Thomas Heegaard Langer

Transkript

1 1 Det Teknisk-Naturvideskabelige Basisår ved Titel : Auditiv Procesovervågning Tema : Modellers virkelighed Projektperiode : Uge 6 - uge 23/2004 Projektstart : 2. februar 2004 Afleveringsdato : 1. juni 2004 Sideantal : 100 Bilag antal : 6 Oplagstal : 14 Projekt : P2 projekt - 2 semester Vejleder : R. Mikael Larsen Bivejleder : Søren Løkke Gruppe : B215 - Industri Uddannelsesinstitution : Aalborg Universitet Udarbejdet af : Cecilie Sollberger Juhl Mads Birk Svendsen Christian Rasmussen Niels E. L. Nielsen Kåre Howalt Svendsen Peder Lund Rasmussen Thomas Heegaard Langer Synopsis Projektet omhandler auditiv procesovervågning i automatiserede svejseoperationer. Der bliver analyseret på, hvilke svejsefejl, der eksisterer i dag og hvilke metoder, der findes til at registrere sådanne fejl, her tænkes på forskellige sensortyper. Analysen munder ud i en antagelse om, at det vil være muligt at lytte på en svejsning, for derved at finde fejl i svejsningen ud fra lyden. Til at verificere denne antagelse, udføres der en forsøgsrække, hvor der på skift ændres på trådhastigheden, strømstyrken, gasudstrømningen og lysbuen. Svejsningerne bliver optaget digitalt i en serie lydfiler, og behandlet i en analyse, der skal vurdere, om ændringerne i svejsefejlene kan detekteres auditivt. Resultatet af analysen blev, at en mønsterkarakteristik for den ideelle svejsning kan fastlægges, og herudfra er det muligt at detektere afvigelser i svejsningerne. I dette forsøg blev afvigelserne for trådhastigheden og strømstyrken fastlagt. Den til formålet udviklede analyse, bliver efterfølgende brugt i et program, der er i stand til at detektere fejl i svejsningen og give en vurderingen af årsagen til fejlen.

2 2 Forord Denne rapport er udarbejdet under det overordnede tema for Industriliniens 2. semester ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Basisår ved Aalborg Universitet, Modellers Virkelighed, og dokumenterer gruppe B215 s projekt Auditiv procesovervågning. Rapporten tager udgangspunkt i problematikken vedrørende løbende procesovervågning af svejseprocesser ved automatisering af svejsearbejde. Projektet henvender sig primært til vejleder og studerende på AAU. Kilder i rapporten er skrevet i firkantet parenteser med årstallet i almindelig parentes eks. [Kilde xx(årstal)], denne metode er anvendt i henhold til Havard s referencesystem. Tabeller, skemaer og figurer er nummeret, først med kapitel nummer og herefter figurens nummer under det pågældende kapitel - eks. Figur 3.1. Denne figur vil være i kapitel 3 og som det første billede i kapitlet. Alle tabeller, skemaer og figurer har figurtekst som kort beskriver hvad det indeholder. Referencer til disse er skrevet ligesom deres nummering, eks. Se figur 3.1 her skal der så ses i kapitel 3 figur nummer 1. Såfremt figurer ikke rummer kildehenvisning, er disse udarbejdet af gruppens egne medlemmer. Der vil i rapporten blive refereret til medfølgende CD-rom, hvor yderligere bilag kan findes. Bagerst i rapporten findes seks bilag, som der bliver refereret løbende til i rapporten. Der rettes en særlig tak til følgende personer for velvillig assistance i forbindelse med projektets udførelse: Flemming Christensen, Lektor, Institut for Akustik. Keld Nielsen, Svejsemester, Migatronic. Morten Kristiansen, Ph.d.-stipendiat, Institut for Produktion. Ole Madsen, Lektor, Institut for Produktion. Erling Rask, Ingeniørassistent, Institut for Produktion

3 Indhold 1 Indledning Metode & Modeller Aktøranalyse Aktør-Netværket Opsummering Introduktion til MIG/MAG Automatiseret svejsning Grundlag for overvågning Svejsefejl Parametre og styring af svejseprocesser Sammenhæng mellem fejl og styring Sensorsystemer Robotsensorer generelt Udbredte Svejsesensorsystemer Eksotiske Svejsesensorsystemer Nutidens sensorsystemer - opsummering Sensorsystemer i fremtiden Vejen mod fremtidens sensorsystem Problemformulering 45 7 Lydanalyse Valgte parametre Dataindsamling Behandling af lyd Opsummering Implementering på robot Software Hardwareimplementering Perspektivering / anvendelse Indflydelse på aktører Konklusion Perspektivering Fremtidigt arbejde A Jern-Kulstof-Diagram 82 B Indledende forsøg 83 B.1 Valg af udstyr B.2 Opstilling B.3 Udførelse B.4 Resultater C Forsøgsopstilling 85 C.1 Forsøgsmål og -hypoteser C.2 Forsøgsopstilling C.3 Fremgangsmåde C.4 Fejlkilder C.5 Dataopsamling D Makrostrukturanalyse 92 E Arbejdsmiljø og sikkerhed 94 E.1 Arbejdsmiljøpåvirkninger F Algoritme-flow 96 F.1 Programoversigt (JAVA-program) 96 F.2 Resampling F.3 Mønsteranalyse F.4 Fortolkning F.5 Store kortslutnings mellemrum og kortslutninger pr. sekund

4 Indledning Kapitel 1 Temaet for dette projekt omhandler procesovervågning af automatiserede MIG/MAG-svejseprocesser i stål som et led i kvalitetsstyring. Kontrol af processer ved svejsning er et omfattende emne. Derfor afgrænses projektet til MIG/MAG-svejsning i stål, hvilket skyldes, at netop denne teknik er blevet noteret for den største stigning i udbredelse og anvendelse siden den blev realiseret første gang. Årsagerne er blandt andet MIG/MAG-metodens store produktivitet, samt de gode muligheder for at automatisere processen [Finn Nielsen(1998a)]. Selvom der siden er tilkommet mange nye svejseteknikker, som også finder deres anvendelsesområde hver især, bibeholder MIG/MAG en stærk position, hvad angår anvendelse [Nielsen(2004)]. Kernen i dette projekt er automatisering af svejseprocesser. Ved automatisering af MIG/MAGsvejseprocesser er der et problem i at få overført den manuelle kvalitetskontrol fra svejseren i form af dennes sanser og løbende vurdering af svejsearbejdet over på et automatiseret anlæg. Nødvendigheden af overvågning af processerne skyldes ikke alene høje krav til arbejdet, men er en kombination af samme samt den indbyrdes konkurrence mellem industrivirksomheder - ikke mindst fra det internationale marked, hvor især lønforhold kan variere fra land til land [Kretzschmar(2001)]. Der stilles altså ikke alene høje krav til kvaliteten af svejsearbejdet, men også krav om effektiv produktion for at sikre en hurtig levering. Et meget centralt emne inden for produktion er fleksible produktionssystemer. Særligt mindre virksomheder har brug for fleksibilitet 1 af deres automater og robotter, således at produktionen hurtigt kan omstilles ved enkeltstyks- eller serieproduktion, samtidig med at kvaliteten opretholdes. I modsætningen til store masseproduktioner, hvor det er relativt nemt at opretholde kvaliteten på grund af det forudgående omfattende arbejde med forudindstilling af produktionsapparatet, er der et problem i hurtigt at kunne finjustere maskinen til en mindre serie eller enkeltstyksproduktion. Et af de betydelige problemer hvad angår fleksibilitet er programmering af robotter; i dag anvender industrien kun online programmering på maskiner. Online programmering er tidskrævende, da der både er udgifter til løn, og udgifter i forbindelse med at produktionsapparatet står stille under selve programmeringen [Nielsen(2004)]. Dog forventes udviklingen om føje år at realisere offline programmering ude i industrien [Madsen(2004)]. Alt i alt drejer det sig for den gældende produktionsvirksomhed om at sikre sin overlevelse ved konkurrencedygtighed. Dette opnås kun ved en effektiv produktion, hvor omkostninger i forbindelse med fejl og produktionsstop i automatiserede anlæg mindskes. Dette mål opnås dels ved at kontrollere processerne til fulde. I perspektiv kan en optimeret procesovervågning af 1 Fordelen ved at bruge robotter til produktion frem for menneskelig arbejdskraft, er at robotterne udfører deres arbejde hurtigt og præcist og uden pauser. Der opstår dog problemer, når robotten sættes til at behandle varierende opgaver, da der ved hvert opgave skift går tid med at tilpasse af robotten til den nye opgave. Dette er denne mangel på fleksibilitet, som kun gør robotter rentabel i et begrænset omfang. Denne fleksibilitet findes dog hos mennesker, da de med deres sanser er i stand til at analysere og vurdere hver ny opgave. Arbejdet med lydsensoren er et forsøg på at forene robottens produktivitet med evnen til omstilling ved mennesker. Sensoren giver robotten en mulighed for at analysere det emne som den arbejder med, og registrere om den kører korrekt. Robotten kan så programmeres til automatisk at indstille sig, hvis lyden ikke er rigtig. Når robotten så har en tilpas stor hukommelse med data for, hvordan forskellige slags svejsninger skal lyde, bliver robotten i stand til at skifte rundt mellem forskellige arbejdsopgaver uden videre programmering.

5 1.1 Metode & Modeller 5 anlæg således også have en positiv økonomisk indflydelse vedrørende programmering og omstilling, idet øget intelligens ved automatiserede anlæg kan nedsætte kravet til arbejdet ved omprogrammering. Særligt er der et behov for procesovervågning, som kan være behjælpelig med automatisk kalibrering af maskinen, ved produktionsanlæg med mindre serier, hvor der ofte skal omstilles til nye emner. Der er altså to aspekter i procesovervågning: Undgå fejl Fejl ved svejseapparatet Fejl ved robottens orientering Automatisk kalibrering af svejserobot nedsætter kravet til programmeringspræcisionen større fleksibilitet Dette kunne eventuelt realiseres ved at overføre menneskelige sanser til robotanlægget. Det bedste bud på implementering af sanser på et maskineri er ved anvendelse af sensorer. Det leder frem til projektets initierende problem. For senere at kunne tage stilling til udvikling af nye metoder til procesovervågning er det nødvendigt at vide: Hvilke behov er der for anvendelse af sensorer på fremtidens svejserobotter? Projektets problemanalyse vil omhandle de svejsefejl, der opstår som følge af forkerte parametre ved apparaturet. Endvidere vil problemanalysen behandle de nuværende metoder til løbende proceskontrol, deres anvendelsesmuligheder samt sætte dem i perspektiv i forhold til den udvikling der sker indenfor implementering af intelligens på robotter. Problemanalysen vil også beskæftige sig med interessante aktører i forbindelse med udvikling af intelligens på robotter. Hvilke behov har de forskellige aktører, og hvordan kan de hver især påvirke udviklingen indenfor - i dette tilfælde - sensorer på robotanlæg. Forudsætningen for at beskæftige sig med svejseprocesser har været anvendelsesorienteret viden om, samt praktisk udførelse af svejsning i stål. Det har derfor været en nødvendighed at udvide kendskabet til MIG/MAG og automatisering af svejseprocesser. Tilgangen til denne viden har primært været gennem henholdsvis teknisk/naturvidenskabelig litteratur og interviews med såvel forskere som industrien. 1.1 Metode & Modeller Projektets forløb er illustreret i skema 1.1. Projektet omhandler kvalitetssikring af automatiserede MIG/MAG-svejseprocesser ved løbende procesovervågning med sensorer. Projektet går på at analysere nuværende sensorer og hvordan de afhjælper problemer i forbindelse med kvalitetssikring af svejsninger. Målet er at kunne vurdere status for nutidens procesovervågning med henblik på at undersøge, hvorvidt nye tiltag indenfor sensorer er nødvendigt. I relation til proceskontrol er der en lang række aktører, som har interesser, og derved potentiale til at påvirke udviklingen af metoder til proceskontrol af svejsninger. Målet er at give et bud på status for den aktuelle udvikling indenfor området, samt hvordan de forskellige påvirker udviklingen; men også hvilke katalysatorer der kan give et skub til udviklingen. Udgangspunktet for kvalitet er undersøgelse af grundlæggende teoretisk viden om kvalitet ved svejsningen. Kvalitet opnås ved at have kendskab til de fejl, der kan forekomme, samt hvordan de kan undgås. For at undgå fejl er det vigtigt at kunne kontrollere processerne. Dette gøres hovedsageligt gennem de parameterindstillinger der findes på henholdsvis svejseapparaturet og robotten. Formålet er at finde affiniteten mellem svejsefejl og parameterindstillinger for at opnå kendskab til styring af svejseprocessen med henblik på at kunne undgå fejl. Dette er en nødvendig viden senere i projektforløbet for at kunne vurdere, hvilke fejltyper de forskellige sensorer afhjælper.

6 6 Indledning Det er i den forbindelse også interessant at se på markedet af eksisterende sensorer som en metode til procesovervågning, og vurdere disses anvendelsesmuligheder og virkningsgrad. Hvor gode er disse i forhold til omkostninger ved at bruge dem? Er der fordele/ulemper ved de forskellige sensortyper. Syntesens formål - se figur 1.1 er at klarlægge tidligere stillede spørgsmål vedrørende kvalitet og sensorer. Syntesen skaber grundlag for klarlægge et eventuelt behov for nye metoder til procesovervågning. Det er derved muligt at indkredse en kontrolparameter som en målbar værdi, hvorpå der ønskes at vurdere dennes potentiale for procesovervågning. Når kontrolparameteren er valgt, vælges nogle parametre, der er af betydning for svejsningen kvalitet. Parametre vælges tillige ud fra den hypotese, at de kan måles gennem kontrolparameteren. Næste trin for projektforløbet er indsamling af den empiriske viden gennem forsøgsudførelse, hvorefter det indsamlede data kan analyseres. Sideløbende udarbejdes en analyse af kvaliteten af de udførte forsøgsprøver med det formål at verificere den tidligere udarbejdet syntese. Projektet udmunder i et stykke software til procesovervågning af svejseprocesser. Figur 1.1: Projektforløb

7 Aktøranalyse Kapitel 2 I det initierende problem blev der stillet spørgsmålstegn ved, hvorvidt der er et behov for at indføre sensorbaserede robotter i svejseindustrien. For at danne et grundlag for at foretage denne vurdering er det vigtigt at være opmærksom på de interessegrupper, der kan gøre deres indflydelse gældende i forbindelse med en implementering af sensorer på robotter, og hvorfor de gør det. Analysen af interessanterne kan gribes an på flere måder. En metode er at betragte samfundet som den bestemmende faktor, en anden er, at teknologien uafhængigt af mennesket skaber en udvikling. Som et kompromis imellem de to ekstremer findes aktør-netværk-teorien, der forbinder teknologien og samfundet med hinanden. I aktør-netværk-teorien består samfundet af sammenhængende netværk, der overlapper hinanden. Aktørerne i netværket er både mennesker og ting, der har en udveksling via bindeled. Desto mere stabilt et netværk fungerer, des stærkere bliver det. Med tiden vil det blive en selvfølge, som ingen sætter spørgsmålstegn ved, netværket er blevet til en såkaldt sort boks, som afhængig af netværkstypen kan variere i sværhedsgrad at få genåbnet. Et netværk vil automatisk søge at arbejde mod at blive så stabilt, at det kan klassificeres som en sort boks, men stabilitet er ikke altid af det gode, da det kan betyde en stagnering i udviklingen af netværket [Jensen)(1997)]. Sammenlignes de kilder, der er anvendt i kapitel 5, som beskriver den teknologiske udvikling indenfor svejserobotter, er udviklingsstadiet i dag meget lig det, der var for 13 år siden. Denne analyse vil undersøge hvilke mekanismer, der ligger til grunde for at have et behov for at indføre sensorer i industrien. Der vil blive set nærmere på hvilke aktører, der generelt indgår i netværket omkring svejseindustrien, og deres indflydelse og interesser. Herefter vil analysen forholde sig til forholdene i Danmark med en kort sammenligning til USA. Afsnittet er udarbejdet med udgangspunkt i givne informationer fra hovedsageligt Danmark og USA, og egne vurderinger. 2.1 Aktør-Netværket Da netværkene indbyrdes er forbundet med hinanden, kan det være svært at definere den ydre grænse for det netværk, som betragtes. Selve svejseindustriens aktører består af alle brugerne af teknikkerne, såvel universiteter som organisationer og virksomheder, der arbejder med svejsning [Cullision and Johnson(2004)]. Ud fra denne betragtning er det i denne analyse valgt at tage udgangspunkt i virksomheden, da det er her, at sensorerne skal benyttes. Med udgangspunkt heri vil de aktører, der øver indflydelse på udviklingen og implementeringen, blive fastlagt. Som det ses af figur 2.1, er der flere instanser, der er katalysatorer for udviklingen af sensorer til svejseindustrien. Disse instanser er igen indbyrdes forbundet via bindeled. Det er flow et igennem disse bindeled, der er med til at skubbe til udviklingen eller holde den tilbage. Fra myndighedernes side, er der en interesse i at sikre en fortsat teknologisk udvikling, da det vil styrke landets konkurrenceevne og derved sikre arbejdspladser. En positiv påvirkning kan ske i form af finansiel støtte til forskningsinstitutterne eller via en skattelovgivning, der gør det attraktivt for virksomhederne at foretage investeringer. Regeringen har desuden en interesse i at sikre borgernes ve og vel, både af menneskelige hensyn, men også fordi for mange ulykker belaster sundhedssektoren. Igennem lovgivning omkring arbejdsmiljø og svejsestandarder, kan

8 8 Aktøranalyse Figur 2.1: Aktør-netværk for svejseindustrien regeringen direkte tvinge virksomhederne til at ændre deres produktion således, at den bliver mere hensigtsmæssig i relation til sikkerhed og sundhed på arbejdspladserne. Forskning og udvikling af nye metoder eller forbedringer af de gamle danner eksistensgrundlaget for forskningsvirksomheder som eksempelvis FORCE, der får sin indtægt igennem statstilskud og betaling fra virksomheder ved afholdelse af kurser omkring det sidste nye indenfor svejseteknologi. For universiteterne gælder stort set samme princip, da en del af medarbejderne ved siden af undervisningen er beskæftiget med forskning. Det er en situation, som ikke længere kan opretholdes, hvis der ikke fremkommer brugbare resultater, hvilket debatten omkring nul-forskerne på DTU tydeligt har vist [Mølsted(2003)]. For disse institutioner er det derfor i klar interesse at fremvise resultater fra udviklingen, således at der fortsat vil blive ydet støtte fra regeringen og de virksomheder, der finder institutionernes forskningsprojekter interessante. Forskningsinstitutionernes svaghed er, at de ikke har nogen nævneværdig indflydelse på virksomhederne 1. Dog eksisterer der en gensidig interesse i at opfylde hinandens behov. For producenterne er et pres eller en hjælpende hånd fra regeringen faktorer, der kan gøre sig gældende i deres overvejelser vedrørende produktionsomlægning, men også forbrugeren har magt i form af udbud og efterspørgsel. Den sidste instans, der er koblet til virksomhederne, er arbejdsstyrken. Både i kraft af den enkelte medarbejder, der skal have løn, eller hans fagforening, som kan gå ind og udøve et pres, eller komme med indrømmelser for at sikre sine medlemmer et fortsat arbejde. Med til disse betragtninger hører også, at medarbejderne enten selv er forbruger eller relateret til nogen, som er det Forholdene i Danmark I forbindelse med dannelsen af VK regeringen i 2001, blev der oprettet et ministerium for Videnskab, Teknologi & Udvikling, hvis formål det var at skabe et samspil mellem erhvervslivet, 1 Med virksomheder menes her og efterfølgende de to aktører kaldet virksomheder og leverandører af råvare og halvkomponenter

9 2.1 Aktør-Netværket 9 forskning og uddannelsesmiljøerne. Det har dog ikke betydet en stigning i tilskuddet til forskningsinstitutionerne. Gjort op i kroner og øre er resultatet stagneret, mens det set i forhold til bruttonationalproduktet er faldet fra 0,71% i 2001 til 0,66% i 2003, og det på trods af, at det offentlige tilskud ifølge målsætningerne fra Barcelona i 2002, skal udgøre 1% af BNP i 2010 [for Forskning(14. april 2003)]. For industriens vedkomme hører dertil, at grundet de senere års fokusering på mere bløde videnskabelige værdier, er teknisk videnskab faldet fra i 1995, at være det tredje største til i 2002 at blive det mindste hovedområde, målt i udførte årsværk [for Forskningsanalyse(26. april 2004)] Det er dog den danske regerings opfattelse, at højteknologi og udvikling er grundlaget for Danmarks opretholdelse som velfærdsstat. Som s- tatsminister Andres Fogh Rasmussen udtalte i sin nytårstale ved årsskiftet : Og at Danmark i løbet af de næste 10 år udvikler sig til ét af verdens absolut førende højteknologiske samfund. Her ligger kilden til fremtidens vækst, velstand og velfærd [Rasmussen(26. april 2004)]. Regeringens visioner blokeres imidlertidigt af, at samspillet mellem forskningsinstitutionerne og virksomhederne ikke fungerer tilfredsstillende. En undersøgelse udført af ugeskriftet Ingeniøren i samarbejde med Institut for Opinionsanalyse viser, at 82% af institutlederne oplever problemer i samarbejdet med erhvervslivet. Begrundelserne for disse problemer er mange, hvoraf mangel på uddannet arbejdskraft hos virksomhederne, grundlæggende interesse og kulturforskelle i anvendelse og offentliggørelse af resultaterne og mangel på vilje til at betale institutionerne for deres forskningsarbejde er nogle af de anførte argumenter. Det sidste argument skal ses i lyset af, at virksomheder, der samarbejder med erhvervslivet, oplever en større vækst i antallet af medarbejdere end dem, der ikke indgår i et samspil. I følge undersøgelsen er det generelt virksomhederne, som er til hindring for at samspillet kan fungere. Tilgengæld viser samme undersøgelse, at det kun er 1/5 af forskningsinstitutionerne, der lever op til kravet om at dele deres viden med de mindre virksomheder; der er ikke nok prestige i det. En anden undersøgelse - Danske erhvervsleders meninger om forskning, udvikling og anden innovation - foretaget af Analyseinstitut for Forskning 2003/5, viser dog, at de danske virksomheder er positivt indstillede overfor de offentlige forskningsinstitutters arbejde. For at motivere til et større samspil imellem virksomheder og forskningsinstitutioner, har regeringen derfor fremlagt en Handlingsplan for styrket samspil mellem den offentlige forskning og erhvervslivet. Her igennem vil regeringen blandt andet igennem ændringer i fradragsordninger for forskningsinvesteringer gøre det muligt for vidensinstitutterne at kommercialisere forskningsresultater [Per Mathiessen(23. april 2004)]. Også virksomhederne har i henhold til Barcelona-målsætningen et mål at opfylde. Deres bidrag til forsknings og udviklingsarbejdet skal udgøre 2% af Danmarks BNP. Et mål, de igennem en kraftig intensivering af forskningsbidraget er godt på vej imod [for Forskning(19. september 2003)]. Det er dog langt fra alle virksomhederne, der deltager i denne udvikling, da kun 1 ud af 20 danske virksomheder konkurrerer på at omsætte forskningsresultater til produkter, mens størstedelen af den danske industri bestående af små og mellemstore virksomheder, ikke har den kvalificerede arbejdskraft og de nødvendige ressourcer til at udnytte forskningsresultaterne. Det betyder, at en tredjedel af den danske forskning i erhvervslivet er fordelt på bare 25 virksomheder [Per Mathiessen(23. april 2004)]. Den teknologi, som de danske virksomheder opererer med, har betydning for væksten i den danske industri, da det er inden for højteknologi at den største vækst sker, men kun 14% af den danske industri står for højteknologi i modsætningen til de øvrige EU-lande, hvor gennemsnittet er på 20%. En grund til hvorfor det danske industri-landkort ser ud, som det gør, kan være den konkurrence, der indtil videre har eksisteret for danske virksomheder. Jun-Air A/S, Rabami A/S, Aalborg Industries A/S og Al-Stål A/S er virksomheder, som har indført automatiseret svejsning. Jun-Air A/S producerer tryktanke til kompressorer, hvor der er specifikke krav til deres svejsninger. Rabami A/S producerer møbler og andet inventar. Aalborg Industries A/S producerer kedler. Al-stål producerer spær til bygninger. For alle virksomheder gælder, at brug af

10 10 Aktøranalyse sensorsystemer i forbindelse med deres automatiseret anlæg, nok vil reducere spildprocenten, eller lette udbedringstiden. Dog har ingen af virksomhederne intentioner om at deltage i en udvikling af sensorer til svejserobotter, se bilag [CD-Rom(2004)] Virksomhedskontakter. På nuværende tidspunkt kan det altså ikke betale sig for virksomhederne at satse på udvikling indenfor sensorsystemer til svejserobotter. Al-stål har listet deres problemer omkring svejsefejl, og de nævner, at en af fejlene ligger i en dårlig indstillet svejser. Her kunne det være muligt at udbedre nogle af disse fejl ved brug af sensorer. Al-stål mener, at fremtiden for dem er automatiseret svejsning med bedre sensorer. Jun-air mener desuden, at de vil kunne spare penge ved at have en sensor, som kan måle på svejsningen, mens denne bliver udført. Aalborg Industries A/S mener, at den vestlige industri afhænger af evnen til at være modtagelige overfor nye svejsemetoder/-processer, samt indføre mere automatisering. De mener dog ikke, de ville have glæde af et system, som kunne analysere svejsningen løbende, da deres svejsefejl hovedsageligt er operatørfejl. Hos Migatronic Automation, som fremstiller svejseopstillinger til producenter, og lever af at levere nye produkter, er holdningen, at brugen af de aktuelle sensorer kun vil gøre processen mere tidskrævende [Nielsen(2004)]. Hvilket indikerer, at Migatronic ikke satser på sensorsystemer til svejserobotter. Den globalisering, og dermed øget konkurrence, der ellers nævnes, som den helt afgørende faktor for at få virksomhederne til at fokusere på forskning og udvikling, har endnu ikke haft en kraftig nok påvirkning på dette område. Som modstykke hertil antog det italienske værft Fincantieri Shipyards, at de, for at opretholde deres position på verdensmarkedet, var nødsaget til at optimere deres produktion, herunder blandt andet brugen af avancerede visuelle sensorer [Del(2000)]. Antagelsen, som er gjort tidligere i afsnittet, om at producenternes medarbejdere også kan være aftagere af produktet er, i denne specifikke situation med udviklingen af sensorer til svejseprocesser ikke så aktuel. Da det sjældent er privatpersoner, der køber en sensor til brug for svejseprocesser. Medarbejderne på virksomhederne har påvirket udviklingen af svejseindustrien på den måde, at det var en mangel på kvalificerede svejsere, der fik automatiseringen til at boome. Desuden er der de senere år i hvert fald i Danmark, opstået et krav om, at arbejdsmiljøet på arbejdspladserne skal være så sikkert som muligt. Dette har også fået betydning for svejseindustrien, da netop svejseprocessen hører til de mere sundhedsfarlige, da eksempelvis det fremkommende lys er skadeligt for øjnene, og den røg der udvikles under processen blandt andet er kræftfremkaldende. På grund af disse risicimomenter, sørger Arbejdsmiljøtilsynet for at kontrollere produktionsmetoden ved at udsende AT-henvisninger og bekendtgørelser omkring arbejdsmiljø. For specifik information omkring den skadelig virkning ved svejseprocesser, se bilag E. For forbrugeren som aktør i svejseindustrien, ligger en del af indflydelsen i kraft af, at han/hun kan sætte krav til svejseindustrien ved at stille nogle krav til produktet, som det eksempelvis ses i dag, med højere krav til individualitet og specialprodukter, hvilket påvirker produktionsmetoden, der skal overkomme færre produkter, og være i stand til en hurtig omstilling, uden at produktionsomkostningerne stiger. Omvendt kan virksomhederne i kraft af en intensiv markedsføring selv påvirke behovet hos forbrugeren, og derved frembringe et ønske, der passer ind i produktionen. Produktet, som fremstilles, er altså også en aktør i sig selv; er det en masseproduktion med tilhørende lave standarder, vil behovet for sensorer ikke være så udtrykt, som for små specialproduktioner. Forbrugeren har også en anden indflydelsesmulighed end via udbud-/efterspørgselskurven hos virksomhederne. Det er dem, som i kraft af deres stemme på valgdagen, er med til at bestemme hvilke visioner, politikerne skal have for landet, og ifølge Lederen i Ingeniøren nummer 17 fra 2004, så har netop forbrugeren haft en finger med i spillet omkring politikernes lyst til åbenlyst at satse på innovation og udvikling. Det var ikke et emne, som tidligere sikrede vælgere til valgdagen, men tendensen er vendt. Denne påstand underbygges delvis af Anders Fogh Rasmussens udtalelse, der er citeret tidligere i afsnittet. Havde dette emne ikke haft danskernes interesse, var det næppe blevet fremhævet så kraftigt, omvendt kan det siges, at ved at lægge op til store flotte visioner for landet kan regeringen overbevise forbrugeren om, at dette er den rette vej, uagtet hvilket motiver der ligger til grunde for at komme med disse visioner. På den måde sker der en påvirkning begge veje.

11 2.1 Aktør-Netværket Svejseindustrien i USA Den danske økonomi er i midlertidig ikke en lukket økonomi, men påvirkes af samfundet omkring den. Fællesbeslutninger i EU har indflydelse på de love, der vedtages i Danmark, og omverdenens konkurrenceevne sætter krav til de danske firmaers produktionsevner. Derfor er det relevant at kaste et blik på omverden, når de aktører, der har indflydelse på udviklingen skal beskrives. En af de store aktører på verdensmarkedet er USA, som desuden har den forskningsmæssige betydning, at virksomheder i Europa lægger flere penge til forskning og udvikling i deres datterselskaber i USA, end USA tilsvarende gør i Europa, som på den måde får et overskud på forskningsbalancen. Traditionelt set er der i USA kutyme for, at virksomhederne lægger stor vægt på forskning [Iwata(26. april 2004)], og også her er det blevet vurderet, at der et behov for at optimere svejseprocessen og gøre den mere attraktiv for forskning. Da branchen hidtil har haft det ry, at det er et fag, hvor der er langt fra skrivebord til virksomhed, og at branchen hælder til at benytte de gammelkendte metoder. Desuden har faget ry for at være en beskidt, mørk og farlig branche, hvilket ikke er tillokkende arbejdsforhold [America(2004)]. Svejsning som fag har altså ikke ligefrem været den branche, der har appelleret mest til ny udvikling, men virksomhederne er godt klar over, at der skal ske en ændring, hvis de vil overleve i den internationale konkurrence [Cullision and Johnson(2004)], og det kan være både omkring markedsandele, såvel som konkurrencen omkring råvare og halvfabrikater, hvor der lige for tiden, i kraft af eksempelvis Kinas købekraft, er mange om budet [Krøyer(2004)]. For den amerikanske svejseindustri, er de aktører, som er med til at forme svejseteknologien følgende [America(2004)] 2.2: Figur 2.2: Den amerikanske svejseindustri s vurdering af forskellige aktørers betydning for forskning og udvikling. Aktørerne er opstillet hierarkisk - øverst placerede har størst vægtning. En prioriteringsliste, der adskiller sig noget fra den danske, hvor statens økonomiske indflydelse, svarende til aktøreren Forretning & Økonomi, antages at have en ret afgørende indflydelse. Desuden er Sikkerhed & Helbred også et vigtigt emne for de danske virksomheder. I indledningen lagde aktør-netværk-teorien op til, at det var en blanding af samfundet og teknologien, der stod for udviklingen af omverdenen. Der er i dette tilfælde tale om en teknologi, der har været rimelig stabil de sidste mange år, men udvikling af nye svejsemetoder kræver nye produktionsfaciliteter [Gunnar Bolmsjo(2002)], og nye krav fra forbrugeren stiller produktionen overfor nye opgaver, som kun kan løses ved at optimere produktionen. Et samfundsmæssigt ønske om at beholde Danmark som en velfærdsstat påvirker regeringen til at yde støtte finansielt eller igennem lovforslag. Så på den måde trækker ny teknologi på mere ny teknologi, mens samfundets krav påvirker i den retning, som aktørernes indflydelse i fællesskab opfordrer til. For svejseindustrien har det den betydning at opmærksomheden i disse år er fjernet fra den mere traditionelle teknologi til fordel for mere moderigtige teknologier så som nano-teknologi og gensplejsning.

12 12 Aktøranalyse 2.2 Opsummering Det, der i sin tid fik svejseindustrien til at indføre automation og svejserobotter, var blandt andet en mangel på kvalificerede svejsere. En videre udvikling af denne proces, og samtidig en større sikring af svejserens arbejdsmiljøvilkår, vil være at indføre sensorer i den automatiserede proces, hvilket desuden vil gøre produktionen mere fleksibel og med tiden mere tidsbesparende, og derved nedsætte omkostningerne. I midlertidigt er der indtil nu ikke sket den store udvikling på området. Hvorvidt den danske svejseindustri indtil nu har været lukket inde i en sort boks, med hensyn til udvikling af nye produkter, herunder sensorer til produktionen, er svært at sige. På den ene side er der en positiv holdning til samarbejdet med forskningsinstitutionerne, på den anden side har hovedparten af de danske virksomheder ikke mulighederne for at udnytte disse forskningsmuligheder, og institutionerne er ikke altid lige interesseret i at indgå i et netværk med virksomhederne. Så længe at konkurrencebehovet ikke presser virksomhederne ud i en optimering af produktionen, kan det antages, at virksomhederne befinder sig i en sort boks. Systemet er stabilt, og må derfor antages at være velfungerende, men stabiliteten betyder, at nye produkter har svært ved at vinde indpas. En udvikling i det omkringliggende netværk, er dog ved at lukke boksen op. Det er dog svært at definere, præcis hvad der er katalysator for udviklingen, da der alle steder imellem aktørerne foregår påvirkningen begge veje, da alle aktørerne er interesseret i at påvirke hen imod deres interesseområde. En anden faktor, der gør det kompliceret at bestemme katalysatoren, er fastlæggelsen af netværkets grænser, da omfanget af netværket, kan være svært at bestemme. I denne analyse er der afgrænset som i henhold til figur 2.1, men det ses hurtigt, at initiativer fra for eksempel regeringen har oprindelse i en fælles EU-aftale og i takt med globaliseringen, går forbrugeraktøreren fra at omfatte den danske forbruger til hele verdens forbrugere. Globaliseringen medfører desuden, at der bliver flere konkurrenter for de danske virksomheder, både i udlandet og i Danmark. En vigtig aktør i denne del af netværket er USA, der har tradition for at bruge mange penge på forskning, og således være i front indenfor ny teknologi, dette kan medføre skærpet konkurrence for de danske virksomheder, hvis der konkurreres indenfor samme produkter. Indenfor det definerede netværk, eksisterer der lige for tiden i Danmark en officiel opfattelse af, at udvikling af teknologien er den retning, som skal sikre Danmarks fremtid som velfærdsstat. Denne opfattelse overføres via bindeledene udtrykt delvis igennem regeringens udtalelser og delvis igennem økonomisk støtte og lovforslag. Er forbrugeren tilfreds med denne udvikling giver det stemmer, modsat kan det tillige koste stemmer. Forbrugeren er ikke den eneste, der er under påvirkning, også forskningsinstitutterne og virksomhederne er medaktørere. De er begge interesserede i at bidrage til udviklingen, men bindeledet, der blandt andet består af vidensudveksling og støtte, imellem de to aktører har det for tiden ikke nemt, og kun en optimering af dette, vil skabe yderlig vækst i det danske samfund.

13 Kapitel 3 Introduktion til MIG/MAG Dette kapitel giver en grundlæggende introduktion til svejsning med MIG/MAG, samt automatisering af denne proces, da dette er den valgte svejsemetode. MIG/MAG er en lysbuesvejseproces, som i daglig tale kaldes CO 2 -svejsning, selvom CO 2 -andelen, i gassen, i dag ofte er lav. MIG/MAG svejsning er en og samme svejsemetode, forskellen ligger i den anvendte gas. MIG står for Metal Inert Gas, her er gassen inaktiv og danner ikke kemiske forbindelser i smeltebadet. MAG står så for Metal Aktiv Gas, her er gassen aktiv, hvilket vil sige, at gassen kan danne kemiske forbindelser med metallet i smeltebadet. Disse 2 benævnelser bliver dog sværere og sværere at holde styr på, da der hele tiden bliver udviklet nye og bedre beskyttelsesgasser, som virker forskelligt i smeltebadet. MIG/MAG svejsning er en lysbuesvejsemetode, hvor tilsatsmaterialet fremføres maskinelt i form af en oprullet trådelektrode. Lysbuen brænder mellem det emne, der skal svejses og trådelektroden, som er en ubeklædt metaltråd. Tråden smelter i form af tilført strøm, hvor tråden går ned og rører emnet for derefter at kortslutte og smelte et lille stykke af tråden. Dette sker meget hurtigt i smeltebadet og det kan reguleres hvilken strøm, der bliver tilført, samt hastigheden hvorved denne bliver fremført. Trådelektroden kommer fra en spole og fremføres ved hjælp af et sæt fremføringsruller, som klemmer omkring tråden. Svejsestrømmen bliver først overført til tråden ved kontaktdysen umiddelbart før lysbuen, dette muliggør en høj strømbelastning af trådelektroden. Beskyttelsesgassen ledes ved hjælp af kontaktmundstykket ned omkring smeltebadet, hvor den beskytter smeltebadet mod oxygen og nitrogen. Fordi trådelektroden fremføres automatisk hen til smeltebadet og svejsepistolen føres af svejseren, kaldes MIG/MAG for en halvautomatisk svejseproces. Svejseprocessen kan dog fuldautomatiseres ved at montere svejsepistolen på for eksempel en robot. 3.1 Automatiseret svejsning I de senere år ses en stigende tendens til at virksomheder implementerer automatiserede processer i deres produktionsapparat. De første industrirobotter blev i Danmark taget i brug omkring 1980, hvor antallet siden er steget markant. Omtrent 24% af robotter og automater benyttes til svejseprocesser. I andre lande er og har brugen af svejserobotter været væsentlig større. Det skyldes, at udviklingen i Danmark har manglet en katalysator til at skubbe gang i udviklingen indenfor feltet, hvor Sverige eksempelvis har bilindustrien til det [Uffe Prebensen(2003)]. Automatiserede processer foretages af to typer maskiner; robotter og automater: En robot er designet så den kan udføre komplekse fleksible bevægelser, lignende en menneskelig hånd/arm. Robotter bliver ofte udstyret med værktøj, evt. svejsepistol, malersprøjte og gribere, der kan håndtere diverse emner. En automat er et stykke maskineri, der kan udføre et stykke arbejde, som den er designet og programmeret til. Automater kan indeholde robotter, pneumatik, hydraulik og mange andre tekniske elementer. Hele automaten er ofte styret af PLC.

14 14 Introduktion til MIG/MAG Figur 3.1: 1: Beskyttelsesgas, 2: Reduktionsventil med flowmeter, 3: Trådspole, 4: Fremføringsruller, 5: Elektrodeleder, 6: Slangesystem, 7: Svejsepistol, 8: Strømkilde, 9: Kontaktdyse, 10: Trådelektrode, 11: Beskyttelsegas, 12: Kontaktmundstykke, 13: Lysbue, 14: Smeltebad Citat af [Prebensen(2004)] Automation foretages hovedsageligt med det mål at opnå besparelser ved en optimering af produktionen og kompensere for mangel på kvalificerede svejsere. Desuden er der også andre ting, som robotten kan aflaste: Mange identiske og opslidende operationer Arbejdet er sundhedsfarligt, eksempelvis ved giftige dampe Automatiserede svejseprocesser har mange fordele. Men i forbindelse med automatisering opstår der nye problemstillinger; dels i forbindelse med orientering af robottens placering, men også generel overvågning af parametre ved processen [Nielsen(2004)].

15 Kapitel 4 Grundlag for overvågning Svejsning med MIG/MAG er i sig selv en relativ simpel proces, som bygger alene på nogle fysiske principper, som - uanset hvor avanceret udstyr, der er til rådighed - er grundlaget for processen. Men selvom princippet for MIG/MAG-svejseprocesser er simpelt, er der en lang række ydre parametre, som har indflydelse på svejsningens kvalitet. At der uden videre opnås en god svejsning er ikke givet. Det kræver det rigtige udstyr, rigtige materialer samt en håndværksmæssig ekspertise at opnå et tilfredsstillende resultat. Alle disse parametre giver - sammen med øgede krav fra industrien om kvalitet og overholdelse af gældende standarder - grundlag for et marked for procesovervågning af særligt de automatiserede processer. Dette er en nødvendighed for at overholde de høje krav til nutidens svejste konstruktioner. Dette kapitel vil omhandle grundlaget for overhovedet at beskæftige sig med problematikken omkring procesovervågning af en automatiseret produktion i form af svejserobotter. Der vil med andre ord blive underbygget, at der er et problem i forhold til de fejl, der kan forekomme ved MIG/MAG-svejseprocesser, og som kan være en økonomisk byrde for produktionsvirksomhederne i form af kontrol af emner, reparationer af fejlsvejsninger samt kassering af emner. Kapitlet omhandler de fejl, der kan forekomme ved svejsningen. Først vil disse fejl blive beskrevet. Dernæst vil mulige influerende parametre på udstyret blive beskrevet i afsnit parametre som kan have konsekvens for kvaliteten af det færdige svejsearbejde. Afslutningen på kapitlet vil omfatte en analyse af sammenhængen mellem parametrefejl på udstyret og fejl i svejsningen (Afsnit 4.3). Altså afdække hvilke parametre fra udstyret, der kan have indflydelse på svejsningens kvalitet, samt hvilke konsekvenser det har. 4.1 Svejsefejl Ved svejsning med MIG/MAG-teknologien kan der forekomme forskellige fejl i forbindelse med selve svejseprocessen. Disse forskellige fejl har forskellige konsekvenser for sammenføjningen, men fælles for dem alle er, at de nedsætter kvaliteten af svejsningen enten i form af en svækket svejsning eller deformation af konstruktionen. I første omgang kan svejsefejl opdeles i to kategorier: Deformationsfejl og procesfejl, som det ses på figur 4.1. Deformationsfejl skyldes den termiske påvirkning fra svejseprocessen, men kommer først til udtryk efterfølgende ved deformation eller brud, når emnet igen nedkøles. Procesfejl derimod er fejl, som alene svækker svejsningens styrke. Det skyldes indvirkninger under selve svejseprocessen. Procesfejl kan forekomme i to afskygninger: Strukturfejl - også indre fejl - og geometriske fejl, hvor geometriske fejl skal tolkes som fejl, der alene ved den geometriske placering eller svejsesømmens form er svækkende for styrken af svejsning. De indre fejl er fejl, som opstår inde i svejsningen eventuelt som følge af forkerte parametre. Et eksempel herpå kan være rodfejl.

16 16 Grundlag for overvågning Figur 4.1: Fejltyper ved MIG/MAG-svejsning Svejsedeformationer og -spændinger Generelt Når materialer sammenføjes ved hjælp af svejsning, opstår der både svejsespændinger og svejsedeformationer. Det skyldes varmepåvirkningen fra selve svejseprocessen. Svejsedeformationer kaldes også kastninger. Kastninger kan komme til udtryk som eksempelvis længdekrypning og vinkeldeformation [Pedersen and Rasmussen(2002)]. Konsekvensen af disse kastninger bliver emner, som ikke er rette efter svejseprocessen. På grund af varmepåvirkningen bliver emnerne under svejsningen plastisk deformeret - oftest i en sådan grad, at det tydeligt kan ses med det blotte øje [Finn Nielsen(1998b)]. Figur 4.2: Længdekrympning og vinkeldeformation ved svejsning [Pedersen and Rasmussen(2002)] Derimod kan svejsespændinger ikke ses direkte på emnet, men kan kun måles med særlige måleinstrumenter. Svejsespændinger er spændinger, som opstår inde i materialet som følge af varmepåvirkningerne. Disse indre spændinger kan forekomme efter enhver form for forarbejdning, såvel ved kolddeformation som ved varmepåvirkninger. Disse indre spændinger kaldes også restspændinger eller egenspændinger. Spændingerne findes ofte i lag eller dele i emnet som følge af bearbejdning [Pedersen and Rasmussen(2002)]. Det er besværligt at definere spændingernes størrelse i et færdigsvejst emne. Da spændingerne ikke kan ses, kommer de først til udtryk, idet svejsningen overbelastes, og der forekommer revner i fx hæftningerne. Svejsespændinger og -deformationer er faktorer afhængige af hinanden. Kastninger (plastisk deformation) forekommer på grund af indre spændinger. Grundet varmepåvirkninger fra svejseprocessen opstår der meget store spændinger i materialet. Hvis spændingerne er tilstrækkeligt store, kommer de til udtryk ved kastninger. Det er de samme spændinger, som i samme emner kan forekomme som restspændinger efter endt svejseproces. De resterende spændinger har dog ikke været tilstrækkeligt store til at skabe deformation, men bliver indeholdt i det omkringliggende materiale [Finn Nielsen(1998b)]. Årsager Hovedårsagen til at der opstår spændinger i materialet, og dermed svejsedeformationer, skal relateres til teorien om varmeudvidelse, hvor forklaring skal findes på atomar plan. Metaller er kendetegnet ved, at atomerne er ordnet i et rumgitter, hvor deres indbyrdes afstand er bestemt ved deres energitilstand. Tilføres varme til metallet, vil atomernes energitilstand ændres og derved også atomernes individuelle afstand. Metallet vil udvide sig i alle retninger. Det modsatte sker ved afkøling; atomerne trækker sig sammen. Et hvert metal har en udvidelseskoefficient, som er en konstant, der karakteriserer materialets

17 4.1 Svejsefejl 17 udvidelse pr. C. Ståls udvidelseskoefficient er 11, [Finn Nielsen(1998b)]. Ovenstående konsekvens af varmepåvirkninger er ikke et problem, så længe det forekommer globalt for et emne. At der opstår en problematik i forhold til svejsning, skyldes den intense meget lokale opvarmning, som opstår ved en svejseproces. Området for denne lokale opvarmning kaldes også HAZ - Heat Affected Zone. HAZ defineres som de områder, hvor der er sker metallurgiske ændringer pga. af varmepåvirkninger [Ejersted(1997)]. Figur 4.3: HAZ - Heat Affected Zone - er det materialeområde, som bliver varmet op under svejsningen. Området er meget koncentreret omkring svejsesømmen [Finn Nielsen(1998b)] Ved svejseprocessen bliver et meget lille område opvarmet til en meget høj temperatur. Det varme område vil udvides, men holdes tilbage af den omkringliggende masse, hvis temperatur er langt lavere. Idet spændingerne i det varme materiale overstiger stålets flydegrænse grundet den høje temperatur, vil det varme materiale deformeres plastisk. Med andre ord stukkes materialet. Idet der igen sker en afkøling, er materialet i det tidligere opvarmet område blevet for kort. Resultatet bliver egenspændinger i emnet og evt. kastninger - eksempelvis i form af krympninger. Krympninger i en svejst konstruktion kan forekomme i flere dimensioner. Krympninger kan forekomme på tværs af svejsningen (tværkrympning) og på langs af svejsesømmen (længdekrympning), samt som en såkaldt tykkelseskrympning, hvoraf den sidstnævnte har den mindste betydning. Krympningernes omfang - eller konsekvensen heraf - er afhængig at materialegeometrien. Med andre ord kan det siges, at længden/tykkelsen af svejsning skal ganges en konstant, når krympningen skal beregnes. Heraf er det logisk, at krympningen på langs af sømmen er større end krympningen over tykkelsen. Generelt er krympningen under indflydelse af: Fugearealet Svejsemetoden Antal strenge Fugearealet er ligefrem proportionalt med længdekrympningen. Det vil sige at dersom fugearealet øges, uden at der ændres på hverken svejsemetode eller svejsestrøm, vil varmepletten (HAZ) udvides grundet den lavere svejsehastighed, da der tilføres mere varme og tråd til en større fuge. Svejsemetoden har indflydelse på krympningen i form af varmeinputtet. MIG/MAG-svejsning er i den henseende meget hensigtsmæssig, da MIG/MAG er en relativ kold svejsning, hvorved varmepletten begrænses. Antal strenge har ligeledes indflydelse på krympningen. Jo færre strenge i den samme fuge, des mindre krympning, fordi spændingerne ved flere strenge øges, hvilket illustreres på figur 4.5. Bidraget til krympningen pr. streng falder dog med antallet af strenge. Eksempelvis vil streng nr. 9 have et mindre bidrag til krympekraften end streng nr. 2 [Finn Nielsen(1998b)].

18 18 Grundlag for overvågning Figur 4.4: Konsekvensen af svejsning i en indespændt konstruktion illustreres; når der svejses, vil stålet som konsekvens af varmen udvides i længden. Er det ikke muligt, stukkes materialet. Det udvides i bredden i stedet for højden. Det betyder, at når stålet atter nedkøles, vil det blive for kort [Finn Nielsen(1998b)] Tværkrympning Deformationer på tværs af svejsesømmen kaldes for tværkrympninger. Betragtes to plader, der svejses sammen, ville disse ende med at opnå egenspændinger. Dette sker på trods af, at pladerne før sammenføjning ikke var indespændte og kunne bevæge sig frit i forhold til hinanden. At der alligevel forekommer egenspændinger skyldes, at varmen fra svejseprocessen kun påvirker et lille område nær sammenføjningen. Derved vil det omkringliggende - og koldere - materiale virke på samme måde som en indespænding [Finn Nielsen(1998b)]. På figur 4.6 ses det, hvorledes to løstliggende plader vil arte sig under en svejsning. Desuden ses det, hvorledes spændingerne vil fordele sig i sammenføjning. Længdekrympning Deformationer langs svejsesømmen kaldes for længdekrympninger. Figur 4.7 illustrerer konsekvensen af den handling, at der påføres en svejsesøm på kanten af eksempelvis et stykke fladstål [Finn Nielsen(1998b)]. Som det blev illustreret på figur 4.6, forekommer der såvel længdekrympninger, som tværkrymp-

19 4.1 Svejsefejl 19 Figur 4.5: Første streng vil i et punkt lidt fra svejsesømmen forløbe efter kurven ABCDE. Dette vil medføre en vis mængde trækspændinger i svejsningen. Anden streng vil forløbe efter kurven A B C D E. Temperaturen er lidt højere, og det giver et beskedent tillæg i trækspændingerne [Finn Nielsen(1998b)] Figur 4.6: Tværspændingerne i to sammensvejste plader. Det ses, at der i enderne vil opstå trykspændinger, mens der i midten vil være trækspændinger [Finn Nielsen(1998b)] ninger. Konsekvensen af længdekrympninger ved to plader er i princippet det samme som en svejsesøm lagt på kanten af et stykke fladstål. De to plader vil individuelt forsøge at kaste sig, som ville de have gjort det separat. Altså vil svejsesømmen forsøge at trække i materialet, hvormed der opstår trækspændinger i og omkring selve svejsesømmen. Anderledes opstår der så trykspændinger i det omkringliggende materiale som følge af svejsningens trækspændinger [Finn Nielsen(1998b)]. Konsekvens Der forekommer to overordnede typer af konsekvenser. Den første her er beskreven er varmerevner. Desuden forekommer der en anden konsekvens i form af deformationer. Som følge af krympningerne opstår der indre spændinger i materialet. Dette kan i værste fald resultere i direkte brud. Spændingerne opstår grundet de høje lokale varmepåvirkninger, og at materialet ikke kan arbejde frit, da det er indespændt af det omkringliggende materiale, hvoraf spændinger følger. Som tidligere nævnt kan stål ikke modvirke vilkårligt høje spændinger. Overstiger de indre spændinger stålets flydespænding, resulterer det i deformation af konstruktionen. Disse deformationer kan være ret så omfattende. Deformationen som konsekvens afhænger af spændingernes størrelse og type. Forekommer der trykspændinger, vil stålemnet blive stukket - afkortet. Forekommer der derimod trækspændinger, sker der en forlængelse af materialet. Temperaturforskellene i materialet ved lysbuensvejsning er så store, at spændingerne i relativt store områder overstiger flydegrænsen. Trykspændningerne i området omkring smeltebadet

20 20 Grundlag for overvågning Figur 4.7: Længdekrympning i fladstål med svejsesøm på kanten. Det ses, hvorledes svejsningen ved afkøling trækker i materialet og forsøger at deformere det. Det skyldes, at kanten i princippet har været indespændt af det omkringliggende materiale efter samme princip som figur 4.4 [Finn Nielsen(1998b)] forårsager en stukning. Ved nedkøling bliver materialet nær svejsesømmen reduceret i længden. Det bliver med andre ord for kort, og resultatet heraf bliver trækspændinger i svejsningen. Svejses der på en konstruktion, der er anbragt i en stiv indespændning, bliver trækspændingerne så høje, at der kan forekomme revner. Er emnet derimod lettere at deformere, bliver spændingerne som regel mindre, men til gengæld blive deformationerne heraf væsentlige større [Finn Nielsen(1998b)]. At der kan forekomme revner skyldes som sagt varmen; heraf varmerevner. Grundet varmen Figur 4.8: Der opstår varmerevner som konsekvens af stukning [Søren Wilken Pedersen(1988)] vil der i umiddelbar nærhed af svejsesømmen (HAZ) findes materiale, som har været udsat for en hærdningsproces, som kan være årsag til revner - især hvis svejseforbindelsen udsættes for en kraftpåvirkning [Pedersen(1994)]. Hærdning ved varmebehandling er en kendt proces for stål, og disse egenskaber udnyttes i industrien til at forstærke stållegeringer. Effekten af en hærdning er en stærkere legering, som bliver hårdere og mere slidstærk. Til gengæld er der også ulemper; nemlig at materialet bliver mindre duktilt og sejheden falder. Materialet bliver sprødt, hvilket har sine ulemper i mange sammenhænge. Eksempelvis med hensyn til svejsning. Problematikken ligger i det lokale område omkring sømmen, som bliver væsentligt hårdere som følge af hærdningen, hvorimod det omkringliggende materiale er langt mere sejt. Dette kan foruden revner i selve sømmen give anledning til øget risici for revner i overgangsmaterialet mellem det hærdede og det øvrige materiale. Den anden konsekvens er som sagt deformationer. Ovenstående beskrev, hvilken konsekvens spændinger kombineret med hærdning ved svejsning kan have for en konstruktion i forhold til styrken af svejsningen. Dette afsnit vil berøre de deformative konsekvenser af svejsespændinger. Her vil de to typiske sammenføjninger blive betragtet; spændinger i henholdsvis stumpsøm og kantsøm. Konsekvensen ved spændinger i en stumpsøm er tidligere blevet berørt i den henseende, at konsekvensen ved spændinger i en stumpsøm principielt er det samme som det, der sker for en svejsesøm, der er indespændt i det omkringliggende materiale. Der sker nemlig det, at materialet først - som følge af varmen - vil udvide sig, for dernæst at trække sig sammen igen. Dersom materialet er indespændt og ikke kan udvide sig, vil det stukkes, hvormed der kan opstå brud. Et eksempel herpå ses på figur 4.4. Anderledes ser det ud for en kantsøm. Heri opstår to problemer i form af deformation. Det ene er, at der i den øvre halvdel af det gennemgående element forekommer en stukning, hvorved materialet i den øvrige halvdel som følge af varmepåvirkningen bliver for kort i forhold til det resterende materiale, der opstår et buk - eller vinkel - på dette element.

21 4.1 Svejsefejl 21 Den anden konsekvens ved kantsømmen er, at der sker en krympning i selve svejsningen. Antages det, at et element svejses vinkelret på et gennemgående problem alene fra den ene side, er det et problem, idet at svejsningen krymper. Her opstår nemlig et vinkelknæk lignende det, der forekommer på det gennemgående element illustreret figur 4.9. Figur 4.9: Kantsømmens tre elementer. Det ses at både det gennemgående element i bunden bliver deformeret, men der fremkommer også et vinkelknæk mellem de to materialer. Havde der været svejst på begge sider, ville vinkelknækket have været undgået, men deformationen af bundpladen ville stadig have været der [Finn Nielsen(1998b)] Forebyggelse af deformationer og spændinger Trods det at deformationer og spændinger opstår af samme grund, kan de undgås/begrænses på to forskellige måder. Såfremt svejsedeformationer (store spændinger) vil undgås, skal der tages højde for dette, før svejseprocessen påbegyndes. Valg af svejsemetode er af betydning, idet der er stor forskel på den varmemængde, som de enkelte svejseprocesser tilfører emnet. Der findes både såkaldte koldsvejsning og varmsvejsning. MIG/MAG - som er omdrejningspunktet for dette projekt - er en relativ kold svejsning. Men alene ved MIG/MAG er der forskel på størrelsen af den opståede krympekraft, som beregnes ved: P = C A W (4.1) hvor P er krympekraften [N], A W er tværsnitsarealet på svejsesømmen [mm 2 ] og C er en faktor, som er specifik for hver svejsetype og er en tabelværdi [N/mm 2 ]. For henholdsvis kortbue og spraybue ved CO 2 svejsning findes værdierne for C-faktoren: Kortbue: 4500 N/mm 2 Spraybue: 7500 N/mm 2 Der er altså grund til at overveje den anvendte svejsemetode. For andre svejsetyper findes tilsvarende andre værdier. Ovenstående værdi gælder for én streng. En anden måde at reducere spændingerne på, er ved at varmebehandle stålet. Der findes tre varianter af varmebehandlinger, som kan være gavnlig med henblik på at reducere spændingerne: Svejsning med forvarme Svejsning med forvarme og varme under svejsningen Svejsning med for- og eftervarme Svejsning med efterfølgende varmebehandling Ved forvarme og eftervarme handler det om at mindske temperaturforskellen T. Dette kan samtidig være en fordel, hvis de på figur 4.8 beskrevne varmerevner skal forhindres. Ideen bag er, at T mindske, men også at den efterfølgende afkøling kontrolleres. Formålet med forvarmning er, at der opnås et større område, som er plastisk formbart. Dermed mindskes risikoen for, at det omkringliggende materiale indespænder svejsningen, så stukning undgås. Desuden nedsætter forvarmning risikoen for hydrogenrevner, fordi diffusionstiden for

22 22 Grundlag for overvågning hydrogenet bliver forlænget, hvilket bliver nærmere omtalt i afsnit Endvidere nedsættes tendensen til kærv ved stål, der har tendens til sprødbrud ved lave temperaturer. En anden måde at reducere spændingerne på, er at udføre en efterløbende varmebehandling. Dette kan typisk gøres ved en afspændingsglødning, hvor restspændingerne efter endt svejsning kan reduceres. Ved afspændingsglødning er målet, at reducere de opståede egenspændinger i emnet. Dette Figur 4.10: Afspændingsglødning til nedbringelse af spændinger; stålet varme langsom op og holdes ved en konstant temperatur, hvorefter det atter langsomt nedkøles. [Pedersen and Rasmussen(2002)] gøres ved at opvarme emnet langsomt op til en temperatur, som for stål ligger under A1- temperaturen i jern-kulstof-diagrammet, bilag A. Det er væsentligt, at der ikke sker faseændring i materialet i form af austenitdannelse. Holdetiden på denne temperatur bestemmes efter godstykkelse og materialetype. Den efterfølgende afkøling skal ske meget langsomt, så der undgås dannelse af nye spændinger. Den første del af afkølingen må nødvendigvis ske i ovn eller under andre kontrollerede forhold. Når temperaturen af materialet når ned under en hvis grænse, kan emnet luftkøles, da der ikke længere er nogen nævneværdig risiko for hærdning. Ved varmebehandlingstemperaturen er flydespændingen for materialet ret lav, så den deformation, der sker i de spændingsfyldte materialedele, vil formindske egenspændingerne. Der vil dog altid bevares små spændinger i materialet, da en fuldstændig fjernelse af spændinger ikke er mulig. Temperaturen for afspændingsglødning af ulegeret stål ligger mellem 550 og 620 C. Vælges en temperatur i nederste del af intervallet, må der medberegnes en dertil længere holdetid [Pedersen and Rasmussen(2002)], [Sørensen(2002)]. Opsummering Svejsedeformationer og -spændinger kan medfører alvorlige fejl på konstruktionen i form af deformation, som kan være grundlag for at kassere emnet, da det måske ikke længere ville kunne overholde de givne tolerancer. En anden mere alvorlig konsekvens er brud på konstruktionen som følge af egenspændinger. Et brud kan have fatale følger, idet det typisk vil blive fremprovokeret under belastning - med risici for skade på omgivelserne. Deformationsfejl er fejl, men de kan ikke betegnes som procesfejl, der direkte svækker svejsningen - medmindre der forekommer brud naturligvis. Deformationsfejl skal ses som en konsekvens af den termiske proces, materialerne har gennemgået. Disse typer af fejl kan kun forebygges ved en korrekt svejseprocedurer, eller med andre ord svejse i en rækkefølge, så der opstår så få spændinger i materialet som muligt. Der er dog måder, hvorpå egenspændingerne kan reduceres og dermed nedsættes risikoen for deformationer og kastninger. Dette gøres ved varmebehandling under selve svejseprocessen eller en efterfølgende afspændingsglødning er det muligt at reducere spændingerne, samt mindske risikoen for varmerevner som følge af hærdning. Svejsefejl, som omhandler spændinger og deformationer, har med andre ord ikke direkte noget med svejseprocessen at gøre, hvilket skal forstås, at det under svejseprocessen ikke er muligt at ændre parametre for at reducere spændinger, hvis der ses bort fra varmebehandling, hvilket er en tilføjelse, hvis overvejelser på forhånd skal være defineret. Dog er der én enkelt parameter, som kan ændres; nemlig valg af lysbuetype. I afsnittet om forebyggelse af deformationer og

23 4.1 Svejsefejl 23 spændinger blev det gjort klart at forskellige lysbuer har hver deres bidrag til varmetilførslen, hvilket har indflydelse på deformationsgraden og spændingerne. Eksempelvis har spraybuen et større bidrag til varmetilførslen. Dog vil en parameter som lysbuen normalvis være defineret på forhånd inden svejsningen, men den kan sagtens ændres Geometriske fejl Betydningen af geometriske fejl skal tillægges den, at placeringen af svejsesømmen er ukorrekt. Geometriske fejl kaldes også formfejl. Forudsætningen er, at selve kvaliteten af svejsningen er tilfredsstillende, men at sømmen simpelthen ligger forkert, og dermed giver anledning til svækket styrke. Formfejl er særligt interessante i forhold til automatiserede svejseprocesser. Ved manuel svejsning har svejseren mulighed for løbende at vurdere kvaliteten af svejsning i forhold til placering, hastighed med videre. En svejser kan tage højde for uregelmæssigheder, da denne blot kan tilføje ekstra tilsatsmateriale og følge fugens retning og form. Den samme evne har en svejserobot ikke. Netop at få en svejserobot til at følge fugen, har været et at de mest presserende problematikker ved at automatisere svejseprocesser. Dette skyldes blandt andet de ringe tolerancer på de emner, som skal svejses. Problemet er til dels løst ved, at mange emner i dag bliver afkortet med laserskærer, som har en langt højere tolerance. Men det er stadig et problem at få en svejserobot til at følge fuger, dersom der er uregelmæssigheder [Nielsen(2004)]. Den geometriske orientering af robotten kan også være et problem, dersom der opstår kastninger etc. som konsekvens af svejsedeformationer. Dette er særligt aktuel, hvis svejsefiksturet er underdimensioneret eller på anden måde ikke kan håndtere emnet. Formfejl kan forekomme i tre varianter: Oversvulst Sidekærv Malplacering Oversvulst Svejsningens geometri giver et godt indblik i kvaliteten af svejsningen. En ting, som er let at se på en svejsning, er graden af eventuel oversvulst. Grunden til at der kommer oversvulst skyldes, at der er tilført for meget tilsatsmateriale. Oversvulst har den ulempe, at den giver en ringe overgang til grundmaterialet, hvorved der kan opstå kærvvirkning langs sømmens kant, hvilket resulterer i en ringe overførsel af spændinger. Ved svejsning tilstræbes en så lille oversvulst som muligt, så kræfterne overføres hensigtsmæssigt. Der er fastlagt grænser og normer for oversvulst jf. DS/EN [Finn Nielsen(1998b)]. Sidekærv Sidekærv kan opstå mellem svejsemetallet og grundmaterialet og skyldes: Forkert elektrodetype Forkert føringsteknik For lang lysbue For høj strømstyrke Sidekærv er en alvorlig geometrisk fejl, idet den kan være et begyndende brud. Der er en tilbøjelighed til, at revner vil starte netop dette sted, da en kærv er et skarpt hjørne, som spændingerne skal passere. Den typiske grund til at sidekærv opstår, er at strømstyrken er for høj, hvorved der brændes noget af grundmaterialet væk. Det kan ligeledes skyldes, at fremføringsteknikken er forkert, dersom der pendles, hvilket giver risici for at at brænde noget af grundmaterialet væk. Også tolerancer for sidekærv er angivet i DS/EN [Finn Nielsen(1998b)].

24 24 Grundlag for overvågning Fejlplacering af svejsesøm Den sidste formfejl er fejlplacering af svejsesømmen. Netop denne formfejl er et problem i forhold til automatiserede svejseprocesser, fordi robotter ikke kan navigere efter fugen. Ved robotter opstår problemet oftest, dersom tolerancerne for emnerne er for ringe, eller at afkortningen er af en grov karakter. Konsekvensen er en for ringe svejsning, som ikke binder lige meget i de to emner, der skal sammenføjes. Desuden er der risiko for sidekærv, hvis svejsningen ligger for langt oppe ad fugen på det ene emne. Opsummering Formfejl er væsentlige i forhold til problematikken vedrørende automatiseret svejsning. Disse fejltyper er alle uden forbehold direkte svækkende for styrken af svejsningen, kun afhængig af variationen af fejlen. Korrektion af formfejl må prioriteres højt, idet forudsætningen for en god svejsning primært er en korrekt placering, så der opnås forudsætning for en høj styrke, der giver en tilfredsstillende overgang af spændinger. Andre fejl, såsom indre fejl må efterfølgende prioriteres. Med andre ord er det ligegyldigt, om der forekommer indre fejl, hvis svejsningen ikke har den geometriske forudsætning for at binde to emner sammen. I næste afsnit vil forekomsten af indre fejltyper blive beskrevet Indre fejl De indre fejl kan have betydning for sammenføjningen, dersom der ikke opnås den tilstrækkelige sammenbindingen mellem materialerne på atomart niveau. Indre fejl er relativt de værste fejl, idet de kun kan opdages ved brug af ikke-destruktive og destruktive kontrolmetoder [Finn Nielsen(1998b)]. Figur 4.11: Kategorisering af indre fejltyper Hulrum Der kan forekomme to typer af hulrum: Porer Sugninger Porer kan optræde i forskellige størrelser, og er hyppigt forekommende ved svejsning med lysbue med beklædte elektroder eller ved MAG-svejsning. Porer er gasblærer, der ikke når at slippe ud af svejsningen under størkning forårsaget af afkøling. Oxygen, hydrogen og nitrogen har en stor opløselighed i smeltet stål, mens opløseligheden er væsentlig mindre i fast (størknet) stål. Under størkningen vil gasoverskuddet udskilles og danne gasblærer lige foran størkningsfronten. Gasblærerne vokser i takt med processen. Når disse opnår en vis størrelse af rumfang, vil de stige til overfladen. Dersom gasblærerne indhentes af størkningsfronten, før de bliver tilstrækkeligt store til at stige op, vil de fanges i den faste størknede stål, hvor der dannes porer. Grunden, til at porer opstår, skyldes flere ting. Svejsehastigheden er en parameter, der har indflydelse. Dersom svejsehastigheden er høj, har gasblærerne naturligt nok ikke de samme vilkår,

25 4.1 Svejsefejl 25 for at stige til overfladen, som hvis svejsehastigheden var lav, hvilket skyldes, at en hurtig svejsehastighed giver en lavere temperatur (ringere opvarmning), hvorved stålet størkner hurtigere. Heraf kan vurderes, at varmetilførslen som en variabel af strømstyrken også spiller en rolle. En anden vigtig årsag til porerdannelse ved MIG/MAG er beskyttelsesgassen. Her er det reelt set kun ved MAG, at det har betydning. Ofte svejses der i stål med en blanding af CO 2 og Argon som beskyttelsesgas. Argon har den bedste egenskab for at holde den atmosfæriske luft væk, mens CO 2 tilsættes primært for at give en stabil lysbue, hvilket med argon alene ikke er muligt. CO 2 -indholdet har derved en negativ indflydelse, da det giver lettere adgang for den omkringliggende atmosfære. Det er derfor særligt vigtigt, at der ikke forekommer træk ved svejsestedet [Finn Nielsen(1998b)], [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Sugninger er hulrum forårsaget af sammentrækning under størkningsforløbet. Ved uhensigtsmæssig udformning af svejsefugen vil det yderste lag af svejsemetallet størkne først, således at der indesluttes smelte. Denne smelte vil på et senere tidspunkt størkne, og ved afkøling vil rumfanget reduceres. Under størkningen drænes restsmelten væk mellem delvis udviklede krystaller, efterhånden som dens rumfang reduceres [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Bindingsfejl Ved bindingsfejl forstås en ufuldstændig sammensmeltning mellem svejsestreng og grundmaterialet. Dette kan skyldes to ting. Enten har varmetilførslen været for ringe til, at grundmaterialet er blevet opsmeltet, hvormed en kohæsionssamling ikke er mulig. Den anden årsag skyldes, at elektroden har været rettet mod alene det ene af de to sammensvejste materialer, hvorved der kun opnås en tilfredsstillende binding med dette. Det er altså væsentligt, at begge grundmaterialer underlægges den samme opvarmning. I det sidste tilfælde kan forvarmning være en hjælp [Finn Nielsen(1998b)], [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Indtrængningsfejl Indtrængningsfejl, også kaldet rodfejl, er af betydning ved bundstrengen. Fejlene forekommer som en ufuldstændig gennemsvejsning i roden af svejsningen. Ved svejsning af X-fuge, dobbelt U- eller I-fuge opstår der rodfejl midt i fugen. Generelt er det af betydning ved både svejsning fra én side og fra begge sider. Oftest forbindes rodfejl med, at smeltebadet ikke når tilstrækkeligt ned i fugen, så der opstår hulrum i bunden. Men betegnelsen dækker også, såfremt at begge fugekanter ikke bliver opsmeltet tilstrækkeligt. Indtrængningsfejl opstår blandt andet på grund af forkert fugevinkel. Men en vigtig faktor er ligeledes svejsestrømmen. Rodfejl skyldes ofte for lav strømstyrke eller et forkert forhold mellem svejsestrøm og spænding. Standard for indtrængningsfejl er beskrevet i DS/EN [Finn Nielsen(1998b)], [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Slaggeindslutninger Indeslutninger er af særlig betydning ved flerstrengssvejsning, eller hvis slaggen løber foran lysbuen. Slaggeindslutning er særligt et problem ved svejsning med pulverfyldt rørtråd. Slaggens oprindelige opgave er at flyde ud og beskytte smeltebadet mod den atmosfæriske luft under størkning. Samtidig har slaggen indflydelse på svejssømmens overflade. Slaggeindslutninger kan skyldes forkert elektrodeføring, hvor slaggen løber foran smeltebadet, størkner og lægger sig som indeslutninger eller striber under svejsemetallet. Derved forhindrer slaggen, at der bliver korrekt binding mellem grundmaterialet og svejsemetallet. Slaggeindslutning ved flerstrengssvejsning skyldes primært, at slaggedannelse fra forrige svejsestreng ikke er blevet fjernet. En anden hyppig årsag til slaggeindslutning er dybe eller skarpe spor, der forekommer i kanten mellem grund- og tilsatsmateriale som produkt af en afslibning af slagger fra forrige svejsestreng. Idet slaggen altid først søger mod bunden for dernæst at gå op til overfladen, kan dette give problemer i disse skarpe kanter. Af samme årsag kan der opstå indeslutninger, dersom grundmaterialet har en ujævn overflade med kraterer - eksempelvis som følge af manuel flammeskæring [Finn Nielsen(1998b)], [Søren Wilken Pedersen(1988)].

26 26 Grundlag for overvågning Revner Revner er et kompleks problem, hvad svejsning angår. Tidligere er beskrevet, hvorledes hærdning kan fremkomme som konsekvens af stukning af materialet samt hærdetendenser i svejsemetallet. Der udover kan revner opstå blandt andet som følge af sidekærv eller lange porer, hvis belastningen på konstruktionen bliver tilstrækkelig stor. Men der findes også andre årsager til, at revner forekommer ved svejsning. Varmerevner Varmerevner er tidligere behandlet i afsnit Her omhandlede det hovedsageligt hærdning og stukning af materialet som årsag til revnedannelse. Der er også andre faktorer, der spiller ind ved opståen af revner i og omkring svejsesømme. En anden væsentlig ting ved varmerevner skyldes alene en uheldig udformning af svejsestrengene. En uheldig form består grundlæggende i en streng, som har en større dybde end bredde. Dette giver ved størkning gode betingelser for, at der dannes revner inde i selve strengen, som går udefra og ind [Finn Nielsen(1998b)]. En tredje grund til at varmerevner i selve strengen forekommer skyldes sejringer, som dannes under størkningsforløbet. Sejringerne fremkommer, fordi dele af metalsmelten bliver beriget med legeringselementer i form af urenheder, der medfører, at smeltepunktet nedsættes til lavere temperaturer. Urenhederne lægger sig i centerlinien som en tynd film af restsmelte. Da der samtidig fremkommer krympning i den del af svejsemetallet, der er størknet, kan der opstå brud i svejsemetallet - en såkaldt sejringsrevne [Ejersted(1997)]. Sejring er en grovstrukturfejl, som skyldes størkningsprocessens uensartethed. Stålet størkner med forskelligartet sammensætning forskellige steder i støbningen - udefra og ind. Forløbet skyldes, at urenhederne i et vist omfang er opløselige i det smeltede stål, men er tilnærmelsesvis uopløselig i det størknede stål. Følgen bliver, at efterhånden som størkningen skrider fremad, bliver den tilbageværende flydende del mere og mere rig på urenheder. Der er altså nu væsentlig forskel på legeringen af stålet henholdsvis i yderkanterne og i midten - betegnes også rand- og kernestål [Sørensen(2002)]. Derfor vil der normalt forekomme varmerevner midt i svejsningen. Det kan forekomme, at revnen er kontinuerlig i hele svejsesømmens længde. Oftest går revnen op til overfladen, og kan visuelt blive detekteret [Ejersted(1997)]. Hydrogenrevner/Koldrevner Hydrogenrevner er en betegnelse på en særlig type mikrorevner, som undertiden forekommer i såvel svejsemetal som i HAZ-området. Hver revne har normalt en revneareal på ca. 1 mm 2, men kan også forekomme større. Når svejsningen forløber tilfredsstillende, bobler de opløste luftarter ud af smeltebadet, før det størkner, eller de bindes og uskadeliggøres som kemiske forbindelser i slaggen. Hydrogen, som fanges i smeltebadet under størkningen, udskilles ikke altid som hele porer, idet hydrogenatomerne er tilstrækkelige små, til at kunne befinde sig i selve stålmaterialet. Det hydrogen, der bliver tilbage i stålet, indgår i materialet som atomer i stålgitteret, og kan forårsage en forøgelse af flydespændingen og nedsættelse af sejheden. Det skyldes, at hydrogenatomerne samles omkring dislokationer, og låser disse fast. Dette gælder både for svejsemetallet, men også HAZ. Desto større hårdheden i HAZ er, des tilsvarende større risiko er der for revner som følge af hydrogen. Karakteristisk for hydrogenrevner er, at de udbredes vinkelret på spændingsretningen. Derfor findes de normalt som langsgående revner i HAZ-området lige ved siden af svejsningen. Hydrogen optages i smeltebadet fra omgivelserne - fx fra fugt på fugekant, rust, olie, atmosfæren. Hydrogenatomer overføres til HAZ ved diffusion. Når svejsemetallet atter afkøles, bliver det overmættet med hydrogen. Den del af hydrogenet, som ikke bliver udskilt som porer, er opløst i selve svejsningen og HAZ efter størkningen - men i en ustabil tilstand, da stål ved stuetemperatur kun kan rumme yderst ringe mængder hydrogen. Derfor vil hydrogenen være nødt til at diffundere ud til overfladen eller optages i porer eller dislokationer, som dermed kan udløse revner. Selve diffusionen kan vare flere døgn. Hydrogenrevner er farlige, idet de

27 4.1 Svejsefejl 27 først viser sig et par dage efter, at svejsningen er helt afkølet. Hydrogenfremkaldte revner i forbindelse med svejsning opstår først, når materialet er nedkølet til under 200 C. Såfremt hydrogenrevner vil undgås, gælder det om at forlænge afkølingstiden. Forvarmning/ eftervarmning kan derfor med fordel anvendes for at mindske risikoen for hydrogenrevner [Finn Nielsen(1998b)], [Søren Wilken Pedersen(1988)], [Ejersted(1997)]. Udrivningsbrud Udrivningsbrud kaldes også lamelle revnedannelser, og er en koldrevne, hvilket vil sige, at det ikke er en konsekvens af varme. I sømtyper, hvor der kan forekomme trækspændinger i tykkelsesretningen, er der risiko for opstående udrivningsbrud. Fænomenet opstår normalt i pladematerialer. Risikoen for udrivningsbrud afhænger af: Pladematerialets følsomhed Trækspændingerne i svejsesømmen Udrivningsbrud udvikles i grundmaterialet i valseretningen, vinkelret på tykkelsesretningen. Disse koldrevner har sit udgangspunkt i fremstillingsproceduren af plade- eller båndmateriale. Slaggeindslutninger eller andre udskilte faser kan under valseoperationen blive plane og retningsorienterede. Herved kan der opstå lagdelte strukturer. Bearbejdede stålmaterialer kan som konsekvens af fremstillingsmetode få forskellige styrkespændinger i henholdsvis valseretning, på tværs af valseretning og i tykkelsesretningen. De dårligste egenskaber måles normalt i tykkelsesretninge. Udrivningsbrud opstår næsten udelukkende under bearbejdningsprocessen og yderst sjældent under drift. Dog kan det forekomme ved periodiske belastninger eller stød. Udrivningsbrud er en konsekvens af lagdelinger, hvor typisk mangansulfider bliver indesluttet. Derfor er udrivningsbrud et problem ved stål legeret med mangan; og særligt hvis indholdet af svovl er relativ stort, da svovl mindsker svejsbarheden. Udrivningsbrud er et forhold, som opstår allerede ved stålets fabrikationsproces, og er derfor mindre vigtig, hvad svejseprocesser angår, da der ikke umiddelbart kan tages højde for risikoen ved selve svejseprocessen [Søren Wilken Pedersen(1988)], [Ejersted(1997)]. Koldrevner kan også opstå som følge af andre mindre væsentlige faktorer, som eksempelvis interkrystallinsk korrosion [Pedersen and Rasmussen(2002)]. Dette afsnit har dog afgrænset sig fra at se på disse øvrige, da de er mindre relevant i forhold til svejsning. Opsummering De indre fejl kan betragtes som sidste hånd på værket. Forudsættes at alle andre indvirkninger, såsom svejselighed af stålet samt geometrisk placering mv. er i orden, er det optimeringen af de indre fejl, som er afgørende for, at en tilfredsstillende svejsning opnås. Ikke at fornægte at undgåelse af indre fejl er uhyre vigtig og af stor betydning for kvaliteten af svejsearbejdet. Indre fejl er - sammenlignet med de øvrige beskrevne fejltyper - særligt følsomme overfor parametre ved svejseudstyret og indstilling af disse. I afsnit 4.2 vil styring af svejseprocesser og mulige parametre blive beskrevet Opsummering på svejsefejl Som det fremgår af afsnit 4.1, er der et stort antal parametre, som kan have afgørende indflydelse på kvaliteten af det udførte svejsearbejde. Svejsning er en proces, der er forbundet med håndværksmæssig erfaring og kunnen, og det er derfor ikke uden problem at automatisere en sådan proces. Der er stor risiko for at der opstår fejl i større eller mindre grad. Der må derfor være et vist behov for procesovervågning ved automatiserede anlæg. Mulighederne for overvågning af automatiserede svejseprocesser vil senere blive beskrevet kapitel 5. Svejsning - og fejl i forbindelse hermed - er en kompleks problemstilling, hvor mange faktorer

28 28 Grundlag for overvågning er af betydning. Foruden de svejsefejl, der bliver berørt i denne rapport, findes der også andre parametre, som kan have indflydelse på lysbuesvejseprocesser i stål. Blandt andet er ståls svejselighed nok en af de vigtigste parametre for at opnå en god svejsning, da stålets svejselighed kan påvirke tilbøjeligheden til revnedannelse [Larsen(2004)]. Særligt de beskrevne indre fejl kan være under indflydelse af stålets svejselighed. Desuden er der omfattende mange parametre ved svejsemetallurgi såsom lagdeling og slagger. Disse parametre berører ikke dette projekt, idet der alene ønskes at se på fejl, hvis oprindelse ligger i selve svejseprocessen og udførelsen af denne. Figur 4.12 illustrerer svejseprocessens svar på Maslow s Behovspyramide for svejsning i stål med MIG/MAG. Både geometrifejl samt indre fejl er interessante ved styring og overvågning af Figur 4.12: Langer s Behovspyramide : Forudsætninger for en god svejsning; forudsætningen for at stige i pyramiden, kræver af den understående kriterie er opfyldt. Afgrænsning for procesovervågning ligger i toppen af pyramiden; undgåelse af geometrifejl og indre fejl. automatiserede svejseprocesser. Indre fejl kan undgås ved korrekt indstilling af svejseparametre, mens geometrifejl undgås ved korrektion af svejserobotten. Der er altså to aspekter i optimering af automatiserede svejseprocesser: Optimering af svejseparametre Optimering af styring af robot for henholdsvis at opnå bedre kvalitet af svejsningens indre struktur og metallurgi, samt korrekt placering af svejsesømmen. I afsnit 4.2 vil parametre og styring af svejseprocesser ved MIG/MAG i stål blive behandlet for at give overblik over de indstillingsmuligheder, der er ved et MIG/MAG-anlæg. 4.2 Parametre og styring af svejseprocesser Hvorledes styres en svejseproces og hvilke fejl kan der forekomme på udstyret er de spørgsmål, som dette afsnit skal klargøre. Afsnittet vil primært behandle parametre ved svejseapparaturet, men ikke styring af svejserobotten. Det er vigtigt at skelne disse to, idet de har hver deres funktion; svejseapparatet skal sørge for en korrekt proces, mens robotten blot skal føre svejsepistolen. Afsnittet kan relateres til den korte introduktion til MIG/MAG, kapitel 3. De væsentligste parametre ved MIG/MAG-lysbuesvejsning vil blive behandlet, samt udvide nogle væsentlige begreber ved MIG/MAG. Overordnet vil følgende parametre blive berørt, da disse har relevans for problematikken om procesovervågning: Maskinindstillinger Dyseføring

29 4.2 Parametre og styring af svejseprocesser 29 Beskyttelse af smeltebad Tilsatsmateriale Figur 4.13: Parametre ved MIG/MAG-svejseanlæg Maskinindstillinger Generelt På et MIG/MAG-svejseanlæg er det grundlæggende muligt at justere to parametre: Trådfremføringen og spændingen. En svejseproces starter med, at tråden føres ned til materialet, hvor kortslutningen finder sted. Her er det så spændingen, der er afgørende for, hvilken lysbue, der skal fremkomme. Der skelnes mellem tre lysbuetyper; kortbue, mellembue og spraybue, hvoraf de to førstnævnte er ens alene med forskellige længde. Spraybue arter sig anderledes. Kortbue (og mellembue) er konsekvens af en lav valgt spænding. Når kortslutningen sker, brænder kun et lille stykke af tilsatsmaterialet, som indgår i smeltebadet. Det samme sker ved mellembue; her brænder dog et større stykke af ved en lidt højere spænding, og der dannes et bredere smeltebad. Antallet af kortslutninger ligger i intervallet; 20 til 200 s 1. Der er risiko for lettere sprøjt. Spraybue har i modsætningen til de to forrige en relativ høj spænding. Her går tråden ned og kortslutter og brænder så helt tilbage til dysen. Efter denne første afbrænding når tråden ikke længere ned til materialet. Det skyldes, at der ved en tilstrækkelig høj spænding sker det, at gasserne bliver ioniseret, så tilsatsmaterialet brænder i luften og sprayes ned på emnet [Nielsen(2004)], [Søren Wilken Pedersen(1988)], [Finn Nielsen(1998a)]. Strømstyrke/Trådhastighed Strømstyrken er en af de vigtigste parametre, idet strømstyrken er afgørende for både nedsmeltning og afsmeltning med hensyn til svejsesømmen. Strømstyrken er proportional med trådfremføringshastigheden ved en given tråddimension og -type. Strømstyrken har stor indflydelse på dråbeafsnøringen, idet afsnøringskraften, som dannes grundet magnetfelt rundt om lederen, stiger med kvadratet af strømstyrken ifølge formlen for afsnøringskraft: dk = 16 µ 0 I 2 (da) 2 π 3 D 5 ds (4.2) Hvor D er elektrodens diameter [mm], I er strømstyrken [A], da er tværsnitsarealet af et trådelement [mm 2 ], ds er længden af et trådelement og µ 0 er en omsætningsfaktor, der afhænger af de benyttede måleenheder. En større afsnøringskraft betyder en dybere indtrængning. Derfor giver en større strøm en større nedsmeltning, men samtidig kan en for stor strøm give en konkærv svejsesøm, som giver risiko for sidekærv. Endelig kan en for lille strømstyrke betyde manglende nedsmeltning [Søren Wilken Pedersen(1988)].

30 30 Grundlag for overvågning Lysbuespænding Den spænding, der kan indstilles på et svejseanlæg, vil give anledning til et spændingsfald - dels over kablet, dels over lysbuen. Des større et spændingsfald der forekommer over lysbuen, des længere lysbue opnås. En større lysbuespænding medfører en bredere og fladere svejsesøm, idet spændingen ikke har indvirkning på indsmeltningsdybden. En for stor lysbuespænding vil dog medføre sprøjt uregelmæssig sømudseende og poredannelse. En for lav spænding kan anderledes medføre oversvulst, og ved kort lysbue er der risiko for sprøjt. Der skelnes groft set mellem to spændingsniveaer - tidligere omtalt som kortbue og spraybue. Ved kortbue svejses med lav strøm og spænding, samt en kort lysbue. Det meste af varmetilførslen vil blive afgivet i overfladen af emnet, idet dråberne vokser sig store og ikke er påvirket af nær så stor en kraft. Ved spraybue anvendes en høj strøm og en høj spænding. Her er kraftpåvirkningen meget s- tor, så dråberne slynges med stor kraft ned i materialet, og der opnås en stor nedsmeltning [Søren Wilken Pedersen(1988)]. I et strøm-spændingsdiagram er det muligt at karakterisere et givent svejseapparat. Der findes sågar en maskinkarakteristik, defineret ved en linie, som viser de samhørende værdier for strøm og spænding, som apparatet kan levere for en given indstilling af tomgangsspændingen [Finn Nielsen(1998a)]. Figur 4.14: 1: Kortbue, 2: Mellembue, 3: Spraybue. Lysbuens længde har indflydelse på det nødvendige forbrug af strøm og spænding [Finn Nielsen(1998a)] Reaktans Reaktans er et begreb for en form for dæmpning, der er indbygget i et svejseapparat i form af en drossel - en jernkerne som er omviklet af tråd. Droslens funktion er i princippet det samme som et svinghjuls. Når der kommer vekselstrøm ind i impulser, oplagres energi i droslen afhængigt af antal vindinger. Jo flere vindinger - jo større reaktans. Med andre ord opnås en udjævning af den energi, der kommer ind i form af vekselstrøm. Dette kan med fordel anvendes hvergang en ny kortslutning skal startes. Den anvendte tråddiameter ved lysbuesvejsning har betydning for svejsekredsløbets totale modstand og reaktans. Det skyldes, at trådlængden fra mundstykke til lysbue udgør en modstand, som begrænser kortslutningsstrømmen, og til dels frembryder en vis reaktans. Des tykkere tråden er, des lavere bliver reaktansen. Ligeledes giver en forøget udragende tråd en højere reaktans. Reaktansen er afgørende for hvor hurtigt strømmen vokser op efter en kortslutning. Jo større reaktans, desto langsommere stiger strømmen jvf. figur Alt i alt fås: Lang tråd & lille tråddiameter høj reaktans lav kortslutningshyppighed varm svejsning. Kort tråd & stor tråddiameter lav reaktans stor kortslutningshyppighed kold svejsning.

31 4.2 Parametre og styring af svejseprocesser 31 Figur 4.15: Lav reaktans giver hurtig strømstigning, mens høj reaktans omvendt giver en langsommere stigning i strømmen [Finn Nielsen(1998a)] Umiddelbart vil det være muligt, at øge varmetilførslen, ved at gøre udhænget længere, så en højere reaktans fremkommer. Dette er dog ikke ubetinget tilfældet grundet andre faktorer, der ændres ved længere trådudhæng. Heriblandt afsmeltningshastigheden og lysbuestrømmen [Finn Nielsen(1998a)] Dyseføring Svejsehastighed Svejsehastigheden har betydelig indvirkning på indsmeltningen og udseendet af sømmen. Forøges svejsehastigheden med øvrige parametre fastholdt, fås mindre svejsemetal med en lavere varmetilførsel. Dette medfører en smallere søm og ringere nedsmeltning. Desuden giver en for stor svejsehastighed et uregelmæssigt udseende, samt tendens til kærvvirkning. Derimod kan for lav svejsehastighed bevirke, at smeltebadet løber foran og dermed forårsager en ringe indsmeltning. Desuden er størkningsstrukturen påvirket af svejsehastigheden. En højere hastighed forringer sømmens styrke grundet en ophobning af urenheder. En normal hastighed for én CO 2 -brænder ligger i intervallet fra mm/min. Det er muligt at opnå højere hastighed ved at anbringe to brændere efter hinanden. Det har den fordel, at den første udgør en form for forvarmning, og den næste kan så tilfører den største mængde tilsatsmateriale [Søren Wilken Pedersen(1988)],[Nielsen(2004)]. Figur 4.16: Svejsehastighedens indflydelse på svejsningens struktur [Søren Wilken Pedersen(1988)]

32 32 Grundlag for overvågning Svejsevinkel (Pistol) Svejsepistolens vinkel i forhold til materialet kendetegner den retning, hvor varmen tilføres s- meltebadet. Denne retning medvirker til at forme svejsesømmen og hindrer slagge i at løbe foran og dermed danne indeslutninger. Den korrekte vinkel afhænger af svejsestilling, materialetykkelse, trådtype og gasart. For stor vinkel vil dog kunne betyde at luften omkring suges med ind i svejsebadet og derved danner porøsiteter [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Svejseretning Svejseretning - her defineret som modsvejsning og frasvejsning. Valg af svejseretning kan have betydning for både indtrængningsdybde, sømbredde og størrelse af oversvulst. Der er følgende fordele og ulemper ved modsvejsning; lysbuen når længere ned i materialet og kaster det afsmeltede materiale i en høj og smal søm. Tendensen til poredannelse er mindre ved modsvejsning, fordi der ved modsvejsning tilføres mere varme til smeltebadet, således at eventuelle luftarter har lettere ved diffusion inden størkning. Dog giver frasvejsning en breddere og pænere søm. Men ved frasvejsning er der risiko for bindingsfejl, hvis smeltebadet begynder at løbe foran elektroden [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Hældning Svejses der på emner, der hælder en smule er der visse forbehold, der skal tages. Dersom der svejses oppefra-ned opnås en svejsning med en pæn glat overflade. Der er dog risiko for, at smeltebadet løber foran lysbuen, i så fald at hældningen er for stor. Derved bliver der en dårlig indtrængning i materialet. Svejses der nedefra-op opnås en bedre indtrængning, men en væsentlig grimme og ustabil søm, hvoraf nedefra-op-retningen ikke kan anbefales [Nielsen(2004)], [Finn Nielsen(1998a)]. Figur 4.17: Ved faldende svejsning reduceres indtrængningen [Finn Nielsen(1998a)] Pendling Pendling er en teknik som ofte anvendes ved lidt større fuger. Manuelt er det en nem måde, hvorpå det er muligt at kontrollere smeltebadets størrelse og opførsel Beskyttelsesgas Beskyttelsesgassen har til opgave at beskytte processen mod den omkringliggende atmosfæriske luft. Som bekendt består den atmosfæriske luft af flere gasser; to af disse gasser har stor betydning for svejseprocessen. Henholdsvis oxygen (O 2 ) og nitrogen (N 2 ). Hvis gasserne er tilstede i smeltebadet, kan dette bevirke, at svejsningen bliver porøs (pga. O 2 ), og at N 2 indgår i en kemisk forbindelse med det flydende metal og bevirker, at dette får ældningstendenser. For at forhindre dette vil der ved MIG/MAG-svejsning igennem gaskoppen, der omgiver kontaktmundstykket, strømme en beskyttelsesgas, som har til opgave at forhindre den omgivende atmosfæriske luft at indgå i svejsningen, og herved primært at beskytte elektroden. Da dette

33 4.2 Parametre og styring af svejseprocesser 33 gasflow er en nødvendighed for en optimal svejsning, kan der vurderes på hvilke parametre, der vil have indflydelse på dette - altså hvilke fejl, der kan opstå i forbindelse med gastilførslen. Normalt anvendes l/min, men der er mange parametre, som kan ændre på dette forhold, så der opstår fejl [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Gaskvalitet I afsnit 3 blev der kort introduceret til lysbuesvejsning med MIG og MAG, og hvilken forskel der er på de to metoder. Gaskvaliteten afhænger hovedsageligt af gasblandingen, der kan bestå af enten aktive eller inaktive gasser, eller sågar en blanding af begge. Ved en MAG svejsning er CO 2 er det typiske valg for en aktiv gas, da den dels er billig og let at udvinde. Her virker gassen aktivt ved at danne kemiske forbindelser med smeltebadet og rense det for urenheder, og fjerne atmosfærisk luft fra smeltebadet. Ved MIG svejsning er Argon og Helium de mest anvendte gastyper. I Europa er den mest anvendte dog argon, da helium er ca. 10 gange så dyrt. Formålet med blandgasser til MAGsvejsning er imidlertid at gøre gassen mere effektiv til specifikke stållegeringer og specifikationer. Den mest anvendte blanding i stål er argon og CO 2.Gasblandingen kan være afgørende for en god svejsning og er derfor en vigtig parameter [Nielsen(1995)], [Finn Nielsen(1998a)], [Nielsen(2004)]. Gastilførsel Utilstrækkelig gasmængde, kan skyldes for lavt gastryk eller uren gaskop eller urene gaskanaler i fordeleren. Desuden kan der forekomme utætheder i slanger og samlinger, eller magnetventilen kan have sat sig [Finn Nielsen(1998a)]. For meget gas kan også have konsekvenser. Dersom gasflowet er for stort, er der risiko for turbulens omkring lysbue og der kan suges luft ind fra den omkringliggende atmosfære. Derved mister gassens sin virkning [Nielsen(2004)], [Søren Wilken Pedersen(1988)]. Figur 4.18: Turbulens kan forekomme ved for stort et gasflow, og derved drive luft med ind i lysbuen [Søren Wilken Pedersen(1988)] Ydre forstyrrelser omkring svejsestedet, som kan bevirke at beskyttelsesgassen forsvinder som fx træk fra vinduer, ventilationsanlæg eller luftkølede strømkilder [Finn Nielsen(1998a)] Trådtilførsel Ved MIG/MAG svejsning er det vigtigt, at hastigheden på elektrodetråden er tilpasset, da der ved en for hurtig eller for langsom trådfremføring vil opstå fejl i svejsningen. Hvis ikke trådens hastighed er korrekt, kan følgende parametre have indflydelse på dette. Drivruller Dersom rullernes tryk på elektroden er for lille, glider rullerne, og trådfremføringen bliver derved ustabil. Det har naturligvis konsekvenser, da der ikke kommer den ønskede mængde tråd til svejsningen. Derved får svejsningen et dårligt udseende, og der kan opstå bindingsfejl. Samme årsag kan skyldes, at drivrullerne er fedtede eller snavsede. Er der omvendt for meget tryk på elektroden vil tråden deformeres og blive ødelagt. Det har følgende konsekvens, at elektroden vil komme ud af kontaktmundstykket som en spiral. Bliver tråden deformeret tilstrækkeligt, er der

34 34 Grundlag for overvågning risiko for at tråden ikke kan skubbes ind i slangepakettens indløbsmundstykke [Nielsen(2004)], [Finn Nielsen(1998a)]. Placering af indløbsmundstykket; dette skal sidde rigtigt fast og tilstrækkeligt tæt på trådrullerne. Dersom det ikke er tilfældet, kan elektroden slå knuder mellem de to komponenter. Slangepaketten er en enhed bestående af flere dele som trådliner, beskyttelsesgasslage, og ledninger til styrestrøm, der kan også i nogle tilfælde være slanger med kølevæske til svejsepistolen. I denne enhed er der flere parametre, der give forstyrrelser: Skarpe buk på slangepaketten. Konsekvens; dette kan forårsage at trådfremføringen bliver ujævn, eller at trådlineren knækker Lange slangepaket. Konsekvens: Kan forårsage at elektroden bliver slap og kan give en ukonstant fremføring Snavset trådliner. Konsekvens: Driftstop Opsummering De væsentligste parametre ved MIG/MAG-anlæg er kortfattet blevet berørt. Kun de mest interessante parametre for sammenhængen er blevet behandlet - Parametre, som kan have indflydelse på de i afsnit 4.1 tidligere beskrevne svejsefejl. 4.3 Sammenhæng mellem fejl og styring Her er sammenhængen mellem fejlindstillede parametre og hvilke konsekvenser, det kan have for svejsningen forsøgt klarlagt. Den opstillede syntese bygger på ovenstående afsnit om svejsefejl og parametre. Figur 4.19 skal kortlægge affiniteten mellem de implicerede elementer. Som det ses på figur 4.19 er tilhørsforholdene mellem parametre og fejl en kompleks problemstilling. De skrå mellemårsager er årsager til fejlene forsaget af de til venstre listede parametre. Mellemårsagerne implicerer mindst to parametre og er derfor en gruppe for sig. Kompleksiteten afspejles i det faktum, at nogle parametre kan have tvetydig indvirkning på eventuelle fejl. Fx ses det på figur 4.19 at: Porer kan blandt andet skyldes høj spænding og lav varmetilførsel. Varmetilførsel som dels kan skyldes for lav spænding Lav varmetilførsel kan blandt andet skyldes høj svejsehastighed, men også at smelten løber foran elektroden. Når smelten løber foran elektroden kan dette skyldes for lav svejsehastighed. Her ses to eksempler på, hvor to variable kan optræde som modstridende dobbeltparameter. Det skal dog ikke tolkes, at denne situation er et problem i sig selv, da henholdsvis spænding og svejsehastighed blot er nogle af parametrene, som har indflydelse på resultatet. Faktum er blot, at der ikke er entydige forklaringer på hændelser af fejl. Figuren giver mulighed for at overskueliggøre sammenhængen, men er ikke entydig. Næste kapitel vil berøre de muligheder, der er til rådighed for at finde fejl, og hvilken udvikling der sker på området.

35 4.3 Sammenhæng mellem fejl og styring 35 Figur 4.19: Sammenhængen mellem fejl og parametre. Øverst ses de fejl som kan forekomme som konsekvens af forkerte parameterindstillinger. Parametrene ses til højre på figuren. De skrå figurerende parametre er mellemparametre - altså hovedparametre, som kan skyldes flere af de grundlæggende parametre til højre i figuren. En fejl kan således opstå alene af en parameter, men kan også opstå af en mellemparameter. Ovenstående teori kan med henblik på parametrene differentieres til henholdsvis Direkte Proces-Parametre (DPP) og Direkte Automations-Parametre (DAP). DPP vedrører den tradionelle svejseproces, men DAP vedrører robotten (automatisering) i form af geometrisk orientering og styring af robotten.

36 Sensorsystemer Kapitel 5 I forrige kapitel blev de fleste af de problemer, som kan forekomme med MIG/MAG-svejsninger beskrevet. En del af disse problemer kan også overføres til svejserobotter, der står for udførelsen af svejsearbejdet - her særligt de i figur 4.19 benævnte DAP, men til dels også DPP. Trods de mange problemer, som kan opstå ved svejseprocesserne, fremstilles der alligevel gode produkter. Dette skyldes, at der allerede i dag bliver lavet modtræk til de fejl, der kan opstå. Disse modtræk består af blandt andet sensorer, som får robotten til at reagere i forhold til mulige fejl. Da det er målet med projektet at undersøge muligheden for et nyt sensorsystem, er det relevant at se på grundlæggende robotsensorer. For det første for at skabe et overblik og derudover er det vigtigt, da det vil fremgå, at disse grundlæggende sensortyper indgår i de fleste avancerede sensorsystemer. Herefter vil de mest udbredte svejse sensorsystemer blive beskrevet, og dernæst de mere eksotiske 1. Efter nutidens mulige sensorsystemer er blevet beskrevet, vil det bliver analyseret, hvor udviklingen er på vej hen, og derudfra hvilke krav, der stilles til fremtidens sensorsystemer. 5.1 Robotsensorer generelt Generelt bruger alle robotter sensorer, der er dog stor forskel på hvilke typer af sensorer. Typen af de sensorsystemer, der vælges, afhænger naturligvis af, hvilke opgaver robotten skal være i stand til at udføre, og hvilke feedback robotten og operatøren har brug for. Det er dog i henhold til [Madsen and Høyer(1998)] ikke de eneste faktorer, der spiller ind; valget af sensorsystemer afhænger i høj grad af de ansvarlige, der skal vælge systemet. Da der findes mange forskellige systemer, som kan løse de samme opgaver, bliver valget ofte uoverskueligt, og de ansvarlige vælger udfra hvilke systemer, de kender til, eller ud fra hvilke systemer de intuitivt tror mest på. Dette er dog ikke altid lige optimalt og heller ikke altid uden problemer [Madsen and Høyer(1998)]. Disse intuitive valg af sensorsystemer, som er beskrevet af [Madsen and Høyer(1998)], og de mange forskellige opgaver robotter bruges til i dag, er også en af grundene til, at det kan være svært at generalisere hvilke sensorer, der reelt bruges i dag og hvilke systemer, der bare er eksotiske forsøg. Derfor er det vigtigt at påpege at de sensorsystemer, der beskrives i denne rapport, kun er de mest brugte, set fra et par kilders synspunkter, og der muligvis bruges mange andre sensorsystemer i industrien Grundlæggende robotsensorteori Ifølge [Lee(1999)], så kan robotsensorsystemer deles op i 4 brugte sensortyper, nemlig: Taktile sensorer (Tactile sensors) Proximitive sensorer (Proximity sensors) Kraft sensorer (Force sensors) Visuelle sensorer (Vision sensors) 1 Med betegnelsen eksotiske menes der systemer, som i dag findes, men som ikke er taget i brug i industrien.

37 5.1 Robotsensorer generelt 37 Taktile sensorer Ved taktilsensor skal det forstås, at dette er en sensortype, der kræver kontakt til et objekt for at reagere. Figur 5.1: En af mange typer taktilesensorer. Sensoren virker ved, at et objekt presser elektrode(1) nærmere elektrode(2), som er fastgjort på robotten. Imellem de to elektroder befinder sig noget strømledende gummi, hvori modstanden mindskes, des nærmere elektroderne er på hinanden. Det grundlæggende princip i denne sensor er derfor at måle modstand i det elektrisk ledende gummi og ud fra det, bestemme om sensoren er aktiveret og i så fald eventuelt hvor kraftigt, der trykkes på sensoren. Derfor kaldes dette også en modstands-transducer. [Lee(1999)] Der findes mange forskellige principper for taktilesensorer, på figur 5.1 ses et af principperne. Taktilesensorer har mange formål, og udover at måle om der er kontakt til et objekt, og med hvilken kraft der trykkes, så kan de blandt andet også bruges til at måle temperaturer. Proximitive sensorer Proximitive sensorer har modsat taktilesensorer ikke brug for kontakt for at registrere et objekt, derimod kan denne sensortype føle et objekt indenfor en bestemt afstand. Figur 5.2: En af mange typer proximitive sensorer. Sensoren virker ved, at der sendes lys fra lyskilden ud igennem et optisk kabel. Derfra bliver lyset kastet ud på det objekt, der nærmer sig, hvor det bliver reflekteret og sendt tilbage ind i det andet optiske kabel, og til sidst registres det af fotocellen. Denne sensortype har en stor fordel, nemlig at de optiskkabler kan føres ud i de mindste dele af robotten, da de ikke fylde særlig meget. I henhold til [Lee(1999)], kan sensortypen eventuelt bruges i et gribesystem til en robot, hvor de optiske kabler kan føres helt ud i de robotfingre, der skal gribe fast i et objekt, hvor de så kan måle afstanden til objektet. [Lee(1999)] Et eksempel på en proximitiv sensor vises på figur 5.2. Kraftsensorer En kraftsensor er, som ordet siger, en sensor, der måler, med hvilken kraft et objekt bliver påvirket. Dette kræver, at der er kontakt med objektet, og derfor er sensorprincipperne bag kraftsensorer og taktilesensorer tit de samme, dette gælder også for sensoren vist på figur 5.1. Denne type kan også bruges til at måle kraft. Dog er der i henhold til [Lee(1999)], den forskel i definitionen imellem kraftsensorer og taktilesensorer, at hvor kraftsensorer måler kraftpåvirkningen i et punkt, så måler taktilesensorer kraftpåvirkningen over et relativt stort område.

38 38 Sensorsystemer Visuelle sensorer Visuelle sensorer er forsøget på at efterligne det menneskelige øje. Der findes utrolig mange forskellige systemer, hvor flere af dem er beskrevet af [Lee(1999)]. Grundlæggende består en visuel sensor af følgende: En lyskilde Et kamera En computer Lyskilden udsender lys, lyset rammer objektet, og bliver kastet tilbage til kameraet, kameraet laver et billede, som det sender til computeren. Computeren bearbejder billedet, og finder frem til de nødvendige informationer. En visuel sensor er en kompliceret sensortype, der kræver et godt kamera og en meget kraftig computer, derfor er det også et dyrt værktøj, hvilket er grunden til, at de ikke bliver brugt i så stor et omfang, som vil være sandsynligt. Dog er priserne på vej ned [Madsen(2004)]. Udover de høje priser, der er forbundet med visuelle sensorer, så kan der ifølge [Lee(1999)] også være store problemer med lyskilden. Der findes forskellige lyskilder for eksempel laser lys, se sensorsystemet i afsnit Det er nemlig vigtigt, at sensorsystemet kun opfanger det lys, der kastes tilbage fra lyskilden, og ikke opfanger lys fra omgivelserne. Derfor bruges fx laserlys, og kameraet indstilles til kun at opfange lys med laserlys bølgelængde. 5.2 Udbredte Svejsesensorsystemer Ifølge [Nielsen(2004)] bruges der i dag kun sensorsystemer til svejserobotter i ringe grad, hvilket ifølge [Nielsen(2004)] skyldes, at en hurtigere produktion kan opnås uden brug af sensorer. Af dem der bruges nævnes følgende sensorsystemer som de mest brugte: Taktilesensorer ([Madsen(2004)]) Through-the-arc sensorer ([Madsen(2004)] og [Nielsen(2004)]) Visuelle sensorer ([Madsen(2004)] og [Nielsen(2004)]) De 3 nævnte sensorsystemer understøttes også af [Rooks(1991)]. Dette må være et udtryk for, at der i de seneste 13 år ikke er sket en stor udvikling Taktilesensorer Der findes, som beskrevet i afsnit 5.1.1, mange typer taktilesensorer. Til svejserobotter bruges specielt en type. Det er en taktil sensor, som er integreret i værktøjet, den reagerer ved, at der opstår en kortslutning imellem svejseelektroden og emnet, når de rører ved hinanden. Når en taktilsensor benyttes i forbindelse med svejsearbejde, er det enten som startpunktssensor eller til at opmåle svejsesporet. Den sidst nævnte anvendelse fungere ved at robotten starter sit arbejde med at føle sig frem til, hvorledes svejsesporet forløber. Startspunktsensor I følge [Madsen(2004)] bruges taktilesensorer hyppigst som startspunktsensor. Systemet fungerer ved, at robotten programmeres til at føle en svejsebane, og derudover programmeres den til hver gang at søge efter startpunktet inden for et bestemt område. Når startpunktet er fundet, udregnes en vektor imellem det nye startpunkt og det originalt programmerede startpunkt. Til sidst forskydes hele svejsebanen i forhold til den udregnede vektor [Madsen(2004)]. Se figur 5.3. Løste problemer Startpunktssensoreren og systemet til opmåling af svejsespor, kan bruges til at forebygge følgende fejltype: Fejlplacering af svejsesøm (se figur 4.19)

39 5.2 Udbredte Svejsesensorsystemer 39 Figur 5.3: Ved brug af en startpunktssensor forskydes svejsebanen i forhold til en udregnet vektor Through-the-arc Sensorer En Through-the-arc sensor er også en meget enkel sensortype, og det er, som navnet antyder en sensor, der måler igennem lysbuen. Sensoren måler spændingen imellem svejseelektroden og emnet, og desuden den strøm, der sendes igennem. Ved hjælp af disse 2 parameter kan afstanden til emnet udregnes [Madsen(1992)]. Se figur 5.4. Figur 5.4: Spændingen og strømmens forhold til lysbue-længden/afstanden [Madsen(1992)]. Normalt bruges dette sensorsystem som et redskab til at følge det spor, der skal svejses. Det fungerer ved, at svejseelektroden pendler frem og tilbage imellem kanterne på svejsesporet, imens måler den spænding og strømforhold, ud fra disse to faktorer kan den, som beskrevet, udregne afstanden fra emnet. Sensoren indstilles til at holde sig inden for nogle afstandsgrænser, og på denne måde kan den følge sporet. Løste problemer En Through-the-arc sensor kan bruges til at forebygge følgende fejltype: Fejlplacering af svejsesøm (se figur 4.19) Desuden kan en through-the-arc sensor måle følgende parameter (Parametrene og deres betydning ses på figur 4.19): Lysbuelængde Visuelle sensorer En tredje sensor type, der omtales af [Madsen(2004)] og [Nielsen(2004)], som benyttet i svejseindustrien er visuelle sensorer, og som mange af de andre sensor typer findes der mange forskellige visuelle sensorsystemer. I dette afsnit beskrives et system, som bruges i et forsøg lavet af [G. Agapiou(1999)]. Sensorsystemet ses på figur 5.5, og består grundlæggende af de

40 40 Sensorsystemer samme 3 ting, som beskrevet i afsnit 5.1.1: en lyskilde, som er laserlys, hvis retning bestemmes af et spejl, et kamera der opfanger lyset, og en computer, der ved hjælp af ligning 5.1, udregner afstanden til emnet. Ved at bevæge spejlet kan sensorsystemet skanne overfladen af emnet, og derved finde svejsesporet og eventuelt give robotten besked om at korrigere svejseelektroden. h = D x + D y tanθ 2 tanθ 1 tanθ 2 (5.1) Som beskrevet i afsnit 5.1.1, har denne type sensorer problemer med eksternt lys, dette gælder også det kraftige lys fra en svejseproces. Derfor forskes der i at filtrerer lyset i svejseprocessen fra [G. Agapiou(1999)]. Figur 5.5: Princippet i en visuel sensor. Afstanden h kan beregnes ved hjælp af ligning 5.1 Løste problemer En Visuel sensor kan bruges til at forebygge følgende fejltype: Fejlplacering af svejsesøm (se figur 4.19) Desuden kan en visuel sensor måle følgende parameter (Parametrene og deres betydning ses på figur 4.19): Lysbuelængde Udover dette kan en visuel sensor også afslører problemer med svejseemnet. For eksempel vil en visuel sensor kunne opdage samlings fejl, og stoppe svejsearbejdet. 5.3 Eksotiske Svejsesensorsystemer Der findes utrolig mange sensor systemer, som virker på forsøgsbasis, men som af forskellige grunde ikke bliver brugt i industrien. Såvel som der arbejdes på nye teknologier, arbejdes der også på at forbedre eksisterende teknologier, som for eksempel Through-the-arc sensorteknologien. I efterfølgende afsnit beskrives to eksotiske systemer. For at give et overblik over hvad, der i dag er teoretisk muligt med sensorer til svejserobotter Through-The-Arc proces overvågning En Through-the-arc sensor, er beskrevet i afsnit Her er formålet at følge svejsesporet. Ny forskning beskrevet af [D. Barborak(1999)] har dog vist, at der er flere informationer at finde, ved at måle på spændingen og strømmen igennem lysbuen. Der er fundet frem til, at det er muligt at måle følgende fejltype: Fejlplacering af Svejsesøm (se figur 4.19) Derudover kan denne through-the-arc teknologi måle følgende parametre og mellem parametre (Parametrene, nogle af mellem parametrene og deres betydning er vist på figur 4.19):

41 5.4 Nutidens sensorsystemer - opsummering 41 Kvaliteten af startlysbuen Stabiliteten af lysbuen under hele processen Lysbuelængden Gastilførslen Trådtilførslen Endvidere kan følgende problemer afsløres: Problemer med samlingen Problemer med kontaktdysen Det ses, at der er utrolig mange muligheder med denne type sensor, dog giver [D. Barborak(1999)] udtryk for, at ikke alle parametrene er eksplicit givet ved målingerne. Dette forsøg er fra 1999, og det vides ikke, om der er blevet udviklet et produktionsmodent sensorsystem på baggrund af denne teknologi Procesovervågning med ultralyd Kvalitetskontrol ved hjælp af ultralyd bruges i dag manuelt efter endt svejsearbejde. Dette er en god form for kvalitetskontrol. Derfor arbejdes der på at udføre denne kvalitetskontrol automatisk imens svejsearbejdet foregår, så der bliver mulighed for at korrigere robotten, hvis der begynder at opstå fejl. Manuelt kvalitetskontrol ved hjælp af ultralyd, udføres ved at skanne svejsesømmen med ultralyd. Ultralydsbølgerne sendes ind i materialet, og udbreder sig, indtil de bliver stoppet af bunden eller fejl i svejsningen, hvilket reflekterer bølgerne. Ved en god svejsning uden fejl, er der således et indgangsekko og et bundekko. Ved fejl i svejsningen kommer der så yderligere et fejlekko. Alt efter tiden fra udsendelse af impulsen og til modtagelse af ekkoet, kan dybden af eventuelle fejl udregnes [Ejersted(2002)]. En robotsensor beskrevet af [M. Miller(2002)], kan i dag udfører denne form for kvalitetskontrol automatisk. Dette er dog kun på forsøgsbasis og der forefindes ikke informationer om at denne teknologi bruges i industrien. Sensor systemet er vist på figur 5.6. Systemet virker ved, at laseren sender en 20kHz pulserende laserstråle ind på spejlet, hvor den bliver reflekteret ned på svejsesømmen. Hver gang en laserpuls rammer stålet, bliver det opvarmet, og det udvider sig hurtigt. Denne hurtige udvidelse frembringer derved ultralydsbølger i stålet. Disse ultralydsbølger fortsætter igennem stålet, til de bliver opfanget af en EMAT (Elektro-Magnetisk Akustisk Transducer). En EMAT kan opfange ultralyden fordi ultralyden, får stålets partikler til at bevæge sig, hvilket påvirker det magnetfelt, som EMAT en frembringer, og derved skabes der en elektrisk strøm. Til sidst udføres der målinger og beregninger på det elektriske signal, der kommer fra EMAT en. Dette system gør det ifølge [M. Miller(2002)] muligt, at måle på kvaliteten af svejsearbejdet imens det bliver udført. Det vil sige, at de fleste indre fejltyper, beskrevet i afsnit 4.1.3, kan afsløres. 5.4 Nutidens sensorsystemer - opsummering Sensorsystemerne som er udviklet i dag, har mange muligheder. Det er dog kun en brøkdel af disse muligheder, der bliver udnyttet, i tabel 5.1 ses en oversigt over hvilke muligheder der benyttes og hvilke der ikke benyttes: Grundene til, at kun få af mulighederne i tabel 5.1 udnyttes, kan være mange. Prisen på sensorer er dog højest sandsynligt en afgørende faktor. De specifikke priser på sensorsystemerne kendes ikke, men i følge [Madsen(2004)], er visuelle sensorer meget dyre, hvilket sandsynligvis også gælder for mange andre nyere sensorsystemer. Det må dog konkluderes at Through-the-arc sensorteknologien, på trods af at den er billig, ikke udnyttes til fulde. En anden væsentlig grund er højest sandsynligt, at der ved benyttelse af sensorsystemer, som kan måle mange parameter, også er brug for et større programmerings arbejde [Nielsen(2004)].

42 42 Sensorsystemer Figur 5.6: Automatisk overvågning med ultralyd. Opstillingen bruges i et forsøg beskrevet af [M. Miller(2002)] Måles Måles ikke Fejltyper Fejlplacering af svejsesøm (geometrifejl) Indrefejl Parametre Lysbuelængde Kvaliteten af startlysbuen Stabiliteten af lysbuen Gastilførslen Trådtilførslen Andre problemer Problemer med samlingen Problemer med tråddyssen Tabel 5.1: På denne tabel ses en oversigt over de fejltyper, parametre og problemer, der måles og dem der ikke måles, alt i tabellen kan måles med nutidens tilgængelige sensorsystemer. Andre grunde til at sensorsystemer ikke bruges i højere grad, kan i følge [Nielsen(2004)] være, at det tit tilstræbes at kører sensor frit, da dette er mindre tidskrævende. Desuden kan en grund være de intuitive valg af sensorsystemer, beskrevet i afsnit 5.1. Det må konkluderes, at det teoretisk er muligt at løse mange af fejltyperne beskrevet i kapitel 4. Specielt er det muligt, at sørge for, at der ikke opstår geometriske fejl, ved hjælp af visuelle sensorer, taktilesensorer og trough-the-arc sensorer. Derudover er det også muligt at lave automatisk proces overvågning af kvaliteten, altså afsløre de indre fejl, ved hjælp af teknologier som ultralyd. Grundende til at disse systemer ikke vælges, må konkluderes at være: 1 Pris 2 Omfattende programmeringsarbejde 3 Reducering af produktionshastighed 4 Muligvis mangel på kendskab til systemerne 5 Muligvis mangel på produktionsmodne systemer (de eksotiske ) Der er altså mange muligheder med nutidens sensorer, der er dog for mange grunde til ikke at benytte sensorer. 5.5 Sensorsystemer i fremtiden Teknologien indenfor svejseteknik har eksisteret længe og udvikles derfor ikke med revolutionerende produkter. Dog forudsiges en væsentlig udvikling indenfor automatisering af svejse-

43 5.5 Sensorsystemer i fremtiden 43 processen. Den robotteknologi, som i dag findes på markedet, er i samspil med den hidtidigt udviklede sensorteknologi, simulering og programmering i stand til at efterleve det nuværende arbejdsmarkeds krav til kvalitet og produktivitet. Men da kravene fra markedet, som opkøber svejseudstyr, hele tiden er i konstant udvikling, kræves det, at robotteknologien videreudvikles. Eksempelvis foregår en stor del af al svejsning i dag ved lysbuesvejsning. Denne tendens er faldende, og nye svejsemetoder såsom lasersvejsning er ved at vinde indpas. Det betyder ikke, at lysbuesvejning er på vej ud, da nye teknikker kun overtager dele af markedet. Dette kommer af, at selv de ældste svejsemetoder har deres fordelagtige egenskaber. Udviklingen af nye svejsemetoder betyder, at der sættes nye krav til svejserobotten og kontrollen af svejseprocessen [Gunnar Bolmsjo(2002)]. Men også ændringer i virksomhedernes produktion er en drivkraft bag udviklingen. En overgang fra masseproduktioner til komplicerede enhedsproduktioner betyder, at virksomhederne sætter større krav til præcision og fleksibilitet i svejseprocessen. Med fleksibilitet menes der i denne forbindelse at en øget viden i sensoren vil nedsætte behovet for manuel finjustering, og derfor bliver robotten hurtigere at omstille og dermed mere fleksibel. Problemet med de nuværende robotter er, at de er svære at få passet ind i en produktion, hvor der er brug for at udføre varierende opgaver [Madsen(2004)]. Der ses derfor et potentiale i at udvikle forskellige former for sensorer til at gøre robotterne mere alsidige og bedre til at overkomme forskellige opgaver. For at optimere svejseprocessen, er det ikke nok at udvikle sensorerne. Det er også vigtigt at indarbejde inputtet fra sensorerne i styresystemet, således at robotten kan reagere herudfra. Det er oplagt, at offline programmering og simulering af hele svejseprocessen er to andre områder, hvor der skal sættes ind for at optimere processen. GTS-virksomhederne I Danmark er denne udvikling særligt relevant, da der i stor stil udføres nicheproduktion frem for masseproduktion. Så det vil således være af stor betydning, hvis der blev udviklet avancerede robotter, som kunne varetage flere forskellige opgaver [Nielsen(2004)]. For at Danmark teknologisk ikke skal sakke agterud i forhold til vores nabolande, er det nødvendigt, at der hele tiden sker en løbende udvikling. Som det fremgår af kapitel 2, er den danske regering interesseret i at støtte denne udvikling. Denne støtte går blandt andet til GTS-sammenslutningen (Godkendte Teknologiske Serviceinstitutter), der er en vigtig brik i bestræbelserne på at holde udviklingen i gang. Sammenslutningen består af 10 virksomheder, som tager sig af at udvikle Danmarks teknologiske infrastruktur. Det vil sige, at de arbejder på at fremme udvikling og udnyttelsen af ny teknologi, samt at formidle denne nye viden ud til danske virksomheder. På samme måde står de også som et vigtigt bindeled mellem vidensinstitutioner i ind- og udland. Sammenslutningen arbejder mest sammen med små og mellemstore virksomheder i det danske erhvervsliv, hvorfra de skaffer 89% af deres omsætning (resten kommer fra staten). Mange af de store virksomheder står selv for deres teknologiske udvikling. [tek(2004)] Fremtidens svejserobotter Som beskrevet i dette kapitel er det i dag muligt at lave mange forskellige sensorsystemer, hvor mange af systemerne forsøger af efterligne menneskers sanser; her er de visuelle sensorer et godt eksempel. Denne udvikling vil højest sandsynligt fortsætte, da det er logisk at forestille sig, at de maskiner, som skal erstatte mennesker, har de samme menneskelige egenskaber. Det er dog ikke nok, at det kun er sensorsystemerne, der følger denne udvikling. For som beskrevet kræver brug af sensorer et stort programmeringsarbejde. Svejserobotter har derfor også brug for at kunne kopiere menneskets intelligente egenskaber til at fortolke disse sanse/sensor input. En metode til dette er ved at udstyrer robotter med neurale netværk. Neurale netværk Der snakkes om to slags neurale netværk. Det ene er det biologiske, som findes i hjernen hos dyr og mennesker. Det andet er det kunstige, hvor videnskaben kunstigt forsøger at gengive hjernens funktioner. Et kunstigt neuralt netværk er et computerprogram, der arbejder ud fra samme mønster som hjernen. Hjernen arbejder ved, at en masse nerveceller arbejder sammen

44 44 Sensorsystemer om at løse en kompleks opgave. På samme måde er der i et kunstigt netværk en masse små simple computerprogrammer, som samarbejder. Det, der gør forskellen mellem hjernen og de kunstige netværk, er størrelsen. Den menneskelige hjerne har op mod lige så mange nerveceller i hjernen, som der er stjerner i mælkevejen (ca. 25 mia. nerveceller). Det er en enorm kapacitet, set i forhold til nutidens neurale netværk, da disse skulle have samme antal simple programmer, for at nå op på hjernens funktion. Derudover er de kunstige netværk ligesom hjernen indbygget med en evne til at lære. De kunstige netværk bliver programmeret på den måde, at de bliver vist eksempler på, hvordan de skal opføre sig. Præcis på samme måde som når et barn skal lære at sidde pænt ved bordet eller lignende. Det er så meningen, at det kunstige netværk, når det bliver sat i en ny situation, skal være i stand til generalisere ud fra sine erfaringer og handle derudfra. Et neuralt netværk er afhængig af, at det skal have et digitalt input, så det har noget at handle ud fra. I den forbindelse kommer sensorerne ind i billedet, som en nødvendig faktor for denne udvikling [DR(2002)]. 5.6 Vejen mod fremtidens sensorsystem Ud fra emnerne gennemgået i dette kapitel kan det konkluderes, at der er mange muligheder med nutidens sensorsystemer. Dog benyttes sensorsystemerne ikke, da der er for mange grunde til ikke at gøre det. I fremtiden bliver der brug for, at robotterne er fleksible, så de kan klare flere forskellige opgaver. Derfor bliver der brug for nye sensorsystemer, som eventuelt efterligner menneskers sanser efter som, at det er menneskers arbejde de overtager. I udviklingen af nye sensorsystemer er det vigtigt at overveje følgende punkter: Primært Der er i dag for mange grunde til ikke at bruge sensorer, et nyt sensorsystem skal derfor være bedre i forhold til punkterne i afsnit 5.4. Sekundært Fremtidens robotter styres med stor sandsynlighed af neurale netværk, derfor kan fremtidens sensorer interagere med disse netværk og opnå fordelene heraf.

45 Problemformulering Kapitel 6 Hvorvidt der er et behov for at implementere sensorer ved brug af svejserobotter, er afhængig af mange faktorer. Først og fremmest skal der være et produktionsmæssigt grundlag for at benytte sensorerne. En sensors funktion er dobbeltsidig. Den kan sørge for at de forskellige parametre i indstillingerne (DPP) og/eller at den geometriske placering i svejseprocessen er korrekt (DAP). Som regel skal der flere forskellige sensortyper til for at få dækket alle de aktuelle parametre, men det er ikke altid nødvendigt at have fuld overvågning - det afhænger af den enkelte proces. Mens sensorerne udfører denne procesovervågning, kan den samtidig udføre en kontrol af svejsningen, da den kan informere om, hvor der opstår uregelmæssigheder i svejsningen. Foruden perspektivet i, at en sensor skal kunne overvåge processen med henblik på undgåelse af henholdsvis indre fejl og geometrifejl, så omkostninger i forbindelse hermed undgås, vil det være anvendeligt om sensorer kunne sikre en større fleksibilitet ved automatisk kalibrering af robotten. En betydelig omkostning ved robotanlæg er programmeringen, som udføres online. Problemet med offline programmering er, at tolerancerne er for store og præcisionen derved er for ringe [Nielsen(2004)].En sådan kalibrering vil kunne udføres på baggrund af geometrisk orientering, og derfor af samme funktion, som undgåelse af geometrifejl - DAP. Såfremt en sensor kan kalibrere robotten til større præcision, vil dette kunne nedsætte kravet til præcisionen af programmeringsarbejdet, og i perspektiv fremme udbredelsen af offline programmering, hvilket vil mindske produktionsstop. I en svejseproces kan der forekomme et stort antal forskellige fejl, hver især afhængig af forskellige parametre. Dem, der er interessante at se nærmere på, når det diskuteres om der skal indføres en procesovervågning ved hjælp af sensorer, er indre fejl og geometriske fejl. Disse fejltyper kan formindskes ved optimering af de svejseparametre, der har indflydelse på de indre fejl, og en optimering af styringen af robotten, som har indflydelse på de geometriske fejl. Det er dog ikke nok, at grundlaget på produktionsområdet er på plads. Hvis netværket omkring svejseindustrien ikke ønsker at indføre sensorer i den automatiserede proces, vil omstillingen ikke finde sted. Aktørerne i netværket er mange, og hver med deres interesse i udviklingen. Den øgede konkurrence i kraft af globalisering og individuelle kundekrav er en af de aktører, der er i stand til at påvirke svejseindustrien i væsentlig grad. Landene kommer i indbyrdes større konkurrence; det får regeringerne til at øge tiltagene til fordel for et øget samarbejde virksomheder og forskningsinstitutioner imellem. Af de sensorer, der findes på markedet i dag, er de mest brugte taktilesensorer, through the arc sensorer og visuelle sensorer, hver med deres måleparametre. Fælles for dem er, at de som regel detekterer geometriske fejl. Kendskabet til sensorer er mangelfuldt, og mange er endnu på udviklingsstadiet. Men forsøg har vist, at der med de typer, der forskes på i dag, er mulighed for at lave en løbende kontrol af en svejseproces. Holdningen hos mange producenter er dog, at tilføjelsen af sensorer til svejseprocessen er besværlig og gør processen langsommere. I fremtiden vil industrien sandsynligvis have et behov for at gøre deres robotter mere fleksible til at udføre svejseprocesserne, og aktørerne i det omkringliggende netværk er interesseret i at gøre deres indflydelse gældende i samme retning. Det antages at svejsearbejderen er mere

46 46 Problemformulering fleksibel end robotten, fordi han er i stand til at følge processen med sine sanser, og handle ud fra de input, som han modtager her igennem. På baggrund af denne antagelse opstiller vi derfor følgende hypotese: Ved at overføre menneskelige sanser i form af sensorer til en svejserobot, kan svejserobotten gøres mere fleksibel. Fleksibiliteten vil blive opnået således, at svejserobotten bliver i stand til selv at udføre en løbende proces- og kontrolovervågning af svejsningen. Med tiden kan det tænkes, at sensorerne er så godt integreret i systemet, at programmeringstiden nedsættes, eller at sensorerne kan kobles op på et neuralt netværk. Resultatet af denne optimering af svejseprocessen, vil muligvis på sigt således være: Færre fejl = større effektivitet Fleksibilitet ved programmeringen (realisering af offline programmering) = minimering af programmeringstid Automatiseret svejsning af mere komplekse processer For at bevise hypotesen, er det nødvendigt at se nærmere på de fem sanser, som mennesket er i besiddelse af; høresansen, synssansen, følesansen, lugtesansen og smagssansen. I dette projekt er det valgt at undersøge muligheden for at anvende lyd som kontrolfaktor til procesovervågning. Status for udvikling af sensorer til svejseindustrien tegner for, at der endnu ikke er anvendt lyd som potentiel kontrolparameter. Det er projektets formål at tage de første skridt for undersøgelse af lyd som kontrolparameter. Høresansen er valgt, da den for den erfarne svejser er et meget vigtigt redskab i bestræbelserne på at udføre en god svejsning [Nielsen(2004)]. Der er således mulighed for at høre mange af de forekommende fejl med det menneskelige øre, og såfremt dette kunne transformeres om til også at gælde for robotter, ville det være et skridt på vejen mod at udvikle et effektivt sensorsystem. En sensor, der arbejder med lyd, opfylder endvidere nogle af de kriterier, som blev fastlagt for fremtidens sensorsystemer. Mikrofoner af god kvalitet kan i dag fås i små udgaver, således at de ikke forventes at være i vejen for svejseren. Desuden forventes at prisen er væsentlig mindre end for en visuel sensor. For at danne et grundlag til at vurdere om det er muligt at overføre høresansen til robotten, og få den til at arbejde efter denne, er det valgt i de efterfølgende kapitler at beskæftige sig med følgende hovedpunkter: Udvælge specifikke svejseparametre, som det skønnes er mulig at høre variationerne af. Opstille en forsøgsopstilling og foretage målinger for forskellige værdier af den enkelte parameter. Foretage en databehandling af målingerne, for at fastslå om en robot vil kunne blive i stand til at skelne lyden fra henholdsvis en svejsning af god kvalitet og af dårlig kvalitet ud fra de input, den får fra sensoren. Udvikle et program (software), som kan tolke behandlingen af lyden og omsætte disse til brugbare signaler - til eksempelvis automatisk kalibrering af parameterindstillinger. Om lyd kan anvendes til de i problemformuleringen beskrevne perspektiver er uvist, da området tilsyneladende er State-of-the-art. Hovedvægten vil derfor blive lagt undersøgelse af lyd som potentiel kontrolparameter. Er lyd aktuel som kontrolparameter, vil dette - ligesom med andre sensortyper - have perspektiver i form af anvendelse. Projektet vil berører disse perspektiver uden nødvendigvis at redegøre for, om det med lyd er muligt.

47 Lydanalyse Kapitel 7 Med henblik på problemløsningen i form af et stykke software, skal der analyseres på lyden. Med dette i ménte er det væsentligt at se på løsningens overordnede struktur. Programmet har to hovedfunktioner, som det ses figur 7.1. Første mål er at behandle den optagede lyd og omsætte denne til brugbare digitale signaler, som kan bearbejdes. Dernæst skal disse signaler analyseres med hensyn til lydkarakteristik ved parameterændringer. Det næste mål for programmet er at tolke de værdier, som er resultatet af den tidligere behandling og analyse af lyden. Tolkningen består i at sammenholde de indkomne signaler med nogle allerede definerede data (grænser). Tolkningens formål at give nogle brugbare data. Tolkningens output Figur 7.1: Signalbehandling har til formål at beskrive og vurdere processens forløb. Tolkningen sker på baggrund af nogle præ-definerede grænser for, hvad der tilstræbes for at opnå en svejsning af god kvalitet. Output et er en vurdering af processen, som skal komme til udtryk, således der kan ske en handling eller en fejlmelding. På vedlagte cd er der et eksempel på et skema Tolkning af signaler med henholdsvis fejlmelding, symptomer (visuelt), konsekvens, modtræk, samt Illustration. Dette er en måde at anvende tolkningen af værdierne på. Grundlaget for udfærdigelse af Fejlmeldinger sker på baggrund af teorierne fra kapitel 4 og særligt figur 4.19, som beskriver sammenhængen mellem parametre og forekommende fejl. For ikke alene at bygge programmets tolkninger på figur 4.19, er dennes teori forsøgt verificeret i bilag D, hvor der er udført makrostrukturanalyse på nogle af svejsningerne fra forsøget. Dette kapitel omhandler analyse af lydsekvenser fra udførte forsøg med CO 2 -svejsning i den mest almindelig form for konstruktionsstål - St.37. Der er til forsøget udført en række svejsninger, hvor beskrevne parametre er ændret i en forsøgsrække. Ved hver af disse svejsninger er den fremkommende lyd optaget. Formålet med lydmålingerne og analysen heraf er at finde en karakteristika for forskellige parameterændringer. Altså - om det er muligt at høre parameters ændring/variation? I kapitel 8 vil udviklingen af softwaren blive beskrevet. 7.1 Valgte parametre I forsøgsrækken er der ændret på fire forskellige parametre, der er valgt med forskellige argumenter som grundlag, men fælles er at de har indflydelse på svejseprocessen. Et kriterie for de valgte parametre er også, at de alle er mulige at ændre på det udstyr, som der er til rådighed. De valgte parametre er følgende: Strømstyrke Trådfremføringshastighed Gastilførsel

48 48 Lydanalyse Lysbuelængde (afstand til emnet) De tre førstnævnte er alle interessante i henhold til kapitel 4, hvor de forskellige parametres indvirkning på svejseprocessen er klarlagt. Parametrene er netop interessante, da de der har indflydelse på kvaliteten af selve svejseprocessen. I henhold til figur 4.12 har disse indflydelse på den øverste del af pyramiden, der er bestemmende for kvaliteten af den indre svejsning. Den sidstnævnte, lysbuelængden, er interessant i henhold til kapitel 5 med hensyn til styring af robotten. Lysbuelængden er en interessant for orienteringen af robotten, og ikke selve processen. I henhold til figur 4.12 er denne parameter af betydning for niveau 2 i pyramiden - geometrifejl. Formålet med at karakterisere lyden for disse fire parametre, er at optimere på svejsearbejdet, henholdsvis gennem optimering på selve processen ved at forebygge indre fejl, men også optimering af robottens orientering i form af lysbuelængden. Jævnfør tabel 5.4 kapitel 5 detekteres kun få af de mange potentielle fejltyper. Dette er på trods af, at selv en billig sensortype som throught-the-arc kan måle eksempelvis lysbuelængde, gastilførsel og trådfremføring, som også er valgt til forsøgsudførslen. Heraf må vurderes, at nye metoder til procesovervågning ikke umiddelbart er af vejen, da de tilsyneladende ikke vil have konkurrence fra selv eksisterende sensortyper. 7.2 Dataindsamling Forsøgene, der skal underbygge, at en ændring af en af de fire udvalgte svejseparametre vil påvirke svejselyden, er udført i svejselaboratoriet på Aalborg Universitet. I henhold til forsøgsvejledningen, som ses på vedlagte [CD-Rom(2004)], skal der først findes en tilnærmelsesvis ideel svejsning, således at de optimale parametre kan fastlægges og varieres i plus/minus i to niveauer fra udgangspunktet. For hver ændring af en svejseparameter er der udført tre forsøg, således at det vil være muligt, at se om lyden ændrer sig systematisk i forhold til parameteren. I tillæg til disse forsøg er der med jævne mellemrum foretaget lydmålinger af baggrundsstøjen af samme varighed, som det tager at lave en enkelt svejsning. Dette er gjort, da det ved forsøgets start ikke var klart, hvorvidt baggrundsstøjen ville have indflydelse på de endelige lydfiler. Temperaturmålinger af svejseområdet og lokalet er i dette forsøg udeladt. For nærmere specifikation af de indledende forsøg der ligger til grunde for forsøgsopstillingen og selve forsøgsudførslen henvises til henholdsvis bilag B og C. Resultatet af forsøget er 48 lydfiler i waveformat, der er optaget med en samplingsfrekvens på 44.1 khz og en bitdybde på 16 bit. Disse er de samme værdier, som bruges til optagelser på CD er. Dette antages således at være et kvalitetsmæssigt acceptabelt niveau. Alle lydfiler er nummererede efter forsøgsnummer, således at der er en klar sammenhæng mellem tallene på excel-arket på vedlagte cd [CD-Rom(2004)], der indeholder forsøgsdata og lydfilerne. Det var hensigten, at der skulle laves 12 forsøg for hver parameter. Dette lod sig imidlertidigt ikke gøre, da eksempelvis gassen ved idealsvejsningen kørte på højeste niveau. Denne parameter kunne således ikke varieres i to niveauer over normalen, men blev i stedet ændret med tre niveau er under idealen. Lysbuelængden blev ændret med et niveau til hver side, og for den maksimale strømstyrke skete der grundet materialets dimensioner en fuldstændig gennembrænding, hvilket begrænsede antallet af forsøg med maksimal strømstyrke. Samtidig med at svejsningerne blev optaget, var der i enkelte tilfælde snak i lokalet eller døre, der smækkede. Alle forstyrrelser er imidlertid registreret på data-opsamlingsarket (Excel). Data en for de forskellige forsøg er skrevet ind i excel-arket Svejseprøver, som sammen med lydfilerne er lagt ind på [CD-Rom(2004)]. 7.3 Behandling af lyd I efterfølgende afsnit vælges først de metoder, der skal bruges for at analysere den lyddata, som er blevet indsamlet. Derefter bruges metoderne til at behandle lyddataen, og slutligt konklud-

49 7.3 Behandling af lyd 49 eres der på, hvilke parametre der kan måles. Generelt kan lyd beskrives som elastiske molekylesvingninger der bevæger sig igennem luft, væske eller andre faste stoffer. Med andre ord er lyd en energitransport af mekanisk energi, idet molekylerne udfører svingninger omkring en ligevægtsstilling. Hyppigheden af svingninger er det vi kender som frekvens, hvilket normalt måles i svingninger pr. sekund (Hertz). Det menneskelige øre kan opfange et frekvensområde fra ca. 20Hz til 18kHz. I forsøget blev der målt fra 3Hz til 20 khz, altså cirka i samme område som det menneskelige øre. Lyds styrke, altså den amplitude svingningerne har, måles normalt som lydtryksniveauet på en logaritmisk decibel(db) skala. Lydtryksniveauet i db er en relativ størrelse, der udregnes i forhold til et lydtryk på 20 mikropascal. Lydtryksniveauet er udtrykt ved 7.1. L = 20log(p/p 0 ), p 0 = 20mikropascal (7.1) Behandling af de indsamlede lyddata vil igennem rapporten foregå, som om lydfilerne var et hvilket som helst signal. Amplituderne i signalerne vil derfor ikke blive omregnet til lydtryksniveauet i decibel. Dette begrundes med at den hardware, som lyden blev optaget med, reducerer signalet til en ubekendt forholdsmæssig værdi. Amplituderne vil i stedet behandles som den forholdsmæssige værdi, som wav-filerne indeholder, da det er disse værdier, computerprogrammet skal behandle Lydanalyse metoder I dette delafsnit vil det blive beskrevet, hvilke muligheder der er for at analyserer lyd. Denne viden benyttes derefter til at konkludere, hvorledes det er fordelagtigt at analyserer de målte lydsignaler. Teorien vil igennem delafsnittet løbende holdes op imod, hvorledes de målte signaler opfører sig i forhold til andre signaler, hvor de beskrevne analysemetoder med fordel kan bruges. S- lutligt konkluderes det, hvilke fremgangsmåder og analysemetoder, der er relevante i denne sammenhæng og hvilke, der benyttes til analyse af de målte lyddata videre i kapitlet. Indledende lydbearbejdelse Før de målte lydsignaler kan behandles, er det nødvendigt at undersøge om hele signalet skal bruges i en analyse, eller om dele af signalet er uønsket, og derfor skal filtres fra - eksempelvis baggrundsstøjen. Desuden kan det indledningsvis også være en god ide at skabe et overblik over, hvilke karakteristika de forskellige lydsignaler har. Et overblik kan skabes ved at plotte grafer for hver enkelt lydsignal og ud fra disse lave en visuel analyse af signalerne [Christensen(2004)]. En visuel analyse er specielt velegnet, og endda nærmest en nødvendighed i denne sammenhæng, da det på forhånd ikke har været muligt at finde information om lignende forsøg, og det vides derfor ikke, hvilke forskellige karakteristika der kan forventes i lydfilerne. En visuel analyse af de indsamlede lyddata behandles og diskuteres i afsnit Da det som nævnt er helt uvist hvilket karakteristika, der kan forventes, betyder det også at der ikke er dele af signalet, som foruden baggrundsstøjen kan betragtes som uønsket. For eksempel vides det på forhånd ikke, om det kun er i afgrænsede frekvensområder svejselyden ændrer sig, som det er tilfældet når menneskestemme analyseres. Med hensyn til baggrundsstøj, er der udført målinger af denne. På figur 7.2.a ses et udsnit af en optagelse af baggrundsstøjen og på figur 7.2.b ses et udsnit af en optagelse af en ideal svejsning. Ved sammenligning ses det tydeligt, at baggrundsstøjen er meget svag i forhold til idealsvejsningen, og det konkluderes derfor i samråd med [Christensen(2004)], at det ikke er nødvendigt at filtrere denne fra.

50 50 Lydanalyse (a) (b) Figur 7.2: Her ses et udsnit af baggrundsstøjen(a), i forhold til et udsnit af en idealsvejsning(b). Det ses, at baggrundstøjen er meget svag i forhold til selve svejsningen. Baggrundstøjen topper med amplituder på kontra idealsvejsningens 0.45 Frekvensanalyse Som beskrevet i forrige afsnit var det på forhånd ikke kendt, om svejselyden ændrede sig i bestemte frekvensområder. Derfor er en frekvensanalyse en nødvendig del af lydanalysen. Frekvensanalyse foretages normalt på en af følgende måder: Fourieranalyse Waveletanalyse Hver af de to analysemetoder findes i flere forskellige afskygninger med forskellige fordele og egenskaber, hvilket også rækker udover signalbehandling og frekvensanalyser. Blandt andet bruges disse principper også inden for billedbehandling. Fourieranalysen er den traditionelle og stadig den hyppigst anvendte analysemetode til frekvensanalyser, da wavelet principielt først slog igennem for ca. 20 år siden [Polikar(1996)]. Dette projekt vil kun koncentrere sig om Fourieranalysen, for det første da det er den hyppigst anvendte analysemetode. Og for det andet fordi ikke alle de computervæktøjer, der bruges i forbindelse med dette projekt, understøtter Wavelet. En Fourieranalyse bygger på det princip, at en periodisk svingning er sammensat af sin og cos svingninger. Det betyder i henhold til Fourier, at enhver periodisk svingning kan skrives som en Fourierrække. Ligning 7.2 beskriver en Fourierrække, hvor funktionen y(t) er beskrevet som en sum af sinus og cosinus svingninger, f n beskriver de forskellige frekvenser, hvor den laveste frekvens er f 1 = 1 T (T er periodelængden), og hvor de øvrige frekvenser er heltal multipliceret med den laveste frekvens, altså f n = nf 1. A n og B n er henholdsvis amplituderne for de forskellige frekvenser [Jewett(2004)]. y(t) = n (A n sin 2πf n t + B n cos 2πf n t) (7.2) Ligning 7.2 kan dog ikke bruges til direkte analyse af frekvenserne i et signal. Til analyse af frekvenserne bruges i stedet en Fouriertransformation, som er beskrevet ved ligning 7.3, hvor x(t) er det periodiske signal i tidsdomænet - altså det originale signal; et plot af dette signal ville vise en amplitude-tids graf. Der integreres fra minus uendeligt til plus uendeligt - med andre ord over hele perioden. På denne måde transformeres signalet til frekvensdomænet; et plot af dette signal ville blive en amplitude-frekvens-graf[polikar(1996)]. X(f) = + x(t)e 2jπft dt (7.3)

51 7.3 Behandling af lyd 51 Fouriertransformationen beskrevet ved ligning 7.3 er det optimale værktøj, hvis alle frekvenser i et helt signal ønskes fundet. Grundet er, at der opnås en meget høj frekvensopløsning, altså alle frekvenser og deres styrke findes ved brug af dette værktøj [Polikar(1996)]. Ligning 7.3 er dog ikke optimal, hvis det ønskes analyseret hvilke frekvenser signalet indeholder, og hvordan dette ændrer sig over tid. Til at analysere hvordan frekvenserne ændres i forhold til tid, er der i stedet brug for en diskret Fouriertransformation, herunder The Short Fourier Transformation (STFT) og The Fast Fourier Transformation (FFT). Desuden er den diskrete Fouriertransformation også det eneste brugbare i forbindelse med dette projekt, da vi arbejder med et diskret signal (opsamplet ved 44,1kHz) og ikke et kontinuert signal. Ved brug af den diskrete Fouriertransformation benyttes FFT en ofte; her deles hele signalet op i mindre stykker, også kaldet vinduer. Et eksempel på et lille vindue er for eksempel 256 samples, hvilket svare til 0,0058sek i dette tilfælde, det er så muligt at udregne Fouriertransformationen for hver 256 sampels. På denne måde analyseres frekvensændringerne i forhold til tid, normalt udføres disse udregninger på en computer [Polikar(1996)]. En FFT-analyse af en idealsvejsning, ses på figur 7.3.a, og beskrives senere i dette afsnit. Ved brug af Fouriertransformationer kontra diskrete Fouriertransformationer, opstår der et dilemma, som der skal tages højde for; den almindelige Fouriertransformation kan i princippet opfattes som en diskret Fouriertransformation med et uendeligt stort vindue, og den havde som beskrevet en høj frekvensopløsning, men en dårlig tidsopløsning. Dilemmaet er, at hvis der oprettes et mindre vindue, så fås en bedre tidsopløsning, men så falder frekvensopløsningen [Polikar(1996)]. Følgende kan konkluderes: Stort vindue høj frekvensopløsning, lav tidsopløsning. Lille vindue høj tidopløsning, lav frekvensopløsning. Problemet ligger i, at den laveste frekvens er defineret ved f 1 = 1 T, og som periodelængden T bliver mindre, bliver f 1 større. Dette betyder, at ved brug af et lille vindue detekteres de lave frekvenser ikke. Dette kan være et stort problem i nogle sammenhæng, men i dette projekt er det i første omgang ikke relevant, da der først og fremmest skal analyseres, hvilke frekvenser data en indeholder. Til dette er tidsopløsningen ligegyldig, og der bruges derfor et stort vindue. En FFT-analyse med sampels af idealsvejsningen vises på figur 7.3.a. Det ses, at svejselyden indeholder stort set lige meget af alle frekvenser [Christensen(2004)]. Dette skyldes, at den optagede svejselyd består af signaler tæt på den ideale puls. Den ideale puls er en svingning, der er uendelig smal i tidsdomænet, og indeholder derfor alle frekvenser. Til sammenligning kan den samme FFT-analyse af en menneskestemme ses på figur 7.3.b, der ses en tydeligt forskel. (a) (b) Figur 7.3: Her ses en FFT-analyse af en idealsvejsning(a) og af en menneskestemme(b). Det ses at svejselyden indeholder alle frekvenser modsat menneskestemmen Det må konkluderes, at frekvensanalyse ikke har en stor anvendelighed i dette projekt.

52 52 Lydanalyse Pulsmønsteranalyse En frekvensanalyse er altså ikke umiddelbart anvendelig til analyse af svejselyd. Dette kan betragtes som et problem, da en frekvensanalyse ofte er hele løsningen eller en del af en løsning, når lyd skal analyseres. Der er imidlertid andre fremgangsmåder. En af dem er en pulsmønsteranalyse. En pulsmønsteranalyse er et begreb, der er udviklet til dette projekt i samarbejde med [Christensen(2004)]. Formålet med denne analysemetode er at analysere og genkende de mønstre, der opstår i tidsdomænet. Pulsmønsteranalyser kan laves manuelt ved optælling eller automatisk ved anvendelse at computere. Pulsmøsteranalyse er meget velegnet til svejselyd, da signalet er periodiske på den måde, at det hele tiden gentager sig selv, dog ikke med en konstant periodelængde. Fremgangsmåde Ud fra emnerne gennemgået i dette kapitel er der udarbejdet en fremgangsmåde for analyse arbejdet. 1 Det først skridt er en visuel analyse af de målte data. Dette er som beskrevet nødvendigt for at danne et overblik over de fremtrædende pulsmønstre. Der laves manuelle optællinger og optegnelser. Dette leder videre til næste punkt. 2 Andet skridt er en pulsmønsteranalyse, hvilket er afledt af den visuelle analyse. Her laves mere præcise optællinger. Til dette formål fremstilles der computeralgoritmer, der udfører en optælling og genkendelse af mønstre. 3 Sidste og tredje skridt er at samle de analyserede data og der ud fra konkludere på, hvilke svejseparametre der kan detekteres ved hjælp af lyd Visuel analyse På baggrund af de overvejelser, der er beskrevet i afsnittet 7.3.1, baseres analysen af de optagede lydfiler på en visuel gennemgang af filerne for derved at undersøge, om der er systematiske afvigelser imellem lydfiler og svejseparametre. Fremgangsmåden vil blive som følger: 1. Tre lydfiler for den samme svejseparameter og niveauændring sammenlignes rent visuelt ved at studere dem i et lydbehandlingsprogram. Her forstørres de op et vist antal gange, det samme antal for alle tre lydfiler, således at det bliver muligt at se, om der er en overensstemmelse imellem de tre lydfiler. 2. Hvis det er muligt at finde en sammenhæng imellem de tre lydfiler, vælges der en tilfældig lydfil ud. Ved udvælgelsen vil der blive taget hensyn til, om der er støj på signalet i form af udsving fra snak, ventilatorer eller døre som smækker. 3. For at være i stand til at se, om der er systematiske afvigelser i lyden med hensyn til svejseparametrene, tages der et udsnit af lydfilerne til at forstørre op i forskellige niveauer. Området vælges et stykke inde på lydfilen da svejsematerialet i starten af svejsningen endnu ikke er varmet ordentligt op, og derved er lydsignalet ikke tilnærmelsesvist stabilt. Udsnittet må heller ikke ligge for langt henne på lydfilen, da mikrofonen sidder foran svejsepistolen, som derved på et tidspunkt vil pege udover materialet. Udsnittets længde tages i sekunder, som derefter omregnes til samplinger, således at det er muligt at få nøjagtig det samme interval på alle lydfilerne. 4. Da lydfilerne er forskellige i intensitet, opdeles det valgte interval i mindre delintervaller, så det er muligt at sammenligne lydfilerne på flere niveau er. De valgte lydfiler deles op i følgende niveauer: 5 sekund i intervallet af samples

53 7.3 Behandling af lyd 53 1 sekund i intervallet af samples 0.5 sekund i intervallet af samples 0.1 sekund i intervallet af samples 0.05 sekund i intervallet af samples 0.01 sekund i intervallet af samples De valgte intervaller gentages ikke flere gange i samme lydfil, da de ikke skal danne grundlag for statistisk materiale, men blot danne et overblik over en sammenhæng imellem lyd og parameterændring. 5. Lydfilerne tegnes ind som grafer, alle i intervallet fra [-0.8 ; 0.6] som værdier på y-aksen. Desuden laves der en fast Fouriertransformation på alle de valgte filer, for at verificere, at de bliver ens på trods af filernes forskellighed. 6. De udvalgte filudsnit studeres for karakteristika I det følgende afsnit vil de fire svejseparametre blive gennemgået. Først vil det blive undersøgt, hvorvidt der på lydfilen kan findes en karakteristika for den tilnærmelsesvise idealsvejsning, baseret på kortslutningshastighed, tilnærmelsesvis mønstergenkendelse og energiindhold omkring nullinjen. Derefter undersøges de resterende lydfiler for afvigelser fra den tilnærmelsesvise idealsvejsning og for egenkarakteristika. Generelt er analysen koncentreret omkring den negative del af y-aksen. Ideal Idealsvejsningen er udført med følgende indstillinger: Trådhastighed = 4,2 enhed mm/sek, strømstyrke = 4 A, gas = 30 l/min og lysbuelængde = 12 mm. For idealsvejsningen er det vurderet, at de tre lydfiler, som omfatter forsøg nummer 7, 8 og 9, tilnærmelsesvist ligner hinanden. Da der ikke er snak eller anden markant baggrundsstøj på de optagede filer, er fil nummer 8 valgt tilfældigt ud. På den graf, der viser fem sekunder af lydfilen [CD-Rom(2004)], er det ikke muligt at se et mønster foruden, at der er mange kortslutninger. På grafen for et sekund, er det muligt at optælle, at 87 gange er amplituden mindre end -0.4, og at mængden af de kortere udsving varierer langs x-aksen. Energiindholdet hen over midten er således ikke konstant. Bliver signalet forstørret mere op, kan en vis systematik i udsvingene for kortslutningen anes. På figur 7.4.b, der viser et udsnit på 0.1 sekund af signalet, er dette mønster forsøgt vist. Ved punktet 1 er udsvingene små, men det kun i en kort periode. Mellem 1 og 2 stiger udsvingene ned til -0.2 for ved punktet 3 at blive mindre end ved punktet 1. Efter 3 forøges udsvingene brat ud til punktet 4, der er markeret ude omkring For derefter ved punkt 5 at falde til noget der i størrelsesorden ligner udsvingene ved 1. Efter punkt 5 er udsvingene ujævne, før de atter ender i punkt 1. Det her definerede mønster er ikke 100 % enslydende for hele kurven, men i grove træk kan det siges, at idealsvejsningens lydfil følger denne bane. Tråd Ved forsøgene med varierende i trådhastighed, er der som planlagt ændret fire gange på parameteren, to niveau er til hver side af den trådhastighed, der er benyttet ved den tilnærmelsesvise idealsvejsning mm/sek. De benyttede trådhastigheder er derfor: Trådhastighed:1 mm/sek, filnummer 18, 19 og 20, mikrofonen falder ud på forsøg nummer 20, så fil nr. 19 er valgt til at arbejde videre med. På grafen, der viser hele lydbilledet, er det ved denne trådhastighed tilnærmelsesvist muligt at aflæse alle de udsving, der er mindre end På grafen 7.5 aflæses dette til at være på fire udsving pr. sekund, hvor to af dem kommer tæt efter hinanden. Omkring nullinjen er udsvingene jævnt fordelt, således at udsvingene næsten ligner en lang fed sort streg, dog med enkelte undtagelser, der har et lidt større udsving.

54 54 Lydanalyse (a) (b) Figur 7.4: a) Grafen viser et sekund af lydfilen for forsøg 8 for den tilnærmelsesvise ideale svejsning. b) Grafen viser 0.1 sekund af lydfilen for forsøg 8 for den tilnærmelsesvise ideale svejsning Figur 7.5: Grafen viser et udsnit af lydfilen fra forsøg 19 i tidsintervallet et sekund

55 7.3 Behandling af lyd 55 Trådhastighed: 2.6 mm/sek, filnummer 21, 22 og 23, hvoraf 23 er valgt. Som det fremgår af figur 7.6, er antallet af udsving, der er mindre end -0.4, i dette tilfælde cirka 11 gange pr. sekund, men udsvingene kommer ikke regelmæssigt efter hinanden, nærmere i perioder. Mønsteret fra idealsvejsningen er udjævnet, og de korte udsving er større end for den lavere trådhastighed. Figur 7.6: Graf, der viser et udsnit af kurven for trådhastighed 2.6 i et sekund Trådhastighed: 7.1 mm/sek, filnummer 15, 16 og 17, hvoraf 16 er valgt. Når trådhastigheden stiger, falder antallet af udsving med en amplitude, der er mindre end -0.4 ligeledes, og frekvensen er nu på ca 43 udsving pr. sekund, se figur 7.7.a. De korte udsving omkring nullinjen er stadigvæk stabile, men der er en del flere af de mellemlange udsving, hvilket giver en mere uregelmæssig graf, som kan ses på figur 7.7.b. (a) (b) Figur 7.7: a) Grafen viser et sekund af lydfilen for forsøg 16 med trådhastighed 7.1 mm/sek. b) Grafen viser 0.1 sekund af lydfilen for forsøg 16 med trådhastighed 7.1 mm/sek Trådhastighed: 10 mm/sek, filnummer 12, 13 og 14, hvoraf 14 er valgt. Antallet af udsving, der er mindre end -0.4 er stadig færre end for idealsvejsningen, men flere end for den lidt lavere trådhastighed på 7.1 mm/sek, den er i dette tilfælde på ca. 61 pr. sekund. Desuden kommer udsvingene ikke stabilt, men samlet i perioder og enkeltvis, se figur 7.8. De korte udsving er stadig jævne, men der er en del af de mellemlange udsving. Enkelte steder bøjer grafen af i noget, der kan ligne begyndelsen til en sinus- eller cosinuskurve, dette er dog karakteristisk for alle tre lydfiler, og skyldes således ikke en pludselig støjkilde.

56 56 Lydanalyse Figur 7.8: Graf der viser et udsnit af grafen for trådhastigheden 10, i et sekund Strøm Forsøgene, der omhandler ændringen i strømstyrken, inkluderer ligesom ved trådhastigheden fire niveau ændringer, med to på hver side af den til idealsvejsningen benyttede strømstyrke. For strømstyrken på 10 ampere, er der kun optaget én lydfil, da der var en total gennembrænding. 1 ampere, filnummer 28, 29 og 30, hvoraf nummer 28 er valgt. Antallet af udsving med en amplitude, der er mindre end -0.4 er på cirka 44 udsving per sekund, som kommer med en lidt blandet fordeling. Mønsteret fra idealsvejsningen er her forsvundet, da de små udsving ligger pænt omkring samme størrelse med enkelte variationer, se figur 7.9. Figur 7.9: Graf der viser et 1 sekund langt udsnit af lydfilen for en svejsning med strømstyrke 1 A 2 ampere, filnummer 31, 32 og 33, hvoraf nummer 32 er valgt. For denne strømstyrke er det i store træk samme forhold, der gør sig gældende, som for den lavere strømstyrke. Antallet af udsving, der er mindre end -0.4 er på cirka 46 pr. sekund og de lave udsving er tæt fordelt med samme størrelse. Dertil kommer en ujævn fordeling af de mellemlange udsving, se figur ampere, filnummer 25, 26 og 27, hvoraf nummer 26 er valgt. Her er antallet af udsving, der er mindre end -0.4 er på cirka 14 pr. sekund, se figur 7.11.a. Hvad der næsten er mere interessant er, at det mønster, som kan findes på lydfilerne for idealsvejsningen, går igen for denne strømstyrke. Denne gang blot med længere mellemrum imellem de definerede punkter, som det ses af grafen der viser lydfilen i et udsnit af 0.1 sekund, hvor afstanden imellem 1 og 2 er betydelig længere end for idealsvejsningen. Som det fremgår af 7.11.b bøjer lydudsvingene også her pludselig af i trigonometriske kurver.

57 7.3 Behandling af lyd 57 Figur 7.10: Graf der viser et sekund af forsøg 32, med strømstyrke 2 A (a) (b) Figur 7.11: a) Grafen viser et sekund af lydfilen for forsøg 26 med strømstyrke 7 A. b) Grafen viser 0.1 sekund af lydfilen for forsøg 26 med strømstyrke 7 A

58 58 Lydanalyse 10 ampere, filnummer 24. Lydfilen for en strømstyrke på 10 ampere er en del anderledes end de andre filer. Det kan selv med det menneskelige øre høres, at lyden er mere blød end for de øvrige filer. Ved denne strømstyrke er det tilmed muligt at tælle antallet af udsving, der er mindre end -0.4 allerede på figur 7.12, som viser hele lydfilen. Denne indeholder således otte af de store udsving i alt. Endvidere ses det, at udsvingene enkelte steder er så lav, at det næsten ser ud som om, at mikrofonen er sat ud. Figur 7.12: Grafen viser forsøg 24 i fuld størrelse, med strømstyrke 10 A Gas Ved forsøgene med forskellige mængder tilstrømning af gas er der ved idealsvejsningen skruet helt op for gassen, således at den køre med en udstrømning på 30 l/min. Der er således reguleret i tre niveau er nedad. 20 l/min, filnummer 34, 35 og 36, hvoraf fil nummer 35 er valgt. Det antal svingninger, der er mindre end -0.4, er i dette tilfælde fundet til at være 115 gange pr. sekund, hvilket er noget højere end de 87 gange for idealsvejsningen, se figur 7.13.a. Fælles for de to forskellige lydfiler er, at mønsteret fra idealsvejsningen i store træk går igen, når gassen skrues ned. Mønsteret er lidt kortere, hvilket er naturligt, da frekvensen for de store udslag er større. Men ellers kan det genkendes, at udsvingene ved punktet 1 er små, for ved punkt 2 at være steget en smule. Ved punkt 3 falder udsvingsstørrelsen igen ned til næsten ingenting. Det store udsving kommer igen ved punkt 4, og ved 5 er udsvingene i størrelse nærmest som ved punkt b. (a) (b) Figur 7.13: a) Grafen viser et sekund af lydfilen for forsøg 35 med et gasflow 20 l/min. b) Grafen viser 0.1 sekund af lydfilen for forsøg 35 med et gasflow 20 l/min

59 7.3 Behandling af lyd l/min, filnummer 37, 38 og 39, hvoraf fil nummer 38 er valgt. Sættes udstrømningen af gassen længere ned, falder antallet af de store udsving til cirka 109 pr. sekund. Det er dog stadig højere end ved den tilnærmelsesvis ideale svejsning, se figur 7.14.a. Igen ses, at det samme udsvingsmønster, som fra den ideale svejsning, går igen på figur 7.14.b. (a) (b) Figur 7.14: a) Grafen viser et sekund af lydfilen for forsøg 38 med gasflow 10 l/min. b) Grafen viser 0.1 sekund af lydfilen for forsøg 38 med gasflow 10 l/min 0 l/min, filnummer 40, 41 og 42, hvoraf fil nummer 41 er valgt. I den situation hvor der ingen gas er, er antallet af de store udsving, der er mindre end -0.4 faldet markant ned til cirka 52 pr. sekund, se figur 7.15.a. Også udsvingsmønsteret har ændret sig en smule, hvor udsvingene før var skiftevis store - dernæst små, er punkt nummer 1 i dette tilfælde placeret lige efter det store udsving; her falder det til punkt nummer 2 for atter at blive til et stort udsving 7.15.b. På figur 7.15.a ses der, at til forskel for de to andre parameterændringer, er der i denne lydfil en betydelig mængde enkeltstående mellemlange udsving. (a) (b) Figur 7.15: a) Grafen viser et sekund af lydfilen for forsøg 41 med gasflow 0 l/min. b) Grafen viser 0.1 sekund af lydfilen for forsøg 41 med gasflow 0 l/min Lysbuelængde For lysbuelængden gælder, at der kun er lavet en niveau-ændring til hver side af den oprindelige lysbuelængde. Ændringerne er sket til 9 mm og 15 mm. Det er dog ikke så ligetil at sammenligne disse lydfiler tre og tre, da det må konstateres, at ingen af dem ligner hinanden.

60 60 Lydanalyse 9 mm, filnummer 43, 44 og 45. Alle lydfiler er valgt, da de ikke er ens. Fil nummer 43 har kun cirka 17 af de store udsving, der i øvrigt kommer ujævnt fordelt. Der er ikke noget typisk mønster, andet end at de mellemlange udsving kommer med jævne mellemrum, en pr. hver 321 sample. Forsøg nummer 44 har lidt flere af de store udsving, cirka 32 pr. sekund. Også her er der en del af de mellemlange udsving, til gengæld anes svagt det mønster, som kendes fra den ideale svejsning. For det sidste forsøg med en lysbue på 9 mm, nummer 45, steg antallet af de store udsving til 135 pr. sekund, mens antallet af de mellemlange svejsninger faldt drastisk. Mønsteret fra idealsvejsningen genkendes desuden tydeligt. 15 mm, filnummer 46, 47 og 48, hvoraf fil nummer 48 er valgt. I lydopsamlingsprogrammet er det konstateret, at de tre filer var forskellige. Men da der er snak på den ene og mikrofonen falder ud på den anden, er det valgt kun at se nærmere på nummer 48. Antallet af de store udsving er faldet til omtrent 77 pr. sekund. Der er stort set ingen af de mellemlange udsving, og mønsteret i de små udsving genkendes som tilnærmelsesvis det samme som for idealsvejsningen. Da lydfilerne for lysbuesvejsningerne er så markant forskellige, er det valgt ikke at medtage disse i rapporten, da det ikke er muligt at arbejde videre med disse filer. Ønskes det at se nærmere på forskellen her imellem, kan graferne ses på vedlagte [CD-Rom(2004)]. Visuel analyse - opsummering Den visuelle gennemgang af forskellige udsnit af de optagede filer antyder, at det er muligt at finde en systematisk sammenhæng imellem ændringerne i svejseparametrene og ændringerne i lydbilledet. Det må dog konstateres at for ændringer i lysbuelængden har de udførte forsøg ikke været tilstrækkelige til at fastslå en sammenhæng, da hver lydfil opfører sig forskelligt. Derfor vil den efterfølgende analyse ikke beskæftige sig med disse filer. For både trådhastigheden og strømstyrken gælder, at når parameteren ændres, vil udfaldene af udsvingene, der er mindre end -0.4, falde. For en stigende trådhastighed gælder, at kurven på et tidspunkt vender, og antallet af de store udsving stiger igen. De karakteristiske store udsving, defineres herefter som kortslutninger, og hyppigheden af dem som kortslutningsfrekvenser. Det for idealsvejsningen karakteristiske mønster forsvinder ligeledes når paramateren ændres i begge retninger. Undtagelsen er, når strømstyrken stiger, hvor mønsteret bevares, men kommer med mindre frekvens end før. For gasflowet gælder, at antallet af de store udsving først stiger og derefter aftager med mindre gas, indtil gassen forsvinder helt, hvorved frekvensen ligeledes falder. Det definerede mønster fra idealsvejsningen går igen ved ændringer i gasudstrømningen. Ündtaget er, når der lukkes helt for gassen, hvilket giver flere enkeltstående mellemlange svejsninger. Det er karakteristisk, at når den enkelte parameter ændres fra den optimale position, bliver lydbilledet ofte ujævnt, og der optræder en del flere af de enkeltstående mellemlange udsving. Dette gælder for de lydbilleder, hvor det karakteristiske mønster forsvinder. De forskellige Fourier-analyser, der ikke er blevet behandlet i dette afsnit, men som kan ses på vedlagte [CD-Rom(2004)], viste nogle generelt ens billeder i forskellig størrelse. Det var som forudsagt altså ikke muligt at lave en karakteristik af lydfilerne ved hjælp af denne metode. Resultaterne af den visuelle analyse kan sammendrages som følger Ud fra de ovenstående iagtagelser, vurderes det, at det er muligt visuelt at se forskel på de forskellige lydfiler. Skal et computerbaseret program imidlertid være i stand til at gøre samme iagtagelse, er det relevant at arbejde videre med de her nævnte ændringer, såsom antallet af udsving, der passerer en bestemt værdi. Det være sig små, store eller mellemværdier, samt med hvor stor afstand de gør det, eller en form for mønstergenkendelse. Målet er derved at skabe et system, der skal være i stand til ikke bare at konstatere, at der er sket en fejl, men også at kunne genkende fejltypen.

61 7.3 Behandling af lyd 61 Trådhastigheden stiger Kortslutningshastigheden falder for derefter at stige igen. Mønsteret omkring nullinjen er jævnt med regelmæssige udsving. Der er enkeltstående mellemlange udsving. Trådhastigheden falder Kortslutningshastigheden falder. Mønsteret omkring nullinjen er først bredt og ujævnt, for derefter at blive jævnt med regelmæssige udsving. Strømstyrken stiger Kortslutningshastigheden falder. Det karakteristiske mønster fra idealsvejsningen bevares, men perioden stiger og derfor falder mønsterfrekvensen. Strømstyrken falder Kortslutningshastigheden falder. Mønsteret omkring nullinjen bliver jævnt med enkeltstående mellemlange udsving. Gasudstrømningen falder (men er der stadig) Kortslutningshastigheden stiger. Det karakteristiske mønster fra idealsvejsningen er tilnærmelsesvist bevaret. stop- Gasudstrømningen per Kortslutningshastigheden falder, udsvingene for idealsvejsningens karakteristiske mønster falder. Det betyder, at der kommer flere enkeltstående mellemlange udsving Pulsmønster analyse For at analysere de i det ovennævnte afsnit nævnte karakteristika for de forskellige ændringer, udarbejdes der i det efterfølgende afsnit en pulsmønsteranalyse, hvor mønstrene i lyddata en skal optælles og analyseres. Ud fra den visuelle analyse vurderes det, at der er to hovedpunkter at arbejde videre med: Hyppighed af udsving i forskellige længder Idealsvejsningens karakteristiske mønster. Til optælling af mønstrene skal der udvikles nogle computeralgoritmer, algoritmerne beskrives i efterfølgende underafsnit. Herefter benyttes algoritmerne til optælling og data en analyseres. Computer algoritmer Til optælling af mønstre i lyddata en anvendes m-file programmering i Matlab. Der er eksperimenteret med forskellige algoritmer, hvoraf tre er benyttet til det videre arbejde, de er derfor beskrevet i denne rapport. Algoritmerne kan ses på [CD-Rom(2004)]. Desuden er algoritmernes funktion/flow beskrevet i bilag F. Det er besluttet, at følgende skal optælles: Store kortslutningsmellemrum Kortslutningsfrekvens Idealmønster analyse I det efterfølgende beskrives den overordnede tankegang omkring algoritmerne til optælling.

62 62 Lydanalyse Store kortslutningsmellemrum Med betegnelsen store kortslutnings mellemrum menes de mellemrum mellem kortslutningerne, som er dobbelt så store som gennemsnittet. Dette tal giver en værdi for, hvor stabil svejsningen er, hvilket kan vise sig at være en nyttig information. Algoritmen til udregning af dette findes i m-filen enshed.m, som befinder sig på [CD-Rom(2004)]. Desuden er algoritmens flow beskrevet i bilag F.5 Algoritmen udregner først, hvor store mellemrummene er fra sample til , altså i 5 sekunder udtaget cirka fra midten af filen. Dette gøres ved at tælle samples fra én kortslutning til den næste. Mellemrummene bliver kun medregnet hvis de er større end 50 samples. Dette er gjort for at frasortere de gange, hvor en kortslutning har flere punkter, der er mindre end -0,4. Når længderne på alle mellemrummene er fundet, udregnes et gennemsnit. Desuden tælles de længder, der er dobbelt så store som gennemsnittet. Hvis algoritmen ønskes testet, kan dette gøres i Matlab; værdien store kortslutnings mellemrum findes i output array et på plads (7,1). Idealmønster analyse Analysen af idealmønsteret udføres ved hjælp af en algoritme designet til at optælle antallet af et defineret ideal mønster; dette kan give en værdi for, hvor meget en lydfil ligner en idealsvejsning. Algoritmen begynder med at lave de negative samples om til et signal, der kun består af positive værdier fra 0 til 9. Værdierne bliver udregnet således, at hver værdi er et gennemsnit af de 20 omkringliggende værdier. Der udregnes dog ikke et gennemsnit, hvis der i de 20 omkringliggende værdier befinder sig en kortslutning. Er dette tilfældet sættes værdien til 9. Et originalt signal kan ses på figur 7.16.a og det samme signal, resamplet med algoritmen, ses på figur 7.16.b. Resamplingen udføres, da det nye signal er pænere end det originale. Hermed menes, at værdierne kun er positive og kun kan ændre sig ad 10 trin. (a) (b) Figur 7.16: (a) viser et ubehandlet signal, (b) viser det samme signal samplet med moensterlyd.m Efter at signalet er samplet om til det nye signal, udføres analysen af idealmønsteret. Denne består af en række if-then sætninger, som undersøger i hvilken rækkefølge signalet antager bestemte værdier. Algoritmen der udfører analysen af idealmønsteret er en del af m-filen moensterlyd.m, og findes på [CD-Rom(2004)]. Desuden beskrives resamplingen i bilag F.2 og mønster analysen beskrives i bilag F.3. Kortslutningsfrekvens Kortslutningsfrekvensen udregnes ved hjælp af en algoritme, der er en del af m-filen enshed.m. Denne m-file benyttes som beskrevet også til udregning af Store kortslutnings-mellemrum, hvilket er beskrevet tidligere i dette afsnit. Algoritmens flow beskrives i bilag F.5. Kortslutningsfrekvensen udregnes som et bi-produkt af mellemrums udregningen, da antallet af mellemrum

63 7.3 Behandling af lyd 63 svare til antallet af kortslutninger og kortslutningsfrekvensen er kortslutninger pr. sekund. Som beskrevet kan enshed.m testes i Matlab. Kortslutningsfrekvensen findes på plads (3,2) i output array et. Analysearbejde Ved brug af de før omtalte computeralgoritmer, kan alle lydfilerne nu behandles, og ikke blot en enkelt udvalgt, som i den visuelle analyse. Derved bliver det med talværdier muligt, at se om de forskellige lydfiler ligner hinanden. Endvidere kan der nu tegnes et gennemsnitsbillede af lydfilernes opførsel for den enkelte parameterændring. Tabellerne, der ligger til grunde for de tegnede grafer 7.17, 7.18 og 7.19 kan ses på det vedlagt excel-ark, som er vedlagt på [CD-Rom(2004)]. Tråd På figur 7.17 ses resultaterne efter brug af de beskrevne algoritmer for tråd. Værdierne ses som grafer i forhold til hinanden. Udover de omtalte værdier er forskellen imellem kortslutningsfrekvensen og antal idealmønstre også vist, da denne er med til at vise forskellen i parameterændringen. Ændringer i forskellen kan nemlig vise i hvilken retning tråd parameteren ændrer sig. Figur 7.17: Grafen der viser den gennemsnitlige ændring i pulsmønsteranalysen i sammenhæng med trådhastigheden Strøm På figur 7.18 ses hvordan de udregnede værdier ændrer sig for strøm. Her er forskellen imellem kortslutningsfrekvensen og antal idealmønstre også lagt ind. Der skal gøres specielt opmærksom på, at forskellen også her viser om parameteren, i dette tilfælde strøm, falder eller stiger. Men det er desuden så heldigt, at forskellen har den modsatte hældning i forhold til trådhastigheden. En anden ting, der adskiller tråd og strøm er karakteristikken for store kortslutningsmellemrum, se figur 7.17 og figur Gas Som det ses på figur 7.19 ændrer de forskellige udregnede værdier sig ikke meget i forhold til at gassen ændres. Dette betyder, at det højest sandsynligt bliver meget svært at måle en ændring i gassen. Det ses dog tydeligt, at ved en gas udstrømning på 0 l/min er det ikke en god svejsning, da blandt andet antallet af idealmønstrene falder.

64 64 Lydanalyse Figur 7.18: Graf der viser den gennemsnitlige ændring i pulsmønsteranalysen i forhold til strømstyrken Figur 7.19: Graf der viser den gennemsnitlige ændring i pulsmønsteranalysen i forhold til gas-udstrømningen

65 7.4 Opsummering 65 Resultater Ved brug af computeralgoritmerne enshed.m og moenster.m er alle lydfilerne systematisk bearbejdet. Det er vurderet, at udfaldet ved ændringer i de tre parametre strøm, tråd og gas, er sammenhængene, og der er tegnet grafer over værdierne, så ændringer kan ses i forhold til hinanden. På baggrund heraf kan hver enkelt parameterændring ikke tilfredsstillende skilles fra hinanden. Dette kan dog forklares ved at de forskellige ændringer er hinandens modsatte. Eksempelvis er ændringerne for den stigende trådhastighed og den aftagende strømstyrke i et interval omkring idealsvejsningens parametre relativt ens. Dette giver mening, da en stigende trådhastighed medfører samme konsekvens, som hvis strømstyrken faldt. Samme billede er ikke helt så klart for den aftagende trådhastighed og stigende strømstyrke. Begge har faldende mønstergenkendelse og kortslutningshastighed, men for den aftagende trådhastighed er forskellen imellem disse to aftagende, mens den for den voksende strømstyrke er svagt stigende, på nuværende stadie kan det ikke vides, om denne afvigelse vil udjævnes ved flere forsøgsudførelser. For gassen må det på baggrund af de udførte forsøg konkluderes, at det umiddelbart ikke er muligt at detektere den store forskel i lyden for mindre ændringer i gasudstrømningen. Når gassen forsvinder helt, sker der imidlertidigt en sporbar ændring på linje med hvad der sker ved de andre parameterændringer. Kortslutningshastigheden falder og mønstergenkendelsen falder, mens forskellen imellem de to stiger. 7.4 Opsummering For at klarlægge om auditiv overvågning kan bruges til svejseprocesser, er der til forsøget valgt 4 parametre ud. Parametrene blev valgt til at være strømstryke, trådfremføring, gastilførsel, og lysbuelængde. Under forsøget blev der lavet optagelser under hver enkelt svejsning, og resultatet blev 48 lydfiler af formatet wav. Tre for hver parameterændring. Lydfilerne blev optaget med en sampelfrekvens på 44,1 khz og en bitdybde på 16 bit. Forsøgsdataene ses på [CD-Rom(2004)]. Efter dataindsamlingen blev data en analyseret. Dette er først gjort ved hjælp af en visuel analyse, og derefter en pulsmønsteranalyse. Det er som beskrevet ikke muligt at lave en brugbar frekvensanalyse af lydfilerne, da svejselyden består af signaler tæt på den ideelle puls, som indeholder alle frekvenser. Ud fra den visuelle analyse blev der dannet et overblik over påvirkningerne i lyden, og der blev opbygget en viden om, i hvilken retning pulsmønsteranalysen skulle gå. Desuden blev det under den visuelle analyse konkluderet, at forsøgsdata en for parameteren Lysbuelængde ikke var god nok, da de tre lydfiler for Lysbuelængde 15 og Lysbuelængde 9 var forskellige. På baggrund af den visuelle analyse er der udviklet computeralgoritmer i Matlab, som efterfølgende blev brugt til at analysere lydfilerne. Der blev udregnet gennemsnitsværdier for hver parameterændring. Ud fra gennemsnitsværdierne kan det konkluderes, at det er muligt at detektere, at der sker ændringer i lyden, når tråd og strøm ændres, men det er kun delvis muligt, specifikt at adskille disse to parametre og detektere i hvilken retning ændringen går. Se figur 7.17 (Tråd) og figur 7.18 (Strøm). Endvidere kan det konkluderes, at det er muligt at få et program til at detektere disse parameterændringer. For gas var billedet ikke helt så tydeligt, da mindre ændringer i gasudstrømningen ikke påførte lydfilerne den store ændring. Det kan dog tages op til overvejelse, om gassen var indstillet til den rette udstrømning. Da en regulering af gassen til 20 l/min gør, at kortslutningsfrekvensen vil have samme mønster, som for strømstyrken og trådhastigheden. Til sidst må det konkluderes, at der er mange muligheder i auditiv overvågning af svejserobotter, der er dog brug for flere forsøg. Både forsøg, der ligner dem, der er udført i dette projekt, men også andre forsøg, som der er opstået ideer til igennem dette projekt Perspektivering af forsøget På baggrund af forsøgsresultaterne ses det, at ændringer i nogle af svejseprocessens parametre giver en lydmæssig ændring. Nogle ændringer var mere markante end andre. Desuden er det ud fra de målte data muligt at opstille karakteristika for enkelte parametre. Hermed må det siges,

66 66 Lydanalyse at formålet med forsøget er opfyldt, det er muligt at registrere ændringer i lyden, når svejseparametrene ændrer sig, og en auditiv overvågning er således ikke udenfor rækkevidde. Dermed er forsøgsrækken omkring den akustiske overvågning ikke færdig, da det udførte forsøg kun er indledende, og baseret på formodninger om, hvordan forsøget skulle opbygges. Imidlertidigt er der under forsøget opstået ny viden om, hvorledes forsøg med lyd bør udføres, som er grundlag for videre overvejelser til at udbygge forsøget med, og lave en endnu mere specifik forsøgsrække end denne første. Som sagt er der fundet en karakteristik af ændringer i trådhastighed og strømstyrke, det kan imidlertid ikke vides, om denne karakteristik er unik for netop denne ændring, hvilket ændringerne når gasudstrømningen formindskes antyder. For gasudstrømningen gælder, hvilket for så vidt gælder for alle parametrene, at nye forsøg med mindre måleintervaller er nødvendig for at klarlægge et mere præcist billede af ændringerne, der for nuværende kun er karakteriseret i enkelte punkter med store variationsintervaller. Ved at foretage målinger af mindre måleintervaller, kan tolerancerne for lydudsvingene mere nøjagtig bestemmes og kurverne på figur 7.17, 7.18 og 7.19 fastlægges. For lysbuelængden var de optagede lydfiler uregelmæssige og derved ikke brugbare til sammenligninger. Hvorfor dette forholder sig således, og om dette er lysbuelængdens karakteristik, kræver en nøjere undersøgelse, ligesom det kræver flere forsøg at kunne stadfæste, at de opnåede måledata for de andre forsøg til hver en tid vil resultere i det i analysen fastlagte mønster. I fremtidige forsøg vil det desuden være relevant at medtage faktorer, som i dette forsøg er udeladt. Eksempelvis er intensiteten af en lydbølge igennem lydens hastighed påvirket af temperaturændringer, hvilket kan være af betydning ved auditiv overvågning af en svejseproces, da der naturligt forekommer varme i målezonen. Andre faktorer kunne være en stillingtagen til baggrundstøj på produktionsstedet, da der er mulighed for at der på en arbejdsplads er mere larm end på et laboratorie. Til udarbejdelse af en fremtidig forsøgsrække er der igennem dette forsøg således lagt et grundlag, som der kan arbejdes videre med. Derved kan resultaterne optimeres og til sidst opnå en samlet viden omkring hvordan lydbølgerne ændrer sig i forhold til ændringer i svejseprocessen. En udvidelse af forsøget vil indbefatte en undersøgelse af, hvad der sker, når parametrene ændrer sig samtidig. Der eksisterer således stadig en lang proces, førend at den akustiske overvågning af en svejseproces kan tages i brug i índustrien. Men såfremt processen bliver gennemført, er det ikke utænkeligt, at indarbejdelsen af en enkelt sensor vil kunne kontrollere og styre et vist antal parametre.

67 Implementering på robot Kapitel 8 Dette kapitel omhandler implementering af teknikken på et automatiseret svejseanlæg. I kapitel 7 blev det analyseret, hvorvidt forskellige parametre kan karakteriseres ved hjælp af lyd. Projektets formål er at erfare, hvorvidt lyd kan udnyttes som en kontrolparameter, hvilket forrige kapitel underbyggede muligheden af. Det er altså muligt at bruge lyden som endnu et procesovervågningsværktøj i stræben på øget kvalitet, i form af øget kontrol. Kapitlet vil omfatte de anvendelsesmuligheder, der er ved lydovervågning, samt hvorledes et stykke software løbende skal behandle lyden, og hvordan hardwaren rent praktisk kan implementeres på en robot. For at opnå større perspektiver ved anvendelse af lyd som et kontrolelement, er det grundlæggende først at kunne opsamle og behandle lyden, således at der opnås nogle signaler, som kan bruges til videre behandling. Fokusen i dette kapitel vil ligge på implementering af teknikken, og i særdeleshed på udvikling af et stykke software, som skal behandle lyden fra mikrofonen og omsætte den til brugbare signaler. Endvidere vil softwaren - foruden at analysere lyden - være et bud på tolkning og anvendelse af signalerne fra lydbehandlingen. 8.1 Software I tilknytning til projektet er der udarbejdet et computerprogram, som er et analyseværktøj til brug på svejseprocesser. Indarbejdet i programmet ligger den analysemetode, der er kernen i projektet, og som er blevet udviklet undervejs i forløbet. Med denne analyse giver programmet et billede af, hvordan svejsningen er forløbet, ved at detekteres de eventuelt opståede fejl i en svejsning Softwarens formål Programmet skal kunne analysere lyddata fra en svejseproces. Set i et perspektiv, hvor dette værktøj skal kunne inddrages i en produktion, vil det være ønskeligt at konstruere et program, der kontinuerligt kan analysere lyden under svejsningen. Dette kræver programmering af flere sideløbende processer, samt indlæsning direkte fra lydkortet. I stedet vil der til projektet blive udviklet et værktøj, til brug ved efterkontrol af svejste emner. På grund af de omtalte problemer med programmering, vil lydfilerne blive optaget, og med Matlap konverteres om til en liste af tal, som repræsentere lydtrykket under svejsningen. Det er her vigtigt at der optages med en sample frekvens på Hz. For at kontrollere svejsning skal der indlæses en tekstfil og indtaste svejsehastighedem. Derudfra skal programmet kunne fortælle om der er fejl i svejsningen og hvor de eventuelle fejl er placeret i svejsningen Program Design Program designet blev udarbejdet undervejs i programmeringsprocessen, da analysemetoden ved begyndelsen af programmeringen ikke var færdigudviklet. Da programmet dog allerede her var klarlagt, startede programmeringen derfor med at skrive det output, som programmet skulle

68 68 Implementering på robot give; og derud fra prøve at danne et overblik over, hvad Graphical Users Interface (GUI) skulle indeholde. Beskrivelsen af programmet deles op i to dele, hvor GUI beskriver brugerfladen og hvad brugeren har at arbejde med, og hvor Programstruktur beskriver hvordan programmet arbejder. GUI (Graphical User Interface) Programmet er bygget i en klassisk Windows-inspireret form, hvor programmet initaliserer brugerfladen, for derefter at overlade det til brugeren at bestemme de efterfølgende operationer. Brugerfladen ses med et eksempel på en test i fig 8.1. Figur 8.1: For at illustrer brugerfladen i programmet, har vi lavet et eksempel på hvordan kontrol af en svejsning kunne se ud. Brugeren har nu mulighed for at indtaste oplysninger til programmet i indtastningsfelterne Tekstfil og Svejsehastighed, starte programmet på knappen Start eller nulstille programmet på knappen Nulstil. Start-knappen Når brugeren aktiverer startknappen udføres analysen på den ønskede fil og der udskrives en lister over de registrerede fejl i fejltet Forekommende fejl. Ud for hver punkt i listen oprettes der en knap, som giver brugeren mulighed for at åbne for en detaljeret beskrivelse af fejlen i punktet. I tekstfeltet Placering listes der for hver fejl et start- og et slutpunkt. Dette giver så brugeren mulighed for at lokalisere den analyserede svejsnings fejlforekomster og evt. reparere disse. Nulstil Nulstil-funktionen fjerner alt tekst fra tekstfelterne og klargøre programmet til at køre en nye test. Tekstfil Her er der mulighed for at indtaste navnet på den tekstil, hvorpå det ønskes at lave sin test. Svejsehastighed For at vide præcis hvor i svejsningen fejlene fremkommer, er det vigtigt at programmet får input om svejsehastigheden. Enheden for denne er mm/sek. Detaljer Når brugeren aktiverer en af detalje-knapperne, kaldes en tekst frem i feltet Beskrivelse af fejl. Denne beskriver hvilken fejltype, der er tale om ved at skrive hvilke symptomer, der skal kikkes efter for at se fejlen på svejsningen, samt hvilke konsekvenser fejlen får for svejsningens kvalitet. Derudover giver programmet råd til, hvad der evt. kan gøres for fremover at undgå lignende fejl.