Эта статья частично адаптирована из книги Марка Родигьеро «Соединяем все вместе: системы лазерной сварки», представленной на выставке FABTECH® Intl. & AWS Welding Show, 11–14 ноября 2007 г., Чикаго, © 2007 г., Международная ассоциация производителей и производителей, Общество инженеров-технологов и Американское общество сварщиков.
Лазерная сварка уже не является новинкой и имеет долгую историю как эффективный метод соединения. Сегодня этот процесс представляет собой еще один инструмент в арсенале производителя, и поскольку промышленность США продолжает использовать уникальные сварочные характеристики лазера и его гибкую реализацию, он постепенно нашел применение на большем количестве производственных цехов.
Метод соединения превратился в проверенный процесс, и, как и любой проверенный производственный процесс, он должен соответствовать условиям применения с использованием наиболее подходящего материала и геометрии. И чем раньше произойдет это совпадение — будь то во время подготовки к производству или, в идеале, при проектировании продукта — тем лучше. Другими словами, если компания разрабатывает процесс лазерной сварки, она получит от этого выгоду.
Основы применения лазерной сварки
Большинство лазерных процессов свариваются автогенно, то есть без присадочного металла, с минимальной зоной термического влияния (ЗТВ) и достаточным количеством тепла для плавления и плавления материала. Это позволяет получить высококачественное сварное соединение с минимальной термической деформацией. Однако автогенная сварка требует плотного контакта между сопрягаемыми поверхностями. Поскольку лазер является высококонцентрированным источником тепла, соединение обычно плавится, плавится и охлаждается очень быстро. Это означает, что процесс должен работать с материалом, который может выдерживать быстрое охлаждение, не вызывая дефектов сварного шва, таких как растрескивание.
Принятие процесса лазерной сварки предполагает четыре основных фактора:
1. Пригоден ли процесс для данного применения, способен ли производить сварные швы, соответствующие критериям, будь то определенная прочность на растяжение, однородность или внешний вид, в зависимости от материала детали, геометрии и допусков на посадку?
2. Какое лазерное оборудование лучше всего подходит для данной цели? При этом решающими факторами могут быть пропускная способность приложения, путь сварки, доставка луча и требования к проникновению.
3. Какая рабочая станция потребуется для применения, как будет удерживаться деталь и нужно ли манипулировать ею или лазером? Будет ли система XY адекватной или для нее потребуется Z или вращательное движение? Что касается оснастки, будет ли удерживаться одна или несколько деталей одновременно? Какой корпус должен быть у рабочей станции для безопасного размещения процесса? Двери для разгрузки и погрузки будут ручными или автоматическими? Имеет ли рабочая станция полностью блокируемый, светонепроницаемый корпус, соответствующий требованиям ANSI (Z126.1), включая соответствующие маркировки безопасности машины?
4. Как система и процесс будут проверяться, контролироваться и поддерживаться во время внедрения?
Краеугольным камнем всего этого является выбор правильных материалов и постоянное их постоянное взаимодействие. После того, как это будет выполнено, выбор всех остальных переменных процесса — типа и способа доставки лазера, инструментов, рабочей станции и т. д. — станет простым.
Система CO 2 пропускает луч через неподвижные зеркала. Многоосная система состоит из ряда ортогональных зеркал, которые могут перемещаться или вращаться для обеспечения движения.
Лазер создает тонкий сварной шов с небольшой ЗТВ, но материал должен выдерживать быстрое охлаждение. Быстрое термоциклирование лазерной сварки может создать проблемы, если присутствуют определенные элементы — элементы, которые затвердевают при разных температурах плавления или образуют хрупкие структуры внутри сварного шва и микроструктуру ЗТВ. Через несколько микросекунд после лазерной сварки некоторые элементы могут затвердеть раньше, мигрировать к границе зерен, привести к хрупкости и, в конечном итоге, вызвать растрескивание во время быстрого охлаждения или даже после охлаждения.
При выборе материала стоит обратить внимание на четыре элемента: углерод, фосфор, сера и марганец. Обычно материал должен содержать 0,12 процента углерода или меньше. Компании, возможно, придется выбирать между 303, 304L или 316. Многие могут выбрать 303 из-за его характеристик свободной обработки, но его высокое содержание углерода (0,15 процента) и высокий уровень серы создают проблемы для лазерной сварки. Лучшим выбором может быть нержавеющая сталь 304, 314L или 316. В нержавеющих материалах, таких как серии 304 и 316, соотношение хром-никель обычно должно превышать 1,7. Для углеродистых сталей еще одним ключевым соотношением является соотношение марганца и серы. Марганец смягчает воздействие серы, образуя FeS, охрупчивающее соединение. Обычно соотношение Mn/S должно быть больше 10.
Для алюминия правила становятся немного размытыми из-за большого разнообразия сплавов и легирующих элементов. По возможности следует выбирать сплав с минимальным содержанием легирующих элементов. В противном случае для подтверждения жизнеспособности процесса можно использовать испытания сварки.
Выбор геометрии соединения для лазерной сварки
Система Nd:YAG передает лазер по гибкому оптоволоконному кабелю. Длина волокна обычно составляет от 16 до 65 футов, что позволяет удобно расположить лазер.
Лазерная сварка может работать с тремя типами соединений — внахлестку, стык и угловой — и у каждого есть свои плюсы и минусы.
Стыковое соединение обеспечивает наиболее эффективный способ соединения двух основных металлов, поскольку энергия концентрируется непосредственно по линии соединения. Но особенно важна подгонка деталей.
Две заготовки должны физически соприкасаться (стыковаться с допуском менее 100 микрон, в зависимости от толщины), края материала должны быть чистыми, с минимальным короблением и искажениями, а луч должен точно следовать по линии соединения.
Нахлесточные сварные швы являются наиболее щадящими с точки зрения допусков, поскольку площадь соединения фактически равна ширине самого соединения. Пока лазерная сварка находится в пределах этой ширины, произойдет сварка. Но такая ориентация может оказаться неэффективной, поскольку лазер затрачивает энергию, проникая в верхний слой, чтобы добраться до линии стыка.
Угловой сварной шов — это золотая середина: он имеет немного больший допуск, чем стыковое соединение, но не такой большой, как геометрия внахлестку, а эффективность сварки находится где-то посередине.
Обычно лазер имеет размер оптического пятна около 0,02 дюйма в диаметре; поэтому точность выравнивания деталей и отслеживания луча вдоль соединения должна соответствовать этому, при этом обычный допуск составляет от 10 до 15 процентов от диаметра луча. В большинстве традиционных применений лазерной сварки, особенно для тонких листов, используются конфигурации скруглений и нахлестов, которые облегчают обработку инструментов и относительно щадящие допуски.
Выбор процесса лазерной сварки
Для большинства выбор процесса часто сводится к трем источникам лазера: CO 2 , оптоволокно или импульсный Nd:YAG. И CO 2 , и недавно разработанные волоконные лазеры подходят для сварки швов с проплавлением (толщиной более 0,04 дюйма), хотя для некоторых микроприложений можно использовать волокно. С точки зрения сварочных характеристик, CO 2 -лазер является наиболее экономичным источником для сварки толстых листов, особенно сталей. Хотя волоконный лазер стоит дороже в пересчете на ватт, он предлагает преимущества подачи волокна для простоты интеграции, снижения эксплуатационных расходов и улучшения сварки алюминия.
Оба лазерных источника могут проникать в толстую пластину и выполнять сварку «замочной скважины» быстрее, чем любой другой процесс. Поэтому выбор зависит от применения. Например, простая ротационная сварка предпочтительнее использовать CO 2 , а роботизированная или многоосная сварочная станция – волокно. CO2 - лазеры по-прежнему доминируют в высокоскоростных сварочных работах с толстыми и тонкими листами, но из-за их простоты и легкости в обслуживании волоконные лазеры в ближайшие годы могут применяться для большего количества сварочных работ.
CO 2 и волоконные лазеры сваривают средней мощности; лазер мощностью 5 кВт выдает мощность 5 кВт. С другой стороны, импульсный Nd:YAG может обеспечить импульс мощностью до 10 кВт от лазера мощностью 500 Вт. Возможность точного контроля пиковой мощности, длительности и формы импульса делает Nd:YAG-лазер эффективным для точечной сварки и шовной сварки с минимальным подводом тепла.
Именно импульсы в Nd:YAG выполняют большую часть работы, позволяя лазерам с очень низкой средней мощностью проникать в металл. Например, Nd:YAG мощностью 25 Вт может проникать на глубину 0,030 дюйма. стали и алюминия, благодаря относительно высокой пиковой мощности. Для того же применения потребуется как минимум непрерывный (непрерывный) CO 2 -лазер мощностью 1 кВт или волоконный лазер для достижения такого проникновения, особенно для алюминия.
Обратной стороной Nd:YAG является его неэффективность. Лампа-вспышка излучает волны различной длины с каждым импульсом, но только некоторые из этих длин волн доходят до стержня, источника лазера; остальное рассеивается в виде тепла. Это означает, что энергоэффективность колеблется в пределах 3–4 процентов по сравнению с 10–12 процентами CO 2 и 25 процентами для волоконного лазера.
Тем не менее, для сварки тонких, небольших швов, например, в электронной и медицинской промышленности, Nd:YAG остается предпочтительным процессом, поскольку для сварки требуется очень низкая средняя мощность, меньшее тепловложение и качество луча, которое последовательно улучшались на протяжении многих лет.
Выбор инструмента и рабочей станции
То, насколько легко основной металл удерживается на месте для сварки, может определять, какой лазерный процесс в конечном итоге будет применен в цехе. Деталь можно было бы более эффективно сваривать с помощью CO 2 -лазера, исходя только из скорости сварки. Но геометрия детали, настройка и крепление также должны учитываться. В системе CO 2 зеркала, а также расширитель луча и телескопические элементы между этими зеркалами должны быть правильно выровнены.
Nd:YAG и волоконные лазеры обеспечивают гибкую доставку луча через волокно, в отличие от жесткой оптики. Для первоначальной настройки требуется только привинтить концевой эффектор к фокусирующей головке; сам лазер может быть расположен в любом месте рабочей станции. Лазер Nd:YAG также может обладать характеристиками «разделения времени» или «разделения энергии». Благодаря нескольким независимо управляемым волокнам, подключенным к одному лазерному источнику, система может либо распределять полную энергию лазера по разным рабочим станциям в разное время, либо разделять общую энергию между рабочими станциями для одновременного использования. (CO 2 -лазеры также обладают такой возможностью, но это опять-таки может повлечь за собой некоторые сложности при разработке жесткой оптики.)
При разделении энергии несколько сварочных головок используют один источник лазера. В лазере Nd:YAG разделение энергии происходит внутри лазера, при этом отдельные оптоволоконные кабели ведут к отдельным рабочим станциям.
На рабочей станции инструменты могут создать или разрушить всю систему. Если его нельзя удержать, его нельзя сварить. Некоторые отрасли промышленности, такие как медицина и электроника, должны производить сложные детали, и эти детали должны иметь места, где их можно надежно удерживать, не блокируя головку лазерной фокусировки, сам фокусирующий лазер или защитный газ. Как деталь будет помещена на рабочую станцию? Будет ли он использовать фиксированный инструмент, магнитный зажим и быстросъемный инструмент? Детальное рассмотрение инструментов может устранить серьезные проблемы в будущем.
Моделирование, проверка и коммуникация
В процессе проектирования системы программное обеспечение для моделирования является бесценным инструментом (см. рис. 4 ), позволяющим учитывать каждый аспект проектирования и ничего не упускать из виду. Зачастую упускаются из виду такие простые вещи, как зазор луча или доступ газа к сварному шву. Программное обеспечение ускоряет процесс и в то же время действует как подстраховка. Однако нет ничего лучше, чем иметь под рукой настоящие детали, а также проводить живые испытания и испытания лазерной сварки. На этом этапе процесс становится итеративным, включая тонкую настройку исходных концепций.
Коммуникация между всеми сторонами является основой своевременного и успешного проектирования, поставки и установки системы. Очень важно, чтобы инженеры-проектировщики конечного пользователя и поставщика поддерживали регулярный контакт, чтобы обеспечить быстрое внесение изменений и решение проблем, чтобы при окончательной покупке не было сюрпризов.
Мониторинг и поддержка во время лазерной сварки
Лазерные системы могут иметь некоторые возможности самоконтроля. Как правило, все лазеры имеют внутреннюю обратную связь по мощности, чтобы обеспечить соответствие подаваемой мощности требуемой мощности, а внешние измерители мощности проверяют мощность после оптической системы окончательной фокусировки. Многие мониторы лазерной сварки также отображают базовую информацию о отклонении процесса, но не могут обнаружить достаточно информации, чтобы определить, хороший ли сварной шов. Другие системы предлагают удаленную диагностику, поэтому специалисты за пределами предприятия могут получить доступ к машине и выполнить устранение неполадок. Однако независимо от метода мониторинга лучшая проверка процесса предполагает использование эталонного сварного шва, показывающего ширину и проплавление для определенного режима сварки.
Все этапы внедрения лазерной сварки должны сопровождаться тесными рабочими отношениями между всеми сторонами. Компании никогда не должны внедрять лазерный процесс, не зная, что доступна полная и надлежащая техническая поддержка либо внутри компании, либо от поставщика, нанятого по контракту.
Итог: независимо от того, насколько хорошо идет реализация, могут возникнуть проблемы, и на помощь должны прийти технические специалисты.
Взвешивание соображений
При внедрении лазерной системы ни один фактор — тип материала, геометрия соединений и деталей, лазерный процесс, рабочая станция, проверка и поддержка — не существует в вакууме. Например, даже если выбор материала не идеален, геометрия соединения и требования к процессу могут доказать, что лазер по-прежнему остается лучшим решением. Применение, связанное с материалом, который считается трудным для сварки, например, с нержавеющей сталью 430, может работать с небольшой геометрией соединения, несмотря на высокое содержание углерода (более 0,12 процента). При нанесении небольших швов может потребоваться настолько мало тепла, сосредоточенного на такой небольшой площади, что можно избежать растрескивания или термообработки после сварки.
В качестве другого примера рассмотрим компанию, стремящуюся выполнить исключительно высококачественную стыковую сварку. Тип и толщина материала могут указывать на выбор либо Nd:YAG, либо волоконного лазера, и инженеры могут сначала выбрать волоконный лазер. Однако, поскольку при лазерной сварке используется средняя мощность, размер пятна процесса, необходимый для обеспечения достаточной плотности мощности, может быть чрезвычайно маленьким, возможно, от 50 до 100 микрон. Такая тонкая балка усложняет обработку, и отслеживание линии соединения становится критически важным. Как компания будет удерживать деталь, чтобы луч каждый раз попадал в нужное место? Здесь инженеры могут вместо этого использовать Nd:YAG с размером пятна более 200 микрон. Сама лазерная сварка такая же быстрая, как у волоконного лазера? Возможно, и нет, но скорость сварки ничего не значит, если деталь нельзя точно и стабильно удерживать на месте под лазером.
В конечном итоге речь идет о взвешивании требований к качеству и стоимости и разработке детали, соответствующей процессу. Когда установлены требования к материалу и геометрии соединений, большинство остальных факторов обычно встают на свои места.
