Cân nhắc công nghệ cho ống hàn laser

Nhiều ứng dụng, nhiều sự lựa chọn

Nhiều thứ đã thay đổi kể từ khi hàn laser lần đầu tiên xuất hiện cách đây hai thập kỷ. Vào thời điểm đó, nó là một quy trình tương đối xa lạ và hơi bí ẩn đối với hầu hết mọi người, với các thuộc tính độc đáo để hàn các ống thép không gỉ cho nhiều ứng dụng. Ngày nay, các quy trình laser mới, hệ thống theo dõi đường may dựa trên cảm biến và CNC giúp hàn laser dễ sử dụng hơn và do đó được nhiều nhà sản xuất mong muốn và áp dụng.

Đối với tất cả những tiến bộ, quá trình hàn laser và lợi ích về cơ bản vẫn không thay đổi. Đó là một quá trình hàn nóng chảy trong đó một vũng nóng chảy được tạo ra giữa hai bề mặt kim loại và hóa rắn trong thời gian tính bằng mili giây để tạo thành mối hàn. Nó có thể được sử dụng trong chế độ hàn dẫn, như trường hợp hàn hồ quang vonfram khí (GTAW, còn được gọi là khí trơ vonfram [TIG]) và các quy trình plasma. Tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng hàn laser và những ứng dụng có lợi thế lớn nhất đều liên quan đến một kỹ thuật được gọi là hàn lỗ khóa.

Ở chế độ này, chùm tia laze được hội tụ xuống một điểm có đường kính từ 0,010 đến 0,020 inch. Điều này tạo ra mật độ năng lượng cực mạnh, hoặc mật độ năng lượng, làm cho vùng nhiệt hạch nhanh chóng nóng lên đến điểm mà kim loại nóng chảy bắt đầu bốc hơi ở trung tâm của điểm chùm tia hàn. Khi vật liệu bay hơi, nó mở ra một kênh (lỗ khóa) trong kim loại nóng chảy. Giờ đây, chùm tia hàn có thể tiếp cận sâu hơn vào vùng nhiệt hạch thay vì chỉ truyền năng lượng ở bề mặt như với các mối hàn dẫn. Áp suất hơi từ plasma được tạo ra bên trong lỗ giữ cho nó mở trong quá trình hàn và lỗ khóa cho phép năng lượng laser tạo ra mối hàn sâu, tỷ lệ khung hình cao.

Kết quả là, hàn laze đã được chứng minh là một quá trình vượt trội vì nó cung cấp đầu vào nhiệt trung bình thấp, dẫn đến vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp (HAZ), ít phân tách hợp kim hơn dẫn đến khả năng chống ăn mòn cao hơn và ít thời gian ủ nhiệt hơn so với đến GTAW và hàn plasma để tạo hiệu ứng khuếch tán và đồng nhất hóa cấu trúc hạt. Ngoài ra, tốc độ hàn có thể nhanh hơn từ ba đến năm lần so với GTAW, do đó cho phép nhà chế tạo hàn các sản phẩm cuộn dài hàng nghìn mét mà không cần dừng lại để mài hoặc mài điện cực.

Các thuộc tính này đặc biệt quan trọng trong việc sản xuất các ống thép không gỉ austenit, ferritic và duplex và kim loại màu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, chế biến thực phẩm, y tế, dầu khí và hóa chất.

Laser khác nhau như thế nào

Tất cả các hệ thống laser được sử dụng cho các ứng dụng hàn ống và ống bao gồm các yếu tố sau:

• Bộ cộng hưởng tạo ra chùm tia laze
• Một hệ thống phân phối chùm tia truyền chùm tia laze và đặt vị trí của điểm hội tụ
• tập trung quang học
• Máy làm lạnh để làm mát bộ cộng hưởng laser và quang học
• Một hệ thống theo dõi đường may
• Khí lá chắn để ngăn quá trình oxy hóa của kim loại nóng chảy và, trong một số trường hợp, để ngăn chặn sự can thiệp hoặc hấp thụ năng lượng laser trước khi nó đến vùng nhiệt hạch.

Laser CO ₂ đã và đang tiếp tục là công nghệ được lựa chọn để hàn các loại ống và ống có giá trị cao, bằng chứng là hàng trăm công trình lắp đặt trên toàn thế giới. Tuy nhiên, CO ₂ , laser không phải là loại duy nhất có sẵn và giá cả phải chăng ngày nay. Trong những năm gần đây, laser trạng thái rắn (đĩa, sợi quang và đi-ốt trực tiếp) đã bắt đầu được quan tâm. Các thuộc tính chính bao gồm hiệu quả cắm tường (WPE) cao hơn, quy trình phân phối chùm tia đơn giản hơn và không yêu cầu khí heli.

Thông tin thêm về CO ₂ . Laser CO ₂ sử dụng sự kết hợp của khí heli (He), nitơ (N) và carbon dioxide (CO ₂ ), được cung cấp năng lượng bằng sự phóng điện, điển hình là tần số vô tuyến (RF), để tạo ra chùm tia laser có bước sóng. là 10,6 µm. Bởi vì nguồn năng lượng sử dụng năng lượng điện để tạo ra sự phóng điện và sự phóng điện cung cấp năng lượng cho chùm tia laze, quá trình này sử dụng tương tác thứ cấp để làm cho tia laze hoạt động. Hai lập luận chính chống lại việc sử dụng laser CO2 là WPE, chiếm 10 đến 12 phần trăm và việc sử dụng helium. Một nguyên nhân gây lo ngại là giá đã tăng lên trong vài năm qua do có thể đóng cửa Cục Dự trữ Helium Liên bang ở Amarillo, Texas.

Tuy nhiên, Đạo luật Quản lý Helium năm 2013 được Quốc hội thông qua đã ngăn chặn việc đóng cửa vì đây là yếu tố quan trọng đối với một số công nghệ và ngành, bao gồm máy quét y tế, màn hình LCD, công cụ hàn và chip máy tính. Quyết định này nhằm đảm bảo nguồn cung cấp helium an toàn, đáng tin cậy và liên tục cho người dùng cuối, đồng thời cung cấp thời gian cho các nhà sản xuất thương mại ở Hoa Kỳ, Trung Đông, Nam Mỹ và Nga để phát triển các cơ sở sản xuất cần thiết. Theo nhà nghiên cứu thị trường Cryogas International, trữ lượng ở những nơi này trên thế giới đủ để duy trì ngành này trong tương lai gần.

Đặc điểm trạng thái rắn. Laser đĩa và laser sợi quang sử dụng đi-ốt phát quang (đèn LED) được kích thích bằng điện để cung cấp năng lượng quang học cần thiết để phản ứng với môi trường trong bộ cộng hưởng laser. Phản ứng này tạo ra chùm tia laze có bước sóng xấp xỉ 1 µm và với WPE từ 25 đến 30 phần trăm.

Laser điốt trực tiếp tạo ra chùm tia laser trực tiếp từ đèn LED. Bước sóng thường là từ 920 đến 1.040 nm và loại này đạt được WPE từ 40 phần trăm trở lên.

Tác động của loại Laser

Bốn yếu tố chính góp phần chọn tia laser tối ưu: hệ số phản xạ của phôi, phương pháp phân phối chùm tia, khả năng tạo hình của máy nghiền và tuân thủ an toàn.

Phản xạ và hấp thụ năng lượng . Hệ số phản xạ của kim loại là một yếu tố trong việc lựa chọn tia laser tối ưu cho ứng dụng. Các bước sóng ngắn hơn được tạo ra bởi laser đĩa, sợi quang và đi-ốt có tốc độ hấp thụ tốt hơn, đặc biệt khi hàn các kim loại có độ phản chiếu cao như nhôm, đồng và đồng thau. Tuy nhiên, khi tạo lỗ khóa, tia laser CO ₂ sẽ tạo ra plasma, góp phần tăng khả năng hấp thụ. Hiệu ứng này không xảy ra với các tia laser có bước sóng ngắn hơn.

Khi hàn ở mức công suất hoặc tốc độ cao, laser sợi quang và đĩa độ sáng cao tạo ra nhiều tia lửa (đuổi ra) hơn so với laser CO ₂ . Các lý do rất phức tạp và chưa được hiểu đầy đủ, nhưng bước sóng và hình học lỗ khóa, cụ thể là tỷ lệ góc, là những yếu tố góp phần vì ảnh hưởng của chúng đến sự hấp thụ. Lượng bắn tóe có đáng kể hay không phụ thuộc vào vật liệu được hàn. Bất kể tầm quan trọng của nó, sự hiện diện của nó có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu và tăng khả năng bảo trì cuộn hàn vì nó có thể tích tụ.

Hệ thống phân phối chùm tia. Do bước sóng của nó ngắn hơn nên chùm tia laser trạng thái rắn dễ dàng xuyên qua các vật liệu trong suốt như thạch anh và thủy tinh. Đặc tính này cho phép sử dụng cáp quang để truyền chùm tia từ tia laser đến hệ thống quang học hội tụ. Vì hệ thống phân phối cáp quang không yêu cầu căn chỉnh, có lẽ ngoại trừ kết nối ban đầu với tia laser, điều này mang lại sự linh hoạt hơn trong bố trí hệ thống.

Hai lưu ý: Mặc dù cáp quang rất chắc chắn nhưng chúng dễ bị hư hỏng về cơ học và nhiệt. Hư hỏng cơ học do vượt quá bán kính uốn cong tối thiểu, có thể làm gãy hoặc đứt cáp. Thiệt hại do nhiệt xảy ra nếu một trong hai đầu của cáp bị nhiễm bẩn hoặc nếu xảy ra hiện tượng phản xạ ngược của chùm tia laze.

Bước sóng dài hơn của laser CO ₂ đòi hỏi phải sử dụng gương để dẫn chùm tia từ bộ cộng hưởng đến đầu mối hàn. Duy trì sự liên kết và sạch sẽ của gương là những thách thức đang diễn ra. Sự sai lệch thường xảy ra nhất do cấu trúc được thiết kế kém, cấu trúc trong đó các gương, bộ cộng hưởng và quang học hội tụ được lắp đặt trên các nền tảng khác nhau. Một hệ thống được thiết kế tốt sẽ tích hợp các yếu tố này vào một khung chung (xem Hình 1 và Hình 2 ). Điều này hầu như loại bỏ sự cần thiết phải căn chỉnh gương thông thường. Ngoài ra, khi nguồn cung cấp không khí khô, sạch ở áp suất thấp chảy qua hệ thống phân phối chùm tia được làm kín đúng cách, nó sẽ giảm đáng kể khả năng khói hoặc bụi bẩn tích tụ trên các gương phân phối chùm tia.

Yêu cầu hình thành . Mặc dù quy trình tạo hình ống là giống nhau cho dù sử dụng công nghệ hồ quang hay laze, một máy nghiền mới được thiết kế để hàn laze sẽ có năng suất cao hơn một máy nghiền được thiết kế để hàn hồ quang và được nâng cấp lên hàn laze. Tuy nhiên, 50 đến 60 phần trăm hệ thống hàn laser được tích hợp vào nhà máy ống hiện có. Mặc dù một nhà máy cũ hơn có thể hoàn toàn chấp nhận được để hàn ở tốc độ 15 feet mỗi phút, nhưng việc tăng tốc độ hàn lên 30 FPM hoặc cao hơn có thể bộc lộ những hạn chế. Điều này đặt ra các câu hỏi như “Liệu nhà máy có thể luôn cung cấp hình thức cạnh tốt không?” “Tốc độ hàn mà đường cắt bay cho phép là bao nhiêu?” và “Liệu các quy trình tiếp theo khác có giới hạn sản lượng tối đa của nhà máy ống không?”

Trong khi hàn hồ quang dễ dàng hơn, tình trạng cạnh, khe hở mối hàn quá mức, cạnh không khớp và lang thang đường may có thể là vấn đề. Vì chùm tia laze hội tụ có kích thước bằng khoảng 1/10 kích thước của GTAW hoặc hồ quang plasma nên những lo ngại này trở nên nghiêm trọng hơn. Độ rộng khe hở giữa các cạnh của dải phải đủ nhỏ hơn (dưới 0,004 inch) so với đường kính của chùm tia laze hội tụ (xấp xỉ 0,012 inch). Đối với tốc độ hàn tối đa cũng như tính nhất quán tối đa, độ rộng khe hở phải bằng 0 về mặt kỹ thuật.

Tương tự như vậy, độ lệch chiều cao của các cạnh dải, ảnh hưởng đến độ bền của mối hàn, nên nhỏ hơn 15 phần trăm tùy thuộc vào độ dày của thành, vì

thể tích của bể tan chảy do tia laser tạo ra sẽ không bù đắp cho sự khác biệt về chiều cao quá mức giữa hai cạnh. Điều này đặc biệt quan trọng đối với đường hàn trên ID, không thể bào bằng cách mài, ép hoặc đập.

Sự an toàn. Bước sóng của tất cả các loại laze được thảo luận trong bài viết này đều có khả năng gây nguy hiểm, cần có các biện pháp phòng ngừa để ngăn ánh sáng laze gây bỏng da hoặc tổn thương mắt vĩnh viễn do chùm tia trực tiếp hoặc phản xạ. Tại Hoa Kỳ, sê-ri Z136 của Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) cung cấp hướng dẫn sử dụng kính bảo hộ và các yếu tố khác để sử dụng laser an toàn.

Một số tia laser mạnh đến mức ngay cả sự phản xạ khuếch tán từ một bề mặt cũng có thể gây nguy hiểm cho mắt. Vì lý do này, rất khuyến khích sử dụng vỏ bọc xung quanh hộp hàn. Đối với các bước sóng ngắn hơn của laser trạng thái rắn, kính bảo hộ và kính có lớp phủ dành riêng cho bước sóng và mật độ quang học là đủ. Khi sử dụng laser CO ₂ , kính an toàn công nghiệp tiêu chuẩn là phù hợp. Laser trạng thái rắn cũng có các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với vỏ bọc an toàn để giảm khả năng tiếp cận của người vận hành với điểm hàn. Lưu ý rằng các điều khoản bổ sung là cần thiết nếu vỏ bọc phải đáp ứng các thay đổi lớn về đường kính ống. Ngoài ra, các rào cản ánh sáng là cần thiết xung quanh khu vực sản xuất khi vỏ bọc phải được tháo ra để điều chỉnh dụng cụ hộp hàn trong khi bật tia laser.

Chọn đúng công cụ

Với sự đa dạng của các công nghệ laser hiện nay, việc chọn đúng nguồn laser có vẻ hơi khó khăn. Đối với các vật liệu có tính phản xạ cao hoặc khi sử dụng hàn dẫn điện cho các ống thành mỏng, bước sóng ngắn hơn của laser đĩa, sợi quang và đi-ốt trực tiếp đáng được xem xét. Để hàn các bức tường nặng hơn hoặc hàn ở tốc độ cao, laser CO _{2 mang lại độ ổn định cao hơn cho quy trình và ít bắn tóe hơn.}

Các công nghệ có sẵn cũng hỗ trợ trong quá trình hàn laser. Các hệ thống theo dõi đường nối quang học cung cấp khả năng điều chỉnh tích cực và hiển thị thời gian thực vị trí của chùm tia laze so với đường tâm đường hàn cũng như độ rộng của khe hở và sự không khớp của cạnh. Ngày nay, các hệ thống phân phối chùm tia có sẵn với máy CNC, cho phép lưu các chương trình. Các chương trình lưu trữ các mức công suất và tốc độ dòng khí bảo vệ, đồng thời kiểm soát vị trí của quang học lấy nét, thiết bị theo dõi đường may và vòi phun khí bảo vệ bằng cách sử dụng các trục X và Z được cơ giới hóa, do đó giảm thời gian thiết lập khi chuyển từ công việc này sang công việc khác.

Cuối cùng, điều quan trọng là phải xem xét các nhà cung cấp có thể cung cấp tất cả các công nghệ laser hiện có, chẳng hạn như thiết bị theo dõi đường may và hệ thống phân phối chùm tia tích hợp đầy đủ, đồng thời cung cấp kinh nghiệm và bí quyết xử lý. Những yếu tố này có thể giúp tối đa hóa thời gian hoạt động và chất lượng.