Точечная лазерная сварка: Точечная и шовная лазерная сварка

Пользуется популярность лазерная сварка очков, в том числе оправ не только из металла, но и пластика. При этом соединение сплавляемых деталей получается очень прочным и не подвержено разрушению.

Подведем итоги

Сваривание деталей при помощи лазера является современным и востребованным методом сплавления различных элементов, таких как металл, пластик. Ряд отличительных преимуществ вывели этот способ в лидеры в таких областях, как создание высокоточных приборов с электрическими микросхемами, автомобильных кузовов, ремонт и создание ювелирных изделий.

Лазерные аппараты отличаются высокой стоимостью, однако эти затраты полностью окупаются высочайшим качеством получаемых соединений.

Оборудование для лазерной сварки и наплавки

   Лазерная сварка и наплавка — важное для нашей компании направление деятельности. Мы много лет специализируемся на разработке и производстве оборудования для лазерной сварки и наплавки различных металлов и их сплавов, а также вспомогательных устройств, делающих процесс лазерной сварки удобнее и производительнее. Нашими клиентами являются как крупные предприятия, так и небольшие фирмы и мастерские по все России и территории ближнего зарубежья. География продаж и клиенты. Установки, аппараты, станки для лазерной сварки металлов для различных областей применения Наши лазерные установки могут применяться для ремонта и восстановления пресс-форм, штампов и различной оснастки, ремонта и производства инструментов, в том числе медицинских, ювелирных изделий, производстве зубных протезов, герметизации радиоэлектронной аппаратуры, сварки сильфонов, теплообменников, датчиков и фильтров, а также для других работ по сварке и наплавке. Ручная и автоматизированная лазерная сварка различных металлов Наше оборудование позволяет осуществлять точечную и шовную сварку и наплавку в ручном и автоматизированном режиме методами для сварки материалов малых толщин, а также сварку с глубоким проплавлением. Шовная сварка может производиться как прямолинейными и кольцевыми, так и сложными по форме сварными швами. Технология лазерной сварки и наплавки может применяться для изделий из черной и нержавеющей стали, титана, ковара, вольфрама, алюминия, серебра, золота, меди, манганина, а также других металлов и сплавов. Простота и индивидуальный подход Конструкция нашего оборудования может легко адаптироваться к различным особенностям производства заказчика. Мы обладаем большим опытом по встраиванию нашего оборудования в производственные линии. Мы можем разработать и изготовить оснастку для перемещения деталей и изделий (вращатели и т.п.), системы перемещения лазерной сварочной головки для сварки в труднодоступных местах или сварки сложных деталей по требованиям заказчика.   Гид по оборудованию для лазерной сварки и наплавки (по сериям и моделям)  Серия  Модели  Особенности  Применение ЛАТ-С ЛАТ-С-200 ЛАТ-С-300 ЛАТ-С-400 Высокая производительность и мощность, компоновка в виде отдельного рабочего места, подвижная конструкция, координатные столы и вращатели для перемещения объекта сварки в стандартной комплектации, возможность автоматизированной обработки деталей. Лазерная сварка, наплавка, поверхностное термоупрочнение различных металлов и сплавов в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Для работы с небольшими, средними большими по размеру деталями, возможность создания сварных швов различной сложности.  МУЛ МУЛ-1 МУЛ-1-М МУЛ-1(В) МУЛ-3D Компактность и мобильность, настольный вариант компоновки или  компоновка в виде отдельного рабочего места, высокая пиковая мощность излучения лазера, возможность доставки излучения лазера по волокну, есть версии установок с повышенной производительностью, дополнительные модули, расширяющие функционал моделей: координатный стол, вращатель, системы наблюдения и т.п., трехмерная автоматизированная система позиционирования  Уверенная лазерная сварка, наплавка, пайка золота и серебра, а также прочих металлов и сплавов в ручном и полуавтоматическом режиме. Для работы с небольшими деталями, точечной сварки и шовной сварки со швами небольшой протяженности. Для сварки и наплавки ювелирных изделий, медицинских и прочих инструментов, корпусов РЭА, для ремонта пресс-форм, штампов и т.п.  ЛАТ ЛАТ-300 ЛАТ-400 Система перемещения сварочной головки лазера (по осям XYZ) относительно объекта сварки, большая зона обработки, высокая производительность, подвижная конструкция. Лазерная сварка и наплавка больших деталей, сварка протяженными и сложными по форме швами в ручном и полуавтоматическом режиме. Для ремонта пресс-форм, штампов, сварки и наплавки других изделий из различных металлов и сплавов.   Гид по оборудованию для лазерной сварки и наплавки (по сферам применения)  Применение  Модель  Примечание Ремонт и производство ювелирных изделий, бижутерии и т.п., оправ очков МУЛ-1 Сварка, пайка и наплавка серебра, золота, меди и прочих цветных металлов, силумина, титана и прочих материалов, применяемых в оправах очков. Зуботехника: ремонт и производство каркасов мостовидных протезов, коронок, имплантов, ортодонтических аппаратов и т.п. МУЛ-1 Co-Cr, Ni-Cr сплавы и прочие металлы и сплавы, применяемые в зуботехнике. Сварка рекламных объемных конструкций, наборных букв и т.п. МУЛ-1(В) Сталь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы. Сварка лазером с волоконным выводом (торцом волокна или фокусирующей насадкой). Восстановление и ремонт пресс-форм, штампов, оснастки и т.п. ЛАТ ЛАТ-С МУЛ-3D Инструментальные стали, никелевые, алюминиевые сплавы и прочие металлы. Лазерная наплавка в автоматическом и полуавтоматическом режиме. Производство и ремонт медицинских инструментов, оснастки и прочего оборудования и приспособлений медицинского назначения. МУЛ-1 МУЛ-1-М МУЛ-1(В) ЛАТ-С Нержавеющие стали, титан и прочие металлы и сплавы. Лазерная сварка и наплавка как в ручном, так и в автоматическом режиме.  Герметизация корпусов РЭА, микросхем и т.п. МУЛ-1 МУЛ-1-М Нержавеющие стали, ковар и прочие металлы и сплавы. Лазерная сварка в ручном и автоматическом режиме. Герметизация и монтаж датчиков различного назначения, сварка сильфонов, фильтров. МУЛ-1 МУЛ-1-М ЛАТ-С Лазерная сварка в ручном и автоматическом режиме.  Герметизация и монтаж теплообменников ЛАТ-С Нержавеющая сталь и прочие металлы и сплавы. Ручная и автоматическая лазерная сварка и наплавка. Прочее промышленное применение МУЛ-1 МУЛ-1-М МУЛ-1(В) ЛАТ-С Герметизация, монтаж, восстановление и прочие операции по обработке различных деталей в разных областях промышленности. Точечная и шовная лазерная сварка и наплавка в ручном и автоматическом режиме. Линейные, кольцевые и сложные по конфигурации сварные швы.   Больше информации о нашем оборудовании и лазерной сварке В разделе «Системы перемещения и автоматизация» представлено вспомогательное оборудование (координатные столы, вращатели и т.п.), делающее процесс лазерной сварки удобнее и производительнее. В разделе «Технология лазерной сварки» представлена постоянно пополняемая подборка материалов о лазерной сварке и наплавке.   Подборка видео о лазерной сварке и нашем оборудовании    Все видео о нашем оборудовании и лазерной сварке можно посмотреть на нашем канале YouTube здесь.

Лазерная сварка | Аппараты лазерной сварки Sekirus

Сварка металла лазером – это один из методов обработки материала, предназначенный для изготовления деталей из нескольких частей и заготовок различных габаритов. Преимущество технологии заключается в абсолютной индифферентности к размерам соединяемых деталей. Такая особенность поспособствовала широкому распространению установок лазерной сварки во всех отраслях точного машиностроения, автомобилестроения, создания авиационного и космического транспорта, ювелирном деле, медицине и прочее. 

Принцип работы приборов заключается в нагревании соприкасающихся поверхностей материала с целью их соединения. Металл под действием лазерного пучка плавится равномерно и на всю толщину, что позволяет создавать идеальные швы.  Сварочный шов формируется при охлаждении поверхности до момента кристаллизации. В результате образовывается прочное соединение по всей площади детали.

Лазерные сварочные аппараты: разновидности, преимущества, стоимость

Лазерные сварочные аппараты делятся на стационарные, ручные и роботизированные. Разница между ними только в способе использования и мощности лазерного источника, в то время как качество обработки одинаково высокое. При этом ручной аппарат более практичный: удобное переносное устройство, способно повысить эффективность работы сотрудников, и увеличить производительность предприятия.

Преимуществами лазерных сварочных устройств являются:

1. Универсальность – возможность работы с большим ассортиментом материалов и их сочетаниями.
2. Высокий КПД – минимум энергозатрат и максимум результата.
3. Минимальное количество брака – лазерный луч аккуратно воздействует на все типы материалов и не деформирует термочувствительные детали, трещина на металле не образовывается, а сам материал не теряет своих характеристик.
4. Идеальные швы – концентрация энергии лазера в одной точке позволяет получить ультратонкие соединения без наплывов материала по сторонам.
5. Высокая скорость работы – заготовка нагревается быстро и равномерно, что экономит драгоценное время.
6. Простота и безопасность использования – для работы с лазерным агрегатом не требуется создание особых производственных условий, но очень важно соблюдать технику безопасности при работе с лазерным оборудованием.

Приобрести компактный и производительный сварочный лазерный аппарат – это отличное капиталовложение, которое с первого дня использования начнет окупаться.

Высокое качество по доступной цене

Надежные аппараты для лазерной сварки можно найти в нашем каталоге.

В нашем интернет-магазине представлено несколько конфигураций сварочных аппаратов SEKIRUS:

• автоматические станки на основе газовых трубок;
• автоматические устройства на основе волоконного излучателя IPG/Raycus;
• ручные сварочные аппараты для обработки металлических заготовок толщиной до 4 миллиметров.
• роботизированные сварочные комплексы

Наша компания реализует только проверенные аппараты от известного производителя. Специалисты всегда готовы помочь консультацией, предложат оптимальные варианты по доступной цене. При необходимости мастера продемонстрируют работу станков в нашем демозале, произведут пусконаладочные работы, обучат персонал. Если у вас возникли вопросы или вы уже готовы приобрести высококачественное  лазерное сварочное оборудование, то звоните по телефону +7 (812) 309-80-44 .

Следует ли перейти с точечной сварки на лазерную сварку с замочной скважиной?

Применение лазерной сварки с замочной скважиной может привести к тому, что процесс сварки будет в три-четыре раза быстрее по сравнению с точечной контактной сваркой — для повышения производительности и эффективности — при одновременном повышении качества и повторяемости сварных швов.

Большинство производителей ищут способы сэкономить деньги и повысить эффективность без ущерба для качества.Производственные операции, в которых используется точечная контактная сварка, могут значительно повысить производительность и качество в некоторых случаях за счет перехода на лазерную сварку с замочной скважиной.

Применение лазерной сварки со спайкой может привести к тому, что процесс сварки будет в три-четыре раза быстрее по сравнению с точечной контактной сваркой, а также повысит качество и повторяемость сварки. Однако лазерная сварка с замочной скважиной может не подходить для каждой работы.

Помните о нескольких факторах, решая, является ли лазерная сварка с замочной скважиной лучшим выбором для вашей области применения.

Основы точечной сварки

Точечная сварка сопротивлением может использоваться, когда необходимо сварить вместе два куска материала толщиной до 3 мм, уложенных друг на друга. Этот процесс часто используется в отраслях транспорта и формовки листового металла для таких применений, как изготовление деталей кузова и рамы автомобилей, а также для сварки офисной мебели и ящиков с инструментами.

В процессе точечной сварки используются два электрода: один расположен внизу основного материала, а другой — вверху. Между двумя электродами прикладывается давление, которое сдвигает две металлические части вместе. Ток проходит между электродами, образует сварной шов и соединяет две поверхности вместе.

Одна из проблем точечной сварки заключается в том, что, когда два электрода высвобождаются, они оставляют вмятину на основном металле. В сварочных операциях, где важны эстетические требования, для удаления этих вмятин на материале требуется шлифовка после сварки и часто окраска, что увеличивает время и затраты на процесс.

Точечная сварка обычно выполняется вручную; его сложно и дорого автоматизировать, особенно в приложениях с низким и средним объемом. Также сложно установить предсказуемый процесс при использовании автоматической точечной сварки, потому что электроды быстро изнашиваются, а это означает, что параметры процесса и подгонка постоянно меняются. Это также может повлиять на воспроизводимость качества детали при точечной сварке. Кроме того, робот, необходимый для выполнения автоматической точечной сварки, довольно тяжелый и может быть громоздким, что является недостатком реализации для многих операций.

Как показывает практика, для эффективной автоматизации точечной сварки требуется очень большой объем детали. Примером этого является производство автомобильных деталей, в котором часто используется точечная сварка. Точечная сварка лучше всего подходит в случаях, когда сборка деталей неудовлетворительна и требуется что-то, чтобы сжать две детали вместе для сварки. Точечная сварка также имеет более дешевую точку входа; для этого необходимо приобрести только ручной аппарат для точечной сварки.

Основы лазерной сварки с замочной скважиной

В некоторых случаях, когда требуется контактная точечная сварка листового металла, автоматизированный процесс лазерной сварки с замочной скважиной может сэкономить время и улучшить качество сварки.Этот процесс хорошо подходит для сварки некоторых разнородных металлов, которые может быть трудно правильно сваривать контактной точечной сваркой из-за различий в физических, химических и механических свойствах основных металлов.

Лазерная сварка с замочной скважиной использует мощный лазерный луч для сварки двух заготовок. Лазер с высокой плотностью энергии поражает небольшое точечное пятно на материале. Когда свет попадает на верхнюю поверхность, он плавится и испаряет металл. Давление пара металла толкает жидкий металл вниз и в сторону, образуя замочную скважину.Когда лазерный луч перемещается по поверхности, замочная скважина следует за лучом и создает сварной шов, который обычно бывает глубоким и узким.

Одно из соображений, которое следует учитывать при точечной сварке, заключается в том, что она оставляет вмятину на основном металле. В сварочных операциях, где важны эстетические требования, избавление материала от этих вмятин требует шлифовки после сварки и часто окраски, что увеличивает время и затраты на процесс.

В подходящих областях применения лазерная сварка с замочной скважиной предлагает:

• Точный контроль глубины проплавления, что исключает любую деформацию или вмятины на задней стороне нижней части.Это сокращает время и деньги, затрачиваемые на шлифовку или подкраску после сварки.
• Очень маленький размер луча — менее 1 мм, что приводит к небольшой зоне термического влияния. Это дает преимущества при сварке тонких материалов или металлов, в которых важен контроль тепловложения.
• Чрезвычайно быстрый процесс, который обычно в три-четыре раза быстрее, чем ручная точечная контактная сварка.
• Стабильность и предсказуемость, которые позволяют получить высококачественные готовые сварные швы, а также сократить время и деньги, затрачиваемые на доработку.

Рекомендации по преобразованию

Переход с точечной контактной сварки на лазерную сварку с замочной скважиной требует учета нескольких ключевых факторов, чтобы определить, является ли это правильным выбором для работы и применения.

• Стоимость: Поскольку лазерная сварка — это автоматизированный процесс, он требует инвестиций в роботизированную сварочную систему. Для небольших предприятий, которые не производят много деталей с высокой повторяемостью, этот тип инвестиций может оказаться невыполнимым или обеспечить необходимый возврат инвестиций (ROI), чтобы оправдать покупку.
• Окно допуска для материала: Правильная оснастка и крепление имеют решающее значение для успеха при лазерной сварке. Две свариваемые детали должны быть прижаты друг к другу без зазора для получения высококачественного лазерного шва. Это делает правильное соединение и представление материала важным, поэтому операция должна поддерживать правильную настройку и сборку детали.
• Повторение: Лазерная сварка с замочной скважиной лучше всего подходит для повторяющегося процесса, в котором производится много деталей, даже если это означает большое количество деталей с меньшими объемами каждой детали.Из-за необходимых инвестиций в настройку системы, приложения с частым повторением или большим объемом деталей обычно обеспечивают лучшую окупаемость инвестиций при лазерной сварке.

Учет этих факторов может помочь вам определить, подходит ли лазерная сварка с замочной скважиной для вашей работы.

Лазерная сварка с замочной скважиной предлагает множество преимуществ в правильных применениях, включая точный контроль глубины проплавления, очень маленький размер луча для небольшой зоны термического влияния, большую стабильность и чрезвычайно быстрый процесс.

Традиционная сварка по сравнению с лазерной сваркой

Лазерная и традиционная сварка все еще конкурируют с

С гораздо более высокой скоростью обработки и более высоким качеством можно подумать, что лазерная сварка быстро захватит сферу применения. Но традиционная сварка сохраняется. И в зависимости от того, кого вы спросите и какие приложения вы рассматриваете, он может никогда не исчезнуть. Итак, каковы плюсы и минусы каждого метода, которые продолжают приводить к смешанному рынку?

Традиционные методы сварки остаются популярными. Вообще говоря, в промышленности используются три типа традиционной сварки: MIG (металлический инертный газ), TIG (вольфрамовый инертный газ) и точечная сварка. При контактной точечной сварке два электрода прижимают детали, которые необходимо соединить между собой, через это пятно пропускается большой ток, а электрическое сопротивление материала детали генерирует тепло, которое сваривает детали вместе. По словам Эрика Миллера, менеджера по развитию бизнеса лазерной группы Miller Electric Mfg LLC в Аплтоне, штат Висконсин, это быстрый метод., это основной метод, используемый в автомобилестроении, особенно для кузовов. Но, добавил он, самый большой рынок для лазерной сварки — это замена точечной контактной сварки. И наоборот, Миллер не видел «какой-либо лавины» в использовании лазеров, заменяющих TIG или MIG. И даже в группе автоматизации компании около 90 процентов проектов выполняются в MIG.

Big на MIG

Чем объясняется непреходящая популярность MIG? «Расходный материал — это проволока с непрерывной подачей», — сказал Миллер. «Таким образом, он добавляет материал и усиливает сварной шов, что делает его идеальным для углового шва [в котором детали перпендикулярны].«Автогенный лазер объединяет два основных материала вместе. По словам Миллера, лазер может выполнять угловой шов, но точность деталей и всего остального должна быть на порядок выше.

«При сварке MIG на угловом соединении допуск составляет не менее плюс-минус половина диаметра проволоки, а в целом даже больше», — сказал он. Точно так же технологическое окно MIG для других типов сварных швов намного больше, чем у лазера. Другими словами, детали не должны быть такими точными, а приспособления не должны обеспечивать почти идеальную посадку, как в случае с аутогенным лазером.

MIG также проще автоматизировать. По словам Миллера, единственными факторами, которые вам нужно контролировать, являются скорость движения, напряжение, сила тока, угол резака и рабочий угол, и «если вы сделаете пять из десяти вещей правильно, вы все равно получите хороший сварной шов». Для автоматизации лазерной сварки требуется робот с превосходной точностью траектории и повторяемостью, а в процессе сварки нужно контролировать больше факторов.В этом отношении TIG аналогичен.

Нельзя сказать, что автоматизировать сварку MIG настолько просто, что это может сделать каждый. По-прежнему требуется эксперт для программирования и диагностики проблем. Эд Хансен, директор по глобальному управлению продуктами и гибкой автоматизации ESAB Welding & Cutting Products, Дентон, Техас, сказал, что это еще один плюс для MIG.

«После многих лет эмпирических и научных данных традиционная сварка хорошо известна. Мы знаем, что нужно для того, чтобы получить предсказуемый результат, обеспечивающий соединение, которое требуется конструкции.И даже несмотря на то, что мы говорим о нехватке квалифицированной рабочей силы, что является реальной проблемой для отрасли, все еще существует большой пул опытных сварщиков, техников и инженеров, которые все знакомы с управлением этими традиционными процессами ». Для большинства продуктов это простое и недорогое решение, обеспечивающее приемлемые результаты.

Это случай, когда первоначальная стоимость системы MIG или TIG меньше, чем стоимость лазерной системы. Однако стоимость лазеров снижается и будет продолжать снижаться. «Стоимость лазера составляет от трети до половины стоимости системы лазерной сварки, — сказал Хансен, — а стоимость в зависимости от возможностей сварки снижается на 10-15 процентов в год».

Миллер также отметил, что «лазерная технологическая головка дороже, чем традиционные головки, волокно доставки дороже, и защита лазерной ячейки также дороже.Например, лазерная ячейка должна быть «светонепроницаемой» со стенками толщиной 4 дюйма (101,6 мм), чтобы выдерживать прямое попадание в течение 10 минут без прожига. (Лазер не будет в фокусе более 4 дюймов [101,6 мм]. ] на большую глубину.) Системы TIG и MIG могут быть экранированы недорогим листовым металлом, который оставляет зазоры.

С другой стороны, если учесть разницу в производительности и стоимости детали, лазер, как мы увидим, часто выигрывает. Это особенно верно для TIG, который является очень медленным процессом, требующим высокой квалификации, что делает его дорогостоящим в использовании.По этой причине Миллер сказал, что TIG в основном ограничивается производством промышленного пищевого оборудования и бытовой техники, а также некоторыми прецизионными компонентами. «Люди выбирают TIG для пищевого оборудования, потому что сварной шов не имеет пористой поверхности — он очень гладкий», — сказал он. Но если эти детали необходимо производить в больших объемах, рентабельность инвестиций в лазерную систему «взорвет двери» TIG, поэтому, естественно, в таких случаях она берет верх.

Масуд Харуни, менеджер по продукции по лазерной сварке компании Trumpf Inc., Хоффман Эстейтс, Иллинойс, сказал, что даже TIG не может обеспечить полностью удовлетворительную поверхность для пищевой промышленности и других приложений, где внешний вид имеет решающее значение.«Это не так плохо, как MIG, но поверхность TIG определенно требует шлифовки после обработки, в которой нет необходимости при использовании лазера», — сказал Харуни. «Кроме того, скорость лазерной сварки видимых швов в два-три раза выше, чем у TIG. Если вы видите хороший радиус на холодильнике или аналогичной детали, значит, он был отшлифован или сварен лазером ».

Последний голос за традиционную сварку: за исключением нескольких специализированных случаев, лазерная сварка должна быть автоматизирована из соображений безопасности. И это оставляет много работы сварщикам, как объяснил Хансен.«Робот не может взбираться на леса или залезать в трюм корабля. Мы можем мечтать о таких супер-роботах, но с практической точки зрения в ближайшем будущем их здесь не будет ».

Тенденции принятия лазерных решений

По мнению Миллера, производство в США обычно консервативно, и «если нет проблемы, которую нужно решить, будет выбрано самое дешевое, надежное и проверенное решение. Таким образом, люди начинают смотреть в сторону лазера только тогда, когда сварка MIG не работает или сварка TIG идет слишком медленно.”

Объемная сварка TIG либо уже переехала за границу, либо была заменена лазером, так где же лазер может бросить вызов MIG?

Одной из основных проблем является повреждение — металлургическое или конструктивное — потенциально вызванное относительно длительной и широко распространенной теплопередачей MIG в деталь с последующим длительным циклом охлаждения. И наоборот, лазер передает тепловую энергию очень маленьким лучом, плавя только локализованную область. Общее количество подводимого тепла намного меньше, чем при сварке MIG, и деталь остывает очень быстро, сводя к минимуму деформацию и металлургические эффекты.

Харуни предложил полезную аналогию: «Представьте себе бутылку воды на песчаном пляже в сравнении с иглой. Если вы положите на бутылку пятифунтовую гирю, она не пробьет песок. Но если вы нанесете на иглу всего несколько унций, это произойдет. Думайте о весе, которое вы прикладываете, как о нагреве, о бутылке как о MIG, а об игле как о лазере ».

ESAB сказал, что лазер снижает тепловложение примерно на 85 процентов по сравнению с MIG, и «остаточное напряжение в сварном шве прямо пропорционально тепловложению.Чем больше тепла вы поместите в него, тем больше остаточного напряжения вы создадите. А это означает коробление, деформацию, усадку и все эти вещи, которые вызывают кошмар, когда вы берете эту деталь и делаете из нее сборку или вставляете ее в конструкцию или транспортное средство ».

Чем больше деталь, тем больше мелких индивидуальных остаточных напряжений становятся макро-прогибами, которые очень дорого исправить, и их трудно исправить позже, добавил он. И это главное соображение для клиентов, которые пытаются «облегчить» свою продукцию.Более того, по его словам, «некоторые сплавы расслаиваются или изменяют свойства при нагревании, или структура зерен растет нежелательным образом. У многих из этих материалов зернистая структура и микроструктура будут другими, если сварной шов расплавить, а затем охладить ».

Миллер из Miller Electric отметил, что последнее поколение высокопрочных сталей «приобретает большую прочность благодаря сложным процессам термообработки.Когда вы расплавляете и затвердеваете при низкой скорости охлаждения (как при сварке MIG), все эти сильные стороны исчезают. Лазер может помочь сохранить исходную прочность материала ».

В другом примере Миллер сказал, что сварка титана методом MIG затруднена из-за «проблемы с плавающим катодом». Дуга нестабильна. Так что лазер — идеальный выбор ». С алюминием серии 6000 проблема заключается в горячем растрескивании. «Горячее растрескивание — это функция силицида магния, мигрирующего к границе зерен. Поэтому, если вы можете нагреть материал, расплавить его и охладить до того, как силицид магния переместится, тогда вы сможете создать сварной шов без трещин », — сказал он.«Лазер может сделать это, используя новейшие методы сканирования, при которых мы перемещаем луч вперед и назад с помощью зеркала».

Laser

С точки зрения Миллера, большинство применений лазера связано с трудносвариваемыми материалами. С точки зрения Харуни, лазер настолько быстрее, что даже проекты из листового металла переходят на лазер. Насколько быстрее? Харуни из Trumpf сказал, что сварка MIG обычно происходит со скоростью 20-30 дюймов (508-762 мм) в минуту — максимум 40 дюймов (1016 мм) в минуту. Лазер, по словам Харуни, может сваривать со скоростью почти 200 дюймов (508 см) в минуту, поэтому сам процесс соединения уже намного быстрее. Второе преимущество — сокращение постобработки. Харуни заметил, что если внешний вид сварного шва ухудшится. Важно то, что после сварки MIG вам потребуется длительный цикл шлифовки, в котором нет необходимости после лазерной сварки.

«Вот почему, — добавил он, — обычно случается, что деталь, изготовленная с помощью сварки MIG по цене 25 долларов, будет стоить всего 15 долларов за лазерную сварку, даже с учетом более высоких первоначальных вложений в лазерную сварку.Например, Харуни рассказал о недавнем проекте, в котором Трампф сократил время цикла сварки большой двери с десяти часов до 35 минут. Другой заказчик столкнулся с трудностями при сварке MIG алюминиевого электрического корпуса. Сушилки были частой проблемой, и общее время цикла составляло четыре часа. Харуни сказал, что Trumpf сократил это время до 18 минут с помощью лазерной сварки.

Хансен добавил, что способность лазера глубоко проникать в материал многократно увеличивает его преимущество перед традиционной сваркой. Поскольку лазер не только в три-десять раз быстрее, чем MIG (и даже быстрее по сравнению с TIG), он может сваривать относительно толстые швы, которые потребуют нескольких проходов с помощью MIG или TIG.

«Традиционные методы также требуют очистки и шлифования между проходами, что еще больше увеличивает общее время цикла», — пояснил Хансен. «Лазер может выполнять однопроходную сварку примерно на полдюйма по сравнению с примерно пятью проходами для сварки MIG, в зависимости от используемого процессора. Более полудюйма для лазерной сварки потребовалось бы заранее вырезать или отшлифовать скос до кромки, но это гораздо меньший скос, чем фаски всего соединения, необходимые для сварки MIG ».

Таким образом, для материала толщиной в полдюйма лазерная сварка будет в 15-50 раз быстрее, чем MIG, только по скорости сварки — и даже быстрее, если учесть дополнительную постобработку, необходимую для MIG.

Конечно, при такой высокой производительности вам потребуется много сварочных работ, чтобы питать лазерную систему и максимизировать рентабельность инвестиций. Как сказал Хансен, «обычно лазер может производить от трех до пяти систем дуговой сварки, например, при сварке листов. Чтобы запитать пять систем дополнительной дуги, потребуется много работы.”

Новые технологии в сочетании со старыми

Поскольку для автогенной лазерной сварки требуется плотная посадка между соединяемыми деталями, во многих случаях лучше всего изменить расположение стыков, чтобы представить лазеру перекрывающиеся поверхности (чтобы использовать его прокалывающую способность). Все больше производителей готовы вкладывать средства в более совершенные процессы и инструменты для разведки и добычи, чтобы воспользоваться преимуществами более высокой производительности лазера.

Но для тех, кто устойчив к таким изменениям или в ситуациях, когда промежутки неизбежны, существуют гибридные системы, сочетающие в себе технологию лазера и подачи проволоки, а также другие новые разработки, расширяющие область применения лазера.Одна простая концепция (упомянутая ранее в отношении решения проблемы горячего растрескивания) — это раскачивание лазерного пятна. Миллер сказал, что это старая концепция, которая в последнее время стала намного более экономичной. Он предложил пример перемещения пятна диаметром 1,2 мм вперед и назад по площади 3 мм с высокой скоростью, эффективно захватывая большую площадь и при этом обеспечивая хороший сварной шов.

Хансен сказал, что гибридные системы сочетают в себе процесс MIG и лазерный луч. «Мы действительно используем лазер для проникновения.Обычно, если вы хотите повлиять на проплавление сварного шва MIG, вам нужно увеличить силу тока. Используя лазер для проплавления, мы можем уменьшить силу тока на MIG и использовать сварной шов наименьшего диаметра, который позволяет наша конструкция для инженерных целей. Таким образом, лазер позволяет нам оптимизировать MIG ». Также существует синергия между процессами благодаря стабилизации дуги лазерным лучом. «Мы можем путешествовать по дуге намного быстрее, чем если бы у нас не было лазерного луча. Вот почему мы можем так быстро реализовать гибридный процесс », — сказал он.

Trumpf, которую Харуни описал как «технологический лазер с добавлением проволоки для увеличения массы зазоров», может перекрывать зазоры шириной до 1 мм.

Со своей стороны, ЭСАБ разработал адаптивную технологию сварки, которая определяет состояние деталей и изменяет параметры процесса в соответствии с ними. В системе используется камера, которая «рисует лазерную полосу на детали, а затем смотрит на нее под углом параллакса, чтобы увидеть форму соединения, примерно на 20-40 мм впереди процесса», — сказал Хансен.Лазерная когерентная визуализация используется для измерения замочной скважины, прорезанной лазером в металле. «Мы можем измерить глубину проникновения и форму замочной скважины и использовать эту информацию либо в качестве меры качества, либо в замкнутом контуре для управления процессом», — сказал он.

Система автоматически регулирует проникновение лазера, мощность лазера, параметры газовой металлической дуги, скорость подачи проволоки, напряжение, поток газа и скорость перемещения по мере того, как сварочная головка обрабатывает деталь. Гол, которым руководил У.Требования S. Navy заключаются в том, чтобы обеспечить преимущества лазерной сварки с низким тепловложением «деталей, подготовленных традиционным способом» (то есть деталей, которые не были обработаны с жесткими допусками для стандартной лазерной сварки). Хансен сообщил, что это расширяет технологическое окно для гибридной сварки в пять раз по сравнению с тем, что было бы возможно при стационарном управлении.

Лазерная сварка остается относительно новой для многих пользователей, и Харуни подчеркнул приверженность Trumpf обучению и поддержке с самого начала, а также преимущества автономного программирования их систем после установки.

Trumpf также предлагает TeachLine, новую сенсорную систему на основе камеры, которая определяет местоположение свариваемого шва. «Заказчики не хотят прерывать производство, чтобы запрограммировать новую деталь, или вносить изменения в свое программирование, поэтому они могут использовать это автономное программирование и загрузить деталь, запрограммировать ее и доставить в ячейку. С TeachLine им не нужно настраивать его. TeachLine увидит деталь и откорректирует созданную вами программу в автономном режиме. Комбинация автономного программирования и TeachLine помогает нашим клиентам быстро вносить изменения в производство.”

ЭСАБ также внедряет новый пакет «цифровых решений», который объединяет огромное количество информации, охватывающей весь процесс сварки, включая присадочный материал, основной материал и газ, чтобы упростить использование систем. Как сказал Хансен: «Сложную систему легко создать. Очень сложно сделать сложную систему простой. И вот к чему мы идем с нашими цифровыми решениями. Мы используем наши знания о процессе, чтобы принимать разумные решения по управлению процессом, чтобы оператору не нужно было быть таким же опытным или знающим, как в прошлом.”

ЭСАБ также работает над тем, чтобы сделать свое оборудование способным оценивать качество производимого сварного шва и, в идеале, не допускать возникновения дефектов или разрывов.

Наконец, традиционная сварка также претерпела улучшения, такие как усовершенствованные формы волны и концепция ActiveWire Miller Electric, которая непрерывно подает проволоку MIG вперед и назад, чтобы уменьшить разбрызгивание и тепловложение. Такой подход расширяет возможности автоматизации сварки MIG и делает MIG жизнеспособным решением даже для сварки некоторых сверхтонких материалов.

A Грунтовка для лазерной сварки | Блог по интеграции роботов Genesis

Относительно высокая скорость обработки, низкое тепловложение, низкая зона термического влияния и минимальная деформация делают лазерную сварку идеальным решением для многих сварочных работ. Типы высокоточной сварки классифицируются в зависимости от интенсивности импульса, продолжительности луча и того, перемещается ли луч при подаче напряжения.

Лазерная точечная сварка

Бесконтактный процесс создает единый точечный сварной шов, соединяющий два металла.Сфокусированный лазерный луч поглощается подложкой, и металл плавится. Этот жидкий металл течет, затвердевает и образует точечный сварной шов. Небольшие точечные сварные швы чрезвычайно полезны, когда производителям необходимо избежать теплового повреждения материалов или электрических компонентов вблизи зоны сварки.

Главное преимущество лазерной точечной сварки — скорость. Весь процесс занимает всего миллисекунды. А лазерную точечную сварку можно повторить, чтобы обеспечить надлежащее соединение с металлами разной толщины. Несколько точек можно сваривать одновременно как для скорости, так и для правильного выравнивания компонентов.Лазерная точечная сварка часто используется для деталей авиакосмической отрасли, медицинских устройств и электроники.

Электропроводная сварка

Процесс кондуктивной сварки аналогичен точечной сварке, но лазерный луч перемещается после образования ванны расплава. Модулированные или импульсные лазеры создают сварные швы, которые могут быть структурно герметичными. С помощью лазера можно получить гладкий закругленный шов, не требующий дополнительной шлифовки или отделки.

Электропроводящие швы часто используются при глубине проплавления менее 2 мм.Электропроводность соединяемых материалов ограничивает максимальную глубину сварного шва. Ширина токопроводящего шва всегда больше его глубины. Детали автомобильного кузова, аккумуляторные батареи и герметичные уплотнения являются обычными применениями для кондуктивной сварки.

Сварка глубоким проникновением

Для создания лазерного шва с глубоким проплавлением используются чрезвычайно высокие плотности энергии. Используемый высокоэнергетический сфокусированный лазерный луч плавит и испаряет подложку. Давление пара вытесняет расплавленный металл.Это создает глубокую и узкую «замочную скважину». Лазерный луч перемещается, расплавленный металл обтекает замочную скважину, а затем затвердевает в глубоком и узком шве вдоль пути лазера.

Сварку с глубоким проплавлением можно использовать для самых толстых металлов. Даже некоторые металлы с высокой отражательной способностью можно сваривать толщиной до 15 мм благодаря длине волны лазера в ближнем инфракрасном диапазоне. Яркость мощных волоконных лазеров позволяет использовать линзы с большим фокусным расстоянием. Меньшая чувствительность упрощает создание высококачественных сварных швов.Сварные швы с глубоким проплавлением используются в таких областях, как компоненты трансмиссии и сталь толстого сечения для судов и трубопроводов.

Лазерная сварка может помочь вашему бизнесу

Лазерная сварка повышает скорость и производительность во многих отраслях промышленности. Узнайте, как решения для роботизированной сварки от Genesis Systems могут способствовать росту вашего бизнеса.

Лазерная сварка обеспечивает оптимальную эффективность

Хотя лазерная сварка существует уже несколько лет, кажется, что только сейчас она приближается к критической рыночной стадии, когда ее внедрение будет ускоряться здесь, в Северной Америке.

«Похоже, на рынке существует выжидательная позиция, как если бы люди не были уверены, что технология зарекомендовала себя на рынке», — сказал Масуд Харуни, менеджер по продукции по лазерной сварке в TRUMPF North. Америка.«Тем не менее, сколько деталей в автомобилях, которые мы водим, производятся с использованием лазерной сварки каждый день?»

«За последние несколько лет количество различных типов транспортных средств, оснащенных более широким спектром силовых установок, выросло», — сказал Майк Шарп, менеджер по развитию лазерного бизнеса FANUC Robotics Ltd. «В отрасли есть много разных производителей, предлагающих разные модели, но их поставщики обслуживают еще более широкий рынок. Этот более широкий ассортимент продукции означает, что необходимо выполнить больше работы с добавленной стоимостью.Лазеры способствуют этому ».

Нерешительность среди мастерских, конечно, понятна — крупные инвестиции в технологию, которая меняет подход цеха как к сварке, так и к процессам проектирования, могут быть пугающими, особенно если цех обычно работает по проектам своих клиентов.

Но как только клиенты осознают ценность использования лазерной сварки, они могут довольно быстро адаптироваться. Дэн Белз, менеджер по продуктам компании Amada FLW, был свидетелем того, как работа мастерской помогла изменить точку зрения клиента.

«Как только они увидели качество деталей, которые они получали с помощью лазерной сварки, заказчик фактически предоставил цеху карт-бланш на проектирование детали, однако она будет лучше всего работать на аппарате для лазерной сварки», — сказал Белз. «Они в основном сказали:« Это то, что должна делать часть; спроектируйте ее так, чтобы она лучше всего подходила для лазерной сварки ».

Чисто законченные работы

Преимущества лазерной сварки довольно очевидны, когда вы видите деталь прямо из машины.Используя кондуктивную сварку, система лазерной сварки с присадочным материалом состоит из двух частей и по существу плавит материал, соединяя две поверхности вместе. Такие детали часто встречаются в автомобильных кузовных сборках, требующих высокого качества и гладких сварных соединений, поэтому их сложно сварить вручную. Но с правильным приспособлением лазерная сварка такой детали занимает мало времени и создает более чистый и точный готовый продукт.

В тяжелой промышленности, тем временем, выигрыш от использования техники сварки с глубоким проплавлением (замочной скважиной) можно сравнить с дуговой сваркой металлическим газом.Тепло полностью проникает через переднюю кромку расплавленного металла шва. По мере развития источника тепла расплавленный металл заполняет его за ним, образуя сварной шов. С помощью этой технологии в цехах можно добиться более прочного сварного шва (нагрузка на площадь сварного шва). А поскольку тепловложение в заготовку намного ниже, чем при GMAW, сварной шов менее подвержен таким проблемам, как растрескивание. Меньший нагрев также означает меньшую деформацию детали.

Бывают случаи, когда в стыках образуется щель, и ее можно устранить с помощью системы подачи проволоки на станке.Эта система вводит больше материала в стык, что помогает расплавить и устранить зазор.

«Используя приспособления из листового металла, наш заказчик смог сократить время производства детали с четырех часов до 18 минут», — сказал Масуд Харуни из TRUMPF. «Мы видим, как многие из наших клиентов возвращают нам креативные решения по ремонту, после того, как начинают думать иначе». Здесь мы видим пример фиксации в действии в сварочной ячейке. Изображение предоставлено TRUMPF.

Шарп призывает людей думать о лазерной сварке просто как о «еще одном методе, еще одном источнике энергии для выполнения работ, которые раньше, возможно, выполнялись вручную, или как об инструменте, который может улучшить или заменить существующие процессы». Его уникальность заключается в том, насколько быстрее он может выполнять определенные работы.

Но доказательство, как говорится, в пудинге.

«Мы завершили установку в январе на предприятии, которое занимается сваркой исключительно низкоуглеродистой стали», — сказал Белз. «Этот магазин производит чехлы трех разных размеров, от 1 до 2 футов.и 4 на 4 фута. Они разработали универсальное приспособление для этой работы и сваривают около 350 крышек каждую неделю. На их сварку у них уходило четыре дня, по два сварщика в первую и вторую смену каждый день. Теперь им требуется один день, две смены и два оператора, чтобы их сварить. Между тем, после сварки, раньше они касались каждой из этих частей, зачищали брызги, шлифовали сварные швы, которые в этом нуждались, и подкрашивали отверстия. Теперь 335 или более из этих 350 деталей отправляются прямо в окрасочную камеру, полностью минуя отделку.Теперь покрасочная камера стала их узким местом ».

Второй заказчик Belz, производитель оригинального оборудования, находился в процессе разработки нового продукта для лазерной сварки. Компания тратит время на то, чтобы настроить и усовершенствовать дизайн для лучшей установки, но как только это произойдет, машина будет занята выпуском крупных партий продукции. Хотя редизайн внешнего интерфейса может быть более сложным, долгосрочная экономия времени будет существенной.

Поддержка бесперебойного производства

Важно, чтобы производители не понимали, что лазерная сварка так же проста в применении, как лазерная резка на плоской станине.

TRUMPF предлагает учебные курсы по технологии, в первую очередь ориентированные на крепление и эксплуатацию, но также помогает клиентам с дизайнерскими идеями плавно переходить к производству.

Крепление рассматривается как препятствие для многих, рассматривающих эту технологию, но, как объясняет Харуни, «большинство приспособлений, которые мы помогаем спроектировать и использовать, очень легко построить. Поскольку деформация намного меньше по сравнению с традиционной сваркой, приспособления могут быть изготовлены из листового металла, который легче и дешевле по сравнению с механически обработанными прочными металлическими приспособлениями.”

После создания приспособления повторяемость создает свои преимущества.

И как только производитель привык к тому, как работает оборудование, Харуни и Белз заявили, что они заметили, что клиенты стали более изобретательными. В качестве хорошего примера компания Belz привела регулируемое приспособление одного покупателя. Пример Харуни не так уж и примечателен.

Майк Шарп из FANUC Robotics призывает людей думать о лазерной сварке просто как о «еще одном методе, еще одном источнике энергии для выполнения работ, которые раньше, возможно, выполнялись вручную, или как об инструменте, который может улучшить или заменить существующие процессы.«Уникальность этого метода заключается в том, насколько быстрее он может выполнять определенные работы. Изображение любезно предоставлено FANUC Robotics.

«Используя приспособления из листового металла, наш заказчик смог сократить время производства детали с четырех часов до 18 минут», — сказал Харуни. «Мы видим, как многие из наших клиентов возвращают нам креативные решения по ремонту, после того, как начинают думать иначе».

Другой образ мышления, который должен измениться, когда производитель начинает путь к лазерной сварке, — это трюизм «больше изгибов, меньше сварных швов».Если деталь закреплена для очень быстрого процесса сварки, дополнительные изгибы иногда могут быть контрпродуктивными.

«Во многих случаях использование вашего листа снижается, если вы режете деталь для большего количества изгибов», — сказал Харуни. «Теперь, если вы, скажем, строите коробку, может быть более целесообразным, чтобы две концевые детали представляли собой отдельные прямоугольные детали, которые можно приваривать со скоростью 120 дюймов в минуту к более простому изгибному профилю. Дело в том, что использование лазерной сварки изменяет оптимальную конструкцию многих деталей, и это способствует использованию листов при резке, поскольку каждая деталь имеет прямоугольную форму.»

Belz предлагает очень простое уравнение для случая, когда изготовителю следует рассмотреть установку для лазерной сварки:« Если от 40 до 80 процентов выполняемой вами работы выполняется сварщиком, то вам нужно серьезно взглянуть на технология лазерной сварки », — сказал он.

Обновление производственного инструмента

Каждый производитель постоянно модернизирует свою линейку продуктов, чтобы облегчить лазерную сварку для своих клиентов. Например, TRUMPF теперь имеет свою автономную систему программирования TruTops Weld, которая позволяет цехам программировать детали для сварки в ячейке лазерной сварки, в то время как другие детали работают, поэтому нет необходимости проходить процесс обучения робота с помощью подвески и терять драгоценное время работы сварочной ячейки.

«Самой важной частью этой программы на самом деле является наш датчик TeachLine, который интегрирован в программу», — сказал Харуни. «Обычно, когда вы берете программу и вводите ее в реальный мир, ее необходимо настроить. Однако эта сенсорная технология определяет точное положение компонента на машине и автоматически адаптирует программу. Опять же, это сокращает время на повторное обучение ».

Amada, тем временем, имеет свой аппарат FLW-ENSIS, который был модернизирован новой системой подачи проволоки, которая включает выпрямитель проволоки и двухтактный двигатель, поэтому можно имитировать действия ручного оператора при сварке MIG.

«Линейная система для проволоки также была модернизирована, — сказал Белз. «Эта комбинация, наряду с нашей вращающейся линзой, которая позволяет вам легче закрывать зазоры в материале, дает вам гораздо больше возможностей при выборе способа обработки шва.

«У нас есть клиенты, которые могут приваривать дюймовую скобу к другому куску формованного материала, и посадка может быть неправильной. Но вместо того, чтобы возиться со своим креплением, они просто бросают провод, чтобы заполнить его, потому что знают, что это даст им нужный результат.Подача проволоки делает процесс более щадящим. Мы потратили так много времени на продвижение оборудования и приспособлений, но клиенты понимают, что им нужно и когда им это нужно, поэтому те, кто обучен этому процессу, теперь делают выбор, исходя из своих потребностей ». Это еще один пример клиентов, которые теперь понимают, как меняются технологии, и делятся своими знаниями с производителями машин.

Преимущества лазерной сварки довольно очевидны, если вы видите деталь прямо из машины.Скорость и точность сварки в сочетании с сокращением или полным отказом от постобработки позволяют значительно сэкономить время и трудозатраты. Изображения любезно предоставлены Amada.

FANUC имеет большой опыт как в области робототехники, так и в области лазерной техники. На FABTECH Atlanta 2018 компания продемонстрировала то, что она назвала своей системой волоконно-лазерной сварки FF3000, в которой робот загружал купоны в машину, сваривал два куска материала вместе, а затем наносил на них лазерную маркировку.Система демонстрирует простоту использования благодаря прямому управлению с подвесного пульта обучения роботов, позволяя лазеру и роботам действовать как одно целое, упрощая приложение и увеличивая время безотказной работы.

«У нас есть технология выбора волоконного лазера, которая позволяет нам иметь несколько выходных волокон от одного лазерного источника, что позволяет нам, например, сваривать и резать одну сборку, что дорого, но удовлетворяет потребности некоторых объектов». — сказал Шарп. Но Шарп видит особую силу FANUC в технологии управления, которая хорошо известна многим в отрасли.

«Движение робота и функции лазера объединяются на одной шине управления, что упрощает настройку и позволяет легко собирать обширные диагностические данные», — сказал он. Диагностика оборудования FANUC означает доступ к технологии управления системами Zero Down Time (ZDT), которая позволяет оператору узнать, когда какая-либо часть узла нуждается в обслуживании или замене. «Это позволит проверить определенные тенденции и сообщить вам, когда, например, ваш покровный слайд пачкается, или если вы получаете слишком много рассеянного света или слишком большое обратное отражение на вашем лазере.Дело в том, чтобы избежать незапланированного обслуживания, и это поможет вам в этом ».

Все, включая оптику, управляется непосредственно с обучающего пульта, что опять же означает, что пользователь, скорее всего, узнает элементы управления.

Как и другие компании, FANUC разработала технологию, которая позволяет лучше управлять волоконным лазером на детали, чтобы перекрыть более широкие зазоры в материале. Это известно как управляемый роботом воблер луча. Производитель разработал свою модель с помощью LaserMech.

«Наша технология позволяет направлять луч примерно по 50-миллиметровому шаблону на рабочей поверхности», — сказал Шарп. «Поскольку и движение робота, и лазер управляются одним и тем же контроллером, вы можете получить очень быструю реакцию для выполнения очень специфических функций, включая плетение, C-образные зажимы, зигзаги и прямолинейные стежки на шве. Я также могу писать в режиме низкого энергопотребления, который встроен во все наши лазеры для маркировки деталей. Между тем, плетение луча включает в себя фактическое перемещение робота во время движения луча.Это то, что позволяет нам закрывать зазоры в сварочных материалах и дает нам более широкие возможности для процесса, поскольку движение жестко контролируется с помощью серводвигателей. Точность всех составляющих элементов означает, что можно получить очень точное позиционирование пути ».

Шарп поднял важный вопрос, когда упомянул элементы управления, движение и сбор данных. Он видит силу своей компании в ее способности сочетать знания в области лазеров, движения, сбора данных и искусственного интеллекта.Хотя это может быть правдой, также верно и то, что совместное применение всех этих вещей на разных уровнях производственной операции меняет характер цеха. Проблема для многих состоит в том, чтобы адаптировать свой подход к новым технологиям, которые теперь доступны для использования. Те, кто применил волоконную лазерную сварку, похоже, извлекают выгоду из своих новых инвестиций. Просто это немного другое мышление.

Belz видит, что изменения происходят быстро.

«Похоже, мы достигли переломного момента.В этом году наши продажи увеличились вдвое по сравнению с предыдущим годом. Я ожидаю, что то же самое произойдет в следующем году ».

Хотя он по-прежнему считает, что необходимо провести много обучения на местах, Харуни также убежден, что внедрение технологии ускорится, и не только в OEM-производителях.

Преимущества лазерной сварки довольно очевидны, если вы видите деталь прямо из машины. Скорость и точность сварки в сочетании с сокращением или полным отказом от постобработки позволяют значительно сэкономить время и трудозатраты.Изображения любезно предоставлены Amada.

«Помимо производителей оригинального оборудования, увеличение заказов показывает, что мастерские охотно используют эту технологию для производства деталей более высокого качества и с меньшими затратами», — сказал он.

С редактором Робертом Колманом можно связаться по адресу [email protected].

Amada Inc., www.amada.com

FANUC America Inc., www.fanucamerica.com

TRUMPF Inc., us.trumpf.com

Основы лазерной сварки — Laser Chirp

Джефф Шеннон

Введение
Этот документ представляет собой очень краткий обзор ключевых аспектов лазерной сварки и соображений, касающихся текущих производственных процессов.Пользователи всегда должны сотрудничать с компаниями, разбирающимися в тонкостях лазерной сварки, чтобы обеспечить производственное решение, оптимизированное для конкретных производственных требований.

Механизм лазерной сварки
Режим проводимости — Выполняется при низкой плотности энергии, образуя мелкий и широкий сварной шов. Обычно используется для обеспечения очень гладкого и эстетичного внешнего вида, а также для герметизации сварных швов аккумуляторных батарей, чтобы гарантировать, что никакие частицы не могут попасть в аккумулятор.Лазеры фокусируют всю мощность света или фотоны до очень малого диаметра, что создает очень высокую концентрацию мощности (плотность мощности), которая быстро нагревает металлы. Существует три типа режимов сварки, в зависимости от плотности мощности, содержащейся в пределах размера фокусного пятна: режим проводимости, переходный режим «замочной скважины» и режим проплавления / «замочной скважины» (см. Рисунок 1).

Переходный режим — Возникает при средней плотности мощности и приводит к большему проникновению с отношением ширины к глубине около 1-1.5, и используется во многих приложениях для микросварки.

Замочная скважина / режим проникновения — Дальнейшее увеличение пиковой плотности мощности создает испаренный элемент, известный как замочная скважина. Замочная скважина имеет низкую оптическую плотность и поэтому действует как канал для подачи лазерной энергии вглубь детали. В этом режиме отношение ширины к глубине> 5.

Конструкция детали для лазерной сварки
Перед сваркой любых деталей необходимо выполнить анализ свариваемости, включая выбор материала, конструкцию соединения, допуски на сборку и требуемые функциональные возможности сварки.В таблице 1 приведены сведения о свариваемости наиболее часто используемых материалов.

Также важно провести анализ при сварке разнородных материалов, потому что многие желательные комбинации разнородных материалов создают интерметаллические области, которые могут вызвать хрупкость. В таблице 2 приведены общие рекомендации по выбору разнородных материалов.

При микросварке материала покрытия толщина и метод покрытия могут иметь значительное влияние на процесс сварки.Никелирование предпочтительно с использованием метода электролитического покрытия. Сварка внахлест оцинкованной стали широко используется в автомобильной промышленности. Для выполнения такой сварки необходимо обеспечить отвод цинка с низкой температурой кипения.

Можно сваривать стыки различной геометрии. Наиболее распространенные конструкции сварных швов показаны на рисунке 2.

Стыковой шов — проплавление шва происходит непосредственно по границе стыка, очень эффективное использование мощности для достижения прочности сварного шва.Однако требуется выравнивание лазера по стыковому соединению, и по мере того, как толщина материала уменьшается ниже 0,02 дюйма, сборка деталей таким образом, чтобы они были близко друг к другу, становится проблемой.

Угловой шов — Провар под углом к ​​стыку стыка; Прочность сварного шва — это баланс ширины сварного шва и проплавления. Для толщины верхнего листа менее 0,04 дюйма лазер можно направить вертикально вниз для облегчения движения.

Сварка внахлест — При наложении двух частей внахлест необходимо проплавить верхний лист, чтобы добраться до границы раздела.Прочность создается шириной сварного шва на границе раздела, а не глубиной проплавления. Однако здесь нет интерфейса для выравнивания, поэтому этот режим очень удобен для размещения лазера на детали. Как правило, такая геометрия соединения требует простейшего инструмента.

Импульсная лазерная сварка
Импульсные Nd: YAG и волоконные лазеры в основном используются для тонкой сварки микросварок. Пиковая мощность (используется для контроля проплавления) и ширина импульса (параметр точной настройки, используемый для регулировки проплавления и ширины сварного шва) являются ключевыми параметрами, которые необходимо оптимизировать.Оптимальная пиковая мощность определяется как пиковая мощность, которая обеспечивает наиболее глубокое проникновение без выброса материала. Типичные значения пиковой мощности могут находиться в диапазоне 0,25–3 кВт с шириной импульса 0,1–5 мс.

Для шовной сварки, которая фактически представляет собой серию перекрывающихся точечных швов, частота следования импульсов или частота импульсов регулируют нагрев детали. При выполнении шовной сварки важно поддерживать постоянное перекрытие точек вокруг детали, чтобы избежать появления горячих точек. Следовательно, следует синхронизировать положение лазера на детали и срабатывание лазера; эта операция известна как стрельба по положению.На рисунке 3 показаны примеры многих материалов и деталей, которые можно сваривать с помощью импульсного лазера.

Непрерывная лазерная сварка
Лазер, который может оставаться включенным до выключения, известен как непрерывный (CW) лазер. Для непрерывной сварки можно использовать волоконный, дисковый, CO ₂ или диодный лазер. Лазеры непрерывного действия обычно используются для сварки отверстий и проплавления. Рассматриваемые параметры лазера — это размер оптического пятна, качество луча и мощность.Типичные уровни мощности для непрерывной сварки составляют от 1 до 6 кВт, обеспечивая глубину проплавления до и более 0,25 дюйма (6 мм) в стали и алюминии.

Качество луча, или M ² , является относительно новым параметром, который показывает, насколько близок профиль мощности лазера к идеальному профилю мощности по Гауссу. Лазер, близкий к гауссову, называется одномодовым; лазер, расположенный дальше от гауссова, называется многомодовым. Качество луча нужно выбирать с умом.

На рисунке 4 показан (а) сварной шов одномодовым волоконным лазером мощностью 500 Вт со значением M ² , равным 1.2 при 300 дюйм / мин (IPM) с размером 30 микропятно; (b) многомодовый лазерный сварной шов мощностью 700 Вт со значением M ² , равным 15, при 100 IPM с размером пятна 150 мкм; и (c) сварка многомодовым волоконным лазером мощностью 1 кВт со значением M ² , равным 15, при 80 IPM с размером пятна 250 мкм. Например, при выборе лазера для стыковой или угловой сварки нельзя выбрать одномодовый лазер, поскольку выравнивание лазера по границе раздела нецелесообразно. Однако его можно использовать для сварки внахлест.

. Одним из интересных аспектов непрерывного одномодового волоконного лазера является чрезвычайно высокая плотность мощности, которую они могут обеспечить, что может использоваться для сварки материалов с высокой отражающей способностью (например, алюминий и медь) с относительно низкими средними мощностями.На рис. 5 показаны различные примеры непрерывной лазерной сварки.

Роль вспомогательного газа в лазерной сварке
Вспомогательный газ может использоваться при лазерной сварке для создания инертной среды, которая помогает предотвратить окисление сварных швов и просто для получения эстетичных блестящих сварных швов, особенно при микросварке это предпочитают многие конечные пользователи; уменьшить блокировку луча сверхмелкозернистыми частицами, образующимися при образовании замочной скважины; и для защиты лучевой оптики путем перенаправления дыма от фокусирующей головки.Аргон и азот — наиболее часто используемые газы; гелий иногда используется для сварных швов с критическим проплавлением.

При сварке проплавлением дополнительная поперечная струя и воздушный нож также используются для облегчения удаления сверхмелкозернистых частиц при сварке волоконным и дисковым лазерами, при этом воздушный нож находится под покровным скользящим элементом фокусирующей оптики для предотвращения попадания пыли и минимум помощи в уменьшении разбрызгивания. Обратите внимание, что лучшей защитой от чрезмерного разбрызгивания при сварке с проплавлением является использование фокусирующей оптики с фокусным расстоянием не менее 8 дюймов (200 мм), чтобы физическое расстояние до сварного шва уменьшало разбрызгивание.

Элементы системы лазерной сварки
Каждая система лазерной сварки состоит из пяти одинаковых элементов: лазера, доставки лазера на рабочую станцию, фокусировки лазера, движения и инструментов.

Для всех лазеров (кроме лазера CO ₂ ) лазер может быть доставлен на рабочую станцию ​​с помощью гибкого кабеля, что обеспечивает очень удобное подключение лазера непосредственно к фокусирующей головке. Головка фокусировки позволяет сфокусировать лазер в точную точку, обычно между 0.004-0,02 дюйма. Затем используется подходящее движение, которое выбирается в зависимости от конкретной детали. Движение может перемещать лазер, деталь или и то, и другое. Лазер — это очень гибкий инструмент, обеспечивающий широкий спектр производственных решений. Оснастка — это последний важный элемент системы лазерной сварки. Его важность нельзя недооценивать. Инструмент должен быть спроектирован таким образом, чтобы минимизировать допуски на сборку.

Доктор Джефф Шеннон — менеджер по передовым технологиям в Amada Miyachi America.

Традиционная сварка vs.Лазерная сварка

Сварка — это процесс изготовления, в котором используется тепло для соединения двух или более отдельных деталей. В настоящее время профессионалы отрасли используют в своей работе как традиционные методы дуговой сварки, точечной сварки, так и лазерной сварки. Оба варианта процесса обладают уникальными характеристиками, которые делают их пригодными для различных случаев. Например, традиционная сварка обеспечивает менее точную подгонку детали, в то время как лазерная сварка обеспечивает большую скорость обработки и меньший риск термической деформации.

В следующей статье резюмируются различия между традиционными сварочными услугами и услугами лазерной сварки, в том числе описывается их процесс, основные преимущества и типичные области применения.

Традиционные процессы сварки

Сегодня существует несколько традиционных методов сварки, в том числе:

• Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) . В этом методе дуговой сварки используется неплавящийся вольфрамовый электрод для нагрева заготовки и плавления присадки (при ее наличии) для получения сварного шва.
• Сварка металла в среде инертного газа (MIG). В этом методе дуговой сварки для получения сварного шва используется элемент расходуемой проволоки, служащий электродом и присадочным материалом.
• Точечная сварка. В этом методе сварки используется пара электродов для зажима деталей вместе и пропускания электрического тока между ними для создания сварного шва.

Процесс сварки в режиме лазерной проводимости

Сварка в режиме лазерной проводимости — это передовая технология соединения металлов, в которой используется сфокусированный лазерный луч с заданным размером пятна.Во время сварочных операций лазерный расплав локализует участки детали и, если присутствует, присадочный материал, чтобы сформировать точные сварные швы. Titanova предлагает как автогенные (без присадочного материала), так и неавтогенные варианты с использованием лазерной сварки горячей проволокой или лазерной сварки холодной проволокой. В зависимости от геометрии детали, соединения и общих требований к конструкции, лазеры могут использоваться вместо традиционного процесса сварки.

<Подробнее о лазерной сварке с подачей горячей и холодной проволоки.>

Преимущества традиционной сварки

Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами сварки. Однако традиционные сварочные процессы остаются надежным производственным решением для многих отраслей по следующим причинам:

• Они понятны производственному сообществу благодаря унаследованным операциям.
• Они предназначены для менее точной сборки деталей.
• Их проще автоматизировать.
• Они имеют более низкие начальные инвестиционные затраты.
• Их можно реализовать вручную.

Преимущества лазерной сварки

По сравнению с традиционными методами сварки, лазерная сварка имеет следующие преимущества:

• Меньше тепла. При лазерной сварке зона термического влияния (HAZ) намного меньше, а общее тепловложение намного ниже, чем при традиционных сварочных операциях.
• Сниженный риск макро-прогибов и перекосов. Вышеупомянутые качества также позволяют снизить искажения, вызванные тепловым воздействием.Меньше тепла означает меньшее тепловое напряжение, что приводит к меньшему повреждению заготовки.
• Более быстрое время обработки. Несмотря на более высокие первоначальные вложения в инструмент, лазерная сварка часто оказывается более рентабельной, чем традиционная сварка из-за более высокой скорости обработки. Более высокие скорости производства также означают более высокие производственные мощности, что приводит к более быстрому производственному циклу.
• Лучше подходит для тонких металлов. Благодаря регулируемому размеру пятна лазерная сварка является отличным методом соединения тонких или хрупких металлических деталей.Размер пятна может быть специально разработан таким образом, чтобы расплавить только необходимое количество металла для получения сварного шва, тем самым сводя к минимуму возникновение тепловых внутренних напряжений, деформаций и дефектов.

Применение лазерной сварки

Более высокая точность, управляемость и эффективность, обеспечиваемые процессом лазерной сварки, делают его подходящим для производства следующего:

• Детали гидравлики и управления жидкостью
• Узлы с тонкой оболочкой, критичные к искажениям
• Пленки
• Топливная рейка
• Медицинские инструменты
• Теплообменники из нержавеющей стали
• Ящики металлические тонкие
• Тонкие детали манометра
• Тонкая трубка

Свяжитесь со специалистами по лазерной сварке Titanova Today

Хотя традиционные методы сварки имеют свои преимущества, лазерная сварка стала популярным вариантом соединения металлов из-за ее точности, контроля и способности сваривать деликатные или тонкие металлические детали.Если вам нужна лазерная сварка или другие услуги по лазерной обработке материалов, рассмотрите вариант Titanova. У нас более 30 лет опыта в этой области. Чтобы получить информацию о наших возможностях лазерной сварки, посетите нашу страницу возможностей лазерной сварки или свяжитесь с нами сегодня.

Размер пятна, качество лазера и производительность сварки

Герт Верхаге и Пол Хилтон, TWI Ltd

Доклад, представленный на ICALEO 2005, 24-м Международном конгрессе по применению лазеров и электрооптики, 31 октября — 4 ноября 2005 г., Майами, Флорида, США.Документ № 511.

Аннотация

Для сварки, резки и обработки поверхностей использование мощных волоконных лучей твердотельных лазеров дает множество преимуществ. Всего 10 лет назад единственным доступным лазерным источником этого типа был Nd: YAG-лазер с ламповой накачкой — лазер со скромным качеством луча. Несмотря на такое скромное качество луча, эти лазерные источники широко используются для сварки, особенно в автомобильной промышленности. Однако сегодня диапазон лазерных лучей непрерывного действия (CW), доставляемых по волокну, значительно увеличился, равно как и качество лазерного луча.Выбор источника лазера для конкретного приложения уже не очевиден. В этой статье рассматривается вопрос о том, как качество лазерного луча лазеров с непрерывной подачей волокна влияет на производительность сварки, путем сравнения серии сварных швов, выполненных на тонких и толстых сечениях алюминия и стали, с использованием постоянной мощности лазера от лазерных источников с различным качеством луча.

Введение

Всего несколько лет назад любому, кто хотел использовать преимущества волоконно-оптической доставки луча от лазерного источника, нужно было учитывать капитальные затраты, эксплуатационные расходы, надежность и способность лазера выполнять требуемый процесс.В то время не нужно было рассматривать тип лазерного источника, поскольку единственным доступным лазерным источником с непрерывной подачей волокна был стержневой Nd: YAG-лазер с ламповой накачкой. Сегодняшний пользователь лазерной энергии с оптоволоконной доставкой должен теперь добавить к приведенному выше списку тип технологии, используемой для генерации лазерного луча. Это связано с быстрым прогрессом, достигнутым за последние несколько лет в создании лазерных источников непрерывного инфракрасного излучения с длинами волн, подходящими для передачи по оптическому волокну.Стержневые Nd: YAG-лазеры с диодной накачкой, Yb-волоконные лазеры и Yb: YAG-лазеры с тонкими дисками в настоящее время коммерчески доступны с мощностью не менее 4 кВт.

теперь также сталкиваются с дополнительными вопросами качества и яркости лазерного луча, так как оригинальные стержневые лазеры CW Nd: YAG с ламповой накачкой могли достигать произведения параметров луча только около 20-25 мм.мрад при 4 кВт, в то время как некоторые из них Упомянутая выше передовая лазерная технология может работать при мощности 4 кВт при минимальных параметрах луча 2 мм.мрад.

Следствием высокого качества лазерного луча, то есть низкого значения произведения параметров луча, является то, что луч может быть сфокусирован в оптическое волокно малого диаметра. На стороне обработки это означает, что фокусирующая оптика заданного диаметра обеспечивает лучшую фокусируемость лазерного луча до минимального диаметра перетяжки луча (размера пятна). Или, для данного размера пятна и фокусирующей оптики данного диаметра, более высокое качество луча приведет к более высокой яркости (определяемой как отношение плотности мощности в перетяжке луча и телесного угла, образованного фокусирующим конусом луча).Для данного размера пятна более высокое качество луча приведет к большей глубине фокуса в перетяжке луча. Высокое качество луча также позволит увеличить расстояние между фокусирующей линзой и деталью, что дает практическое преимущество в виде минимизации повреждения оптической системы разбрызгиванием.

Каждая из упомянутых выше передовых лазерных технологий имеет свои преимущества, а в некоторых случаях и недостатки. Целью данной статьи не является комментирование в этой области, а, скорее, исследование возможностей процесса сварки ряда источников непрерывного лазерного излучения с волоконной подачей и систем фокусировки луча с произведениями параметров луча от 23 до 4 мм.мрад в контролируемой серии экспериментов с алюминием и сталью для определения глубины проплавления как функции скорости сварки при постоянной мощности лазера 4 кВт.

Общие сварочные характеристики стержневых лазеров CW Nd: YAG с мощностью детали до 10 кВт были описаны Расселом и Хилтоном. ^[1] Verhaeghe и Hilton ^[2] сообщили о сварочных характеристиках Yb-лазера мощностью 7 кВт, а Weberpals, Russ, Dausinger и Hügel ^[3] сообщили о сварочных характеристиках Yb мощностью 4 кВт: YAG-лазер с тонкими дисками.Hügel ^[4] сообщил о сварочных характеристиках стержневого лазера на Nd: YAG с диодной накачкой. В некоторых работах также сравниваются характеристики различных лазерных источников, например Bartel, Pathe, Roatzsch и Weick ^[5] , которые обсуждают влияние качества луча при сварке с Nd: YAG и CO ₂ лазерами и Ream ^[6] , который сравнил эффективность сварки Nd: YAG, дискового и волоконного лазеров. Verhaeghe и Hilton ^[2] также сравнили результаты волоконного лазера с данными CO ₂ и Nd: YAG.Общая проблема со сравнениями в ^{[2, 5]} и ^[6] , однако, заключается в том, что данные получены за разные (иногда длительные) периоды времени, на немного разных выборках, с разными размерами пятен и в разные полномочия, что в совокупности затрудняет делать краткие выводы. В работе, представленной здесь, все эксперименты проводились на одних и тех же материалах, мощность всех лазеров измерялась одним и тем же измерителем мощности, и оптические системы были выбраны для получения, а также для получения « наименьшего » диаметра пятна, диаметра пятна как близко к 0.4 мм для каждого используемого лазерного источника. Целью данной работы было исследование характеристик источников непрерывного лазерного излучения с волоконной подачей для сварки алюминия и стали, для различных параметров лазерного луча и размеров сфокусированного пятна.

Программа экспериментальных работ

Характеристики лазеров, использованных в этих экспериментах, и их систем доставки пучка приведены в таблице . Четыре различных лазера с произведением параметров луча от 23 до 4 мм.мрад.

Таблица 1 Характеристики лазеров и систем доставки пучка, использованных в экспериментах

От 61 до 0,14 мм в диаметре. Кроме того, четыре системы фокусировки луча были сконфигурированы для создания перетяжки луча диаметром очень близко к 0,4 мм. В описываемой здесь работе все сварочные испытания проводились с перетяжкой луча, расположенной на поверхности заготовки, однако использованные оптические системы обеспечивали диапазон рэлеевских длин от 9,9 до 1,1 мм.

Promotec и Primes. В одной серии измерений блоки Promotec и Primes использовались для одного и того же лазера с одинаковой оптикой обработки, что выявило лишь небольшие различия в измеренных значениях в пределах ± 3%.Минимальные диаметры перетяжки луча, произведения параметров луча и рэлеевские длины, приведенные в , таблица 1 , рассчитаны программным обеспечением анализатора луча с использованием 86% значений интенсивности.

Во всех случаях использовались плоские покровные стекла для защиты фокусирующей оптики. Во всех экспериментах для измерения мощности лазера в сфокусированном луче использовался измеритель мощности Ophir 8000W с заявленной точностью ± 5%.

Во всех случаях мощность лазера была отрегулирована так, чтобы описанные здесь сварочные испытания проводились с мощностью лазера 4000 Вт на заготовке, хотя некоторые из лазеров, использованных для испытаний, перечисленных в , Таблица 1 , могли работать значительно выше эта сила.

Испытания проводились на стали S275 марки C-Mn толщиной 5 мм и 10 мм и алюминиевом сплаве 5083-O. Образцы размером 300 мм на 75 мм подвергались механической обработке для получения конического профиля, так что толщина по длине 300 мм непрерывно изменялась от 1 до 5 мм и от 4 до 10 мм для образцов толщиной 5 мм и 10 мм соответственно. Образцы зажимали обработанной стороной вниз. Чтобы устранить различия в теплоотводе, для всех четырех лазеров использовалось одно и то же зажимное приспособление.

Воздушный нож использовался с каждой системой фокусировки луча, чтобы уменьшить риск дыма, дыма и / или брызг, повреждающих покровное стекло и фокусирующую оптику.Алюминиевая сварочная ванна была защищена с помощью 8 и 5 литров / мин аргона, подаваемого на верхнюю и нижнюю части сварного шва, соответственно. Для стальных сварных швов не использовалась газовая защита.

Циклы плавки были выполнены в плоском (PA) положении при различных скоростях сварки, с использованием фиксированной мощности лазера, при этом лазерный луч был перпендикулярен, а лазерное пятно располагалось на поверхности материала. Были отмечены точки, в которых было потеряно полное проникновение, и в этих точках была измерена толщина сужающегося образца.Среднее значение по крайней мере двух из этих значений толщины для каждого условия скорости сварки было использовано для построения графиков, типичных для показанных на рис. 1 , связывающих глубину проплавления со скоростью сварки, для каждой из семи систем, перечисленных в , таблица 1 .

Результаты и обсуждение

Хотя большинство результатов, обсуждаемых в этой статье, относятся к сварным швам алюминия, аналогичные тенденции наблюдались при плавлении стали C-Mn. Как указано выше, с практической точки зрения сварки продукт параметра нижней балки, т.е.е. Лучшее качество луча означает либо лучшую фокусируемость, либо, для данного диаметра фокусирующей линзы и размера пятна, более высокую яркость, большее расстояние зазора и глубину резкости.

Влияние размера пятна

На рис. 1 показана зависимость размера пятна от глубины проникновения в алюминий для различных скоростей сварки, выполненной с использованием лазера с произведением параметров луча 4 мм.мрад. На глубину сварки в значительной степени влияет размер пятна, так как плотность мощности увеличивается при меньшем размере пятна ^[3] .

Рис. 1. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при сварке алюминия с использованием лазера с произведением параметров луча 4 мм.мрад, сфокусированных на пятна размером 0,14 и 0,40 мм

На рис. 1 показано, что для получения полного проплавления в алюминиевом сплаве 5083-O толщиной 4 и 6 мм, например, при размере пятна 0,14 мм возможно увеличение скорости сварки примерно на 60% и 21% по сравнению с размером пятна 0,4 мм. С другой стороны, этот график также показывает, что сварка при фиксированных скоростях 5 и 2 м / мин означает 5.Алюминий толщиной 0 и 6,8 мм можно пробить меньшим пятном, по сравнению с 4,3 и 6,4 мм при использовании пятна большего размера. Это увеличение глубины проникновения на 16 и 6% соответственно.

Такой же эффект наблюдался для систем с произведением параметров луча 23 и 7 мм.мрад, где меньший размер пятна улучшал сварочные характеристики, давая улучшение скорости или глубины проплавления. Однако чем меньше размер пятна, тем меньше выигрыш в сварочных характеристиках.Это продемонстрировано на рис. 2 для лазера с произведением параметров луча 23 мм.мрад, где размер пятна был уменьшен с 0,61 до 0,44 мм, т.е. на 39% меньше, по сравнению с данными, приведенными на рис. 1 , где уменьшение размера пятна было почти трехкратным для лазера с произведением параметров луча 4 мм · рад. Это привело к увеличению скорости сварки на 19 и 17% для получения полного проплавления в алюминии толщиной 4 и 6 мм по сравнению с 60 и 21% для результатов, показанных на рис. 1 .Для всех лазеров эти улучшенные сварочные характеристики зависели от скорости, с меньшим увеличением производительности, заметным для малых скоростей / толстых секций.

Рис. 2. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки алюминия с использованием лазера с произведением параметров луча 23 мм.мрад, сфокусированных на пятно размером 0,44 и 0,61 мм

Поперечные сечения сварного шва на Рисунке 3, взятые из прогонов валика на пластину, показывают влияние размера пятна на геометрию сварного шва.Оба шва были выполнены с использованием системы с произведением параметров луча 7 мм.мрад и скоростью сварки 15 м / мин, фокусировкой лазера на поверхности материала и использованием мощности 4000 Вт на заготовке. Поперечное сечение слева было сделано с размером пятна 0,34 мм, тогда как поперечное сечение справа было сделано с размером пятна 0,20 мм. Анализ площади обоих поперечных сечений с использованием программного обеспечения AutoCAD не выявил значительной разницы в площади расплавленного металла, то есть менее 2,5%, между двумя размерами пятна.Это будет означать, что эффективность плавления в обоих случаях одинакова.

Рис. 3. Поперечные сечения плавок алюминиевого сплава 5083-O с использованием лазера с произведением параметров луча 7 мм.мрад при скорости сварки 15 м / мин, с использованием мощности лазера 4000 Вт на заготовке и пятне. размером 0,34 мм (слева) и 0,20 мм (справа) на поверхности материала

На рис. 4 показано увеличение глубины проникновения для пятна размером 0,14 мм по сравнению с размером пятна 0.4 мм в зависимости от скорости сварки для системы с произведением параметра луча 4 мм · рад. График показывает, что преимущество перехода к небольшому размеру пятна ограничивается менее 10% для скоростей сварки ниже примерно 7,5 м / мин, но резко и, по-видимому, линейно возрастает для более высоких скоростей. Это означает, что механизм, определяющий глубину проплавления, значительно изменяется при скорости сварки около 7,5 м / мин.

Рис. 4. Увеличение глубины проплавления алюминия в процентах в зависимости от скорости сварки для размера пятна 0.14 мм относительно размера пятна 0,40 мм при использовании лазера с произведением параметров луча 4 мм · мрад

Существенную зависимость от скорости можно также наблюдать на Рисунке 5, который показывает глубину проплавления, полученную для каждой из семи систем, подробно описанных в Таблице 1 , в зависимости от величины, обратной величине пятна, для трех различных скоростей сварки 1 , 5 и 15 м / мин.

Рис. 5. Глубина проплавления алюминия в зависимости от обратного размера пятна при скорости сварки 1, 5 и 15 м / мин.

До значения 3 мм -1, т.е.е. В соответствии с размерами пятна от 0,3 до 0,61 мм, используемыми здесь в испытаниях, точки данных показывают приблизительное линейное поведение с разными наклонами, соответствующими разным скоростям сварки, как и ожидалось. Интересно то, что выше значений l / размера пятна 3 мм-1 изменения наклона данных становятся очевидными. При самой низкой скорости сварки 1 м / мин никакого дополнительного увеличения проплавления не наблюдается для любого размера пятна диаметром менее 0,3 мм.

Это поведение аналогично для скоростей сварки 5 и 15 м / мин, однако на этих скоростях некоторое увеличение глубины проплавления все еще наблюдается выше значения 3 мм ^-1 , хотя точка перегиба все еще четкая.Weberpals ^[3] обнаружил аналогичные эффекты при сварке стали и алюминия с помощью твердотельного лазера с тонким диском. В его исследовании пропорциональность сохранялась для диаметров пятна всего 0,20 мм, но ниже этого размера провар фактически уменьшался. Веберпалс указал, что угол расходимости сфокусированного луча может играть в этом роль. Однако в представленной здесь работе, когда глубина проникновения была построена в зависимости от угла расходимости луча, никакой зависимости не было очевидным.

Greses ^[7] показал, что при лазерной сварке стали Nd: YAG-лазером над сварочной ванной не образуется плазма.Вместо этого можно увидеть энергетический шлейф термически возбужденного пара с типичным спектром черного тела. Оливье ^[8] отметил, что при сварке мощным Nd: YAG-лазером на скоростях около и ниже 1 м / мин может быть получена дополнительная глубина проплавления, когда этот энергетический шлейф вытесняется с помощью «тяжелого» газа, такого как аргон. Гелиевое экранирование, используемое в работе, о которой здесь сообщается, не повлияет на этот шлейф, и поэтому вполне возможно, что тенденции, наблюдаемые на рис. 5 , могут быть связаны с ослаблением падающего лазерного луча создаваемым шлейфом.Альтернативное объяснение поведения, показанного на Рис. 5 , может быть связано с формой и стабильностью лазерной замочной скважины. Однако, если бы это было так, можно было бы ожидать, что эффективность плавления изменится, и различия будут видны в форме проплавления сварного шва, особенно в области точек перегиба на , рис. 5, . Хотя это не очевидно из поперечных сечений, показанных на рис. 3 , дальнейшая оценка в этой области будет предпринята.Чтобы понять это поведение, также рекомендуется более пристальное изучение факела и, возможно, образования плазмы на крайних значениях плотности мощности, а также динамики потока расплавленного металла.

Влияние качества луча

Еще одно полезное сравнение — исследование глубины проникновения, достигаемой с использованием того же размера пятна, в зависимости от произведения параметров пучка. Как видно из таблицы 1 , при определенных комбинациях лазера и доступной оптики размеры пятна близки к 0.4мм. На рис. 6 сравнивает характеристики сварки для размера пятна, близкого к 0,4 мм, при двух крайних значениях произведения параметров луча, использованных в этой работе, то есть 4 и 23 мм.мрад. На рис. 6 показано увеличение глубины проплавления и скорости сварки при использовании системы с произведением параметра луча 4 мм.мрад для всех скоростей выше 1 м / мин.

На основании результатов, представленных на рисунках 1 и 2 , которые демонстрируют, что характеристики сварки алюминия лишь незначительно улучшаются при небольшом уменьшении размера пятна, повышение производительности, показанное на рисунках Рисунок 6 , можно реально отнести к изменению в произведении параметров луча (с разницей только в 10% в размере пятна между двумя отображаемыми кривыми).Эта улучшенная производительность процесса для системы с более низким параметром луча означает большую глубину проплавления для постоянной скорости сварки или более высокую скорость сварки для данной толщины алюминиевого листа. Увеличение глубины проплавления в результате улучшения качества луча оказывается одинаковым как для низких, так и для высоких скоростей сварки, например 1 и 15 м / мин.

Рис. 6. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки при сварке алюминия с использованием произведения параметров балки 4 и 23 мм.мрад (сфокусировано в точки 0,40 мм и 0,44 мм соответственно)

Однако это сравнение продукта параметров пучка может быть слишком простым. Говоря, в частности, о волоконных лазерах, многие люди используют термин яркость (в некоторых случаях неправильно). Яркость лазерного луча определяется как соотношение между плотностью мощности в фокусе луча и телесным углом, определяемым конусом луча, выходящим из фокусирующей линзы. Как упоминалось ранее, для измерений, проведенных в этой работе, построение зависимости глубины проплавления для заданной скорости сварки от угла конуса луча не выявило явной тенденции.Однако, когда глубина проникновения отображается в зависимости от яркости, результаты, как показано на рисунке 7, более интересны.

Рис. 7. График зависимости глубины проплавления алюминия от яркости сфокусированного лазерного пятна для скоростей сварки 1, 5 и 15 м / мин. Линии — это путеводитель для глаз.

Глубина проплавления увеличивается с увеличением яркости лазерного луча примерно до 33×10 ⁵ Вт / мм ² . Стерадиан, что, по-видимому, является оптимальной яркостью для максимальной глубины проплавления при сварке алюминия, независимо от скорости движения.Помимо этой яркости, глубина проникновения, по-видимому, уменьшается, хотя следует отметить, что это поведение в настоящее время основано только на одной точке данных. Это означает, что, используя «оптимальную» яркость около 33×10 ⁵ Вт / мм ² стерадиан в уравнении (1), можно определить параметры пропускания луча, чтобы получить максимальную глубину проплавления для сварки алюминия.

[1]

Из точек данных в Рис. 8 также можно увидеть, например, что для скорости сварки 1 м / мин для достижения глубины проплавления 8 мм нет необходимости использовать лазерная система с яркостью более 10 ⁶ Вт / мм ² .стерадиан. То же самое верно для глубины проплавления чуть менее 4 мм при скорости сварки 5 м / мин, а также для глубины проплавления 2 мм при скорости сварки 15 м / мин.

Рисунок 8 показывает тот же график, что и в Рисунок 7 , но для сварки стали вместо алюминия. В случае стали может показаться, что оптимальная яркость для достижения наибольшей глубины проплавления немного отличается в зависимости от скорости сварки, то есть от 32 до 38 x 10 ⁵ Вт / мм ² .стерадиан для скоростей сварки 1 и 15 м / мин соответственно.

Причины такой оптимальной яркости и ее очевидной независимости от скорости сварки и материала на момент написания этой статьи не были полностью поняты.

Рис. 8. График зависимости глубины проплавления стали от яркости сфокусированного лазерного пятна для скоростей сварки 1, 5 и 15 м / мин. Линии — это путеводитель для глаз.

Рисунки 9 и 10 демонстрируют улучшение рабочих характеристик для алюминия и стали соответственно, достигнутое в этом эксперименте, с использованием системы с наименьшим произведением параметра луча и размером пятна, т.е.е. 4 мм.мрад и 0,14 мм, по сравнению с системой с наибольшим произведением параметра луча и размером пятна, то есть 23 мм.мрад и 0,61 мм. Это показывает, что выбор источника лазера с параметром ближнего луча и небольшим размером пятна может улучшить характеристики сварки как стали, так и алюминия.

Рис. 9. Глубина проплавления алюминия в зависимости от скорости сварки для двух крайних значений: размера сфокусированного пятна и произведения параметров луча, использованных в экспериментах.

Рис.10. Глубина проплавления стали в зависимости от скорости сварки для двух крайних значений: размера сфокусированного пятна и произведения параметров луча, использованных в экспериментах.

Выбор системы лазерной сварки

Результаты, представленные на рис. 5 , показывают, что при выборе оптимальной сварочной системы с возможностью обработки в диапазоне скоростей сварки и толщины материала не будет никакой реальной пользы от использования сфокусированного пятна меньше 0,3 мм. в диаметре.Сочетание этого показателя с «оптимальным» показателем яркости 33×10 ⁵ Вт / мм ² . Стерадиан указывает на то, что этого можно достичь с помощью объектива с фокусным расстоянием около 350 мм для системы фокусировки с апертурой 50 мм. , например. Если числовая апертура волокна для доставки луча составляет порядка 0,2, то для достижения размера пятна 0,3 мм с коллимирующей линзой с фокусным расстоянием 175 мм потребуется волокно для доставки с диаметром около 0,15 мм.Чтобы использовать такое волокно, произведение параметров луча лазера должно составлять от 5 до 7 мм · рад.

Выводы

Производительность серии непрерывных лазерных систем с волоконной подачей была оценена при мощности лазера 4000 Вт, измеренной на заготовке, для сварки алюминия и стали. В работе исследовались размеры пятна от 0,61 до 0,14 мм и произведения параметров пучка от 23 до 4 мм · рад. Работа позволила сделать следующие выводы:

• Для данного качества лазерного луча меньшее пятно обычно обеспечивает либо более высокую скорость сварки для данной глубины проплавления, либо увеличение глубины проплавления для данной скорости сварки.Чем меньше уменьшение размера пятна, тем меньше усиление.
• Для лазера с фиксированным произведением параметра луча, равным 4 мм.мрад, увеличение глубины проплавления при переходе от диаметра пятна 0,4 мм к диаметру пятна 0,14 мм невелико для скоростей сварки менее 7,5 м / мин, но тогда линейно увеличивается выше этой скорости.
• Для заданного диаметра пятна 0,4 мм лазер с лучшим качеством луча обычно обеспечивает либо более высокую скорость сварки при заданной глубине проплавления, либо увеличение глубины проплавления при заданной скорости сварки.
• Небольшое увеличение глубины проникновения можно увидеть при любом качестве луча для диаметров пятна менее 0,3 мм.
• График зависимости глубины проплавления от яркости лазерного луча показывает, что для скоростей сварки от 15 до 1 м / мин существует «оптимальная» яркость для увеличения глубины проплавления как алюминия, так и стали. Эта оптимальная яркость составляет от 32 до 38 x10 ⁵ Вт / мм ² .steradian, независимо от скорости сварки или материала.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Энтони Эллиотта, Пола Фенвика и Харви Уитмора из TWI за их помощь в проведении испытаний сварки. Авторы также благодарны коллегам из Trumpf и IPG за помощь в выполнении некоторых работ, описанных в этой статье. Это исследование стало возможным благодаря участию Агентства регионального развития Йоркшира и Хамбера.

Список литературы

1. Рассел, Дж.Д., Хилтон, П.А. (2001) Разработка установки для лазера Nd: YAG мощностью 10 кВт, в материалах 7 ^{-й Международной конференции по сварке} : Высокопроизводительные процессы соединения: основы, прикладное оборудование, Аахен, Германия, том 1, 299-310.
2. Verhaeghe, G., Hilton, PA, (2005) Битва источников — использование высокомощного Yb-волоконного лазера для сварки стали и алюминия, in Proceedings of the 3 ^rd International WLT Conference of Lasers in Manufacturing, Мюнхен, Германия , 33-38.
3. Weberpals, J., Russ, A., Dausinger, F. Hügel, H. (2005) Влияние диаметра фокуса при лазерной сварке тонким дисковым лазером, в материалах 3 ^rd International WLT Conference of Lasers in Manufacturing , Мюнхен, Германия, 39-42.
4. Хюгель, Х. (2000) Новые твердотельные лазеры и возможности их применения, в Оптике и лазерах в технике, том 34, 213-229.
5. Bartel, W., Pathe, D., Roatzsch, R., Weick, JM (1997) Влияние качества луча при сварке лазерами Nd: YAG и CO ₂ , Труды конференции «Лазеры в обработке материалов», Мюнхен , Германия, т.3097, 147-156.
6. Ream, S.L. (2005) Диск и оптоволокно становятся все популярнее, Industrial Laser Solutions, февраль 2005 г., 15-19.
7. Greses J, Hilton P A, Barlow C. Y, Steen W. M (2002) Затухание шлейфа при высокомощной лазерной сварке Nd: YAG, в Proceedings of ICALEO 2002, Скоттсдейл, Аризона, США, том 94, 10 стр.
8. Оливье С. А., Хилтон П. А., Рассел Дж. Д. (1999) Обработка материалов с помощью лазерной установки на Nd: YAG мощностью 10 кВт, в Proceedings of ICALEO 1999, Сан-Диего, Калифорния, США, раздел D, 233-241.

Герт Верхаеге — механик (MSc) и европейский инженер по сварке (EWE), который начал свою карьеру в 1994 году в OCAS, бельгийском научно-исследовательском центре Arcelor, работая над индивидуально сваренными заготовками для ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) проект.С 1996 года он был старшим руководителем проектов в TWI Ltd, где он руководил множеством проектов по различным дуговым и лазерным процессам и приложениям. Его особый опыт связан с сваркой алюминия, гибридной лазерно-дуговой сваркой и, в последнее время, обработкой волоконным лазером.

Пол Хилтон — менеджер по технологиям в TWI, где он отвечает за стратегическое развитие лазерной обработки материалов.