Волоконный лазер навсегда изменил процесс резки, и следующим шагом может стать сварка.
Лазерная сварка не нова. Эта технология в течение многих лет распространялась в отдельных отраслях, таких как автомобильная, медицинская, оборонная и аэрокосмическая. Сюда входят OEM-производители и поставщики, которые их обслуживают. Даже в этой области лазерная сварка не является повсеместной, но и не является редкостью.
Тем не менее, выйдите за пределы этих ниш и выйдите на арену изготовления изделий по индивидуальному заказу, и вы обнаружите, что лазерная сварка остается настоящей редкостью. Даже если производитель предлагает лазерную сварку, это остается второстепенным процессом, используемым для некоторых работ.
Дуговая сварка остается доминирующим способом соединения двух кусков металла в большинстве фабрик. Почему именно? В прошлом объемы, возможно, вызывали беспокойство, но сегодня многие производители по индивидуальному заказу с большим успехом внедрили роботизированную дуговую сварку. В настоящее время доминирующие проблемы связаны с подгонкой и креплением деталей, а также с тем фактом, что многие детали имеют конструкции, не учитывающие требования к лазерной сварке.
Эти проблемы реальны, но преодолеть их не так сложно, как вы думаете. Это стало возможным не только благодаря развитию лазерной сварки, но и точности предшествующих процессов, включая лазерную резку и гибку, а также некоторым новым подходам к креплению.
Лазерная сварка требует, чтобы производители по-новому подумали не только о допусках сварных зазоров или требованиях к креплениям, но и обо всем процессе изготовления металла.
Больше производительности и меньше машин с лазерной сваркой»
Производители находятся в постоянном стремлении получить больше от того, что у них есть. Чтобы увеличить производительность резки и гибки, производитель может усовершенствовать технологический процесс, будь то подготовка инструментов и материалов или стандартизация и документирование методов настройки станков. Но в какой-то момент, если производитель захочет увеличить производительность резки или гибки, ему понадобится больше оборудования.
Благодаря волоконным лазерам для резки и автоматизации листогибочного пресса для гибки каждый новый станок становится намного более производительным, чем предыдущий. В зависимости от типа и толщины обрабатываемого материала мощный волоконный лазер может иметь режущую способность нескольких CO 2 -лазеров. Листогибочный пресс с автоматической сменой инструмента может быть более производительным, чем два или более обычных тормоза. По мере развития технологий производства каждая машина продолжает производить более качественные детали за меньшее время.
Затем следует лазерная сварка, послесварочная шлифовка и отделка — процессы, которые развивались по-другому. Конечно, цех может установить роботизированные ячейки для дуговой сварки, даже упростить программирование с помощью автономного моделирования, но для многих продуктов остается медленный, ручной и трудный этап послесварочной шлифовки.
Программист, добавляющий в соединение немного дополнительного металла сварного шва для учета изменений зазора, может усугубить проблему, поскольку операторам шлифования сложно удалить металл сварного шва и отполировать заготовку. Время, затрачиваемое на шлифовку, увеличивается, как и использование расходных материалов. Чрезмерное шлифование — неприятная задача, поэтому также может увеличиться текучесть кадров, что влечет за собой свои затраты, включая дополнительное обучение и возможность большего количества переделок.
Неудивительно, что производители изменили конструкцию деталей, чтобы исключить сварку, особенно с учетом того, что сложность листогибочного пресса возросла. Вместо того, чтобы сваривать две или три части вместе, почему бы не собрать их в одно целое? Сложная установка для гибки с сегментированными инструментами когда-то могла быть непрактично сложной. Но теперь, благодаря программному обеспечению для моделирования, автоматизации смены инструмента и интеллектуальной коррекции угла, даже неопытный оператор может выполнить сложную работу за считанные минуты.
Но эта стратегия может работать не для всех частей и может усложнить другие операции. Сложные детали может быть сложно штабелировать и транспортировать. Даже если настройка проста, выполнение сложной последовательности изгибов время от времени может потребовать значительной концентрации.
Как и многие аспекты производства, эта ситуация имеет свои компромиссы. Если цех решит разрезать и сварить детали по отдельности, то придется прибегнуть к лишней сварке и шлифовке; если он объединяет детали в одну сложную деталь, ему приходится выполнять сложные операции гибки.
Но что, если бы у производителей был другой вариант? Что, если бы эти детали можно было сварить лазером? Конечно, волоконный лазер может сваривать намного быстрее, чем дуговая сварка, но скорость самого сварного шва — это только половина дела. Другая половина – исключение измельчения – может оказать еще большее влияние на общую производительность.
Большинство производителей нестандартных изделий знакомы с волоконным лазером. Гибкое стекловолокно, легированное иттербием и накачиваемое диодами, которые выдают определенную длину волны (суть технологии источника питания волоконного лазера), оказало огромное влияние на производительность лазерной резки во всей отрасли. В ближайшие годы волоконный лазер может оказать аналогичный эффект на сварку.
Лазерная сварка со светом
Наука о лазерной сварке шагнула далеко вперед. Как и при резке, сварка лазером сводится к анализу того, как тот или иной материал поглощает энергию лазера. Волоконные лазеры для сварки и резки ведут себя практически одинаково при движении от источника питания и по волокну доставки.
Разница происходит в обрабатывающей головке. Расположенная в миллиметрах над поверхностью материала, режущая головка фокусирует луч, а вспомогательный газ («режущий инструмент» лазера) откачивает расплавленный материал, создавая прорезь. Сварочная головка волоконного лазера работает дальше от поверхности материала и фокусирует луч таким образом, чтобы обеспечить оптимальный сварной шов. Как и при дуговой сварке, при лазерной сварке используется газ (например, аргон) для защиты сварного шва от атмосферы.
В типичных случаях изготовления по индивидуальному заказу лазерная сварка является автогенной; то есть здесь не используется присадочный металл. Это снижает затраты на расходные материалы и сводит к минимуму требования к послесварочной отделке. Тем не менее, можно добавить наполнитель, если этого требуют структурные или косметические характеристики. Новые механизмы подачи проволоки и вкладыши теперь могут подавать даже самые сложные присадочные проволоки, включая алюминий.
Как и в любом сварочном процессе, создание хорошей лазерной сварки включает в себя множество переменных. Важным фактором является свариваемость материала. Наиболее распространенные материалы, которые обрабатываются на фабриках, — будь то углеродистая сталь, нержавеющая сталь или алюминий — уже много лет успешно свариваются лазером, используя как непрерывную, так и импульсную сварку. Лазеры позволяют выполнять сварку разнородных металлов, а специальные конструкции сварных соединений оцинкованных материалов даже учитывают выделение газов цинка. Более того, было показано, что 1-микронный мультикиловаттный волоконный лазер успешно сваривает даже самые сложные материалы, включая медь.
Конечно, все зависит от приложения, и здесь возникают материальные проблемы. Однако в целом, когда дело доходит до лазерной сварки, ограничивающим фактором является не тип материала, а его толщина. Было показано, что сверхмощные волоконные лазеры сваривают некоторые чрезвычайно толстые материалы. В типичной производственной среде волоконный лазер мощностью 4 кВт может довольно легко сваривать углеродистую сталь толщиной 0,25 дюйма.
Разумеется, совместные факторы доступа в любой ситуации автоматизированной сварки. Доступ к труднодоступным местам может вызвать несколько блокпостов. Но чаще всего небольшие изменения в конструкции детали могут решить проблему. В результате остаются две тесно связанные проблемы: установка и крепление.
Плотная посадка для лазерной сварки
Всем известно, что лазерная сварка требует плотной подгонки. Несмотря на это, сам процесс лазерной сварки стал более гибким благодаря технологиям сварочной головки. В частности, лазер больше не должен сваривать в фиксированной точке вдоль шва, а вместо этого может вращаться по небольшой площади с помощью вращающейся линзы.
Также учитывайте точность современного оборудования для резки и гибки. Многие дискуссии о проектировании деталей для лазерной сварки велись вокруг деталей из листового металла, которые подвергались штамповке. Проектирование детали для лазерной сварки часто требовало изготовления или модификации штампа, а это дорогостоящее занятие.
Но что, если в цехе есть современный станок для резки волоконным лазером и листогибочный пресс с прецизионной заточкой? Процесс проектирования и изготовления можно изменить, чтобы обеспечить хорошую подгонку к соединениям различной геометрии без необходимости обработки совершенно новой штамповой матрицы.
Более того, такое оборудование очень повторяемо. Пока операторы выбирают правильные гибочные инструменты и вызывают правильную программу, листы должны каждый раз формироваться одинаково. Если смена инструмента на листогибочном прессе происходит автоматически, вероятность неправильного использования тормозного инструмента становится еще более маловероятной.
Исправляем это правильно
Крепление стало еще одним препятствием, но в последние годы оно значительно сократилось. Вы можете возразить, что высокоскоростная сварка волоконным лазером еще больше упрощает процесс крепления. Правда, при сварке очень тонкой заготовки (скажем, 0,020 дюйма) тепловложение оказывает заметное влияние на расположение соединения. В этих случаях установка для лазерной сварки может использовать те же стратегии снижения тепла, что и любая ячейка для дуговой сварки, например, медные радиаторы и другой материал подложки, или уравновешивать силы зажима, чтобы место соединения не перемещалось во время сварки.
Но для большинства заготовок процесс лазерной сварки настолько быстрый и имеет такую концентрированную зону термического влияния (ЗТВ), что избыточное тепло не имеет значения; Фактически, природа ЗТВ делает весь процесс более повторяемым и точным. Это также означает, что приспособлениям не нужно компенсировать избыточное тепловложение, что, в свою очередь, упрощает проектирование и внедрение в производство более простых и менее дорогостоящих сварочных приспособлений.
Сегодняшняя технология лазерной сварки работает с рядом стратегий крепления, которые в сочетании с точными предшествующими процессами могут помочь оптимизировать поток через ячейку лазерной сварки. Самым простым является фиксирующее приспособление, которое может включать в себя готовые упоры и коленно-рычажные зажимы или просто несколько прихваток. Такое приспособление может зажимать сборку для обеспечения правильной посадки соединения, но место соединения может не всегда находиться в одном и том же месте, и этого следовало ожидать.
Чтобы приспособиться к этому, робот выполняет пробный прогон. При выключенном лазере робот движется по траектории сварного шва, а оператор наблюдает за видеоэкраном, на котором видно, как шов проходит под сварочной головкой. Если оператор видит отклонение сустава от программы, он оперативно корректирует траекторию движения робота. После завершения пробного прогона оператор запускает сварочный цикл.
Все это может показаться смехотворно неэффективным для производства, пока вы не измерите реальную производительность — и не только при сварке, но и при сварке, послесварочной шлифовке и чистовой обработке. Робот сваривает настолько быстро, что в некоторых случаях выполнение двух проходов (сухой прогон с последующей лазерной сваркой) может опережать традиционную дуговую сварку. Но даже если этого не произойдет, общая пропускная способность, скорее всего, все равно увеличится.
Благодаря концентрированному подводу тепла, высокой скорости сварочного перемещения и минимальной ЗТВ большинство сваренных лазером деталей определенного размера остаются прохладными на ощупь сразу после сварки. Эти детали могут не подвергаться послесварочной шлифовке, одному из самых трудоемких процессов в цехе. Если детали подвергаются последующей полировке, обычно это делается для удовлетворения определенных косметических требований.
Использование приспособления для определения местоположения и выполнение пробного прогона позволяют преодолеть распространенную загадку лазерной сварки и всей автоматизации сварки, если уж на то пошло: отслеживание шва. За прошедшие годы адаптивная сварка с отслеживанием шва добилась значительных успехов. Эта технология, безусловно, имеет место среди различных специализированных сварочных применений, особенно там, где непрактично учитывать изменения в предшествующих производственных процессах. В противном случае, если предшествующие процессы точны и повторяемы, робот может прекрасно сваривать вслепую, без отслеживания шва.
Внедрение средств отслеживания швов, достаточно быстрых для мониторинга сварных швов с помощью волоконного лазера, не было практичным ни с физической, ни с экономической точки зрения. Пробный прогон – это простой способ учета изменчивости суставов.
В идеале предшествующие процессы являются повторяемыми и достаточно надежными, чтобы исключить эту совместную изменчивость, но это только часть уравнения соответствия. Еще одним фактором является конструкция детали. Это может включать в себя язычки и прорези и другие методы самофиксации, а также простые рельефные выемки, чтобы прилегающие фланцы могли плотно прилегать друг к другу.
И еще одним фактором является, конечно же, само приспособление, которое может сблизить две детали, чтобы обеспечить прочный контакт. Традиционно это включало в себя производственную оснастку, стоимость которой отговаривала многих производителей с большим ассортиментом продукции и небольшими объемами производства использовать автоматизацию сварки. Для применения в больших объемах имеет смысл использовать производственное приспособление. Правильно спроектированное производственное приспособление может предоставлять роботу соединение, чтобы тот раз за разом выполнял идеальную лазерную сварку. Оператор загружает, зажимает, разжимает, выгружает и перезагружает без необходимости пробных прогонов. Сложные приспособления могут иметь компоненты или даже каналы для гидравлического или воздушного зажима, поэтому операторы могут загружать и разгружать еще быстрее.
Но объемы не всегда оправдывают столь значительные инвестиции в приспособления, и здесь решающую роль играет другой вариант крепления: прототип приспособления, изготовленный из взаимосвязанных компонентов из листового металла, соединяемых друг с другом с помощью конструкции с выступами и пазами и часто просто прихватываемых сваркой. вместе. Крепления из листового металла не являются чем-то новым, и точная лазерная резка сделала возможным создание таких приспособлений. Производители с камерами роботизированной дуговой сварки используют их уже много лет. Кроме того, «прототип приспособления» — это всего лишь ярлык. Фактически такие приспособления использовались для повторяющихся и объемных работ.
Мастерская лазерной сварки
Лазер навсегда изменил отдел резки для производителей нестандартных изделий, и вскоре он может изменить то же самое и в отделе сварки. Представьте себе ситуацию, когда инженер импортирует файл 3D CAD. Это срочная работа, но характеристики сварных соединений отражают то, что компания уже сварила лазером ранее. Это небольшая партия из нескольких десятков сборок, которые будут заказываться неоднократно, а не разовая ситуация, поэтому он решает, что стоит сделать больше, чем прибегать к простому определению местоположения.
Он строит приспособление из листового металла вокруг сборки. Он также видит, что для доступа к стыку ему необходимо сделать рельеф в одном месте, чтобы обеспечить плотное соприкосновение соседних фланцев. Затем он отмечает, что одна часть сборки может быть закреплена самостоятельно с помощью выступов и прорезей.
Затем работа отправляется на производство, при этом на лазере одновременно вырезаются заготовки и компоненты приспособлений. Компоненты плоских приспособлений поступают непосредственно на сварку, где они собираются и скрепляются вместе. Комплект деталей формируется на листогибочном прессе с автоматической сменой инструмента и затем поступает сразу на сварку. На этом этапе приспособление готово, и оператор готов запрограммировать работу. Затем он выполняет пробный прогон, сваривает заготовку и отправляет ее на проверку.
Процесс квалифицируется и оставшиеся заготовки отправляются на пол. В течение нескольких часов сваривается несколько десятков узлов без необходимости шлифовки, и работа отправляется за дверь.
Так что же происходит с прибором? Это зависит от работы, сложности приспособления и доступного места для хранения. Допустим, в магазине есть ряды прототипов и серийных сварочных приспособлений на складе. Если эта самая последняя работа вряд ли повторится в течение нескольких месяцев, возможно, имеет смысл отказаться от определенных компонентов приспособления и, возможно, сохранить опорную пластину и несколько других компонентов для использования в будущих, возможно, совсем других работах.
Скорость лазерной сварки
Скорость изготовления — проектирования и лазерной резки компонентов сварных приспособлений, гибки и лазерной сварки — дает изготовителю возможность выбора по индивидуальному заказу. Должна ли сборка объединять несколько деталей из листового металла в одну, хотя и сложную, формованную деталь, возможно, с некоторыми механическими креплениями? Или было бы быстрее и последовательнее сохранить простую форму и использовать больше лазерной сварки, которая, опять же, оставляет приятный косметический вид и обычно не требует никакой отделочной обработки? Формовка может не стать проблемой, если в цехе имеется новейшее оборудование, но как насчет требований к креплениям? Насколько легко было бы пропустить установку какого-либо оборудования? Не проще ли было его сварить и покончить с этим?
Такое обсуждение, вероятно, не состоялось бы, если бы единственным вариантом была дуговая сварка и послесварочная шлифовка. Сложная формовка и установка оборудования могут быть утомительным занятием, но это быстрее, чем отправлять детали в шлифовальный цех. Но добавьте в уравнение лазерную сварку, и обсуждение изменится, предоставив производителям больше возможностей увеличить скорость потока деталей на полу.
Такая скорость теперь стала реальностью при изготовлении изделий по индивидуальному заказу, и это больше, чем просто наблюдение за потрясающей скоростью волоконного лазера, проходящего через сварной шов. Речь идет о том, чтобы взглянуть на картину в целом, забыть то, чему вас учили, и начать думать по-другому.
