Robotsko spajkanje po postopku CMT ohišja elektromagnetnega ventila
Janez TUŠEK, Benjamin BERNARD, Robert LISAC
Povzetek: V prispevku je predstavljena izdelava ohišja elektromagnetnega ventila z robotskim spajkanjem po postopku CMT (Cold Metal transfer). Ohišje je sestavljeno iz dveh krajših okroglih jeklenih cevi, ki sta med seboj trdo spajkani. V prvem delu članka je podan uvod, v drugem je predstavljen in opisan problem, ki ga je treba rešiti. Slikovno in z besedo je opisano ohišje, ki ga moramo izdelati s spajkanjem. Za tem je podan splošen opis tehnologij, ki so se do sedaj uporabljale za izdelavo ohišja in jih je mogoče uporabiti poleg spajkanja po postopku CMT. Nato sledi predstavitev uporabljene opreme in opisane so napake, ki se najpogosteje pojavijo na spajkanih spojih. Na koncu članka pa so podane ugotovitve in zaključki. Glavna ugotovitev je, da je predstavljeno ohišje za elektromagnetni ventil možno s tehnološkega in ekonomskega vidika izdelati le s spajkanjem s tako imenovanim CMT-procesom, ki omogoča zanesljivo in ponovljivo proizvodnjo.
Ključne besede: ohišje elektromagnetnega ventila, spajkanje CMT, makroobrus, spajka,
■ 1 Uvod
Vedno večja konkurenca na trgu kovinskih in drugih tehničnih proizvodov in vedno večje zahteve po kakovosti končnih proizvodov narekujejo proizvajalcem uvajanje zanesljivih avtomatiziranih in robotiziranih izdelovalnih procesov. Varjenje in spajkanje sta dva procesa, ki se uporabljata v skoraj vseh izdelovalnih tehnologijah končnih proizvodov. Celo več: ta dva procesa sta v številnih izdelkih odločilnega pomena glede kakovosti, produktivnosti in končne cene na trgu.
Prav zato moramo v podjetjih, v katerih sta varjenje in spajkanje ključni
Prof. dr. Janez Tušek, univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo;
Benjamin Bernard, Ingvar, univ. dipl. inž., d. o. o., Ljubljana; Robert Lisac, univ. dipl. inž., AVP, d. o. o., Ljubljana
tehnologiji, do potankosti analizirati vse faze teh dveh procesov in ju v čim večji možni meri mehanizirati, avtomatizirati ali celo robotizirati.
V industriji srečamo številne primere spajanja materialov, ki bi jih bilo možno optimirati in znižati stroške izdelave. En tak primer je opisan v tem prispevku.
Celoten razvoj in izvedbo te tehnologije spajkanja zaradi zahtevnosti postopka, ostrih toleranc, potrebne opreme in kontrole izdelanih ohišij ter končne cene upravičeno štejemo med tako imenovano »High-Tech« dejavnost.
■ 2 Opis problema
Kot smo že omenili, je ohišje elektromagnetnega ventila sestavljeno iz dveh jeklenih elementov (glej sliko 7), ki sta med seboj spajkana. Linija oziroma ravnina, ki ločuje jekleni del z medjo (spajka), mora biti zelo ostra, kar pomeni, da med medjo in
jeklom ne sme priti do taljenja niti do razmešanja.
Praktično to pomeni, da se med spajkanjem lahko tali samo dodajni material (spajka), da se jeklo ne sme taliti, ampak le segreti do delovne temperature spajke. Po definiciji se spajkanje razlikuje od varjenja prav po tem, da se osnovni material ne tali.
Takšne zahteve narekujejo pogoji, v katerih se uporablja ohišje za elektromagnetni ventil. Elektromagnetno polje se mora v spajki prekiniti oziroma spajka se ne sme namagnetiti. Merilo za kakovost spajkanega spoja je ustrezna histerezna zanka, ki jo izraža celotno ohišje med obratovanjem.
Na sliki 7a je shematsko prikazan postružen surovec z utorom, ki ga moramo zaliti s trdo spajko. Način nanašanja spajke v utor je lahko različen. Poznanih je več metod in postopkov, ki bodo v grobem pred-
stavljeni v tem članku. Ko je spajka nanesena v utor, se surovec dodatno obdela, da dobi zahtevano obliko.
Na zunanji strani se postruži in v notranjost zvrta luknja, kot je prikazano na sliki Ic. V tej odprtini je med uporabo nihajoča tuljava, ki predstavlja elektromagnetni ventil.
Glavni del članka je posvečen tehnologiji nanašanja spajke v utor: v surovec (glej sliko la in b), ki smo jo razvili in izvedli s popolnoma novo opremo in inovativno tehnologijo.
Uporabili smo postopek CMT (Cold Metal Transfer) [1, 2, 8], ki je podoben varjenju - MIG ali pa spajkanju MIG
biti jekleni varjenec med spajkanjem segret na delovno temperaturo, ki je nekoliko nad tališčem spajke, in da se jeklo med spajkanjem ne sme raztaliti.
Dodatna težava, ki nastopi pri spajkanju takšnih delov, kot je prikazan na sliki 1a, je premer okroglega elementa. Ta je namreč zelo majhen. Med spajkanjem se okrogli element vrti in dodajni material v obliki žice se v obloku tali na »vrhu« elementa in pada v žleb (utor). Zelo hitro se dogodi, če parametri niso optimalni, da se spajka v utoru ne ohladi in ne spoji z osnovnim materialom in zaradi gravitacije steče iz žleba, ko se ohišje elektromagnetnega ventila
elektromagnetnim zahtevam in ga moramo izločiti kot nesprejemljivo.
■ 3 Izvedba tehnologije spajkanja
S slike 1a in 1b ter opisa problema v točki 2 lahko zelo natančno ugotovimo, za kakšen problem gre. Omenili smo že, da je priprava tehnologije zaradi zahtevanih toleranc in majhnega premera izjemno zahtevna. Za rešitev opisanega problema sicer lahko uporabimo več različnih postopkov in tehnologij spajkanja. Prav veliko izbire pa nimamo.
K celotni tehnologiji spajkanja spada izbira postopka z vsemi parametri, iz-
Slika 1. Surovec za ohišje elektromagnetnega ventila, katerega žleb je treba zaliti z nemagnetnim materialom (la), spajkani surovec (1b) in končni izdelek (Ic)
in omogoča spajanje materialov z zelo nizkim vnosom energije. To pomeni, da je »uvar« zelo plitek ali pa ga sploh ni, kot je zahteva pri spajkanju ohišja za elektromagnetni ventil.
V našem primeru moramo vedeti, da ima trda spajka na osnovi bakra tališče med 800 in 900 °C, da mora
vrti. To se dogodi, če je hitrost vrtenja previsoka ali pa če lega dovajanja spajke v obliki žice ni prava.
Če se ohišje vrti prepočasi, je energija na enoto površine ohišja previsoka in se površina jeklenega dela ohišja raz-tali. Spajkano ohišje z raztaljeno jekleno površino ohišja pa ne odgovarja
bira dodajnega materiala in določitev potrebnih ukrepov pred varjenjem, med njim in po njem.
3.1 Izbira postopka spajkanja
Ohišje elektromagnetnega ventila v principu lahko spajkamo po več različnih postopkih. Ti se med seboj
razlikujejo po vrsti energije, ki jo uporabljamo za segrevanje in taljenje, po načinu izvedbe, po vrsti dodajnega materiala, po načinu dovajanja dodajnega materiala na mesto taljenja spajke in po stopnji avtomatizacije.
V	splošnem za spajkanje ohišja, kot je prikazano na sliki 1, lahko uporabimo ročno plamensko spajkanje, obločno spajkanje - MIG, plazemsko spajkanje in lasersko spajkanje. Vsi drugi postopki, kot je uporovno, livarsko ali celo termitno spajkanje in drugi, so neprimerni. To so pokazale teoretične raziskave in praktični poskusi v več organizacijah v Sloveniji in tujini.
Ročno plamensko spajkanje se je za
izdelavo ohišij, kot je prikazano na sliki 1, uporabljalo do nedavnega in ga je še možno uporabljati tudi sedaj in v bodoče. Toda postopek je zelo neproduktiven in kakovost je močno odvisna od spretnosti osebe (spajkalca), ki izvaja spajkanje. V preteklosti smo uporabljali izključno ta postopek, ker so bile serije relativno majhne. Pri plamenskem spajkanju uporabljamo plamen, ki nastane ob zgorevanju gorljivega plina in kisika. Kot gorljivi plin najpogosteje uporabljamo acetilen, ki ima najboljše kalorične lastnosti.
Obločno spajkanje MIG se v splošnem uporablja povsod tam, kjer je potreben nizek vnos energije v obde-lovanec. To se zahteva tudi v našem primeru. S spajkanjem MIG lahko vnesemo v var tudi do 10-krat manj energije kot pri varjenju MIG (Metal Inert Gas) enakih materialov, enakih varjencev in enakih premerov oziroma mas. Ta postopek uporabljamo predvsem za spajkanje prevlečene pločevine, različnih materialov med seboj in tudi za spajkanje nerjavne jeklene pločevine [1, 2-6, 9, 10].
V	našem primeru smo naredili nekaj poskusov tudi s spajkanjem MIG, toda rezultati niso bili spodbudni. Postopek je za doseganje predpisanih toleranc na ohišju (glej sliko 1) za elektromagnetni ventil pregrob. Ne glede na parametre spajkanja je v vseh naših poskusih oblok raztalil površini jeklenih delov v utoru in izdelek ni imel zadovoljivih karak-
teristik. Tu gre predvsem za zahteve glede elektromagnetnih lastnosti. Preprosto povedano: histerezna zanka ohišja mora imeti predpisano obliko, ki mora biti stalna.
V praksi pa so možne še druge izvedbe obločnega spajkanja, na primer spajkanje TIG.
Spajkanje s plazmo se v praksi vedno bolj uveljavlja. Tudi tu lahko govorimo o zelo nizkem vnosu energije v spoj in o relativno dovolj visoki produktivnosti.
Sam postopek se bistveno ne razlikuje od plazemskega varjenja, plazem-skega navarjanja in od varjenja TIG z dodatno žico. Plazemski gorilnik uporabimo kot vir toplotne energije za taljenje spajke in za ogrevanje obdelovanca. Priprava celotne tehnologije plazemskega spajkanja z okroglo žico je izjemno zahtevna. Tu moramo ločeno optimirati hitrost žice (spajke), njeno lego pri dovajanju v plazemski oblok in v utor spajkanca ter parametre plazemskega obloka in njegovo lego [11, 12].
Lasersko spajkanje se je prvič pojavilo pred desetletjem za spajkanje elementov pri izdelavi karoserije v avtomobilski industriji. Danes ga uporabljajo že skoraj vsa podjetja pri izdelavi posameznih pločevin-skih elementov avtomobilskih vozil, v industriji gospodinjskih aparatov, v solarni tehniki, v elektrotehniki in drugje [10] .
Spajkanje MIG s CMT-postopkom je
postopek, ki je že v svoji osnovi razvit za zvarjanje zelo tankih materialov, kjer je potrebno variti ali spajkati z nizkim vnosom energije. Prav to je bil razlog, da smo se lotili opisanega problema s spajkanjem MIG s CMT-postopkom z lotom v obliki tanke, na kolut navite žice [1, 2, 9].
3.2 Izbira dodajnega materiala
Dodajne materiale za spajanje v prvi vrsti izbiramo glede na vrsto osnovnega materiala in trdnostne zahteve spoja. V določenih primerih pa moramo pri varjenju ali spajkanju vrsto dodajnega materiala izbrati glede na druge zahteve: glede na omočljivost, kapilarnost in površinsko napetost v tekoči fazi. Prav zaradi kapilarnosti tekoče spajke je uporaba spajkanja v mnogih primerih ugodnejša od varjenja ali drugih tehnik spajkanja. Različne spajke imajo v tekoči fazi različne lastnosti. Na tem področju je še veliko nejasnosti. Znane so spajke z boljšo in s slabšo omočljivostjo in kapilarnostjo. Pri pripravi tehnologije spajkanja elementa, kot je prikazan na sliki 1, je treba to upoštevati.
Spajko lahko uporabljamo v obliki okroglih palic, praha, paste, folije ali pa tanke žice, navite na kolut. Žica je lahko masivna ali pa strženska. V strženu v sredini žice so navadno talila za lažje spajkanje [4-7].
Slika 2. Makroobrus spoja med spajko in jekleno osnovo, ki je ustrezen glede na zahteve uporabnika
3.3 Priprava tehnologije spajkanja
Pogostokrat je priprava tehnologije za spajkanje bolj zahtevna od tehnologije varjenja. V našem primeru je oblika spoja oziroma žleba predpisana. Osnovna zahteva, ki je bila že omenjena zgoraj in jo moramo doseči s tehnologijo spajkanja, je, da stranice utora (glej sliko 1a) ostanejo nespremenjene, kar pomeni, da se med spajkanjem ne smejo raztaliti. To lahko vidimo na sliki 2, kjer je meja med obema materialoma zelo ostra. Za pripravo takšne tehnologije potrebujemo ustrezno opremo, ustrezen dodajni material, ustrezno tehnologijo in ustrezno pripravo obdelovanca.
Oprema za izvedbo spajkanja je slikovno predstavljena in opisana spodaj. Dodajni material smo izbrali na osnovi lastnosti tekoče spajke, kar pomeni, da mora imeti ustrezne metalurško-fizikalne lastnosti v tekoči fazi in ustrezne elektromagnetne ter mehanske lastnosti v strjeni fazi. K metalurško-fizikalnim lastnostim štejemo površinsko napetost, kapilar-nost in omočljivost v tekoči fazi. Te so pomembne, če želimo zaliti utor in celoten žleb obdelovanca in da spajka med spajkanjem ne odteče iz žleba.
Ustrezne elektromagnetne lastnosti v strjeni fazi se zahtevajo zaradi funkcije, ki jo ima elektromagnetni ventil med obratovanjem. Spajka, ki povezuje dva jeklena dela, mora prekiniti potek magnetnega polja preko ohišja. Merilo za ustreznost spajkanega spoja je ustrezna histerezna zanka.
Za spajkani spoj se zahtevajo tudi primerne mehanske lastnosti. Te preizkušamo preprosto tako, da spajkani element preizkusimo na upogib. le se pri tem prej deformira in splošči cev na tanjšem delu spajkanega ohišja (glej sliko 1c), kot pride do porušitve spajkanega spoja, govorimo o ustrezni kakovosti.
■ 4 Opis opreme
Opis opreme je razdeljen na predstavitev opreme za varjenje in spajkanje po postopku CMT ter na
opis in predstavitev opreme za izvajanje celotne tehnologije robotskega spajkanja po postopku CMT ohišja elektromagnetnega ventila.
4.1 Oprema za varjenje in spajkanje po postopku CMT
Oprema za postopek CMT je she-matsko prikazana na sliki 3. Na prvi pogled je podobna opremi za varjenje MIG ali pa za spajkanje MIG. Bistvena in zelo pomembna razlika je v posebni
S spreminjan-jem pomika žice naprej in nazaj se spreminja električna upornost v celotnem tokokrogu. Ko se žica med spajkanjem dotakne obdelovanca, se ustavi in pomakne nazaj. S tem se poveča upornost v obloku in skozi žico in oblok teče manjši tok. Vse to pa pomeni, da se vvarjenec ali v našem primeru v spajkanec vnese manj energije in da je »uvar« zelo nizek. V primeru spajkanja ohišja elektromagnetnega ventila pa »uvara« sploh ni. To je zahteva za dosego predvidenih toleranc in elektromagnetnih lastnosti ohišja elektromagnetnega ventila.
Pri načrtovanju tehnologije spajkanja in pri izbiri opreme smo v prvi fazi načrtovali uporabo naprave za spajkanje po postopku CMT, vrtljivo mizo z vpenjalno pripravo za okrogel surovec in pa napravo za prečno nihanje gorilnika ali obdelovanca, da se med taljenjem spajke zalije ves utor (glej sliko 1a). Raziskovali smo tudi spajkanje brez prečnega nihanja z enim, dvema ali celo tremi prehodi pri nanosu spajke v žleb. Načrtovali smo tudi samo en prehod s prečnim nihanjem obdelovanca ali pa gorilnika. Zaradi zahtev, ki smo jih opisali zgoraj, pa nobena od opisanih rešitev ni bila dobra. Treba je bilo uporabiti robot
Slika 3. Shematski prikaz opreme za spajkanje in/ali za varjenje po postopku CMT
dodatni enoti, ki jo imenujemo zal-ogovnikžice in v pogonskem sistemu za pogon žice. Kot izvor varilnega toka nam služi sinergetski vir, ki omogoča varjenje z enosmernim tokom s tokovnimi pulzi (tokovnimi utripi). Vir toka je opremljen s krmilno omarico, s kolutom za žico, z zalogovnikom žice, računalniško enoto, s cevnim paketom in z varilno glavo. Posebno enoto predstavlja sistem za pogon žice. Ta omogoča pogon žice naprej in nazaj. Frekvenca nihanja pogona žice je nastavljiva od 50 do 70 Hz. Ta sistem ima, kot smo že omenili, poseben cevni sistem z zalogovnikom žice (glej sliko 3), v katerem se žica »shrani« za tisti čas, ko se pomika nazaj. To pomeni, da kolut žice ni obremenjen s pomikom naprej in nazaj.
Slika 4. Shematski prikaz celotne opreme za robotsko spajkanje ohišja za elektromagnetni ventil po postopku MIG s CMT-procesom
za vodenje gorilnika po določenih trajektorijah. Te smo določili na osnovi teoretičnega in praktičnega raziskovalnega dela. Za vrtenje obdelovanca pa smo uporabili klasično vrtljivo mizo s konstantno hitrostjo, kot je shematsko prikazano na sliki 4.
Slika 5. Napaka spoja zaradi »uvara« spajke v jekleno površino ohišja
■ 5 Napake, ki se pojavljajo med spajkanjem
Opisana tehnologija spajkanja ohišja za elektromagnetni ventil je tako zahtevna, da morajo biti parametri izbrani optimalno, njihova ponovljivost pa izvedena v zelo ozkem tolerančnem območju. Kljub optimalni pripravi tehnologije, izjemno precizni in kakovostni opremi ter optimalnim pogojem okolja (vlaga in temperatura zraka ter stabilnost zraka), pa se dogodi, da se napake pojavijo v sami spajki, na meji med spajko in osnovnim materialom ter v korenu spoja. Napake lahko razdelimo v štiri skupine. Prva napaka nastane, če v spoj vnesemo preveč energije in z oblokom raztalimo steni utora, ki sta iz jekla. V takšnem primeru se porušijo elektromagnetne lastnosti in ohišje ventila ni uporabno.
Takšno napako vidimo na sliki 5.
Če v spoj vnesemo premalo energije in spajka in jeklo nista zadosti spojena, dobimo tretjo skupino napak. Te največkrat nastanejo na temenu spoja. Do takšne napake pride, ko gorilnik in žica nista pravilno vodena glede na lego utora ali pa, da žica, ki priteče iz kontaktne šobo v utor obdelovanca, ni popolnoma ravna.
Četrta skupina napak pa so poroznost in vk-ljučki v spajki. Te nastanejo zaradi vključkov trdnih ali plinastih delcev. V obeh primerih je napaka nedopustna. Do trdnih delcev lahko pride zaradi nečistosti obdelovanca pred spajkanjem ali pa zaradi drugih nečistoč na žici ali celo v plinu. Nezaželeni plinski mehurčki pa pridejo v spajko zaradi slabe zaščite z nevtralnim plinom, zaradi nečistoč v samem plinu ali pa zaradi drugih nečistoč na obdelovancu in/ali žici, ki se med spajkanjem uplinijo in preidejo v talino spajke.
■ 6 Zaključki
V zaključkih lahko napišemo le eno ugotovitev. Opisana tehnologija izdelave ohišja za elektromagnetne ventile s spajkanjem po CMT v zaščiti argona je glede na trenutno poznavanje stroke doma in v svetu in zahtevane lastnosti spojenega elementa blizu idealni rešitvi. To trditev lahko argumentiramo s podatki o konkurenci, ki je bila zelo številna in ni uspela rešiti opisanega primera. To je razvidno tudi iz pregledane svetovne literature in drugih virov.
Druga napaka nastane na stiku začet- Literatura
ka in konca strjene spajke, ko začetek in konec nista v celoti raztaljena in spojena v samem korenu spoja, to je na dnu utora. Tudi v takšnem primeru ohišje nima primernih elektromagnetnih lastnosti in izdelek ni ustrezen.
[3]	H. Holthaus: MIG - Löten und MSG - Schweißen in der Karosserie - Instandsetzung. Pilot - Lehrgang in der SLV Duisburg, 2007.
[4]	A. Esterts, V. Wesling, R. Masendorf, A. Schram, T. Medhurst-Low Heat Joining-Manufacture and Fatigue of Soldered Locally. Advanced Materials Research, vol. 22, 2007, 101-111.
[5]	http://de.wikipedia.org/wiki/ L%C3%B6ten.
[6]	http://www.mig-welding.co.uk/ brazing.htm.
[7]	C. Chovet, S. Guiheux: Possibilities offered by MIG and TIG brazing of galvanized ultra high strength steels for automotive applications. Air Liquide, C.T.A.S. France, 2006.
[8]	http://www.google.com/search ?hl=en&q=CMT+brazing&btn G=Search.
[9]	Y. Bruckner: Cold Metal Transfer Has a Future Joining Steel to Aluminum. AWS Detroit Section's Sheeting Metal Welding Conference XI, May 11-14, 2004.
[10]	J. Tušek, D. Klobčar: Trenutne smeri razvoja pri spajanju materialov v avtomobilski industriji = Current development trends for material joining in the automotive industry. Strojniški vest-nik, vol. 50, št. 2, str. 94-103, 2004.
[11]	B. Bouaifi, B. Ouaissa A. -Helmich: Plasma arc brazing in sheet metal construction. Science and Technology of Welding & Joining, vol. 7, nu. 5, pp. 326-330, 2002.
[12]	U. Draugelates, B. Bouaifi, A. Helmich, B. Ouaissa, J. Bar-tzsch: Plasma-arc brazing: A low-energy joining technique for sheet metal. Institute for Welding and Machining (ISAF), Technical University, Clausthal, Welding journal, vol. 81, nu. 3, pp 38-42, 2002.
[1]
[2]
http://www.graepel.org/filead-
min/download/pdf/InForm/2006/
CMT-Prozess_FH.pdf.
http://www.munk-online.de/
info/MIG-LOETEN.pdf.
Robotic brazing using CMT for an electromagnetic valve body
Abstract: The paper treats the fabrication of an electromagnetic valve body using robotic brazing a CMT (cold metal transfer) process. The body comprises two shorter, round steel tubes joined by brazing. The introduction is followed by a description of the issue to be solved. The body to be produced by brazing is described and shown in the figures. A general presentation of the technologies used up to now, in addition to the MIG brazing, to manufacture the valve body is given. This is followed by descriptions of the equipment and the defects that most often occur in brazed joints. Finally, some conclusions are drawn. The main finding is that the electromagnetic valve body presented here can only be manufactured by the CMT process, as this permits reliable and reproducible manufacturing.
Keywords: electromagnetic valve body, CMT process, macro-section, brazing filler material,