Лазерный мир

Новые технологии могут производить «священный Грааль» лазерной сварки: без брызг, без пористости

Рис. Алюминиевая шина с нахлесточным швом с использованием воздушного ножа 360 ° и простой боковой струи. Воздушный нож и ориентация и позиционирование боковых сопел или защитного газа имеют решающее значение для выполнения сварки. Фото любезно предоставлено компанией «Laser Mechanisms».

В нашем майском вебинаре под названием «Лазеры в производстве: современное состояние в 2018 году» мы отметили появление некоторых новых технологий для производства «святого Грааля» лазерной сварки: соединений без брызг, без пористости и, при необходимости, с высоко эстетичным внешним видом.

Чтобы расширить возможности этих инструментов, мы попросили поставщиков лазеров подробно рассказать о конкретных аспектах их систем или разработок процессов и предоставить реальные советы пользователям — или, по крайней мере, проиллюстрировать способности существующих систем лазерной сварки для тех, кто еще не использует их.

Глубокое проплавление:

Том Куглер, менеджер волоконных систем Laser Mechanisms Inc. (Novi, MI), начинает нашу секцию «самопомощи» по лазерной сварке, предлагая несколько настоящих советов — и немного из науки -для производства полноценных сварных швов с глубоким проплавлением, практически без пористости и с лучшим формированием.

Понимание процесса сварки с глубоким проплавлением: Лазерная обработка в этом режиме создает канал проплавления — глубокую и узкую зону, где пучок испаряет металл с жидких стенок канала проплавления. Канал проплавления перемещается с пучком по линии сварного шва, как горячая проволока через масло. «Удержание канала проплавления открытым и стабильным имеет жизненно важное значение для качества сварки», — сказал Куглер. «Схлопывающийся канал проплавления может задерживать газ в металле, создавая пористость и препятствуя сплавлению. Все, что меняет интенсивность излучения, размер пятна фокусировки или положение луча относительно канала проплавления, может повлиять на качество сварки ».

Ограничения конденсата вблизи сварного шва: Испаренный металл вырывается из канала проплавления и охлаждается, образуя тонкий конденсат в виде частиц металла, которые могут рассеивать лазерный луч на своем пути к фокусу. Это рассеяние приводит к тому, что луч изменяет интенсивность и размер пятна фокусировки на заготовке, что может привести к тому, что пятно фокусировки будет перемещаться беспорядочно по поверхности, сказал он. Результатом может быть почти полная потеря проплавления сварного шва, если конденсат не удален сразу от зоны сварки струями газа и вытяжными системами.

«Эффекты конденсата могут быть проблемой, если удаление не является частью конструкции системы», — сказал Куглер. «Всегда продувайте воздух поперек зоны сварки от чистого источника воздуха в направлении вытяжки газов. Это может выглядеть так же просто, как вентилятор, или, можно использовать специально созданные камеры в системе ». Если сварка на большой площади, начните ближе всего к выхлопной системе и удаляйтесь, так чтобы конденсат всегда отходил от зоны сварки к вытяжной трубе , добавил он.

Рис. Результаты внешней угловой лазерной сварки с использованием перекрытия. Фото любезно предоставлено Miller Electric.

Важность поперечного сопла:

Другой зоной, в которой важно движение газа, является поперечная струя или воздушный нож над зоной сварки вблизи лазерной оптики. Воздушный нож отклоняет загрязнения, выходящие из зоны сварки в сторону выхлопной системы. Регулируемый вращающийся воздушный нож на 360° часто идеально подходит для этой цели.

Размер пятна фокуса имеет значение:

По словам Куглера, создание меньшего фокусного пятна создает более устойчивый канал проплавления из-за высокой плотности мощности при фокусировке, с большей устойчивостью к незначительным изменениям интенсивности. Изменение размера пятна фокуса в 2X уменьшает плотность мощности в 4X. «Небольшие изменения размера пятна от изменения уровня конденсата и положения фокусировки по-прежнему создают достаточную плотность мощности для стабильного канала проплавления», — сказал он. «Выберите размеры пятна в диапазоне 100-300 мкм, если такое позволяет сборка детали».

Мощная оптика:

Высокомощные лазеры могут создавать напряжения в прозрачных линзах. Лазерная энергия, проходящая через линзу, вызывает некоторый нагрев в объективе, создавая эффект, называемый «тепловой сдвиг фокуса». Для достижения равновесия этот сдвиг может занять от двух до трех минут. Между тем, положение фокусировки системы приближается ближе к фокусирующей оптике. Если это слишком выражено, это изменение фокусировки во время сварки приведет к ухудшению процесса. Загрязнение на оптике ухудшает этот эффект.

«Отражающие фокусирующие зеркала с прямым водяным охлаждением сразу за поверхностью зеркала являются альтернативой», — сказал Куглер. «Переключающие линзы для фокусирующих зеркал создают оптическую систему с примерно 10% сдвига теплового фокуса пропускающей оптики, и они невосприимчивы к небольшому загрязнению». Эти зеркала имеют небольшой сдвиг фокуса за долю секунды, добавил он. Отражающие системы рекомендуются для сварки с очень мощными сварочными применениями или с большим рабочим циклом в диапазоне 6+ кВт.

Сварка и гибка листа:

Основным достоинством лазерной сварки в производстве из листового металла, помимо высокой скорости сварки и свободы дизайна, является значительное сокращение, иногда даже устранение доводок, сказал Бретт Томпсон, инженер по продажам, Trumpf Inc. (Фармингтон, КТ).

«Легко упускать из виду, насколько эффективна свобода дизайна элемента, когда вы смотрите на большую картину», — объясняет он. «Изгиб всегда был дешевле сварного шва. Благодаря высокоточным прессовым штампам, способным сделать сложный изгиб простым, было бы легко заменять сварные швы по возможности ».

Но, по его словам, «все становится интересным», когда деталь все-таки должна быть подвергнута лазерной сварке.

Рис. Trumpf иллюстрирует, как простой редизайн части детали может реализовать преимущества лазерной сварки на меньшем листогибочный прессе. Оригинальная деталь (слева) и деталь, перепроектированная для работы на меньшем листогибочном прессе.

«Лазерная сварка имеет более высокую стоимость часа работы, чем листогибочный пресс, — сказал он, — но если деталь уже была обработана и имеет четыре шва, то сделав пятый, заменив изгиб сваркой, можно получить большой эффект с учетом того, что сварной шов может быть еще и более быстрым. Думая более широко, вы применяете этот же принцип к производительности системы. Некоторые особенности детали ограничивают гибкость инструмента на листогибочном прессе. «

Рассмотрите сценарий, в котором в цехе работают два пресса, он продолжил: один с удлиненным раскрытием 3.048 м длины полотна, другой — небольшой электрический листогибочный пресс с высотой открытия 203,2 мм и длиной изгиба 0,914 м. Создание довольно простой детали (см. Рис.), состоящей из квадрата и прямоугольника, как правило, является простым делом, хотя, учитывая геометрию детали, размер и количество, а также требуемую высоту отогнутых панелей, требуется установка с высокими инструментами с расширениями.

Однако, что, если больший листогиб забронирован для другой работы?

«Владелец отказывается от работы?» — спрашивает Томпсон. «Игнорировать? Риск потерять работу, задерживая поставку детали до тех пор, пока не станет доступнее большой листогибочный пресс из-за неспособности меньшего разместить такую большую деталь? Если вы проектируете с учетом гибкости лазерной сварки, нет необходимости принимать такое решение ».

Томпсон объяснил, что как скорость лазерной сварки, так и швы, которые часто не требуют доводок, делают задачу легче. «Имеет смысл как с точки зрения затрат — дешевле сваривать эту деталь с помощью лазера, чем сваркой MIG — так и с точки зрения производительности машины — изменить дизайн детали, чтобы повысить гибкость.
«Когда мы убираем боковые части с этой детали и привариваем их к профилю сгиба, становится возможным запустить деталь на том листогибе, который доступен, — не нужно ждать более крупной машины, — продолжил он. «С практической точки зрения гораздо более вероятно, что детали останутся качественными».

Рис. Сварка стыкового соединения Inconel толщиной 0,8 мм с использованием средней мощности 1 кВт и защитного газа азота. Фото любезно предоставлено Prima Power Laserdyne.

Соединение с регулируемым перекрытием:

Как проиллюстрировано в этом сценарии Эриком Миллером, менеджером по развитию бизнеса для лазерной группы Miller Electric Manufacturing Co. (Appleton, WI), лазерная сварка дает возможность не только улучшить эстетику, но и сократить время процесса в сравнении со сваркой TIG или MIG.
В применениях прецизионной сварки из нержавеющей стали, для которых требуются внешние угловые сварные швы, например, в производстве промышленного пищевого оборудования или корпусах электрики, лазерная сварка может сэкономить значительное время по сравнению с традиционными процессами сварки, особенно если вместо углового соединения используется соединение с регулируемым перекрытием.

При сварке с наружным углом, лазерная сварка с регулируемым перекрытием обеспечивает большую точность сварки при незначительном перегибе или недогибе при формовании. Лазерная сварка по-прежнему производит высококачественные сварные швы, даже если подгонка не полностью заподлицо.

Когда эти внешние угловые швы сваривают TIG или MIG, часто используется соединение угол в угол. Это означает, что внутренние углы материала касаются и оставляют утопленную область, похожую на V-образную канавку, которая должна быть заполнена металлом сварного шва. По словам Миллера, зазор в подгонке может быть получен более легко в плохо сформированном профиле угла в угол.

Кроме того, угловой сварной шов, сваренный TIG, обычно должен быть завершен шлифованием после сварки, чтобы сгладить углы, удалить излишки сварного шва и достичь необходимых эстетических требований. «Это также верно, когда угловые сварные швы на более толстых листовых металлах завершаются сваркой МИГ. Это шлифование после сварки добавляет значительное время для процесса », — сказал он.

Переключаясь на сварное соединение с перекрытием, лазерная сварка наружных углов не только обеспечивает более широкий рабочий допуск для сварщиков, но также может значительно повысить производительность, добавил он.

«Лазерная сварка в 10 раз быстрее, чем сварка TIG, благодаря более высокой скорости движения. Но в некоторых прецизионных приложениях сварка из нержавеющей стали еще большее преимущество в производительности заключается в способности сократить время и деньги, затрачиваемые на шлифование после сварки, что позволяет сварщикам тратить меньше времени на шлифование и больше времени на сварку », — сказал Миллер.

«Это связано с тем, что лазерная сварка создает гладкую поверхность и уменьшает — и в большинстве случаев устраняет — искажения, что значительно снижает необходимость шлифования после сварки. Фактически, лазерная сварка может полностью исключить послесварочное шлифование в некоторых приложениях ».

Замена TIG для аэрокосмической промышленности:
Далее, иллюстрируя способность лазера заменить привычные методы, производитель аэрокосмической техники недавно попросил компанию Prima Power Laserdyne LLC (Champlin, MN) содействия в понимании того, насколько их TIG сварные детали могли бы быть кандидатом на лазерную сварку, пояснил Марк Барри, вице-президент по продажам и маркетингу.

«Мы предложили модификацию дизайна сварного соединения в соответствии с качеством и надежностью процесса», — пояснил он. «Первоначальные параметры процесса, определяемые типом материала, были известны команде разработки приложений. Изменение мощности и способ подачи мощности повлияли на профиль сварного шва ».

Простая металлургическая оценка показала результирующий профиль в зависимости от скорости сварки и мощности. Пользователь смог определить наилучший параметр для своих требований.

«Как только параметры процесса были установлены с использованием простой матрицы, значительное улучшение качества и стоимости сварки было достигнуто за счет использования азота в качестве вспомогательного или защитного газа», — добавил Барри. «Это не обычная практика с традиционными сварочными процессами, но продемонстрировала качественное и выгодное преимущество при лазерной сварке».

Процесс разработки и оптимизации занял менее трех дней в лаборатории.

«Эти разработанные нами параметры процессов сверления, резки и сварки будут использованы снова, как в качестве конечных продуктов, так и в качестве отправных точек для будущего развития процесса», — заключил он. «Урок ясен: не соглашайтесь на первые параметры, которые работают, если результаты оправдывают простую оценку. Это методика, преподаваемая более 35 лет для пользователей лазерной системы по всему миру, и помогает получить уникальные процессы, которые может выполнять только лазерная обработка. Наши технологические инженеры хорошо разбираются во всех этих процессах и используют эти методы, чтобы помочь нашим клиентам достичь желаемых результатов».

Когда два луча лучше:

Рис. Чтобы улучшить сварку автомобильного алюминия с помощью диодных лазеров высокой мощности, Laserline использовала свой Multi—Spot Module — многоточечный модуль (на Рис. ) — для создания «сварная-точка-в-сварной-точке» процесса, сочетающего преимущества сварки теплопроводностью и сварки с глубоким проплавлением.

Для улучшения сварку автомобильного алюминия с помощью диодных лазеров высокой мощности, Laserline использовала свой Multi-Spot Module — многолучевой модуль (на Рис. ) для создания «сварная-точка-в-сварной-точке» процесса, сочетающего преимущества теплопроводностной сварки и сварки с глубоким проплавлением.

Накладывая центральный луч (пятно) с круговой симметрией на квадратный наружный луч (пятно), технологическая группа доктора Акселя Люфта получила сварку с гладкой поверхностью, прямыми кромками и высокой глубиной проплавления, с обеспечением высоких скоростей сварки и уменьшением количества брызг.

Благодаря эффекту сглаживания более крупного пятна процесс позволяет использовать проволоку из алюмо-магниевого сплава (AlMg) для улучшения внешнего качества поверхности шва. Проволока AlMg является более прочной, чем обычно используемая алюминиевая проволока с кремнием, создавая более прочное сварное соединение, обеспечивая более высокую скорость сварки благодаря более высокому поглощению излучения.

Чтобы дополнительно адаптировать процесс, модуль позволяет пользователям перераспределять мощность между внутренним и внешним лучами и даже перемещать внутренний луч вперед или назад относительно большего луча. В процессе разработки команда Luft улучшила сглаживание, перемещая внутренний луч к передней части внешнего луча. Для других применений внешний луч может быть спроектирован для оптимального эффекта. В начале этого года компания начала предлагать моторизованные версии модуля, которые немного больше, чем его ручные устройства.

В то время как модули с тройным пятном были первоначально разработаны для специального процесса пайки с новым покрытием для Volkswagen, сказал Люфт, с помощью метода «пятно в пятне», мы можем делать много разных сварочных процессов. Если у вас есть процесс, в котором вы хотели бы использовать меньшее пятно, но вы не можете, потому что у вас возникает проблема надежности, мы можем улучшить это ».

Моторизованный модуль позволяет пользователям легко переключаться с толстых сварных швов на более тонкие сварные швы и материалы и изменять мощность на внутреннее или внешнее пятно на 80%; пользователь может «перейти от сварки к сварке» намного проще.

«Я думаю, что это хорошее дополнение, если у вас есть мастерская » и нужно быстро менять параметры процесса от проекта к проекту, — сказал Люфт. «Это интересно для критичных процессов и различных видов материалов, таких как алюминий, сталь и медь и все виды сварных швов» для заказных заготовок, компонентов силовой установки и батарей. Laserline в настоящее время интегрирует модуль в оптику Scansonic с присадочной проволокой и без нее, «но мы очень открыты для его кастомизации, если у клиента есть процесс, и он хочет его улучшить».

Источник: https://advancedmanufacturing.org/from-multispot-welding-to-limiting-soot-tips-for-optimal-laser-joins/