Ứng dụng robot hàn hồ quang dưới lớp thuốc trong ngành công nghiệp năng lượng

Bài viết được chia sẻ bởi Jeff Nadzam- Technical Sales Representative, Lincoln Electric
Double Good., JSC xin giới thiệu cùng bạn đọc câu chuyện ứng dụng robot hàn hồ quang dưới lớp thuốc tại công ty East End Welding, Inc.

Việc sử dụng robot hàn hồ quang thường được thấy trong các ứng dụng là dùng dây đặc hoặc dây lõi thuốc. Điều này là hoàn toàn hợp lý vì tính linh hoạt của quá trình hàn GMAW : có thể sử dụng một cách đa dạng các vị trí hàn trong không gian, với lượng nhiệt đưa vào vũng hàn nhỏ, tốc độ đắp cao, và loại bỏ được yếu tố bất lợi do Hydro gây ra cho mối hàn. Bởi vậy, các lựa chọn thay thế thường không được xem là hiệu quả về mặt chi phí.

Một ngoại lệ cho quá trình hàn robot này đó là sử dụng quá trình hàn hồ quang chìm (SAW). Nó được coi là một quá trình đem lại hiệu quả cao vì khả năng tạo ra một mối hàn chất lượng tốt, hàm lượng Hydro trong mối hàn ít hơn, và đặc biệt có khả năng ngấu tốt vào vật liệu cơ bản. Với việc chắc chắn rằng quá trình hàn SAW có thể cung cấp một mối hàn bảo đảm về cơ tính. Rất nhiều các nhà sản xuất chế tạo về hàn trong hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ (ASME) đã hướng sang sử dụng hàn tự động SAW cho những ứng dụng cụ thể bất cứ khi nào có cơ hội.

Trong chuyến thăm quan Lincoln Electric Automatic ở Cleveland, John Susong – Giám đốc đều hành kiêm chủ tịch công ty East End Welding Inc. ở Brimfield, Ohio đã rất quan tâm tới công nghệ hàn SAW có sử dụng cánh tay robot.

Sau bài thuyết trình, một cuộc tranh luận sôi nổi đã diễn ra. Susong người được mời đến Lincoln Electric bởi ông Bob Einfeldt thuộc đại lý Praxair Distribution cho biết đây là một lý do tốt để thử vận hành hệ thống robot hàn sử dụng quá trình hàn SAW cho các hoạt động sản xuất của ông. Sau đó, Bob Einfeldt đã củng cố ý tưởng này và kế hoạch sử dụng hệ thống hàn robot SAW tại East End Welding Inc., đã ra đời.

Cả Susong và Einfeldt đều nhận thấy vai trò quan trọng quả quá trình hàn SAW sử dụng cánh tay robot cho tương lai của East End. Tiềm năng tự động hóa robot hàn SAW càng trở nên rõ ràng với Susong khi ông nhận thấy những lợi thế mà nó đem lại đối với quá trình sản xuất năng lượng. Với ý tưởng đó, ông đã bắt đầu tìm cách phát triển việc sử dụng robot hàn SAW trong xưởng hàn của ông ấy.

Mục tiêu của Susong là dành nhiều thời gian cho mảng kinh doanh công nghiệp năng lượng của mình để cải thiện sản xuất hiệu quả và bảo đảm chất lượng mối hàn tốt. Ứng dụng để hàn nối nắp với ống header là mục tiêu hướng tới quả việc áp dụng tự động quá trình hàn SAW.

Các yếu tố thay đổi

East End đã sử dụng quá trình hàn hồ quang tay SMAW thay vì sử dụng các quá trình hàn có khả nặng vận hành tốt hơn. Chính vì thế, đã lãng phí thời gian hơn. Mỗi liên kết hàn giữa nắp với ống header đều yêu cầu mối hàn ngấu hoàn toàn, do vậy cần phải hàn nhiều lớp, yêu cầu nung sơ bộ và duy trì nhiệt độ giữa các đường hàn. Ngoài ra, các chi tiết có chiều dài tổng thể, nên quá trình sản xuất ống header gặp phải những khó khăn trong quá trình thực hiện hàn.

Nếu công ty chuyển sang sử dụng quá trình hàn robot SAW, thì thợ hàn có thể điều chỉnh mỏ hàn theo hướng quay của header trong suốt quá trình chế tạo. Susong đã nhận ra rằng, cần phải có kế hoạch rất cẩn thận để thực hiện công nghệ hàn này. Ông đã bắt đầu thành lập đội của mình để chuyển đổi sang quy trình hàn robot mới. Ông biết rằng có rủi ro cho việc đầu tư mới này, nhưng với hy vọng “thử nghiệm” thành công, cuối cùng ông ấy cũng có được một công cụ tuyệt vời “mà không ai khác trên thế giới có”.

East End đã áp dụng công nghệ hàn robot SAW từ cuối năm 2009. Việc lắp đặt được thực hiện ở 3 khu vực cách nhau 90 độ. Nó có khả năng sử dụng cánh tay robot FANUC® M-710 và điều khiển tích hợp với nguồn điện hàn Power wave® AC/DC 1000® SD. Đầu hàn đã được sửa đổi để cung cấp 1 dây đơn SAW từ thùng hoặc cuộn dây hàn Lincolnweld® LA-90, LA-92 hoặc LA-93 đường kính 2.4mm dùng với thuốc hàn Lincolnweld® 960. Để đảm bảo lượng thuốc hàn phủ kín toàn bộ liên kết hàn, công ty đã sử dụng bộ phân phối áp suất khí của đang chờ cấp bằng sáng chế của Lincoln Electric.

Làm việc theo nhóm thúc đẩy sự thay đổi

Tại East End, Susong trao quyền cho các thành viên trong nhóm của mình tiếp cận những công nghệ thay đổi. Đứng từ quan điểm đào tạo, khi công ty đạt được những tiến bộ nhất định trong việc gia công, cắt, hàn để cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm giá thành, ông tin tưởng rằng đội ngũ của mình có thể tận dụng mọi cơ hội để phát triển và sử dụng công nghệ mới. Susong tin rằng việc thúc đẩy mối quan hệ hợp tác giữa các thành viên trong nhóm và các nhà cung cấp, chính là trọng tâm để thực hiện thành công công nghệ hàn robot mới.

Khi East End triển khai quy trình hàn robot SAW, Susong đã mời Praxair và Lincoln cùng tham gia vào nhóm thực hiện của mình. Chuyên gia của Lincoln Electric Automation ông David Mate đã có tác động lớn đến thành công của dự án. Phương pháp tiếp cận kỹ thuật của ông ấy đã cung cấp kiến thức hàn mới đến toàn bộ đội của East End, bao gồm David Dockery, Doug Susong, Randy Starcher, Mike Benyi và Greg Murray. Cùng với nhau, nhóm đã lập kế hoạch cho trình tự hàn, kiểm soát nhiệt nung sơ bộ, nhiệt độ giữa các đường hàn, và cuối cùng là việc cung cấp dây hàn và thuốc hàn cho liên kết hàn.

Chuyên gia của Lincoln Electric, ông David Mate đã làm việc qua từng bước của hoạt động hàn, và nỗ lực kết hợp với đội nhóm của East End đã biến rủi ro thành một dự án thành công, phát triển được quá trình hàn robot hiệu quả.

Tích hợp một quy trình hàn mới

Khi thực hiện quá trình hàn nối đầu với thân ống header, các đường hàn lót đáy và đường hàn nóng được thực hiện bằng quá trình hàn TIG trước khi thực hiện quá trình hàn tự động SAW. Một ống header yêu cầu hàn cả 2 đầu. khi việc hàn SAW thực hiện xong ở một đầu, đồ gá sẽ nâng header lên khoảng 5 mét để hàn nốt đầu còn lại. 06 headers được gá lắp trên một đồ gá hàn chuyên dụng do East End thiết kế và giữ cho cho liên kết ở vị trí hàn bằng 1G. Đồ gá mới này giúp cho phép robot hàn có thể thực hiện hàn hầu hết cho các header tại công ty East End.

Robot di chuyển từ một đầu header này sang đầu bên cạnh sau mỗi đường hàn, tối đa lên tới 20 đường hàn cho mỗi đầu header. Cách hàn này cho phép dễ dàng kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn (giảm thời gian chờ), và giảm việc làm sạch giữa các đường hàn. Tất cả quá trình hàn sử dụng dòng xoay chiều AC cho hàn các đường hàn điền đầy và sau đó dùng dòng AC hoặc DC+ cho những đường hàn phủ. Một lưu ý là: ở trong ứng dụng cụ thể này, người vận hành robot có kế hoạch và nhận thức nhiều hơn so với các công việc vận hành robot hàn không yêu cầu chất lượng theo tiêu chuẩn khác.

Nguồn hàn Lincoln Power Wave® AC/DC 1000 SD tương tác với robot FANUC® M-710 có tầm với trên 3 mét, có chức năng điều chỉnh cực tính, từ đấu điện cực âm DC- (cho tốc độ đắp lớn) tới đấu điện cực dương DC+ (chiều sâu ngấu lớn). Vì vậy, việc sử dụng tính năng này giúp giảm thiểu nguy cơ làm cháy thủng lớp hàn TIG trước đó. Nguồn hàn Power Wave ® AC/DC 1000 SD cũng cho phép người vận hành có thể điều chỉnh thời gian và cường độ dòng điện trong mỗi nửa chu kỳ và tần số của điện áp ra xoay chiều AC.

Tùy thuộc vào việc lựa chọn dây hàn, Lincolnweld® 960 hoặc thuốc hàn Lincolnweld® khác sẽ được sử dụng, và thuốc sẽ được cấp qua hệ thống phân phối áp suất có điều khiển bằng cảm biến, sử dụng công nghệ cấp và thu hồi thuốc Weld Engineering® của Lincoln. Thuốc thường được giữ ở điều kiện 350oF.

Với việc vận hành theo hệ thống này, chất lượng mối hàn hoàn thiện đã được cải thiện trong khi thời gian thực hiện hàn thì giảm đi. Những khó khăn của đội và nỗ lực bền bỉ đã được đền đáp. Công nghệ tiên tiến đã chiến thắng khi hệ thống hàn tự động SAW đã đưa East End hướng về phía trước đáp ứng được những yêu cầu của khác hàng – Hiệu quả & Hiệu quả – tại thời điểm hiện tại vả cả trong tương lai.