В последние несколько лет лазерная сварка стала основным направлением производства. лазерная сварка — от сварочных ячеек до портативных моделей — повышает эффективность OEM-производителей и мастерских. Технология, обеспечивающая высококачественные сварные швы, высокую скорость производства и сокращение объема послесварочной обработки, вызывает все больший интерес со стороны производителей.
Тем временем лазерные технологии продолжают становиться все более изощренными. Говорят, что в авангарде этой разработки находится израильская компания Civan Lasers . Компания получила премию Prism Award 2022 в категории промышленных лазеров от SPIE, международного общества оптики и фотоники, и Photonics Media. Награда присуждается за технологию Civan OPA 6 Weld, одномодовый непрерывный лазер с динамическим лучом (DBL) мощностью от 7 до 14 кВт, который модулирует форму луча по желанию на скоростях до сотен мегагерц без каких-либо движущихся частей.
Расширенное формирование луча
Лазер использует оптическое объединение когерентных лучей с фазированной решеткой для объединения многих одномодовых лазерных лучей в более крупный луч. Свет каждого лазера перекрывается с другими лучами в дальней зоне, создавая дифракционную картину, которая позволяет манипулировать формой луча в реальном времени. Фазовые модуляторы управляют отдельными лучами, а полученную интерференционную картину можно регулировать, чтобы максимизировать положение пятна луча и создавать узоры различной формы, вписанные в движение луча.
«Другие методы формирования луча связаны в первую очередь с колебанием луча», — сказал д-р Асаф Ниссенбаум, исследователь прикладной лаборатории в Civan. «То есть вы можете слегка отклонять луч, чтобы вызвать локализованное рулевое управление, и это поддерживается механическими средствами. Недостаток этой технологии заключается в том, что вы используете гальвосканеры, которые имеют ограниченную максимальную частоту, на которой они могут работать, и максимальную мощность луча, которую вы можете через них пропустить. Кроме того, профиль колебательного движения также ограничен, тогда как лазер OPA 6 может работать на гораздо более высоких частотах и профилях формы».
Частоту формы, последовательность форм и глубину фокуса также можно контролировать, чтобы обеспечить оптимизацию испарения в капилляре, течения в ванне расплава и затвердевания расплава для любого применения лазерной обработки материалов. По данным компании, такой контроль исключает образование пор, брызг и трещин, одновременно увеличивая скорости подачи и скорости при сварке и аддитивном производстве.
Возможные ответы на вопросы о топливных элементах
Скорость, с которой может работать лазер, и возможность изменять луч на лету вызывают интерес к исследованиям, связанным с производством топливных элементов для электромобилей (EV). Согласно недавним выводам проекта Eureka Project, базирующегося в лабораториях Фраунгофера в Аахене, Германия, лазеры компании могут предоставить автомобильной промышленности технологическое решение для экономически массового производства экологически чистых двигателей за счет увеличения скорости подачи при сварке биполярных пластин.
Задача эффективного производства топливных элементов заключается в сварке биполярных пластин — тонких пластин толщиной в сотни микрон. В каждой ячейке находится от 300 до 400 пластин со сварным швом от 3 до 6 м. Несмотря на то, что предпринимаются многочисленные усилия по увеличению скорости сварки, чтобы удовлетворить спрос, увеличение скорости подачи более 0,5 м/с приводит к дефектам сварки, что приводит к браку деталей и отставанию материалов.
Три организации, реализующие проект Eureka — Civan Lasers, Институт лазерных технологий Фраунгофера (ILT) в Германии и Smart Move GmbH в Германии — стремятся решить эту проблему сварки с помощью лазерной технологии Civan.
«Выше определенной скорости при лазерной сварке распространенным дефектом, который вы видите, является то, что известно как «горб», периодические выпуклости в сварном шве», — сказал Ниссенбаум. «Это поднимает вопросы пористости, консистенции и отсутствия плавления. В индустрии топливных элементов это проблема «да/нет». С помощью этого лазера мы можем, например, иметь последовательность из нескольких форм, каждая из которых направлена на решение определенной проблемы в сварном шве в микросекундном масштабе, чтобы мы могли контролировать весь процесс».
Целью исследования является увеличение производительности сварки как минимум до 1 м/с или до 2 м/с при создании однородного сварного шва без проблем с образованием горбов.
«Протестировав технологию на других материалах, мы увидели очень многообещающие результаты», — сказал Ниссенбаум. «Мы понимаем, как можно и нельзя влиять на сварочную ванну, как добиться качественного результата. Это просто вопрос дальнейшего исследования».
Сварка разнородных металлов
Ниссенбаум говорит, что компания заинтересована в поиске большего количества приложений на рынке электромобилей, поскольку скорость и точность должны позволить этой технологии конкурировать с другими формами объединения.
«Большой потенциальный рынок заменяет процессы пайки лазерными процессами», — пояснил он. «Пайка дорогая и требует много электроэнергии. Многие электромобили используют пайку, потому что лазерная сварка не давала желаемых результатов.
«Точно так же сварка разнородных материалов — это область, где наша технология должна быть очень эффективной», — продолжил он. «Мы можем обеспечить каждому материалу собственную обработку в том смысле, что при сварке разнородных металлов, скажем, у них разница в теплопроводности на порядок, каждую сторону необходимо отрегулировать так, чтобы общий сварной шов был одинаковым. Мы можем создать асимметричный профиль луча, чтобы сторона, которой нужно больше энергии, получала больше мощности, а сторона, которой нужно меньше, получала меньше. Между ними вы создаете очень ровную динамику сварного шва».
Дополнительные опции
В конечном счете, все дело в управлении замочной скважиной и сварочной ванной. Применение этого принципа к аддитивному производству является очевидным следствием, поэтому Civan также работает с Smart Move над созданием новой технологии аддитивного производства сварки и лазерного плавления порошка (LPBF). Лазер Civan управляется лазерной сканирующей головкой Smart Move, что позволяет пользователям сварки и LPBF менять ориентацию формы луча на лету, что позволяет использовать асимметричные формы луча в сложных геометрических формах.
«Интеграция нашего динамического лучевого лазера с современной технологией сканирования позволяет клиентам, занимающимся сваркой и LPBF, не только улучшить скорость сварочной подачи и скорость аддитивного производства, но и сделать возможными ранее невозможные приложения», — генеральный директор Civan д-р Эяль Шекель. говорится в пресс-релизе.
«Существует очень небольшой диапазон тепловложения и скорости подачи, который можно использовать для достижения послойной консистенции, необходимой для продукта с добавками», — сказал Ниссенбаум. «Мы имеем дело со сложностями, связанными с получением правильного профиля сварного шва между проводом и замочной скважиной. Форма луча помогает поддерживать идеальную глубину проникновения и устраняет проблемы с разбрызгиванием, прежде чем мы приступим к масштабированию и решению проблемы скорости».
Наращивание исследований
Civan установила партнерские отношения с рядом университетов, чтобы доказать широкой аудитории потенциальные возможности применения своей технологии. Исследователи Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) в Штутгартском университете будут изучать технологию компании, используя высокоскоростную рентгеновскую видеосистему для диагностики лазерной обработки материалов. Система позволит исследователям видеть внутреннюю часть ванны расплава во время процессов лазерной сварки, что позволит дополнительно изучить возможности использования технологии DBL для улучшения стабильности замочной скважины в промышленных сварочных процессах.
TU Wien в Австрии смоделировал, как различные формы лучей влияют на сварной шов и почему одни формы работают лучше, чем другие.
Совершенно очевидно, что более точное управление лазерами будет продолжать оказывать влияние на отрасль, расширяя ценностное предложение как для сварки, так и для аддитивных применений.
