Abraham Lincoln, Tổng thống thứ 16 của Hoa Kỳ, đã từng nói: “Bạn có thể lừa dối tất cả mọi người vào một lúc nào đó và bạn có thể lừa dối một số người mọi lúc, nhưng bạn không thể lừa dối tất cả mọi người mọi lúc”. [11Điều tương tự cũng đúng khi theo dõi hiệu suất của tia laser được tích hợp vào hệ thống. Trong sản xuất công nghiệp, toàn bộ hệ thống có thể được giám sát trong một khoảng thời gian hoặc một phần hệ thống có thể được giám sát mọi lúc, nhưng không thể giám sát toàn bộ hệ thống mọi lúc. Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0, tức là kỷ nguyên sản xuất thông minh, việc hiểu được sự khác biệt giữa hai lĩnh vực này là rất quan trọng.
Công nghiệp 4.0 đang thay đổi tình hình sản xuất ở mọi tầng lớp xã hội. Những tiến bộ công nghệ đang giúp các nhà sản xuất tiến hành sản xuất công nghiệp hiệu quả hơn, nhanh hơn và thông minh hơn. Để áp dụng đúng máy thông minh, cần thu thập nhiều dữ liệu khác nhau, phân tích và lọc chúng để cải thiện quy trình. Quá ít dữ liệu sẽ cản trở việc cải tiến quy trình, nhưng đồng thời, quá nhiều dữ liệu có thể phản tác dụng.
Hệ thống xử lý laser có đặc điểm vận hành riêng và các vấn đề liên quan. Quá nhiều dữ liệu về hiệu suất laser có thể phản tác dụng vì nó có thể khiến bạn choáng ngợp và choáng ngợp.
Khi nào cần đo số liệu hiệu suất laser?
Có bốn cách để đo hiệu suất laser. Cách tiếp cận đầu tiên được hầu hết người vận hành hệ thống laser ưa thích, đó là bảo trì theo lịch trình. Theo cách tiếp cận này, số liệu hiệu suất laser được đo dựa trên thời gian ngừng hoạt động theo lịch trình của laser, thường là hàng quý, nửa năm hoặc hàng năm. Trong thời gian này, các số liệu hiệu suất laser được đo và so sánh với các phép đo trước đó để phân tích xu hướng hoạt động của laser.
Phương pháp thứ hai là đo lường trong quá trình xảy ra lỗi. Ví dụ: nếu chất lượng mối hàn bị suy giảm trong quá trình hàn laze hoặc nếu việc cắt không thành công hoặc không thể thực hiện được trong quá trình cắt laze, thì có thể đo hiệu suất của laze để khôi phục hệ thống laze về các thông số vận hành được thiết kế.
Phương pháp thứ ba và thứ tư chính xác là những gì bài viết này sẽ thảo luận - giám sát trong quá trình và giám sát trong quá trình. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm. Người vận hành phải hiểu rõ về ưu điểm và nhược điểm của hai phương pháp này đồng thời nắm vững phương pháp xử lý tối ưu của laser. Ngoài ra, người vận hành cũng phải hiểu chỉ báo laser nào là quan trọng cần đo trong quá trình sản xuất công nghiệp.
Laser xử lý vật liệu như thế nào?
Theo yêu cầu cao, bất kể tia laser được sử dụng cho công nghệ xử lý nào, người vận hành phải hiểu cách thức xử lý vật liệu bằng tia laser. Ví dụ, để biết loại laser nào phù hợp để hàn, bạn thậm chí phải hiểu cách tia laser hàn khung cửa ô tô. Cách dễ nhất để hiểu điều này là thông qua mật độ năng lượng laser.
Định nghĩa về mật độ năng lượng đề cập đến công suất laser được chiếu xạ tới một đơn vị diện tích vật liệu. Mật độ công suất thường được biểu thị bằng W/cm2, trong đó "W" là viết tắt của công suất "watt". Đối với laser liên tục (CW), giá trị của nó là giá trị công suất: đối với laser xung, đó là giá trị công suất trung bình. "cm2" biểu thị diện tích của điểm laser trên mặt phẳng làm việc. Ví dụ, tia laser 100 W tập trung vào kích thước điểm 100 mm có mật độ năng lượng là 1,27x103kW/cm2.
Mật độ công suất của tia laser bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về công suất laser hoặc kích thước ánh sáng tác dụng lên vật liệu. Người vận hành laser phải đo lường, phân tích và hiểu hai biến này để đảm bảo quy trình laser hoạt động hiệu quả.
Các phép đo chỉ số hiệu suất laser quan trọng
Việc đo ánh sáng laser thường được thực hiện bằng máy đo công suất. Đồng hồ đo công suất là một cảm biến thu thập ánh sáng laser và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện, sau đó suy ra công suất hoặc năng lượng do chùm tia tạo ra và cuối cùng cung cấp số liệu cho đồng hồ đo hoặc máy tính để phân tích. Quá trình này thường chỉ mất vài giây nhưng có thể khác nhau tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng. Các phép đo này rất quan trọng đối với việc thu thập và phân tích dữ liệu, đặc biệt là trong giai đoạn sản xuất tia laser, vì dữ liệu cho phép người dùng hiểu hiệu suất của tia laser thay đổi như thế nào và những thay đổi này ảnh hưởng như thế nào đến ứng dụng của tia laser trong quá trình xử lý.
Ngoài ra, phải đo đường kính của chùm tia laser. Có nhiều cách để tính đường kính chùm tia, chẳng hạn như phương pháp D40, phương pháp đỉnh 13,5% và phương pháp cạnh dao 10/90, và kết quả tính toán của các phương pháp khác nhau rất khác nhau. Những người thuộc các ngành, trình độ và kinh nghiệm khác nhau sử dụng các phương pháp tính toán tương ứng tùy theo tình huống ứng dụng của họ.
Khi tính đường kính dầm phải xét đến giá trị độ tròn hoặc độ elip của dầm. Điều quan trọng là phải hiểu hình dạng của chùm tia và cách phân bổ năng lượng trong biên dạng chùm tia. Đó là chùm Gaussian hay chùm đỉnh phẳng? Khi cố gắng hiểu cách sử dụng tia laser trong quy trình, việc đo các thông số chùm tia laser phải được hoàn thành bằng hệ thống đo bánh xe chùm tiêu chuẩn công nghiệp.
Ngoài đường kính chùm tia, chất lượng chùm tia cũng phải được xem xét khi lựa chọn tia laser, phát triển ứng dụng laser và tích hợp hoặc gỡ lỗi nguồn laser vào hệ thống. Trong hầu hết các trường hợp, sau khi tia laser được đưa vào sản xuất, chất lượng chùm tia của nó thường không còn được phân tích nữa, vì vậy việc hoàn thành phân tích chất lượng chùm tia trước khi tia laser rời khỏi nhà máy là rất quan trọng.
Chất lượng chùm tia có thể được biểu thị bằng giá trị M2 và giá trị M2 là 1.0 cho biết chất lượng chùm tia laze là tối ưu. Tích tham số chùm tia (BPP=0xw, trong đó 0 là nửa góc của góc phân kỳ trường xa của chùm tia và w là bán kính thắt của chùm tia) và giá trị K (1/MM2) cũng có thể được sử dụng để thể hiện chất lượng chùm tia laser. Chất lượng chùm tia và hiệu quả của nguồn laser đã được cải thiện. Khi nói đến các quy trình xử lý khác nhau, các nguồn laser khác nhau đều có những ưu điểm riêng.
Điều quan trọng là người dùng phải hiểu được những thay đổi về chỉ số hiệu suất của tia laser trong quá trình xử lý. Việc đo công suất laser, kích thước chùm tia cũng như cách thức và lý do chúng thay đổi theo thời gian là rất quan trọng để hiểu đầy đủ về hiệu suất của hệ thống và đảm bảo hiệu suất lâu dài ổn định hơn.
Giám sát trong quá trình so với giám sát trong quá trình
Ngày nay, dữ liệu đầu vào được yêu cầu càng gần với thời gian thực càng tốt. Điều này đòi hỏi một kỹ thuật thường được gọi là "giám sát trong quá trình", bao gồm việc giám sát các phép đo hiệu suất laser trong khi quá trình laser đang được tiến hành. Trong lĩnh vực sản xuất bồi đắp, kỹ thuật này được gọi là "giám sát tại chỗ".
Tương tự với "giám sát trong quá trình" là "giám sát trong quá trình", đo hiệu suất laser giữa các quy trình. Cả hai phương pháp giám sát đều có ưu điểm và nhược điểm riêng.
N-processmkai
Giám sát trong quá trình hoặc giám sát tại chỗ đo một phần hiệu suất của tia laser trong quá trình vận hành và sản xuất. Một hệ thống con thử nghiệm chuyên dụng được thiết lập trong hệ thống laser để chỉ đo hiệu suất của một phần laser và phân tích nó theo thời gian thực.
Giám sát trong quá trình có những lợi thế đáng kể. Đầu tiên, vì hệ thống con được tích hợp với toàn bộ hệ thống nên cả hai có thể giao tiếp dễ dàng. Phản hồi theo thời gian thực về hiệu suất laser được cung cấp liên tục, do đó, việc điều chỉnh toàn bộ hệ thống có thể được thực hiện nhanh chóng nếu cần. Thứ hai, các hệ thống con này thường được thiết kế đặc biệt cho hệ thống mà chúng được tích hợp vào và thường đơn giản, chỉ cung cấp phản hồi theo yêu cầu của khách hàng. Thông tin họ thu thập có thể được trình bày dễ dàng trên giao diện người-máy mà người vận hành laser nhìn thấy. Dữ liệu này cũng có thể được lưu trữ và phân tích, đồng thời có thể đưa ra cảnh báo dựa trên kết quả phân tích để đảm bảo an toàn cho hệ thống và người dùng hoặc để giảm tỷ lệ phế liệu.
Nhược điểm chính của giám sát trong quá trình là các hệ thống con này chỉ có thể đo được một phần hiệu suất laser của toàn bộ hệ thống laser. Một phần mẫu được thu thập trước khi tia laser đến khu vực xử lý và được phân tích trong quá trình xử lý. Thật không may, nhiều vấn đề phát sinh trong quá trình xử lý thường do suy giảm chức năng của các bộ phận gần khu vực xử lý sau khi mẫu đo laser được thu thập. Nếu một thành phần trong hệ thống xuống cấp hoặc hỏng hóc trong quá trình xử lý thì mẫu được sử dụng để đo laze có thể không bị xuống cấp hoặc hỏng hóc, tạo ra phản hồi sai cho hệ thống.
Một nhược điểm khác của việc giám sát trong quá trình là khó khăn trong việc hiệu chỉnh các bộ phận đo quang học. Bởi vì các hệ thống con được tích hợp với hệ thống tổng thể nên thường rất khó hoặc không thể loại bỏ các thành phần để hiệu chỉnh lại. Các bộ phận đo công suất phải được hiệu chuẩn thường xuyên (Ophir khuyến nghị hiệu chuẩn 12 tháng một lần) để đảm bảo độ chính xác của phép đo.
Các hệ thống con đo lường như vậy cũng cung cấp phản hồi cảm giác bổ sung cho hệ thống laser để biểu thị hiệu suất của laser mà không cần dựa vào các phép đo thực tế về hiệu suất của laser. Ví dụ, một bộ theo dõi nhiệt độ được lắp đặt trên tấm kính gần khu vực xử lý để bảo vệ các bộ phận laser. Khi có quá nhiều mảnh vụn xử lý trên kính che và các mảnh vụn sẽ hấp thụ năng lượng laser, khiến nhiệt độ tăng lên, bộ giám sát nhiệt độ sẽ nhắc nhở người sử dụng tia laser và cung cấp thông tin có giá trị cho hệ thống và người dùng.
Giám sát trong quá trình
Giám sát trong quá trình thường sử dụng một bộ sản phẩm riêng biệt để thực hiện các phép đo trong khu vực xử lý laser và phân tích toàn bộ hệ thống laser. Các hệ thống giám sát này có thể bao gồm các sản phẩm riêng biệt để đo công suất laser, năng lượng và phân tích chất lượng chùm tia hoặc chúng có thể bao gồm các sản phẩm có thể kiểm tra đồng thời các thông số này (xem Hình 2). Các hệ thống kiểm tra này có thể phụ thuộc lẫn nhau hoặc độc lập với nhau, được tích hợp vào hệ thống tổng thể hoặc hệ thống có thể được bảo trì thường xuyên giữa các quy trình.
Tương tự như giám sát tại chỗ, giám sát tại quy trình cũng có những ưu và nhược điểm. Lợi ích chính của việc giám sát trong quá trình sản xuất là đánh giá đầy đủ hơn về toàn bộ hiệu suất laser trong hệ thống. 100% chùm tia laser được thu thập để đo công suất hoặc năng lượng và điểm lấy nét cũng có thể được phân tích để cung cấp cho người dùng phân tích toàn diện về hiệu suất của tia laser tại thời điểm đó. Dữ liệu này có thể được lưu, lưu trữ hoặc ghi lại trên toàn hệ thống, sau đó được truy cập để phân tích xu hướng nhằm đảm bảo phục hồi hệ thống sau sự cố và duy trì hiệu quả của hệ thống ban đầu. Việc thu thập dữ liệu bằng phương pháp này cuối cùng sẽ cung cấp cho người dùng một bức tranh hoàn chỉnh về việc sử dụng tia laser, nhưng nó phải trả giá.
Nhược điểm rõ ràng nhất của giám sát trong quá trình là thời gian ngừng hoạt động. Vì phép đo được thực hiện trên toàn bộ tia laser nên tia laser phải được loại bỏ khỏi sản xuất để thực hiện phép đo. Nếu hệ thống đo laser được tích hợp vào máy thì thường không phải là vấn đề lớn nhưng thời gian là tiền bạc. Tuy nhiên, mặc dù việc tích hợp hệ thống đo laser vào hệ thống tổng thể là thuận tiện nhưng nó có thể tốn kém và đôi khi được coi là không cần thiết. Nếu không được tích hợp vào hệ thống tổng thể, các sản phẩm đo laser có thể được sử dụng làm công cụ bảo trì. Tuy nhiên, tia laser phải được ngừng sản xuất để thực hiện các phép đo và khi nhân viên bảo trì không quen với cách vận hành của công cụ laser thì các phép đo rất tốn thời gian, điều này có thể dẫn đến số lần đo ít thường xuyên hơn hoặc thậm chí không có phép đo nào tất cả.
Ngoài ra, còn có những sản phẩm khác có thể cung cấp cho người dùng thông tin về quy trình. Ví dụ, một số công ty cung cấp các sản phẩm có thể phân tích quá trình hàn trong thời gian thực bằng nhiều công nghệ khác nhau. Các hệ thống này thực hiện các giới hạn “đi/không đi” hoặc “đạt/không đi” trong quá trình hàn, cho phép người dùng biết khi nào hệ thống có thể gặp sự cố, đảm bảo sản xuất các sản phẩm chất lượng cao hơn và giảm tỷ lệ phế liệu.
Việc đảm bảo rằng tia laser hoạt động ổn định trong suốt vòng đời của nó là rất quan trọng để tối đa hóa và duy trì tính nhất quán cũng như hiệu quả của quy trình, kéo dài tuổi thọ của tia laser và cải thiện lợi tức đầu tư của hệ thống. Chỉ bằng cách đo hiệu suất của tia laser tại hiện trường tại nơi làm việc, người dùng mới có thể biết chính xác tia laser hoạt động như thế nào.
Cả hai phương pháp đo trong quá trình và trong quá trình đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng cả hai phương pháp đều có thể cung cấp thông tin xử lý laser quan trọng. Các sản phẩm đo chỉ số hiệu suất laser không ngừng phát triển, trở nên dễ vận hành hơn và bền hơn. Bằng cách đo nhiều chỉ số hiệu suất chính của tia laser, người dùng sẽ dễ hiểu nguyên lý hoạt động của tia laser hơn và thực hiện bảo trì hiệu suất lâu dài của tia laser.
