Лазерный мир

Обработка изображения лазерного сварного шва осуществляется в мониторинге процесса  в рамках Индустрии 4.0

РИСУНОК 1. Показано 3D изображение детали из нержавеющей стали, полученное через сварочную головку с использованием встроенной системы контроля сварки LDD-700; 3D видео позволяет точно позиционировать  сварочный луч в фокусе на детали.

CHRIS GALBRAITH

Волоконные лазеры являются инструментом выбора для передовых сварочных работ большого объема, обслуживая многие известные отрасли, а также новые, быстрорастущие рынки. В растущей индустрии электромобильности способность волоконных лазеров быстро, точно и качественно  производить большие массивы сварных швов является движущим фактором в улучшении доступности и производительности личных электромобилей. В других более развитых отраслях промышленности преимущества перехода на лазеры хорошо известны. Повышенная производительность, лучшая гибкость конструкции и превосходная энергоэффективность продолжают стимулировать переход к современной промышленной лазерной технологии для соединения металлов.

Для дальновидных производителей, которые уже используют преимущества лазерной сварки, остается вопрос о том, как улучшить эффективность и сделать шаг вперед в конкурентной борьбе. Оптимизация любого производственного процесса для Умного Производства требует качественного сбора данных в режиме онлайн. Существует постоянно растущая потребность в технологиях, которые могут служить «глазами и ушами» процесса лазерной сварки для обеспечения возможности автоматизированного и децентрализованного принятия решений.

Эта потребность особенно очевидна в контексте взрывного роста сектора электромобилей. Типичный процесс сварки в секторе электромобильности  включает более одного сложного условия: цветные сплавы, разнородные  материалы и строгие требования к механическим и электрическим характеристикам каждого соединения. Кроме того, тот факт, что для изготовления каждой готовой сборки требуются большие массивы отдельных сварных швов, оставляет небольшое поле для ошибки. Жесткие требования к сварке, а также значительная стоимость и сложность разрушения электрических сборок для разрушающего контроля составляют существенное преимущество для производителя, который может с первого раза получить проверяемые высококачественные результаты.

Вместо того чтобы полностью полагаться на традиционную природу разработки и осуществления  процессов с разомкнутым контуром — разработку устойчивого процесса и затем тщательному контролю за всеми входными параметрами на производственной  линии, чтобы быть максимально близко  к установленным операционным параметрам — Умное Производство опирается на ряд технологий сбора и обмена информацией в режиме реального времени, обеспечивающими постоянную обратную связь о состоянии каждой подсистемы и, в конечном итоге, повышающими эффективность.

В случае лазерной сварки способность управляющей системы измерять и сообщать об условиях процесса во время производства позволяет быстрое вмешательство или даже автоматическое исправление, когда возникают противоречивые результаты. Преимущества этого подхода включают повышение эффективности, уменьшение зависимости от обеспечения качества в последующем (а также связанные с этим расходы и отставание) и большую уверенность в отгруженном продукте.

Взгляд на процесс

Хотя лазерная сварка быстро внедряется в индустрию, сенсорные технологии, позволяющие принимать интеллектуальные решения в режиме онлайн, несколько отстают от нее. В течение многих лет на рынке существует множество различных технологий контроля, которые могут применяться к лазерной сварке.

Одним из наиболее распространенных подходов является использование фотодиодных датчиков для измерения оптических излучений, которые естественным образом излучаются в процессе лазерной сварки (излучение черного тела от горячего металла, отраженный свет от сварочного лазера и, в некоторых случаях, излучение плазмы) в качестве представления о  стабильности ванны расплава и парового канала. Существует также ряд датчиков предварительной обработки (лазерные линейные сканеры, трекеры на основе камер, тактильные датчики для сварки проволокой) и постпроцессной диагностики (линейные сканеры, камеры для контроля поверхности, электромагнитные акустические преобразователи), предназначенные для проверки того, что материал подается в зону сварки правильно, и что полученные результаты соответствуют заданным критериям.

У многих из этих традиционных технологий есть некоторые часто встречающиеся ограничения. Некоторые из них обеспечивают только мониторинг, а не измерение сварочного процесса, что это означает, что результаты, которые они производят, работают только как проверка целостности. То есть мониторинг может сказать пользователю, что данный сварной шов отличается от предыдущего примера, представленного  пользователем, но не может дать значимую информацию о том, насколько точно он отличается или каким образом он отличается от предыдущего.

Кроме того, большинство этих сенсорных технологий ограничиваются мониторингом одной характеристики во время процесса сварки, когда обычно существует целый ряд параметров, которые необходимо контролировать, чтобы обеспечить постоянную производительность. В этом случае мониторинг нескольких аспектов процесса означает добавление громоздкого оборудования в сварочную ячейку, что приводит к большим расходам и сложности  параллельных систем.

Наконец, ни одна из упомянутых технологий не способна предоставить прямую информацию о форме сварочной ванны и парового канала под поверхностью материала. Эта подповерхностная геометрия в конечном итоге определяет функциональные характеристики сварного шва в большинстве случаев, определяя его физическую прочность и (что крайне важно для определенных применений) проводимость.

Как добраться до корня проблемы

Относительно новый участник сенсорной арены, встроенный мониторинг сварки швов, решает ряд давних проблем, присущих сбору данных в режиме реального времени для лазерной сварки. Эта новая технология использует инфракрасный луч малой мощности, проходящий через тот же объектив, что и сварочный лазер, для очень точных измерений расстояния. Работая во время процесса, этот измерительный луч способен видеть дно парового канала и непосредственно измерять его глубину — отличительная особенность этого нового поколения технологии измерения сварного шва. Результаты содержат большую часть одинаковой информации о  сечении канала по всей длине сварного шва, но доступны в течение миллисекунд, и для их получения не требуется разрушение детали.

Универсальность является другим ключевым преимуществом. Измерительный луч может быть направлена впереди места сварки, чтобы измерить подачу материала, или позади ванны расплава, чтобы проверить качество поверхности готового сварного шва. Измерительным лучом можно даже сканировать для создания трехмерного изображения детали, что упрощает настройку с беспрецедентной легкостью и точностью (РИСУНОК 1). Быстрое переключение между различными точками измерения позволяет квазиодновременный сбор разных типов данных. В целом, пять различных режимов измерения, содержащих более 20 различных метрик, могут быть извлечены из процесса сварки параллельно с использованием единой системы измерения, управляемой одним программным пакетом (РИСУНОК 2).

РИСУНОК 2. Измерительный луч системы LDD используется для параллельного сбора данных из нескольких областей сварочного процесса, таких как измерение дна канала дает прямое измерение проникновения сварного шва без необходимости разрезания детали; встроенные системы контроля сварных швов могут анализировать каждый отдельный поток измерений с несколькими соответствующими  метриками (встроенными).

Компания IPG Photonics вышла на рынок технологий мониторинга в режиме реального времени, приобретя в конце 2017 года канадский стартап Laser Depth Dynamics, который впервые разработал интерферометрические решения для лазерного измерения сварного шва в промышленности. С тех пор система контроля сварного шва IPG LDD-700 стала незаменимым инструментом в международных прикладных лабораториях и все более широко используется в производстве в сочетании с рядом других технологий лазерной сварки, включая сканирующую оптику (РИСУНОК 3).

РИСУНОК 3. Показан мощный сканер IPG Photonics, оборудованный встроенным интерфейсом монитора сварочного шва LDD-700; встроенный мониторинг может сочетаться с рядом различных схем подачи луча, включая сканирующую оптику и головки с раскруткой луча.

При таком гибком подходе к измерению лазерного сварного шва преимущества технологии заметно различаются в зависимости от применения. Сварочные процессы автомобильной трансмиссии выигрывают от снижения затрат на отходы, поскольку сварка часто идет за дорогостоящим этапом обработки и влияет на значительное количество сырья. Повышенная уверенность в качестве поставляемого продукта неоценима для производства критических для безопасности компонентов для автомобильной промышленности. В вышеупомянутом сегменте электромобилей способность уменьшать отход и ограничивать зависимость от обременительного разрушающего контроля качества упрощает сложные производственные процессы и позволяет быстро наращивать производственные мощности.

Ускоренное развитие процесса

Прямая визуализация канала проплавления при сварке — это не просто мощный инструмент для обеспечения качества в режиме онлайн. Наблюдение за подповерхностным поведением парового канала позволяет инженерам сварочного процесса быстро выполнять итерации и пропускать поездки в металлургическую лабораторию между испытаниями. Стабильный процесс с правильной геометрией сварного шва можно обеспечить, не отходя от машины. Это позволяет даже опытным инженерам-сварщикам быстрее получать высококачественные технологические решения.

Возьмите пример сложного процесса сварки, использующего оптику дистанционного  сканирования, раскрутку луча и одномодовый лазерный источник для соединения отдельных цветных сплавов (РИСУНОК 4).

РИСУНОК 4. Показаны результаты процесса сварки разнородных материалов, разработанного с использованием встроенного контроля сварки; детальные изображения проплавления и динамики канала проплавления позволяют найти правильные параметры процесса за более короткое время.

Использование встроенных данных мониторинга сварного шва для оценки проплавления сварного шва, стабильности канала проплавления и качества  поверхности шва во время разработки экономит много времени, которое в противном случае могло бы быть потрачено на исследование непродуктивных областей пространства параметров, которые могли бы привести к неблагоприятным результатам при оценке в результате механического разрезания. Когда приходит время для внедрения процесса в производство, та же система измерений может использоваться для отслеживания качества с беспрецедентной детализацией.

Заглядывая в будущее

Растущая отраслевая потребность в интеллектуальных производственных решениях потребует от сенсорных технологий более широких возможностей для лазерной сварки в будущем. Встроенный контроль сварных швов удовлетворяет многим текущим и прогнозируемым потребностям продвинутых производителей, ориентируясь на Индустрию 4.0.

Измерения глубины проплавления сварных швов, которые заменяют разрушающие испытания, обеспечивая при этом 100% -ное перекрытие с отгруженным продуктом, значительно повышают уверенность в качестве, одновременно обеспечивая быстрое и эффективное принятие решений. Простая и гибкая конфигурация схемы измерения позволяет адаптировать стандартный инструмент для конкретного приложения, измеряя одновременно несколько аспектов процесса и собирая только соответствующую информацию для обеспечения качества. Детальная визуализация динамики процесса ускоряет разработку надежных решений для лазерной сварки в соответствии с высокими требованиями. Все эти возможности будут необходимы для дальнейшего развития процессов лазерной сварки для решения задач будущего.

Крис Гэлбрайт (cgalbraith@ipgphotonics.com) — менеджер по приложениям для IPG Photonics (Канада), Кингстон, ОН, Канада; www.ipgphotonics.com.

Источник: https://www.industrial-lasers.com/welding/article/14036844/laser-welding-and-smart-manufacturing