QUALITY II Kvalitetssäkring av svetsade och limmade förband Erik Lindgren, Swerea KIMAB, 7/9-17 1
Outline Introduktion till projektet OFP-metoden Laserultraljud Resultat Sammanfattning 2
Introduktion till projektet QUALITY II Projektdeltagare: Volvo Cars Volvo Trucks (Hytter, Umeå) Volvo Construction Equipment (Drivlinan, Eskilstuna) Scania Cargotec HIAB GKN Aerospace Engine Systems GE Health Care Permanova Lasersystem Chalmers Swerea KIMAB 3
Introduktion till projektet QUALITY II KIMAB är koordinator (Fogning samt Materialanalys och processövervakning) Svetskommissionen har hjälpt till med resultatspridning Finansierat av VINNOVA och industrin, FFI (Fordonsstrategisk Forskning och Innovation) 4
Introduktion till projektet QUALITY II OFP-metod: laserinducerat ultraljud (LUS) Frågeställningar: porer, varmsprickor, ytbrytande sprickor, fogmiss, inträngningsdjup kälfog, bindfel, cold laps, fogbredd, limhärdgrad, limvidhäftning Vissa tillämpningar: vision är in-line (kontaktlöst tacksamt) Stärka konkurrenskraften: snabbare återkoppling till processen, processtabilitet, mindre kassaktion, mindre energi, högre kvalitet 5
Introduktion till projektet QUALITY II Projektets upplägg: Labbförsök, procedur och algoritmutveckling Simuleringar, POD Demonstratorer i industriell miljö (tre) Stor provmatris, en del komplicerade geometrier Bedöma provningsteknologins potential Försöka komma lite längre med några utvalda tillämpningar 6
OFP-metoden: Laserultraljud (LUS)
LUS
LUS: Uppställning Laserlabbet hos KIMAB i Kista
LUS: Uppställning Demo i svetslabbet hos KIMAB i Kista
LUS: Uppställning Demo hos GKN i Trollhättan
LUS: Uppställning Exempel på komplett systems storlek
Amplitud LUS: Typiskt signalsvar (Ascan) 0.072 0.06 0.05 0.04 Longitudinal wave 0.03 0.02 0.01 0-0.01-0.02-0.03-0.04-0.05-0.06-0.07-0.08-0.09-0.1-0.11 Shear wave Surface wave -0.12-0.13 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 Time [µs] Tid 20 13
LUS: Bscan Koordinat Shear wave Surface wave 14
LUS: fördelar jämfört med konventionellt ultraljud Non contact Spatial resolution Full frequency spectrum All wave types High temperature Complex geometries Multi analysis Multi analysis Moving samples 15
LUS: nackdelar jämfört med konventionellt ultraljud Weaker signals Destructive Expensive Complicated 16
LUS: Andra tillämpningar än fogar, Stålproduktion To know the microstructure and texture of the steel at any chosen position along the hot rolling route and the subsequent cooling stage
Resultat 1 18
Stumfog: detektion av fogmiss (GKN) Lasersvets. Bindfel, fogmiss, tjocklek Inconel 718, Ti64, omkring 3 mm 19
Stumfog: detektion av fogmiss Svetsprover ifrån GKN Sick-sack (fyra segment) och fellinjerad linjär Inconel 718 och Ti64 Industridemonstrator hos GKN 20
Stumfog: detektion av fogmiss Industridemonstrator 27/1-2017 hos GKN på PTC i Trollhättan 21
Stumfog: detektion av fogmiss procedur samma sida -proceduren (båda sidorna, g=+/-) Roboten kör i sick-sack (omkring +/- 0.25 till 0.75 mm vinkelrätt mot svetsriktningen, period omkring 2 mm) g GD 22
Stumfog: detektion av fogmiss analys Bscan 23
Stumfog: detektion av fogmiss analys Bscan: tidsporta signaler (max inom tidsporter), typiskt 4-6 st 24
Stumfog: detektion av fogmiss analys Använd de 4-6 signalerna till att identifiera röd=fogmiss, grön=ej fogmiss samt gul=misslyckad mätning 25
Stumfog: detektion av fogmiss slutsats Överlag stämmer resultaten med RT och förstörande provning (tvärsnitt). Några falska indikeringar och några missade bindfelsdefekter. Sick-sack proverna var svåra, korta (i längden) fogmissar, även svårt med den förstörande provningen. Kortare än omkring 5 mm: ej detekterat. Längre än omkring 10 mm: detekterat. 26
Stumfog: tjockleksmätning i laserlabbet 27
Stumfog: tjockleksmätning demo hos GKN Vid industridemonstratorn, robotintegrerad LUS hos GKN 28
Stumfog: porositet (GKN) Lasersvets. Porositet, även små och kluster: hög potential ner mot 0.5 mm, svårt att säkerställa korrektheten i resultaten för mindre än så. (Ti64, 4 mm) Röntgenbilder, XCounter DDA, VINNOVA 2015 Automatiserad inspektion och andra möjligheter vid införandet av digitalröntgen i tillverkningsindustrin, KIMAB, GKN, VCE. 29
Stumfog i kugghjul: bindfel (VCE) Säkerställa fullt penetrationsdjup, detektera bindfel Sätthärdat stål, omkring 8-10 mm 30
Stumfog i kugghjul: bindfel (VCE) Säkerställa fullt penetrationsdjup, detektera bindfel Sätthärdat stål, omkring 8-10 mm Genereringspunkt Detekteringspunkt 31
Stumfog i kugghjul: bindfel Två olika procedurer: SSOE, DSOE Genereringspunkt Detekteringspunkt 32
Stumfog i kugghjul: bindfel Demonstrator hos Permanova Lasersystem i Mölndal 33
Stumfog i kugghjul: bindfel Över tröskelvärde=defekt, under tröskelvärde=ok 34
Stumfog i kugghjul: bindfel slutsats Bindfel ner mot 1 mm kan detekteras, två olika procedurer. Procedurerna behöver kompletteras, visst problem med defektens sida map genererings/detektions-sida 35
Limfogar: härdgrad 7st limfogar tillverkades hos KIMAB Härdtid: 5min, 10min, 15min, 20min, 25min, 30min och flera timmar LUS-uppställning: Generering Detektering 36
Dämpning [arb.] Limfogar: härdgrad 0-0.5 Dämpning eko 6P 5min 10min 15min 20min 25min 30min xtim -1-1.5-2 -2.5-3 6P -3.5-4 -4.5-5 Härdtid 37
Limfogar: vidhäftning (VCC) Vidhäftning transmission mode (dubbelsidig åtkomst): hög potential 38
Limfogar: fogbredd (VTC, VCC) Härdade prover, reflektion mode (enkelsidig åtkomst) 39
Limfogar: fogbredd Reflektionsläge (enkelsidig åtkomst) 40
Limfogar: fogbredd utredning av ytskador VTC har karakteriserat ytorna som mättes med LUS LUS på ED sedan målat samt LUS på färdiglackat: om låg laser energi, godkänd yta (ej premium) 41
Kälfogar: Penetrationsdjup,cold laps, varmsprickor, porositet (HIAB) Penetrationsdjup, cold laps, varmsprickor, porositet Konstruktionsstål, 8-10 mm 42
Kälfogar: Penetrationsdjup,cold laps, varmsprickor, porositet (HIAB) Penetrationsdjup: hög potential, enkelsidig åtkomst från svetssidan Cold laps, varmsprickor, porositet: svårt att verifiera att de fanns i proverna, inga LUS-indikeringar 43
Stumfogar: porositet, bindfel, sprickor (GE) 1 Porositet, bindfel, ytbrytande sprickor Rostfritt austenitiskt stål, 10 mm 44
Stumfogar: porositet, bindfel, sprickor Ytbrytande 1 defekter: hög potential Bindfel: hög potential Porositet: innesluten i smältan, låg potential (mikrostrukturen) 45
Kälfogar: porositet, bindfel, sprickor (GE) Rostfritt 1 austenitiskt stål, 10 mm 46
Kälfogar: porositet, bindfel, sprickor (GE) Ytbrytande 1 defekter: låg potential, för grov yta, svårt att verifiera defekternas förekomst med VT Porositet: innesluten i smältan, låg potential (mikrostrukturen) Bindfel: låg potential, strålgången krävde smältan-passage 47
Stumfogar: bindfel, porostet, inneslutningar (Scania) Duplex 1 stål, 5 mm 48
Stumfogar: bindfel, porostet, inneslutningar Bindfel: 1 hög potential Porositet och inneslutningar: medel till hög potential, svårt att göra jämförelser 49
Överlappskäl-fog: bindfel, porer, rotfel (VCC) Stål 1-2 mm
Överlappskäl-fog: bindfel, porer, rotfel (VCC) Låg potential, komplex signal, små defekter (0.25 mm), bra signal- respons.
Överlappsfog laser: bindfel, fogbredd Stål, omkring 1 mm
Överlappsfog laser: bindfel, fogbredd Medelhög potential. Det nya LUS-systemet (2016) klarar av den knottriga ytan, men möjligtvis på bekostnad av upplösningen.
Sammanfattning av projektet En prototyp för ett robotiserat laserultraljudssystem tar tagits fram, inklusive hårdvara, procedurer och analysalgoritmer Systemets robusthet har demonstrerats vid två industridemonstratorer (GKN Aerospace och Permanova Lasersystem) Vi gör bedömningen att ytterligare forskning behövs men att LUS har visat på hög potential för många av de utvärderade tillämpningarna
55 Scientific Work for Industrial Use www.swerea.se
Sammanfattning av resultaten Prov från Fogtyp Defekt Resultat, potential GKN Stumfog (laser) Porer Medel Något större, omkring 0.5 mm, men svaga indikeringar. SSOE, SAFT har utvärderats och mindre än 0.5 mm möjligt men mer utvärdering behövs GE Kälfog (TIG) Ytbrytande sprickor Stumfog (TIG) Bindfel Hög Fogmiss Hög Ti64, Inconel, RF. Mindre än 5 mm i längd svårt just nu, över omkring 10 mm i längd ok. Gränser i höjd ej säkerställt ännu. Även demonstrator Tjocklek Hög Omkring 5 mikrometer @ 3 mm tjocklek. Även demonstrator Inte kunnat detektera Porer, bindfel Låg Mikrostrukturen + geometrin Porer, sprickor ej ytbrytande Låg Mikrostrukturen 56
Sammanfattning av resultaten Prov från Fogtyp Defekt Resultat, potential VCE Stumfog, liten kugge (laser) Stumfog, stor kugge (laser) Penetration bindfel Penetration Bindfel Hög Låg(?) Även demonstrator, ner mot 1 mm bindfel Spridande geometri, SSOE procedur kan vara lösning, hanns inte med på det stora i slutet. HIAB Stumfog (MAG) Sprickor Medel Sannolikt detekterat LoF-lik defekt, DSOE Kälfog (MAG) Penetration, inträngningsdjup Cold laps Varmsprickor Scania Stumfog (MAG) Porositet, inneslutningar, bindfel Hög Inte kunnat detektera Medel-hög Ensidig åtkomst, krävs avancerade algoritmer men korrelation finns För komplext problem nu, 3 mätsystem på labbstadie med låg teknikmognad inblandade. Tagit fram en UT immersion + lasergeometriscanner lösning Inte hittat indikeringar i signalen Duplex, behöver utredas mer, bättre referensmätningar, statistisk vinkel 57
Sammanfattning av resultaten Prov från Fogtyp Defekt Resultat, potential VCC Överlapp, lim Bindfel Hög Transmission mode (dubbelsidig åtkomst) Vidhäftning, fogbredd, härdning Hög Reflektions mode (enkelsidig åtkomst) Överlapp-käl Bindfel, porer Låg Komplex bscan, väldigt små defekter (0.25 mm, fin signal. KIMAB Limprover Olika härdgrad Hög Enkelsidig åtkomst Överlapp-laser Fogbredd Hög Mäter bara fogbredden på mätsidan, svårt med ohärdade Kvantifiera fogbredd Medel Nya lasersystemet klarar skrovliga ytan, men vi verkar få problem med upplösningen på de ganska smala fogarna. VTC Överlapp, lim Fogbredd Hög Enkelsidig åtkomst, ytskadorna kan fås till godkänd nivå. 58