Лазерный луч может плавить и даже испарять металлы с высокой эффективностью и точностью. По этой причине они все чаще используются в качестве инструментов для сварки и пайки, например, в автомобильной промышленности.
Как правило, лазерные станки, как и обычные сварочные приспособления, имеют одну фокусную точку, т. е. точку. Компания Laserline недавно разработала многоточечную оптику для лазерной сварки и пайки , позволяющую обрабатывать чрезвычайно сложные материалы. Моторы FAULHABER помогают гарантировать правильное распределение энергии пятна.
Цинк защищает сталь от ржавчины. Производители автомобилей для производства кузовов в основном используют оцинкованный алюминиевый лист. В прошлом защитный металлический слой наносился гальванопокрытием. Однако в настоящее время предпочтительным методом становится горячее цинкование . Это обеспечивает еще лучшую защиту от коррозии. Неожиданные проблемы с пайкой возникли, когда горячеоцинкованный лист впервые был использован в производстве.
Пайка или сварка?
По сравнению со сваркой пайка предлагает ряд преимуществ для серийного производства в автомобильной промышленности. В случае сварки по всему шву лист нагревается до температуры плавления, что позволяет соединить между собой два листа металла. Это требует высокой точности и делает невозможным получение видимого качества сварки. Сварные швы получаются шероховатыми, а испарение цинка делает их пористыми. С другой стороны, при пайке между металлическими листами вставляется сварной шов, состоящий из различных материалов. Этот медно-силиконовый припой, который при пайке разжижается, а затем снова затвердевает, не только соединяет детали, но и заполняет пространство между ними. В результате пайка дает больший допуск по размерам и требует меньше работы по монтажу заготовок.
В случае горячеоцинкованных листов припой ведет себя не так, как обычно.
- На поверхности вблизи сварного шва больше брызг жидкого припоя. В частности, присутствуют микробрызги, которые сначала плохо видны, а становятся видны только после покраски. - объясняет д-р Аксель Люфт, менеджер по продажам автомобилей компании Laserline. - Ухудшается и качество самого сварного шва. Он становится более шероховатым и часто создает так называемые волнистости, т.е. припой выходит за границы предполагаемого сварного шва.
Решение для пайки горячеоцинкованных листов
Очевидно, что эти проблемы связаны со слоем цинка на стальном листе. В результате горячего цинкования этот слой стал более толстым и менее ровным. Кроме того, у него было другое поведение в плане отражательной способности, что также отрицательно сказывалось на процессе пайки. Торге Хаммер, инженер отдела планирования и разработки технологий Volkswagen в Вольфсбурге, отвечающий за процесс пайки, придумал, как решить эту проблему: перед пайкой необходимо удалить цинк с края сварного шва. Однако это потребовало бы использования прямоугольного, а не круглого лазерного пятна и отверстия, через которое можно было бы подавать припой. Тогда передние углы пятна будут отвечать за удаление цинка, а большая часть прямоугольника будет фактически сварена .
- Технически это решение было неосуществимым, но мы были на правильном пути. - вспоминает доктор Маркус Бауманн, главный инженер-разработчик Laserline. Вместо того, чтобы строить пятно сложной и, следовательно, оптически очень сложной формы, мы в итоге присоединили к базовому пятну два пятна меньшего размера. При сварке эти меньшие пятна всегда обращены к краям сварного шва перед основным пятном размером в несколько квадратных миллиметров. Энергии пятен достаточно, чтобы испарить слой цинка в этой области, инициировать плавление стали и вызвать легкое окисление. Таким образом создается так называемый пассивный слой, который предотвращает переполнение основного пятна расплавленным припоем.
Следовательно, паяемые детали не требуют дополнительной обработки в виде удаления брызг припоя перед покраской. Есть еще одна причина, по которой прямоугольное основное пятно оказалось эффективным решением: оно распределяет тепло по припою более равномерно, чем его круглый аналог, что способствует более спокойному поведению в ванне с припоем.
- Благодаря этой технологии мы, наконец, смогли решить все проблемы, возникающие при работе с горячеоцинкованным листом. - говорит довольный доктор Люфт. - В настоящее время используется в серийном производстве на VW. Это позволяет достичь скорости пайки до 4,5 метров в минуту. Другие производители также будут использовать его в ближайшее время.
Разделение луча в оптическом модуле
Оптический модуль отвечает за обеспечение точного позиционирования пятен. Он содержит различные оптические компоненты, которые избирательно изменяют лазерный луч. Коллимирующая линза выравнивает расходящиеся лазерные лучи от оптического кабеля так, чтобы они шли параллельно друг другу. Так называемая гомогенизирующая решетка формирует основной квадрат в форме квадрата, а остальные оптические элементы разделяют пучок и генерируют дополнительные пятна. При сварке спереди и сбоку от основного пятна получают два опережающих пятна. Для получения чистого сварного шва в конце процесса необходимо точно установить распределение мощности между основной точкой и ведущими точками, а также между ведущими точками. То, как мощность лазера распределяется по этим пятнам, зависит от положения оптических элементов.
Для глубокой сварки алюминия, например, маленькое интенсивное пятно может быть расположено в центре меньшего, большего пятна. Для сварки металлических листов различной толщины к каждому материалу можно приспособить две точки. Это можно сделать во время процесса, поскольку компоненты оптического модуля Laserline перемещаются с помощью двигателей.
Край этого квадратного модуля имеет длину 12 сантиметров и глубину 5 сантиметров. Оптические элементы и сложная механическая система расположены в небольшом пространстве. Здесь мало места для двигателей. Поэтому основным требованием к накопителям является их компактность.
- Нас интересовали бесколлекторные серводвигатели постоянного тока FAULHABER 1226 ... B диаметром 12 миллиметров, с ходовыми винтами, установленными непосредственно на вал двигателя и без муфты вала. - объясняет доктор Бауманн. «Это дает нам очень компактный привод, который надежно обеспечивает требуемую скорость и мощность. Простота интеграции контроллера мотора в систему была еще одним преимуществом, заслуживающим внимания». Аналоговый контроллер движения FAULHABER монтируется снаружи модуля и требует только два канала. По желанию заказчика двигатель Laserline также может быть оснащен разъемом CAN-шины без необходимости каких-либо модификаций механической системы или корпуса. Вместо аналогового управления можно просто подключить другой цифровой контроллер.
Двигатель с гарантированным положением
Лазерная оптика крепится к манипулятору робота во время пайки и сварки; рука робота перемещает лазерную оптику в требуемое положение. Оптика должна выдерживать значительные динамические нагрузки, действующие на моторы, которые могут вызвать нежелательные изменения положения. - Это не проблема для двигателя FAULHABER, так как он определяет текущее положение с помощью встроенного датчика Холла и при необходимости корректирует его до последнего положения, в котором лазер располагался на сварном шве. - подчеркивает доктор Люфт. - Это дает нам уверенность в том, что любое неправильное положение будет устранено. Благодаря высококачественным приводам мы можем добиться стабильно воспроизводимых результатов. Это принципиальный вопрос, так как наши клиенты ожидают бесперебойной работы до семи лет!
Для доктора Баумана было очевидно, что он найдет подходящий мотор у FAULHABER, как он это сделал восемь лет назад, когда искал подходящий мотор для новой оптической системы. В то время для этого типа устройств обычно использовались шаговые двигатели. Однако, по словам инженера-разработчика, у шаговых двигателей были проблемы с ускорением масс в руке робота: динамическая нагрузка могла привести к тому, что шаговый двигатель пропускал шаги. Чтобы предотвратить это, можно дополнительно использовать энкодер для определения и регулировки положения. В такой комбинации это не только сложно, но и затратно. Когда я был моложе, мне нужен был компактный двигатель для модели корабля, и я нашел его в FAULHABER. Мне напомнили об этом при разработке оптической системы. Я связался с FAULHABER и в очередной раз нашел оптимальный привод. Это помогло нам разработать чрезвычайно экономичное решение, которое с самого начала оказалось успешным. Новый многоточечный модуль безупречно выполняет свою задачу и в серийном производстве. Эта оптическая система также уже получила широкое признание среди специалистов: техническое решение и экономическая эффективность, достигнутые в промышленном применении за столь короткий срок, убедили международное жюри «Инновационной премии в области лазерных технологий». В этом году жюри присудило первую премию команде дизайнеров. Техническое решение и экономическая эффективность, достигнутая в промышленном применении за столь короткий срок, убедили международное жюри «Лазерной технологии премии за инновации». В этом году жюри присудило первую премию команде дизайнеров. Техническое решение и экономическая эффективность, достигнутая в промышленном применении за столь короткий срок, убедили международное жюри «Лазерной технологии премии за инновации». В этом году жюри присудило первую премию команде дизайнеров.
