Minimeerige soojuskraaritust automaatse laserkeevitusega: tehniline süvendunud ülevaade

Soojusdeformatsiooni mõistmine automaatses laserkeevitusmasinas

Kuidas termiline laienemine ja tihenemine põhjustab keevitusdeformatsiooni

Laserkeevituse kuumutus- ja jahutustsüklid põhjustavad sageli ebajärgse pinge kogunemise, kuna osad soojenevad väga kiiresti, kuid nende erinevad pinnad jahtuvad erinevates tempos. Võtke näiteks alumiiniumliigid – neil metallidel on nii nimetatud kõrge termiline laiuldamiskordaja (CTE) ja uuringute kohaselt võivad need tegelikult suureneda umbes 2,4%, kui neid laseriga kuumutatakse, nagu 2023. aastal Material Welding Institute'i teatas. Kombineerides seda paisumist äärmiselt kiire jahutumisega – automaatsetes tootmistsüklites mõnikord üle 500 kraadi Celsiuse sekundis – peavad tootjad silmitsi paljude residsiaalpingetega. Need pinged omakorda kõverdavad õrnaid õhukesedest materjalidest komponente, mistõttu need sobivad halvasti paljudele rakendustele, kus mõõtelised täpsus on kõige olulisem.

Levinud keevitusdeformatsioonide tüübid: pikisuunaline, põikisuunaline, nurkne ja keeruline kõverdumine

• Pikisuunaline deformatsioon : Pingenemine paralleelselt keevisõmblusega, tavaliselt 0,1–0,3 mm/m roostevabas terases
• Põikisuunaline deformatsioon : Risti kontraktio tuleneb teravatest termilistest gradientidest
• Nurkikujutus : Mittekeskuse kadumine, mida põhjustab asümmeetriline soojaimpaktne tsoon (HAZ) moodustumine
• Keeruline kõverdumine : Deformatsioon mitmes teljes koostistes, kus on mitu liiget, ja seda süvendab sageli ebalaustatud liitejärjestus

Juhtumiuuring: Mõõdetud kujutus käsitöölise ja automaatse laserkeevitusmasina seadetes

Autotööstuse komponendi analüüs leidis 63% vähendamise nurkikujutuses, kui liiguti käsitöölist TIG-lt automaatsele laserkeevitusele. Robootiline süsteem säilitas 0,05 mm positsioneerimistäpsuse, võrreldes ±0,2 mm muutlikkusega käsitööoperatsioonides, tagades järjepideva energiaedastuse ja vähendatud termilise ebakalduvuse ( 2024 Automatiseeritud Keevituse Ülevaade ).

Ennetavad disainistrateegiad kujutuste riskide tuvastamiseks ja ennetamiseks varases staadiumis

Adaptiivsete kinnitusalgoritmide ja mitmefüüsikalise simulatsiooni ennetav kasutamine vähendab laserkeevitamisel täpsustootevalmistamise ümberkäimise kulusid 38%, kinnitab uuring soojusjuhtimise juhised .

Täpne kontroll automaatse laserkeevitusmasinaga: soojuse mõjutatud tsoonide vähendamine

Kõrge töötluskiirus ja vähendatud soojuskoormus automaatsetes süsteemides

Automaatsed laserkeevitusmasinad saavutavad 40–60% kiiremad tsükliajad kui käsitsi protsessid tänu sünkroonitud liikumiskontrollile ja optimeeritud kiirguse edastamisele. See vähendab soojuskoormust, säilitades alusmaterjali omadused – eriti oluline soojuse tundlikes rakendustes, nagu meditsiiniseadmete tootmine.

Laserkiire täpsus: fokuseerimine, võimsus ja rajakontroll minimaalse HAZ saavutamiseks

0,1 mm kiire positsioneerimistäpsusega võimaldavad automaatsüsteemid täpse soojust rakendada, tekitades kuni 70% kitsamad soojuse mõjutatud tsoonid (HAZ) võrreldes konventsionaalsete meetoditega. Reguleeritav võimsusväljund (500 W – 6 kW) võimaldab seadistada materjali paksusele, mis on oluline õhuruumiliste sulamite puhul alla 2 mm.

Juhtumiuuring: soojuse mõjutatud tsoonide vähendamine autode akupoltide keevitamisel robotiseeritud laserkeevitusel

Juhtiv EV-tootja vähendas 0,8 mm vasest akuplaatide termilist deformatsiooni 82%, kasutades robotjuhitud laserkeevitust. Liikumiskiirusel 150 mm/sek ja pulsi kestusega 0,3 ms piirati soojaim mõjutatud tsoon 0,15 mm-ni, kaotades vajaduse järeltöötluse järele keevitusjärgsel hõõrlemisel vastavalt automaaditootmise eeskirjadele .

Impulsi ja fokuseerimisparameetrite optimeerimine soojaima mõjutatud tsooni laienemise piiramiseks

Reaalajas fookuskauguse kohandamine säilitab optimaalse võimsustiheduse, isegi kui pind muutub. Materjalitehnoloogia katsete kohaselt vähendab 200 Hz impulssageduse ja 70% ülekattuvate spotide kombinatsioon soojaima mõjutatud tsooni laiust 35% roostevabas terases võrreldes pideva laine toimimisega.

Laserparameetrite seadistamine efektiivse soojuse sisestamise ja deformatsiooni kontrollimiseks

Soojuse sisestamise, jääkpingete ja materjali deformatsiooni vaheline seos

Liigne soojusisisestus loob teravaid termilisi gradienti, põhjustades erineva jahutuse ja jääkpinged. Temperatuuride erinevus üle 200°C/mm võib roostevabates teraskeevitistes tekitada pingeid 400–600 MPa. Täpne võimsuse ja kiiruse kontroll vähendab tipptemperatuure enam kui 30%, vähendades oluliselt deformatsiooniohu.

Olulised laseriparameetrid, mis mõjutavad deformatsiooni: Võimsus, Kiirus, Fookus ja Pulseerimine

Neli parameetrit, mis otseselt määravad soojusesisestuse ja keevisõmbluse terviklikkuse:

Juhtumiuuring: Soojuskoormuse haldamine lennunduskomponentides muutuva pulssimise abil

Lennundusinsenerid vähendasid tiitri sulamist kinnitusdetaili deformatsiooni 62%, kasutades muutuvat pulsilaserkeevitust. Vahelduvad 5 ms kõrgepinge pulsid (1,8 kW) 15 ms madalpinge intervallidega (0,3 kW) võimaldasid kontrollitud jahtumist, saavutades 40% kitsama termitöödeldud tsooni võrreldes pideva laine keevitusega.

Pidev laine vs. pulsilaserrežiimid: parimad tavased õhukese kaldega metallide jaoks

Pulsatsioonilaserite kasutamine vähendab soojuse kogunemist umbes poole kuni kolmandiku võrra, kui töödeldakse õhemaid metalle, mille paksus on alla 1,5 mm. See teeb need seadmed eriti sobivaks valikuteks tundlike materjalide töötlemiseks, mis võivad vastasel juhul kahjustuda. Näiteks elektrokomponentides kasutatavad vase-nikkel sulamid: kui laser on seatud umbes 500 Hz pulsisisendi korral, suudavad need lasereid hoida temperatuuri läbimiste vahel alla 150 kraadi Celsiuse, vältides nii soovimatuid kõverenemisi ja saavutades siiski peaaegu täieliku ühenduse tugevuse ehk umbes 95%. Mõned automaatsetest lasersüsteemidest arennevad seda veelgi edasi, kohandades jooksvalt pulssisätteid vastavalt sellele, mida nad reaalajas soojuse muutumisest tuvastavad. Need nutikad kohandused teevad kõige rohkem vahet keerukates tootmisskeemides, kus täpsus on kõige olulisem.

Automaatika eelised: Ühtlus, sünkroniseeritus ja reaalajas soojuse haldamine

Protsessi muutlikkuse vähendamine automaatse laserkeevitusmasina integreerimise kaudu

Kaasaegsed automaatikasüsteemid suudavad saavutada umbes 0,02 mm positsioonitäpsuse, mis vähendab nurga deformatsiooni ligikaudu poole võrra võrreldes käsitsi meetoditega, nagu näitas Ponemoni 2023. aasta uuring. Need süsteemid eemaldavad täielikult vajaduse hinnata keevituslüliti nurka ja liikumiskiirust, tagades soojuse ühtlase jaotumise suurtes partiidest läbi. Võtke näiteks autotööstuse akumoodulid, kus järjepidevus on eriti oluline. Tõeline võlu ilmneb CMOS-sensorites, mis jälgivad õmblusi protsessi käigus. Need korrigeerivad pidevalt kiire joondust töö käigus, takistades niššide teket, sest niššid põhjustavad liigset soojenemist, mis omakorda viib hilisemate probleemideni.

Keevitusparameetrite sünkroonimine stabiilse ja korduva soojusenergia saavutamiseks

Tänapäevased edasijõudnud juhtimisseadmed haldavad laserenergiat vahemikus 200 kuni 4000 vatti, reguleerides samal ajal pulsside sagedust 10 kuni 500 hertsi vahel, kõik sünkroonis robotite kiirustega, mis võivad olla madalaimalt pool meetrit minutis kuni 20 meetrit minutis. Süsteemil peab olema reageerimisaeg vaid 5 millisekundi jooksul, et säilitada õige kontroll. Selleks, et kõik sujuvalt toimuks, tuleb soojusenergiat hoida alla 85 džauli millimeetri kohta, mis on eriti oluline töötades õrnate 304L roostevabast terasest õhukeste seinakomponentidega. Kui robotid jõuavad oma liigendite lõpp-punkti, vähendab süsteem automaatselt parameetreid nii, et energiat vähendatakse ligikaudu 65 protsenti sellistes ülekattuvates osades. See aitab vältida need tüütud kraatrid, mis põhjustavad moonutusi lõpptoodetes.

AI-põhine kohanduv juhtimine ja suletud ahela tagasiside moonutuste ennetamiseks

Soojuspildistusandmeid analüüsivad masinõppe algoritmid, mis suudavad tegelikult ennustada, millal materjalid võivad alustada kujumuutust. Need nutikad süsteemid kohandavad seejärel fookuskoha suurust vahemikus 12 kuni 150 mikromeetrit sõltuvalt toimuvast. Võtke näiteks lennundussektori tootmist, kus selline lähenemine tegi tõelise erinevuse. Rakendades seda Ti-6Al-4V tiibadele, vähendati moonutusi märkimisväärselt – ligikaudu 1,2 millimeetrist kuni vaid 0,25 mm piki neid pikki 8-meetriseid õmblusi. Näiteks Inconel 718 turbiinilõikude mitmekihilisel keevitamisel hoiavad sulgevad PID-regulaatorid temperatuuri piisavalt madalal vahepealsete läbimõõtude vahel, säilitades temperatuuri alla 180 kraadi Celsiuse. Selline temperatuurikontroll on absoluutselt oluline kõrgetehniliste komponentide struktuurilise terviklikkuse säilitamiseks.

Juhtumiuuring: Suuremahuline elektroonikakomplekti automaatne laserkeevitus

Tarbeelektroonikatootja vähendas 5G antennimoodulites mikrokõverdusi 72%, kui hakkas kasutama robotiseeritud laserkeevitust. Eelseadistud järjestused vaheldlesid 20 ms pulsiliste keevituskohtadega (600 W) kuldkattega kontaktide jaoks ning pideva laine (150 W) alumiiniumkaitse jaoks, hoides tipptemperatuuri alla 350°C. Süsteem saavutas 99,4% mõõtmete vastavuse veerandi kohta 2,1 miljoni keevituse juures.

KKK jaotis

Mis on keevituskõverdus?

Keevituskõverdus viitab materjalide deformeerumisele või kõverdamisele keevitamisprotsessi ajal, mida põhjustavad peamiselt termilised pingeid.

Kuidas saab laserkeevitusega kõverdust vähendada?

Laserkeevitusega väheneb kõverdus tänu täpsele soojuse rakendamisele, soojaimplitsete tsoonide väiksemale ulatusele ja automaatika abil tagatud järjepidevale soojusväljundile.

Miks on automaatika oluline laserkeevituses?

Automaatika tagab järjepidevuse, vähendab inimvigade tekkimist ja hoiab positsioneerimistäpsuse kõrge taseme, vähendades sellega oluliselt kõverdust ja parandades tootmiskvaliteeti.

Millised parameetrid mõjutavad laserkeevituse deformatsiooni?

Peamised parameetrid on võimsus, kiirus, fokus ja pulssimine – need kõik mõjutavad soojusenergia sisest ja materjali deformatsiooniohu.