Лазерный мир

Набор аппаратных средств, программного обеспечения и возможностей управления от Prima Power Laserdyne призван повысить производительность и качество лазерной обработки, что должно оказаться привлекательным для тех, кто занимается автомобильной промышленностью, ищет продуктивное и экономичное производственное оборудование.

Рисунок 1. Этот волоконно-оптический лазер QCW режет 10-миллиметровый автомобильный компонент из углеродистой стали, используя новейший процесс Prima Power Laserdyne для прошивки  и резки.

По словам экспертов-лазеров Prima, сочетание современного лазерного контроля, нового вспомогательного газового оборудования и бесконтактного размещения и отображения деталей позволяет значительно сократить время цикла при резке трехмерных деталей из высокопрочной низколегированной пластины (HSLA) Power Laserdyne.

Сокращая время прошивки стальной пластины толщиной от 5 до 10 мм в деталях, содержащих несколько сотен отверстий, прорезей и других форм, производитель сократил время цикла более чем на 30 процентов по сравнению с традиционными лазерными процессами, сказал Prima Power Президент Laserdyne Терри Л. ВандерВерт.

Волоконные лазеры со средней мощностью 2000 Вт были коммерчески доступны более 10 лет. Фактически, производители автомобильных компонентов широко использовали эту технологию. Волоконные лазеры в этом диапазоне мощности, большинство из которых имеют непрерывный выход (CW), хорошо подходят для автомобильной резки металла и сварки. Однако это может измениться.

            Большая мощность лазера

Лазерная резка и обработка ферритов Лазерный луч позволяет резать и вырезать ферриты с высокой степенью точности и контроля

По словам доктора Мохаммеда Наэма, старшего менеджера Prima Power Laserdyne, разработки приложений и разработки технологий, лазеры с квазинепрерывным режимом излучения (QCW) генерируют пиковую мощность в 10 раз больше в импульсном режиме, чем режим CW, обеспечивая новые возможности процесса в автомобильной и многих других отраслях , (Лазеры CW являются продукцией  источников питания, которые непрерывно излучают свет. Лазеры QCW имеют источники питания, которые излучают лазер как непрерывно. так и через определенные промежутки времени — импульсно).

«Основные усовершенствования лазерного луча QCW в скорости и качестве процесса были сделаны в последнее время в производстве аэрокосмических и медицинских изделий. В настоящее время они принимаются в других отраслях, особенно в автомобильном секторе », — сказал Наем.

Для Prima Power Laserdyne инновации в этой области сосредоточены вокруг SmartTechniques ™, набора аппаратных средств, программного обеспечения и технологий управления, которые предназначены для повышения производительности и качества лазерной обработки и обеспечения уникальных возможностей для мощной лазерной резки, сварки с использованием как волоконно-оптических систем CW, так и QCW (см. Рисунок 1). В частности, SmartPierce ™ и SmartSense ™ вместе с запатентованным газовым вспомогательным соплом, разработанным для аэрокосмических применений, имеют большие перспективы для автомобильной промышленности, сказал VanderWert.

            Автомобильная производственная задача

Автомобильные приложения обычно отличаются от аэрокосмических приложений несколькими важными способами. Большинство автомобильных деталей изготавливаются из холоднокатаной или горячекатаной стали, а не из нержавеющей стали и специальных сплавов, а производственные процессы не так велики по сравнению с аэрокосмическими применениями, такими как аэрокосмическая камера сгорания, которая требует лазерного сверления тысяч отверстий.

Фактически, из-за количества требуемых компонентов скорость резания и производителность являются наиболее важными элементами процесса производства автомобилей. Хотя автомобильные детали также требуют качества и точности, они чаще становятся вторичными по отношению к скорости обработки. Качествокромки и размер элемента не оказывают такого же влияния на производительность автомобильного компонента, как на аэрокосмической составляющей. Время цикла часто определяет жизнеспособность процесса для автомобильных компонентов.

Для лазерной обработки, которая считается приемлемой в автомобильных приложениях, она должна быстро выполнять и производить качественные детали. Именно поэтому, когда Prima Power Laserdyne работала над коммерциализацией этой технологии для автомобильной промышленности, она установила агрессивные цели для секций из низкоуглеродистой стали толщиной от 5 до 10 мм.

Качество разреза требовало быстрой прошивки без брызг.Резы должны быть свободными от грата и  с минимальным конусом. Такие функции, как слоты — вырезы и отверстия, должны были быть расположены с необходимой точностью, несмотря на то, что сформированные заготовки могут значительно отличаться от формы конструкции. Ключевая цель — время цикла для детали, при минимизации стоимости оптики, вспомогательных газов и других затрат.

            Пирсинг и обработка

Лазерная резка толстостенной углеродистой стали традиционно представляет собой газовый процесс с использованием либо кислорода, либо инертного газа, такого как азот. Переменные, связанные с вспомогательным газом, такие как давление, конструкция сопла и зазор сопло-деталь, оказывают большое влияние на качество резки. Все играют важную роль в управлении газовой динамикой и существенно влияют на качество резки и время цикла.

В режиме двойного газа Prima Power Laserdyne используется сжатый воздух для прошивки  и кислород для резки, чтобы обеспечить постоянное качество среза.

Одним из преимуществ использования кислородного вспомогательного газа вместо воздуха для автомобильных применений является его способность производить безгратовый разрез. Давление газа важно. При слишком низком давлении расплавленный материал может прилипать к исходному материалу, образуя шлак и грат  и иногда уплотняя и разрушая разрез. Слишком много кислорода может привести к разгару и значительно ухудшать качество среза. Чтобы избежать сбоев в этих применениях, производители предпочитают использовать кислородсодержащий газ для достижения чистого разреза.

Самое главное, кислородный вспомогательный газ приводит к более быстрой скорости резания. Кроме того, потребление кислорода в этих приложениях значительно ниже, чем потребление сжатого воздуха или азота, что снижает затраты.

Независимо от типа материала и толщины, операция лазерной резки начинается с процесса пирсинга, который регулирует общее качество резания. Другими словами, если прошивка чиста, на сцене установлен чистый срез. Однако, если пирс плох или неполный, деталб может иметь низкое качество реза и в некоторых случаях откладываться на доработку.

Naeem сказал, что испытания Prima Power Laserdyne на резку с использованием 20-кВт-лазера на QCW-волокне и кислородного вспомогательного газа показали, что качество отбраковки стали толщиной от 5 до 10 мм приемлемо с точки зрения грата, конусности и скорости резания. Однако пирсинг с кислородом оказался очень сложным и непригодным для этого применения, потому что требовалось более быстрое время пирсинга и прошивка без брызг. Повторяющиеся прошивки с  кислородом были возможны с использованием низкой пиковой мощности. Однако время прошивки  0,8 секунды для стальной пластины толщиной 7,5 мм было слишком высоким, и брызги накапливались при низком давлении газа, что требовало прекращения процесса и очистки сопла после 15 пробирок.

Naeem сказал, что применение процесса SmartPierce, в котором используется сжатый воздух для пирсинга и кислород для резки, оптимизировало процесс пирсинга. В качестве источника питания использовался высокомощный волоконно-оптический лазер QCW. (SmartPierce — это метод, который включает в себя импульсные изменения в любой или всех пиковых мощностях, длительности импульса и частоте импульсов, объяснил Naeem. Прямое управление лазером с помощью управления Laserdyne обеспечивает эту возможность.)

Когда использовался SmartPierce, время цикла для обеспечения последовательного прокола в стальной пластине диаметром 7,5 мм с использованием сжатого воздуха сократилось до 0,4 секунды.

Конечно, после того, как для прошивки используется сжатый воздух, необходима чистка сопла для переключения на поток кислорода низкого давления для лазерной резки. Минимальное время ожидания в 2 секунды потребовалось для очистки линий подачи вспомогательного газа для последующей резки. С модификацией вспомогательного газового оборудования время задержки переключения между двумя вспомогательными газами уменьшалось до 0,7 секунды. Хотя это может показаться не очень важной экономией времени, общая экономия времени довольно значительна и может составлять до нескольких часов в день при умножении на сотни функций резки, требуемых для нескольких автомобильных компонентов.

Чтобы достичь поставленных целей, минимизируя время переключения между двумя вспомогательными газами (сжатым воздухом и кислородом), производитель оборудования разработал и широко протестировал свою новую дренажную трубку для дренажа газа (см. Рис. 2). Сопло спроектировано для подачи как коаксиального, так и направленного некоаксиального вспомогательного газа для прокалывания толстых стальных секций с последующей быстрой лазерной резкой материала. Направленный некоаксиальный газ действует как вспомогательный газ для прокалывания и одновременно защищает лазерную оптику и узел сопла во время прошивки. Коаксиальный газ используется для процесса резания. При использовании обоих газов прокалывание выполняется быстро и чисто через толстые секции, и устраняется необходимость продувать газы при переходе от пирсинга к резке.

VanderWert сказал, что окончательное новшество в этом новом лазерном процессе состояло в том, чтобы создать рутину для размещения выбранных поверхностей фактической трехмерной заготовки, чтобы приспособиться к ее несовершенной форме до прошивки  и резки различных функций. Этот процесс сопоставления требовался для удовлетворения допусков местоположения объекта для детали.

SmartSense — это лазерный, бесконтактный измерительный инструмент, который работает коаксиально с лазерным лучом для резки. Он собирает и анализирует данные измерений с поверхности. Результаты сопоставления используются для корректировки плоскостей обработки, чтобы отразить реальное местоположение и форму детали для достижения точности лазерной обработки. Этот метод обеспечивает правильное расположение отверстий и других функций разреза в компоненте, несмотря на отклонения в  форме заготовки.

Источник:

http://www.thefabricator.com/publication/fab/fab-june-2017