«ΚΟΣΤΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΩΝ ΤΕΜΑΧΙΩΝ»

Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής & Διοίκησης Τομέας Υλικών, Διεργασιών και Μηχανολογίας Εργαστήριο Μηχανολογικού Σχεδιασμού Καθηγητής: Π.Ν. Μπότσαρης Democritus University of Thrace School of Engineering Department of Production Eng. & Management Faculty of Materials, Processes and Engineering Mechanical Design Laboratory Professor: P.N. Botsaris Κτίριο Ι (Γρ. 107), Βας. Σοφίας 12, Ξάνθη 67100 MeDilab.pme.duth.gr Ktirio I (107), 12 Vas. Sofias, Xanthi 67100, Greece «ΚΟΣΤΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΩΝ ΤΕΜΑΧΙΩΝ»

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... σελ. 3 Κόστη συγκολλήσεων σελ. 3 Σύγκριση συγκόλλησης - χύτευσης σελ. 5 Σύγκριση συγκόλλησης ήλωσης.....σελ. 8 Σύγκριση συγκολλήσεων τόξου ρεύματος.σελ. 9 Αυτοματοποίηση Διεργασιών.....σελ. 11 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ σελ.13 1. Εισαγωγή Εξαιτίας των πολλών εφαρμογών και της εξέλιξης των συγκολλήσεων, είναι απαραίτητο να δώσουμε κάποια στοιχεία σχετικά με τα κόστη των συγκολλήσεων και τη σύγκριση αυτών, με το κόστος άλλων ανταγωνιστικών κατεργασιών. Παρακάτω παρατίθενται κάποια στοιχεία σχετικά με τα οικονομικά των συγκολλήσεων, όπως το κόστος των συγκολλήσεων, μια σύγκριση της χύτευσης, της σύνδεσης με καρφιά ή βίδες ή πιρτσίνια, και της ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου. 2. Κόστη συγκολλήσεων Το κόστος μιας συγκόλλησης αποτελείται από επιμέρους κόστη, όπως το κόστος των υλικών, το κόστος των μηχανουργικών κατεργασιών, που γίνονται πριν και μετά τη συγκόλληση, το κόστος σφυρηλάτησης, το κόστος μορφοποίησης, τελειοποίησηςφινιρίσματος, προσαρμογής, τοποθέτησης για συγκόλληση, και το κόστος συνένωσης των τεμαχίων, ακόμη το κόστος επιθεώρησης, το κόστος εν θερμώ κατεργασιών, καθώς και το κόστος εκχόνδρησης. Tα στοιχειώδη κόστη για εφαρμογές συγκολλήσεων είναι για: (1) εργάτες και γενικά έξοδα, (2) ηλεκτρόδια, μέταλλο κόλλησης, αέριο, ή σύρμα κόλλησης, (3) ηλεκτρική ισχύς ή καύσιμο, και (4) απόσβεση του εξοπλισμού και συντήρηση. Δεν σχετίζονται όλα τα παραπάνω με όλες τις εργασίες, και εμφανίζονται σε διαφορετικές αναλογίες. Ένας κατασκευαστής με βασικό εξοπλισμό έχει εκτιμηθεί ότι για μια χειροκίνητη ηλεκτροσυγκόλληση τόξου, περίπου το 80-86% του κόστους είναι για τα εργατικά και για γενικά έξοδα, περίπου 8-15% για ηλεκτρόδια, και κάτι λιγότερο από 2% για ηλεκτρική ισχύ και κόστος εξοπλισμού. Αντίθετα, το κόστος ηλεκτροσυγκόλλησης 2

προεξοχής αποτελείται κυρίως από το κόστος για την ηλεκτρική ισχύ και το κόστος εξοπλισμού, με ένα μικρό ποσοστό για εργατικά καθώς δεν υπάρχει κόστος για αναλώσιμα ηλεκτρόδια. Η αξία των αποδοχών ενός συγκολλητή συνήθως εξαρτάται από τη θέση (πόστο) που μπορεί να πραγματοποιήσει μια ικανοποιητική συγκόλληση. Για παράδειγμα, κάποιος που μπορεί να συγκολλήσει ανάποδα (π.χ. σε οροφή πάνω από το κεφάλι του), όπου το λιωμένο μέταλλο στάζει κάτω και η συγκόλληση είναι ιδιαίτερα δύσκολη, παίρνει περισσότερα χρήματα από κάποιον άλλο που κάνει επίπεδες και απλές συγκολλήσεις. Γι αυτό το λόγο, ο μισθός του συγκολλητή καθώς επίσης και η ταχύτητα με την οποία γίνεται μια εργασία εξαρτώνται από τη θέση και το είδος της συγκόλλησης. 3

Η καμπύλη στο διάγραμμα 13-29 δείχνει τυπικά ποσά για μονάδες ηλεκτροδίων και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, ταχύτητες συγκόλλησης, και κόστη για διάφορα μεγέθη απλών συγκολλήσεων. Ο πίνακας 13-2 παρουσιάζει τους λεπτομερείς υπολογισμούς για το κόστος μια απλής οξυγόνο-συγκόλλησης σε μια πλάκα πάχους 10 χιλιοστών για να διευκρινιστεί πως προέκυψε η καμπύλη του συνολικού κόστους του διαγράμματος 13-29. Παρατηρούμε ότι ο πίνακας 13-2 αποτυπώνει τα κόστη με αποδοτικότητα εργάτη 100%. Ο νεκρός χρόνος ενδέχεται να είναι στο 80% και πρέπει να έχει προαποφασιστεί από την απόδοση του κάθε συνεργείου. Αν υποτεθεί ότι ισχύει αποδοτικότητα 40%, το κόστος των γενικών εξόδων και τα εργατικά για ένα έλασμα πάχους 10mm είναι 30/(10,9 x 0,4)= $6,88/m, και το συνολικό κόστος της συγκόλλησης είναι $8,51/m. Για το έλασμα των 10mm (.375 in.), 30/(36 x 0,40)= $2,08/ft, και το συνολικό κόστος είναι $2,59/ft. Το κόστος τεμαχίου είναι πολλαπλασιασμένο με το μήκος μιας συγκεκριμένης συγκόλλησης για να βρεθεί το κόστος του. Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι σχετικά μικρό και συνήθως αγνοείται. 3. Σύγκριση συγκόλλησης και χύτευσης Πολλά προϊόντα, όπως πλαίσια μηχανών, μπορούν να κατασκευαστούν είτε με χύτευση είτε με συγκόλληση. Το πλεονέκτημα της συγκόλλησης είναι ότι χαλύβδινές κατασκευές μπορούν να γίνουν πιο γερές και στιβαρές, άκαμπτες και πιο ελαφριές από αυτές που έχουν κατασκευαστεί από xυτοσίδηρο. 4

Κατά γενικό κανόνα, ο βελτιωμένος χάλυβας, μπορεί με ασφάλεια να εκτεθεί σε πιέσεις τέσσερις φορές υψηλότερες από αυτές του χυτοσιδήρου. Η ακαμψία μπορεί να επεξηγηθεί από την εκτροπή μιας απλής δοκού όπως φαίνεται στην εικόνα 13-30 με τη θεμελιώδη εξίσωση για το ποσό της εκτροπής. Η εκτροπή (d) είναι αντιστρόφως ανάλογη του μέτρου ελαστικότητας (Ε) του υλικού. Για την ίδια εκτροπή, το πλάτος (b) μιας χαλύβδινης δοκού χρειάζεται να είναι μόνο 40% του πλάτους μιας δοκού από χυτοσίδηρο. Προσεγγιστικά η ίδια αναλογία εφαρμόζεται για όλα τα είδη κάμψης και στρέψης. Οι καλοσχεδιασμένες συγκολλήσεις χάλυβα, έχουν περίπου το μισό βάρος από κατασκευές χυτοσιδήρου, οι οποίες είναι πιο αδύναμες και ευλύγιστες. Σε κάποιες περιπτώσεις, ο χυτοσίδηρος θεωρείται καλύτερος από το χάλυβα όσον αφορά την απόσβεση δονήσεων. Αυτή η ιδιότητα είναι ιδιαίτερης σπουδαιότητας στο σχεδιασμό εργαλειομηχανών. Ο χάλυβας κοστίζει περίπου το μισό έως και τα 2/3 ανά κιλό της αξίας του χυτοσιδήρου. Σε μια καλά σχεδιασμένη συγκόλληση χάλυβα αυτά υπολογίζονται περίπου κατά το ήμισυ, το κόστος των υλικών κοστίζει περίπου το ένα τέταρτο έως και ένα τρίτο της αξίας του χυτοσιδήρου. Επιπλέον, ο χάλυβας πρέπει να κοπεί, να μορφοποιηθεί, να προσαρμοστεί, να συγκολληθεί, και να σκληρύνει η κατασκευή με θερμική κατεργασία (βαφή). Στη χύτευση χρειάζεται μόνο να καθαριστεί το χυτό και να κοπεί αλλά για κάθε διαφορετική χύτευση χρειάζεται ένα πρότυπο, το οποίο είναι ακριβό. Πρακτικά σε όλες τις περιπτώσεις, που πρόκειται να κατασκευαστεί ένα 5

μόνο αντικείμενο και ιδιαιτέρως μεγάλα αντικείμενα, μπορούν να κατασκευαστούν φθηνότερα με συγκόλληση παρά με χύτευση. Σε κάποιες περιπτώσεις, η συγκόλληση είναι φθηνότερη άσχετα με το πλήθος των αντικειμένων που θα κατασκευαστούν. Σε άλλες περιπτώσεις όμως, και ειδικά για μεγαλύτερες ποσότητες, τα χυτά αντικείμενα είναι φθηνότερα. Η χύτευση είναι καλά προσαρμοσμένη για αυτόματη παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων, ειδικά για σύνθετα και πολύπλοκα κομμάτια. Για παράδειγμα, πραγματοποιήθηκε ένας αριθμός προσπαθειών για να κατασκευαστούν τροχαλίες μηχανής αυτοκινήτου με συγκόλληση, αλλά γενικά ποτέ καμιά δεν εκτόπισε τη χύτευση. Ένα παράδειγμα για το κόστος μιας χυτής σε αντίθεση με μια συγκολλητή βάση για μια εργαλειομηχανή φαίνεται στο σχήμα 13-31. Το χυτευτό έχει βάρος 360 kg (= 800 lb) και μπορεί να αποκτηθεί για $1.06/ kg ($0.48/ lb) για μία μονάδα του αντικειμένου και με έναν ρυθμό μείωσης του κόστους της τάξης του $0.79/ kg ($0.36/ lb) για 100 μονάδες του προϊόντος. Ο καθαρισμός κοστίζει $45 για κάθε μονάδα προϊόντος. Ένα πρότυπο κοστίζει $1350 και χρησιμοποιείται για οποιοδήποτε αριθμό μονάδων από 1-100. Το συνολικό κόστος για τη δημιουργία ενός χυτού αντικειμένου, είναι $1777. Αν παραχθούν περισσότερα από 20, το κατανεμημένο κόστος του προτύπου είναι $67,50/μονάδα, ο χυτοσίδηρος κοστίζει $1,01/ kg ($0.46/ lb), και το κάθε ένα χυτό αντικείμενο κοστίζει $476. Μια συγκολλητή βάση για την ίδια μηχανή ζυγίζει 170 kg (375 lb). Ο χάλυβας κοστίζει $0,51/ kg ($0.23/ lb) και η εν θερμώ κατεργασία $0,18/ kg ($0.08/ lb), διαμορφώνοντας το συνολικό κόστος υλικών σε $117/ μονάδα προϊόντος. Η κατασκευή διαρκεί 25 ώρες αξίας $18/ώρα, αλλά η αρχική προετοιμασία και η ρύθμιση των μηχανών ανέρχεται σε 10 ώρες αξίας $18/ώρα. Με τη κατεργασία της συγκόλλησης μία μονάδα προϊόντος κοστίζει $747. Τα έξοδα για την ρύθμιση των μηχανών μπορούν να επιμεριστούν σε όλα τα προϊόντα που θα παραχθούν (περισσότερα από 20), και το κόστος ανά μονάδα προϊόντος είναι $576. Όπως φαίνεται από το σχήμα 13-31, η χύτευση είναι φθηνότερη για την παραγωγή 8 μονάδων προϊόντος και άνω, ενώ η συγκόλληση για την παραγωγή έως 7 αντικειμένων. 6

Η συγκόλληση έχει διάφορα πρακτικά πλεονεκτήματα. Λεπτά και χοντρά κομμάτια και από διαφορετικά υλικά μπορούν να ενωθούν και τα αντικείμενα μπορούν να γίνουν λεπτά πιο εύκολα με τη συγκόλληση παρά μετά τη χύτευση. Οι οπές μπορούν να ανοιχτούν εκ των προτέρων σε συγκολλητά τεμάχια. Τα καλούπια για τις χυτεύσεις είναι ακριβά, έτσι δεν μπορούμε να τα διαφοροποιούμε για να κατασκευάσουμε διαφορετικά σχέδια ή να κάνουμε άλλες αλλαγές στα ήδη υπάρχοντα πρότυπα και να τα αποθηκεύσουμε, τα πρότυπα για τη συγκόλληση είναι συνήθως απλούστερα και λιγότερο ογκώδη. 4. Σύγκριση μεταξύ συγκόλλησης και ήλωσης (πιρτσινώματος) Από μια ανάλυση ένωσης με αντοχή 45 kν που πραγματοποιήθηκε, με 19-mm διαμέτρου πιρτσίνια ανέδειξε ένα κόστος $0.37 για κάθε ένωση όταν η ισάξιας αντοχής συγκόλληση έχει κόστος μόνο $0.07. Παλαιότερα, όλες οι ενώσεις σε θεμέλια, καυστήρες, δεξαμενές, σασί αυτοκινήτων κ.τ.λ. ήταν με ήλους (πιρτσίνια). Η συγκόλληση έχει σε μεγάλο βαθμό αντικαταστήσει το πιρτσίνωμα ιδιαίτερα σε εφαρμογές που σημασία έχουν οι δυνατές και μόνιμες συγκολλήσεις.το πιρτσίνωμα πάντα χρειάζεται ραφή με επικάλυψη. Τα πιρτσίνια στις οπές εφελκύονται με δύναμη. 7

Μία ραφή με πιρτσίνια μπορεί στην καλύτερη περίπτωση να είναι δυνατή κατά 85%, όταν μια καλό συγκολλημένη ραφή μπορεί να έχει κατά 100% την αντοχή του καθαρού μετάλλου. Οι συγκολλητές ραφές είναι εύκολο να ελεγχθούν γιατί είναι δύσκολο να εξακριβωθεί κατά πόσο ένα περτσίνι έχει τελείως εφελκυστεί. Ο ελεγκτής πρέπει να βασιστεί στην ικανότητα και την ακεραιότητα του τεχνίτη των χειρωνακτικά περτσινωμένων ραφών. 5. Σύγκριση συγκολλήσεων τόξου ρεύματος. Η χειροκίνητη προστατευμένου-τόξου συγκόλληση, είναι ολοκληρωτικά ευμετάβλητη και έχει χαμηλό κόστος. Για μοναδικές εργασίες διαφόρων συγκολλήσεων, το επικαλυμμένο ηλεκτρόδιο είναι πιθανότατα η γρηγορότερη και η πιο αποδοτική διαδικασία. Ωστόσο η επαναλαμβανόμενη διαδικασία είναι έμφυτα αργή για επαναληπτικότητα. Το ακροφύσιο της κόλλησης πρέπει να αλλαχθεί και η ροή της δουλείας να διακοπεί, και σίγουρα υπάρχει κάποιο ανθρώπινο όριο στα μεταλλικά ιζήματα. Οι ημιαυτόματες μηχανές που μηχανοποιούν τμήμα των διαδικασιών συγκόλλησης, κοστίζουν δύο με τέσσερις φόρες τον εξοπλισμό μιας μηχανής συγκολλήσεως τόξου με τσιμπίδα. Ωστόσο, ένας χειριστής με πλήρως ή μερικώς αυτόματο εξοπλισμό, μπορεί να ελέγξει το λιωμένο μέταλλο και το τόξο συγκόλλησης πιο εύκολα, χρησιμοποιώντας περισσότερη ισχύ και αποθηκεύοντας το συγκολλητό μέταλλο πιο ομοιόμορφα και συνεχόμενα. Ο χειριστής μπορεί να συγκολλεί δύο με δέκα φορές γρηγορότερα από ένα χειριστή με ένα μόνο επικαλυμμένο ηλεκτρόδιο. 8

Στην εικόνα 13-5 υπάρχει μια σύγκριση μεταξύ των ποσοστών απόδοσης διαφόρων διαδικασιών συγκολλήσεως τόξου. Αυτά τα στοιχεία μπορεί να διαφοροποιηθούν για επιχειρήσεις με διαφορετικά είδη. Γενικά, οι ημιαυτόματες, συγκολλήσεις αερίου, είναι γρηγορότερες από τις συγκολλήσεις τόξου επειδή ο χειριστής μπορεί να επιβλέπει την κόλληση, έτσι δεν υπάρχει πολύ γρέζι ή λιωμένο μέταλλο να απομακρυνθεί. Οι βυθισμένου τόξου συγκολλήσεις, έχουν κάποιο πλεονέκτημα στο γεγονός ότι δεν υπάρχουν απώλειες από πιτσιλίσματα λιωμένου μετάλλου, σε αντίθεση με της κολλήσεις αερίου τόξου όπου η απώλεια μπορεί να φτάσει κα το 10%. Σχετικά κόστη για την περάτωση μιας κατασκευής με διάφορες συνήθεις μεθόδους δίνονται στον πίνακα 13-3. Κοινό σε όλες τις διεργασίες είναι το κόστος εργασίας 12$/ώρα, γενικά έξοδα 16$/ώρα, απόθεμα κόλλησης 0,17Kg/m, κόστος 0,05$ /KWh, με αποδοτικότητα της πηγής ρεύματος 50%. Για τη συγκόλληση βυθισμένου τόξου, η αναλογία του υλικού βελτιστοποίησης συγκόλλησης είναι 1.5 kg/kg υλικού προς το μέταλλο και το κόστος του είναι 0.88$/kg. Για το αέριο CO 2 9

που χρησιμοποιείται στην κατεργασία, η ροή του είναι 0.85m 3 /ώρα και το κόστος του αερίου είναι 1.41$/m 3. Στον πίνακα 13-3, ο χρόνος κύκλου είναι το ποσοστό του χρόνου συγκόλλησης σε σχέση με τον ολικό χρόνο της κατεργασίας. Εκτός από τον καθαρό ενεργό χρόνο της συγκόλλησης χρειάζεται χρόνος για την αλλαγή ηλεκτροδίων, την απομάκρυνση των υπολειμμάτων, την τροφοδότηση υγρού βελτιστοποίησης συγκόλλησης αλλά και για προσωπικές ανάγκες. Η χειροκίνητη διαδικασία με συγκολλήσεις αερίου CO 2, έχει τη μικρότερη απώλεια χρόνου γιατί δεν έχει καθόλου υπολείμματα ή υγρά για να επωμιστεί. Η αποδοτικότητα της απόθεσης είναι το ποσοστό του μετάλλου που ενσωματώνεται στην κόλληση σε σχέση με το βάρος του ηλεκτροδίου που χρησιμοποιήθηκε. Κάποιες από τις απώλειες οφείλονται στα απομεινάρια των ηλεκτροδίων. Ο πίνακας 13-3 αναφέρεται σε συγκεκριμένη περίπτωση και παρουσιάζεται έτσι ώστε να δείξει τη σύγκριση στα κόστη. Υπό διαφορετικές συνθήκες τα δεδομένα μπορεί να δείξουν ότι η συμβατική διαδικασία μετάλλου- τόξου με επικαλυμμένο ηλεκτρόδιο ή με ηλεκτρόδιο σιδήρου, είναι πιο οικονομικές, Τέτοια περίπτωση μπορεί να προκύψει σε μια βιοτεχνία όπου το κόστος προσαρμογής σε ημιαυτόματες μεθόδους,για ποικίλες διεργασίες, είναι υπερβολικό. Άλλη περίπτωση μπορεί να είναι αυτή της συγκόλλησης πλαισίων μια ψηλής κατασκευής στο οποίο ο ημιαυτόματος εξοπλισμός, είναι πολύ δύσκολο αν όχι αδύνατο να χειριστεί επιδέξια. 6. Αυτοματοποίηση Διεργασιών Οι αυτοματοποιημένες διεργασίες συγκόλλησης αποτελούν μια προοδευτική προσπάθεια. Οι αντικειμενικοί σκοποί, είναι η αύξηση της ποιότητας της συγκόλλησης, η παροχή καλύτερης διαχείρισης των μεταβλητών της συγκόλλησης και η ελαχιστοποίηση της ανάγκης για έμπειρους εργάτες. Τα ρομπότ και αυτοματοποιημένα μηχανήματα, έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς για πολλές εφαρμογές συγκολλήσεων. Οι αυτοματοποιημένες διεργασίες, αναπτύχθηκαν την περασμένη δεκαετία χρησιμοποιώντας εξελιγμένες τεχνολογίες, όπως αισθητήρες για παρακολούθηση της διεργασίας συγκόλλησης και εξασφάλιση συγκόλλησης καλύτερης ποιότητας. Σύμφωνα με τις σύγχρονες προοδευτικές τάσεις, έχουν ξεκινήσει νέες διεργασίες 10

όπως, συγκόλληση αερίου-μετάλλου με χρήση τόξου συγκόλλησης, το οποίο προσαρμόζεται ευκολότερα σε αυτοματοποίηση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λεπτά μέταλλα. Επειδή υπάρχει μεγάλο ποσοστό αυτοματοποίησης διαθέσιμο για πολλές διεργασίες, όπως συγκόλληση με laser και με δέσμη υψηλής ενέργειας, αυτές οι διεργασίες, έχουν εφαρμοστεί σε περισσότερες εφαρμογές και σε πολλές βιομηχανίες. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ -Alhmad Elshennawy & George Schrader, Manufacturing Processes and Materials, ISBN 0872635171, εκδόσεις: SME (Society of Manufacturing Engineers) 11