Kon Tuotantoautomaatio. Laserhitsausrobotit

Transkriptio

1 Kon Tuotantoautomaatio Laserhitsausrobotit Sami Puustinen Sauli Larkiala Aleksi Niskanen Juho Leinonen Marianne Berg

2 Sisällys 1 Johdanto 2 Laserhitsaus tekniikat ja sovellutukset 2.1 Kide ja kaasulaser 2.2 Nd:YAG laserhitsaus haasteellisille materiaaleille 2.3 Laserhitsauslaitteisto 2.4 Tavoitteena siisti ja luja sauma 3 Robotiikka laserhitsauksessa 3.1 Laserhitsausrobotin rakenne 3.2 Robotin ohjelmointi 3.3 Laserhitsausrobottien käyttöpaikat 3.4 Robotiikan sopivuus laserhitsaukseen 4 Case: The use of Nd:YAG laser weld for large scale volume assembly of automotive body in white 5 Johtopäätökset 6 Yhteenveto Lähteet 1

3 1 Johdanto Viimeisen 30 vuoden aikana robottien määrä on kasvanut yrityksissä. Tuotanto halutaan automatisoida muun muassa robottien joustavuuden, hyvän laadun ja suuren kapasiteetin ansiosta. Robottien avulla saadaan karsittua vaaralliset ja inhottavat työtehtävät. Robottien ohjelmointi ja huolto vaatii erikoisosaamista ja tällä tavalla yritys saa työntekijöikseen asiantuntijoita, jotka ymmärtävät robottien toiminnan. Teknologian kehittyessä robottien käyttökohteet ja sovellukset laajenevat jatkuvasti ja pian ollaan siirtymässä täysin miehittämättömään tuotantoon. Hitsaus on yleisin robotisoinnin kohde. Hitsauksen robotisoinnilla saadaan parannettua tuotettavuutta ja lopputuotteen laatua. Laserhitsaus on uusi menetelmä, jonka käyttö lisääntyy jatkuvasti. Tässä menetelmässä on todettu paljon hyviä puolia ja se on tiettyihin kohteisiin sopivampi vaihtoehto perinteisiin hitsausmenetelmiin verrattuna. Laserhitsaus on todettu myös olevan helpompi robotisoida kuin perinteiset menetelmät. Laserhitsausrobotteja käytetään paljon autoteollisuudessa. Tässä työssä perehdytään laserhitsausrobotteihin ja niiden sopivuuteen autoteollisuudessa. Työ on jaettu kolmeen osaan: laserhitsaukseen, robotiikkaan ja aiheeseen liittyvään todelliseen tapaukseen. Laserhitsausrobottien tarkastelu tässä työssä on haluttu jakaa hitsausmenetelmään ja sen robotisointiin. Työn alussa käsitellään laserhitsausta yleisesti. Tässä osiossa on keskitytty laserhitsauksen ominaisuuksiin, menetelmiin ja käyttökohteisiin. Nd:YAG laserhitsaukseen on syvennytty tässä osiossa vähän enemmän, koska se on yleisimmin käytetty menetelmä ja sitä on käytetty myös työn lopussa esitellyssä Case:ssa. Tässä osiossa on myös hieman käsitelty laserhitsauksen soveltuvuutta robotiikkaan. Työn toisessa osiossa käsitellään robotiikkaa laserhitsauksessa. Tässä osiossa esitellään laserhitsausrobotin rakenne, sen ohjelmointia, sen käyttöpaikat ja sen soveltuvuus. Työn viimeinen osio, eli Case, käsittelee laserhitsausrobottien käyttöä autoteollisuudessa. Se on valittu tapaukseksi tässä työssä, koska laserhitsausrobotit ovat yleistyneet autoteollisuudessa merkittävästi. Kyseisessä osiossa perehdytään laserhitsausrobottien hyötyihin ja haittoihin tässä sovelluskohteessa. Tapauksena on Nd:YAG laserhitsauksen käyttö Brasiliassa sijaitsevan autotehtaan kokoonpanolinjalla. Työn lopussa pohditaan laserhitsausrobottien kannattavuutta ja soveltuvuutta autoteollisuudessa. 2

4 2 Laserhitsaus tekniikat ja sovellutukset Laserhitsaus on viimeisimpiä hitsaustekniikoita ja niiden käyttö on viimeisten vuosikymmenten aikana yleistynyt merkittävästi, aluksi avaruus ja ilmailuteollisuuden tarpeisiin [1]. Viime vuosina kasvavat kolariturvallisuus, keveys ja ympäristövaatimukset ovat myös ajaneet autoteollisuuden käyttämään sellaisia materiaaleja, joita ei voida perinteisemmin menetelmin hitsata, etenkään mikäli liitettävät materiaalit ovat hyvin erityyppisiä metalleja [2]. Yleisesti laserhitsauksen merkittävimpinä etuina perinteisempiin hitsausmenetelmiin nähden, voidaan pitää hitsin suurta tunkeumaa hitsin leveyteen nähden ja kapeaa lämpövaikutusta. Lisäksi syntyvän sauman jälkikäsittelyä ei välttämättä tarvita lainkaan ja erittäin kapean hitsausrailon mahdollisuus vähentää merkittävästi työkappaleiden alkuvalmistelun tarvetta. Lisäksi lasersäde voidaan johtaa ilman läpi, eikä hitsaustapahtuma täten vaadi tyhjiön luomista. Tämä ei kuitenkaan poista tarvetta suojata hitsisulaa ympäröivältä ilmalta, jota varten myös laserhitsauksessa käytetään erilaisia suojakaasuja, joilla vähennetään huokosten muodostumista hitsiin. [3] 2.1 Kide ja kaasulaser Laseria käytetään laserhitsauksen lisäksi myös hybridilaserhitsauksessa, jossa laseria käytetään perinteisen kaarihitsauksen, kuten esimerkiksi MIG tai TIG hitsauksen, rinnalla. [2] Varsinaisessa laserhitsauksessa käytettävä lasersäde voidaan jakaa kahteen pääryhmään sen mukaan, millä tavalla käytettävä lasersäde saadaan aikaan. Nämä pääluokat ovat kaasulaserhitsaus sekä kidelaserhitsaus. Kidelaserhitsauksessa lasersäde synnytetään kiinteällä laseroivalla väliaineella. Yleisimmin ja laajimmin käytetty laser on Nd:YAG laser (Neodymium doped Yttrium Aluminium Garnet). Muita käytettyjä laserin väliaineita ovat synteettinen rubiini sekä Nd:lasi. Kaasulaserhitsauksessa tyypillisin laseroiva väliaine on hiilidioksidi CO2, mutta myös typpeä, N2 sekä Heliumia, H2, käytetään laserin synnyttämiseen. Optista kuitua pitkin lasersäde voidaan johtaa jopa 225 metrin etäisyydelle hitsauspäästä, kun laserin teho on 2kW, joka on lisäksi varsin pieni laserteho hitsauksessa, koska autoteollisuuden ohutlevyhitsauksessa Nd:YAG laserilla laserin teho voi olla jopa 6kW. Verrattuna Nd:YAG laseriin, hiilidioksidilaserilla voidaan saada aikaan jopa yli kolmekertainen laserin teho[4]. 3

5 2.2 Nd:YAG laserhitsaus haasteellisille materiaaleille Nd:YAG laserhitsaus kehitettiin alun perin ilmailu ja avaruusteollisuuden tarpeisiin, koska näissä sovelluksissa piti pystyä liittämään yhteen hyvinkin erilaisia ja hitsattavuudeltaan erittäin haasteellisia materiaaleja, joilta vaadittiin hyvää kestävyyttä korroosiota ja lämpötilaa vastaan sekä vaadittavaa rakenteellista lujuutta. Tällaisia sovellutuskohteita ovat esimerkiksi turbiinin lavat, komressorin pyörät, suihkumoottorien osat, paineputket, helikopterin lapojen keskiöt sekä takeet, joilta vaadittiin suurta lujuus paino suhdetta. Yleisesti tällaisissa kohteissa käytetyt materiaalit ovat korkeaseosteisia metalleja, jotka eivät ole rautametalleja, vaan erilaisia kevytmetallien, kuten alumiinin, titaanin tai magnesiumin seoksia, kuten esimerkkinä Ti 6Al 4V, joka on niin käytetty materiaali, että sen tuottamiseen käytetään puolet koko maailman vuotuisesta titaanin tuotannosta. Ennen Nd:YAG laserin kehitystä näitä metalliseoksia hitsattiin perinteisesti TIG hitsaamalla, joka oikeilla lisäaineilla soveltuu monien eri materiaalien hitsaamiseen. Lisäksi käytettiin plasma sekä elektronisuihkuhitsausta. [1, 5] Magnesiumseoksille ei ennen laserhitsauksen kehitystä ollut luotettavaa hitsausmenetelmää, vaan niiden hitsaamiseen turvauduttiin ainoastaan tilanteissa, joissa valukappaleen murtuma on korjattu hitsaamalla. Kuitenkaan aiemmin hitsaamalla ei ole aikaansaatu toivotunlaista hitsaussaumaa, vaan saumalla on ollut taipumusta huokosiin, murtumiin sekä oksidikeskittymiin. Perinteisistä hitsausmenetelmistä magnesiummetalleille on käytetty TIG, MIG ja vastuspistehitsausta. Vähemmän tyypillisistä hitsausmenetelmistä on käytetty kitkahitsausta, elektronisuihkuhitsausta sekä plasmakaarihitsausta. Edellämainittujen hitsausmenetelmien pienen tuottavuuden ja suuren lämpövaikutusalueen sekä lämpötilamuutoksesta aiheutuvan kappaleen mittamuutosten takia tarvittiin kuitenkin parempi hitsausmenetelmä, joka mahdollistaisi hitsaamisen käytön myös muissa kuin korjaussovellutuksissa. Magnesiumseosmetalleille on tyypillistä huono energian absorboituvuus, matala sulamispiste ja suuri lämpölaajenemiskerroin, jotka tuovat omat haasteensa myös laserhitsaukselle. Valetun magnesiumkappaleen hitsaamisessa tarvitaan joskus toinen kovempi metalli magnesiumin taakse, koska magnesiumilla on taipumus sulana vain virrata pois avaimenreiän kautta, kun avaimenreikä syntyy kappaleen koko paksuuden läpi. [6] 4

6 2.3 Laserhitsauslaitteisto Laserhitsauksen automatisointia helpottaa se, että itse robottiin asennettava laitteisto on varsin kompakti ja varsinainen lasersäteen lähde voidaan sijoittaa kauas robotin ulkopuolelle ja näin suojaan itse hitsaustapahtumalta, koska lasersäde voidaan johtaa kohteeseen optista kuitua pitkin. Huoltoa helpottamaan lasersäteen kuljetinkuitu voidaan tehdä vielä kahdesta osasta, lyhyestä johdinkuidusta robotin jalustasta hitsauspäähän sekä pidemmästä johdinkuidusta robotin jalustasta lasersäteen lähteelle. Laser säteen lähteiden sijoittaminen pois tuotantolinjaston välittömästä läheisyydestä ei pelkästään vähennä laitteiston altistumista hitsauksessa syntyville kipinöille, kaasuille ja muille epäpuhtauksille sekä kevennä robottia, vaan myös mahdollistavat tuotantolinjan joustavamman ja tiiviimmän asettelun. Lasersäteen johtamiseen käytettävän optisen kuidun lisäksi hitsausrobotin hitsauspäässä on kollimointilinssi sekä polttolinssi, jolla kollimoidut lasersäteet taitetaan yhdeksi polttopisteeksi. [7] Kuva 1. Hitsauspään toimintaperiaate 2.4 Tavoitteena siisti ja luja sauma Hitsausmenetelmänä Nd:YAG hitsaus on tehokas, tarkka ja tuottava. Lasersäteen tehoa säätämällä voidaan hitsaussyvyyttä ja hitsin leveyttä säädellä. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, 5

7 että suurempi laserin teho lisää hitsisulan tunkeumaa sekä leventää hitsiä. Koska tunkeuma on kuitenkin riippuvainen lämmöstä, joka tuodaan hitsattavaan kohtaan, on hitsausnopeudella vaikutusta tunkeumaan. Mitä hitaampi hitsausnopeus ja mitä suurempi laserin teho, sitä syvempi tunkeuma voidaan saada aikaan. Vastaavasti suuremmalla hitsausnopeudella lasersäde siirtää samaan kohtaan energiaa lyhyemmän ajan, jolloin tunkeuma jää pienellä hitsausnopeudella tuotettua hitsiä matalammaksi sekä kapeammaksi. [1] Kuva 2. Hitsausnopeuden vaikutus avaimenreiän syvyyteen [9] Hiilidioksidilaser on nykypäivänäkin eniten käytetty laser tyyppi laserhitsaussovelluksissa, sillä Nd:YAG laserhitsaus on vasta tekemässä läpimurtoaan teollisuudessa, etenkin autoteollisuudessa. Hiilidioksidilaserhitsausta käytetään etenkin suurten aineenpaksuuksien kanssa, koska kidelasereiden teho ei riitä suurilla aineenpaksuuksilla kunnolliseen tunkeumaan. [8] Laserin hitsausnopeudesta ja hitsattavasta materiaalista riippuen laserin tehotiheyden ollessa kokoluokassa 4 10kW/mm^2 saadaan aikaan hitsisulaan niin kutsuttu avaimenreikä eli hyvin kapea kapillaariputki työkappaleen materiaaliin. Tällaista laserhitsausta kutsutaan syvävaikuttavaksi laserhitsaukseksi. Siinä laser sulattaa materiaalia avaimenreiän edeltä, josta se virtaa reunoja pitkin avaimenreiän takareunalle, jossa sula jähmettyy hitsiksi.[8] Ennen avaimenreiän muodostumista materiaaliin, laserin energiansiirtotehokkuus on yhtä suuri kuin metallin kyky absorboida energiaa. Kun avaimenreikä on muodostunut, energiaa siirtyy laserista materiaaliin paljon nopeammin, koska laser heijastuu avaimenreiän pinnoilla, jolloin osa absorboitumatta jääneestä energia absorboituu useiden heijastusten jälkeen osuessaan uudelleen pintaan. [8] 6

8 Kuva 3. Energian absorboituminen syvävaikuttavassa laserhitsauksessa [8] Tuloksena on vahva, suuritunkeumainen ja siisti hitsisauma. Suurilla lasertehoilla ja etenkin suhteellisen paksuja teräslevyjä hitsattaessa syntyy paljon epäpuhtauksia sisältävää höyryä, joka haittaa hitsin muodostumista ja lasersäteen etenemistä työkappaleen pinnalle. Tällöin korostuu hitsitapahtuman suojaaminen suojakaasulla. Hiilidioksidilaserhitsauksessa käytetään suojakaasuna Argonia, Heliumia sekä typpeä. Helium suojaa tehokkaimmin hitsaustapahtumaa kosketukselta ilman kanssa, mutta sen kalliin hinnan takia monesti valitaan suojakaasuksi Argon, mikäli helium käyttötarkoitukseen soveltuu. Argonin heikkous on sen Heliumia suurempi taipumus ionisoitua matalamman ionisoitumisenergiansa takia (He 2372 kj/mol, Ar 1521 kj/mol). Täten Argonia käytettäessä on laserteho pidettävä matalampana, joten riittävän tunkeuman aikaansaamiseksi hitsausnopeutta on pienennettävä verrattuna kun käytetään suojakaasuna Heliumia. [9] Sinkkipitoisen teräksen hitsauksessa oikeat hitsausparametrit ovat erityisen tärkeitä, koska sinkki lisää hitsin huokoistumista ja lisää lämpövaikutusaluetta. Lisäksi sinkki lisää hitsaustapahtuman kipinöintiä. Säätelemällä suojakaasua voidaan välttyä sinkin haittavaikutuksilta hitsisaumaan. Teräsohutlevyille, joiden aineenvahvuus on 1,0 2,0 millimetriä sopiva laserin hitsausteho on noin 1 2 kilowattia. Kuitenkin hitsaussauman laatuun vaikuttaa myös teräksen laatu, etenkin teräksen seostusaste. [3] 7

9 3 Robotiikka laserhitsauksessa Perinteisesti robottia on pidetty monimutkaisena laitteena, jonka käyttäminen tehokkaasti vaatii käyttäjältä paljon teknistä tietoa ja ymmärrystä robotin sekä lisälaitteen, kuten laserhitsauslaitteiston, toiminnasta. Yleisesti teollisuuskäytössä olevilla roboteilla tämä pitääkin paikkansa. Tyypillisesti roboteilla suoritettavat tehtävät sisältävät monimutkaisia ratoja sekä muita toimintoja, jotka käyttäjän on osattava määrittää. Robottia ei voida tämän takia varustaa yksinkertaisella käyttöliittymällä, vaan siltä vaaditaan ominaisuudet robotin käyttämiseen tehokkaasti. [10,11] Lisäksi robotti on tyypillisesti mahdollista myös ohjelmoida uudelleen suoraan käyttöliittymän avulla. [10] Vaikka robottien sisältämä tekniikka on monimutkaistunut jatkuvasti seurauksena lisälaitteiden määrän huomattavasta kasvusta, on niiden käyttämisestä pyritty tekemään mahdollisimman käyttäjäystävällistä. Tämä on mahdollistunut mm. lisäämällä robotin saaman tiedon määrää, varustamalla robotit erilaisilla toimintaa tukevilla sensoreilla. [11] 3.1 Laserhitsausrobotin rakenne Teollisuudessa on käytössä runkorakenteeltaan pääasiassa neljän tyyppisiä robotteja (suorakulmaisia, sylinteri, rinnakkaisrakenteisia sekä nivel robotteja). Käytännön syistä hitsausrobotteina käytetään lähinnä käsivarsityyppisiä nivelrobotteja, jotka muistuttavat toimintaperiaatteiltaan sekä liikealueiltaan ihmiskättä. Käsivarsi on kiinni portaattomasti 360 astetta pyörivässä alustassa. Alusta saattaa lisäksi olla kiinnitettynä pitkittäisliikkeen mahdollistavaan kelkkaan. Nämä ominaisuudet antavat roboteille hyvän ulottuvuuden, sekä mahdollistavat pääsyn hankaliinkin paikkoihin. Tyypillisesti hitsausrobotti koostuu vähintään kuudesta toisistaan riippumattomasta nivelestä, jotka näkyvät kuvassa 4. Näiden avulla se kykenee suuntaamaan hitsauspään kaikkiin haluttuihin suuntiin, mahdollistaen tarkan hitsauksen lähes kaikissa paikoissa. [12] 8

10 Kuva 4. Tyypillinen laserhitsausrobotin runko [13] Liikevoimansa robotti saa niveliin sekä runkoon sijoitetuilta servomoottoreilta, jotka mahdollistavat robotille erittäin tarkan paikoitustarkkuuden. Parhailla roboteilla tämä on millimetrin sadasosien luokkaa. Hyvä tarkkuus on erityisen tärkeää laserhitsauksessa, jossa välimatka hitsauspään ja kappaleen välillä saattaa olla jopa yli metrin. Hitsauspään lisäksi parhaat laserhitsausrobotit on varustettu myös mm. optisilla antureilla, jotka kykenevät havainnoimaan toimintaympäristöään. Näiden antureiden avulla on mahdollista tunnistaa työkappaleesta referenssipisteitä/ muotoja, joita hyödyntämällä robotti kykenee korjaamaan mahdollisia pieniä paikoitusvirheitä. [14] Robotteja on saatavana hyvin tehokkailla moottoreilla varustettuina. Hitsauksessa robotilta vaaditaan kuitenkin lähinnä tarkkuutta, sekä mahdollisimman hyvää ulottuvuutta. Näin hitsausrobotiksi valitaan usein hieman pienemmillä servomoottoreilla varustettu malli. Melko kevyt hitsauspää on kiinnitetty robotin käteen. Loput hitsauslaitteistosta on sijoitettu robotin runkoon tai erilleen robotista. Näin liikutettava paino pyritään pitämään minimissä. Perinteisissä langansyöttöä vaativissa hitsauslaitteissa haasteen aiheuttaa langan syöttäminen hitsauspäälle pitkällä sijaitsevasta rungosta. Laserhitsauslaitteilla tällaista ongelmaa ei kuitenkaan ole, vaan tarvittavat sähköjohdot saadaan usein vedettyä samoja reittejä robotin omien johtojen kanssa. Hitsausroboteissa ongelmana on lähinnä optisten kaapelien väsymiskestävyys. [12] 9

11 3.2 Robotin ohjelmointi Teollisuusrobottien ohjelmointi sisältää prosessin johon kuuluu liikeratojen sekä muiden toimintojen opettaminen robotille. Se voidaan toteuttaa lähes kaikille roboteille monin eri tavoin. Pääasiassa jako opetustapojen välillä voidaan tehdä kolmeen osaan, jotka pohjautuvat erilaisiin menetelmiin. Näitä tapoja ovat online ja offline ohjelmointi sekä ohjelmointi suoraan koneen omalla ohjelmointikielellä. [14] Online ohjelmoinnissa perusideana on koneen ohjelmointi käyttäen hyväksi robottia sekä sen käyttöliittymää. Robotille opetetaan haluttu liikerata ohjaamalla hitsauskärki haluttuun kohteeseen välipisteiden kautta. Samalla radat tallennetaan koneen muistiin. Koneelle on mahdollista kertoa myös liikkeen luonne pisteiden välillä. Valittavana on suoraviivainen liike sekä liike ympyrän kaaria pitkin. Menetelmä on yksinkertainen eikä vaadi käyttäjältä erityisosaamista ohjelman luomiseksi. Ongelmia kuitenkin syntyy, kun radoilta vaaditaan enemmän tarkkuutta tai halutaan optimoida liikeradat työskentelyn nopeuttamiseksi. Perinteisessä online ohjelmoinnissa tämä on mahdollista, mutta vie aikaa niin työntekijältä kuin koneen muulta työskentelyltä. Erityisen hankalia ovat monimutkaiset pinnat, joiden hitsaamiseksi hitsauspäätä on kallistettava sekä liikutettava samanaikaisesti. Hitsausrobottien ohjelmoinnin helpottamiseksi online ohjelmointiin on tuotu mukaan sensoritekniikka, joka tunnistaa kappaleen saumat/ hitsattavat kohdat. Tämän tiedon pohjalta robottiin liitetty tietokone osaa laskea ja luoda tarvittavat liikeradat automaattisesti. [10,11,14] Offline ohjelmoinnin voidaan päätellä jo nimensä perusteella tapahtuvan ilman robottia. Liikeratojen ja toimintojen määrittämiseksi käytetään simulointiohjelmaa, joka yksinkertaisimmillaan luo robotin simulointiympäristöön, joka vastaa oikean robotin työskentelytilaa. Tässä tilassa robotille voidaan opettaa liikeradat käyttäen hyväksi online ohjelmoinnista tuttua tapaa. Näin ohjelmoitaessa itse robotti voidaan pitää toiminnassa, eikä uudelleenohjelmointi aiheuta suuria käyttökatkoja. Näin käytettynä menetelmä ei kuitenkaan tarjoa muita hyötyjä. Niinpä offline ohjelmointi tehdään lähes aina käyttäen hyväksi CAD malleja. Hitsausrobottien tapauksessa mallien pohjalta simulointiohjelmalla voidaan luoda halutut radat, jotka vastaavat lähes täydellisesti mallin mittoihin. Tämä on erittäin tehokas tapa tuotannon simulointiin sekä ratojen suunnitteluun. Parhaassa tapauksessa luodut radat voidaan siirtää robotille ja aloittaa tuotanto muokkaamatta niitä ollenkaan. Hyvin usein tämä ei kuitenkaan toteudu aivan täysin, vaan CAD mallin ja oikean kappaleen välillä 10

12 on sen verran eroavaisuuksia, että ratoja täytyy hieman muokata ja viimeistellä online metodeilla ennen tuotannon aloittamista. Tämä on kuitenkin huomattavasti nopeampaa kuin uusien ratojen luominen alusta alkaen. [10,11,14] Kaksi edellistä menetelmää ovat pohjautuneet suurelta osin työstöratojen luomiseen visuaalisen ja graafisen tiedon pohjalta. Kolmas robotin ohjelmointitapa on kirjoittaa työstökoodi suoraan koneen omalla ohjelmointikielellä. Usein robottien käyttämät kielet pohjautuvat jotenkin käytössä oleviin yleisiin ohjelmointikieliin kuten C++:aan. Ei kuitenkaan ole olemassa yhtä standardimuotoista kieltä, jota kaikki robotit käyttävät, vaan jokaisella valmistajalla on käytössä hieman omanlaisensa ohjelmointikieli. [10,11,14] 3.3 Laserhitsausrobottien käyttöpaikat Käytännön syistä nivellaserhitsausrobotit ovat lähes poikkeuksetta sijoitettu kiinteään paikkaan, missä niiden turvallisuus sekä toimintavarmuus saadaan pidettyä maksimissaan. Toisaalta pienimmätkin hitsausrobottikokonaisuudet painavat satoja kiloja, joten niiden liikuttaminen ja uudelleen asentaminen eri työpisteisiin olisi suuri urakka. Lisäksi suurten robottien käyttämistä koskevat turvallisuusmääräykset sanelevat suuren määrän robotin toimintaa koskevia ehtoja. Näiden ehtojen täyttäminen suurella liikuteltavalla robotilla olisi erittäin vaikeaa. [12] 3.4 Robotiikan sopivuus laserhitsaukseen Laserhitsauslaitteiston osana robotiikka tuo mukanaan useita hyötyjä. Käsin suoritettavassa laserhitsauksessa hitsausjälki ja laatu perustuvat pitkälle käyttäjän kokemukseen ja ammattitaitoon. Laadussa saattaa esiintyä suuria vaihteluja työntekijästä riippuvista tekijöistä johtuen. Robotti ohjauslähteenä tarjoaa erittäin tasaisen sekä tarkan liikkeen, mikä näkyy hitsaussauman tasaisena laatuna. Samalla se tarjoaa mahdollisuuden tuotantoon kellon ympäri. 11

13 4 Case: The use of Nd:YAG laser weld for large scale volume assembly of automotive body in white Vuonna 2005 julkaistussa artikkelissa The use of Nd:YAG laser weld for large scale volume assembly of automotive body in white A. Ribolla, G.L. Damoulis ja G.F. Batalha tutkivat miten ja miksi laserhitsausmenetelmät ovat yleistyneet suuren volyymin autotuotannossa. Artikkelissa käsitellään auton rungon eri osien liittämistä laserin avulla hitsaamalla ja juottamalla, materiaalia lisäämällä sekä ilman materiaalin lisäämistä. Tutkimuksen kohteena oli nimenomaan Nd:YAG laserhitsauksen käyttö Brasiliassa sijaitsevan autotehtaan kokoonpanolinjalla. [5] Nykyaikaisen auton rungossa paljon hitsattavaa, minkä takia on tärkeä, että hitsausprosessit ovat mahdollisimman optimaalisia ja tehokkaita. Perinteisesti auton rungon hitsaamisessa on käytetty eniten MIG ja MAG hitsejä, mutta laserhitsaus on yleistynyt huomattavasti 2000 luvun aikana niin, kuin kuvasta 5 voi huomata. Osasyy tähän muutokseen on alumiinin käytön lisääntyminen autoteollisuudessa. Valtiot ovat asettaneet yrityksille suuria vaatimuksia päästöjen suhteen. Tästä syystä myös autojen valmistajat pyrkivät laskemaan autojen kulutusta sekä päästöjä keventämällä runkoa mahdollisimman paljon. Laserhitsauksen etuna on myös mahdollisuus hitsata kappaleita yhdeltä puolelta ilman, että tarvetta päästä kappaleeseen käsiksi toiselta puolelta. Tämä helpottaa huomattavasti runkojen suunnittelua, koska ei ole tarvetta hitsausprosessien vaatimille rei ille. [5] 12

14 Kuva 5. Eri hitsausmenetelmien käyttö autojen runkojen hitsauksessa.[5] Suuri kysymys laserhitsauksen käytön järkevyydestä autoteollisuudessa on sen taloudellisuus. Vuonna 2001 tehdyn tutkimuksen mukaan laserhitsauksen käyttö rakenteissa keventää autoa niin, että sen käyttöiän aikana voidaan säästää keskimäärin 9,4 euroa jokaista kiloa kohden. Tarkemmin luku oli 14 euroa jokaista teräsosan kiloa kohden ja 55 euroa jokaista alumiini rakenteen kiloa kohden. Saman tutkimuksen mukaan valmistus kattaa noin 25 prosenttia kaikista auton kuluista. Näiden tietojen avulla voidaan selvittää onko laserhitsauksen käyttö autoteollisuudessa kannattavaa. Näitä tuloksia tulkittaessa täytyy ottaa huomioon, että tutkimus oli tehty 2000 luvun alussa, jolloin polttoainekustannukset olivat erisuuruiset ja moottori sekä hitsausteknologia ovat kehittyneet sen jälkeen. [5] Laserhitsauksen etuja auton rungon hitsauksessa käytettäessä ovat muun muassa laser säteen korkea absorptio teräslevyihin, joka lisää hitsausprosessin tehokkuutta, sekä prosessin joustavuus, jonka mahdollistaa robotit sekä hitsausvälineiden joustavat johdot. Lisäksi laserhitsausvälineillä pystytään kattamaan suurempi kokonaispinta ala yhden hitsausprosessin aikana sekä koko hitsaussysteemiin kohdistuu vähemmän kuormitusta, koska laserhitsauspäät ovat niin kevyet. Laserhitsausrobotit pystytään rakentamaan niin kompakteiksi, ettei millään muulla hitsausmenetelmällä pystytä samaan. Kun otetaan 13

15 huomioon myös lasersäteen kapeus ja tarkkuus, voidaan rakentaa auton rungon hitsaussolu 16 hitsausrobotilla 64 m 2 sisälle. Tutkimuksessa todettiin myös, että laatu ei ole ongelma laserhitsatuissa saumoissa. Erilaisten testien perusteella laserhitsauksella tuotettu sauma saattaa olla jopa viisi kertaa vahvempaa kuin vastushitsauksella tehty sauma. Tämä on yksi suurimmista syistä miksi autoteollisuudessa päätettiin alkaa tutkimaan tarkemmin laserhitsausmahdollisuuksia. [5] Tutkimuksessa todettiin kolme pääasiallista heikkoutta laserhitsaukselle. Kaikki kolme aiheuttavat huoltokatkon, joka pysäyttää tuotannon. Ensimmäinen näistä on optisten kaapeleiden heikkous. Kaapelit ovat herkkiä ja kalliita eivätkä kestä loputtomasti robotin liikkeitä. Tällä tehtaalla ongelma ohitettiin käyttämällä yhden kaapelin sijaan kahta kaapelia. Halvempaa ja lyhyempää kaapelia kriittisemmällä paikalla ja pidempää kaapelia paikalla, jossa ei ole paljoa rasitusta. Toinen heikkous on suojalasin likaantuminen. Suojalasi suojaa optisen kaapelin päässä olevia linssejä. Hitsauksen aikana tähän lasiin tarttuu pöly ja kipinät. Likainen suojalasi heikentää hitsauksen tehoa merkittävästi. Viimeinen tutkimuksessa mainittu heikkous on lasergeneraattorin lamppujen kestoikä. Generaattorissa on yhteensä 16 lamppua, nämä lamput ovat kalliita ja niiden kestoikää on vaikea arvioida. Lisäksi lampun rikkoutuvat räjähtämällä, jolloin joudutaan vaihtamaan kaikki lamput ja puhdistamaan generaattori. [5] Tehtaalle rakennettiin kaksi uutta laserhitsaussolua, jotka pystyivät hitsaamaan yli 600 runkoa päivässä. Solut suorittavat 3100 millimetriä hitsaussaumaa kattoon materiaalia lisäämällä sekä 3580 mm jaokkeista hitsisaumaa ilman materiaalin lisäystä. Kuvassa 3 on rungon hitsaussolu edestäpäin kuvattuna. Toisessa solussa käytettiin 16 hitsausrobottia ja toisessa 12 robottia. 12 näistä roboteista on 7 akselisia 25 kg:n kuorman robotteja ja neljä 6 akselisia 35 kg:n kuorman robotteja. Loput 12 robottia olivat 3 akselisia 30 kg:n kuorman robotteja. Robottien koot valittiin niin, että ne pystyivät kantamaan kaiken tarpeellisen hitsauslaitteiston jäähdytysvälineineen. Kokonaisuudessaan solujen hitsauslaitteistot vaativat seitsemän lasergeneraattoria. Koko hitsauslinja kahdella hitsauspisteellä on täysin muista toiminnosta erillään ja mahtuu 400 m 3 tilaan. Tilan päälle asennettiin lasergeneraattorin jäähdytyslaitteistoineen. Robottien ohjauslaitteistot puolestaan asennettiin hieman erilleen hitsauspisteistä. [5] Rungon eri osien liittäminen hitsauslinjalla tapahtuu pystysuuntaisesti liikkuvan pöydän avulla, joka helpottaa pohjan kiinnittämisessä. Rungon pystysuuntainen liike on havainnollistettu myös kuvassa 5. Rungon pohjan kiinnittämisen jälkeen robotit kiinnittävät 14

16 rungon sivut. Lopuksi runkoon liitetään katto. Tämä prosessi vaatii laitteilta erittäin tarkkoja liikkeitä, jotta osat sekä laserhitsaussäteet osuvat oikeille kohdille. Osien syöttö linjalle tapahtuu liukuhihnan avulla. Linjan keskimääräinen hitsausnopeus on 67 mm/s ja laser toimii 4kW teholla. [5] Kuva 5. Laserhitsaussolu.[5] Tutkimuksen lopputuloksena todettiin laserhitsauksen monet vahvuudet verrattaessa muihin hitsausmenetelmiin. Vahvuuksia ovat syvälle tunkeutuvat tarkat hitsaussaumat, pieni lämpövaikutusalue, nopeat hitsausajat, ei tarvetta jälkikäsittelylle ja hyvä toistettavuus. Laserhitsauksen heikkouksiksi mainitut syyt jäävät selkeästi vahvuuksien varjoon. Kaikki heikkoudet aiheuttivat pahimmillaan vain huoltokatkoja. Roboteilla suoritettava laserhitsaus täyttääkin autoteollisuuden tarpeet erinomaisesti. Tästä syystä tämä tekniikka on otettu käyttöön hyvin suuressa mittakaavassa kaikkialla maailmassa. [5] 15

17 5 Johtopäätökset Tämän työn perusteella laserhitsausta kannattaa käyttää haasteellisiin kohteisiin, kuten autojen korien valmistukseen. Nykyään autojen koreissa käytetään materiaaleja, joiden hitsaus on haasteellista perinteisillä menetelmillä. Lisäksi tällä menetelmällä on paljon parempia ominaisuuksia verrattuna perinteisiin menetelmiin. Laserhitsin tunkeuma on niin suuri, että molemmilta puolilta hitsaus ei ole tarpeen. Tämä on mahdollista menetelmän suuren tehokkuuden ansiosta. Hitsin jälki on myös todella siisti, mikä parantaa hitsattavan kohteen ulkonäköä ja poistaa jälkikäsittelyn tarpeen. Hitsisauman siisteyden ansiosta, saumaan kohdistuvat jännityksetkin ovat pienemmät. Vaikka laserhitsauksessa etuja on paljon, myös muutamia heikkouksia menetelmässä on ilmennyt tässä työssä. Joihinkin näihin heikkouksiin on kuitenkin löytynyt ratkaisu. Heikkouksien määrä on pieni verrattuna hyötyihin, joita tämä menetelmä tarjoaa. Tämä on suurin syy siihen, miksi laserhitsauksen käyttö kokoajan lisääntyy. On todettu, että laserhitsaus on hyvinkin sopiva autoteollisuudessa. Koska autoteollisuuden tuotantomäärät ovat suuria, automaatiota kannattaa soveltaa valmistusprosessin eri vaiheissa. Tässä työssä on myös todettu, että laserhitsaus on kaikista hitsausmenetelmistä helpoin soveltaa robotteihin. Tähän vaikuttaa muun muassa hitsauslaitteiston kompaktius. Hitsauspää on kevyt ja varsinainen lähde voidaan sijoittaa kauemmas hitsauskohteesta. Koska laserhitsauslaitteisto on niin kompakti ja kevyt, laserhitsausrobotteja voidaan sijoittaa melko lähekkäin tuotantosoluissa. Laserhitsauksessa on paljon etuja lopputuotteen kannalta, mutta sen robotisoinnissa on taas paljon etuja tuotannon kannalta. Tuotettavuus paranee huomattavasti robotisoinnin avulla, sillä tuotanto ei ole riippuvainen työntekijöiden työtahdista tai ajoista. Työturvallisuutta saadaan parannettua paljon, sillä hitsaaminen on vaarallista ja edellyttää hitsaajan käyttävän suojavarusteita. Hitsaamisesta aiheutuvat onnettomuudet työntekijöitä kohtaan saadaan poistettua hankittaessa hitsaajan tilalle robotti. Tuotannon nopeus suurenee myös robotisoinnin ansiosta, sillä hitsiajat pienenevät. Vaikka laserhitsauksen sauma on muutenkin hyvin siisti, robotisoinnilla siitä saadaan vielä siistimpää jälkeä. Robotisoinnilla saadaan eliminoitua tuotannon virheet tehokkaammin. Yllä mainituista syistä selviää miksi laserhitsausrobotit ovat nousseet suosioon etenkin autoteollisuudessa. Laserhitsaus on osoittautunut tehokkaaksi menetelmäksi ja automaatio 16

18 on ollut jo pitkään mullistava käänne teollisuuden historiassa. Nämä kaksi yhdistettynä muodostaa huippumenetelmän tietynlaisten tuotteiden valmistuksessa, kuten tässä työssä esitellyssä autoteollisuudessa. 17

19 6 Yhteenveto Viimeisten vuosikymmenten aikana laserhitsaus on yleistynyt merkittävästi. Tämä johtuu laserhitsauksen suurista eduista, jotka eroavat perinteisistä hitsausmenetelmistä. Etuihin kuuluu muun muassa hitsin suuri tunkeuma, kapea lämpövaikutus ja sauman siisteys. Laserhitsaus voidaan jakaa kahteen pääryhmään: kaasu ja kidelaserhitsaus. Näiden erona on se, että kidelaserhitsauksessa käytetään kiinteää väliainetta lasersäteen syntymiseen ja kaasulaserhitsauksessa kaasua. Nd:YAG laser on yleisin kidelaserhitsauksessa ja hiilidioksidi on yleisin väliaine kaasulaserhitsauksessa. Nd:YAG laserhitsausta käytetään esimerkiksi autoteollisuudessa, koska hitsattava materiaali on haasteellista muilla hitsausmenetelmillä. Hiilidioksidilaserissa on suurempi teho kuin Nd:YAG laserissa ja täten se on eniten käytetty lasertyyppi tällä hetkellä. Robotin käyttäjällä on oltava paljon ymmärrystä roboteista ja myös laserhitsauslaitteiston käytöstä. Robotti on monimutkainen laite, joka tekniikan kehittyessä monimutkaistuu entisestään. Hitsausrobotteina käytetään käsivarsityyppisiä nivelrobotteja hyvän liikkuvuuden takia. Laserhitsauslaitteisto on helppo asentaa robottiin. Hitsauslaitteiston johdot saadaan vedettyä siististi samoja reittejä pitkin kuin robotin omien johtojen kanssa. Varsinainen lasersäteen lähde voidaan asentaa kauemmaksi hitsauskohdetta. Robotiikan yhdistäminen hitsauslaitteistoon tuo mukanansa monia hyötyä, kuten sen, että lopputuotteen laatu paranee huomattavasti. Case osiossa tutkittiin miten ja miksi laserhitsausmenetelmät ovat yleistyneet suuren volyymin autotuotannossa. Kohteena oli Nd:YAG laserhitsauksen käyttö Brasiliassa sijaitsevan autotehtaan kokoonpanolinjalla. Suurin syy laserhitsauksen käyttämiseen autoteollisuudessa on se, että hitsattavat autojen materiaalit ovat haasteellisia hitsattavia perinteisillä hitsausmenetelmillä. Laserhitsauksen ansiosta auton rakenteissa voidaan käyttää kevyempiä materiaaleja, kuten alumiinia, mikä vähentää esimerkiksi polttoainekustannuksia. Laserhitsauksessa syntyvä sauma ja menetelmän helppo soveltaminen robotiikkaan vaikuttaa myös siihen, miksi sitä käytetään niin paljon nykyään autoteollisuudessa. Laserhitsausrobotit parantaa tuotettavuutta. Vaikka tutkimuksen perusteella muutama huono puoli laserhitsauksesta löytyi, lopputuloksena todettiin, että huonot puolet jäävät selkeästi hyvien puolien varjoon. Tämän tekniikan on siis todettu olevan hyvä vaihtoehto tämän kaltaiselle tuotannolle ja siitä syystä se on myös yleistynyt. 18

20 Lähteet [1] CAO, X.; JAHAZI, M. Effect of welding speed on butt joint quality of Ti 6Al 4V alloy welded using a high power Nd: YAG laser. Optics and Lasers in Engineering, 2009, 47.11: [2] DILTHEY, Ulrich; STEIN, L. Multimaterial car body design: challenge for welding and joining. Science and technology of Welding & Joining, 2006, 11.2: [3] WU, Qiang, et al. Research on laser welding of vehicle body. Optics & Laser Technology, 2008, 40.2: [4] ZHAO, H.; WHITE, D. R.; DEBROY, T. Current issues and problems in laser welding of automotive aluminium alloys. International Materials Reviews, 1999, 44.6: [5] RIBOLLA, Adriano; DAMOULIS, Gleiton Luiz; BATALHA, Gilmar Ferreira. The use of Nd: YAG laser weld for large scale volume assembly of automotive body in white. Journal of materials processing technology, 2005, 164: [6] CAO, X., et al. A review of laser welding techniques for magnesium alloys.journal of Materials Processing Technology, 2006, 171.2: [7] KIM, Jae Do; KIM, Cheol Jung; CHUNG, Chin Man. Repair welding of etched tubular components of nuclear power plant by Nd: YAG laser. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 114.1: [8] KAPLAN, Alexander. A model of deep penetration laser welding based on calculation of the keyhole profile. Journal of Physics D: Applied Physics, 1994, 27.9: [9] TU, Jay F.; INOUE, Takashi; MIYAMOTO, Isamu. Quantitative characterization of keyhole absorption mechanisms in 20 kw class CO2 laser welding processes. Journal of Physics D: Applied Physics, 2003, 36.2: 192. [10] Geoffrey Biggs and Bruce MacDonald: A Survey of Robot Programming Systems. Department of Electrical & Electronic Engineering, University of Auckland (2003) [11] Pyunghyun Kim, Sehun Rhee, Chang Hee Lee : Automatic teaching of welding robot for free formed seam using laser vision sensor. Optics and Lasers in Engineering 31 (1999) [12] KUKA System Software 8.3. Operating and Programming Instructions for System Integrators [13]

21 [14] G. Reinhart, U. Munzert, W. Vogl: A programming system for robot based remote laser welding. CIRP Annals Manufacturing Technology 57 (2008)