Co 10 000 spoin mówi o produktywności spawania laserowego

W świecie science fiction miecze świetlne pomagają ratować galaktykę. W realnym świecie oszczędność 20 sekund może zadecydować o losach całego imperium. 

Dwadzieścia sekund wydaje się niemal bez znaczenia. Dopóki nie pomnożymy tego 10 000 razy. Wtedy zamienia się to w ponad 55 godzin czasu produkcyjnego - prawie siedem ośmiogodzinnych zmian, które można by przeznaczyć na ukończenie kolejnej partii, redukcję zaległości lub rozpoczęcie nowego projektu dla klienta. 

Prędkość spawania przyciąga uwagę, ponieważ łatwo ją zmierzyć. Uruchom stoper. Wykonaj spoinę. Zatrzymaj czas. Klient nie płaci jednak za prędkość spawania. Płaci za gotowe elementy. A to zmienia kalkulację. 

W czasach, gdy producenci borykają się z trudnościami w zwiększaniu spawalniczych mocy przerobowych, kluczowe staje się podnoszenie wydajności w ramach już dostępnych roboczogodzin. Raport Europejskiego Urzędu ds. Pracy (ELA) plasuje spawaczy i operatorów cięcia termicznego w czołówce najbardziej deficytowych zawodów w Europie. 

Techniczne porównanie spawania laserowego, MAG i TIG przeprowadzone przez Kemppi pozwala zobaczyć, co może to oznaczać w praktyce. 

Co porównało Kemppi? 

Porównaliśmy spoiny pachwinowe wykonane laserem, metodą MAG i TIG na blachach stalowych o grubości 1, 2 i 3 mm. 

W testach mierzono: 

• prędkość spawania 

• energię liniową 

• zużycie energii elektrycznej 

• zużycie gazu osłonowego 

• zużycie spoiwa 

W przypadku energii, gazu osłonowego i spoiwa wyniki odnoszą się do spoiny testowej o długości 200 mm. 

To zestawienie nie oznacza, że wymienione trzy procesy można stosować zamiennie. W szczególności, uzyskany wymiar „a” spoiny (grubość spoiny pachwinowej) różnił się w poszczególnych próbach, co ma kluczowe znaczenie przy interpretacji zużycia materiałów dodatkowych oraz pozostałych wyników. 

Dane te pokazują jednak, jak diametralnie nakłady czasu i zasobów potrzebnych na wykonanie spoiny zmieniają się w zależności od wybranej metody. I to właśnie tutaj zaczyna się uzasadnienie biznesowe. 

Ile czasu produkcyjnego może faktycznie uwolnić większa prędkość spawania? 

Dla trzech grubości blach zmierzone prędkości spawania wyniosły: 

W tych warunkach testowych spawanie laserowe było około 1,5–2,1 raza szybsze niż MAG i około 8–10 razy szybsze niż TIG. 

Przeskalujmy jeden z testów. Dla stali o grubości 2 mm dokładnie zmierzone prędkości wyniosły 851 mm/min dla lasera, 571 mm/min dla MAG i 107 mm/min dla TIG. 

Gdyby producent miał do wykonania 10 000 spoin o długości 200 mm każda, te prędkości przełożyłyby się w przybliżeniu na: 

Oznacza to, że w tym przykładzie zmierzona prędkość lasera uwolniłaby około 19 godzin zdolności spawalniczej w porównaniu z MAG. 

W porównaniu z TIG różnica wynosi około 272 godzin spawania. 

Należy pamiętać, że jest to ekstrapolacja czasu spawania z jednego kontrolowanego testu, a nie prognoza całkowitego czasu produkcji ani gwarantowanych oszczędności FastBeam³. Przygotowanie, pozycjonowanie, dopasowanie elementów, procedury bezpieczeństwa, kontrola i inne operacje nie zostały uwzględnione, a geometrie badanych spoin były różne. 

Mimo to przykład pokazuje ważną rzecz. Kilka sekund na jednej spoinie, przy odpowiedniej skali, może zamienić się w całe zmiany produkcyjne. Wartość biznesowa tych godzin zależy od tego, jak zostaną wykorzystane. 

Na przykład, 19 godzin pozwala na wykonanie kolejnej partii produkcyjnej, generując moce przerobowe na realizację projektu dla nowego klienta. Może to również pozwolić doświadczonym spawaczom poświęcić więcej czasu na te złącza i aplikacje, które autentycznie wymagają ich najwyższych kwalifikacji. 

Gdzie sprawdza się spawanie laserowe? 

Jeśli to właśnie spawanie stanowi na hali „wąskie gardło”, rozwój biznesu może zależeć od odpowiedzi na następujące pytania: 

• Ile detali można wyprodukować w ciągu każdej dostępnej roboczogodziny spawalniczej? 

• Które spoiny rzeczywiście wymagają najwyższego poziomu umiejętności spawania ręcznego? 

Czy powtarzalne lub specyficzne aplikacje można realizować inaczej, tak aby wykwalifikowani spawacze mogli skupić się na bardziej wymagających zadaniach? 

Spawanie laserowe nie eliminuje potrzeby posiadania spawalniczego know-how. Dobór procesu, projektowanie złącza, znajomość materiałów, kontrola jakości i bezpieczeństwo pracy pozostają absolutnie kluczowe. Jednak w odpowiednich aplikacjach, zwiększenie uzysku z każdej roboczogodziny może pomóc producentom podejść do problemu braku mocy przerobowych z zupełnie innej strony. 

Co się dzieje, gdy z każdego elementu znika jedna minuta? 

Jeśli usprawnienie procesu pozwala zaoszczędzić tylko jedną minutę na każdym komponencie, rocznie uwolniona zdolność produkcyjna wynosi: 

Przy 100 000 elementów to ponad 200 ośmiogodzinnych zmian produkcyjnych. 

Najdroższa część procesu może zaczynać się po zakończeniu spawania 

Prędkość procesu to tylko jeden z obszarów, w których tracimy czas produkcyjny. Kolejnym są poprawki. 

Niska energia liniowa jest zazwyczaj rozpatrywana jako czysto techniczny parametr spawania. Jednak z punktu widzenia uzasadnienia biznesowego o wiele ciekawsze jest to, co niższa energia liniowa oznacza na dalszych etapach produkcji. 

W testach przeprowadzonych przez Kemppi energia liniowa przy spawaniu laserowym była znacznie niższa niż w metodach MAG i TIG, i to dla wszystkich trzech badanych grubości blach. Na przykład dla blachy 2 mm wynosiła ona: 

• Laser — 0,048 kJ/mm 

• MAG — 0,189 kJ/mm 

• TIG — 0,287 kJ/mm 

To czyni energię liniową niezwykle istotną, ponieważ mniejsza ilość wprowadzonego ciepła pomaga radykalnie zmniejszyć odkształcenia spawalnicze w odpowiednich aplikacjach. 

A odkształcenia generują bardzo wymierne koszty robocizny. Badania instytutu TWI nad europejskim przemysłem stoczniowym wykazały, że poprawki wynikające z niedokładności i odkształceń cieplnych szacowano w niektórych aplikacjach na 15-30% całkowitych kosztów robocizny przy budowie nowych statków. TWI wskazało redukcję odkształceń - a tym samym ograniczenie operacji prostowania i poprawek - jako jedną z najważniejszych ekonomicznych motywacji do wdrażania spawania laserowego i hybrydowego w przemyśle stoczniowym. 

Wyeliminowanie obróbki po spawaniu często kreuje znacznie większą wartość dodaną, niż samo przyspieszenie kładzenia spoiny. 

Dlatego również obecne badania nad produkcją laserową coraz częściej wychodzą poza samą prędkość procesu. Fraunhofer ILT opisuje wyzwania przemysłowej produkcji laserowej w kategoriach krótszych czasów cyklu, mniejszej ilości braków, niższego zużycia energii, lepszego wykorzystania materiału, stabilności procesu i niezawodnej jakości – czyli czynników, które decydują o tym, czy szybki proces rzeczywiście tworzy wartość w produkcji seryjnej. 

Co dzieje się ze zużyciem materiałów eksploatacyjnych przy wzroście skali produkcji? 

Istnieją koszty, które z pozoru wydają się niewielkie, ponieważ ulatniają się niepostrzeżenie – zaledwie po kilka gramów lub litrów naraz. 

Weźmy tę samą spoinę testową o długości 200 mm na blasze 2 mm. 

Zmierzono następujące zużycie gazu osłonowego: 

• Laser — 5,2 l 

• MAG — 5,6 l 

• TIG — 11,2 l 

Przy 10 000 powtórzeniach tego testu matematycznie daje to w przybliżeniu: 

• Laser — 52 000 l 

• MAG — 56 000 l 

• TIG — 112 000 l 

Zużycie spoiwa w tym samym teście wyniosło: 

• Laser — 1,5 g 

• MAG — 8,7 g 

• TIG — 3,6 g 

Dla 10 000 spoin testowych: 

• Laser — 15 kg 

• MAG — 87 kg 

• TIG — 36 kg 

Ponownie, nie należy interpretować tego jako uniwersalnej, procentowej oszczędności, ponieważ uzyskane wymiary „a” spoiny (grubości spoiny pachwinowej) były różne. W teście na blasze 2 mm odnotowane wymiary „a” wyniosły: 0,8 mm dla lasera, 2,2 mm dla MAG i 1,6 mm dla TIG. 

Ale to właśnie dlatego tak ogromne znaczenie ma wskaźnik ROI (zwrot z inwestycji) wyliczony dla konkretnego środowiska produkcyjnego. 

Kiedy producent podstawi do wzoru realne ceny drutu i gazu oraz roczny wolumen spoin, te pojedyncze gramy i litry zamieniają się w potężne dodatkowe wydatki. 

ROI spawania laserowego 

Dla producenta rozważającego wdrożenie systemu FastBeam 3, miarodajne równanie ROI musi uwzględniać znacznie więcej niż tylko samą prędkość spawania. 

Powinien obejmować: 

Wolumen produkcji: Ile odpowiednich elementów lub metrów spoiny powstaje rocznie? 

Godziny spawania: Ile czasu operatora wymaga obecny proces? 

Przygotowanie i dopasowanie: Czy zastosowanie zapewnia wymaganą przez proces powtarzalność dopasowania złącza? 

Obróbka wykończeniowa: Jak dużo szlifowania, czyszczenia lub prac estetycznych następuje bezpośrednio po spawaniu? 

Usuwanie odkształceń (prostowanie): Ile nakładów pracy pochłania przywrócenie pospawanych detali do wymaganych tolerancji wymiarowych? 

Poprawki i braki: Jak często praca musi być poprawiana lub złomowana? 

Materiały eksploatacyjne: Ile spoiwa, gazu i innych materiałów eksploatacyjnych wymaga każdy proces? 

Energia: Jakie jest rzeczywiste zużycie energii na gotowy element? 

Inwestycja: Jakie urządzenia, szkolenia, konserwacja i infrastruktura bezpieczeństwa laserowego są wymagane? 

Ile dla Twojej firmy jest warta jedna uwolniona godzina produkcyjna? 

Uwolnienie tych samych 100 godzin w zakładzie z sześciotygodniowym portfelem zaległych zamówień może pozwolić przyjąć więcej zleceń bez natychmiastowego uruchamiania kolejnej zmiany lub stanowiska spawalniczego. 

W tym momencie produktywność spawania może stać się komercyjną zdolnością produkcyjną. 

Trzy zakłady. Trzy zupełnie różne biznesowe uzasadnienia dla spawania laserowego. 

Wyobraźmy sobie trzech producentów rozważających wdrożenie tej samej technologii. 

Podwykonawca wysokoseryjny 

Produkuje tysiące podobnych zespołów z blachy o stabilnym dopasowaniu. 

Pięć lub dziesięć sekund ma znaczenie, gdy powtarza się tysiące razy. Szybsze spawanie, mniejsze zużycie materiałów eksploatacyjnych i krótsza obróbka po spawaniu mogą razem uwolnić znaczącą roczną zdolność produkcyjną. 

Największą szansą może być zwiększenie przepustowości. 

Producent elementów ze stali nierdzewnej 

Wolumeny są niższe, ale liczy się jakość wizualna spoin. Znaczna część robocizny jest przeznaczana na szlifowanie, czyszczenie i korektę odkształceń. 

Największa oszczędność może wcale nie wynikać z prędkości spawania. 

Może wynikać z ograniczenia wszystkiego, co dzieje się po spawaniu. 

Zakład o dużej różnorodności produkcji 

Produkuje stale zmieniające się komponenty, małe serie i złącza o zróżnicowanym dopasowaniu. 

Prędkość lasera może wyglądać imponująco podczas demonstracji, ale zakład może nie być w stanie wykorzystać jej przy każdym zleceniu. MAG i TIG nadal mogą być lepszym wyborem w wielu zastosowaniach. 

Wyzwaniem jest więc znalezienie właściwych zastosowań dla lasera, a nie zastąpienie każdego istniejącego procesu. 

To ważne rozróżnienie. 

Laser nie zastępuje metody MAG ani TIG 

Warto zadać sobie kluczowe pytanie: Które obszary naszej produkcji wygenerowałyby wyższą wartość dodaną, gdybyśmy zaczęli je spawać w inny sposób? 

Testy przeprowadzone przez Kemppi wykazują, że w badanych warunkach spawanie laserowe zapewniło wyższą prędkość procesu, niższe zużycie energii elektrycznej na 200 mm próbnej spoiny, a także mniejsze zużycie gazu osłonowego i spoiwa niż analogiczne spoiny wykonane metodami MAG i TIG. 

Te liczby nie oznaczają jednak, że każdy producent powinien podjąć identyczną decyzję. 

Zamiast tego, spójrz na zaoszczędzone podczas spawania sekundy. Następnie pomnóż je przez roczny wolumen. Spójrz na minuty tracone na obróbkę wykończeniową, poprawki oraz na roboczogodziny spawalnicze, które obecnie ograniczają Twoją produkcję. Zastanów się, co kolejne 20, 100 czy 500 uwolnionych roboczogodzin oznaczałoby dla portfela zamówień. 

Ponieważ najsilniejszym uzasadnieniem biznesowym jest to, co Twoja firma może osiągnąć dzięki odzyskanemu czasowi.