Лазерный мир

Технология использует в сварке тонкие листы и разнородные материалы

Высокомощные и обеспечивающие высокое качество излучения твердотельные лазеры, такие как дисковый лазер и волоконный лазер, сделали лазерную сварку популярной в обрабатывающих отраслях. Совсем недавно киловаттные прямые диодные лазеры стали коммерчески доступными с качеством луча, конкурирующим с дисковый или волоконными лазерами [1-2] благодаря методу объединения лазерных лучей, называемого объединением пучка на одной длине волны (Wavelength beam combining (WBC) 1), благодаря которому качество луча может быть обеспечено без потерь при масштабировании мощности. Заменяя CO2-лазеров, эти твердотельные лазеры становятся основными игроками в области дистанционной лазерной сварки.

Удаленная лазерная сварка (Remote laser welding, RLW) характеризуется большим фокусным расстоянием и быстро движущимся лазерным пятном на заготовке с помощью, как правило, двух зеркал, называемых сканером [3]. Вес сканера, как говорят, превышает 30 кг [4], что делает необходимым использование робота с большой нагрузочной способностью. В этой статье сообщается о недавно разработанном интегрированном системном решении для лазерной обработки на базе роботов (Laser Processing Robot Integrated System Solution ,LAPRISS) с компактной головкой лазерной сварки для RLW и показано несколько приложений.

Технология LAPRISS

РИСУНОК 1 показывает основные компоненты и подключения этой системы, в том числе прямой диодный лазер мощностью 4 кВт, масштабированный по технологии объединения лучей по одной длине волны1 [1], и недавно разработанный трепанирующий тип головки лазерной сварки2, установленный непосредственно на манипуляторе робота. Движение робота и лазерная осцилляция, включая мощность и лазерный контурный рисунок на заготовке, управляются контроллером робота.

РИСУНОК 1. Показаны основные компоненты и соединение системы LAPRISS.

В головке лазерной сварки две параллельные оптические пластины управляются независимо двумя сервомоторами для изменения оптических путей и формирования различных типов облученных лазерных узоров на заготовке (РИСУНОК 2). Головка для лазерной сварки рассчитана на вес менее 5 кг, что позволяет переносить ее с помощью легкого робота.

РИСУНОК 2. Показаны лазерная сварочная головка (a), ее оптика (b), траектории пучка (c) и типичные траектортии облучния, сформированные на заготовке (d).

Из типичных облученных лазерных узоров, показанных на фиг. 2d, легко заметить, что LAPRISS может заменить сварку точечной сваркой сопротивлением (resistance spot welding, RSW) или дуговой сваркой с использованием сварного шва круговой или линейной формы. Среди многих достоинств дистанционной лазерной сварки LAPRISS может уменьшить время цикла при замене RSW и увеличить величину зазора в сварке тонких металлических листов .

Уменьшение времени цикла

Уменьшение времени цикла RSW и LAPRISS оценивали на мягкой стали толщиной 0,8 мм, с диаметрами сварочной точки RSW и диаметром круга в LAPRISS, установленными на 4 мм. На фиг. 3 показаны времена сварки каждого испытания и результаты испытаний на растяжение, где среднее время сварки составляет 2,85 и 0,675 с в RSW и LAPRISS соответственно, а время цикла LAPRISS составляет одну четверть от RSW.

РИСУНОК 3. Сравнивают время цикла (a, b) и растяжение при растяжении (c) результаты испытаний соединений внахлест RSW и LAPRISS.

Предполагая, например, что общее количество сварных точек в кузове автомобиля составляет 3500-7000, общее время сварки может быть уменьшено с 10 000-20 000 секунд до 2400-4800 секунд.

Не существует различий в прочности на сдвиг при растяжении между RSW и LAPRISS — оба из соединений, разломанных в основном металле вблизи зоны теплового воздействия (HAZ).

Увеличение допусков на разрыв в сварке

При использовании лазерной сварки в тонких листовых применениях, таких как производство автомобилей, многие детали изготавливаются путем пластического деформирования или штамповки. Таким образом, увеличение прочности на разрыв становится важным, особенно при соединении высокопрочных стальных деталей из-за их большой упругости в процессе прессования [5].
Один из способов компенсации широкого зазора в сварном шва — это спиральное сканирование лазерного луча на заготовке из одной точки, а затем сканирование, чтобы нарисовать круг, при этом диаметр круга постепенно увеличивается. Во время спиральной сканирующей сварки робот останавливается в одной точке и после завершения одного сварного шва робот перемещается в другую точку.
РИСУНОК 4 показывает результаты сварки с круговым сканированием и спиральным сканированием. В случае сканирования круга прожог произошел из-за нехватки расплавленного металла. Максимальный разрыв был всего 0,3 мм. С другой стороны, максимальный зазор спиральной сканирующей сварки достигал 0,5 мм. Спиральная сканирующая сварка полезна при замене RSW, поскольку время цикла может быть уменьшено на 25%.

РИСУНОК 4. Сравнение сварных соединений в с помощью круговой и спиральной сканирующей сварки.

Спин-сканирующая сварка (сваркалучом с раскруткой)

Этот метод включает в себя облучение лазерным лучом заготовки, а затем сканирование лучом, чтобы нарисовать круг с таким же диаметром, что и во время движения робота. Облученная лазерная дорожка на заготовке напоминает проекцию пружины на плоскость. Размер расплавленной сварочной ванны определяется диаметром окружности сканирования. При изменении этого размера можно получить много сварных швов различной ширины.

Спин-сканирующую сварку оценивали в стыковом соединении для мягкой стали толщиной 0,8 мм. Лазерное пятно на заготовке было установлено на контактные поверхности двух пластин или со смещением 0,2 мм перпендикулярно направлению сварки.

РИСУНОК 5 показывает условия сварки и результаты испытаний. Когда предварительный зазор составляет 0 мм, допустимое смещение продольной оси шва составляет всего 0,2 мм при обычной лазерной сварке (линия), но его можно увеличить до 0,5 мм при сварке спином. Когда предварительный зазор увеличивается до 0,2 мм, разрешенное смещение составляет 0,9 мм при сварке с помощью спинового сканирования, что почти в 9 раз превышает обычную лазерную сварку (0,1 мм). Спин-сканирующая сварка полезна при замене дуговой сварки, и скорость сварки может быть увеличена на 2-3 раза.

РИСУНОК 5. Показаны стыковые соединения с помощью обычной лазерной сварки (линии) и сварки спинового сканирования.

Перспективные будущие приложения

В дополнение к сварке тонких металлических листов, LAPRISS также может использоваться для соединения разнородных материалов для создания дизайна легкой конструкции , например, в автомобильной промышленности. Предложен процесс лазерной заклепки для замены традиционных процессов термического соединения, где основной проблемой является образование интерметаллических фаз из различных элементов сплава [6].

РИСУНОК 6. Процесс лазерной заклепки может соединяться сталью с алюминием, смолой или CFRP.

На фиг.6 показан принцип лазерной заклепки и образец для соединения стали с алюминием, который обычно считается трудным или невозможным традиционными тепловыми процессами. Этот процесс лазерной заклепки может также быть полезен для соединения стали и других неметаллических материалов, таких как смола и армированный углеродным волокном пластик (CFRP).

ССЫЛКИ В СТАТЬЕ:

1. R. K. Huang et al., «Direct diode lasers with comparable beam quality to fiber, CO2, and solid state lasers,» Proc. SPIE, 8241, 824102 (2012).
2. J. Hecht, «Beam combining cranks up the power,» Laser Focus World, 48, 6, 50–53 (Jun. 2012).
3. M. Grupp, T. Seefeld, and F. Vollertsen, «Laser beam welding with scanner,» Proc. LIM, 2, 375–379 (2003).
4. T. Higuchi, J. Jpn. Weld. Soc., 77, 25–28 (2008).
5. T. Yoshida, E. Isogai, K. Sato, and K. Hashimoto, Nippon Steel Tech. Rep., 103, 4–10 (2013).
6. E. Schubert, M. Klassen, I. Zerner, C. Walz, and G. Sepold, J. Mater. Process. Technol., 115, 2–8 (2001).
________________________________________
ИСТОЧНИК:
https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-4/features/laser-robot-system-reduces-remote-welding-time.html

Примечания:
1- PHOTONIC FRONTIERS: BEAM COMBINING: Beam combining cranks up the power. (http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-06/features/beam-combining-cranks-up-the-power.html )
2- Precision laser trepanning. (https://www.industrial-lasers.com/articles/2005/12/precision-laser-trepanning.html )