Artykuł: Co z tym wynalazkiem: Zgrzewanie

Artykuły analityczne
Artykuł: Co z tym wynalazkiem: Zgrzewanie kontrolowane
Jak uzyskać 100% kontroli nad każdą operacją zgrzewania? Odpowiedź znaleźli gliwiccy
inżynierowie, którzy opracowali system oparty na pomiarze parametrów elektrycznych. Pozwala
uzyskiwać informacje o jakości procesu już na stanowisku zgrzewalniczym.
Rozwiązanie umożliwia monitorowanie i dobór parametrów podczas uruchamiania procesu
zgrzewania. Pełni też funkcję urządzenia do kontroli jakości połączeń zgrzewanych. To pierwszy
tego rodzaju system opracowany w Polsce. Jest porównywalny z najnowszymi rozwiązaniami
światowymi. Stanowi on oryginalny wkład do myśli naukowo-technicznej w kraju, jak i za
granicą. System przeznaczony do pomiaru i kontroli procesów zgrzewania rezystancyjnego
został wyróżniony w X edycji konkursu Polski Produkt Przyszłości. Opracował go zespół
specjalistów Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach: dr inż. Zygmunt Mikno, inż. Marian Piątek,
mgr inż. Tadeusz Szebeszczyk, mgr inż. Jarosław Kozaczyński, inż. Piotr Stodolny oraz mgr inż.
Lech Zadroga. Metoda kontroli jakości dla pojedynczych stanowisk zdobyła wiele innych
wyróżnień, m.in. złoty medal na Międzynarodowych Targach w Poznaniu w 2006r., wyróżnienie I
stopnia na ogólnopolskim konkursie Polski Produkt Przyszłości w 2006 r., srebrny medal na
Międzynarodowej Wystawie Wynalazków w Genewie w 2007r., złoty medal Międzynarodowych
Targach Technologicznych i Innowacji w Brukseli w 2007r. Rozwijane w dalszym ciągu
rozwiązanie dla wielostanowiskowego systemu SpotWeldQS również zostało nagrodzone
złotym medalem w kategorii "transfer wyników badań naukowych do praktyki gospodarczej" na
Międzynarodowych Targach w Poznaniu w 2008 r.
Doświadczenie, kompetencje i specjalizacja
Założony w 1945 roku Instytut Spawalnictwa (IS) jest najważniejszą krajową jednostką
badawczo-rozwojową w swojej branży. Zajmuje się zagadnieniami związanymi z procesami
łączenia i cięcia stali, metali nieżelaznych oraz spajania tworzyw plastycznych przy
wykorzystaniu technologii spawania, zgrzewania, lutowania i cięcia termicznego oraz
pokrewnych. Utrzymuje ścisłe związki z przemysłem krajowym i ośrodkami zagranicznymi.
Instytut jest jedyną tego typu organizacją w Polsce, ma status Centrum Doskonałości i jest
równocześnie: Autoryzowaną Organizacją Krajową w Europejskiej Federacji Spawalniczej
(EWF) i Międzynarodowym Instytucie Spawalnictwa (IIW), uprawnioną do kwalifikowania
personelu spawalniczego, certyfikacji przedsiębiorstw wg normy PN-EN ISO 3834, a także
akredytowaną w Polskim Centrum Akredytacji (PCA) organizacją do certyfikacji wyrobów,
personelu spawalniczego i personelu badań nieniszczących oraz systemów jakości. Instytut
jest Jednostką Notyfikowaną w UE. Zajmuje się m.in. badaniami stosowanymi i rozwojowymi,
doradztwem, badaniami dla potrzeb oznaczania wyrobów znakiem CE, znakiem B i
dopuszczeń, transferem innowacyjnych rozwiązań do przemysłu, wykonuje ekspertyzy oraz
współpracuje z organizacjami krajowymi i zagranicznymi. (więcej o Instytucie Spawalnictwa:
www.is.gliwice.pl).
Od wielu lat Instytut opracowuje specjalistyczną aparaturę do sterowania i kontroli procesów
spawalniczych. Nowoczesny system pomiarowy jest kolejną generacją urządzeń kontrolnych,
dedykowanych procesom zgrzewania rezystancyjnego. Jego opracowanie poprzedzono
badaniami w zakresie technologii procesu i technik pomiarowych. Podczas prac korzystano
zarówno z metod opartych na sztucznej inteligencji z zastosowaniem sieci neuronowych, jak i
metod statystycznych. Instytut stworzył oryginalną metodykę monitorowania procesów
zgrzewania rezystancyjnego, opartą jedynie na pomiarze parametrów elektrycznych procesu, tj.
prądu i napięcia. W wyniku tych pomiarów analizuje się wielkości pochodne, jak rezystancja,
moc chwilowa i energia. Na podstawie tych wielkości - jak stwierdzono w trakcie badań możliwe jest prognozowanie własności złączy zgrzewanych, które wpływają na cechy
eksploatacyjne każdego elementu konstrukcyjnego. Decydują one jednocześnie o
bezpieczeństwie całej konstrukcji i osób mających bezpośrednią styczność z danym wyrobem.
Zalety technologii
Wyróżniony system zapewnia stuprocentową kontrolę wszystkich wykonywanych połączeń
zgrzewanych dzięki analizie sygnałów doprowadzonych do systemu komputerowego i dużej
szybkości prowadzonych obliczeń. Zatem dokonywana jest kontrola jakości każdej operacji
zgrzewania i każdego połączenia zgrzewanego. Informacje te uzyskuje się bezpośrednio po
zakończeniu procesu na stanowisku zgrzewalniczym. W razie stwierdzenia nieprawidłowości
w pierwszej kolejności następuje zablokowanie procesu na zgrzewarce, a obsługa
stanowiska jest informowana stosownym komunikatem o zdarzeniu. Możliwe jest wtedy
wykonanie powtórnego połączenia zgrzewanego lub zaklasyfikowanie wyrobu jako wybraku.
Identyfikacja wady następuje w najbardziej odpowiednim momencie, tzn. wyrób wadliwy
zostaje wyeliminowany z dalszego cyklu produkcyjnego. Ogranicza się w ten sposób
możliwość użytkowania takich wyrobów przez odbiorców. W większości wypadków
najważniejszym w procesie produkcji etapem jest potwierdzenie poprawności procesu,
eliminując ryzyko stwierdzenia wad lub niezgodności w połączeniu zgrzewanym w późniejszym
czasie.
Nowy system kontroli jakości należy do metod nieniszczących. Taki sposób oceny - w
odróżnieniu od prowadzonych wybiórczo badań niszczących - jest zdecydowanie tańszy,
dokonywany w krótszym czasie i bez dodatkowych opóźnień. Mimo wprowadzenia nowej
metody, badania niszczące, które wynikają z przepisów i norm dotyczących procesu
zgrzewania, przeprowadzane są nadal, gdyż zgrzewanie jest uważane za proces specjalny,
wymagający dodatkowych metod kontroli jakości. Są one jednak ograniczone do niezbędnego
minimum. Badania te (wytrzymałościowe i metalograficzne) wymagają dodatkowo
specjalizowanej aparatury i oprzyrządowania do prowadzenia badań oraz wykwalifikowanej
obsługi. Są one dokładne i wiarygodne, ale wynik uzyskuje się z dużym opóźnieniem w
stosunku do bieżącej produkcji.
Efektywność oceny jakości za pomocą pomiarów parametrów elektrycznych procesu
potwierdziły badania. Stwierdzono zależności między zmianami wartości mierzonego prądu i
napięcia a siłą docisku elektrod, średnicą elektrod, rodzajem materiału, stanem powierzchni
elektrod i materiału oraz różnymi zakłóceniami (takimi jak: wahania napięcia zasilania,
zgrzewanie na krawędzi blachy, efekt bocznikowania). Nie sposób jest kontrolować wszystkich
czynników zakłócających, których jest kilkadziesiąt. Występują one ponadto w sposób
systematyczny oraz przypadkowy. Zakłócenia systematyczne eliminowane mogą być
stosunkowo łatwo. Trudniej wykryć zakłócenia o charakterze przypadkowym, występujących
losowo. Zakłócenia te jednak wpływają na zmianę parametrów elektrycznych procesu i są
automatycznie wykrywane.
Nowa metoda umożliwia wreszcie pełną archiwizację procesu, istotną na przykład przy
wprowadzaniu systemów zarządzania jakością. Z uwagi na zastosowanie systemu opartego
na podzespołach komputerowych zagwarantowano pełną automatyczną archiwizację procesu.
Przed zainstalowaniem na stanowisku zgrzewalniczym system wymaga wprowadzenia w
umowny tryb pracy wstępnej. Wykonuje się serię zgrzein, które powinny być sklasyfikowane
jako dobre. Na podstawie "zapamiętanej" partii zgrzein system dokonuje automatycznie oceny
jakości. Obsługa jest prosta i możliwa do zainstalowania na innych stanowiskach
zgrzewalniczych. Jeden system pomiarowy umożliwia adaptację do różnych stanowisk, co
minimalizuje koszty wyrywkowej kontroli procesu. Systemy kontroli umożliwiają pracę w sieci
komputerowej i nadzorowanie wielu stanowisk równocześnie. Poza tym pomiar parametrów
elektrycznych jest zdecydowanie prostszy niż kontrola parametrów technologicznych jak siła
(rzeczywista) docisku czy przemieszczenie. Nie wymaga zmian w konstrukcji zgrzewarki.
Analiza procesu na podstawie parametrów elektrycznych stanowi całkowicie nowe podejście
do oceny jakości i uwzględnia wpływ wszystkich czynników zewnętrznych procesu. Takie
podejście znacznie ułatwia i upraszcza kontrolę jakości, gdyż mierzone są jedynie dwie
wielkości elektryczne, których analiza dokonywana w systemie komputerowym jest bardzo
szybka. Gwarantuje to uzyskanie informacji o jakości bezpośrednio po procesie zgrzewania.
Wynalazek w praktyce
Jest to propozycja przede wszystkim dla polskich zakładów przemysłowych. Stanowi
jednocześnie konkurencję dla zagranicznych firm i producentów podobnej aparatury. System
można scharakteryzować jako bardzo łatwy w obsłudze i mobilny, tzn. może być bez większych
problemów zainstalowany na innym stanowisku zgrzewalniczym.
Uruchomiona została seria informacyjna, po której rozwiązanie w postaci systemów
jednostanowiskowych zastosowane zostało z powodzeniem w jednostkach naukowych
(uczelniach) i w praktyce przemysłowej. W systemach zainstalowano różne algorytmy kontroli,
które można określić mianem ogólnych. Ocena jakości może być prowadzona na wiele
sposobów, np. kontrolując zmianę wartości i charakteru przebiegu prądu zgrzewania,
rezystancji obszaru zgrzewania, mocy chwilowej lub energii dostarczonej do zgrzeiny. Każdy z
ogólnych algorytmów może pracować na stanowisku zgrzewalniczym, ale technologie
zgrzewania rezystancyjnego są bardzo różne ze względu na stosowanie wielu typów
zgrzewarek. Mogą to być zgrzewarki prądu przemiennego, wyprostowanego trójfazowego,
prądu stałego, zgrzewarki inwertorowe o częstotliwości wewnętrznej przemiany rzędu kilku tys.
Hz, zgrzewarki kondensatorowe. Istotna jest konstrukcja zgrzewarek, jak zgrzewarki punktowe,
w tym zgrzewarki stacjonarne i kleszczowe oraz zgrzewarki garbowe.
Kolejne istotne różnice wynikają ze sposobu łączenia elementów, czyli rodzaju wykonywanych
połączeń. Możliwe jest np. zgrzewanie doczołowe, liniowe, garbowe punktowe. Istotny jest też
rodzaj zgrzewanego materiału, co ma decydujący wpływ na dobór elektrod i sposobu
nagrzewania. Dla każdej metody zgrzewania i każdego konkretnego rozwiązania
technologicznego należy dobrać odpowiedni sposób kontroli jakości. Oznacza to wytypowanie
parametrów, których zmiana w czasie procesu zgrzewania jest najwyraźniejsza. Jednostki
naukowe wykorzystujące system pomiarowy prowadzą działalność zarówno dydaktyczną, jak i
naukową. Wymieniane są przy tym wzajemne uwagi, spostrzeżenia i doświadczenia.
Natomiast aplikacje w zakładach przemysłowych dzięki możliwości monitorowania produkcji
pozwoliły na unormowanie (ustabilizowanie) procesu produkcyjnego i wyeliminowanie wielu
zakłóceń. Obecnie dzięki możliwości wykrycia sytuacji awaryjnej możliwe jest prawie
natychmiastowe stwierdzenie przyczyny wystąpienia takiego stanu. Dzięki temu służby
techniczne są w stanie określić potencjalne przyczyny powodujące zachwianie procesu
produkcyjnego.
Komercjalizacja i rozwój technologii
Następuje zwrot poniesionych nakładów w wyniku sprzedaży i instalacji systemów. Na
obecnym etapie zainstalowano kilkanaście jednostanowiskowych systemów pomiarowych.
Pozwoliło to z jednej strony na częściowy zwrot poniesionych kosztów, a z drugiej - na
sprawdzenie proponowanych rozwiązań zarówno w przemyśle, jak i w laboratoriach
naukowych. Dzięki temu Instytut Spawalnictwa zyskał większe doświadczenie i zweryfikował
założenia metody pomiarowej. Należy jednak zdawać sobie sprawę z wymagań i oczekiwań
polskich i nie tylko polskich zakładów przemysłowych. Realia są takie, że największe
zainteresowanie tego typu systemami przejawiają zakłady, które posiadają dużą liczbę
zgrzewarek i oczekują, że system będzie nadzorował całość produkcji.
W pracach nad systemami kontroli jakości Instytut najpierw skupił się na budowie systemu
przeznaczonego do pojedynczych stanowisk. Cel takiego podejścia był oczywisty - chodziło o
sprawdzenie metodyki pomiarowej, doskonalenie sprzętu i oprogramowania oraz zdobycie
doświadczenia w dziedzinie oceny jakości nową metodą. Na obecnym etapie komercjalizacji
należy wyjść naprzeciw oczekiwaniom przyszłych klientów. Przewidując taką sytuację, w której z
jednej strony zakłady mają potrzebę monitorowania większej liczby stanowisk i wzrastające
wymagania odnośnie kontroli jakości, Instytut rozwija metodę pomiarową dla
wielostanowiskowych systemów kontroli. Prowadzi prace rozwojowe polegające na
opracowaniu systemu monitorowania pracującego w sieci, skupiającego poszczególne
stanowiska zgrzewalnicze w jedną całość. Dzięki temu możliwa jest zdalna kontrola procesu i
centralna archiwizacja danych. Przy zastosowaniu systemów pracujących w sieci można
gromadzić wyniki w dowolnym miejscu, a także zdalnie nadzorować wybrane stanowiska
zgrzewalnicze, nawet na znaczne odległości przez sieć internetową.
Martyna Jastrzębska, Rudzki Inkubator Przedsiębiorczości Sp. z o.o.
Teksty dostarcza Smartlink
Krzysztof Garski
Specjalizuje się w tematyce finansowania przedsiębiorstw. Pracował w
najważniejszych polskich magazynach gospodarczych: Gazecie Bankowej, Manager
Magazin i Businessman Magazine. Publikował także m.in. w biuletynie Innowacyjni,
Autor:
miesięczniku Unia i Polska, w wydawnictwach portalu Pracuj.pl oraz współredagował
poradnik PARP o szkoleniu pracowników. Jest redaktorem w dziale wydawnictw firmy
Smartlink, odpowiedzialnym za Portal Innowacji. Napisz do autora