Аппараты оптоволоконной лазерной сварки металлоконструкций, ручного позиционирования.

Оптоволоконный лазер

Волоконный лазер навсегда изменил процесс резки, и сварка может быть следующей

Лазерная сварка не нова. Эта технология распространялась в течение многих лет в некоторых отраслях промышленности, таких как автомобильная, медицинская, оборонная и аэрокосмическая. Это включает в себя OEM-производителей и поставщиков, которые их обслуживают. Даже на этой арене лазерная сварка не является повсеместной, но и не редкостью.

Тем не менее, рискните выйти за пределы этих ниш и на общую пользовательскую производственную арену, и вы обнаружите, что лазерная сварка остается настоящей редкостью. Даже если фабрикатор предлагает заварку лазера, он остает процессом бахромы, используемым для отборных работ.

Дуговая сварка остается доминирующим способом, которым большинство фабричных цехов соединяют два куска металла вместе. А почему именно так? Объемы, возможно, были проблемой в прошлом, но сегодня многие производители на заказ приняли роботизированную дуговую сварку с большим успехом. Доминирующие проблемы в настоящее время включают подгонку деталей и фиксацию, а также тот факт, что многие детали имеют конструкции, которые не учитывают требования к лазерной сварке.

Эти проблемы реальны, но их преодоление не так сложно, как вы могли бы подумать. Это происходит благодаря не только эволюции лазерной сварки, но и точности восходящих процессов, включая лазерную резку и гибку, а также некоторым новым подходам к фиксации.

Лазерная сварка требует от изготовителей думать заново, не только о допусках сварочного зазора или требованиях к фиксации, но и обо всем процессе изготовления металла.

Больше емкости, меньше машин

Фабрикаторы находятся в бесконечном поиске, чтобы получить больше из того, что у них есть. Чтобы увеличить производительность резки и гибки, производитель может осуществлять технологические улучшения, будь то постановка инструментов и материалов или стандартизация и документирование методов настройки машины. Но в какой-то момент, если производитель хочет увеличить производительность резки или гибки, ему нужно больше оборудования.

Благодаря волоконным лазерам для резки и автоматизации пресс-тормозов для гибки, каждая новая машина намного более производительна, чем та, что была до нее. В зависимости от типа материала и толщины он обрабатывает, высокомощный лазер волокна может иметь производительность режущего инструмента нескольких лазеров CO 2. Пресс-тормоз с автоматическим изменением инструмента может быть более производительным, чем два или более обычных тормоза. По мере развития технологии изготовления, каждая машина продолжается произвести больше частей качества в меньше времени.

Затем идет сварка и послесварочное шлифование и отделка, процессы, которые не развивались таким же образом. Конечно, магазин может установить робототехнические ячейки дуговой сварки, даже оптимизировать Программирование с автономным моделированием,но для многих продуктов, которые медленные, ручные, трудные шаги послесварного шлифования остаются.

Программист, добавляющий немного дополнительного металла сварного шва в соединение для учета изменения зазора, может усугубить проблему, поскольку операторы шлифования борются за удаление металла сварного шва и полировку заготовки. Время потраченное Меля поднимает, как делает потребляемая польза. Чрезмерное измельчение не является приятной задачей, поэтому текучесть кадров также может увеличиться, что связано с ее собственными расходами, включая дополнительную подготовку и потенциал для большей переработки.

Рисунок 1 
Эти сваренные части нержавеющей стали не требуют никакой послесварочной шлифовке.

Неудивительно, что производители переработали детали, чтобы исключить сварку, особенно по мере того, как усложнение тормоза пресса увеличилось. Вместо того, чтобы сваривать две или три части вместе, почему бы не сформировать его как один кусок? Сложная установка изгиба с сегментированными инструментами могла бы в свое время быть непрактично сложной. Но теперь, благодаря программному обеспечению для моделирования, автоматизации смены инструмента и интеллектуальной коррекции угла, даже неопытный оператор может настроить сложную работу в течение нескольких минут.

Но эта стратегия может не сработать для каждой части, и она может сделать другие операции более сложными. Сложные части могут быть трудны для того чтобы штабелировать и транспортировать. Даже если настройка проста, выполнение сложной последовательности изгибов раз за разом может потребовать значительной концентрации.

Как и многие аспекты фабрикации, эта ситуация имеет компромиссы. Если цех решает разрезать и сварить детали отдельно, он будет иметь избыточную сварку и шлифование; если он объединяет части в одну сложную деталь, он должен иметь дело с трудными гибочными операциями.

Но что, если у фабрикаторов был другой вариант? А что, если эти куски можно было бы сварить лазером? Волоконный лазер может сваривать гораздо быстрее, чем дуговая сварка, конечно, но скорость самого шва составляет только половину изображения. Другая половина, исключение молоть, может иметь даже больший удар по общему объем.

Большинств изготовленные на заказ изготовители знакомы с лазером волокна. Гибкое стекло-волокно, легированное иттербием и накачанное диодами, которые выводят определенную длину волны-суть технологии внутри источника питания волоконного лазера-оказало значительное влияние на производительность лазерной резки во всей отрасли. В ближайшие годы, лазер волокна смог иметь подобное влияние на заварке.

Сварка со светом

Наука лазерной сварки прошла долгий путь. Как и в резке, сварка с помощью лазера сводится к анализу того, как определенный материал поглощает энергию лазера. Волоконные лазеры для сварки и резки ведут себя почти так же, как они перемещаются от источника питания и через волокно доставки.

Разница случается на обрабатывая головке. Расположенный в миллиметрах над поверхностью материала, режущая головка фокусирует Луч и вспомогательный газ (лазерный «режущий инструмент») эвакуирует расплавленный материал для создания прорехи. Волоконная лазерная сварочная головка работает дальше от поверхности материала и фокусирует луч таким образом, чтобы достичь оптимального сварного шва. И как в дуговой сварке, заварка лазера использует газ (как аргон) для того чтобы защитить сварку от атмосферы.

В типичных применениях в изготовленном на заказ изготовлении, заварка лазера аутогенна; то есть, она не использует никакой наплавной металл. Это снижает затраты на расходные материалы и сводит к минимуму требования к отделке после сварки (см. Рисунок 1 ). Все еще, заполнитель можно добавить если структурные или косметические спецификации требуют его. Новые механизмы подачи проволоки и вкладыши теперь могут кормить некоторые из самых трудных проводов заполнителя, включая алюминий.

Как и в любом процессе сварки, создание хорошего лазерного шва включает в себя множество переменных. Одним из факторов является свариваемость материала. Большинство распространенных материалов, которые будут обрабатываться фабричным цехом—будь то углеродистая сталь, нержавеющая сталь или алюминий—были успешно сварены лазером в течение многих лет, используя как непрерывные волны, так и импульсные режимы. Лазеры выполнили сварку разнородных металлов (см. Рисунок 2), и специализированные конструкции соединения сварки в гальванизированном материале даже определяли дегазацию цинка. Кроме того, было показано, что 1-микронный многокиловаттный волоконный лазер успешно сваривает даже самые сложные материалы, в том числе медь (см. Рисунок 3 ).

Все это зависит от приложения, конечно, и материальные проблемы действительно возникают. В целом, однако, когда речь заходит о лазерной сварке, ограничивающим фактором является не Тип материала, а толщина материала. Было показано, что волоконные лазеры сверхвысокой мощности сваривают некоторые чрезвычайно толстые материалы. В типичной окружающей среде изготовления, лазер волокна 4-kW может сварить 0.25-in.- толстая углеродистая сталь довольно легко.

Совместные факторы доступа в любую автоматизированную ситуацию заварки, конечно. Доступ к труднодоступным районам может вызвать несколько дорожных заграждений. Но чаще всего небольшие изменения в конструкции детали могут облегчить проблему. Это оставляет две оставшиеся, тесно связанные проблемы: подгонка и фиксация.

Достижение плотной подгонки

Все знают, что лазерная сварка требует плотной подгонки. Тем не менее, сам процесс лазерной сварки стал более гибким благодаря технологиям в сварочной головке. В частности, лазер больше не должен свариваться в фиксированной точке вдоль шва, а вместо этого может вращаться в пределах небольшой области с помощью вращающейся линзы (см. Рис.4).

Также учитывайте точность современного режущего и гибочного оборудования. Большая часть дискуссий о проектировании деталей для лазерной сварки возникла с листовыми металлическими деталями, которые оказались штампованными. Проектирование детали для лазерной сварки часто требовало изготовления или модификации штамповой матрицы-дорогостоящее предложение.

Но что делать, если в цехе есть современный волоконно-лазерный автомат для резки и пресс-тормоз с прецизионно-шлифовальной оснасткой? Процесс проектирования и изготовления может быть изменен, чтобы обеспечить хорошую подгонку для различных геометрий соединений без необходимости обработки совершенно новой штамповки.

Кроме того, такое оборудование очень воспроизводимо. Пока операторы выбирают правильные инструменты тормоза Прессы и вызывают правую программу, листы должны сформировать вверх такой же путь каждый раз. Если изменение инструмента на тормозе прессы автоматическое, то возможность неправильного тоолинг тормоза будет даже более удаленной.

Исправьте это правильно

Фиксация была еще одним препятствием, но это тот, который был значительно снижен в последние годы. Вы можете утверждать, что высокоскоростная волоконная лазерная сварка делает подход к фиксации еще проще. Правда, при сварке очень тонкий шток-скажем, 0,020 дюйма.- подвод тепла оказывает заметное влияние на расположение суставов. В этих случаях лазерная сварочная установка может использовать аналогичные стратегии снижения температуры, как и любая дуговая сварочная ячейка, например медные радиаторы и другие материалы подложки, или балансировать зажимные усилия, чтобы место соединения не перемещалось во время сварки.

Но для большинства деталей процесс лазерной сварки происходит так быстро и имеет такую концентрированную зону термического воздействия (HAZ), что избыточное тепло не является фактором; на самом деле, природа HAZ делает весь процесс более повторяемым и точным. Это также означает, что арматуре не нужно компенсировать эту избыточную тепловую отдачу, что, в свою очередь, упрощает проектирование и внедрение в производство более простого и менее дорогостоящего сварочного устройства.

Сегодняшняя технология лазерной сварки работает с целым рядом стратегий фиксации, которые при соединении с прецизионными восходящими процессами могут помочь оптимизировать поток через лазерную сварочную ячейку. Наиболее простой является фиксатор положения (см. Рис. 5), который может включать в себя стандартные остановки и зажимы для переключения, или это может быть просто несколько сварных швов. Такое приспособление может зажать агрегат для того чтобы достигнуть правильной совместной пригонки-вверх, но совместное положение не могло находиться в таком же месте каждое время, и это быть предположено.

Чтобы приспособиться к этому, робот делает сухой прогон. С выключенным лазером робот движется вниз по траектории соединения, и оператор контролирует видеоэкран, который показывает соединение, когда оно проходит под сварочной головкой. Если оператор видит, что сустав отклоняется от программы, он регулирует путь робота на лету. С сухим запуском полным, оператор начинает цикл заварки.

Все это может показаться до смешного неэффективным для производства, пока вы не измерите фактическую пропускную способность—и не только в сварке, но и в сварке и послесварочном шлифовании и отделке. Робот сваривает настолько быстро, что в некоторых случаях выполнение двух проходов (сухой прогон с последующим фактическим лазерным сварным швом) может опередить традиционную дуговую сварку. Но даже если это не так, общая пропускная способность, вероятно, все равно увеличится.

Благодаря концентрированному подводу тепла, быстрой скорости перемещения при сварке и минимальному хазу большинство сваренных лазером деталей определенного размера остывают на ощупь сразу после сварки. Эти части после этого могут пропустить postweld молоть, один из самых требующий много времени процессов на ЦЕХе. Если детали проходят последующую полировку, это обычно соответствует определенным косметическим требованиям.

Используя приспособление положения и выполняя сухой прогон преодолевайте общую головоломку в заварке лазера, и во всей автоматизации заварки, на том деле: отслеживать шва. В течение многих лет адаптивная сварка с отслеживанием шва сделала значительные достижения. Эта технология, безусловно, имеет место среди различных специализированных сварочных применений, особенно там, где нецелесообразно проектировать вариабельность в производственных процессах перед производством. В противном случае, если восходящие процессы точны и повторяемы, робот может сварить совершенно хорошо слепую, без отслеживания шва.

Включать отслежыватели шва быстро достаточно для того чтобы контролировать сварки лазера волокна не был практически, или от физической или экономической точки зрения. Сухой прогон-это простой способ учета изменчивости суставов.

В идеале, восходящие процессы воспроизводимы и достаточно надежны, чтобы устранить эту совместную изменчивость, но это только часть уравнения подгонки. Еще одним фактором является дизайн детали. Это может включать tab-and-slot и другие методы самофиксации, а также простые рельефные насечки, чтобы соседние фланцы могли плотно образовываться.

И еще одним фактором является, конечно же, само приспособление, которое может сдвинуть две заготовки вместе, чтобы обеспечить твердый контакт. Традиционно это включало приспособление продукции, цену которая обескураживала много высок-продукт-смешивает, low-volume fabricators от использования автоматизации заварки. Для высокообъемных применений, приспособление продукции имеет смысл. Конструированное право, приспособление продукции может представить соединение к роботу так, что оно положит вниз совершенное время сварки лазера после времени. Оператор нагружает, струбцины, unclamps, разгружает, и перезагружает, без требуемых сухих запусков.Сложные приспособления могут иметь компоненты или даже обработанные каналы для гидравлического или воздушного зажима, поэтому операторы могут загружать и выгружать еще быстрее.

Но объемы не всегда оправдывают такие здоровенные инвестиции в арматуру, и вот где еще один вариант фиксации играет решающую роль: прототип арматуры, построенный с блокирующими листовыми металлическими компонентами, сочетается с использованием конструкции tab-and-slot и часто просто приварен вместе. Приспособления металлического листа не новы, и вырезывание лазера точности делало такие конструкции приспособления возможным. Изготовители с роботизированными ячейками дуговой сварки используют их в течение многих лет. Также, «приспособление прототипа» как раз ярлык. На самом деле, такие приспособления были использованы для повторной и высокообъемной работы.

Цех лазерной сварки

Лазер навсегда изменил отдел вырезывания для изготовленных на заказ изготовителей, и он скоро может сделать то же самое для отдела заварки. Представьте себе ситуацию, в которой инженер импортирует 3-D файл САПР. Это срочная работа, но атрибуты сварного шва отражают то, что компания ранее сваривала лазером. Это малообъемный запуск нескольких десятков сборок, которые будут заказываться повторно, а не разовая ситуация, поэтому он решает, что стоит сделать больше, чем прибегать к простому креплению местоположения.

Он строит приспособление металлического листа вокруг агрегата. Он также видит, что для совместного доступа ему нужно поставить рельеф в одной области, чтобы обеспечить плотное сопряжение соседних фланцев. Затем он отмечает, что одна область сборки может быть самофиксирующейся с выступами и пазами.

Работа после этого послана к полу, при пробелы и компоненты приспособления отрезанные на лазере в тоже время. Плоские компоненты приспособления перемещают сразу к заварке, где они собраны и прикреплены совместно. Комплект деталей формируется на пресс-тормозе с автоматической сменой инструмента и сразу же поступает на сварку. В этот момент приспособление поставлено, и оператор готов запрограммировать работу. Затем он выполняет сухой прогон, сваривает заготовку и отправляет ее на осмотр.

Рисунок 4 
Вращающийся объектив направляет луч по круговой траектории, по мере того как он перемещает вдоль шва, что позволяет вести сварку с большим допуском швов.

Процесс квалифицирован и остальные рабочих частей посланы к полу. В течение нескольких часов несколько десятков сборок свариваются, не требуют шлифовки, работа считается законченной.

Так что же происходит с креплением? Это зависит от работы, сложности устройства и доступного хранилища. Скажем, в магазине есть ряды и ряды прототипов и производственных сварочных приспособлений в ассортименте. Если эта самая последняя работа, скорее всего, не появится снова в течение нескольких месяцев, может быть, имеет больше смысла отказаться от некоторых компонентов крепления и, возможно, сохранить базовую пластину и несколько других компонентов для использования на будущих, возможно, очень разных работах.

О скорости движения

Скорость изготовления-компонентов приспособления сварки конструировать и вырезывания лазера, гнуть, и заварки лазера-дает изготовленные на заказ варианты изготовителя. Должна ли сборка объединить несколько деталей из листового металла в одну, хотя и сложную, сформированную деталь, возможно, с некоторыми механическими крепежными деталями? Или было бы быстрее или более последовательно продолжать формировать простой и выполнять больше лазерной сварки—что, опять же, оставляет приятный косметический внешний вид и обычно не требует отделки? Формирование не может быть проблемой, если в магазине есть новейшее оборудование, но как насчет этих требований к креплению?Насколько легко было бы пропустить вставку части оборудования? Будет ли проще сварить его и покончить с этим?

Такая дискуссия, вероятно, не состоялась бы, если бы дуговая сварка и послесварочное шлифование были единственным вариантом. Сложная формовка и аппаратная вставка могут быть утомительными, но они быстрее, чем отправлять детали в отдел шлифования. Но поместите лазерную сварку в уравнение, и обсуждение изменится, что даст производителям больше возможностей для увеличения скорости потока деталей на полу.

Такая скорость теперь реальность в изготовленном на заказ изготовлении, и она больше чем как раз наблюдающ сногсшибательную скорость лазера волокна делает свой путь через шов сварки. Это значит смотреть на общую картину, забыть то, чему тебя учили, и думать по-другому.

Рисунок 5 
Это приспособление фиксации положения стандартных деталей для лазерной сварки на серийном производстве.