FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

SVEUČILIŠTA U ZAGREBU10000 Zagreb, Ivana Lučića 5

Kolegij: „Robotizirano zavarivanje i prevlačenje“

Akad. godina 2013/2014.

Seminarski rad

Edi-Eduard Barić

10.09.2014.

SADRŽAJPOPIS SLIKA................................................................................................................... ii

1. UVOD........................................................................................................................1

2. RAZVOJ ROBOTSKOG SUSTAVA[1].......................................................................3

3. KONTROLA SILE [2].................................................................................................5

4. VIŠEDIMENZIJSKO ZAVARIVANJE TRENJEM S ROTIRAJUĆIM ALATOM [2].....8

5. PRIMJENA ROBOTIZIRANOG ZAVARIVANJA TRENJEM S ROTIRAJUĆIM

ALATOM U AUTOINDUSTRIJI [2]...................................................................................9

6. ZAKLJUČAK............................................................................................................12

7. LITERATURA..........................................................................................................13

POPIS SLIKASlika 1 Shema postupka zavarivanja trenjem s rotirajućim alatom[2]..............................1

Slika 2 Robotska ruka s FSW sustavom..........................................................................3

Slika 3 Dijagram FSW sustava s hidrauličnim motorom...................................................4

Slika 4 Kontroler sile FSW robotskog sustava.................................................................5

Slika 5 Prikaz rezultata ispitivanja....................................................................................6

Slika 6 Zavari sa i bez kontrole sile..................................................................................7

Slika 7 FSW zavarivanje robotom u dvije dimenzije.........................................................8

Slika 8 FSW zavarivanje robotom u 3 dimenzije..............................................................8

Slika 9 Zavareni spoj sa strane jednake debljine i sa strane različite debljine.................9

Slika 10 Kut alata u smjeru putanje i radni kut...............................................................10

Slika 11 Presjek zavara limova debljine 1 – 2 mm (6061-T6)........................................10

1. UVOD

Postupak zavarivanja trenjem s rotirajućim alatom(eng. Friction stir welding, FSW)

razvijen je 1991. godine na The welding institute u Cambridge-u. FSW postupak

zavarivanja je jedna od posljednjih inovacija u području zavarivanja. Svoju primjenu je

našao pri zavarivanju lakih legura kao što su aluminijeve i magnezijeve [1].

Osnovni princip FSW-a može se opisati na sljdeći način. Pritiskom alata na osnovni

materijal i rotacijom razvija se toplina nastala trenjem koja materijal čini mekšim, ali ga

ne tali te dolazi do mješanja u spoj (slika 1).

Slika 1 Shema postupka zavarivanja trenjem s rotirajućim alatom[2]

Dodirom rotirajućeg trna alata i površine osnovnog materijala razvija se toplina koja

uzrokuje omekšavanje materijala i plastično deformiranje u cilindričnom području oko

trna. Sve dubljim prodiranjem trna u materijal povećava se količina omekšanog

područja sve do maksimalne dubine penetracije, odnosno do kontakta cilindričnog tijela

alata s gornjom površinom materijala. Širina omekšanog područja najveća je na mjestu

kontakta tijela alata i limova koji se zavaruju i sužava se sve do vrha trna alata. U

1

nastavku procesa alat se pravocrtno giba u smjeru zavarivanja. Oko rotirajućeg trna

stvara se tanko plastificirano područje i prenosi materijal s jednog lima na drugi pojavom

„ključanice“ u krutom stanju[2].

U početku se ovaj postupak zavarivanja koristio kod proizvodnje krila aviona, spremnika

goriva za avione, krovova vlakova i sl. Uvođenjem robotskih sustava porasla je

fleksibilnost ovog postupka, te se on počeo koristiti u auto industriji.

U usporedbi sa ostalim postupcima zavarivanja aluminija, FSW nudi značajne

prednosti, koje su osobito važne za automobilsku industriju. Te prednosti su :

Veća vlačna čvrstoća,

Veća otpornost na umor,

Nema dodatnog materijala,

Mogućnost spajanja materijala različitih temperatura tališta,

Nema zaštitnih plinova.

Brzine zavarivanja u početku su predstavljale značajan nedostatak FSW-a, ali s

vremenom je taj problem riješen te u tom pogledu ovaj postupak usporediv je sa

ostalim postupcima zavarivanja. Razmjerno velike sile pritiska alata na materijal i dalje

su značajna prepreka uvođenju ovog postupka zavarivanja u autoindustriju, pogotovo s

obzirom na to da se ne zna u kojoj mjeri robotske ruke koje se najčešće koriste u

autoindustriji, mogu provoditi zavarivanje trenjem s rotirajućom glavom. Upravo iz tog

razloga pokrenut je projekt kojim su se utvrdile mogućnosti FSW-a pomoću robotske

ruke [1].

2

2. RAZVOJ ROBOTSKOG SUSTAVA[1]

Prije ugradnje FSW sustava na industrijski robot, donešene su dvije ključne odluke.

Prva se odnosila na tip robota koji će se koristiti u istraživanju. Odabran je robot

proizvođača ABB IRB 6400 nosivosti 150 kg, koji koristi viši programski jezik sa

mogućnošću pisanja složenih naredbi.

Druga odluka vezana je uz vrstu pogona za FSW sustav. Zbog neznanja o mogućnosti

robota za provedbu FSW-a, kod odabira pogona ključni su bili minimalni troškovi. U

skladu s tim odabran je električni motor snage 2200 W postavljen u kućište na zglobu

robotske ruke (sika 2).

Slika 2 Robotska ruka s FSW sustavom

Prilikom testiranja ovakvog sustava brzo je postalo jasno kako su mogućnosti

zavarivanja trenjem s rotirajućim alatom uz pomoć robotske ruke veoma ograničene.

Velik problem predstavlja pojava rezonancije u robotskoj ruci što uzrokuje velike

vibracije cijelog sustava. Drugi značajan problem su motori robota koji ipak nisu

dovoljne snage te lako dostižu granice svojih mogućnosti.

3

Velike dimenzije motora utjecale su na udaljenot rotirajućeg alata od zgloba robota.

Krutost cijelog sustava opada sa porastom te udaljedenosti, što uzrokuje pojavu

rezonancije i vibracija.

Nakon početnih istraživanja odlučeno je kako je za pogon rotirajućeg alata primjereniji

manju hidraulični motor (slika 2).

Slika 3 Dijagram FSW sustava s hidrauličnim motorom

Ovakav sustav pokazao je znatno bolje rezultate u odnosu na onaj s električnim

motorom. Dobiveni zavari bili su kvalitetniji, a rezonancije gotovo da nije ni bilo.

Pri ispitivanju novog sustava pripremljen je preklopni spoj debljine limova 2 mm.

Materijal lima aluminijska je legura oznake 6061-T6, a doneseni su sljedeći zaključci:

Brzine rotacije alata moraju biti veće od 1500 okr/min,

Najveća brzina zavarivanja do 0,6 m/s,

Zavarivanje moguće unutar manjeg prostora, zbog pojave rezonancije,

Ako prilikom poniranja nije došlo do pojave rezonancije, ona se neće pojaviti

uzduž cijelog zavara, najčešće vrijedi i obrnuto,

Zapažen je otklon robotske ruke od 5 mm u vertikalnom smjeru,

4

Pri nižim brzinama rotacije alata dolazi do gušenja hidrauličnog motora, što se

pripisuje maloj inerciji tog motora.

Nakon ovog ispitivanja, ispostavilo se kako ovaj hidraulički motor nije dovoljno jak te je

u nastavku ispitivanja korišten hidraulički motor veće snage

3. KONTROLA SILE [2]

Otklon robotske ruke, zapažen u ispitivanjima, predstavljao je problem u provođenju

postupka zavarivanja te se radi toga uvodi kontrola sile pritiska alata. Za kontroliranje

sile potrebno je mjeriti njenje vrijednosti. Kako bi dodatni uređaji dodatno povisili

troškove cijelog sustava, mjerni sustav je izveden pomoću robotskog programa.

Moment motora robota može se pratiti u realnom vremenu pa s pretpostavkom da je

robot kruto tijelo mogu se dobiti jednadžbe za silu na kraju robotske ruke, kao funkcije

momenta motora. Napisan je programski kod koji neprekidno računa sile na kraju

robotske ruke, a PID kontroler iz razlike zadane i izmjerene sile korigira odstupanje sile.

Slika 4 Kontroler sile FSW robotskog sustava

Fc = zadana sila,

Fe = razlika zadane i stvarne sile,

Fa = stvarna sila, izračunata pomoću momenta motora,

ΔD = zadani pomak.

5

Kontrola sile može se koristiti samo tokom pravocrtnog gibanja alata, jer prilikom

prodiranja alata u materijal nije moguće izmjeriti sve promjene sila.

Kako bi se provjerio ovaj način kontroliranja sile, pripremljen je jednak uzorak za

zavarivanje kao u prethodnom slučaju, preklopni spoj dvaju limova debljine 2 mm.

Rezultati mjerenja prikazani su u dijagramu na slici 5. Stvarni iznos sile zabilježen za

slučaj kad je kontrola sile uključena i za slučaj kada nije. U oba slučaja programirana

putanja bila je jednaka. U dijagramu možemo vidjeti kako sustav kontrole sile zadržava

vrijednost mjerene sile blizu vrijednosti zadane, dok u slučaju bez kontrole, vrijednost

mjerena sila značajno odstupa od zadane.

Slika 5 Prikaz rezultata ispitivanja

Na slici 6 prikazani su zavari iz prethodna 2 slučaja. Očito je da prilikom zavarivanja sa

kontrolom sile pritiska alata dobijemo kvalitetan zavar, dok u slučaju kada je kontrola

sile izostavljena ubrzo nakon početka zavarivanja dolazi do pojave grešaka na zavaru.

Greške se javljaju kada je iznos sile pritiska alata 75% od zadane vrijednosti.

6

Slika 6 Zavari sa i bez kontrole sile

Ovo istraživanje pokazuje kako je kontrola sile pritiska alata veoma korisna za kontrolu

FSW postupka zavarivanja koji se izvode uz pomoć robota sa manjom krutošću.

7

4. VIŠEDIMENZIJSKO ZAVARIVANJE TRENJEM S ROTIRAJUĆIM ALATOM [2]

Jedan od glavnih ciljeva robotiziranog FSW sustava je mogućnost višedimenzijskog

zavarivanja trenjem s rotirajućim alatom. Kako bi se ispitala sposobnost robota da

zavaruje u dvije dimenzije, pripremljena su dva lima na kojima se simuliralo zavarivanje

preklopnog spoja u dvije dimenzije kao što je prikazano na slici 7.

Slika 7 FSW zavarivanje robotom u dvije dimenzije

Uz dvodimenzionalno provedeno je i trodimenzionalno zavarivanje što se može vidjeti

na slici 8.

Slika 8 FSW zavarivanje robotom u 3 dimenzije

8

5. PRIMJENA ROBOTIZIRANOG ZAVARIVANJA TRENJEM S ROTIRAJUĆIM ALATOM U AUTOINDUSTRIJI [2]

Robotizirani FSW postupak zavarivanja mogao bi zauzeti značajno mjesto u

autoindustriji, osobito kod proizvodnje aluminijskih krojenih limova (eng. Twb- tailored

welded blanks). Krojeni limovi su sastavljeni zavarivanjem više limova različite debljine

kako bi se smanjila težina konstrukcije.

Kako bi se ispitala mogućnost zavarivanja aluminijskih krojenih limova ovim postupkom,

pripremljeni u limovi debljine 1 i 2 mm različitih legura. Legure korištene u ispitivanju su

6061-T6, 5754-O i 6111-T4, valja napomenuti kako su se zavarivali samo limovi

jednakih materijala. Na slici 9 prikazani su oblici spojeva koji su ispitivani.

Slika 9 Zavareni spoj sa strane jednake debljine i sa strane različite debljine

Zavari koji su rađeni sa strane jednake debljine nisu ispunili očekivanja. Razlog tome

bila je pojava zareznog djelovanja te koncentracije naprezanja sa suportne strane

limova. Zbog toga su svi ostali zavari tijekom ispitivanja rađeni sa strane različitih

debljina limova.

Odabir alata za ovu metodu zavarivanja veoma je složen proces. Kut alata u smjeru

zavarivanja, kao i radni kut (slika 11) mogu se odrediti nakon odabira promjera čela

alata, a duljina trna alata se određuje nakon odabira ta 2 kuta.

9

Slika 10 Kut alata u smjeru putanje i radni kut

Tijekom odabira parametara zavarivanja posebna se pažnja pridaje optimiziranju brzine

zavarivanja. Bez dodatnih materijala i s obzirom na niske troškove održavanja, troškovi

cijelog postupka najviše ovise o brzini zavarivanja.

Postignuta je brzina od 1.8 m/min, kojom je ovaj postupak zavarivanja konkurentan bilo

kojem drugom postupku za zavarivanje ovih alumijiskih legura.

Nakon što je postignuta zadovoljavajuća vizualna kvaliteta zavara pri visokim brzinama

zavarivanja, provedena su mehanička i metalografska ispitivanja. Na slici 11 prikazan je

poprečni presjek zavarenog spoja legure 6061-T6 na kojem se vidi prisutnost oksidnog

sloja u središtu zavara.

Slika 11 Presjek zavara limova debljine 1 – 2 mm (6061-T6)

Statičkim vlačnim ispitivanjem legura grupe 6000 došlo je do pojave pukotina u središtu

zavara ili u zoni utjecaja topline, dok je kod legure 5754-0 do pojave pukotine došlo u

osnovnom materijalu, uz naznaku mogućnosti pojave pukotine u korjenu zavara.

Prilikom ispitivanja savijanjem, zavari su pokazali dobru izdržljivost savijanjem na licu

zavarenog spoja, dok je prilikom savijanja korijena dolazilo do pojave pukotina.

10

Dobiveni rezultati su pokazali kako nije bilo dovoljne penetracije. Nakon geomterijske

analize cijelog alata zaključeno kako je problem mala duljina trna. U ponovljenim

ispitivanjima duljina trna alata je povećana te su rezultati bili znatno poboljšani.

11

6. ZAKLJUČAK

Sa standardnim industrijskim robotima moguće je zavarivati FSW postupkom

aluminijevu leguru 6061-T6 do debljine od 3 mm. Kontrola sile omogućuje robotu da

prevlada nedostatak krutosti, te da održava alat na zadanoj visini uz zadanu putanju.

Ova tehnologija jedna je od ključnih komponenata uspješnosti FSW postupka

zavarivanja pomoću industrijskih robota, ali povećanjem krutosti sustava korištenje

FSW-a postupka zavarivanja s industrijskim robotima dodatno bi se proširilo.

Robotizirani FSW postupak zavarivanja aluminijskih krojenih limova, dostiže brzine od

skoro 2 m/min što uz ostale prednosti ovog načina spajanja materijala, ovaj postupak

čini vrlo konkurentnim u usporedbi s ostalim postupcima zavarivanja.

12

7. LITERATURA

[1] C. B. Smith: Robotic Friction Stir Welding using a Standard Industrial Robot

[2] S. Kralj, M. Bušić, Z. Kožuh, D. Klobčar: Utjecaj oblika i dimenzija alata pri

zavarivanju trenjem rotirajućim alatom

13