На FABTECH 2022 в Атланте участники могли сесть за рабочую станцию в стенде Civan Lasers , щелкнуть несколько точек на экране и настроить энергетический профиль лазерного сварочного луча и глубину фокуса, что стало возможным благодаря тому, что Civan называет лазером с динамическим лучом. или DBL, технология.
DBL привела к некоторым поразительным достижениям, о последнем из которых было объявлено 9 февраля, когда компания заявила, что завершила однопроходную сварку глубиной 70 мм при атмосферном давлении — вакуум не требуется.
Израильская компания не манипулирует своим лазером механически, полагаясь на гальво-зеркала, которые изменяют пятно луча. Вместо этого манипуляция происходит внутри самого лазера.
«У нас более 30 волокон, и наша цель — контролировать дифракционную картину. Благодаря этому вы можете спроектировать любое распределение мощности на заготовке».
Это был Ами Спира, менеджер по маркетингу Civan, описывающий основы технологии объединения когерентных лучей (CBC) и оптической фазированной решетки (OPA), двух строительных блоков 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», — объяснила Спира. «Например, скажем, я хочу создать больше энергии в этой области». Он указал на область, немного смещенную от центра в профиле луча. «Я могу просто добавить щелчок здесь, и теперь у меня гораздо больше энергии в этой области».
Еще одним параметром контроля является картина дифракции. «Это связано с тем, как мы генерируем лазер», — сказал он. «Наша оптическая головка имеет несколько лучей, которые излучают свет, и они перекрываются, создавая дифракционную картину. И, контролируя фазы каждого лазера, мы можем [изменять характеристики луча] в направлениях X, Y и Z».
Ось Z особенно важна, потому что она дает новые уровни контроля над глубиной фокуса луча. «Например, используя фокусное расстояние 1,5 м, мы могли бы получить глубину резкости почти 30 мм. А если у нас будет 3 м [фокусное расстояние], то глубина резкости будет больше, чем в два раза».
Такая глубина резкости в сочетании с другими усовершенствованными параметрами луча подтолкнула Civan к новым приложениям. Один из самых последних методов включает однопроходную сварку очень толстого материала в стыковом соединении. Это стало возможным благодаря партнерству между Civan и AMET , компанией из Рексбурга, штат Айдахо, которая специализируется на автоматизированных сварочных системах, в том числе для сварки очень толстых сварных швов.
«[Civan] искала партнера в США для предоставления интегрированных систем, — сказал Дон Швеммер, президент AMET, в интервью FABTECH. «Мы хотели работать с поставщиком лазеров [и] разработчиком. И сторона контроля действительно наша сила. Имея возможность управлять формой луча и фокусным расстоянием лазера, мы можем добавить это в наш пакет [control]. Теперь у нас есть огромный набор инструментов для работы вместо пары гаечных ключей. Это действительно хорошая посадка».
Лазер с динамическим лучом использует когерентное объединение лучей и технологию оптической фазовой решетки (показана здесь) для создания луча, адаптированного для конкретного применения.
На FABTECH компания Civan представила рабочие образцы, которые продемонстрировали способность DBL производить прочные сварные швы в материалах, чувствительных к растрескиванию, уменьшать поры и разбрызгивание благодаря формам луча, которые стабилизируют замочную скважину, а также способность контролировать свойства разнородных материалов.
Согласно официальному документу Civan, технология DBL изменяет характеристики луча четырьмя способами. Во-первых, это формирование луча , когда пользователи проектируют определенную форму, соответствующую конкретному приложению. Это дает инженерам возможность тестировать «несколько форм, чтобы оптимизировать наилучшую форму для конкретного сварного шва. Например, при сварке разнородных металлов DBL позволит использовать два лазерных пятна, движущихся одновременно (представьте себе движение кухонного миксера), чтобы обеспечить однородный шов».
Другой переменной является частота формы или возможность создавать форму с разными интервалами. Чем больше частота, тем ближе к «статическому» поведению луча. «Быстрые частоты, такие как 50 МГц, например, настолько быстрые, что луч ведет себя в квазистатической форме», — говорится в официальном документе, добавляя, что такая быстрая частота дает совершенно другие результаты, чем частоты в диапазоне герц или килогерц.
Третий параметр — последовательность луча , которая позволяет лазеру переключаться между формами луча за микросекунду. «Это означает, что вы можете создать серию различных форм и запрограммировать лазер, чтобы он проходил через них по порядку, с разной скоростью 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 с любой скоростью во время процесса. Управление фокусом особенно полезно при сварке более толстых материалов, что позволяет получить более гладкий и равномерный шов».
Такое управление фокусировкой используется AMET и другими компаниями для однопроходной сварки толстолистового металла. Точно так же Civan добилась однопроходной сварки материала толщиной 70 мм в заявке, о которой было объявлено ранее в этом году.
Сварка толстолистового металла — это лишь одна из областей применения, которой компания занималась в последние годы. На другом конце спектра толщин компания участвовала в проекте Eureka в Институте лазерных технологий Фраунгофера в Германии, работая над сверхвысокой скоростью сварки биполярных пластин в топливных элементах — проект, включающий лист толщиной всего 0,1 мм. и скорость сварки 1500 мм/сек.
Для этого проекта исследователи сформировали луч таким образом, чтобы сочетать точки высокой интенсивности с дополнительными областями с более низкой энергоемкостью, что позволяло проводить очень короткий предварительный и последующий нагрев материала. Это помогло контролировать формирование и затвердевание расплавленной ванны. Они также изменили форму луча (которая может возникнуть в середине процесса) на овальную, чтобы уменьшить скорость потока расплавленной ванны за замочной скважиной. Это позволило исследователям увеличить скорость сварки без создания дефектов.
Хотя компания Civan уделяет большое внимание лазерной сварке, она также занимается другими промышленными лазерными процессами. Например, компания заключила партнерское соглашение 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 лазерной резки, демонстрирующих преимущества управления фокусом. В частности, компания разрезала нержавеющую сталь 304L толщиной 15 мм с помощью одномодового лазера с высокой глубиной фокусировки мощностью 8 кВт. Луч имел форму спирали с двумя точками в вертикальной ориентации. Согласно документу, управление фокусом происходило с точками, «расположенными в середине материала и перемещаемыми 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/с… управление фокусом улучшает контроль над расплавленным материалом и обеспечивает более гладкую шероховатость с меньшим количеством окалины».
Помимо этого, Civan заключила партнерское соглашение с индийской компанией SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited) для создания машины, которая выполняет как трехмерную лазерную сварку, так и резку. Согласно пресс-релизу Civan, «в рамках этого проекта будет создана комплексная система с динамическими лазерами формирования луча».
Технология Civan может быть предвестником. Промышленный лазерный луч больше не является статичным. Он превратился в настоящий швейцарский армейский нож из металла, способный формироваться, секвенироваться и фокусироваться множеством способов и частот, оптимизированных для конкретного применения.