítě a jejich vybitím přes pulzní transformátor dochází k dodání energie do místa svaru. Tento zdroj se používá pouze pro speciální aplikace pro svařování vysoce vodivých materiálů (MIYACHI UNITEK CORPORATION, 2007). 3.5.4

Lineární stejnosměrný zdroj

Lineární stejnosměrný zdroj se používá pro speciální aplikace jako je svařování tenkých fólií a drátů. V tomto zdroji je transformátor použit pouze pro galvanické oddělení napájecí sítě od svařovacího okruhu. Pro změnu svařovacího proudu a napětí se používá velké množství výkonových tranzistorů. Díky tomu má zdroj velmi ostrou a přesnou charakteristiku. Nevýhodou je velmi vysoká cena v porovnání s ostatními zdroji (MIYACHI UNITEK CORPORATION, 2007).

Legenda k obrázku 5: Power board – napájecí deska; V Measure – měření napětí; I Measure – měření proudu; P/S kontrol – regulace tyristoru; Control board – řídící obvod; CPU – řídící jednotka; USA 2/F – řídící rozhraní

Obr. 5: Schéma lineárního stejnosměrného zdroje (MIYACHI UNITEK CORPORATION, 2007)

3.6 Konstrukční provedení svařovacích kleští Svařovací kleště lze rozdělit podle několika základních parametrů. Podle způsobu ovládání lze kleště rozdělit na kleště: •

Pneumatické – otevírání a zavírání kleští je realizováno pneumatickým válcem. Kleště mají dva základní režimy otevření – plné otevření a přivření. Jejich velikost lze nastavit. Rychlost otevírání a zavírání je nižší než u servokleští. Hlavní výhodou je nízká cena (FESTO AG & CO. KG, 2010). 15

•

Servokleště – mohou být servopneumatické nebo servoelektrické, dle použitého servomechanismu. Hlavními výhodami těchto svařovacích kleští je možnost libovolného otevření kleští, vysoká rychlost otevírání a zavírání a možnost individuálního nastavení síly sevření pro každý jednotlivý svar. V dnešní době tyto kleště

díky

svým

vlastnostem

nahrazují

pneumatické

kleště

zejména

v automatizovaném provozu (NIMAK GmbH, 2007). Dále lze kleště rozdělit dle upevnění na: •

Pohyblivé kleště – svařovaný díl je upnutý v nepohyblivém přípravku. Kleštěmi manipulujeme do pozice svaru.

•

Stacionární kleště – kleště jsou pevné a do pozice svaru manipulujeme se svařovaným dílem.

Poslední rozdělení, které si uvedeme, je rozdělení kleští dle konstrukce čelistí. Volba konstrukce kleští se provádí podle tvaru svařované součásti a pozice svarů: •

X kleště – nůžková konstrukce kleští, obr. 6 vpravo. Hlavní výhodou je dobrý dosah svarů v rovinách kolmých ke svářeči. Při ručním svařování je možné při vhodném natáčení součásti a změně pozice obsluhy svařovat většinu svarů. Nevýhodou je menší rychlost otevírání a zavírání kleští v porovnání s C kleštěmi. Při manipulaci s kleštěmi je třeba zvýšené opatrnosti, jelikož jedno z ramen kleští je pohyblivé a při otevření kleští dochází ke zvětšení rozměru kleští.

•

C kleště – konstrukce podobná stolařské svěrce, obr. 6 vlevo. Využívají se pro svary v rovině kolineární s rovinou svářeče. Hlavní výhodou je vysoká rychlost otevírání a zavírání kleští a vyšší bezpečnost při manipulaci.

Obr. 6: Svařovací kleště typ C vlevo, typ X vpravo (FESTO AG & CO. KG, 2010) 16

•

Jednostranné bodovací kleště – používají se na svařování dílů s omezeným přístupem. Kleště mají pouze jednu elektrodu, kterou se přitlačí vnější silou na svařovaný plech, druhý svařovaný plech musí být ukostřen například pomocí upínky. V některých případech mají kleště dvě stejnostranné elektrody a měděný vodič na podložení spodního plechu, proud pak protéká mezi elektrodami a plechem. Nevýhodou kleští je nemožnost vyvinout vyšší přítlačnou sílu a to může mít zvláště u tlustších plechů za následek horší kvalitu svaru. Dále dochází ke ztrátám svařovacího proudu (PIRES, LOUREIRO a BOLMSJÖ, 2005).

Obr. 7: Schéma průchodu proudu jednostrannými bodovacími kleštěmi (vlastní nákres)

3.7 Princip funkce svařovacích kleští V následujícím textu se budeme zabývat popisem funkce C a X pneumatických svařovacích kleští. Kleště jsou vyobrazeny na obr. 8 a obr. 9. Kleště jsou ovládané pomocí řídícího bloku. U ručních kleští jsou k řídícímu bloku připojena tlačítka, kterými obsluha ovládá otevření a zavření kleští. Svařovací kleště použité v automatickém provozu jsou vybaveny modulem průmyslové sběrnice, pomocí které kleště komunikují s nadřazeným systémem. Z řídícího bloku kleští jsou ovládané jednotlivé prvky kleští. Otevření a zavření kleští je realizováno pomocí operačního válce. Jelikož je tento válec dvojčinný, jsou možné dvě polohy otevření válce - plné otevření a přivření. Velikost lze nastavit přestavením zarážek válce. Plné otevření kleští slouží pro 17

vmanévrování kleští do místa svaru. Při přivření kleští dochází ke změně otevření na hodnotu blízkou zavření. Přivření se používá vždy před zavřením kleští. Pokud to dovoluje tvar součásti, je vhodné kleště mezi svary plně neotevírat. Dochází tak k úspoře času nutného pro svařování. U svařovacích kleští typu X a C je jedna z elektrod nepohyblivá. Tato elektroda je vždy před svařováním přemístěna do místa svaru a druhá elektroda je k ní přitlačena. Nepohyblivou elektrodu není možné umístit v přesné vzdálenosti od svařovaného plechu, a pokud by elektroda byla pevná, mohlo by dojít k promáčknutí svařované součásti. Kvůli tomu je důležitou součásti kleští tzv. vyvažovací válec. Ten zajistí, že před zavřením kleští dochází k přivření stacionární elektrody na povrch součásti. Při zavření tak síla kleští svírá svařované díly, aniž by je jakkoliv deformovala. Čerpadlo chladící vody zajišťuje dostatečný průtok chladící vody vnitřkem elektrod a zajišťuje chlazení transformátoru, tyristoru nebo jiných výkonových součástek v závislosti na použitém svařovacím zdroji. Svařovací síla, která je důležitou veličinou bodového svařování, byla v minulosti dána většinou napevno nastavením proporcionálního ventilu kleští. V dnešní době je možné nastavovat svařovací sílu individuálně pro každý svar jako parametr ve svařovacím zdroji. Je však nutné používat servokleště, u kterých je možné programově měnit velikost síly (FESTO AG & CO. KG, 2010).

Legenda k obrázku 8: 1 - Vyvažovací válec, 2 - Regulátor pro vyvažovací válec, 3 - Čerpadlo chladící vody, 4 - Řídící blok kleští, 5 - Operační válec, 6 - Rovina svařování

Obr. 8: Funkční schéma X svařovacích kleští (FESTO AG & CO. KG, 2010)

18

Legenda k obrázku 9: 1 - Řídící blok kleští, 2 - Regulátor pro vyvažovací válec, 3 - Čerpadlo chladící vody, 4 - Vyvažovací válec, 5 - Operační válec, 6 - Pracovní rozsah, 7 - Rovina svařování

Obr. 9: Funkční schéma C svařovacích kleští (FESTO AG & CO. KG, 2010)

3.8 Seřízení svařovacího zdroje a svařovacích kleští Jak již bylo řečeno v předchozích kapitolách, tyristor, trafo svařovacího zdroje a všechny prvky za trafem, jsou ve většině případů umístěny ve svařovacích kleštích. Svařovací agregát, který řídí proces svařování, je pak samostatné zařízení, které s prvky v kleštích komunikuje pomocí průmyslové sběrnice a pokud je třeba svařovat vysílá k nim svařovací proud. Aby spolu obě zařízení mohla fungovat, je třeba provést měření několika základních vlastností obvodu. Zejména se jedná o celkový odpor svařovacího obvodu, který ovlivňuje, jaké množství proudu ze svařovacího zdroje skutečně dorazí k čepičkám svařovacích kleští. Také je nutné seřízení tyristoru tak, aby propouštěl správné

množství

proudu.

U

moderních

servokleští

je

také

nutné

seřídit

servomechanismus kleští, tak aby nastavená síla odpovídala síle, kterou kleště skutečně svírají svařovaný díl (MATUSCHEK WIDERSTANDSSCHWEISS TECHNIK, 2012). Na obr. 10 je vidět zařízení od firmy Matuschek, která vyrábí svařovací zdroje. Toto zařízení slouží k seřízení a nastavení dříve zmiňovaných parametrů. Modrá obruč slouží k měření proudu protékajícího kleštěmi, červený a černý vodič slouží k měření napětí na elektrodách. Odpor obvodu se pak vypočítá podle Ohmova zákona. Zařízení, které drží obsluha v rukou, je tenzometr sloužící k měření síly sevření. Tenzometr je připojen k řídícímu systému kleští.

19

Obr. 10: Ukázka seřízení svařovacích kleští (MATUSCHEK WIDERSTANDSSCHWEISS TECHNIK, 2012)

3.9 Požadavky na svařované díly Součásti spojované bodovým svařováním musí splňovat některé základní požadavky. Povrchy dílů určené pro bodové svařování musí být v místě svaru očištěné tak, aby v místě styku materiálů vznikla vodivá vrstva a mohl jím protékat elektrický proud. Pokud se v místě svaru na povrchu materiálu nachází vrstva oxidů, nebo jiné nečistoty dochází navíc ke znečištění povrchu svařovacích elektrod a ke snížení jejich životnosti. Svařované materiály se musí dotýkat v místě styku elektrod tak, aby mohlo v tomto místě dojít k tvorbě svaru. Pokud se elektroda nedotýká svařovaného materiálu celou plochou, může docházet v místě svaru k vytváření elektrického oblouku, zvýšenému jiskření a opět snížení životnosti elektrod. Kromě těchto obecných požadavků na svařované díly lze v technických normách nalézt i konkrétní výpočty pro vzdálenost svarů od okraje dílu a rozteč svarů. Konkrétní údaje naleznete v příslušných normách např. pro nízkouhlíkové oceli v ČSN EN ISO 14373. (RAUTARUUKKI CORPORATION, 2009)

3.10 Základní svařovací parametry V následujícím textu si stručně popíšeme základní parametry bodového svařování a vysvětlíme si, jaký vliv mají na kvalitu a vlastnosti svaru. Základní parametry jsou popsány v následujících podkapitolách.

20

3.10.1 Svařovací síla Svařovací síla je síla sevření kleští při průchodu svařovacího proudu. Jedná se o velice důležitý parametr. Velikost svařovací síly silně ovlivňuje přechodový odpor mezi svařovanými díly a tím i množství tepla, které se generuje průchodem elektrického proudu. Svařovací síla také zajišťuje, aby na sebe díly během svařování dosedaly a zůstávaly v kontaktu. Čím větší je svařovací síla, tím menší je přechodový odpor a je nutné použít vyšší svařovací proud. Čím tlustší jsou svařované plechy, tím vyšší je nutná svařovací síla. Kromě síly při svařování je také nutné brát v úvahu sílu sevření plechů před spuštěním svařovacího proudu, tzv. přítlačnou sílu. Tato síla bývá stejná jako svařovací síla. V případě větších nerovností dílů je třeba srovnat povrchy svařovaných dílů, tak aby na sebe dosedaly a došlo k uzavření elektrického obvodu. Potom může být přítlačná síla i mnohonásobně vyšší. Po ukončení svařování je třeba ochladit svar. Je nutná přítlačná síla k udržení tepelného kontaktu mezi svarem a elektrodou v průběhu chladnutí svaru. Tato síla také zabraňuje poškození neochlazeného svaru v případě, že existuje síla, která se snaží svar rozevírat nebo jinak deformovat (PIRES, LOUREIRO a BOLMSJÖ, 2005). 3.10.2 Průměr plochy elektrody a velikost svařovacího proudu Množství tepla dodaného do svaru není závislé pouze na velikosti proudu protékajícího materiálem, ale také na ploše elektrod, které přivádí proud do místa svaru. Proto se zavádí pojem proudová hustota jako poměr svařovacího proudu a plochy, kterou proud prochází. Velikost kontaktní plochy elektrod přímo ovlivňuje velikost svarové čočky. Množství tepla generovaného ve svaru je úměrné druhé mocnině svařovacího proudu (PIRES, LOUREIRO a BOLMSJÖ, 2005). 3.10.3 Čas svařování Čas svařování je čas, po který materiálem protéká svařovací proud. Měl by být co nejkratší, aby nedocházelo ke zbytečnému tepelnému ovlivnění okolí svaru. Kromě času svařování je třeba brát v potaz také čas nutný k zavření kleští a dosednutí svařovaných dílů. V závěru svařovacího cyklu je třeba brát v úvahu čas dochlazování, což je doba potřebná pro ochlazení svaru. Svařovací čas se neuvádí, jak bývá zvykem v sekundách, ale v tzv. periodách. Tato jednotka vychází z použití střídavých svařovacích zdrojů o síťové frekvenci, které 21

byly v minulosti nejpoužívanějšími zdroji pro bodové svařování. Perioda trvá 0,02 s a je odvozena od doby trvání jedné periody střídavého proudu rozvodné sítě, která má frekvenci 50 Hz (PIRES, LOUREIRO a BOLMSJÖ, 2005).

3.11 Režimy svařování Pro svařování stejných dílů jsou definovány dva základní režimy svařování. Svařování nižším proudem a nižší svařovací silou, tzv. měkké svařování, a svařování vyšším proudem a vyšší svařovací silou, tzv. tvrdé svařování. Svařování nižším proudem je vhodné, pokud máme k dispozici svařovací zdroj nižšího výkonu. Při svařování se kromě nižšího proudu používá i menší svařovací síla. Nevýhodou tohoto režimu svařování jsou delší svařovací časy. Při svařování navíc dochází ke vzniku hrubších zrn a větších deformací ve svaru v porovnání se svařováním vyšším proudem. Tento způsob svařování se využívá zejména v opravárenství a ručním svařování. Svařování vyšším proudem, tzv. tvrdé svařování, je náročnější na svařovací zdroj i použité svařovací kleště, ale přináší řadu výhod. Kromě již zmíněných nižších svařovacích časů a kvalitnější struktury svaru dochází také k nižšímu opotřebení elektrod a úspoře elektrické energie nutné pro svařování (KUNCIPÁL, 1980).

3.12 Postup určení svařovacích parametrů Určení svařovacích parametrů probíhá většinou ve dvou fázích. V prvním kroku probíhá nastavení základních parametrů pro zkušební kus na základě norem. Po svaření zkušebního kusu následuje jeho zkoušení a případná úprava svařovacích parametrů na základě zkoušek. Vždy po úpravě parametrů svařování pak následuje zkoušení a tento postup se opakuje, dokud nedosáhneme požadované kvality. Nastavení parametrů pro bodové svařování povlakovaných a nepovlakovaných nízkouhlíkových

ocelí

lze

nalézt

v příloze

B

normy

ČSN EN ISO 14373.

V následujícím textu si popíšeme, jaké informace lze v této normě nalézt a jakým způsobem s nimi můžeme pracovat. V normě jsou k dispozici tři tabulky pro tři různé případy úpravy povrchu svařovaného materiálu. Podle způsobu zpracování povrchu tedy zvolíme příslušnou tabulku. Abychom určili další parametry, musíme znát tloušťku svařovaného plechu. Pokud svařujeme plechy různé tloušťky, v tabulce hledáme tloušťku nejtenčího plechu. Pro zvolenou tloušťku potom v tabulce nalezneme průměr plochy elektrody. Dále je 22

v tabulce rozpětí základních svařovacích parametrů pro nižší proud a nižší svařovací sílu (měkké svařování) a vyšší proud a vyšší svařovací sílu (tvrdé svařování). Nalezneme zde sílu v [kN], dobu svaru v periodách [0.02 s] a proud v [kA]. Konkrétní příklad volby parametrů je v kapitole 6.

23

4

MECHANICKÉ VLASTNOSTI A ZKOUŠENÍ SVAŘOVANÝCH SPOJŮ

4.1 Namáhání svarů Nejvhodnějším a pro pevnost bodového svaru nejpříznivějším způsobem namáhání je namáhání smykem, protože spoj namáhaný smykem je pevnější než spoj namáhaný tahem při stejných parametrech svaru. Bodové svary by neměly být namáhány krutem, protože mají v krutu velmi nízkou pevnost (MITCalc, 2013). Dále je nutné rozlišit, zda je namáhání svařovaných spojů statické či dynamické. Pří statickém zatížení je spoj namáhán neměnnou silou. K porušení součásti dochází, pokud dojde k překročení povoleného napětí pro daný způsob namáhání a daný materiál. Za statické namáhání považujeme i případy namáhání s velmi malým počtem cyklů. Při dynamickém namáhání je spoj zatížen proměnlivou silou. K porušení materiálu může dojít po určitém počtu cyklů, i pokud nedojde k překročení maximálního povoleného napětí pro daný způsob namáhání a materiál. Příkladem staticky namáhaného svařence svařeného bodovým svářením může být plechová šatní skříň. Typickým příkladem dynamicky namáhaného svařence je karoserie automobilu. Při zrychlování či brzdění automobilu, průjezdu zatáčkou nebo po nerovnoměrném povrchu vozovky, zde všude dochází ke změnám zatížení na karoserii.

4.2 Určení pevnosti svaru Jak již bylo zmíněno v minulé kapitole, nejpříznivějším namáháním bodového svaru je namáhání smykem. Smyková pevnost svaru závisí na průměru a provaření svaru, tloušťce a pevnosti svařovaného materiálu. Dalším důležitým faktorem je stav elektrod použitých pro svařování, přítomnost trhlin a dalších vad materiálu ve svaru a jeho okolí (RAUTARUUKKI CORPORATION, 2009). V literatuře RAUTARUUKKI CORPORATION (2009) a normě ČSN EN ISO 14373 lze nalézt vztah pro výpočet smykové pevnosti svaru:

τ = 2,6 ⋅ t ⋅ d ⋅ Rm

τ je smyková pevnost [N] t tloušťka plechu [mm] d průměr svaru [mm] Rm tahová pevnost svařovaného materiálu [Mpa]

24

4.3 Destruktivní a nedestruktivní zkoušení svarů Bodové svařování je jedním ze způsobů spojování kovových plechů v malosériové i hromadné výrobě. Stejně jako u ostatních způsobů spojování materiálů je i zde nutné kontrolovat, zda svařené díly splňují všechny požadavky nutné pro správnou funkci spoje. Pro posuzování kvality svarů se v technické praxi užívá zkoušek, které lze rozdělit do dvou základních kategorií na zkoušky destruktivní a nedestruktivní. Jak již název napovídá, při destruktivních zkouškách dochází k poškození testovaných částí. Destruktivní zkoušky mají nezastupitelnou roli při testování kvality svarů, protože pouze pomocí destruktivních zkoušek je možné kvantitativně určit vlastnosti svaru jako jeho rozměry, hloubku provaření a mechanické vlastnosti. Destruktivních zkoušek se využívá jak pro ověřování vlastností svarů při rozjezdu výroby nového dílu, tak i pro ověřování jakosti dílů při produkci. Mezi tyto zkoušky patří jednoduché metody pro testování přímo ve výrobě jako např. sekáčová zkouška, odlupovací zkouška, tak i laboratorní zkoušky jako např. zkoušení tvrdosti svarů podle Vickerse, křížová zkouška tahem, zkouška střihem, rázové zkoušení střihem a zkoušky na únavu (SENKARA a ZHANG, 2005; RAUTARUUKKI CORPORATION, 2009). Nedestruktivními zkouškami se rozumí zkoušky, při kterých nedochází k poškození testovaných dílů. Tyto díly pak lze, pokud vyhoví zkoušce dále použít. Tyto zkoušky jsou používány zejména k zaručení neměnné jakosti produkovaných výrobků, jako pomocné zkoušky ke zkouškám destruktivním. Mezi nedestruktivní zkoušky se řadí zejména sekáčová zkouška (pozn. sekáčová zkouška může být destruktivní i nedestruktivní) a zkouška ultrazvukem. V technické praxi se nejčastěji využívají sekáčové, odlupovací a ultrazvukové zkoušky, proto jsou jim věnovány následující podkapitoly. 4.3.1

Sekáčová zkouška

Sekáčová zkouška je destruktivní nebo nedestruktivní zkouška, při které je mezi svařené plechy v místě mezi svary zaražen sekáč. Při destruktivní variantě zkoušky se postupuje tak, aby došlo k úplnému oddělení svařených plechů. Po oddělení je možné určit poloměr svaru a způsob porušení. Při porušení svaru by mělo vždy dojít k vytržení svaru. Nedestruktivní varianta zkoušky je pouze doplňující zkouškou ke zkoušce destruktivní (FÁS LEARNING INNOVATION UNIT a STACK, 2006). Při nedestruktivní variantě zkoušky se sekáč zarazí mezi svary tak, aby došlo k deformaci materiálu mezi svary. Při deformaci pozorujeme, zda nedochází k odlupování svaru. 25

Pokud nedojde k porušení svaru je nutné díl opravit do původního tvaru před zkouškou. Vypovídající schopnost zkoušky u obou variant je velmi závislá na znalostech a zkušenostech osoby provádějící zkoušku. Výhodou zkoušky je, že je nenáročná na vybavení dílny. Nevýhodami jsou nevhodnost metody pro vysokopevnostní oceli a všechny oceli povlakované nebo opatřené ochranným nátěrem. Zkouška se také nehodí pro testování svarů více než dvou plechů (SENKARA a ZHANG, 2005).

Obr. 11: Ukázka sekáčové zkoušky (SENKARA a ZHANG, 2005) 4.3.2

Odlupovací zkouška

Při odlupovací zkoušce dvou svařených plechů je jeden plech pevně upnut a druhý plech je odlupován, jak je zobrazeno na obr. 12. Odvíjení musí být velmi pomalé, aby došlo k plastickému porušení materiálu. Zkoušený materiál musí být schopný deformace a navinutí na válec. U plechů větších rozměrů je materiál odvíjen strojně pomocí odvíječek nebo jiných specializovaných zařízení. Po oddělení zkoušených materiálů je třeba vyhodnotit velikost svaru a způsob oddělení. I zde platí, že by mělo dojít k vytržení svaru. Zkouška je velmi jednoduchá a vhodná zejména pro oceli běžných jakostí a menších tlouštěk. Při správném provedení poskytuje směrodatné výsledky. Hlavní nevýhodou zkoušky je, že při ní dochází ke zničení testovaného dílu (SENKARA a ZHANG, 2005).

26

Obr. 12: Ukázka odlupovací zkoušky (SENKARA a ZHANG, 2005) 4.3.3

Zkouška ultrazvukem

Zkouška ultrazvukem je moderní nedestruktivní zkouška, při které je svar testován ultrazvukovou sondou. Sonda přiložená těsně k testovanému svaru vydává zvukové signály o frekvenci ultrazvuku. Odražený signál je zpracován a výsledek je porovnán se vzorem signálu změřeného na referenčním svaru. Zařízení tedy musí obsahovat databázi referenčních vzorů pro jednotlivé typy svarů. Pomocí této metody je možné vyhodnotit, zda je svar v pořádku a objevit případné vady materiálu, určit rozměr svarové čočky, velikost průvaru a další potřebné parametry. Pokud je před zahájením výroby pomocí ultrazvuku zkoušeno dostatečné množství vzorků a výsledky jsou ověřeny destruktivními metodami, dostává se zkouška ultrazvukem svojí věrohodností na úroveň destruktivních zkoušek (SENKARA a ZHANG, 2005). Největší nevýhodou ultrazvukové zkoušky je cena zařízení pro testování a potřeba kvalifikované obsluhy. Zkouška je však nedestruktivní a v případě, že je prováděna správným

způsobem

přináší

výsledky

v

některých

ohledech

srovnatelné

s destruktivními zkouškami. Je pravděpodobné, že díky rychlému vývoji výpočetní techniky a programového vybavení těchto zařízení, tato zkouška bude v budoucnosti stále častěji nahrazovat tradiční testovací metody (OLYMPUS CORPORATION, 2012; HAWKINS, 2013).

27

Obr. 13: Ukázka zkoušky ultrazvukem (OLYMPUS CORPORATION, 2012)

28

5

AUTOMATIZACE BODOVÉHO SVAŘOVÁNÍ

Nejdříve je třeba si vysvětlit rozdíl mezi ručním a automatizovaným svařováním. Při ručním bodovém svařování jsou kleště nebo stojanová bodovka obsluhovány pracovníkem. Automatizací bodového svařování myslíme proces, při kterém je proces svařování vykonáván automatickým zařízením. Nejčastěji se jedná o jednoúčelové stroje nebo průmyslové roboty.

5.1 Ruční svařování Jak již bylo řečeno, při ručním bodovém svařování jsou kleště nebo stojanová bodovka obsluhovány pracovníkem. Při svařování ručními kleštěmi jimi manipuluje do správné pozice, popřípadě nastavuje, s jakými parametry budou provedeny jednotlivé svary. Při svařování na stojanové bodovce pracovník manipuluje svařovaným plechem a sešlápnutím nožního pedálu aktivuje svařování. Tento přístup je vhodný zejména v kusové výrobě a při opravách součástí. Hlavními nevýhodami jsou nízká produktivita, špatná opakovatelnost výroby, a pokud se jedná o hromadnou výrobu je problémem i vysoká cena v porovnání s automatizovanou výrobou (SVARINFO.cz, 2008). Na obr. 14 lze vidět, jak obsluha pracuje s ručními svařovacími kleštěmi. Na obr. 15 je ruční stojanová bodovka.

Obr. 14: Ruční svařování (MILLER ELECTRIC MFG CO, 2013) a Obr. 15: Ruční stojanová bodovka (SVARTOP.cz, 2013)

29

5.2 Jednoúčelové svařovací stroje Jednoúčelové svařovací stroje jsou využívány pro svařování konkrétní součásti nebo sortimentu podobných součástí. Velmi často se jedná o stojanové nebo sloupové svařovací stroje, do kterých obsluha nebo průmyslový robot zakládá svařované díly. Vyznačují se velmi vysokou produktivitou a v případě velké sériovosti svařovaného dílu i nižší cenou v porovnání s využitím průmyslových robotů. Vysoké produktivity dosahují jednoúčelové stroje např. svařováním současně více elektrodami v různých směrech, není výjimkou ani svařování všech svarů v jednom cyklu. V dnešní době je však stále více jednoúčelových zařízení nahrazováno právě průmyslovými roboty, jelikož jsou roboty mnohem dostupnější a levnější než v minulosti a v případě změn ve výrobě je snadné a poměrně rychlé robota přeprogramovat.

5.3 Svařovaní průmyslovými roboty Bodové svařování pomocí průmyslových robotů je v dnešní době daleko nejčastější varianta aplikace této technologie. Největší zásluhu na tom má použití bodování v automobilovém průmyslu. I z hlediska použití průmyslových robotů je bodové svařování spolu s manipulací (manipulací myslíme přenášení různých předmětů z jednoho místa na druhé) nejpoužívanější aplikovanou technologií. Podrobný popis průmyslového robota je nad rámec této práce, zaměříme se proto pouze na základní popis nutný pro pochopení jeho aplikace pro bodové svařování. Více informací o průmyslových robotech naleznete například v KUKA ROBOTER CEE GmbH(2013) a CRAIG (2005). 5.3.1

Popis průmyslového robota

Průmyslovým robotem myslíme nejčastěji kloubový manipulátor se šesti stupni volnosti. Tento manipulátor má šest rotačních os, které mu umožňují v určitém pracovním prostoru orientovat svařovací kleště do libovolné pozice s libovolným natočením. Tato vlastnost je velmi důležitá, protože díky tomu jsme schopní svařovat velmi různorodě tvarované díly. Bodová přesnost průmyslového robota se pohybuje v řádu 0,05 až 0,1 mm v závislosti na typu a velikosti robota (KUKA ROBOTER CEE GmbH, 2013). Přesností robota myslíme opakovatelnost, tedy v jaké toleranci se robot opakovaně vrací 30

do stejného bodu. Pro bodové svařování nám dostačují i roboty s nejnižší přesností. Svařované díly jsou totiž většinou ohýbané nebo vytlačované plechy a jejich přesnost bývá i v řádu několika milimetrů. Případné nepřesnosti vyrovnává vyvažovací zařízení svařovacích kleští (CRAIG, 2005). V následující kapitole budou popsány dva základní způsoby bodového svařování průmyslovými roboty.

Obr. 16: Svařovací robot (GLOBAL ROBOTS FZE, 2011) 5.3.2

Způsoby svařování průmyslovými roboty

Prvním způsobem svařování, kterým se budeme zabývat, jsou svařovací kleště upevněné k ramenu robota, jak je zobrazeno na obr. 16. Svařovaný díl je pak upevněn ve svařovacím přípravku, který je stejně jako základna robota ukotven nejčastěji k podlaze, na portálu nebo i ke stropu dílny. Robot manipuluje kleštěmi do místa svaru a v této poloze vyšle signál do svařovacího zdroje, aby provedl svar podle naprogramovaných parametrů. Výhodou tohoto způsobu svařování je, že můžeme svařovat díl jakékoliv hmotnosti a jsme omezeni pouze dosahem robota a polohou jednotlivých svarů. Pro svařování jednoho dílu můžeme také využít více robotů najednou a roboty mohou během svařování měnit různé svařovací kleště. Tohoto způsobu se v praxi nejčastěji využívá pro svařování jednotlivých dílů do většího celku. Obsluha založí jednotlivé díly ke svaření do přípravku a díly jsou poté robotem svařeny k sobě. Druhým používaným způsobem jsou stacionární svařovací kleště upevněné k podlaze a robot nese svařovaný díl v uchopovacím zařízení. Robot manipuluje

31

svařovaným dílem tak, aby se kleště dotýkaly dílu v místě svaru. A stejně jako při předchozím způsobu svařování v tomto bodě zastaví a vyčká na provedení svaru. Výhodou tohoto způsobu svařování je, že je možné větším způsobem orientovat dílem a provádět svary na různých stranách součásti. Tohoto způsobu se často využívá pro dovařování dílů, zejména pro menší díly. Po svaření jednotlivých dílů k sobě v přípravku, robot vyjme díl z přípravku a na stacionárních kleštích dovařuje svary nutné pro pevnost dílu. Třetí velmi častý způsob svařování roboty je kombinací obou předchozích způsobů. Robot nese svařovaný díl v uchopovacím zařízení a další robot nebo více robotů má k ramenu upevněné svařovací kleště. Svařování pak může probíhat v jedné i více fázích. První robot orientuje dílem do vhodné pozice a v té jsou svařeny všechny svary, které jsou pro tuto pozici možné. Roboty s kleštěmi se vrátí zpět do bezpečného místa, robot nesoucí díl se pohybuje do další pozice vhodné pro svařování a roboty s kleštěmi mohou svařovat v nové pozici. Tento postup se může libovolně opakovat. Výhodou tohoto způsobu svařování je, že můžeme provádět svary ve velmi různorodých pozicích a během svařování můžeme měnit svařovací kleště. Díky tomu je tento způsob neuvěřitelně variabilní ve svých možnostech. Hlavní nevýhodou je cena sestavení, jelikož ke svaření dílu používáme o jednoho průmyslového robota navíc než při svařování v pevném přípravku. Obecně lze říci, že všechny způsoby svařování jsou rovnocenné a jejich volba závisí na tom, jaký díl svařujeme, jaké jsou jeho rozměry, kolik svarů potřebujeme provést, jestli se na svařování bude podílet jeden nebo více robotů atd.

32

6

PŘÍKLAD APLIKACE BODOVÉHO SVAŘOVÁNÍ

6.1 Zadání příkladu Naším úkolem je navrhnout jakým způsobem spojit lžíci kuchařské naběračky s držadlem

pomocí

bodového

svařování.

Naběračka

je

vyrobena

z

plechu

z nízkouhlíkové vysokotažné oceli třídy 11320 (LEINVEBER, 1999), tloušťky 0,8 mm. Mez pevnosti v tahu po normalizačním žíhání Rm = 280 MPa . Naběračku svařujeme v přípravku na stojanové bodovce. Naběračka se po svaření upravuje smaltováním. Cílem příkladu není kompletní konstrukční návrh naběračky, proto je nákres omezen pouze na rozměry vztahující se k volbě svarů.

Obr. 17: Pozice svarů (vlastní nákres)

6.2 Výpočet příkladu 6.2.1

Volba počtu bodů

Pro svaření jednoduchého výrobku jako je kuchyňská naběračka by pravděpodobně stačil jediný bodový svar. Při běžném užívání by byl namáhán zejména smykem a tahem. Při manipulaci s naběračkou by však nebylo obtížné pomocí krutu jediný svar ulomit. Když držadlo se lžící naběračky spojíme dvěma svary, namáhání krutem není možné. Pevnost spoje pak bude několikanásobně vyšší.

6.2.2

Volba parametrů svařování

Pro volbu parametrů svařování použijeme normu ČSN EN ISO 14373. V příloze B normy je tabulka B1, která obsahuje směrné hodnoty pro bodové svařování plechů tloušťky 0,4 mm až 3,0 mm z nepovlakovaných nízkouhlíkových ocelí. Jelikož budeme

33

svařování provádět ručně, volíme parametry svařování nižší síla a delší doba svaru. Údaje z norem jsou v Tab. 1. My pro tloušťku plechu 0,8 mm volíme hodnoty na horní hranici rozsahu. Průměr plochy elektrody 4 mm, síla 1,3 kN, doba svaru v periodách 10, proud 7 kA. Tyto hodnoty byly zvoleny pro svaření zkušebního vzorku.

Tab. 1: Údaje z normy Tloušťka jednoho Průměr plochy Síla plechu elektrody [mm] [mm] [mm] [kN] > 0,6 ≤ 0,8 4 1,2 až 1,3

6.2.3

Doba svaru v Proud periodách [0,02s] [kA] 7 až 10 5 až 7

Volba svařovacích čepiček a elektrod

Pro svařování použijeme čepičky o vnějším průměru 13 mm ofrézované na průměr 4 mm, např. elektrodová čepička pro bodové svařování ISO 5821 – F 13x18. Čepičky nasadíme na elektrodový adaptér o průměru 13 mm a délce 50 mm s kuželovým uložením, např. elektrodový adaptér pro bodové svařování ISO 5183-1-A-13x50-A2/1. Délka adaptéru musí být dostatečná, aby bylo možné svařit oba body, aniž bychom se přitom dotýkali naběračky kleštěmi bodovky v jiných místech než elektrodami v místě svaru. 6.2.4

Odhad velikosti svarové čočky

Pro výpočet rozmístění a pevnosti svarů potřebujeme zjistit skutečnou velikost svaru. Jelikož nemáme možnost svařit vzorek a provést například sekáčovou zkoušku pro zjištění skutečné velikosti čočky, můžeme její velikost odhadnout dle ČSN EN ISO 14373 – Tabulka 1 – Typické minimální hodnoty smykové pevnosti svaru pro nízkouhlíkovou ocel. Z této tabulky lze také vyčíst, jakou silou může být svar namáhán ve smyku. Údaje jsou vybrány pro tloušťku plechu 0,8 mm a průměr plochy elektrody

4 ⋅ 0,8 = 3,6mm , což byla hodnota nejbližší k námi zvolenému průměru elektrody 4 mm.

Tab. 2: Průměr a pevnost svaru pro tloušťku plechu 0,8 mm Tloušťka plechu t [mm] 0,8

Průměr plochy elektrody

4⋅ t

Průměr svaru d [mm] 3,6

34

Pevnost svaru τ [kN] 3

6.2.5

Výpočet rozmístění svarů

Výpočty rozmístění svarů jsou dle ČSN EN ISO 14373. Obdobné údaje lze nalézt i v RAUTARUUKKI CORPORATION (2009). Minimální vzdálenost svaru od okraje plechu lze vypočítat jako: Lo = 1,25 ⋅ d = 1,25 ⋅ 3,6mm = 4,5mm , kde d je skutečný průměr svaru Minimální vzdálenost svarů lze vypočítat ze vztahu: Ls = 16 ⋅ t = 16 ⋅ 0,8mm = 12,8mm , kde t je tloušťka jednoho plechu Jelikož má lžíce naběračky tvar půlkoule, musí být věnována pozornost, aby byly svary přivařeny kolmo k svařovanému povrchu. Jak je vidět z obr. 17 svary jsou navrženy tak, aby první svar byl svařen pod úhlem 7 ° s rovinou naběračky a druhý svar pod úhlem 16 ° od prvního svaru, tzn. 23 ° s rovinou naběračky. Vzdálenost prvního svaru od okraje plechu pak lze spočítat ze vztahu:

L1 = 2π ⋅ r ⋅

7 7 = 2π ⋅ 50 ⋅ mm = 6,1mm 360 360

Vzdálenost druhého svaru od prvního svaru: L2 = 2π ⋅ r ⋅

16 16 = 2π ⋅ 50 ⋅ mm = 14mm 360 360

Jak je vidět z obr. 17 a výpočtu, je skutečná vzdálenost od okraje plechu větší než minimální vypočtená dle norem i s rezervou pro případ, že by skutečná velikost svaru byla větší než odhad.

6.2.6

Výpočet pevnosti svarů

Jak již bylo vysvětleno v kapitole 4.2, pevnost jednoho svaru se vypočte dle vztahu:

τ = 2,6 ⋅ t ⋅ d ⋅ Rm = 2,6 ⋅ 0,8 ⋅ 3,6 ⋅ 280 N = 2097 N Oba dva svary jsou tedy ve smyku schopny přenést 4194 N.

6.3 Provedení svařování a shrnutí Rozvržení svarů při svařování, lze vidět na obr. 17. Na obr. 18 vlevo vidíme, že pokud použijeme pro svařování přímé elektrody, koliduje horní elektroda se lžící naběračky. Musíme proto použít šikmé uložení elektrod pod úhlem 5 ° jak je zobrazeno na obr. 18 vpravo. Pro svařování můžeme použít např. stojanovou bodovku Tecna 4646 20 kVA (SVARTOP.cz, 2013).

35

Po svaření je nutné provést např. odlupovací zkoušku, abychom zjistili skutečnou velikost svarové čočky. Pokud dojde k celkovému vytržení svaru, jsou námi zvolené svařovací parametry správné.

Legenda k obrázku 18: Zeleně – elektroda v pozici pro svařování bodu pod úhlem 7 ° s rovinou naběračky; Červeně – elektroda v pozici pro svařování bodu pod úhlem 23 ° s rovinou naběračky

Obr. 18: Rozvržení elektrod vlevo kolize elektrod, vpravo šikmé uložení elektrod (vlastní nákres)

36

7

ZÁVĚR Bodové svařování je jednou z metod odporového svařování. Pro svařování není

třeba žádný přídavný materiál a technologie není náročná na přesnost svařovaných částí jako jiné svařovací postupy. To z bodového svařování činí velmi levnou a často nasazovanou technologii v oblastech, kde jsou svařovány plechy a dráty. V úvodu práce jsou vysvětleny základní principy technologie bodového svařování, zejména princip tvorby svaru a popis svařovacího cyklu. V další části stejné kapitoly jsou popsány zařízení nezbytné pro chod technologie. Zejména se jedná o svařovací zdroj a svařovací kleště. Poslední část úvodu pojednává o tom, jakým způsobem je možné s danými zařízeními pracovat, tzn. jaké parametry jsou pro bodové svařování důležité, a kde je možné tyto parametry nalézt. Jestliže je v první části práce popsáno, jakým způsobem svar vzniká, v následující části práce je na toto téma navázáno tím, kde lze svar použít, jaké namáhání je pro svar vhodné, způsob určení jeho mechanických vlastností a zejména jaké metody jsou používány pro zkoušení svarů. Není možné udržet dostatečnou kvalitu jakkoliv dobře připraveného procesu, pokud není určitá část výrobků podrobena zkouškám. Ze známých metod byly vybrány pouze ty nejzákladnější a snahou byla prezentace současného trendu zdokonalování nedestruktivních metod. Dále následuje kapitola popisující, jakým způsobem lze svařování automatizovat a tím vyloučit drahou a často chybující lidskou sílu. Pro většinu aplikací se v dnešní době ukazuje jako nejvhodnější prostředek automatizace průmyslový robot. Průmyslové roboty jsou velmi univerzální zařízení, která lze v případě potřeby jednoduše přeprogramovat. Toto umožňuje pomocí jednoho zařízení vyrábět velký sortiment výrobků nebo v případě potřeby upravit stávající sortiment. V tomto ohledu nelze opomenout význam moderních svařovacích zdrojů a svařovacích servokleští s možností nastavení svařovací síly. Díky spolupráci průmyslového robota se servokleštěmi je možné jedním robotem svařovat různé tloušťky plechů, kombinace dvou i tří plechů a tím ušetřit výrobní čas i náklady na zařízení. Na konci se práce zabývá výpočtem svařovacích parametrů jednoduchého výrobku. V příkladu jsou vypočteny základní svařovací parametry, rozmístění svarů na výrobku a orientační výpočet pevnosti svarů. Příklad může pomoci získané znalosti o bodovém svařování použít v praxi a ulehčit hledání v normách. V příkladu je totiž uvedeno, jaké normy jsou potřebné pro volbu konkrétních parametrů. 37

V době vypracování práce na českém trhu chybí snadno dostupný a přehledný zdroj informací o bodovém svařování. Tato práce by měla tuto mezeru zaplnit a navést čtenáře k dalším zejména cizojazyčným zdrojům, kde lze nalézt další podrobnosti.

38

8

POUŽITÁ LITERATURA

BOSCH Robert GmbH. PSI 6000 Medium-Frequency Inverters: with integrated control function Technical Information [online]. Germany, 2001 [cit. 2013-2-24], 116 s. Dostupné z: http://www.boschrexroth.com/country_units/america/united_states/sub_websites/brus_d cc/documentation_downloads/ProductDocumentation/CurrentProducts/Welding/PSI/PS I6000_2001-04.pdf CRAIG, John J. Introduction to robotics: mechanics and control. 3. vyd. Editor Robert H Bishop. Upper Saddle River: Pearson, Prentice Hall, 2005, 1400 s. ISBN 01-3123629-6. FÁS LEARNING INNOVATION UNIT., STACK, Maurice. Trade of vehicle body repair: Resistance – Welding [online]. Dublin, 2006 [cit. 2013-2-24], 52 s. Dostupné z: http://www.ecollege.ie/site/liu/vbr_notes/m1u4.pdf FESTO AG & CO. KG. Product Overview for the Automotive Industry [online]. Esslingen, 2010 [cit. 2013-2-24], 114 s. Dostupné z: http://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/17309/AMI_ProductOverview_2012b_E N_low.pdf GLOBAL ROBOTS FZE [online]. 2011 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.globalrobots.ae/robots_applications/images/abb-spotwelder.jpg KUKA ROBOTER CEE GmbH. [online]. 2013 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.kukarobotics.com/czech_republic/cs/products/industrial_robots/heavy/kr1000/start.htm KUKA ROBOTER CEE GmbH. [online]. 2013 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.kukarobotics.com/czech_republic/cs/products/industrial_robots/special/high_accuracy_robot s/kr30_ha/start.htm KUNCIPÁL, Josef. Svařování pro konstruktéry a technology. 1. vyd. Praha: SNTL, 1980, 356 s.

39

LEINVEBER, Jan. Strojnické tabulky. 3. přepr.vyd. Praha: Scientia, 1999, 985 s. ISBN 80-718-3164-6. MATUSCHEK WIDERSTANDSSCHWEISS TECHNIK [online]. 2012, [cit. 2013-224]. Dostupný z: http://www.matuschek.de/html/en/spatz_multi04.htm?bc=1 MILLER ELECTRIC MFG. CO. Handbook for Resistance Spot Welding [online]. Appleton, 2010 [cit. 2013-2-24], 24 s. Dostupné z: http://www.millerwelds.com/pdf/Resistance.pdf MILLER ELECTRIC MFG CO. Miller [online]. 2013 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.millerwelds.com/products/spotwelders/msw_and_lmsw__air-cooled_/ MITCalc: Mechanical, Industrial and Technical Calculations. [online]. 2013 [cit. 201302-24]. Dostupné z: http://www.mitcalc.com/doc/welding/help/cz/welding.htm MIYACHI UNITEK CORPORATION. Fundamentals of Small Parts Resistance Welding [online]. Monrovia, 2007 [cit. 2013-2-24], 8 s. Dostupné z: http://wenku.baidu.com/view/9b86942de2bd960590c6776e.html NIMAK GmbH. NIMAK Servo Technology: for effortless welding [online]. Wissen, 2007 [cit. 2013-2-24], 6 s. Dostupné z: http://www.nimak.de/Bilder/NIMAK_Servo_e.pdf OLYMPUS CORPORATION [online]. 2012 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.olympus-ims.com/en/applications/spot-weld-testing/ PIRES, J, Altino LOUREIRO a Gunnar BOLMSJÖ. Welding robots: technology, system issues and applications. 1. vyd. London: Springer, 2005, 192 s. ISBN 18-5233953-5. RAUTARUUKKI CORPORATION. Resistance Welding Manual [online]. Helsinki, 2009 [cit. 2013-2-24], 30 s. Dostupné z: http://www.ruukki.com/~/media/Files/Steelproducts/Cold-rolled-metal-colour-coated-instructions/Ruukki-Resistance-weldingmanual.pdf SENKARA, Jacek a Hongyan ZHANG. Resistance Welding Fundamentals and Applications. London: CRC Press, 2005, 439 s. ISBN 02-034-9752-X.

40

SVARINFO.cz. Bodovky a bodování [online]. 2008 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.svarbazar.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2008033102 SVARINFO.cz. Historie svařování [online]. 2006 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.svarbazar.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2006061401 SVARTOP.cz. [online]. 2013 [cit. 2013-02-23]. Dostupné z: http://www.svartop.cz/svareci-technika/stojanova-bodovka-tecna-4646-20-kva Ultrasonic Inspection of Resistance Spot Welding Continues to Progress. HAWKINS, Robby a Silviu RABINOVICH. [online]. 2013 [cit. 2013-02-24]. Dostupné z: http://www.aws.org/itrends/2005/04/030/ ZAMAROVSKÝ, Vojtěch. Za tajemstvím říše Chetitů. 1. vyd. Praha: Mladá fronta, 1961, 293 s. ISBN 80-8046-308-5.

41

9

SEZNAM POUŽITÝCH NOREM

ČSN EN ISO 10447…. Odporové svařování – Odlupovací a sekáčové zkoušení odporových bodových a výstupkových svarů ČSN EN ISO 14327…. Odporové svařování – Způsoby určení diagramu oblasti svařování při odporovém bodovém, výstupkovém a švovém svařování ČSN EN ISO 14329…. Odporové svařování – Destruktivní zkoušky svarů - Typy porušení a geometrická měření odporových bodových, švových a výstupkových svarů ČSN EN ISO 14373…. Odporové svařování – Postup pro bodové svařování nepovlakovaných a povlakovaných nízkouhlíkových ocelí ČSN EN ISO 17677-1.... Odporové svařování – Slovník - Část 1: Bodové, výstupkové a švové svařování ČSN EN ISO 18594…. Odporové bodové, výstupkové a švové svařování – Způsob určování přechodového odporu u hliníkových a ocelových materiálů ČSN EN ISO 5182…. Odporové svařování – Materiály pro elektrody a pomocné vybavení ČSN EN ISO 5183-1.... Odporová svařovací zařízení – Elektrodové adaptéry s vnějším kuželem 1:10 - Část 1: Kuželové upevnění, kuželovitost 1:10 ČSN EN ISO 5183-2…. Odporové bodové svařování – Elektrodové adaptéry s vnějším kuželem 1:10 - Část 2: Válcové upevnění s dorazem ČSN EN ISO 5821.... Odporové svařování – Elektrodové čepičky pro bodové odporové svařování ČSN EN ISO 8166…. Odporové svařování – Způsob hodnocení životnosti bodových svařovacích elektrod při konstantním nastavení stroje ČSN EN 25184…. Přímé elektrody pro odporové bodové svařování

42

10 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Základní schéma svařovacího stroje……………………………….….………10 Obr. 2: Schéma svařovacího cyklu…………………………….………………………12 Obr. 3: Schéma vysokofrekvenčního investoru……………………………………….14 Obr. 4: Schéma střídavého svařovacího zdroje………………………………………..14 Obr. 5: Schéma lineárního stejnosměrného zdroje…………………………………….15 Obr. 6: Svařovací kleště typ C vlevo, typ X vpravo……………………………….…..16 Obr. 7: Schéma průchodu proudu jednostrannými bodovacími kleštěmi…………...…17 Obr. 8: Funkční schéma X svařovacích kleští……………………………………….....18 Obr. 9: Funkční schéma C svařovacích kleští………………………………………….19 Obr. 10: Ukázka seřízení svařovacích kleští……………………..…………………….20 Obr. 11: Ukázka sekáčové zkoušky………………………………….………………...26 Obr. 12: Ukázka odlupovací zkoušky…………………………………………….…....27 Obr. 13: Ukázka zkoušky ultrazvukem……………………………………………...…28 Obr. 14: Ruční svařování……………………………………………………….………29 Obr. 15: Ruční stojanová bodovka……………………………………………………..29 Obr. 16: Svařovací robot…………………………………………………………...…..31 Obr. 17: Pozice svarů……………………………………………………..……….…...33 Obr. 18: Rozvržení elektrod vlevo kolize elektrod, vpravo šikmé uložení elektrod…..36

43