Vláknové lasery: Proč je lepší řešit svařování pro e-mobilitu s jemností, ne hrubou silou?

Úspěch při nejobtížnějších svařovacích úlohách v automobilovém průmyslu a v oblasti e-mobility vyžaduje přesnou kontrolu nad tím, jak je laserový výkon dodáván na obrobek.

Použití vláknových laserů v automobilové výrobě je velmi úspěšné - byly použity pro řadu aplikací svařování a řezání, včetně svařování karoserií, závěsných dílů, součástí hnacího ústrojí a dalších. Není to žádné překvapení. Vláknové lasery nabízejí několik výhod oproti většině dříve používaných technologií, a to jak laserových, tak nelaserových.

Automobilový průmysl je však i nadále velkým zdrojem inovací. Ačkoli se vysokovýkonné vláknové lasery již nějakou dobu úspěšně používají v automobilové výrobě, nejsložitější svařovací procesy, které nyní přicházejí do provozu na podporu e-mobility a nízké hmotnosti, vyžadují více než jen hrubý výkon a hrubou sílu. I když ve skutečnosti existuje poměrně velké množství různých individuálních aplikací, většina z nich obvykle zahrnuje:

• velmi tenký nebo na teplo citlivý materiál
• "obtížně" svařitelné materiály, jako je hliník, měď a vysokopevnostní ocel.
• spojování různorodých materiálů

Aby bylo možné tyto náročnější typy úloh realizovat, musí laser nabízet dvě základní schopnosti. První z nich je dostatečný výkon, který podporuje potřebnou výrobní kapacitu. Vysoký výkon je také nutný k dosažení dostatečného průniku materiálu při práci s tlustšími díly. Druhou je schopnost přesně řídit způsob, jakým je výkon laseru distribuován na pracovní plochu - jak prostorově, tak v čase.

Výkon s přesností

Společnost Coherent vyvinula vláknový laser s nastavitelným kruhovým režimem (ARM) speciálně pro zajištění výkonu i přesnosti. Aby toho dosáhl, využívá ARM duální výstup paprsku - vytváří centrální bod, který je obklopen dalším soustředným prstencem laserového světla. Výkon ve středovém i prstencovém bodě lze nezávisle řídit, a dokonce i modulovat.

Vláknové lasery Coherent HighLight řady FL-ARM jsou k dispozici s celkovým výkonem až 10 kW. To je více než dostatečné pro provádění prakticky všech kritičtějších úloh svařování při použitelné propustnosti. Ve skutečnosti většina těch nejchoulostivějších a nejnáročnějších typicky využívá méně než polovinu této hodnoty. Lasery Coherent ARM tedy poskytují možnost nasměrovat dostatečný laserový výkon přesně tam, kde je potřeba, a tehdy, kdy je potřeba.

Jeden z příkladů, jak to funguje, je vidět při svařování mědi. Někteří výrobci přešli na použití zeleného laseru pro svařování mědi, protože tato barva paprsku je mědí lépe absorbována než infračervený výstup vláknového laseru. To však platí pouze při pokojové teplotě. Jakmile se měď zahřeje, dobře absorbuje infračervené světlo, a jakmile se vytvoří klíčová dírka, je to ještě lepší. A pak se nižší absorpce stává vlastně výhodou, protože umožňuje hlubší průnik laserového světla, což usnadňuje svařování silnějších substrátů.

Scénář svařování mědi laserem ARM tedy začíná tím, že výkon je pouze v prstencovém paprsku, který materiál zahřívá, dokud se neroztaví. Poté se zapne středový paprsek s vysokým výkonem, který vytvoří klíčovou dírku. Během svařování se však určitý výkon udržuje v prstenci, protože se tím stabilizuje klíčová dírka, takže je méně turbulentní a chaotická. Tím se snižuje rozstřik a dosahuje se konzistentnějších výsledků. Když paprsek dosáhne konce svarového spoje, výkon prstence se zcela vypne a výkon jádra se plynule sníží, aby se vytvořil čistý, rovnoměrný konec.

Stejná schopnost - přizpůsobit profil ohřevu materiálu tak, aby se maximalizovala stabilita a konzistence klíčové dírky, a zvýšit a snížit výkon na konci svaru - přináší podobné výhody i při svařování jiných problematických materiálů, jako je hliník a pozinkovaná ocel. Umožňuje také velmi přesné svařování tenkých, jemných nebo na teplo citlivých materiálů.

Logika přílišného výkonu

Někteří výrobci vláknových laserů uvádějí, že jejich výrobky umožňují, podobně jako Coherent ARM, převést 100 % celkového výkonu do jádra nebo kruhových paprsků, jako by to byla výhoda. Ale není tomu tak - celé kouzlo laseru ARM spočívá v tom, že výkon mezi jádro a prstenec rozděluje a tím rozkládá tepelný příkon do dílu takovým způsobem, který přináší lepší výsledky než jediný paprsek - stejně jako v dříve popsaném příkladu svařování mědi. Proč jinak nepoužít standardní (a levnější) vláknový laser s jedním paprskem?

Rovněž vyvolali obavu, že architektura Coherent ARM není "flexibilní". Abyste toto tvrzení pochopili, musíte vědět, že lasery ARM jsou ve skutečnosti konstruovány pomocí dvou nebo více modulů vláknových laserů, z nichž každý je zapojen buď do jádra, nebo do prstence, aby se dosáhlo různých maximálních poměrů výkonu. (V provozu pak lze výkon v každém z nich plynule měnit od 0 % do 100 % tohoto maxima.)

Počet modulů, které se zapojují do jádra a prstence, se nastavuje při výrobě systému. Takže laser ARM o výkonu 8 kW, který je zkonstruován ze čtyř modulů o výkonu 2 kW, může být nakonfigurován se třemi různými maximálními poměry výkonu středu a prstence. Jsou to 6 kW/2 kW, 4 W/4 kW nebo 2 kW/6 kW. A tyto celkové poměry nelze dodatečně měnit, proto ta údajná "nepružnost".

Konfigurace použitá pro laser konkrétního zákazníka však vychází z procesních zkoušek provedených dlouho před zakoupením laseru. Ty stanoví úrovně výkonu a výkonové poměry potřebné k úspěšnému provedení cílové operace ve výrobě. A poskytují dostatečně velké procesní okno, aby bylo možné provést jakékoli změny potřebné k přizpůsobení se změnám procesu (například změnám v surovinách mezi jednotlivými šaržemi). Kromě toho daný laser obvykle umožňuje velmi široký prostor pro následné změny v samotném procesu. Podstatné je, že určení správného výkonu a poměru výkonu na začátku eliminuje nutnost provádět později velké změny výkonu laseru.

Konkurence může tvrdit, že výrobek společnosti Coherent není "skutečným" vláknovým laserem o výkonu 8 kW. A mají pravdu - je to vláknový laser ARM o výkonu 8 kW. To znamená, že odvádí lepší práci než cokoli jiného při aplikaci laserového výkonu přesně takovým způsobem, který přináší nejlepší výsledky pro konkrétní úkol. A tentýž 8kW vláknový laser bude i nadále poskytovat lepší výsledky, i když se vaše potřeby změní nebo vyvinou.

Prozkoumejte řadu laserů

• VLÁKNOVÝ LASER HIGHLIGHT ARM

Zdroj: coherent.com