Công nghệ laser sợi quang xâm nhập vào thị trường ống
Tại sao công nghệ bảo trì thấp lại phù hợp để tạo mối hàn cho sản xuất ống và ống dẫn
Đối với mỗi đổi mới công nghệ mới, một đổi mới khác sẽ theo sau. Một số công nghệ xuất hiện và tạo ra một phân khúc thích hợp cho chính chúng, 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 đã là dĩ vãng, được thay thế bằng các loại đèn huỳnh quang compact, halogen và đi-ốt phát sáng. Các bản ghi vinyl, băng cassette và đĩa compact đã gần như được thay thế bằng các tệp điện tử. Máy ảnh phim được ưa chuộng trong số một số người cứng rắn, nhưng thị trường về cơ bản đã bị chiếm lĩnh bởi máy ảnh kỹ thuật số. Một nửa thế kỷ trước, radio và bộ khuếch đại dựa trên các ống chân không đã bị loại bỏ bởi 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 loại CO 2 . Khi được áp dụng cho ống hoặc máy nghiền ống và được sử dụng để hàn đường nối, tia laser CO 2 đã tạo ra một hốc như một ứng cử viên, một giải pháp thay thế khả thi cho các quy trình hàn điện trở và hàn hồ quang. Ngày nay, loại 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 các đường 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 có tính toàn vẹn mà các phương pháp 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 nghiền 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 điểm nhỏ có nghĩa là việc giữ cho đường hàn ở vị trí 12:00 giờ là rất quan trọng. Cuối cùng – không thực sự là một nhược điểm, nhưng về cơ bản là một điểm thu hút – là khoản đầu tư không mang lại nhiều lợi ích tài chính. Chi phí đầu tư của một thiết bị hàn laser ngang bằng với chi phí đầu tư của thiết bị HF-ERW.
Tuy nhiên, rất nhiều lợi ích làm cho công nghệ này đáng để nghiên cứu.
CO 2 so với Laser trạng thái rắn
Đúng như tên gọi, laser CO 2 đương nhiệm sử dụng hỗn hợp khí dựa trên carbon dioxide. Hỗn hợp CO2và các loại khí khác, thường là nitơ và heli, được kích thích bằng điện để tạo ra chùm tia hàn. Một số tia laser có quạt gió kiểu tuabin, tiếp tuyến hoặc 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 nhất định. Tất cả các loại khí phải được sơ tán khỏi bộ cộng hưởng và được bổ sung theo một lịch trình, dẫn đến chi phí tiêu hao, cơ sở vật chất và lao động để lưu trữ và bảo trì chúng. Khi helium ngày càng trở nên khan hiếm, loại khí hàng hóa này sẽ gây ra chi phí vận hành ngày càng tăng, cũng như việc quản lý các nguồn cung cấp khí và các nguồn khác tại địa điểm nhà máy.
khí CO2laser 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 laser đến phôi bằng một loạt các ống bao bọc để chụp thẳng và các gương thay đổi hướng của nó. Việc bảo trì thích hợp đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến lịch trình và chế độ làm sạch để tránh làm hỏng bề mặt đồng có độ phản chiếu cao, được đánh bóng của gương, vốn thường được xử lý bằng lớp phủ đặc biệt. Một yêu cầu khác là chúng phải được giữ thẳng hàng theo cả trục và trực giao; nghĩa là, giữ ở các góc vuông tại mỗi vị trí uốn cong để giữ cho chùm tia tập trung vào ống phân phối sao cho chùm tia hội tụ chạm vào vị trí mong muốn trên đường nối của ống.
Laser trạng thái rắn có nhiều loại sợi quang hoặc đĩa và có sẵn trong cùng dải công suất như đối tác CO 2 của chúng. Giống như loại CO 2 , cái tên này mang tính mô tả, xác định nguồn gốc của chùm tia laser là chất rắn, sợi thủy tinh ép đùn hoặc đĩa tinh thể nhỏ. Cả hai đều có một nguyên tố đất hiếm lơ lửng, hoặc được pha tạp để sử dụng thuật ngữ công nghiệp, 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).
Laser trạng thái rắn trên nền tảng vững chắc
Từ quan điểm cơ sở vật chất, laser trạng thái rắn gần như không yêu cầu nhiều tài nguyên như đối tác CO 2 của chúng. Ngoài hệ thống phân phối chùm đơn giản hóa, có thể có giá trị lớn hơn là yêu cầu không gian sàn khiêm tốn. Ngày nay, các tia laser sợi quang từ 8 đến 10 kilowatt (kW) chỉ cần 20 phần trăm diện tích sàn so với các tia laser CO 2 có công suất tương tự. Thêm vào đó, hiệu suất điện của laser sợi quang tốt hơn từ 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 trạng thái rắn không cần khí để tạo ra chùm tia. Mối quan tâm chính ở đây là helium, nguồn cung cấp là hữu hạn. Chi phí đang tăng lên, và trong một số trường hợp, nguồn cung bị hạn chế.
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 nhanh chóng vì chúng dễ dàng hấp thụ các bước sóng laser. Như đã đề cập, chùm tia CO 2 phải được truyền từ nguồn đến hộp mối hàn trong các ống để ngăn ánh sáng vô hình bên trong tiếp xúc với nhân viên. Cáp quang của laser trạng thái rắn được bảo vệ bằng nhiều lớp để đảm bảo độ bền và độ an toàn và là một thiết bị vận chuyển ánh sáng lý tưởng. Bảo vệ mắt đối với CO 2laser có thể là hầu hết mọi vật liệu thủy tinh hoặc nhựa, vì chúng sẽ hấp thụ phần lớn ánh sáng phản xạ và ngăn ánh sáng chiếu tới mắt. Laser trạng thái rắn yêu cầu bảo vệ mắt được phủ bằng vật liệu dành riêng cho bước sóng có thể hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào phản xạ từ quy trình. Cả hai loại laser đều yêu cầu vỏ bọc ANSI Loại 1 để đảm bảo rằng bất kỳ ánh sáng phản xạ nào thoát ra từ hộp hàn đều nằm dưới ngưỡng chấp nhận được.
Khả năng và Hãy cẩn thận. 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 màu. Khi được tối ưu hóa, laser trạng thái rắn có thể hàn ống có thành rất mỏng và đường kính rất nhỏ, chẳng hạn như sản phẩm dưới da, cho 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 việc tăng tốc độ đường truyền chỉ là vấn đề tăng công suất của tia laser. Một mặt, giới hạn thực tế thường là từ 33 đến 49 feet mỗi phút (10 và 15 mét mỗi phút) để ngăn 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 theo cách khác, thì các mô hình đông đặc giống như sóng này có thể bị bỏ qua, cho phép đường chạy nhanh hơn.
Các mối hàn laser thường có các mặt rất song song và dẫn đến khả năng tạo hình rất tốt so với các 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 ống xả yêu cầu uốn cong bán kính nhỏ và tạo thành hình dạng ống thổi để kiểm soát sự giãn nở và co lại nhiệt.
Laser trạng thái rắn tạo ra chùm tia có thể hội tụ thành đường kính điểm nhỏ hơn so với nhiều laser CO 2 . Đây có thể là một lợi thế đáng kể, nhưng chỉ khi máy cán ống có thể tạo ra đường may ở điểm chết trên cùng với sự chuẩn bị tốt cho cạnh. Tuy nhiên, nếu kích thước điểm quá nhỏ, sự biến động của vũng hàn quá mức có thể gây ra các đường nối bị bỏ sót và bắn tóe mối hàn trong OD hoặc ID. Bước sóng ngắn hơn giúp hầu hết các loại thép hấp thụ năng lượng của tia laser hiệu quả hơn so với laser CO 2 , vì vậy cần phải cẩn thận để đạt được chất lượng mong muốn từ quá trình hàn. khí CO2laser có 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, kết quả về cơ bản là giống hệt nhau.
Hàn laser bằng laser sợi quang thường được hưởng lợi từ việc hàn với gờ của các cạnh dải hướng xuống dưới. Kiểm soát khe hở dọc và ngang tại điểm nhúm đến 5 phần trăm hoặc ít hơn độ dày của dải cũng mang lại lợi ích về chất lượng và hình thức mối hàn cao. Tối ưu hóa vị trí lấy nét so với điểm nhúm 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 máy ảnh và xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã làm cho việc theo dõi đường nối quang trở thành một hệ thống con mạnh mẽ góp phần tạo nên đường hàn chất lượng cao. Một máy ảnh phát hiện khoảng trống 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 máy ảnh bổ sung hiển thị mép trên cùng để người vận hành có thể tìm kiếm các khuyết tật mối hàn như mối hàn thiếu, thiếu hàn và thiếu nhiệt.
Một Minh Họa Ứng Dụng. Một ứng dụng điển hình cho hàn laser trạng thái 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 kết cấu 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. Những người vận hành phải đối mặt với khối lượng công việc lớn đang nhìn vào các hệ thống laser CO 2 cũ hơn với một số nghi ngờ, bởi vì nhiều hệ thống sắp hết tuổi thọ sử dụng được. Đối mặt với khả năng tạm dừng sản xuất 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 thanh định hình đang chuyển sang sử dụng hệ thống laser thể rắn để giúp cắt giảm chi phí sản xuất, cải thiện thời gian hoạt động và độ tin cậy của dây chuyền, đồng thời cắt giảm tiện ích và vật tư tiêu hao chi phí. Điều này chuyển thành chi phí thấp hơn cho mỗi bộ phận và lợi nhuận cao hơn.
Giải thích về chi phí cho một dòng mới hoặc cập nhật một dòng hiện tại nên bao gồm các cân nhắc sau:
- Tình trạng hỗ trợ sản phẩm hiện tại từ OEM laser
- Có sẵn phụ tùng thay thế và kỹ thuật viên dịch vụ được đào tạo để lắp đặt chúng
- Lịch sử của laser hiện tại và bất kỳ vấn đề bảo trì nổi bật hoặc đang diễn ra nào
- Cải tiến quy trình so với laser trạng thái rắn
- Tiết kiệm không gian sàn cho máy làm lạnh và laser trạng thái rắn
- Loại bỏ lưu trữ khí tại laser
- Loại bỏ nguồn cung cấp năng lượng tần số vô tuyến laser và các tủ điện khác
- Loại bỏ sự cô lập rung động cho việc cung cấp tia laser và chùm tia
- Giảm tồn kho phụ tùng
- Cáp quang cho 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 phần trăm điện năng của tia laser thông thường
- Loại bỏ CO 2 , heli, nitơ và các loại khí khác để tạo ra chùm tia
- Loại bỏ khí hoặc máy sấy không khí cho các ống phân phối chùm tia
- Loại bỏ quang học tiêu hao trong đường dẫn chùm tia
Sự phát triển trong tương lai
Xem xét tất cả các yếu tố chính và ngoại vi, trường hợp của laser trạng thái rắn rất dễ chế tạo. Bản chất cho phép của laser sợi quang trạng thái rắn bước sóng 1 µm giúp tăng cường sản xuất ống, ống và biên dạng 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 bằng nhiệt hạch đều có thể được hàn bằng laser, do đó, khi công nghệ này được cải thiện về sức mạnh, độ tin cậy và quang học, nhiều công ty tham gia sản xuất ống, ống và thanh định hình sẽ tiếp tục được hưởng lợi và hoạt động trên nền tảng được đặt ra bởi những người tiên phong CO2 .