Лазерный мир

Волоконные лазеры с когерентным регулируемым кольцевым режимом (ARM) позволяют выполнять сварку высокопрочной стали и других материалов в легких конструкциях автомобильных сидений.

Когда большинство из нас думают об автокреслах, нас обычно беспокоит комфорт и выбор цвета или, возможно, такие опции, как встроенный подогрев или массаж. Но для инженеров, которые проектируют и производят автомобильные сиденья, это еще не все.

В первую очередь, конечно же, это безопасность. Водитель и пассажиры буквально пристегнуты к сиденьям. В случае аварии механическая прочность конструкции сиденья является первой линией защиты пассажиров и предотвращения травм.

Но обратная сторона этого — вес. Потому что сделать конструкцию прочнее обычно значит сделать ее еще и тяжелее. И производители автомобилей находятся под огромным давлением, чтобы уменьшить вес автомобиля. Это повышает эффективность использования топлива и сокращает выбросы газовых автомобилей, а также увеличивает запас хода электромобилей. Это настолько важно в автомобильной промышленности, что для этого даже существует специальный термин — «облегчение».

Снимите нагрузку с высокопрочной стали

Как сделать автокресла одновременно прочными и легкими? Ключевым моментом является использование материалов, которые по своей природе прочнее, таких как сталь, титан и магниевые сплавы, чтобы отдельные компоненты могли быть тоньше и легче без ущерба для механической прочности. И использовать пластмассы, композиты или другие действительно легкие материалы для деталей, которые не вносят значительного вклада в прочность или жесткость сиденья.

Одной из последних разработок в конструкции автокресел является использование высокопрочной низколегированной стали (HSLA) и усовершенствованной высокопрочной стали (AHSS). Эти материалы имеют еще более высокое отношение прочности к весу, чем другие стали, поэтому они действительно полезны для достижения целей по снижению веса. Автопроизводители уже какое-то время используют их в рамах, а теперь и в сиденьях.

Проблема сварки высокопрочной стали

Современные автокресла состоят из большого количества отдельных деталей, собранных в достаточно сложные конструкции. Металл и другие материалы даже иногда комбинируют в многослойные композиты.

Дистанционная лазерная сварка  (когда лазерная обрабатывающая головка находится на значительном расстоянии от детали) оказалась очень полезным инструментом для их изготовления по нескольким причинам. Во-первых, он может легко обрабатывать сложные трехмерные формы компонентов сиденья. И, особенно при использовании волоконного лазера мощностью несколько кВт  или твердотельного лазера, он обеспечивает однородные, однородные сварные швы с глубиной провара, необходимой для соединения нескольких слоев толстого металла в виде многослойного слоя. Это также быстрый и гибкий метод.
Однако существуют проблемы со сваркой высокопрочной стали с использованием традиционных волоконных лазеров. Одним из них является брызги. Брызги образуют сварной шов с более высокой пористостью и дефектами, что означает низкую механическую прочность. По мере увеличения скорости сварки разбрызгивание усиливается, что ограничивает производительность.

Другой проблемой является непостоянная глубина проникновения. Это приводит к тому, что сварной шов не имеет одинаковой механической прочности по всей линии.
Растрескивание материала также является проблемой традиционных волоконных лазеров и опять же снижает механическую прочность. Растрескивание происходит, когда материал остывает слишком быстро. Обычно это происходит в конце сварного шва, где мощность лазера была внезапно отключена.

Дополнительная проблема с быстрым охлаждением высокопрочной стали заключается в том, что она иногда создает кристаллическую форму, называемую мартенситом. Несмотря на свою прочность, мартенсит также является самой хрупкой формой стали. Это означает, что он может треснуть, когда подвергается слишком большой нагрузке во время использования.

Ключом к преодолению всех этих трудностей является распространение лазерной энергии на большую площадь и более точный контроль над распределением лазерной энергии в этой области. Это позволяет более тщательно регулировать как температурный градиент, так и скорость охлаждения материала. Если все сделано правильно, это устраняет разбрызгивание, растрескивание и образование мартенсита.
Компания Coherent разработала  технологию волоконного лазера с регулируемым кольцевым режимом (ARM)  , чтобы обеспечить именно такой точный контроль над нагревом и охлаждением материала во время сварки. Лазер ARM использует двухлучевой выход. Это центральное пятно, окруженное вторым концентрическим кольцом лазерного излучения. Мощность в каждом из этих лучей может быть установлена ​​независимо и даже модулирована, что обеспечивает желаемое управление. Лазеры ARM уже находят применение в других сложных автомобильных соединениях, таких как  сварка аккумуляторов  и  сварка меди , которые требуют такого же мастерства.
Недавно крупный производитель автомобильных сидений попросил  Coherent Labs  провести серию испытаний сварки высокопрочных стальных материалов. В частности, речь шла о сварке внахлест пластин HSLA различной толщины с использованием  волоконного лазера Coherent HighLight FL8000-ARM.  Был использован специальный рецепт окончания сварки, который независимо снижал мощность в центральной и кольцевой балках.

Это испытание успешно продемонстрировало сварку без брызг и трещин при скорости процесса до 8,8 м/мин для самой тонкой комбинации материалов (общая толщина 2 мм) и 6,3 м/мин для самой толстой (общая толщина 5,7 мм). Эти скорости значительно выше, чем у традиционных волоконных лазеров. Во всех случаях проплавление сварного шва было очень равномерным благодаря регулированию мощности с обратной связью и присущей лазеру Coherent FL-ARM нечувствительности к обратному отражению.

Эти результаты испытаний показывают, что установка Coherent HighLight FL-ARM  может обеспечивать высококачественные сварные швы с низким уровнем дефектов при сварке высокопрочной стали. Достигнутая высокая пропускная способность и надежность, присущая этому Технология волоконного лазера делает его экономически эффективным решением для производства автомобильных сидений. Это ставит автопроизводителей на место водителя при реализации самых передовых разработок и позволяет потребителям спокойно отдыхать с чувством комфорта и безопасности.

Источник: https://www.coherent.com/news/blog/advanced-fiber-lasers-improve-automotive-car-welding