Avanços na soldagem BIW – menos expulsões de RSW e melhores sistemas de visão 3D

Imagine a tendência para zero defeitos de solda. E um sistema que ajuda seus robôs a unir e soldar com mais precisão, mesmo em velocidades de até 15 metros por minuto. Aqui estão dois resumos rápidos das apresentações sobre soldagem realizadas no IABC (International Autobody Congress) de 2021, que têm o potencial de melhorar a soldagem de sua estrutura de carroceria (body-in-white).

  1. Uma abordagem abrangente e contínua para reduzir as taxas de expulsão de solda a ponto por resistência.

  2. Capacidades atuais de sistemas de visão a laser 3D para melhorar a qualidade da solda e da brasagem.

 

Conclusão n° 1

Redução das taxas de expulsão da solda a ponto por meio da análise de processos e dados inteligentes

O objetivo de um estudo contínuo feito pela BMW MINI UK e pela TWI Ltd(The Welding Institute, Reino Unido) é reduzir a expulsão da soldagem, um problema caro causado quando o metal líquido quente proveniente da solda a ponto cai em outra parte do carro. Também conhecidas como salpicos de solda ou ejeção de metal líquido, as expulsões levam a:

  • Queimadura dos revestimentos de zinco, reduzindo a proteção contra corrosão
  • Defeitos visuais nas peças visíveis do carro

Identificar e retrabalhar as peças danificadas pela expulsão de solda consome muito tempo.

Expulsão de uma solda a ponto por resistência

Figura 1a: Expulsão de uma solda a ponto por resistência.

Queimadura e danos a uma superfície de painel resultantes da expulsão da solda

Figura 1b: Queimadura e danos a uma superfície de painel resultantes da expulsão da solda. Imagens de cortesia de TWI Ltd e BMW MINI UK.

Diminuição das taxas de expulsão já baixas

A fábrica MINI do Grupo BMW em Oxford já tinha uma taxa de expulsão baixa de 3,7%. Mas o objetivo do projeto WeldZero do governo britânico é ter zero defeitos de solda. Com o financiamento da WeldZero, a MINI Plant Oxford e o The Welding Institute trabalharam sistematicamente para reduzir ainda mais a taxa de expulsão da fábrica para cada uma das 6000 soldas a ponto por resistência (RSWs) encontradas em todos os modelos MINI.

A MINI Plant Oxford utiliza robôs de última geração e pistolas de solda, com controles integrados/adaptáveis para todas as soldas a ponto –– portanto, não tem problemas relacionados a soldas de baixa qualidade, subdimensionadas ou de baixa resistência. O único problema restante é o salpico das soldas.

No estudo em andamento, a análise de dados é usada para identificar:

  • Ocorrências de expulsão de solda
  • Suas causas primárias
  • Padrões de dados para cada causa raiz

Informar os engenheiros de produção sobre as ações corretivas apropriadas.

 

Medidas corretivas iniciais para os salpicos de solda

  • Reduzir a pressão do ar da pistola de solda, que originalmente e intencionalmente era “sobrepressurizada” na crença errada de que a sobrepressão compensaria as diferenças nas distâncias do suprimento de ar para a pistola de solda. Ao diminuir a pressão do ar, descobriu-se que a taxa de pressão de todas as pistolas de solda ficou melhor equalizada, reduzindo as expulsões de solda e, ao mesmo tempo, reduzindo os custos com a energia para o suprimento de ar em até 25%.
  • Monitoramento do fluxo de água de resfriamento para as pistolas de solda para descobrir entupimentos ou quedas nos níveis de fluxo. As interrupções no fluxo de água de resfriamento causaram o superaquecimento dos eletrodos de solda e desgaste excessivo dos eletrodos, levando a salpicos de solda.
  • Análise dos dados do processo de solda da tensão da solda, corrente da solda, força da solda e resistência medida, que foi, então, correlacionada aos robôs de solda com a maior ocorrência de expulsões.

Fatores adicionais para a expulsão de solda encontrados pela análise de dados

Em seguida, o TWI e a BMW realizaram uma análise dos dados das expulsões de solda restantes para determinar seus principais fatores:

  • Incompatibilidade do painel: incluindo um formato ruim das peças e recuperação elástica, mas também problemas como peças empurradas para fora de posição por outras peças.
  • Efeito das folgas: no caso de componentes de maior resistência e mais espessos, ou ainda aqueles com três ou quatro camadas de chapas, as folgas entre as chapas podem desestabilizar o processo de soldagem, causando a expulsão da solda.
  • Distância da borda do eletrodo: o erro de incompatibilidade do painel pode fazer com que o eletrodo de solda fique muito próximo da borda de um painel, fazendo com que a zona de soldagem se “quebre” da borda do painel, resultando em uma forte expulsão.
  • Má orientação do ponto de solda: causada por incompatibilidade de painel ou defeito de forma, resultando em um eletrodo com orientação diferente de sua ideal, de 90 graus. Essa situação leva à expulsão da solda, bem como à deterioração do eletrodo que, por sua vez, pode causar mais expulsões.
  • Ponteiras de eletrodo extremamente desgastadas: a quantidade de liga de zinco nos eletrodos influencia as taxas de expulsão.
  • Resfriamento insuficiente da água das pistolas de solda: entupimentos ou dobras apertadas nos canais de resfriamento restringiram o fluxo de água, causando o superaquecimento do eletrodo e seu rápido desgaste, levando a expulsões de solda.

 

Determinação da importância de cada fator no salpico da solda

Em seguida, o TWI criou uma célula de soldagem robótica para simular os processos de produção da BMW em seu próprio laboratório. Eles puderam então identificar as tolerâncias do processo para cada um dos fatores listados acima, para determinar a gravidade de cada fator necessário para causar uma expulsão de solda.

Eles também identificaram assinaturas de dados dos processos de solda dos temporizadores da máquina de solda, para diagnosticar a causa da expulsão para cada caso.

 

A culpada: a condição da ponteira do eletrodo

O estudo determinou que a sensibilidade de cada fator de expulsão era dependente da condição de corrente do eletrodo. O desgaste das pontas dos eletrodos também influenciou as assinaturas de dados das expulsões.

Figura sobre a análise de dados do processo vinculando a condição de desgaste do eletrodo à expulsão da solda

Figura 2: Algumas das análises de dados do processo vinculando a condição de desgaste do eletrodo à expulsão da solda Imagem de cortesia de TWI Ltd e BMW MINI UK.

Próximos passos para o estudo em andamento

“Para obter um sistema de análise de dados em processo capaz de diagnosticar a causa da expulsão [da solda], deve ser desenvolvido um modelo capaz de levar em consideração o número de soldas feitas com um conjunto de ponteiras [de eletrodo], desde a última operação de acabamento...Uma ferramenta está em desenvolvimento para fornecer identificação on-line e em tempo real das máquinas de solda com níveis de expulsão inaceitáveis e diagnósticos das causas de expulsão, para que os problemas possam ser corrigidos com eficiência.”

Conclusão n° 2

Capacidades atuais de sistemas de visão a laser 3D para melhorar a qualidade da solda e da brasagem.

É significativa a penalidade por ter soldas imperfeitas em peças automotivas com altos requisitos de segurança, como compartimentos de bateria de VEs. Porém, conforme relatado pela Servo-RobotCorp., os sistemas de câmera de visão a laser 3D podem melhorar a produtividade e a qualidade da soldagem robótica a laser, brasagem a laser e soldagem a arco para componentes do carro – incluindo estruturas de carrocerias (BIW), chassis e estrutura de proteção de baterias de VEs.

Câmeras com taxas de 2 kHz (2000 quadros por segundo) ou mais podem ser integradas em cabeçotes de laser de alta potência (até 30 kW). Essas câmeras, colocadas a 20 mm do ponto de foco do laser, podem então rastrear costuras durante a solda de alta velocidade, mesmo em formas curvas, ao mesmo tempo em que fornecem monitoramento de processo em tempo real e inspeção pós-soldagem.

Solda de cortes sob medida com rastreamento e inspeção de costura por câmera a laser 3D.

Figura 3: Solda de cortes sob medida com rastreamento e inspeção de costura por câmera a laser 3D. Imagem de cortesia da Servo-Robot Corp.

Peças grandes de carros + robôs grandes de solda = desvios maiores da junta soldada

As peças de metal soldadas a laser (TWBs) para peças grandes, como estruturas laterais da carroceria e painéis internos da porta, exigem robôs grandes de solda. Devido às grandes dimensões, os robôs podem não conseguir manter o ponto do laser dentro de 100 mícrons da junta soldada. Câmeras de rastreamento da costura de alta velocidade e com visão a laser e atuadores de folga zero podem superar esse desafio, fornecendo um rastreamento preciso em velocidades de solda de até 15 metros/minuto.

A combinação de câmeras e software com um sensor de retroreflexão – que é parte de um Sistema de Controle de Processo a Laser (LPCS) – permite a detecção de defeitos de solda superficiais e internos, com resultados enviados imediatamente para o robô de solda para evitar outras soldas defeituosas.

O sensor de retroreflexão do Sistema de Controle de Processo a Laser mede a radiação térmica emitida pela área capilar da poça fundida. As alterações na absorção da potência do laser pela junta soldada e sua poça fundida indicam defeitos internos na solda. No caso de cortes soldados sob medida, são detectados em tempo real os defeitos causados por condições como variação de folga, diferenças nas bordas do corte, contaminação ou energia insuficiente do laser.

Soldagem a laser e híbrida da BIW

Sistemas de visão a laser 3D semelhantes podem ser usados para soldagem híbrida e a laser de componentes BIW, como na junção do teto e da carroceria do veículo. Eles também são usados para soldagem híbrida e a laser de compartimentos de bateria de VEs (chamados de gaiolas, estruturas de proteção), incluindo a solda a ponto do alumínio e a solda de painéis de aço.

 

Solda a laser da caixa da bateria de aço usando o sistema de câmera 3D

Figura 4: Solda a laser da caixa da bateria de aço usando o sistema de câmera 3D. Imagem de cortesia da Servo-Robot Corp.

Orifício de 0,22 mm detectado por câmeras 3D na solda a laser de chapas de aço.

Figura 5: Orifício de 0,22 mm detectado por câmeras 3D na solda a laser de chapas de aço. Imagem de cortesia da Servo-Robot Corp.

Verificação da geometria dos cordões de solda das costuras de teto brasadas a laser

As costuras brasadas a laser, como as juntas brasadas para tetos, também podem se beneficiar dos sistemas de visão de duas câmeras. A primeira câmera encontra e rastreia a junta, localizando sua linha central. A segunda câmera mede a geometria do cordão de solda, encontrando defeitos de superfície a uma resolução de 0,1 mm. Verificar a solidez interna das juntas soldadas requer o uso de um sensor de retroreflexão.

 

Obtenção do arame de solda quando necessário

A maior causa de problemas de qualidade e perda de produtividade na solda a arco não é o processo propriamente dito, e sim o simples fato de que o arame de solda não está posicionado corretamente na junta soldada. Os motivos mais comuns para a colocação inadequada do arame são a variabilidade detalhada da peça, empilhamento de tolerâncias em um conjunto e distorção causada pelo aporte térmico da solda, o que resulta na não aplicação da junta no local onde o robô está programado para se deslocar.

A descoberta de costura com sistemas de visão 3D localiza a posição real da junta. Em seguida, a posição do arame é modificada para se ajustar à localização real da junta para obter uma solda com qualidade ideal. Além disso, se existir uma folga inaceitável, pode-se utilizar um programa de solda adaptável para abrir a janela de processo de aceitabilidade, alterando a corrente de solda, a velocidade de percurso ou o padrão de aplicação.

Câmeras 3D realizando rastreamento de costura para soldagem de trilhos laterais de chassi

Figura 6: Câmeras 3D realizando rastreamento de costura para soldagem de trilhos laterais de chassi. Imagem de cortesia da Servo-Robot Corp.

Inspeção visual automatizada de solda a arco para o Industry 4.0.

A inspeção robótica totalmente automatizada da solda a arco não é apenas mais rápida e confiável do que a inspeção manual, como também fornece dados valiosos que podem atender aos requisitos do Industry 4.0. Esses dados podem ajudar a prever quando uma solda a arco apresenta a tendência de se tornar defeituosa, bem como podem indicar o que precisa ser melhorado, como a qualidade da peça, a repetibilidade do acessório ou o próprio processo de soldagem.

A inspeção de soldas a arco é mais difícil de realizar do que de soldas a laser ou por brasagem, devido às maiores variações no tamanho, regularidade e lisura da superfície da solda a arco.

Por esse motivo, o que oferece mais êxito para a inspeção de solda a arco é usar uma abordagem comparativa: você estabelece a qualidade nominal da solda em uma “peça modelo” e então compara as soldas reais de produção com ela, procurando por diferenças inaceitáveis. Diferenças excessivas indicarão uma operação de soldagem que não está sob controle sendo, portanto, mais provável que produza soldas defeituosas.

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