Mažinkite šilumos iškraipymą naudodami automatinį lazerinį suvirinimo įrenginį: techninis gilus analizavimas

Suprasti šilumos iškraipymą automatinėse lazerinio suvirinimo mašinose

Kaip šiluminis plėtimasis ir susitraukimas sukelia suvirinimo iškraipymą

Lazerinio suvirinimo šilimo ir aušimo ciklai dažnai sukelia nelygų įtempimų kaupimąsi, nes detalės labai greitai įkaista, tačiau paviršiuje aušta skirtingais greičiais. Paimkime pavyzdžiui aliuminio lydinius – šios medžiagos turi tai, kas vadinama dideliu šiluminio plėtimosi koeficientu (CTE), ir, pagal 2023 metų Material Welding Institute tyrimus, veikiamos lazerio šilumos jos gali išsiplėsti apie 2,4 %. Sujungus šį išsiplėtimą su itin greitu aušimu – kartais virš 500 laipsnių Celsijaus per sekundę automatizuotose gamybos linijose – gamintojams tenka spręsti įvairių rūšių liekaninius įtempius. Šie įtempiai iškreipia jautrias plonasienes dalis, dėl ko jos tampa netinkamos daugybei taikymų, kur yra svarbiausias matmeninis tikslumas.

Dažniausi suvirinimo iškraipymo tipai: išilginis, skersinis, kampinis ir sudėtingas iškraipymas

• Išilginis iškraipymas : traukimasis lygiagrečiai su suvirinimo siūle, paprastai 0,1–0,3 mm/m nerūdijančiame pliename
• Skersinis iškraipymas : Statmena susitraukimo deformacija dėl staigių šiluminių gradientų
• Kampinė deformacija : Nesutapimas, atsirandantis dėl asimetrinės šilumos paveiktos zonos (HAZ) formavimosi
• Sudėtingas iškrypimas : Deformacija keliomis ašimis surinkimuose su daugybe siūlių, dažnai dar labiau pablogėjanti dėl nesubalansuotos siūlių tvarkos

Atvejo analizė: Išmatuota deformacija naudojant rankinį ir automatinį lazerinio suvirinimo įrenginius

Automobilių komponentų analizė parodė 63 % mažesnę kampinę deformaciją pereinant nuo rankinio TIG prie automatizuoto lazerinio suvirinimo. Robotinis sistema išlaikė 0,05 mm tikslumą pozicijavime, palyginti su ±0,2 mm nuokrypiu rankinėse operacijose, užtikrindama pastovią energijos tiekimą ir sumažindama šiluminį disbalansą ( 2024 Automatizuoto Suvirinimo Apžvalga ).

Proaktyvios projektavimo strategijos ankstyvam deformacijos rizikos nustatymui ir mažinimui

Adaptuojamų spaustuvų algoritmų ir daugiapakopio fizikinio modeliavimo naudojimas iš anksto sumažina perdarbo sąnaudas 38 % tiksliajame gamybos procese, teigia tyrimai, atlikti naudojant laserinį suvirinimą šilumos valdymo gairės .

Tikslus valdymas naudojant automatinį lazerinį suvirinimo aparatą: sumažinti šilumos paveiktus zonas

Dideli apdorojimo greičiai ir sumažinta šiluminė veikla automatizuotuose sistemose

Automatiniai lazeriniai suvirinimo aparatai pasiekia 40–60 % greitesnius ciklus nei rankiniai procesai dėka sinchronizuoto judėjimo valdymo ir optimizuoto spindulio tiekimo. Tai sumažina šiluminę veiklą, išsaugant pradinius metalo savybes – ypač svarbu šilumai jautriose srityse, tokiomis kaip medicinos prietaisų gamyba.

Lazerinio spindulio tikslumas: fokusavimas, galia ir kelio valdymas minimaliai HAZ

Turint 0,1 mm spindulio pozicionavimo tikslumą, automatinės sistemos leidžia tiksliai taikyti šilumą, sukuriant šilumos paveiktas zonas (HAZ) iki 70 % siauresnes nei tradicinėmis metodikomis. Reguliavima galia (500 W–6 kW) leidžia tiksliai derinti pagal medžiagos storį, kas būtina aviacijos lydinčiams iki 2 mm.

Atvejo analizė: HAZ sumažinimas automobilių baterijų kontaktų suvirinime naudojant robotizuotą lazerinį suvirinimą

Vedanti EV gamintoja, naudodama robotizuotą lazerinę suvirinimą, sumažino šiluminį iškraipymą 0,8 mm variniuose baterijų kontaktuose 82 %. Esant 150 mm/sek. judėjimo greičiui ir 0,3 ms impulsų trukmei, termiškai paveiktos zonos (HAZ) dydis buvo apribotas iki 0,15 mm, pašalinant poreikį po suvirinimo šlifuoti pagal automobilių gamybos standartus .

Impulsų ir fokusavimo parametrų optimizavimas, siekiant apriboti šilumos paveiktos zonos plitimą

Realiojo laiko židinio ilgio koregavimas užtikrina optimalią galios tankį nepaisant paviršiaus nelygumų. Medžiagų inžinerijos tyrimai parodė, kad jungiant 200 Hz impulsų dažnį su 70 % persidengiančiais taškais, nerūdijančiame plieno HAZ plotis sumažėja 35 %, palyginti su tolydine bangos veika.

Lazerio parametrų derinimas efektyviam šilumos tiekimui ir iškraipymų kontrolei

Ryšys tarp šilumos tiekimo, liekaninio įtempimo ir medžiagos iškraipymo

Per didelis šilumos poveikis sukuria stačius terminius gradientus, dėl kurių atsiranda nevienodas aušinimas ir liekaniniai įtempimai. Temperatūros skirtumai, viršijantys 200 °C/mm, nerūdijančio plieno suvirinimuose gali sukelti 400–600 MPa įtempius. Tiksli galios ir greičio kontrolė sumažina maksimalią temperatūrą daugiau nei 30 %, žymiai mažindama iškraipymo riziką.

Pagrindiniai lazerio parametrai, turintys įtakos iškraipymui: galia, greitis, fokusavimas ir impulsacija

Keturis parametrus tiesiogiai valdo šilumos poveikį ir suvirinimo vientisumą:

Atitikties tyrimas: oro ir kosmoso komponentų šiluminės apkrovos valdymas naudojant kintamąjį pulsą

Aerokosminiai inžinieriai sumažino titano storio iškraipymą 62% naudojant kintamą pulsą veikiančią lazerio suvirinimą. 5 ms didelio galios impulsai (1,8 kW) pakaitomis su 15 ms mažo galios intervalais (0,3 kW) sudarė galimybę kontroliuoti aušinimą, pasiekus 40% siauresnį HAZ nei nuolatinis bangų suvirinimas.

Nepertraukiamos bangos ir pulsuojantis lazerio režimai: geriausia praktika plonųjų metalo elementų gamybai

Naudojant pulsuojamus lazeris, dirbant su plonais metalais, kurių storis mažesnis nei 1,5 mm, bendra šilumos kaupimosi temperatūra sumažėja maždaug nuo pusės iki trijų ketvirtadalių. Dėl to jie yra puikus pasirinkimas, kai naudojamasi subtilomis medžiagomis, kurios kitaip gali sugadėti. Pavyzdžiui, vario ir nikelio lydiniai, naudojami elektroninėse medžiagose. Kai šie lazeriai yra nustatomi maždaug 500 Hz pulso dažniu, temperatūrą tarp jų galima išlaikyti gerokai žemiau 150 laipsnių Celsijaus. Tai padeda išvengti nepageidaujamų iškraipymų, tuo pačiu pasiekiant beveik visą sąnarių stiprumą, maždaug 95%. Kai kurios automatinės lazerio sistemos dar labiau tai daro, nuolat keičiant pulso nustatymus, reaguodama į tai, ką jie jaučia, kad vyksta su šiluma. Šie protingi reguliuojimai daro visą skirtumą sudėtinguose gamybos scenarijuose, kur tikslumas yra svarbiausias.

Automatizacijos privalumai: nuoseklumas, sinchronizavimas ir realiu laiku atliekamas šilumos valdymas

Automatinės lazerio suvirinimo mašinos integracijos pagalba mažinti procesų kintamumą

Šiuolaikinės automatinės sistemos gali pasiekti apie 0,02 mm pozicijos tikslumą, kuris sumažina kampinį iškraipymą maždaug perpus, palyginti su rankinėmis technikomis, kaip rodo Ponemon 2023 m. tyrimai. Šios sistemos iš esmės pašalina visus spėjimus apie žibintuvo kampus ir kaip greitai žibintuvas juda, todėl šiluma yra lygiai pasiskirsto per didelius rinkinius. Pavyzdžiui, automobilio baterijų moduliai, kuriuose labai svarbus nuoseklumas. Tikroji magija vyksta per tuos CMOS jutiklius, kurie sekia siuvimus, kol vyksta procesas. Jie nuolatos pakeičia spindulio suderinimą, kad nebūtų spragų, nes dėl jų viskas tampa karščiau, nei turėtų būti, o vėliau kyla įvairių problemų.

Sinkronizuojami suvirinimo parametrai, siekiant užtikrinti stabilų ir pakartotinį šiluminį išėjimą

Šiuolaikiniai pažangi kontrolieriai valdo nuo 200 iki 4000 vatų lazerinės galios, o pulso dažnius - nuo 10 iki 500 hercų. Visa tai sinchronizuota su robotikų greičiais, kurie gali būti nuo pusės metro per minutę iki 20 metrų per minutę. Sistema turi reaguoti per 5 milisekundes, kad išlaikytų tinkamą kontrolę. Kad viskas veiktų sklandžiai, reikia išlaikyti šilumos kiekį mažesnį nei 85 džaulių per milimetrą, kas yra labai svarbu dirbant su tais subtiliomis 304L nerūdijančio plieno plonų sienų sudedamosiomis dalimis. Kai robotai pasiekia sąnarių galinius taškus, sistema automatiškai sumažina parametrus, todėl galia sumažėja iki maždaug 65% per šias persiplitusias dalis. Tai padeda išvengti piktų kraterių, dėl kurių gaminiuose atsiranda iškraipymų.

Žmogaus intelekto valdoma adaptivaus valdymo sistema ir uždaras grįžtamasis ryšys, siekiant išvengti iškraipymų

Terminės apžvalgos duomenys analizuojami mašininio mokymosi algoritmais, kurie gali nuspėti, kada medžiagos gali pradėti iškraipyti. Šios protingos sistemos tada reguliuoja fokalinės taško dydį nuo 12 iki 150 mikrometrų, priklausomai nuo to, ką jos mato. Pavyzdžiui, oro ir kosmoso pramonėje, kur toks požiūris padarė tikrą skirtumą. Kai tai buvo pritaikyta Ti-6Al-4V spardams, tai žymiai sumažino iškraipymų problemas - nuo maždaug 1,2 mm iki tik 0,25 mm per tuos 8 metrų ilgio siuvimus. Kai tu nori suvirinti Inconel 718 turbinų peilius daugia sluoksniais, uždarų ciklo PID valdikliai išlaiko viską pakankamai aušra tarp perėjimo, kad temperatūra būtų mažesnė nei 180 laipsnių Celsijaus. Toks temperatūros kontrolė yra labai svarbi, kad būtų išlaikytas aukštos kokybės komponentų konstrukcinis vientisumas.

Apklausa: didelio tūrio elektronikos surinkimas naudojant automatizuotą lazerio suvirinimą

Vienas vartotojų elektronikos gamintojas sumažino mikro-slaptimus 5G antenų moduliuose 72% pritaikęs robotų lazerio suvirinimą. Iš anksto nustatytomis sekomis keičiamos 20 ms pulsuojančios vietos (600 W) aukso apvalytiems kontaktams ir nuolatinė banga (150 W) aliuminio apsaugui, išlaikant viršutinę temperatūrą žemiau 350 ° C. Sistema pasiekė 99,4% matmenų atitiktį per 2,1 milijoną suvirinimo per ketvirt

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Kas yra suvirinimo iškraipymas?

Suvirinimo iškraipymas reiškia deformaciją ar iškraipymą, kurį medžiagos patiria suvirinimo proceso metu, daugiausia dėl šiluminių įtampų.

Kaip lazeriu suvirinti galima sumažinti iškraipymą?

Lazerinis suvirinimas sumažina iškraipymus, nes jis užtikrina tikslią šilumos naudojimą, sumažina šilumos zonos dydį ir automatizavimo būdu palaiko pastovią šiluminę galią.

Kodėl lazerio suvirinimo srityje svarbu automatizuoti?

Automatizacija užtikrina nuoseklumą, sumažina rankinių klaidų skaičių ir išlaiko aukštą padėties tikslumą, žymiai sumažindama iškraipymus ir gerindama gamybos kokybę.

Kokie parametrai veikia lazerio suvirinimo iškraipymą?

Pagrindiniai parametrai yra galia, greitis, fokusavimas ir pulsas, kiekvienas iš jų turi įtakos šilumos įvedimui ir medžiagos deformacijos galimybei.