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Da oggi i tubi si saldano con il “fibra”

IPG Photonics Italy ha sviluppato il sistema di saldatura per tubi e profili TPS 6000 che è stato presentato ufficialmente in occasione della Tube 2016 di Düsseldorf dove è stata accolta con notevole interesse e forti aspettative in virtù dei numerosi vantaggi che tale soluzione è in grado di assicurare. TPS 6000 è una reale alternativa a metodi come il TIG ma anche alla tecnologia laser CO2 fin qui usati per la saldatura dei tubi.

di Fabrizio Garnero

 

Settembre 2016

Con il suo lancio in occasione della Tube di Düsseldorf, il sistema di saldatura per tubi e profili TPS 6000 entra, di fatto, a far parte della gamma di prodotto IPG Photonics come afferma Alberto Cavallini, Sales Manager per l’Italia e l’Area del Mediterraneo presso IPG Photonics che abbiamo incontrato a ridosso della fiera: “TPS non è più un prototipo in via di sviluppo, ma una vera e propria soluzione basata sull’uso dei laser in fibra, reale alternativa alle metodologie più tradizionali quali il TIG e la tecnologia laser CO2 fin qui utilizzate per la saldatura dei tubi”. Si tratta di una soluzione assolutamente valida, come testimoniano le tre macchine già installate e attive presso un tubificio lombardo e uno del nord est, nata in seno alla filiale italiana di IPG per la quale è referente tecnologico e garante dello sviluppo e della messa a punto del processo di saldatura. “Quello della TPS 6000 è un progetto tutto italiano - spiega Cavallini - nato qui a Cerro Maggiore; nella sua struttura IPG Photonics è molto flessibile e lascia spazio alle proprie filiali di sviluppare applicazioni e prodotti, anche di nicchia, qualora intravedano delle potenzialità di crescita interessanti. Nel nostro Paese, il mercato del tubo ha ancora un potenziale inespresso da “conquistare” ma, soprattutto, ha una cospicua fetta legata alla sostituzione di macchine e impianti basati su metodi di saldatura più tradizionali, laser CO2 compreso, a cui vogliamo far toccare con mano tutti i vantaggi tipici del laser in fibra, in termini di minori consumi di energia e ridotti costi di manutenzione a parità di risultati qualitativi che il più delle volte risultano essere addirittura migliori. Come IPG Photonics Italy abbiamo individuato questo potenziale e, una volta avuto il via libera, ci siamo fortemente dedicati e focalizzati sullo sviluppo e sulla messa a punto di questa applicazione per cui, al momento, siamo i referenti assoluti, forti delle installazioni già avvenute”.

Un posizionatore cartesiano a tre assi realmente dedicato
TPS 6000 è un posizionatore cartesiano a tre assi a controllo numerico costruito in modo modulare per potersi adattare alla linea di produzione del cliente; ciò significa che la macchina può avere configurazione destra o sinistra a seconda che il tubo viaggi da destra a sinistra o viceversa in modo da potersi adattare a ogni contesto produttivo. È un sistema specificatamente pensato per la saldatura a fuoco fisso (l’alternativo sistema woobling, su questo tipo di applicazione, non sarebbe sufficientemente veloce) sia dei tubi che dei profili e si compone: del portale cartesiano recante la testa di saldatura, di un armadio elettrico di controllo, della sorgente laser in fibra IPG con relativo chiller di raffreddamento, di una postazione di controllo touch-screen con interfaccia uomo macchina dedicata user-friendly che propone in modo rapido e immediato le possibili “ricette”di lavoro. È, come detto, un sistema dedicato e minuziosamente studiato; lo testimonia per esempio la corsa da 600 mm dell’asse Z verticale che costituisce il primo grosso vantaggio rispetto a un sistema con laser CO2 che, per sua natura, visto il percorso ottico di trasporto del fascio, ha maggiori vincoli che limitano la suddetta corsa a un massimo di 300 mm. I 600 mm del sistema TPS offrono invece la possibilità di disimpegnare maggiormente la testa dall’area di saldatura e ciò assume un’importanza notevole pensando alle operazioni di manutenzione e di cambio rulli che tipicamente si effettuano manovrando elementi di difficile gestione in virtù del loro ingombro e peso. “In presenza di un percorso ottico e di una testa di saldatura laser, tali operazioni si complicano decisamente” spiega ancora Cavallini. “Ecco quindi che la flessibilità garantita da una soluzione come la nostra che dà la possibilità di sgomberare completamente il campo da qualsiasi dispositivo costituisce un bel vantaggio operativo. La flessibilità del sistema garantita dalla fibra ci ha permesso di dare completa libertà di manovra ai manutentori quando devono operare”. Il secondo asse del sistema, il cosiddetto asse X, quello parallelo all’asse longitudinale del tubo per intendersi, ha invece una corsa di 300 mm per consentire di adattare la posizione di saldatura a tutte le eventuali attrezzature che il cliente ha a disposizione per la linea. L’asse Y è posto a 90° rispetto all’avanzamento del tubo, ha una corsa di 100 mm ed è guidato mediante un sistema di visione con telecamera laterale che consente di individuare i giunti del tubo e inseguirli durante l’operazione di saldatura.

Il minuzioso lavoro di sviluppo del software
Questo sistema è stato totalmente ingegnerizzato in IPG; dal punto di vista hardware, sono integrati componenti proprietari come la testa di saldatura sviluppata ad hoc e la sorgente laser, ma anche componentistica industriale di primaria importanza dal punto di vista del fornitore come è per esempio il caso del controllo numerico Siemens. La gestione e la regolazione dei vari parametri del processo di saldatura può avvenire solo ed esclusivamente dal pulpito di comando della stazione TPS 6000 mentre il controllo di avvio o arresto del processo di saldatura, una volta che tutti i parametri sono settati correttamente, è stato integrato nel pulpito di comando della linea di produzione del tubo. Semplicemente cliccando su di un pulsante piuttosto che sull’altro, l’operatore è in grado di prendere il controllo di ogni parametro del processo, come per esempio la potenza del laser, piuttosto che la portata del gas o la distanza focale. Interessante il fatto che ogni parametro è regolabile sia tramite il touch dal pannello di controllo che mediante un joystick previsto a corredo della macchina che permette di effettuare minuziose calibrazioni. La macchina dialoga anche con qualsiasi sistema informatico aziendale gerarchicamente superiore per lo scambio di informazioni legate alla produzione, come per esempio la velocità di processo dal cui valore dipende anche il settaggio del sistema insegui giunto. È stato, infatti, messo a punto un algoritmo che regola i valori di inseguimento del giunto di saldatura in modo inversamente proporzionale alla velocità della linea, anche in considerazione del fatto che tale dispositivo si trova a circa 60 mm dal punto di saldatura. Dal punto di vista del software di gestione delle informazioni rilevate dai due sistemi di visione integrati nella macchina, questo è stato sviluppato in partnership con IPG Microsystems, realtà statunitense composta da un gruppo di colleghi americani di IPG Photonics specializzati in sistemi di microlavorazione e di visione tipicamente applicati nel campo dei semiconduttori. Riprende Cavallini: “Avendo loro una grossa esperienza nel campo dei sistemi di visione, ci siamo avvalsi della collaborazione dei colleghi americani di IPG Microsystems per sviluppare il software di visione che rileva l’immagine della telecamera e la traduce in off-set per il corretto posizionamento della testa. In pratica, il sistema di visione cattura l’immagine e individua la mezzeria del giunto di saldatura per posizionare correttamente le testa. La videata del software di controllo propone la visione del giunto ma anche ciò che vede la telecamera coassiale per andare a mirare il punto esatto di mezzeria del giunto. In pratica, vi è quindi un secondo sistema di visione integrato nella testa per il suo corretto posizionamento”. La testa di saldatura utilizzata è anch’essa stata ottimizzata da IPG Photonics Italy ed è per questo che differisce leggermente da quella considerata tradizionale con apertura libera di 50 mm. Si tratta di una versione speciale con collimatore montato posteriormente per adattarsi facilmente alla macchina che, come detto, può essere in configurazione sia destra che sinistra. Dal punto di vista ottico, quindi, non c’è nulla di particolarmente nuovo in questo tipo di testa a eccezione dell’orientamento del collimatore.

Per certi versi simili, ma economicamente differenti
A questo punto, vale la pena di spendere qualche parola in più sulle differenze e i potenziali vantaggi che il sistema TPS 6000 può garantire rispetto alle soluzioni concorrenti. La tecnologia TIG è stata fin qui largamente utilizzata in virtù di un basso costo degli impianti e della notevole facilità di impiego nonostante diversi svantaggi intrinseci dal punto di vista dell’efficienza energetica, dell’onerosa manutenzione necessaria per tenere efficienti gli elettrodi e tutte le componenti dell’impianto e del grosso apporto di calore all’interno del bagno di saldatura. Quest’ultimo aspetto, in particolare, inficia spesso la bontà del giunto di saldatura soprattutto nel caso degli acciai inossidabili, a causa della precipitazione dei carburi di cromo che comportano una modifica della struttura del materiale e quindi una sua sensibilizzazione. “In virtù di questi svantaggi - spiega nuovamente Alberto Cavallini di IPG - chi voleva svincolarsi dal processo TIG è stato finora costretto a scegliere la saldatura con laser CO2, assolutamente più innovativa e vantaggiosa dal punto di vista della riduzione dell’impatto termico sul materiale, dell’incremento di velocità e della diminuzione della manutenzione, ma con tutti gli onerosi aspetti che un tradizionale CO2 ha se messo a confronto con un laser a fibra. Mi riferisco per esempio al consumo energetico piuttosto elevato, alla manutenzione e gestione degli specchi del percorso ottico, che significa comunque costi in più rispetto a quelli di un “fibra”, all’installazione relativamente complicata e soprattutto alla necessità di utilizzare almeno dell’argon come gas di supporto al processo, se non addirittura dell’elio con costi decisamente più alti. Insomma quelli che, a nostro giudizio, sono gli svantaggi tipici della tecnologia CO2”. “Con il nostro laser in fibra - prosegue Cavallini - dal punto di vista qualitativo, i risultati di saldatura sono assolutamente equiparabili per qualsiasi tipologia di materiale testato, con giunti risultati, in diversi casi, addirittura migliori. I materiali saldabili sono quelli tipici, quindi tutti gli acciai austenitici, dall’Fe304 all’Fe316 stabilizzato al titanio, gli acciaio inossidabili ferritici, con risultati uguali o superiori ai giunti saldati con laser CO2, su spessori che vanno da 0,7 a 4 mm; questo è finora il nostro range di conoscenze e il nostro know how. Ed è quello per cui diamo il massimo delle garanzie relativamente alla validità e al funzionamento del processo assicurando, tra l’altro, evidenti vantaggi economici. Facendo, infatti, un confronto fra costi di esercizio prendendo per esempio in esame il caso di un cliente italiano che lavora su tre turni con una potenza laser intorno ai 4 kW, possiamo tranquillamente dire che il costo di esercizio di un laser a stato solido è inferiore di almeno il 70% rispetto a quello di un laser CO2. Questa nostra indicazione parte dal presupposto di essere in Italia e di pagare l’energia spendendo 0,13 euro/kWh. Ma non tutti i clienti hanno contratti così vantaggiosi nel nostro Paese e quindi il “D costo” potrebbe essere anche maggiore e il risparmio ancor più vantaggioso”. Ma il confronto economico non si limita ai soli costi di esercizio: “L’ordine di grandezza dell’investimento per un sistema TPS è, bene o male, lo stesso di un CO2 in quanto non c’è una grossa differenza dal punto di vista dei costi dell’impianto” spiega Cavallini. “Le differenze si hanno nei costi dovuti ai tempi di installazione pari a qualche giorno nel nostro caso, contro qualche settimana nel caso di un sistema CO2. Inoltre, un CO2 montato su di una linea è meno “versatile” rispetto al fibra poiché, qualora il cliente avesse l’esigenza di destinarlo a un altro impianto, le operazioni di smontaggio e rimontaggio richiederebbero un fermo linea talmente lungo e oneroso da essere sconsigliabile. Il TPS6000 con laser in fibra è invece, di per sé, estremamente flessibile e facilmente riconfigurabile. È una caratteristica che abbiamo anche testato in quanto i clienti da cui abbiamo già installato i primi sistemi TPS6000 hanno avuto la necessità di provare la macchina su più linee produttive e vi posso assicurare che nel giro di due giorni abbiamo installato e trasferito il sistema da una linea all’altra senza il minimo problema. La nostra soluzione offre quindi anche una flessibilità senza eguali dal punto di vista operativo nel caso di una riorganizzazione della produzione interna al tubificio. E questa è un’altra caratteristica assolutamente interessante e senza paragoni sul mercato. Noi possiamo trasferire il nostro sistema laser quasi come se fosse una normale saldatrice, cosa che con il CO2 non è assolutamente possibile”.

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