Công nghệ laser xâm nhập vào thị trường sản xuất ống

Đối với mọi đổi mới công nghệ mới, một đổi mới khác theo sau. Một số công nghệ xuất hiện và tạo ra một thị trường ngách cho riêng mình, phân chia thị trường. Những người khác thay thế công nghệ trước đó, khiến nó trở nên lỗi thời và chiếm lĩnh thị trường.

Trong số các sản phẩm điện và điện tử, một loại công nghệ mới thường thay thế một loại công nghệ cũ. Bóng đèn sợi đốt về cơ bản là dĩ vãng, được thay thế bằng các loại đèn huỳnh quang, halogen và diode phát quang. Các bản ghi vinyl, băng cassette và đĩa compact gần như đã được thay thế bằng các tập tin điện tử. Máy ảnh phim được một số hãng ưa chuộng, nhưng thị trường về cơ bản đã bị máy ảnh kỹ thuật số tiếp quản. Cách đây nửa thế kỷ, radio và bộ khuếch đại dựa trên ống chân không đã được đẩy ra ngoài bằng các thiết bị trạng thái rắn, các sản phẩm hiện đại dựa trên chất bán dẫn.

Trong nhiều thập kỷ, thị trường laser công nghiệp bị chi phối bởi nhiều loại CO ₂ . Khi được áp dụng cho ống hoặc máy nghiền ống và được sử dụng để hàn đường nối, laser CO ₂ tạo ra một vị trí thích hợp làm đối thủ, một giải pháp thay thế khả thi cho các quy trình hàn hồ quang và điện trở. Ngày nay, giống CO ₂ đang mất dần vị thế trước một công nghệ khác: laser trạng thái rắn.

Một sự gián đoạn trong hàn

Tùy thuộc vào ứng dụng, các nhà sản xuất ống và ống đã sử dụng hàn hồ quang vonfram khí, hàn điện trở tần số cao (HF-ERW), hàn hồ quang plasma và hàn laser. Đối với một số ứng dụng thích hợp, chẳng hạn như dây rốn bằng thép không gỉ được sử dụng ở độ sâu hàng nghìn mét dưới mực nước biển, hàn laser mang lại kết quả vượt trội, tạo ra các mối hàn với độ nguyên vẹn mà các mối hàn khác không thể sánh được.

Tuy nhiên, như với hầu hết mọi công nghệ, hàn laser có một số nhược điểm. Đầu tiên, nó không nhanh bằng quy trình hàn ống và máy cán ống phổ biến nhất, HF-ERW. Thứ hai, ánh sáng laser yêu cầu bảo vệ nghiêm ngặt hơn so với quy trình hàn hồ quang để bảo vệ người vận hành khỏi ánh sáng phản xạ. Thứ ba, kích thước vết nhỏ có nghĩa là giữ cho đường hàn ở vị trí 12:00 giờ là rất quan trọng. Cuối cùng – không thực sự là một nhược điểm, mà là một điểm cơ bản – là khoản đầu tư không mang lại nhiều lợi ích tài chính. Chi phí vốn của một đơn vị hàn laser ngang bằng với một đơn vị HF-ERW.

Tuy nhiên, một loạt các lợi ích khiến đây là một công nghệ đáng để nghiên cứu.

CO ₂ so với laser trạng thái rắn

Như tên cho thấy, laser CO ₂ đương nhiệm sử dụng một hỗn hợp khí dựa trên carbon dioxide. Hỗn hợp CO ₂và các khí khác, thường là nitơ và heli, được kích thích điện để tạo ra chùm tia hàn. Một số laser có một máy thổi kiểu tua-bin, tiếp tuyến hoặc kiểu rễ để di chuyển khí đó qua các điện cực được kích thích bằng tín hiệu tần số vô tuyến hoặc dòng điện một chiều, trong khi một số có hỗn hợp khí tĩnh được trao đổi sau một số giờ hoạt động cụ thể. Tất cả các khí phải được di tản khỏi bộ cộng hưởng và được bổ sung theo lịch trình, dẫn đến chi phí tiêu hao, cơ sở vật chất và nhân công để lưu trữ và bảo trì chúng. Khi heli ngày càng trở nên khan hiếm, loại khí hàng hóa này sẽ gây ra chi phí vận hành cũng như việc quản lý các nguồn cung cấp khí đốt của nó và các nguồn khác tại địa điểm nhà máy ngày càng tăng.

CO ₂laser phát ra năng lượng ánh sáng trong phổ hồng ngoại xa ở bước sóng 10.600 nanomet (nm), còn được gọi là 10 μm. Ánh sáng này phải được hướng từ nguồn laze đến phôi bằng một loạt các ống bao bọc cho ảnh chụp thẳng và gương thay đổi hướng của nó. Việc bảo dưỡng đúng cách đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến lịch trình và chế độ làm sạch để tránh làm hỏng bề mặt đồng đánh bóng, phản chiếu cao của gương, thường được xử lý bằng các lớp phủ đặc biệt. Một yêu cầu khác là chúng phải được giữ thẳng hàng theo cả trục và trực giao; nghĩa là, được giữ ở các góc vuông tại mỗi vị trí uốn cong để giữ cho chùm tia nằm ở tâm trong ống phân phối sao cho chùm tia hội tụ chạm vào vị trí mong muốn trên đường nối của ống.

Các tia laser thể rắn có dạng sợi hoặc dạng đĩa và có cùng dải công suất với các đối tác CO ₂ của chúng. Giống như giống CO ₂ , cái tên này mang tính mô tả, xác định nguồn gốc của chùm tia laze là một chất rắn, một sợi thủy tinh ép đùn hoặc một đĩa tinh thể nhỏ. Cả hai đều có một nguyên tố đất hiếm lơ lửng, hoặc pha tạp để sử dụng thuật ngữ ngành, trong ma trận rắn được kích thích bởi các điốt để phát ra ánh sáng có bước sóng từ 900 đến 1.070 nm (thường được gọi là 1 µm).

Ưu điểm chính của bước sóng này, bằng 1/10 CO ₂bước sóng, là nó có thể được truyền từ bộ cộng hưởng laser đến đầu hàn thông qua một sợi cáp linh hoạt. Trong đó có một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ này: một hệ thống phân phối chùm tia rất đơn giản không có lịch trình làm sạch hoặc quy trình căn chỉnh. Điều này giúp loại bỏ một nhiệm vụ vô ích và thời gian ngừng hoạt động thường xuyên — Một chiến thắng cho những người trên sàn cửa hàng và cho người quản lý hoạt động. Điều này chỉ đóng vai trò như một “Eureka!” khoảnh khắc trên sàn cửa hàng và trong khu vực văn phòng. Đối với nhiều nhà sản xuất ống và ống, việc cắt giảm đáng kể thời gian bảo trì cần thiết sẽ thúc đẩy năng suất đến mức có thể biện minh cho việc nâng cấp. Về phần mình, laser sợi quang không có bộ phận sử dụng được và không có yêu cầu bảo trì hàng tháng hoặc thậm chí hàng năm, ngoài việc thay nước cho máy làm lạnh làm mát laser và lấy nét quang học.

Laser trạng thái rắn

Từ quan điểm cơ sở vật chất, laser trạng thái rắn không yêu cầu nhiều tài nguyên như các đối tác CO ₂ của chúng. Ngoài hệ thống phân phối dầm đơn giản, có thể có giá trị lớn hơn là yêu cầu không gian sàn khiêm tốn. Ngày nay, các laser sợi quang từ 8 đến 10 kilowatt (kW) chỉ cần 20% diện tích sàn của các laser CO ₂ có công suất tương tự. Thêm hiệu suất điện của laser sợi quang, tốt hơn gấp 3 đến 5 lần so với laser CO ₂ và chi phí vận hành hàng giờ thấp hơn nhiều so với công nghệ CO ₂ . Cuối cùng, laser thể rắn không cần khí để tạo ra chùm tia. Mối quan tâm chính ở đây là heli, nguồn cung cấp là hữu hạn. Chi phí đang tăng lên, và trong một số trường hợp, nguồn cung bị cắt ngang.

Với bất kỳ công nghệ laser nào, sự an toàn của người vận hành là mối quan tâm hàng đầu. Ánh sáng phản xạ từ nguồn laser làm hỏng võng mạc một cách nhanh chóng vì chúng dễ dàng hấp thụ các bước sóng laser. Như đã đề cập, chùm CO ₂ phải được truyền từ nguồn đến hộp hàn trong ống để ngăn ánh sáng vô hình bên trong tiếp xúc với người. Cáp quang của tia laser thể rắn được bảo vệ nhiều lớp để đảm bảo độ bền và an toàn và là một thiết bị vận chuyển ánh sáng lý tưởng. Bảo vệ mắt đối với CO ₂Hầu hết các tia laser có thể là bất kỳ vật liệu thủy tinh hoặc nhựa nào, vì chúng sẽ hấp thụ nhiều ánh sáng phản xạ và ngăn nó truyền đến mắt. Laser thể rắn yêu cầu bảo vệ mắt được phủ bằng vật liệu có bước sóng cụ thể để hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào phản xạ từ quá trình này. Cả hai loại laser đều yêu cầu phải có vỏ bọc ANSI Class 1 để đảm bảo rằng bất kỳ ánh sáng phản xạ nào thoát ra khỏi hộp hàn đều dưới ngưỡng chấp nhận được.

Khả năng và Cảnh báo. Nói chung, hàn laser được sử dụng trên ống thép không gỉ, nhưng nó phù hợp với hầu hết mọi hợp kim đen hoặc kim loại. Khi được tối ưu hóa, laser thể rắn có thể hàn ống có thành rất mỏng và đường kính rất nhỏ, chẳng hạn như sản phẩm dưới da, lên đến thành dày khoảng 5/16 inch (8 mm).

Mặc dù công suất laser và tốc độ đường truyền tương quan với nhau, nhưng điều này không có nghĩa là tăng tốc độ đường truyền chỉ là vấn đề tăng công suất của tia laser. Mặt khác, giới hạn thực tế thường là từ 33 đến 49 feet mỗi phút (10 và 15 mét mỗi phút) để ngăn chặn sự bất thường ở hạt trên cùng (còn được gọi là bướu). Mặt khác, nếu hạt trên cùng được mài, bào, quấn khăn hoặc xử lý thẩm mỹ bằng cách khác, thì những mẫu đông đặc dạng sóng này có thể bị bỏ qua, cho phép dòng chạy nhanh hơn.

Mối hàn laser thường có các mặt rất song song và dẫn đến khả năng định hình rất tốt so với kỹ thuật hàn rèn và hàn điện trở. Đây là lợi thế chính trong việc hàn ống không gỉ sê-ri 400 cho các hệ thống xả yêu cầu uốn cong bán kính nhỏ và tạo thành hình ống thổi để kiểm soát sự giãn nở và co nhiệt.

Laser trạng thái rắn tạo ra một chùm tia có thể được hội tụ đến một đường kính điểm nhỏ hơn nhiều laser CO _{2 .} Đây có thể là một lợi thế đáng kể, nhưng chỉ khi máy nghiền ống có thể tạo ra đường nối ở tâm điểm chết trên cùng với sự chuẩn bị cạnh tốt. Tuy nhiên, nếu kích thước vết quá nhỏ, sự biến động vũng hàn quá mức có thể gây ra các đường nối bị bỏ sót và mối hàn bắn tung tóe trong OD hoặc ID. Bước sóng ngắn hơn giúp hầu hết các loại thép hấp thụ năng lượng của laser hiệu quả hơn so với laser CO ₂ , vì vậy cần phải cẩn thận để có được chất lượng mong muốn từ quá trình hàn. CO ₂laser nổi tiếng tốt về các mối hàn sạch bên trong và bên ngoài ống, nhưng nhiều công việc đã được thực hiện trong vài năm qua để cho phép laser trạng thái rắn tạo ra kết quả tương tự. Ngày nay, các kết quả về cơ bản là giống hệt nhau.

Hàn laser với laser sợi quang thường được hưởng lợi từ việc hàn với gờ của mép dải hướng xuống dưới. Việc kiểm soát khoảng cách dọc và ngang tại điểm kẹp đến 5 phần trăm hoặc ít hơn của độ dày dải cũng mang lại chất lượng và hình thức mối hàn cao. Tối ưu hóa vị trí lấy nét so với điểm chụm cũng như lấy nét, thường là trên bề mặt dải, giúp đảm bảo chất lượng tốt nhất quán và giảm thiểu phế liệu.

Những tiến bộ gần đây trong xử lý tín hiệu máy ảnh và kỹ thuật số đã làm cho việc theo dõi đường hàn quang học trở thành một hệ thống con mạnh mẽ góp phần tạo nên đường hàn chất lượng cao. Một máy ảnh phát hiện khe hở của dải gần các cuộn ép để tính toán vị trí tối ưu cho đầu lấy nét khi vị trí của đường hàn đi lang thang. Các nhà máy cũng có thể có các camera bổ sung hiển thị hạt trên cùng để người vận hành có thể tìm kiếm các khuyết tật của mối hàn như vết cắt, vết lõm và thiếu hợp nhất.

Một minh họa ứng dụng. Một ứng dụng điển hình cho hàn laser thể rắn, linh kiện ô tô, minh họa phạm vi vai trò của công nghệ này hiện tại và trong tương lai gần.

Khi việc giảm trọng lượng của các phương tiện ngày càng trở nên quan trọng, việc hàn các vật liệu có độ bền năng suất cao cho các bộ phận cấu trúc ngày càng trở nên phổ biến. Trong nhiều trường hợp, các hệ thống hàn laser cũ được đưa trở lại trực tuyến để hàn các bộ phận này. Các nhà khai thác đối mặt với khối lượng công việc lớn đang xem xét các hệ thống laser CO _{2 cũ hơn với một số nghi ngờ, bởi vì nhiều hệ thống đang kết thúc tuổi thọ sử dụng của chúng.} Đối mặt với việc thời gian ngừng sản xuất có thể xảy ra ngoài kế hoạch để sửa chữa một hệ thống laser rất phức tạp hoặc thay thế bằng công nghệ hiện tại, một số nhà sản xuất ống và cấu hình đang chuyển sang hệ thống laser trạng thái rắn để giúp cắt giảm chi phí sản xuất, cải thiện thời gian hoạt động và độ tin cậy của dây chuyền cũng như cắt giảm tiện ích và vật tư tiêu hao chi phí. Điều này dẫn đến chi phí cho mỗi bộ phận thấp hơn và lợi nhuận cao hơn.

Biện minh về chi phí cho một đường mới hoặc cập nhật một đường hiện có, phải bao gồm các cân nhắc sau:

• Trạng thái hiện tại của sản phẩm hỗ trợ từ OEM laser
• Sẵn có phụ tùng thay thế và kỹ thuật viên dịch vụ được đào tạo để lắp đặt chúng
• Lịch sử của tia laser hiện có và bất kỳ vấn đề bảo trì nào còn tồn tại hoặc đang diễn ra
• Cải tiến quy trình so với laser trạng thái rắn
• Tiết kiệm không gian sàn cho máy làm lạnh và laser thể rắn
• Loại bỏ tích trữ khí bằng tia laser
• Loại bỏ nguồn điện tần số vô tuyến laser và các tủ điện khác
• Loại bỏ cách ly rung động để phân phối tia laser và tia
• Giảm tồn kho phụ tùng thay thế
• Cáp quang cho tia laser và bộ lọc cho máy làm lạnh
• Thấu kính thay thế và các bộ phận quang học cho đầu lấy nét hàn
• Giảm tiêu thụ điện năng và loại bỏ vật tư tiêu hao
• Tiêu thụ 10% điện năng của tia laser thông thường
• Loại bỏ CO ₂ , heli, nitơ và các khí khác để tạo ra chùm tia
• Loại bỏ khí hoặc làm khô không khí cho các ống phân phối chùm
• Loại bỏ quang học tiêu hao trong đường dẫn tia

Con đường dẫn đến tương lai

Xem xét tất cả các yếu tố chính và ngoại vi, trường hợp cho một laser thể rắn rất dễ chế tạo. Bản chất cho phép của laser sợi quang thể rắn có bước sóng 1 µm giúp tăng cường sản xuất ống, ống dẫn và cấu hình về công nghệ và hiệu quả. Những lợi ích thu được thường đóng góp vào lợi tức đầu tư từ một đến ba năm.

Bất kỳ vật liệu nào có thể được hàn nhiệt hạch đều có thể được hàn bằng tia laser, vì vậy khi công nghệ cải tiến về sức mạnh, độ tin cậy và quang học, nhiều công ty liên quan đến sản xuất ống, ống dẫn và hồ sơ sẽ tiếp tục hưởng lợi và làm việc trên nền tảng được đặt ra bởi những người tiên phong về CO ₂ .

CÔNG TY CỔ PHẦN DIMEC

Hotline: 0966.92.0404

Email: info@dimec.vn

Website: dimec.vn

Trụ sở chính: Số 285 Phúc Lợi, P. Phúc Lợi, Q. Long Biên, TP. Hà Nội

CN Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, đường Nguyễn Sinh Sắc, P. Hòa