Твердотельный лазер против газового лазера – современная лазерная технология для производства компонентов для трансмиссий

22.06.2016 - Markus Isgro

Modern Laser Production Technology for Powertrain Components

Еще несколько лет назад в цехах крупных производителей очевидно доминировала сварочная технология с использованием CO2-лазеров. Огромные установки, смонтированные в собственных помещениях отдельно от непосредственного производства в цехах, поставляли энергию для тогда еще юной технологии лазерной сварки. С тех пор создание нового оборудования не останавливалось. В современных установках все больше используются твердотельные лазеры, обладающие рядом преимуществ.


Люди, которые это точно знают, потому что они имеют дело с лазерной технологией каждый день, находятся в тихом Хайбахе, где расположено подразделение EMAG Automation, в нескольких километрах от Швебиш-Гмюнд. «Мы начали применять на наших установках твердотельные лазеры с 2008 года, потому что они имеют просто подавляющее преимущество по сравнению с более старыми CO2-лазерами», – отмечает д-р Андреас Моотц, управляющий директор EMAG Automation GmbH. «Мы были, конечно, пионерами, которые создали «приличный» твердотельный лазер для сварки прецизионных деталей, таких как компоненты коробки передач. Специальные требования к оборудованию установки и технологическому оборудованию, в частности, к зажимному оборудованию и приспособлениям, значительно выше, чем при CO2-лазере». 

Преимущество 1: Снижение эксплуатационных расходов

При оценке эксплуатационных расходов лазерных сварочных установок обращают на себя внимание прежде всего две составляющие: энергопотребление лазера и стоимость газа. При этом следует различать лазерный газ (активная среда) и защитный газ для стабилизации процесса сварки. При проектировании установок и сварочного процесса наряду с потреблением газа следует прежде всего учитывать расходы, связанные с дорогостоящей логистикой газа – расходы, которые полностью устраняются при использовании твердотельных лазеров, таких как дисковые или волоконные лазеры. На установках EMAG в качестве технологического газа используется главным образом сжатый воздух, что хотя и приводит к образованию тонкого слоя оксида на поверхности шва, но не влияет на качество сварных швов. По энергопотреблению CO2-лазер также уступает твердотельному лазеру. Для создания 4 кВт лазерной мощности CO2-лазеру требуется 56 кВт электрической мощности, а твердотельному лазеру – лишь 17 кВт, что соответствует экономии энергии 70 процентов. К тому же значительно снижается требуемая охлаждающая способность. Если учесть еще и эту экономию, то потребление энергии твердотельным лазером составит лишь одну четверть от потребления энергии CO2-лазера при одинаковой выходной мощности.

Преимущество 2: Расположение оборудования

Лазерные сварочные установки часто работают с коротким временем цикла в диапазоне нескольких секунд и обеспечивают огромную пропускную способность. Поэтому очень важно интегрировать их в материальный поток при изготовлении.У оборудования CO2-лазера управление лучом, то есть «транспортировка» лазерного луча к сварочной оптике осуществляется с помощью систем зеркал. Поэтому источник излучения, холодильные агрегаты и станция(и) обработки должны быть расположены близко друг к другу. Это является причиной ряда недостатков, например, затратная транспортировка деталей на сварку/после сварки, что создает проблему, если требуется создать несколько сварочных постов от одного лазерного источника. Для сварочных установок дискового или волоконного лазера этих проблем практически не существует, так как занимаемая площадь настолько незначительна, что их можно интегрировать без труда в существующие производственные линии. Фактически лазерный источник может находиться на расстоянии до 50 м от установки, так как сравнительно несложно выполнить «транспортировку» лазерного луча по волокну. Таким образом, сварочные посты могут быть оптимально интегрированы в поток материала.

Преимущество 3: Качество и скорость 

Снижение издержек и удобное расположение оборудования – это хорошо и прекрасно, но можно ли оценить качество сварных швов в сравнении со швами CO2-лазера? Коротко говоря, да. Во многих приложениях возможно даже увеличение скорости сварки. Вследствие этого снижается как тепловая деформация детали, так и время цикла.В заключение можно сказать, что оборудование волоконного/дискового лазера эффективнее оборудования CO2-лазера и обеспечивает повышенную скорость сварки. Таким образом, дисковые или волоконные лазеры полностью удовлетворяют современным требованиям при изготовлении компонентов для легких автомобилей с низким расходом топлива.

Не бывает лазера без тени

До этой строки все говорит за использование твердотельных лазеров, но как все же обстоит дело с недостатками? «Говорить можно не о недостатках по сравнению с CO2-лазерами, а скорее о проблемах, с которыми необходимо справиться», – поясняет д-р Моотц. «Так, применение твердотельных лазеров требует значительно более высокой точности, чем прежде. Точность позиционирования луча до 50 мкм предъявляет высочайшие требования к установке, креплению детали и зажимной оснастке, а также к позиции фокуса и ориентации лазерной оптики». Требования, которым полностью удовлетворяют установки ELC от EMAG. Что касается, например, проблемы со сварочными брызгами, которые чаще возникают при использовании твердотельных лазеров, то необходимо использовать точно настроенные инструменты, которые оптимально укрывают деталь. При обработке различных деталей возникает проблема по возможности быстрой переналадки, решенная EMAG в ELC 160 просто, но эффективно. Для этого установка оснащена инструментальным мостом, содержащим до трех различных комплектов инструментов вместе со встроенной вытяжкой отходящих газов, что позволяет за несколько секунд выполнить автоматическую переналадку – идеально для очень гибкого и высокопроизводительного изготовления деталей коробок передач большими партиями. Очевидно, что использованию твердотельных лазеров в производительных лазерных сварочных установках для изготовления компонентов трансмиссий практически нет альтернативы. Тем не менее, их использование требует должных экспертных знаний для того, чтобы объединить все достоинства в одной высокоэффективной лазерной системе так, как это сделано в установках серии ELC от EMAG. Повседневная проблема, которая с успехом решается экспертами в Хайбахе. 

Факты и сведения:

Термины:

ЛАЗЕР - LASER –это аббревиатура, составленная для Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света стимулированным излучением). Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда (например, углекислый газ CO2 или кристаллы), атомы и молекулы которой система накачки, второй основной компонент лазера, переводит в требуемое состояние. Третья составная часть каждого лазера – резонатор, который в конечном счете обеспечивает, чтобы возникающие в активной среде фотоны высокой энергии покидали материал, непосредственно образуя лазерный луч.

Сварочные брызги – это мелкие частицы, которые в процессе сварки выделяются из детали и распределяются на ее поверхности. Они ухудшает качество детали, поэтому их следует всемерно избегать. 

Система накачки – это система, обеспечивающая перевод электронов рабочей среды в возбужденное состояние на более высоком энергетическом уровне. Это происходит, как правило, под действием излучения, например, лазерного диода. 

Твердотельный лазер – это лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твердом состоянии. Это могут быть кристаллы или стекло, активированные посторонними ионами См. также CO2-лазер.

Лазерный диод – это основа системы накачки, в которой генерируется энергия для излучения накачки в требуемом диапазоне длины волн. Лазерные диоды нашли применение в качестве источника энергии, так как они, по сравнению с другими оптическими средами, например, дуговыми лампами, имеют намного больший срок службы и более высокий КПД.  

CO2-лазер – у этого лазера активная среда представляет собой углекислый газ CO2 – по аналогии с твердотельным лазером. 

Дисковый лазер –  это твердотельный лазер, резонатор которого представляет собой кристалл в форме диска. Чтобы добиться по возможности более высокой абсорбции энергии, подаваемой системой накачки, излучение накачки несколько раз направляется через диск.

Волоконный лазер – в соответствии с названием содержит стекловолокно, служащее активной средой. Энергия накачки подается в стекловолокно, вследствие чего возникает лазерное излучение. 

Подробная информация:


Установки лазерной сварки
технология лазерной сварки

Контактное лицо

Markus Isgro

Press and Communication

Телефон:+49 7162 17-4658
Факс:+49 7162 17-4027
E-mail:communications@emag.com

Рисунки