Cải cách hệ thống mới chế tạo sẵn trong đóng tàu

Nhiều dặm hàn phải được thực hiện trên các con tàu được chế tạo tại nhà máy đóng tàu Jos. L. Meyer GmbH. Tàu có thể lớn tới 162,5 x 975 ft. và cao 162,5 ft.

Nhiều dặm hàn phải được thực hiện trên những con tàu có độ lớn này. Giống như các công ty khác trong ngành đóng tàu, Meyer đã sử dụng phương pháp hàn hồ quang kim loại bằng khí đốt thủ công (GMAW) hoặc hàn hồ quang phụ để nối các tấm thành bên và tấm boong. Các quá trình nhiệt này đã tạo ra một vùng ảnh hưởng nhiệt rộng (HAZ), và kết quả là các tấm bị vênh, cong vênh và không vuông vắn. Do đó, sự phù hợp của chúng là không thể đoán trước trong quá trình lắp ráp và nối tiếp theo. Thông thường các tấm phải được làm phẳng, và phải lấp đầy những khoảng trống lớn do cong vênh và co ngót.

Sau khi các tấm được nối với nhau, các phần tử gia cố, được gọi là chất làm cứng, được hàn vào các tấm. Vị trí và kích thước của các chất làm cứng khác nhau để phù hợp với các lỗ khoét ra khỏi tấm cho cầu thang, thang cuốn, cửa ra vào và đường ống tiện ích.

Trong nỗ lực rút ngắn thời gian cần thiết để đóng tàu của mình, công ty đã tìm kiếm một phương pháp cho phép họ chế tạo sẵn tàu 65 x 65 ft. các tấm boong (20 x 20 m) từ các tấm riêng lẻ rộng 13 x 32,5 ft. (4 x 10 m) và dày tới 5/8 inch (15 mm) và với các nẹp gia cố có kích thước khác nhau được hàn trên các tấm có thể thay đổi địa điểm.

Chỉ sử dụng GMAW, nhà máy đóng tàu không thể xuyên qua các tấm có độ dày cần thiết mà không bị biến dạng nhiều lần. Nó phải lật tấm và hàn nửa chừng ở cả hai bên để đạt được độ xuyên thấu hoàn toàn mà không bị biến dạng.

Để giảm thời gian sản xuất và loại bỏ chi phí bổ sung của thiết bị cần thiết để xoay các tấm nặng (lên đến 65 tấn) để hàn hai mặt, quy trình sẽ phải có khả năng đạt được mối nối phi lê (khớp chữ T) xuyên thấu hoàn toàn các mối hàn và các đường nối đối đầu vuông trong tấm dày 15 mm từ một phía.

“Đây là cách duy nhất chúng tôi có thể xử lý các tấm có kích thước lên tới 4.300 foot vuông (400 dặm vuông) và các phần tử tăng cứng dài tới 65 ft. (20 m),” Hermann Lembeck của Meyer cho biết, người chịu trách nhiệm phát triển và áp dụng các công nghệ mới.

Từ năm 1994, Meyer đã sử dụng laser trong hoạt động đóng tàu của mình để sản xuất các tấm lõi I, là các thành phần thép hàn “kẹp” hoặc xếp lớp. Những lợi ích mà công ty nhận được từ việc hàn laser bao gồm độ co ngót của mối hàn nhỏ và đặc tính công nghệ tốt của đường hàn.

Năm 1999, công ty bắt đầu nghiên cứu phát triển dây chuyền hàn lai laser hoàn toàn tự động để đúc sẵn các tấm boong và thành bên. Mặc dù chi phí năng lượng của hàn laser cao hơn so với GMAW, Lembeck dự đoán rằng tốc độ hàn tăng lên, loại bỏ các hoạt động thứ cấp và giảm sử dụng kim loại phụ sẽ cân bằng chi phí, dẫn đến tổng chi phí thấp hơn.

Lembeck cho biết: “Chúng tôi muốn phát triển một quy trình giúp cải thiện các đặc tính của đường hàn, kéo dài tuổi thọ, tăng khả năng hàn các tấm có độ dày thay đổi và tăng tốc độ sản xuất”.

Quy trình hàn lai giữa laze-GMAW mà nhà máy đóng tàu đã phát triển sử dụng GMAW để hàn nóng chảy, hoặc làm chảy mép đường may và kim loại đắp gần bề mặt, và hàn laze để thực hiện hàn xuyên sâu. Nói cách khác, GMAW lấp đầy khoảng trống, trong khi tia laser chiếu tới đáy của chi tiết hoặc gốc của mối hàn.

Thử nghiệm

Để đánh giá khả năng mở rộng việc sử dụng laser, nhà máy đóng tàu đã làm việc với Viện Công nghệ Laser ở Aachen, Đức, hàn thử các tấm dài 1 m. Ngoài ra, DNV (Det Norske Veritas) đã giám sát thử nghiệm phá hủy đối với kết quả độ bền kéo, ứng suất và uốn. Khi Lembeck và nhóm của ông nghĩ rằng họ đã phát triển một quy trình hàn an toàn và hiệu quả bằng cách sử dụng thiết bị thử nghiệm của chính công ty, hệ thống Schuler Held Lasertechnik PEDILAS công suất 10 m, họ bắt đầu tìm kiếm các nhà sản xuất dây hàn phù hợp.

Họ đã chọn Schuler Held Lasertechnik cho các hệ thống hàn, Graebener Maschinentechnik cho các quy trình xay xát và Dornieden Anlagentechnik cho các hệ thống xử lý vật liệu.

Lembeck không muốn dựa vào các kết quả trong phòng thí nghiệm thu được từ việc hàn các tấm dài 1 m để dự đoán việc chế tạo một tấm dài 65 ft. (20 m). Vì vậy, khi đã chọn được nhà sản xuất dây hàn, bước tiếp theo là thử nghiệm bổ sung trên quy mô lớn hơn. Meyer đã tiến hành các thử nghiệm trung gian trong khoang sản xuất của mình bằng cách sử dụng máy PEDILAS cho cả hàn laser đối đầu và hàn mối nối phi lê trên tấm dài 32,5 ft. (10 m) để nghiên cứu tác động của ứng suất, lực kẹp và môi trường.

Lembeck và nhóm của ông đã thử nghiệm các hiệu ứng trên chiều cao tấm thay đổi và các góc nghiêng khác nhau bằng cách sử dụng GMAW và hàn laze để xác định các điều chỉnh cần thiết nhằm có được mối hàn chính xác.

Với các mối hàn dài, các khoảng trống xuất hiện đòi hỏi các thiết bị kẹp đặc biệt. Lembeck cho rằng cần phải nghiên cứu các thông số vận hành của các mối hàn dài với các khe hở ngày càng tăng. Ví dụ, ngay cả với thiết bị kẹp nặng, khe hở có thể tăng từ 0 đến 1 mm. Để bù lại, công nghệ cảm biến đã được giới thiệu để kiểm soát việc cấp dây. Nếu một khoảng trống mở rộng, nó cần nhiều chất độn hơn để đóng lại. Các cảm biến cho phép tính toán khối lượng chất độn cần thiết khi khoảng cách thay đổi, sau đó điều chỉnh tốc độ nạp chất độn. Điều này giúp duy trì vận tốc đầu mối hàn và cung cấp vật liệu bổ sung trong mối hàn.

Dựa trên kết quả nghiên cứu của mình, công ty đã quyết định tiến hành các kế hoạch triển khai hàn lai laser-GMAW trong các hoạt động hàn giáp mép và hàn phi lê của mình.

Mỗi máy trong số bốn máy hàn laze đa trục của dây chuyền sản xuất mới—hai máy hàn giáp mép và hai máy hàn mối nối phi lê—được trang bị nguồn GMAW Fronius 450-amp và tia laser CO 2 TRUMPF 12 kilowatt. Bảy trục điều khiển số (CNC) bằng máy tính được tích hợp cho GMAW và hàn laze trong đầu làm việc của khớp đối đầu.

Xếp hàng đầu tiên

Theo công ty, vào đầu năm 2002, nhà máy đóng tàu Meyer trở thành nhà máy đầu tiên sử dụng dây chuyền sản xuất tự động với hàn lai laser để sản xuất và chế tạo các bộ phận tàu lớn.

Hình 1 Một thợ hàn giáp mép lớn với máy phay dọc tích hợp chế tạo và nối các dải thành các tấm lớn hơn.

Các yếu tố chính của hệ thống này là bốn máy hàn lai laser, hai máy cắt plasma và hai máy phay.

Quá trình bắt đầu khi máy cắt plasma đầu tiên cắt tấm thô thành 32,5 x 13 ft. (10 x 4 m). Sau đó, dải di chuyển vào máy hàn giáp mép đầu tiên bằng hệ thống băng tải. Một thợ hàn giáp mép laze nhỏ với một máy phay ngang tích hợp chế tạo và nối hai đường kính 32,5 x 13 ft. (10 x 4 m) tấm thành 65 x 13 ft. dải (20 x 4 m).

Hình 2 Nhiều xi lanh thủy lực đảm bảo rằng các thiết bị kẹp giữ chặt các tấm tại chỗ trong quá trình hàn giáp mép.

Dải lớn hơn này di chuyển bằng hệ thống băng tải đến máy hàn giáp mép lớn hơn với máy phay dọc tích hợp để chế tạo và nối năm dải trong số đó thành các tấm lớn tới 65 x 65 ft. (20 x 20 m) (xem Hình 1 và 2 ) .

Các tấm được hàn, lắp ráp này tiếp tục trên hệ thống băng tải đến máy cắt plasma thứ hai, rộng 20 m, cắt các lỗ trên tấm cho hệ thống đường ống tiện ích, cầu thang, cửa ra vào và thang cuốn. Một thợ hàn mối nối phi lê nhỏ thêm các chất gia cố vào các thành bên, và một thợ hàn mối hàn phi lê lớn gắn các chất gia cường vào phần boong lớn (xem Hình 3 ). Ở cuối dây chuyền, một bảng điều khiển hoàn chỉnh xuất hiện, với các lỗ được cắt ra và có gắn các chất làm cứng (xem Hình 4 ).

Chuẩn bị cạnh đóng một vai trò thiết yếu trong quá trình sản xuất các tấm hàn phù hợp. Việc kết hợp các tấm có độ dày khác nhau và các vật liệu khác nhau đòi hỏi các cạnh được làm thon thích hợp trong khu vực chuyển tiếp. Khe hở bằng 0 là yêu cầu lý tưởng để đảm bảo mối hàn tốt. Các hệ thống phay được tích hợp trong dây chuyền hàn tự động sẽ kẹp các cạnh tấm được nối và gia công đồng thời cả hai cạnh đối diện.

Hình 3 Máy hàn mối nối góc hàn các phần tử tăng cứng lên các tấm và tường.

Thay vì sử dụng tia laze để vát các cạnh, Lembeck quyết định phay các cạnh vì ông xác định rằng nó sẽ rẻ hơn và nhanh hơn. Không giống như góc vát chữ I điển hình được sử dụng để hàn laser mối hàn giáp mép, góc vát hàn lai laser có hình chữ Y. Độ mở ở trên cùng của Y là 12 độ, với các tấm rất gần nhau ở phía dưới.

Lembeck cho biết phần lớn việc chuẩn bị cạnh chính xác cho phép sử dụng phương pháp hàn lai laser tự động trong đóng tàu.

Sau khi các tấm lớn được hàn và lắp với các thanh gia cố, một cần cẩu giàn sẽ vận chuyển các tấm lớn này đến nơi chúng được lắp với nhau. Meyer lắp ráp trước các phần 600 tấn trước khi lắp ráp chúng trên tàu.

Các biện pháp kiểm soát được yêu cầu đối với một cỡ lô là một

Mỗi tàu du lịch được thiết kế độc đáo. Ngay cả khi một đơn đặt hàng được đặt cho nhiều hơn một con tàu hoặc tàu chở khí, nhiều bộ phận giống hệt nhau sẽ không được sản xuất và đặt trên kệ. Không có hai tấm nào giống nhau, với sự khác biệt về độ dày và loại vật liệu, cũng như sự khác biệt về hình dạng và kích thước của chất làm cứng. Do đó, tàu được sản xuất với số lượng lớn.

Hình 4 Các tấm có kích thước lớn tới 65 x 65 ft. có thể được đúc sẵn bằng cách đạt được độ ngấu hoàn toàn bằng phương pháp hàn một phía, hoàn toàn tự động.

“Điều đó có nghĩa là tất cả các máy tham gia vào quá trình sản xuất phải tính toán một chương trình mới từ dữ liệu CAD cho từng bộ phận riêng lẻ,” Lembeck nói.

Ngay cả trước khi dải đầu tiên được cắt, nó đã được xác định trước ở vị trí nào và trong bảng nào, dải đó sẽ được đặt ở cuối đường hàn. Mọi tấm và mọi chất làm cứng phải được chuẩn bị kịp thời để có sẵn và ở đúng vị trí khi chúng cần được hàn trong dây chuyền sản xuất tấm.

Lembeck nói: “Việc lưu trữ tạm thời các tấm, chưa kể đến các phần, là không khả thi.

Dây chuyền hàn được liên kết trực tiếp với hệ thống CAD của công ty bởi các nhân viên kỹ thuật sản xuất chương trình CAM. Sau đó, các chương trình CNC riêng lẻ được tạo và chuyển đến bộ điều khiển máy CNC thích hợp.

Máy hàn mối nối phi lê có 27 trục CNC và được điều khiển bởi hai máy CNC—một cho hàn và một cho thiết bị xử lý vật liệu. Thiết bị xử lý vật liệu bao gồm năm đơn vị, mỗi đơn vị có ba trục CNC được sử dụng để định vị các chất làm cứng.

Nhiệm vụ đã hoàn thành

Theo Lembeck, công nghệ mới đã tạo ra những cải tiến đáng kể về năng suất tại Meyer. Đúng như dự đoán, việc hàn một phía đã hoàn thành mục tiêu của công ty là loại bỏ nhu cầu lật các tấm ván nặng, rộng tới 65 mét vuông. Ngoài ra, sự biến dạng do nhiệt gây ra ở mức tối thiểu đã dẫn đến các tấm được chế tạo phẳng. Theo Lembeck, không còn gợn sóng và vênh, chúng không cần làm phẳng hoặc loại bỏ vật liệu độn thừa.

Ngoài ra, tốc độ hàn nhanh hơn tới ba lần so với GMAW hoặc hàn hồ quang phụ mà công ty đang sử dụng, ông nói thêm. Có thể hàn các tấm mỏng hơn lên đến 14 inch (5 đến 6 mm) với tốc độ khoảng 99 đến 118,8 inch mỗi phút (IPM) (2,5 đến 3 mét mỗi phút) (MPM). Tấm 15 mm có thể được hàn ở tốc độ 47 IPM (1,2 MPM).

Vì góc cạnh hàn laze nhỏ, (khoảng 6 độ so với 30 đến 45 độ do GMAW tạo ra), việc sử dụng dây phụ đã giảm khoảng 80 phần trăm.

Ngoài ra, việc chuẩn bị cạnh chính xác đã cải thiện chất lượng của các đường hàn. Độ chính xác phù hợp gia tăng của các phần tàu được chế tạo đã dẫn đến công việc căn chỉnh và điều chỉnh ít hơn, điều mà Lembeck cho biết ông coi là một lợi thế đáng kể so với các khái niệm sản xuất thông thường. Anh ấy nói thêm rằng độ chính xác của công việc được thực hiện giúp anh ấy kiểm soát tốt hơn các quy trình ước tính và lập kế hoạch.

Lembeck cho biết: “Các quy trình hàn trước đây chủ yếu được thực hiện bằng tay, hoặc tốt nhất là với một số thiết bị hỗ trợ cơ học như máy kéo [rô-bốt], giờ đây được thực hiện tự động. Điều này giúp chúng tôi tiết kiệm thời gian và cải thiện chất lượng”. “Nói chung, tôi muốn nói rằng chúng tôi đã cải cách toàn bộ quá trình đúc sẵn.”