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Sunday, 19 Novembre 2017

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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 sarà presentato ufficialmente in occasione della Tube di Düsseldorf con forti aspettative in virtù dei numerosi vantaggi che tale soluzione è in grado di assicurare. TPS 6000 è una reale alternativa a metodi quali TIG, MIG ma anche alla tecnologia laser CO2 fin qui usati per la saldatura dei tubi.

di Fabrizio Garnero

 

Aprile-Maggio 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 TIG e MIG ma anche alla tecnologia laser CO2 fin qui utilizzate per la saldatura dei tubi”. Si tratta di una soluzione assolutamente valida, come testimoniano le quattro macchine già installate e attive presso un tubificio italiano 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 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 studiata e ottimizzata da IPG Photonics Italy anche se 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/MIG 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 e 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 con il CO2 il costo orario è di 16 euro/h mentre per un laser a stato solido il costo orario cala drasticamente a soli 3,6 euro/h. Questa nostra indicazione parte dal presupposto di essere in Italia prelevando l’energia da una cabina a doppia tensione 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”.


From now on, Tubes are Welded with the “Fiber”
IPG Photonics Italy has developed TPS 6000, a welding system for tubes and profiles which will be officially presented at the forthcoming Tube trade fair in Düsseldorf. The high expectations are due to the many advantages that this solution can provide. TPS 6000 is a real alternative to methods such as TIG, MIG, but also CO2 laser technology, which have hitherto been used for tube welding.

With its launch at Tube in Düsseldorf, the TPS 6000 welding system for tubes and profiles becomes part of the IPG Photonics product range, as Alberto Cavallini, Sales Manager for Italy and Mediterranean Area at IPG Photonics, says. We met him shortly before the trade fair: “TPS is no longer a developing prototype, but a real solution based on the use of fiber lasers, a real alternative to more traditional methods such as TIG and MIG, but also CO2 laser technology, which have hitherto been used for tube welding”.
This is a very good solution, as evidenced by the four machines already installed and active at an Italian tube factory in the North East. It was developed in the Italian IPG subsidiary, which is the technological point of reference and guarantor for the system development and installation in the welding process. “TPS 6000 is an all-Italian project - explains Mr Cavallini -, developed here in Cerro Maggiore; in its structure, IPG Photonics is very flexible and gives its subsidiaries the possibility to develop applications and products, including niche products, if they see interesting growth potential. In our country, the tube market still has untapped potential to “conquer” but, above all, it has a big portion linked to the replacement of machinery and equipment based on more conventional welding methods, including CO2 lasers. We want them to see with their own eyes all the typical advantages of the fiber laser, in terms of lower energy consumption and reduced maintenance costs with the same qualitative results, which most of the time seem to be even better. As IPG Photonics Italy, we identified this potential and, once we were given the green light, we strongly committed and focused on developing and fine-tuning this application for which, at present, we are the major point of reference, on the strength of installations already occurred”.

A Cartesian three-axis, really dedicated positioner
TPS 6000 is a Cartesian positioner with three numerically controlled axes. It has a modular design to adjust to the customer’s production line; this means that the machine can feature a left or right configuration depending on whether the tube travels from right to left or vice versa, so as to adjust to each production context. This system is specifically designed for fixed focus welding (the woobling system, on this type of application, would not be sufficiently fast) of both tubes and profiles and is composed of: Cartesian portal bearing the weld head, electrical control cabinet, IPG fiber laser source with its chiller, touch-screen control station with dedicated user-friendly human-machine interface which provides possible work “recipes” quickly and immediately. As mentioned, it is a dedicated and carefully studied system; this is proved, for instance, by the 600 mm stroke of the vertical Z-axis, which is the first big advantage compared to a CO2 laser system. The latter, by its nature, considering the optical path of the beam, has more constraints which limit the aforementioned stroke to a maximum of 300 mm. The 600 mm of the TPS system, instead, give the opportunity to further disengage the head from the welding area. This is very important considering maintenance and roller exchange operations, which are typically carried out by manoeuvering elements that are difficult to handle because of their size and weight. “In the presence of an optical path and a laser weld head, these operations are very complicated” explains Mr Cavallini. “This is why the flexibility afforded by a solution like ours, which allows us to completely clear the ground of any device, is a good operative advantage. The system flexibility afforded by the fiber has allowed us to give complete freedom of manoeuver to maintenance staff when operating”. The second axis of the system, the so-called X-axis, the one parallel to the longitudinal axis of the tube, instead, has a 300 mm stroke that allows the system to adjust the welding position to any equipment that the customer has available for the line. The Y-axis is placed at 90° with respect to the tube speed; it has a 100 mm stroke and is driven by a vision system with side camera that allows you to identify the tube seams and track them during welding.

Careful software development
This system was fully engineered in IPG; from the hardware point of view, it integrates proprietary components such as the specifically developed weld head and the laser source, as well as industrial components of primary importance from the supplier perspective, for example, in the case of Siemens numerical control. The management and control of the different parameters of the welding process can only take place at the control desk of the TPS 6000 station, while the startup or stopping control of the welding process, once all the parameters are correctly set, was integrated in the control desk of the tube production line. Clicking on a button rather than on the other, the operator is able to take control of each process parameter, such as the laser power, or rather gas capacity or focal distance. Interestingly, each parameter can be adjusted either using the touch screen in the control panel or a joystick which is provided with the machine and allows the operator to carry out careful calibrations.
The machine also communicates with any hierarchically higher business computer system for the exchange of information on production, such as process speed. The setting of the seam-tracking system also depends on these values. An algorithm adjusts the seam-tracking values in inverse proportion to the line speed, also considering that this device is located about 60 mm from the welding spot. As for the software managing information detected by the two vision systems integrated in the machine, it was developed in partnership with IPG Microsystems, a US company composed by a group of IPG Photonics American peers specialized in micromachining and vision systems typically applied in the field of semiconductors. Mr Cavallini explains: “As they have a great experience in the field of vision systems, we collaborated with some IPG Microsystems peers to develop the vision software that detects the camera image and convert it in off-set for the proper positioning of the head. Basically, the vision system captures the image and identifies the centerline of the weld seam in order to position the head properly. The screen of the control software allows you to see the seam, but also what the coaxial camera sees, in order to aim exactly at the seam centerline. So, there is a second vision system integrated in the head for its proper positioning”. The weld head was also studied and optimized by IPG Photonics Italy, even if it slightly differs from the traditional one with 50 mm free opening. It is a special version with rear-mounted collimator, so as to easily adjust to the machine which, as said, can have both right and left configuration. Therefore, from the optical point of view, nothing is particularly new in this type of head with the exception of the collimator orientation.

In some ways similar, but economically different
At this point, it is worth to talk a little bit more about the differences and the potential advatanges that the TPS 6000 system can provide compared to other solutions. The TIG / MIG technology has been widely used so far, by virtue of the low cost of facilities and remarkable ease of use, despite several inherent disadvantages in terms of energy efficiency, the high maintenance costs required to keep electrodes efficient and all the system components and the large heat input into the weld pool. This last aspect, in particular, often affects the quality of the weld seam, especially in the case of stainless steel, because of chromium carbides precipitation, which involves a modification of the structure of the material and thus its sensitization. “By virtue of these disadvantages - explains again Alberto Cavallini from IPG - those who wanted to disengage from the TIG process have so far been forced to choose CO2 laser welding, which is absolutely more innovative and advantageous in terms of reduction in thermal impact on the material, increase in speed and reduction in maintenance, but with all the burdens of a CO2 when compared with a fiber laser. I refer, for instance, to the rather high energy consumption, maintenance and management of the optical path mirrors, which means higher costs compared with those of a “fiber”, relatively complicated installation and, above all, the need to use at least argon as a support gas during the process, if not even helium, with definitely higher costs. In short, the disadvantages that, in our opinion, are typical of CO2 technology”. “With our fiber laser - says Mr Cavallini - from the qualitative point of view, welding results are absolutely comparable for any type of material tested, with seams that, in several cases, are even better. The materials you can weld are typical: all austenitic steels, from Fe304 to titanium-stabilized Fe316, ferritic stainless steels, with results equal or superior to seams welded with CO2 laser, on thicknesses ranging from 0.7 to 4 mm; this, so far, is our knowledge range and our know-how. And this is the one for which we give as many guarantees as possible on the validity and process operation, ensuring, among other things, clear economic advantages. Comparing operating costs, considering, for instance, the case of an Italian customer who works on three shifts with a laser power of about 4 kW, we can safely say that the hourly cost of CO2 is 16 Euros/h, whereas for a solid state laser the hourly cost drops dramatically to only 3.6 Euros/h. This suggestion is based on the assumption that the company is in Italy and draws energy from a dual voltage cabin spending 0.13 Euro/kWh. But not all of our customers have such contracts in our country and therefore the “D cost” could be even higher and even more profitable”. But this economic comparison is not limited to only operating costs: “The scale of the investment for a TPS system is, for better or worse, the same as a CO2, as there is no big difference in terms of plant costs” explains Mr Cavallini. “The differences are in costs due to installation time, which in our case is a few days, against a few weeks in the case of a CO2 system. Furthermore, a CO2 mounted on a line is less “versatile” than the fiber, as, if the customer needs to allocate it to another facility, the disassembly and reassembly operations would require a long and onerous line stop which would make it inadvisable. The TPS6000 with fiber laser is instead extremely flexible and easily reconfigurable. This feature is tested, as customers that have already installed the first TPS6000 systems needed to test the machine on several production lines, and I can assure you that we installed and transferred the system from one line to another within two days, without any problems. Therefore, our solution offers also unrivaled flexibility from an operational point of view, in the case of a reorganization of in-house production in the tube factory. This is another very interesting feature which is unrivaled on the market. We can transfer our laser system almost as if it were a normal welding machine, which with CO2 is absolutely impossible”.

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