На выставке FABTECH 2022 в Атланте участники могли сидеть за рабочим местом на стенде Civan Lasers , щелкать несколько точек на экране и настраивать профиль энергии и глубину фокуса лазерного сварочного луча, что стало возможным благодаря тому, что Civan называет динамическим лучевым лазером. или DBL, технология.
DBL привела к некоторым поразительным достижениям, о последнем из которых было объявлено 9 февраля, когда компания заявила, что выполнила однопроходную сварку глубиной 70 мм при атмосферном давлении — вакуум не требуется.
Израильская компания не управляет своим лазером механически, полагаясь на гальвозеркала, которые раскачивают пятно луча. Вместо этого манипуляция происходит внутри самого лазера.
Лазерная технология динамического формирования
«У нас более 30 волокон, и цель — контролировать дифракционную картину. Благодаря этому вы можете спроектировать любое распределение мощности на заготовке».
Это Ами Спира, менеджер по маркетингу Civan, описывала основы технологии объединения когерентных лучей (CBC) и оптической фазированной решетки (OPA), двух составных блоков, лежащих в основе DBL. «Это позволяет пользователю выполнять множество задач, которые ранее были невозможны с помощью лазера».
На стенде посетители могли щелкнуть по сетке, чтобы определить профиль балки в произвольном стиле. «Это форма, но мы также можем контролировать плотность», — объяснил Спира. «Например, скажем, я хочу создать больше энергии в этой области». Он указал на область, слегка смещенную от центра профиля луча. «Я могу просто добавить щелчок здесь, и теперь у меня гораздо больше энергии в этой области».
Еще одним параметром контроля является дифракционная картина. «Это связано с тем, как мы генерируем лазер», — сказал он. «Наша оптическая головка имеет несколько лучей, излучающих свет, и они перекрываются, создавая дифракционную картину. А управляя фазами каждого лазера, мы можем [изменять характеристики луча] в направлениях X, Y и Z».
Ось Z особенно важна, поскольку она обеспечивает новый уровень контроля глубины фокусировки луча. «Например, используя фокусное расстояние 1,5 м, мы могли бы получить глубину резкости почти 30 мм. А если бы у нас было 3 м [фокусное расстояние], то глубина резкости была бы более чем в два раза».
Такая глубина фокуса в сочетании с другими улучшениями параметров луча подтолкнула Civan к новым применениям. Один из последних способов заключается в однопроходной сварке очень толстого материала в стык. Это стало возможным благодаря партнерству между Civan и AMET , компанией из Рексбурга, штат Айдахо, специализирующейся на автоматизированных сварочных системах, в том числе с использованием очень толстых сварных соединений.
«[Сиван] искал партнера в США для предоставления интегрированных систем», — сказал Дон Швеммер, президент AMET, во время интервью в FABTECH. «Мы хотели работать с поставщиком лазеров и разработчиком. А контрольная сторона – это действительно наша сила. Имея возможность манипулировать формой луча и фокусным расстоянием лазера, мы можем добавить это в наш пакет [control]. Теперь у нас есть огромный набор инструментов вместо пары гаечных ключей. Это действительно хорошо подходит».
На выставке FABTECH компания Civan продемонстрировала образцы работ, которые продемонстрировали способность DBL создавать прочные сварные швы в материалах, чувствительных к растрескиванию, уменьшать количество пор и брызг благодаря форме луча, стабилизирующей замочную скважину, а также способность контролировать свойства разнородных материалов.
Характеристики лазерного луча динамического формирования
Согласно официальному документу Civan, технология DBL изменяет характеристики луча четырьмя способами. Во-первых, посредством формирования луча , когда пользователи проектируют определенную форму, соответствующую конкретному приложению. Это дает инженерам возможность тестировать «несколько форм, чтобы оптимизировать форму, наилучшую для конкретного сварного шва». Например, при сварке разнородных металлов технология DBL позволит использовать два лазерных пятна, движущихся одновременно (представьте себе движение кухонного миксера), чтобы обеспечить однородный сварной шов».
Другая переменная — частота формы или способность создавать форму через разные промежутки времени. Чем больше частота, тем ближе к «статическому» ведет себя луч. «Быстрые частоты, такие как 50 МГц, например, настолько быстры, что луч ведет себя квазистатической формы», — говорится в официальном документе, добавляя, что такая быстрая частота дает совершенно другие результаты, чем частоты в герцовом или килогерцовом диапазоне.
Третий параметр — последовательность лучей , которая позволяет лазеру переключаться между формами луча за микросекунду. «Это означает, что вы можете создать серию различных фигур и запрограммировать лазер на прохождение через них по порядку, на разных скоростях и с интервалами по вашему выбору».
Четвертый параметр — управление фокусом . Опять же, согласно официальному документу, «это означает, что вы можете изменить положение фокуса по оси Z внутри материала в любое время и на любой скорости во время процесса. Управление фокусом особенно полезно при сварке более толстых материалов, позволяя получить более гладкий и равномерный сварной шов».
Такое управление фокусом используется AMET и другими компаниями для однопроходной сварки толстых листов. Именно так компания Civan добилась однопроходной сварки материала толщиной 70 мм в заявлении, анонсированном ранее в этом году.
Сварка толстых листов — это лишь одна область применения, которой компания занялась в последние годы. На другом конце спектра толщины компания участвует в проекте «Эврика» в Институте лазерных технологий Фраунгофера в Германии, работая над сваркой биполярных пластин в топливных элементах со сверхвысокой скоростью подачи — проект, включающий лист толщиной всего 0,1 мм. и скорость сварки 1500 мм/сек.
Для этого проекта исследователи придали лучу такую форму, чтобы объединить точки высокой интенсивности с дополнительными областями с более низкой интенсивностью энергии, что позволило очень быстро осуществить предварительный и последующий нагрев материала. Это помогло контролировать процесс формирования и затвердевания ванны расплава. Они также изменили форму луча (которая может возникнуть в середине процесса) на овальную, чтобы уменьшить скорость потока ванны расплава за замочной скважиной. Это позволило исследователям увеличить скорость сварки, не создавая при этом дефектов.
Хотя компания Civan в значительной степени сосредоточилась на лазерной сварке, она также углубилась в другие промышленные лазерные процессы. Например, компания установила партнерские отношения с компанией Smart Move GmbH в Германии для разработки новой технологии лазерной сварки и лазерной сварки в порошковом слое для аддитивного производства.
Компания также опубликовала несколько статей с подробным описанием результатов испытаний применения лазерной резки, которые иллюстрируют преимущества управления фокусом. В частности, компания разрезала нержавеющую сталь 304L толщиной 15 мм с помощью одномодового лазера с большой глубиной фокусировки мощностью 8 кВт. Пучок имел форму спирали с двумя точками, ориентированными вертикально. Согласно статье, управление фокусом происходило с помощью точек, «расположенных в середине материала и перемещавшихся вверх и вниз на ± 8 мм по оси Z». Частота управления фокусом была установлена от 5,4 до 16 Гц при скорости подачи от 15 до 18 мм/сек… Управление фокусом улучшает контроль над расплавленным материалом и обеспечивает более плавную шероховатость с меньшим количеством окалины».
Помимо этого, Civan в партнерстве с индийской компанией SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited) создала машину, которая выполняет как 3D-лазерную сварку, так и резку. Согласно пресс-релизу Civan: «Этот проект позволит создать полную комплексную систему с лазерами с динамическим формированием луча».
Технология Сивана может быть предвестником. Промышленный лазерный луч больше не является статичным. Он превратился в настоящий швейцарский армейский нож из металла, которому можно придавать форму, последовательность и фокусировку различными способами и частотами, и все это оптимизировано для конкретного применения.
