Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I


Folyamatfelügyelet a remote welding technológiában



Yüklə 0,64 Mb.
səhifə8/9
tarix06.03.2018
ölçüsü0,64 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9
4.2. Folyamatfelügyelet a remote welding technológiában

A modern szilárdtestlézerek sugárminőségének erős javulása, illetve egyes CO2-lézerek nagyon jó sugárminősége új utat jelölt ki az ipari gyártás stratégiájában. Az új stratégia kulcsa az erősen megnövelt fókusztávolság.

Az új stratégiával szükségszerűen együtt járt a gyártási minőség biztosításának igénye, kérdésköre. Az új technológia oly mértékben különbözik a hagyományosnak tekintett hővezetéses és mélyvarratos lézersugaras hegesztéstől, hogy a korábbi módszerek nem voltak alkalmazhatók. A szélső esetben több mint 1m-es távolság a lézerfej, a lézersugár haladási irányában utolsó optikai elem és a hegesztés helye között kérdésessé teszi, hogy a korábban kidolgozott minőségbiztosítási elvek egyáltalán használhatók-e. A remote welding ipari környezetben való elterjedésének azonban feltétele volt a folyamatfelügyelet megvalósíthatósága.

Le kell szögezni, hogy a folyamatfelügyelet korábbi fizikai alapelveinek megváltoztatására nincs és nem is volt szükség. A sugárminőség javulása, a nagy fókusztávolság ugyanis nem eredményez lényegi változást a lézersugár-anyag kölcsönhatásban.

A folyamatfelügyelet szempontjából az egyetlen lényeges különbség a hagyományos lézeres és a remote welding technológiák között a jelentősen megnövekedett távolság a lézerfej és a munkadarab között. Ebből következik, hogy a figyelmet azokra a szenzorokra kell fordítani, melyek a lézersugár-anyag kölcsönhatás helyszínére irányulnak, a szenzorok működési tartományát pedig optimálni kell a megnövekedett távolságra. A remote welding alkalmazások jelentős része átlapolt I-varrat létrehozására irányul. A stratégiák kidolgozásánál külön kell választani a CO2- és a szilárdtestlézerek esetét.

4.2.1. Folyamatfelügyelet a CO2-lézeres remote welding esetén

Az 1600mm-es fókusztávolságú hegesztés a technika mai állása szerint valóságnak számít. Stratégiai szempontból ennek következménye, hogy a lézersugár-anyag kölcsönhatás területére irányuló lézersugárral koaxiálisnak kell lennie a megfigyelésnek. Csak így biztosítható ugyanis, hogy a megfigyelő szenzor látóterében csak a megmunkálási (hegesztési) terület legyen.

Tudatában kell lennünk annak, hogy ugyanúgy, ahogyan a lézersugaras hegesztés, a folyamatfelügyelet is elektromágneses sugárzás segítségével valósul meg. A megmunkáló (hegesztő) és a felügyeleti sugárzás közötti különbség a hullámhosszúságban és a sugárzás intenzitásában van.

Az ilyen filozófiájú sikeres scann-rendszerek közül a Trumpf gyártmányú „TrumaScan L4000” és a Rofin Sinar „RWS Remote Welding System” emelhető ki. Közös jellemzőjük, hogy a nagy munkaterület mellet Z-irányú pozicionálás lehetőségét is kínálják.

3.4.2.1.1. ábra

Az érzékelés és a lézersugár integrációja szempontjából ez azt jelenti, hogy az érzékelőegységnek mindenkor meghatározott távolságra kell lennie a megmunkálandó (hegesztendő) munkadarab felületétől. Ésszerű, hogy a szenzor és a fókuszálóegység mechanikai kapcsolatban legyen egymással. Ennek egy lehetséges megoldását mutatja a 3.4.2.1.2. ábra.

3.4.2.1.2. ábra

Ebben az elrendezésben az érzékelőblokk a mozgó pásztázóegységre szerelt, amely a fókuszálóegységet is magában hordozza. Ez a koaxiális pozicionálás optimális lehetőséget biztosít a lézersugár-anyag kölcsönhatási terület megfigyelésére.

Ehhez képest a Trumpf megoldása egy „összehajtogatott” sugármenetet alkot, ahogyan azt a 3.4.2.1.3. ábra mutatja.

3.4.2.1.3. ábra

Ezzel az optikai rendszerrel biztosított, hogy a hőmérséklet és a plazma figyelésére szolgáló szenzorok csak a kölcsönhatási területre, illetve annak közvetlen környezetére irányuljanak. Az érzékelők természetesen ebben a megoldásban is a pásztázó mozgó fókuszálóegységére vannak felszerelve.

Egy tipikus remote welding munkadarabot mutat a 3.4.2.1.4. ábra. Az állítható autóülés háttámlájának szimmetrikus oldalelemein 4-4 hegesztési hely van.

3.4.2.1.4. ábra

A 3.4.2.1.4. ábrán bemutatott alkatrészeknél a felügyeletet multiszenzor-technológiával oldották meg. Az UV tartományban érzékeny egység a plazma, az IR tartományban érzékeny pedig a hőmérséklet figyelésére szolgált. A hegesztés minőségét alapvetően befolyásoló paraméterek az ilyen jellegű (átlapolt I-varrat) feladatoknál a lézersugár teljesítménye, a hegesztési sebesség, a fókuszhelyzet, a védőgáz térfogatárama és a két munkadarab közötti távolság. Még az utóbbi paraméter nagysága is látványosan befolyásolja a varrat jóságát, ahogyan ezt a 3.4.2.1.5. ábra mutatja.

3.4.2.1.5. ábra

A szenzorok jelének változását a két munkadarab közötti rés nagyságának függvényében a 3.4.2.1.6. ábrasorozat mutatja. Balról jobbra haladva a munkadarabok közötti távolság 0-tól 0,5mm-ig változik, 0,1mm-es lépésekben.

3.4.2.1.6. ábra

A két munkadarab közötti rés növekedtével a plazmaszenzor jele csökkent, a hőmérsékletszenzoré növekedett. Ez azt jelenti, hogy a két szenzor egybehangzóan hibás varrat létrejöttét mutatja.

Ennél drasztikusabb változást mutat a hélium védőgáz térfogatáramának csökkenése, ami a 3.4.2.1.7. ábrán követhető nyomon.

3.4.2.1.7. ábra

Ezek a példák jelzik, hogy a hagyományos távérzékelési elvek és megoldások a remote welding technikában is alkalmazhatók. A nagy munkaterű, lézersugaras hegesztő pásztázó lézerfejek megfelelő érzékelőkkel ellátva alkalmasak arra, hogy a hegesztési folyamat felügyeletét valós időben ellássák. A tapasztalatok szerint a lényeges hegesztési hibákat szenzorok segítségével egyértelműen azonosítani lehet.

4.2.2. Folyamatfelügyelet a szilárdtestlézeres remote welding esetén

A lézersugaras hegesztés folyamatfelügyelet-érzékelőinek hegesztőfejekbe integrálási megoldása nem azonos a nagy fókusztávolságú CO2-lézersugaras és a szilárdtestlézeres hegesztésnél. Az alkalmazott szenzorok azonosságának lehetőségét, illetve új megoldások alapját az teremti meg, hogy a szilárdtestlézerek esetén az optikai elemek a vizsgálatokhoz szükséges elektromágneses sugárzás hullámhosszúság-tartományában transzoptikusak. Mindezek oka, hogy a szilárdtest-lézersugár hullámhosszúsága a CO2-lézersugárhoz képest lényegesen közelebb van az UV tartományhoz. További kedvező körülmény, hogy most a lézersugárral koaxiális, a látható hullámhosszúság-tartományban értelmezett optikai megfigyelés is lehetséges, ami a CO2-lézersugár esetén nem volt lehetséges, vagy csak nagyon nehézkesen.

A hegesztési folyamatfelügyelet kiépítésének fejlesztése során két érzékelőtípussal kapcsolatban sikerült általános érvényű megállapításokra jutni. A megállapítások a szenzortípus által érzékelhető, a hegesztési folyamat során előforduló hibák típusaira vonatkoznak.

3.4.2.2.1. ábra

Leggyakrabban a CCD-kamerás szenzorokat alkalmazzák, melyekhez gyors számítógépes képkiértékelés tartozik.

3.4.2.2.2. ábra

A 3.4.2.2.2. ábrán látszik, hogy a keyhole (a mélyvarratos hegesztés termikus központjában kialakuló fémgőz-plazma csatorna) körüli olvadék geometriája szoros kapcsolatban van az összehegesztendő lemezek közötti rés nagyságával. A rés mérete alatt a két egymásra helyezett lemez közötti távolság nagyságát kell érteni.

A fentiekből következik, hogy a remote welding technika folyamatfelügyelete a hagyományos lézersugaras hegesztési technikáknál alkalmazott szenzorok segítségével megoldható. A szenzorok megmunkálófejekbe történő integrálását azonban minden esetben egyedileg kell tervezni.

A különböző szenzorok alkalmazásának kombinációi lépéseket jelentenek a minősített hibafelismerés felé, melynek kiteljesedése a teljes körű folyamatszabályozás, végeredményben az autonóm gyártócellák építésének irányába mutat.

4.3. Technikai megvalósítás

A remote welding technológia megvalósításának két útja van. Az egyik szerint a lézersugarat CNC-vezérelt tükrök (CO2-lézer) vagy optikai szál (szilárdtestlézer) segítségével vezetik a fókuszáló optikához. A fókuszáló optikát a megmunkálandó, hegesztendő felületre kell irányítani. A másik szerint a fókuszáló optika kombinálva van a számítógéppel vezérelt, sugáreltérítő tükrökkel. Ez utóbbit nevezik általában pásztázófejnek. A megoldások tárházát tovább bővíti az a lehetőség, hogy a pásztázófejet is mozgatják, vagy sem.

Annak ellenére, hogy a CO2-lézersugarat nehezebb a rezonátortól a megmunkálás helyére vezetni, mint a szilárdtest-rezonátorok sugarát, mind a két esetben rendelkezésre állnak a távhegesztési lehetőségek. Ennek azért van jelentősége, mert a jó minőségű CO2-lézersugár olcsóbban (Ft/W) állítható elő, mint a szilárdtesté.

Ahogyan a korábbiakból is kitűnt, a remote welding megvalósíthatóságának szempontjából kulcskérdés a lézersugár minősége, vagyis a fókuszálhatóság (3.4.3.1. ábra).

3.4.3.1. ábra

3.3. egyenlet - (3-3)



3.4. egyenlet - (3-4)



3.5. egyenlet - (3-5)



Ahol: Dfok a fókuszált sugár átmérője (fókuszméret),

ffok a fókuszált sugár fókusztávolsága,

 fkol a kollimáló lencse fókusztávolsága,

 dkol a lézersugár mérete a kollimálás előtt (az optikai szál átmérője),

 D a kollimált sugár átmérője (a sugárnyaláb átmérője a kollimátoron belül),

  a kollimátorlencse nyílásszöge (arcsin( /2) = numerikus apertúra),

 BPP a sugárparaméter-szorzat.

A (3-3)–(3-5) egyenletek alapján egyszerűen belátható, hogy az optikai szálon vezetett lézersugár esetén az optikai szál átmérője determinálja a remote welding technika adottságait. Erre egy jó példával szolgál a 3.4.3.2. ábrán látható összeállítás. A 6mm*mrad sugárparaméter-szorzattal jellemzett lézersugárral akár 1,5m fókusztávolságról lehet az autókarosszéria-elemeket hegeszteni.

3.4.3.2. ábra

Az 1,5m-es fókusztávolság már önmagában növeli a hegesztés lehetséges dinamikáját, hiszen a robot 6. tengelyének kis elfordulásával a munkadarabon nagy lézersugár-elmozdulást lehet elérni. Ez egyaránt jelentheti a hegesztési sebesség és pozicionálási sebesség növekedését.

További dinamikanövekedést eredményez, ha a fókuszálás optikai funkcióját egy vagy két sugáreltérítő tükörrel egészítik ki (egy- vagy kéttükrös pásztázófej). Ez a pásztázó lézerfej egy szokásos 6 tengelyes robotra szerelve 7 vagy 8 tengely mentén teszi lehetővé a lézersugár irányítását, pozicionálását (3.4.3.3. ábra). Mivel az utolsó két tengely csupán kis tömegű tükrök galvomotoros „billegtetését” jelenti, ez nagyon gyors fókuszpontmozgást eredményez a darab felületén. (A tükrök galvomotoros mozgatására utalva az ilyen lézerfejeket galvofejeknek is nevezik. A pásztázófej, idegen kifejezéssel szkennfej (scannfej) és a galvofej technikailag azonos jelentéssel bír.)

3.4.3.3. ábra

4.4. A pásztázó lézerfejek típusai

A lézersugár fókuszhelyzete szempontjából lényeges különbség van a pásztázófejes és a galvomotoros mozgatású tükrök nélküli sugárvezetés között. Abban az esetben, ha nincsenek galvomotorokkal mozgatott tükrök, a lézersugár fókuszpontja (fókuszfoltja) a fókuszáló lencse optikai tengelyében, a lencsétől jól meghatározott távolságra van. Ez olyan, mintha a robot kezébe az utolsó csuklópont után egy jól definiált hosszúságú pálcát adnánk, amelynek a vége alkalmas a hegesztésre (pl. 3.4.3.2. ábra).

A galvomotoros pásztázófejek esetében ettől lényegesen eltérő megoldások vannak.

A két galvotükrös sugáreltérítés esetén a mozgó fókuszpont nem feltétlenül esik egy síkba, pontosabban többnyire nem. (Ez például a karosszériaelemek esetén nem is mindig kívánatos.) Az azonban fontos, hogy a galvomotoros eltérítés után is pontosan ismert legyen a fókuszpont helyzete. Erre két megoldás van.

F-theta lencsés: A fókuszáló lencse után elhelyezett – galvomotorokkal mozgatott – tükrök azt eredményezik, hogy az eltérített lézersugár fókuszpontjai által meghatározott felület nem sík. Megközelítően egy gömb felszínén tudjuk a lézersugarat mozgatni (3.4.4.1. ábra).

3.4.4.1. ábra

Az úgynevezett f-thetás elrendezés lényege, hogy a galvomotorokkal mozgatott tükrök, tehát a lézersugár eltérítése után történik a lézersugár fókuszálása. Ezt a megoldást „pre-objective scanning”-nek is nevezik. A fókuszáló lencse (lencserendszer) geometriája olyan, hogy mindig a lézerfej optikai tengelyére merőleges síkban van a fókusz, függetlenül a sugáreltérítés mértékétől.

3.4.4.2. ábra

Ezen belül is két megoldás lehet. Az egyik szerint a fókuszált lézersugár párhuzamosan halad a lézerfej optikai tengelyével, a másik szerint nem (3.4.4.3. ábra). A párhuzamos esetben előny, hogy a lézersugár-anyag kölcsönhatása ideális, mert mindig merőleges a munkadarab felületére, hátrány a kis munkatér. A nem párhuzamos esetben előny a nagy munkatér, viszont hátrány, hogy a lézersugár az eltérítés mértékétől függő szög alatt éri a munkadarab felületét, ami változó hegesztési viszonyokat teremt.

3.4.4.3. ábra

Az f-theta lencsék, illetve lencserendszerek elemei az elvárt optikai tulajdonságaik szempontjából bonyolultabbak, mint a hagyományosak. Alapvető ok, hogy a lézersugár a lencséket folyamatosan változó helyzetben, változó szög alatt éri. A hegesztés szempontjából fontos, hogy a mozgás során ilyen adottság esetén is változatlan sugárintenzitás legyen a fókuszpontban. Ennek érdekében különösen jó minőségű antireflexiós bevonattal kell rendelkezniük az optikai elemeknek.

3.4.4.4. ábra

Az f-theta lencsék anyaga a CO2-lézersugár esetén többnyire ZnSe, a kis teljesítményű (max. 100W) tartományban lehet Ge (germánium). Esetenként a két anyagot kombinálva (kihasználandó az eltérő optikai tulajdonságukat, pl. törésmutató) úgynevezett duplex lencserendszereket építenek.

3.4.4.5. ábra

A ZnSe és a Ge anyagra érdemes külön-külön megvizsgálni a lézersugár transzmisszióját (3.4.4.6.ábra) a lézersugár hullámhosszúsága és beesési szöge függvényében (3.4.4.7.ábra), valamint reflexióját a hullámhosszúság függvényében (3.4.4.8.ábra). A beesési szög=f (transzmisszió) kapcsolatból az látszik, hogy a lencse felületi normálisától kb. 20°-os szögeltérés esetén a transzmisszió mértéke kevesebb mint 0,5%-kal csökken, ami technikai szempontból még nem zavaró.

3.4.4.6. ábra

3.4.4.7. ábra

3.4.4.8. ábra

Az f-theta lencsés megoldásokat jellemzően 20°-os szögeltérítéssel tervezik és építik.

Z-kompenzáció: Lényege, hogy a lézersugár fókusztávolságát meghatározó lencsék a sugáreltérítést végző galvomotorokra szerelt tükrök előtt vannak. A fókuszálást végző lencsék optikai rendszerüket tekintve a teleszkópokéhoz hasonlóak. Ennek a megoldásnak nagy előnye, hogy a fókusztávolságot módosító, számítógéppel vezérelt lencsemozgások következtében a lehetséges fókuszpontok nemcsak egy síkban lehetnek, hanem egy jól definiált téren belül (3.4.4.9. ábra).

3.4.4.9. ábra

A munkatér növelése érdekében a galvomotorokat is lehet mozgatni. Ezt a megoldást többnyire a CO2-lézerek esetén alkalmazzák (3.4.4.10. ábra).

3.4.4.10. ábra

Első közelítésben a felhasználók érdeke, hogy a remote welding technológiához rendelkezésre álló munkatér a lehető legnagyobb legyen. Amint azonban a korábbiakban láttuk (legutóbb a (3-3)–(3-5) egyenletekben), a munkatér, vagyis a fókusztávolság növelésének az a következménye, hogy a fókuszfolt mérete nő. Ebből következik a lézersugár teljesítménysűrűségének (W/cm2) csökkenése.

A teljesítménysűrűség csökkenése a hegesztési sebesség csökkenését vonja maga után, illetve kb. 106W/cm2 teljesítménysűrűség alatt a mélyvarratos hegesztésből a hővezetéses hegesztésbe való áttérés következik be. Mivel a hővezetéses hegesztés esetén a lézersugár energiájának hasznosulása észrevehetően rosszabb, mint a mélyvarratos esetben, a fókuszfolt méretének növekedése további hegesztési sebességcsökkenést eredményez. Általában igaz, hogy a hővezetéses hegesztés esetén a varrat hőhatásövezete is nagyobb, mint a mélyvarratos esetben, tehát a varrat mechanikai jellemzői is romlanak, ha az optikai szempontból elfogadhatónál nagyobb munkateret alakítunk ki.

3.4.4.11. ábra Forrás: Arges

Érdemes arra is figyelemmel lenni, hogy a galvomotorokkal eltérített lézersugár a munkadarab felületét többnyire nem merőlegesen éri, ezért a mélyvarratos hegesztésnél kialakuló plazma-fémgőz csatorna, vagyis a hegesztési varrat sem lesz merőleges a darab felületére. Ezt mutatja a 3.4.4.12. ábra.

3.4.4.12. ábra

A pásztázófej és a pásztázófejet mozgató robot vezérlésének kombinációja, illetve számítástechnikai összehangolása a lézersugaras remote welding technikában egy lényegében új hegesztési megoldási lehetőséget nyújt.

A lézersugaras hegesztés során a pásztázófej sugáreltérítő tükreinek összehangolt elforgatása következtében a lézersugár fókuszfoltja a hegesztendő darab felszínén általában úgy ír le térgörbét, hogy a folt mozgási sebessége a darab felszínén állandó. Nincs azonban elvi akadálya annak, hogy eközben a pásztázófej is mozogjon. Egyetlen szigorú megkötés, hogy a lézersugár fókuszfoltjának haladási sebessége a darab felületén nem térhet el az előírt sebességtől és természetesen az előírt térgörbevonaltól sem.

A pásztázófej és annak működése közbeni mozgatása, mint új stratégiai lehetőség, önálló névvel rendelkezik. Az angol szakirodalomban „welding-on-the-fly“, a németben „fliegendes Schweißen” kifejezéseket magyarul „röptében hegesztés”-nek lehet nevezni.

Ez a hegesztési stratégia sok taktikai lehetőséget rejt. Általános megoldás, hogy amíg a robot lassú, közel egyenletes sebességgel mozgatja a pásztázófejet, addig a galvomotorok végzik a gyors sugáreltérítést. Így lehet például egy hosszú sávban sok kör alakú varratot létrehozni.

A röptében hegesztés stratégiájának lehetőségeire jobban rávilágít az a példa, amelyben két vagy több, egymással párhuzamos hegesztési varratot kell létrehozni, melyek hosszabbak, mint a pásztázófej munkaterének leghosszabb tengelye. Ekkor a lassan (a hegesztési sebesség felével, harmadával stb.) haladó pásztázófejben a mozgó tükrök elkezdik az egyik varratot hegeszteni. Amikor a sugáreltérítés elérte a munkatér szélső értékét, felfüggeszti ennek a vonalnak a hegesztését. A lézersugár visszaugrik a második vonal elejére és most azt hegeszti addig, amíg ez is eléri a szélső helyzetet. Kezdődhet a harmadik vonal hegesztése vagy az első folytatása. Egy lehetséges taktikát mutat a 3.4.4.13. ábra. Az ábra szerint a pásztázófej haladási sebessége kicsit kisebb, mint a hegesztési sebesség harmada. Az ábrán a vastag vonal jelzi a hegesztési, a vékony a pozícióváltási utat.

3.4.4.13. ábra

A röptében történő lézersugaras megmunkálás stratégiáját más területeken is alkalmazzák. Az alkalmazások általános jellemzője, hogy a megmunkálandó darabok mozgási sebessége (illetve a lézersugaras megmunkálófej és a munkadarab relatív mozgási sebessége) kisebb, mint a lézersugár mozgási sebessége a munkadarabon. Ilyen lehet például a lézersugaras gravírozás, jelölés folyamata. Lehetséges, hogy a gravírozásra váró munkadarabokat a gravírozó pásztázófej alatt egy futószalag mozgatja egyenletes sebességgel. A berendezés a folyamatosan mozgó munkadarabokat gravírozza.

Nem szükséges, hogy a futószalagon a munkadarabok egyenlő távolságra legyenek egymástól, mert a számítógépes programokat intelligens működésűre írják meg. A technika mai állása (pontosabban ez már egy több mint 10 éve létező megoldás) szerint kamera figyeli a szalagon haladó munkadarabokat, azokat beazonosítja alak és irányítottság szerint, majd hozzájuk rendel egy adott pillanatban érvényes pozíciót. Az alak szerint eldönti, hogy arra a munkadarabra mit kell gravírozni, a többi adat alapján pedig azt, hogy hová. A pásztázófej sugáreltérítésének számításakor figyelemmel van a darab mozgási sebességére is.

Nem lehetetlen, hogy az autókarosszéria remote welding hegesztésénél a nagyméretű munkadarabok precíz, ezért drága pozicionálási költségét úgy csökkentsék, hogy a lézersugár finommozgását, illetve mozgáskorrekcióját kamerás megfigyelés és képelemzés, -értékelés alapján hajtsák végre.

4.5. Varrattípusok a távhegesztésben

A lézersugárral történő hegesztés geometriai rendszere némi eltérést mutat a hagyományos hegesztéseknél szokásosakhoz képest. Talán a leginkább szembeötlő, hogy míg a lézersugaras hegesztési varratokat egy lépésben hozzák létre, a hagyományos technológiák esetében, különösen a vastagabb alkatrészek hegesztésekor, több varratsorral hozzák létre a kötést. Lézersugaras hegesztés során csak elvétve kell a munkadarabokat a hegesztés előtt gyökölni (a munkadarabok forgácsoló megmunkálása a hegesztés előkészítésére). A hagyományos hegesztések esetében 5mm fölötti anyagvastagságnál már indokolt a gyökölés. Ennek ellenére a lézersugaras, a lézer-hibrid és a hagyományos hegesztések között vannak azonos varrattípusok.

3.4.5.1. ábra

Az alábbiakban különösen az autóiparra jellemző, vagyis a vékonylemezek varrattípusait és a hegesztési jóságukat befolyásoló geometriai különbségeket foglaljuk össze, a lézersugaras hegesztés sajátosságainak figyelembevételével. Azért autóipari a hivatkozás, mert a lézersugaras távhegesztés ezen a területen terjedt el leghamarabb és itt használják a leggyakrabban. Az összefoglalás teljessége érdekében nincsenek különválasztva a hozaganyagos és a hozaganyag nélküli, illetve a lézeres és a lézer-hibrid hegesztés jellemzői. A 3.4.5.2. ábrán látható jelmagyarázat segíti a 3.4.5.3.–3.4.5.9. ábrák értelmezését.

3.4.5.2. ábra

3.4.5.3. ábra

3.4.5.4. ábra

3.4.5.5. ábra

3.4.5.6. ábra

3.4.5.7. ábra

3.4.5.8. ábra

3.4.5.9. ábra

A varrattípusok összefoglalása, illetve a lehetséges geometriai eltérések taglalása a lézersugaras hegesztés esetében azért bír kiemelt jelentőséggel, mert a lézersugarat csak számítógépes vezérléssel lehet irányítani, az energiaközlés pedig rendkívül kis területre koncentrálódik. Mind a kettőnek az a következménye, hogy az ideálistól eltérő geometriai viszonyokra a lézersugaras hegesztés lényegesen érzékenyebb, mint a hagyományosak.

4.6. Hegesztési stratégiák

A karosszérialemezek hegesztése során gyakori, hogy vékony lemezek átlapolt hegesztésével kell megvalósítani az oldhatatlan kötést. Ez többnyire I-varratot jelent. Nem mindegy azonban, hogy a varratnak milyen a vonalvezetése. Általában nincs szükség az összefüggő folyamatos varratra, illetve ez gyakran inkább hátrányt, hibaforrást jelent, mint előnyt. A hátrány oka lehet például a termikus vetemedés veszélye, vagy egyszerűen az idő- és a költségtöbblet.

Érdemes tehát vizsgálni a varrat vonalvezetése és a varrat terhelhetősége közötti kapcsolatot. Ennek egy válogatását mutatja a 3.4.6.1.–3.4.6.6. ábrasorozat.

3.4.6.1. ábra

3.4.6.2. ábra

3.4.6.3. ábra

3.4.6.4. ábra

3.4.6.5. ábra

3.4.6.6. ábra

4.7. Védőgáz

A lézersugaras hegesztés hatékonysága (termelékenysége), valamint a varrat minősége erősen függ az alkalmazott védőgáz minőségétől, mennyiségétől, sebességétől és az áramlás geometriai viszonyaitól. A remote welding esetén a védőgázáram megvalósítása bonyolultabb feladat, mint a „hagyományos” lézersugaras hegesztések esetén. A problémák oka éppen a remote welding előnyeit eredményező sugárvezetési megoldásban, a lézerfej és a munkadarab jelentősen megnövekedett távolságában rejlik. Ebből következik, hogy ezt adottságoknak kell elfogadnunk, illetve ezekhez a feltételekhez illeszkedően kell a védőgáz varrathoz vezetésének megoldását megtalálni.

A lézersugaras hegesztés során a védőgáznak több szerepe is van. A hagyományos hegesztési technológiáknál megismert feladatokon túl itt szükséges a lézersugár által keltett plazma hőmérsékletének kezelése is.

A lézersugaras mélyvarratos hegesztés során a fókuszált lézersugár a plazma-fémgőz csatornából kiáramló anyagon keresztül halad. Természetesen ez az anyag, vagyis a plazma is képes elnyelni a lézersugár energiáját. A plazma-fémgőz energiatartalmának növekedése ebben a halmazállapotban a szabad elektronok számának növekedésével jár. Ez pedig azt eredményezi, hogy a lézersugár energiája egyre nagyobb mértékben nyelődik el a plazmában, vagyis egyre kevesebb fordítódik a munkadarab hegesztésére. Ezt a kedvezőtlen folyamatot úgy lehet fékezni, hogy az anyagból kiáramló plazma-fémgőz közeget hűtjük vagy elfújjuk. A hűtésre leginkább az áramló gázok alkalmasak.

A remote welding technikában a plazma hőmérsékletének kézben tartására két elgondolás is létezik:


  • gázfúvókák integrálása a hegesztőkészülék lefogóiba

  • gázfúvókasorok a hegesztő munkatér peremén

A lehetőségek számbavételéből látszik, hogy ezek a megoldások nagyobb gázfogyasztást eredményeznek, mint a „hagyományos” lézersugaras hegesztésnél az megszokott. Ez természetes, hiszen a „hagyományos” esetben a gázfúvóka közel van, és együtt mozog a lézerfejjel, ami a remote welding esetén nem valósítható meg. A megnövekedett gázfogyasztás nagyobb költségeinek kompenzálására vizsgálták annak lehetőségét is, hogy a szokásos inert gázok helyett sűrített levegővel hűtsék a plazmát.

Egy kiterjedt kísérletsorozatban vizsgálták a védőgáz hatását a hegesztési varrat minőségére. A kísérletek során a hegesztés lézersugárral kapcsolatos jellemzőit (teljesítmény, sebesség, fókusz stb.) állandó értéken tartották. A kísérleti összeállítás elvi ábráját mutatja a 3.4.7.1. ábra.

3.4.7.1. ábra

A munkadarab minden esetben azonos volt, 300 x 160 x 2,5mm ötvözetlen acéllemez. Minden munkadarabon 21 db, egymástól 5mm-re elhelyezkedő vakvarratot hoztak létre. A lézersugár teljesítménye 5kW volt, a hegesztési sebesség 4,2m/perc.

A varratok jóságát a munkadarabok szemrevételezésével állapították meg, a hegesztési és a hátoldal vizsgálatával. Erre mutat egy példát a 3.4.7.2. ábra.

3.4.7.2. ábra

Első lépésben azt vizsgálták, hogy a fúvóka alakjától (3.4.7.3. ábra) függően hogyan változik annak a területnek a nagysága, amelyen belül a varrat minősége jó.

3.4.7.3. ábra

Elsőként azt vizsgálták, hogy azonos körülmények között, csupán a védőgáz térfogatáramát változtatva, hogyan változik az egyes fúvókaalakok esetén a fúvóka hatótávolsága. Ennek eredményét a 3.4.7.4. ábra mutatja. Első ránézésre meglepő, hogy a térfogatáram, vagyis a gázáramlási sebesség növekedtével csökken a hatótávolság. Ennek oka, amit optikai vizsgálatokkal alátámasztottak, a turbulencia mértékének növekedése. Ez a kísérletsorozat is igazolta azt a jóval korábbi tapasztalatot és kísérleti eredményt, hogy a lézersugaras hegesztés során védőgázáramként a lamináris áramlás a kedvező, legalábbis ami a hatótávolságot illeti.

3.4.7.4. ábra

Ettől különböző eredményre jutottak, amikor nem a hatótávolságot, hanem annak a területnek a nagyságát vizsgálták, amelyen a varratok minősége a vizsgálatok alapján megfelelő volt (3.4.7.5. ábra). Ebben az esetben a növekvő térfogatáram már kedvezőbb eredményre vezetett. Érdemes megfigyelni azt is, hogy a hatótávolság szempontjából a kis térfogatárammal üzemeltetett lapos fúvóka a kedvezőbb, a védett terület szempontjából pedig a nyitott csőfúvóka a nagyobb térfogatárammal.

3.4.7.5. ábra

Vizsgálták a fúvókatávolság hatását a jó minőségű varrat területére. A fúvókatávolság alatt a gázáramlási irányban mért távolságot kell érteni a fúvóka és a munkadarab között. A munkadarab síkjához képest 15°-os szög alatti hélium védőgázáram a 3.4.7.6. ábrán látható hatást fejt ki. Az adott körülmények között a 60mm-es fúvókatávolság tekinthető optimumnak. Ebben az összehasonlításban is a nyitott csőfúvóka és a lapos fúvóka adta a legjobb eredményeket. Az is látszik, hogy a védőgáz térfogatáramának növelésével nagyobb fúvókatávolságok esetén is javulás érhető el a jó minőségű varrat területében.

3.4.7.6. ábra

Külön kell vizsgálni a védőgáz minőségének hatását. Védőgázként általában héliumot vagy argont használnak. A nitrogén alkalmazása több anyag esetében is problémát okozhat, például alumínium, erősen ötvözött acélok, titán és ötvözetei esetében. Bizonyos esetekben lehet CO2-t is alkalmazni. Amennyiben az a célunk, hogy a lézersugár által keltett plazmát hűtsük és a gázköltséggel takarékoskodjunk, akkor érdemes a sűrített levegő hatását is vizsgálni.

A 3.4.7.7. ábrán látható diagram alapján egyértelműen kitűnik, hogy a plazmafelhő hatástalanítására a leghatékonyabb gáz a hélium. A mérések eredményei szerint 3kW fényteljesítményig valójában nincs szükség a plazma hűtésére, hiszen a varrat mélysége lényegében nem változik a hűtés hatására. Ez azt jelenti, hogy a környezet hőelvonó képessége elégséges a plazma túlhevülésének megakadályozására. A meglepő azonban az, hogy a 40l/perces argongázáramnak ehhez képest alig van hatása.

3.4.7.7. ábra

4.8. Ferde hegesztés

A remote welding technológia sajátosságai közé tartozik, hogy amíg a hagyományos lézersugaras hegesztés során a lézersugár haladási iránya a hegesztendő felületre jellemzően merőleges, addig itt gyakorlatilag nem az. Ez azt jelenti, hogy a lézersugár (a munkaterület egy pontjának kivételével) mindig ferdén éri a hegesztendő tárgy felületét, vagyis ferde hegesztés történik.

Természetesen a megfelelő feltételek teljesülése esetén ekkor is kialakul a mélyvarratos hegesztésre jellemző plazma-fémgőz csatorna, amelyben a lézersugár, vagyis az energia közvetlenül eljut az anyag mélyen lévő részeire is. Ezért a lézersugár beesési szöge, illetve annak abszorpcióra, valamint a kialakuló varratgeometriára gyakorolt hatása a remote welding esetén külön vizsgálandó.

Szükséges megvizsgálni, hogy a leggyakrabban előforduló átlapoló I-varrat esetén, a gyakorlatban előforduló körülmények között, milyen kötési jellegzetességekre lehet számítani. A 3.4.8.1. ábrán látható diagram két beesési szög, valamint 0…0,5mm illesztési rés esetére mutatja a két lemez közötti területen kialakuló varrat szélességének változását. A kísérleteket 5kW fényteljesítménnyel, 3,5m/perc hegesztési sebességgel és 40l/perc hélium védőgázzal végezték. A hegesztett anyag fölül 1mm, alul 2mm vastagságú, S355Q acélminőségű lemez volt.

3.4.8.1. ábra

A 3.4.8.1. ábra alapján az látszik, hogy kb. 0,3mm-nél nagyobb rés már egyre nagyobb anyaghiányt eredményez a varratban. Azon túlmenően, hogy a rés nagyságának növekedésével a varrat keresztmetszete csökken, a varrat koronaoldali behorpadása a varrat kötési szilárdságának csökkenését is eredményezi.

Hasonló vizsgálatok eredményét mutatja a 3.4.8.2. ábra. Ebben az esetben a két acéllemez DC04 minőségű, horganyzott kivitelű, és mind a kettő 1,75mm vastagságú. A varratok szemrevételezése során azt tapasztalták, hogy a két lemez közötti rés segítette a horganygőz távozását, vagyis „nyugodtabb” varrat keletkezett.

3.4.8.2. ábra

Horganyzott lemezek esetén a lézersugár felületre merőleges becsatolása erősebben hat a varrat keresztmetszetére, mint a nem horganyzott lemezek esetén. Az azonban továbbra is igaz, hogy a 0,3mm-nél nagyobb rés a lemezek között a varratszélesség folyamatos csökkenését eredményezi.

Ezek a hegesztési varratok a lemezek közötti réstől eltekintve nem érzékenyek az illeszkedési pontosságra. Az egymásra fektetett lemezek sarokvarratai (3.4.8.3. ábra) esetén azonban nagy jelentősége van annak, hogy a lézersugár fókuszának haladási vonala mennyire követi a fölső lemez kontúrját.

3.4.8.3. ábra

A kísérleteket S355Q minőségű, nem horganyzott acéllemezekkel végezték. A fölső lemez 1,5mm, az alsó 2mm vastag volt. A lézersugár +X irányú eltolásának természetesen nincs értelme, hiszen akkor a fölső lemez éle nem olvad meg, nem jön létre a hegesztési varrat. A –X irányú eltoláson túl vizsgálták annak hatását is, hogy milyen irányból érkezik a lézersugár a fölső lemez éléhez (3.4.8.4. ábra). A varratokat 5kW fényteljesítménnyel, 3,5m/perc hegesztési sebességgel és 40l/perc hélium védőgázzal hozták létre.

3.4.8.4. ábra

A 3.4.8.4. ábrán bemutatott esetek abból a szempontból optimumnak tekinthetők, hogy a két lemez között nem volt rés. A gyakorlatban előforduló eseteket szem előtt tartva azonban vizsgálandó az is, hogy milyen jellegű varratgeometriára lehet számítani, ha rés van a két lemez között. Ezt mutatja a 3.4.8.5. ábra. Érdemes megfigyelni, hogy a két lemez összenyomásakor kisebb lesz a hegesztési varrat keresztmetszete, mint 0,2…0,4mm hézag esetén. Ennek valószínű magyarázata a hőelvezetés intenzitáskülönbségében keresendő.

3.4.8.5. ábra

Esetenként szükség lehet a tompa I-varratos hegesztésre is. Ebben az esetben az érintkezési felületek geometriájának, illetve a lézersugár-vezetés pontosságának kiemelt fontossága van. 2mm-es lemezvastagság fölött már megfontolandó a lemezélek hegesztési előkészítése forgácsolással, például marással. A vágóollóval létrehozott kontúr, vagyis a lemez éle bizonyosan anyaghiányos varratot eredményez. Minél vastagabb a lemez, ez a hatás annál erősebb. A lemezek élének pontos illesztése különösen a vastag lemezek esetén kritikus. Érdemes újra megtekinteni a 3.4.1.5. és 3.4.5.1. ábrákat.

A 3.4.8.6. ábrán olyan kísérletsorozat eredménye látható, melyen a lézersugár pozicionálási pontosságának és irányítottságának hatását vizsgálták a lemezek élének összehegedési mértékére. A varrat keresztmetszetéről készült maratott metallográfiai képeken látszik, hogy a két lemez éle közötti távolság nagyságának nagyobb hatása van a varrat jóságára, mint ferde hegesztés esetén a sugár depozicionálásának. Ezeket a kísérleteket szintén 5kW fényteljesítménnyel, 3,6m/perc hegesztési sebességgel és 40l/perc hélium védőgázzal végezték, 2,8 mm vastag S355Q acéllemezekkel.

3.4.8.6. ábra

A remote welding vonal menti hegesztés során a lézersugár folyamatosan változó szög alatt éri a lemezek felületét. Kísérletek alapján bebizonyosodott, hogy nem mindegy a szöghelyzet változásának előjele, vagyis hogy az ideális merőlegestől laposodó vagy az ideális merőleges helyzet felé tart a lézersugár-darab szöghelyzete (3.4.8.7. ábra). A kis beesési szögek tartományában (kb. 60°-nál kisebb szög esetén) mélyebb varrat alakul ki akkor, ha a varratképzés során csökken a beesési szög, mint ha növekszik. Ennek több oka is van, melyek közül az olvadéktócsa határfelületi energiájának, illetve az olvadék „vonszolásának” van nagy jelentősége.

3.4.8.7. ábra
4. fejezet - Összefoglalás

A Lézersugaras technológiák I. a kétrészesre tervezett írás első része. Az első rész írásakor az volt a cél, hogy rövid áttekintést adjon a lézersugárral kapcsolatos alapvető fogalmakról és a két legelterjedtebben alkalmazott technológiáról, a lézersugaras vágásról és a lézersugaras hegesztésről.

Az első részben a lézersugárral kapcsolatos ismeretek csak áttekintő jellegűek, mert a részletes ismeretanyagot más tankönyvek tartalmazzák, más tantárgy keretében tárgyalják. Itt csupán a tárgyalt lézersugaras technológiák gyakorlása szempontjából lényeges gondolatok szerepelnek.

A lézersugaras vágás és a lézersugaras hegesztés technológiai megoldásai közül – ebben a kötetben – dominánsan a makromegmunkálás lehetőségei szerepelnek. A mikromegmunkálások lehetőségei más gondolatkörhöz, tantárgyhoz tartoznak.


A. függelék - Fogalomtár



Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə