A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.3 2.4 2.5
Minőségbiztosítás nagyipari precíziós lemezmunkák esetében Tárgyszavak: hideghengerlés; szalaghengerlés; acélszalag; lemezhengerlés; lézeres hegesztés; minőségbiztosítás.
Lemezprofilok hideghengerlésekor a lapos szalaganyagot több hengerállványon átbocsátva, fokozatosan alakítják készre. Az ún. szúrások alkalmával a lemezkeresztmetszet egyes pontjai különböző hosszúságú térgörbe-szakaszok mentén mozdulnak el. Ennek következtében az anyag különböző mértékben nyúlik, és természetesen különböző feszültségek ébrednek a szelvényben, ami mindaddig nem befolyásolja a hengerelt szelvény pontosságát, amíg az alakváltozás a rugalmassági határon belül marad. Amint a két hengerállvány között az anyag igénybevétele meghaladja a folyáshatárt, a maradó alakváltozás helyi eltérései torzítják a profilkeresztmetszetet. Ilyenkor a szimmetrikus profilok peremei hullámosak lesznek. A profil a hossztengely körül elfordulhat, és a szál elgörbülhet. Az alakítóhengerek profilját ebben az esetben korrigálni kell, ami viszont igen költséges művelet. Ennek elkerülése érdekében háromlépcsős minőségbiztosítási koncepciót dolgoztak ki. A profilhengerek megfelelő konstrukciójával elérhető, hogy a hengerkészlet az előírt profilt a kívánt tűréssel tudja előállítani. A következőkben ismertetett három fokozat egymással kombinálható.
1. fokozat: a szalag peremének nyúlása A konstrukció fázisában szükség van a feszültségek és nyúlások meghatározására. Ennek megvalósítása érdekében olyan matematikai függvénnyel írták le a szalaganyag peremének geometriai változásait,
amiből levezethetők a nyúlások és feszültségek. Az eredményeket oszlopdiagram formájában tüntették fel. Az egyes oszlopok hossza jellemzi a két hengerállvány között érvényesülő, a folyáshatárra vonatkoztatott feszültségértéket (1. ábra).
%
63
1
63
2
99
3
99
100
4
100
8
5
8
11
6
11
5
7
5
0
8
0
63 63
sáv
%
1. ábra Annak ellenőrzése, hogy a szalag peremének nyúlása a megengedett határon belül marad-e A tervezés során vizsgálják, hogy a hajlítási szög függvényében hogyan változik a feszültségoszlopok hossza.
2. fokozat: profilfeszültség-elemzés A profilfeszültség-elemzés (PSA) esetében a lemezszalag felületét elemi derékszögű négyzetekre bontják. Az elemek nagyságát és ennek megfelelően a számítás pontosságát a tervező szabadon megválaszthatja. Magától értetődően a hajlítási övezetben – a fokozott igénybevétel miatt – célszerű finomabb osztást alkalmazni. Amikor a szalagot alakítják a hengerek között, a derékszögű négyzetek általános négyszögekre torzulnak. Az oldalhosszúságok változásából lehet következtetni a várható nyúlásra, majd a feszültségre. Az alakított anyag arányossági határára vonatkoztatott feszültségértékeket színekkel jellemzik. A színskála kéktől (0%) a zöldön (50%) keresztül a pirosig (100%) terjed. A háromdimenziós modellen ennek megfelelően a piros képelemek alapján azonnal feltűnnek a kritikus tartományok.
Az 1. fokozattal szemben (a szalagperem nyúlása) a PSA-módszer esetében nemcsak a szalag peremén, hanem a teljes profilkeresztmetszetben figyelembe veszik a hosszirányú feszültségeket. Ennek akkor van jelentősége, amikor a maximális feszültségek nem a peremeken ébrednek. Ez az eljárás gyors, úgyhogy az eredményeket már a tervezés szakaszában közvetlenül fel lehet használni.
3. fokozat: a véges elemek módszere A véges elemek módszere (FEM) esetében a profilhengerlési művelet szimulációja igen pontos információt ad arról, hogy az alakítás folyamán milyen feszültségek ébrednek a hengerelt profilban. Az esetleges alaktorzulásokra is lehet következtetni. Az eljárás lényegében az előbb vázolt profilfeszültség módszerrel azonos jellegű beosztásokkal dolgozik. A számítástechnikai módszereket alkalmazó eljárás esetében is a kívánt pontosságtól függően kell megválasztani a négyzetes beosztás méretét. A különleges igénybevételnek kitett szakaszokon finomabb beosztással kell dolgozni. Az anyag tulajdonságait az alakváltozási görbe jellemzi. A FEM szimuláció nagyteljesítményű számítógépet igényel. A művelet időszükséglete a profil bonyolultságától és az alakítási fokozatok számától függően néhány órától több napig tarthat. A szimuláció eredménye megadja, hogy a választott alakító szerszámformák esetében milyen alakzat hagyja el a hengersort. Amennyiben a kész profil nem egyezik meg az elméletileg kívánt profillal, végigvizsgálható az egyes alakítási szakaszok hatása és a kialakuló feszültségeloszlás. Gyorsan megállapítható, hol ébrednek túl nagy feszültségek, és hol alakul ki tartós nyúlás. Ennek megfelelően kell korrigálni a henger elméleti alapon választott konstrukciós tervét. Az előző két fokozattal szemben a véges elemek módszere igen pontos információt szolgáltat a feszültség- és alakváltozási viszonyokról, ill. a hengerek alakítási hatékonyságáról.
Precíziós lemezhegesztés minőségének ellenőrzése Lemezek, ill. lemezidomok közötti kötések létrehozására egyre gyakrabban alkalmazzák a lézersugaras eljárást. A régebbi hegesztési módszerekkel szemben lényegesen kisebb igénybevételt jelentő techno-
lógia még mindig jelentős alakváltozásokkal és hibahelyek kialakulásával járhat, ezért a minőség-ellenőrzés feladata itt is nagy felelősséggel jár. A lézersugaras hegesztés népszerűségét jellemzi, hogy világviszonylatban 2003-ban 180 millió alkatrész kötését állították elő ezzel a módszerrel. Ez a mennyiség 2005-re már 250 millióra fog növekedni. Az Audi és a VW újabb modelljein 2003-ban átlagosan 70 m hosszú varratot készítettek lézersugárral. Ezek az adatok indokolják az ilyen varratok teljesen automatikus minőség-ellenőrzését. Erre alkalmas a SOUVIS 5000 berendezés (a svájci Soudronic AG terméke).
SOUVIS 5000 képfeldolgozó rendszer A hegesztési varratokat ellenőrző „SOUVIS 5000” optikai rendszer PC-t felhasználó képfeldolgozó egységből és valós időben dolgozó adatfeldolgozóból áll. A detektor lényegében állítható időállandójú CMOS kamera, amit különleges megvilágító rendszer egészít ki. Adatcsere céljaira a rendszer TCP/IP hálózatba integrálható és egy PLC segítségével irányítható. A képfeldolgozó PC is felhasználható (bár korlátozottan) a közvetlen irányításra. A felvétel esetében két, megfelelő szögben irányított CW lézerdióda szolgáltatja a varrat geometriájára vonatkozó háromdimenziós adatokat. 20 µs időtartamú villanófény teszi lehetővé a felvétel készítését (2. ábra). állítható érzékenységű CMOS kamera
rövid impulzusos villanófény
lézerdiódás vonalvetítő
2. ábra Két lézersugár érzékelteti a varrat geometriáját
A varrat folyamatos ellenőrzésekor vagy a detektor, vagy a munkadarab mozdulhat el. A maximális ellenőrzési sebességet csupán a kamerarendszer, valamint az adatáramlás korlátozza és eléri a 30 m/min értéket. Ez általában jóval nagyobb, mint az anyagmozgatásra felhasznált egységek sebessége. Az eredmények értékelése A hibák értékelését a berendezés három párhuzamos eljárás szerint végzi. Ezek: 3 dimenziós profilelemzés, varrattextúra- vagy -struktúraelemzés és póruselemzés. A varratprofil ellenőrzése különösen tompán illesztett varratok esetében fontos, mivel a túlzott kidomborodás vagy egy bizonyos hosszon túlmenő illesztési hiba döntő mértékben befolyásolhatja a hegesztett alkatrész minőségét. A varratfelület homogenitását olyan helyi hibák zavarhatják meg, amelyek helyileg gyengítik a kötést, esetleg lerontják a felület esztétikai megjelenését, vagy károsan befolyásolják a tömítettséget. Ezen kívül ki kell mutatni a nyitott pórusokat és egyéb közismert varrathibákat. A textúrát a „halszálka”-struktúra jellemzi. Minősítésére felhasználják a meredekség és az irányítottság paramétereket. Néhány mutató elegendő a felületi minőség és simaság leírására. Amikor ezek a mutatók jelentősen megváltoznak, helyi hegesztési hibát kell feltételezni, amit pl. a plazmagáz hiányos beolvasztó hatása, vagy a bevonati anyag elgőzölgése következtében kialakuló varrathiányhely okozhat. A textúraelemzés viszonylag nagy felületekre terjed ki. Ennek megfelelően az egészen kis méretű hibák kimutatására nincs lehetőség, tehát szükség volt egy harmadik algoritmus kidolgozására. Ezzel a csupán néhány 100 µm nagyságrendű hibák is kimutathatók. Főként a lézersugaras forrasztásnál kell ilyen kis pórusméretekre számítani. A varratadatok számítása és a hibák osztályozása A varratadatokat a méret, a geometria és a súlyozási tényező alapján számítják. A súlyozási tényező függ a kiindulási nyers darabra vonatkozó információktól, a felhasználó által definiált méretektől és más olyan adatoktól, amelyek a gyakorlatban tapasztalatilag határozhatók meg. A berendezésben felhasznált kamera nagy felbontóképessége, a varrathelyzet és varratszélesség pontos értékelése, valamint az igényes képfeldolgozó algoritmus eredményeként az elemi képpontméret néhány
század milliméter. Tehát az ISO 13919-1 B minőségi szabvány által meghatározott hegesztési hibák megbízhatóan kimutathatók. Azokat a munkadarabokat, amelyek nem elégítik ki az előre megadott határértékeket, vagy visszaküldik javításra, vagy kiselejtezik. Integráló megoldások A SOUVIS 5000 készülék esetében valamennyi felismerési funkciót egyetlen detektorfejbe építették, így az érzékelő bármilyen berendezésbe problémamentesen beépíthető. Leggyakrabban hegesztő robotgépbe építik be. Ez a megoldás lehetővé teszi a varrat teljesen automatikus, háromdimenziós minőség-ellenőrzését. Az Audi az első üzembe helyezett berendezéssel igen kedvező tapasztalatokat szerzett egy fenéklemez átlapolt varratának és egy forrasztott fedélvarratnak a minőségellenőrzésekor. Egyébként a készülék nemcsak lemezvarratok vizsgálatára és minősítésére alkalmas, hanem egyéb alkatrészek varratainak minőség-ellenőrzésére is alkalmazható. Összeállította: Dr. Barna Györgyné Flächenhafte Ebenheitsprüfung von Präzisionsteilen. = VDI Berichte, 1829. sz. 2004. h.n. p. 575–582. Brandegger, R.: Qualitätssicherung bei der Profilrollen-Konstruktion. = Blech Rohre Profile, 2003. 7. sz. okt. p. 66, 68–69. Wildmann, D.; Halschka, M. stb.: Qualitätssicherungssystem für lasergefügte Bauteile. = Blech Rohre Profile, 2003. 7. sz. okt. p.46–48.
