Laserschweißen dick mit dynamischer Strahlformungstechnologie

Diese Konzeptdarstellung zeigt einen dynamischen Strahllaser, der eine 70 mm dicke Platte in einem einzigen Durchgang schweißt.

Auf der FABTECH 2022 in Atlanta konnten die Teilnehmer an einem Arbeitsplatz am Stand von Civan Lasers sitzen, auf ein paar Punkte auf einem Bildschirm klicken und ein Energieprofil und eine Fokustiefe des Laserschweißstrahls anpassen, was durch das ermöglicht wurde, was Civan als dynamischen Strahllaser bezeichnet. oder DBL, Technologie.

DBL hat zu einigen aufsehenerregenden Erfolgen geführt, der jüngste wurde am 9. Februar bekannt gegeben, als das Unternehmen bekannt gab, dass es eine 70 mm tiefe Einzeldurchgangsschweißung bei atmosphärischem Druck durchgeführt hat – kein Vakuum erforderlich.

Das israelische Unternehmen manipuliert seinen Laser nicht mechanisch, sondern verlässt sich auf Galvospiegel, die den Strahlfleck wackeln lassen. Stattdessen findet die Manipulation im Laser selbst statt.

„Wir haben mehr als 30 Fasern und das Ziel ist die Kontrolle des Beugungsmusters. Damit kann man jede gewünschte Leistungsverteilung auf dem Werkstück gestalten.“

Das war Ami Spira, der Marketingmanager von Civan, der die Grundlagen der kohärenten Strahlkombination (CBC) und der optischen Phased-Array-Technologie (OPA) des Unternehmens beschrieb, den beiden Bausteinen hinter DBL. „Dadurch sind dem Anwender viele Anwendungen möglich, die bisher mit einem Laser nicht möglich waren.“

Am Stand konnten die Besucher auf ein Gittermuster klicken, um ein Balkenprofil im Freiformstil zu definieren. „Das ist die Form, aber wir können auch die Dichte steuern“, erklärte Spira. „Angenommen, ich möchte in diesem Bereich mehr Energie erzeugen.“ Er zeigte auf einen Bereich, der leicht außerhalb der Mitte des Strahlprofils lag. „Ich kann hier einfach einen Klick hinzufügen, und jetzt habe ich viel mehr Energie in diesem Bereich.“

Ein weiterer Kontrollparameter betrifft das Beugungsmuster. „Es hängt mit der Art und Weise zusammen, wie wir den Laser erzeugen“, sagte er. „Unser optischer Kopf verfügt über mehrere Strahlen, die Licht aussenden, und sie überlappen sich, um dieses Beugungsmuster zu erzeugen. Und indem wir die Phasen jedes Lasers steuern, können wir [die Eigenschaften des Strahls ändern] in X-, Y- und Z-Richtung.“

Die Z-Achse ist besonders wichtig, da sie eine völlig neue Kontrolle über die Tiefenschärfe des Strahls ermöglicht. „Bei einer Brennweite von 1,5 m könnten wir beispielsweise eine Schärfentiefe von fast 30 mm erreichen. Und bei 3 m [Brennweite] wäre die Schärfentiefe mehr als doppelt so hoch.“

Diese Fokustiefe hat Civan in Kombination mit anderen Verfeinerungen der Strahlparameter zu neuartigen Anwendungen geführt. Eines der jüngsten Verfahren betrifft das Single-Pass-Schweißen von extrem dickem Material in einer Stumpfverbindungskonfiguration. Möglich wird dies durch eine Partnerschaft zwischen Civan und AMET, einem Unternehmen in Rexburg, Idaho, das auf automatisierte Schweißsysteme spezialisiert ist, darunter auch solche mit sehr dicken Schweißverbindungen.

„[Civan] suchte in den USA nach einem Partner für die Bereitstellung integrierter Systeme“, sagte Don Schwemmer, Präsident von AMET, während eines Interviews bei FABTECH. „Wir wollten schon immer mit einem Laseranbieter [und] Entwickler zusammenarbeiten. Und die Steuerungsseite ist wirklich unsere Stärke. Da wir in der Lage sind, die Strahlform und die Brennweiten am Laser zu manipulieren, können wir das zu unserem [Steuerungs-]Paket hinzufügen.“ . Wir haben jetzt einen riesigen Werkzeugkasten zur Verfügung, mit dem wir arbeiten können, statt nur ein paar Schraubenschlüssel. Das passt wirklich gut.“

Der dynamische Strahllaser nutzt die kohärente Strahlkombination und die optische Phase-Array-Technologie (hier gezeigt), um einen auf die Anwendung zugeschnittenen Strahl zu erzeugen.

Auf der FABTECH stellte Civan Arbeitsproben aus, die die Fähigkeit des DBL zeigten, starke Schweißnähte in rissempfindlichem Material herzustellen, Poren und Spritzer dank Strahlformen, die das Schlüsselloch stabilisieren, zu reduzieren und die Eigenschaften unterschiedlicher Materialien zu kontrollieren.

Laut einem Whitepaper von Civan verändert die DBL-Technologie die Strahleigenschaften auf vier Arten. Erstens durch Strahlformung, bei der Benutzer eine bestimmte Form entwerfen, die zu einer bestimmten Anwendung passt. Dies gibt Ingenieuren die Möglichkeit, „mehrere Formen zu testen, um die beste Form für die spezifische Schweißnaht zu optimieren“. Beim Schweißen unterschiedlicher Metalle würde DBL beispielsweise die Verwendung von zwei Laserpunkten ermöglichen, die sich gleichzeitig bewegen (stellen Sie sich die Bewegung einer Küche vor). Mischer), um eine homogene Schweißnaht zu erzielen.

Eine weitere Variable ist die Formhäufigkeit oder die Fähigkeit, die Form in unterschiedlichen Abständen zu erzeugen. Je höher die Frequenz, desto „statischer“ verhält sich der Strahl. „Schnelle Frequenzen wie zum Beispiel 50 MHz sind so schnell, dass sich der Strahl in einer quasistatischen Form verhält“, heißt es in dem Whitepaper und fügt hinzu, dass eine so schnelle Frequenz völlig andere Ergebnisse liefert als Frequenzen im Hertz- oder Kilohertz-Bereich.

Der dritte Parameter ist die Strahlsequenzierung, die es dem Laser ermöglicht, innerhalb einer Mikrosekunde zwischen Strahlformen zu wechseln. „Das bedeutet, dass Sie eine Reihe verschiedener Formen erstellen und den Laser so programmieren können, dass er sie der Reihe nach, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und in von Ihnen gewählten Intervallen durchläuft.“

Der vierte Parameter ist die Fokussteuerung. Auch hier heißt es im Whitepaper: „Dies bedeutet, dass Sie die Fokusposition auf der Z-Achse innerhalb des Materials jederzeit und bei jeder Geschwindigkeit während des Prozesses ändern können. Die Fokussteuerung ist besonders beim Schweißen dickerer Materialien von Vorteil und ermöglicht eine gleichmäßigere und gleichmäßigere Schweißung.“ gleichmäßigere Schweißnaht.“

Eine solche Fokussteuerung wird von AMET und anderen zum Einzeldurchgangsschweißen dicker Bleche genutzt. Auf diese Weise gelang Civan auch die Single-Pass-Schweißung in 70 mm dickem Material in der Anfang des Jahres angekündigten Anwendung.

Das Dickblechschweißen ist nur ein Anwendungsgebiet, mit dem sich das Unternehmen in den letzten Jahren beschäftigt hat. Am anderen Ende des Dickenspektrums war das Unternehmen am Eureka-Projekt des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Deutschland beteiligt und arbeitete am Ultrahochvorschubschweißen von Bipolarplatten in Brennstoffzellen – ein Projekt, bei dem Bleche mit einer Dicke von nur 0,1 mm zum Einsatz kamen und Schweißgeschwindigkeiten von 1.500 mm/Sekunde.

Für dieses Projekt haben die Forscher den Strahl so geformt, dass er Punkte mit hoher Intensität mit zusätzlichen Bereichen mit geringerer Energieintensität kombiniert, eine Anordnung, die ein sehr kurzes Vor- und Nachheizen des Materials ermöglicht. Dadurch konnte kontrolliert werden, wie sich das Schmelzbad bildete und verfestigte. Sie änderten auch die Form des Strahls (was während des Prozesses auftreten kann) in ein Oval, um die Fließgeschwindigkeit des Schmelzbades hinter dem Schlüsselloch zu verringern. Dies ermöglichte es den Forschern, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne dass es zu Fehlern kam.

Obwohl sich Civan stark auf das Laserschweißen konzentriert, hat es sich auch mit anderen industriellen Laserprozessen befasst. Beispielsweise hat das Unternehmen eine Partnerschaft mit der Smart Move GmbH in Deutschland geschlossen, um neue Laserschweiß- und Laserpulverbettschmelztechnologien für die additive Fertigung zu entwickeln.

Das Unternehmen hat außerdem einige Artikel mit detaillierten Testergebnissen einer Laserschneidanwendung veröffentlicht, die die Vorteile der Fokussteuerung veranschaulichen. Konkret schnitt das Unternehmen 15 mm dicken Edelstahl 304L mit einem 8-kW-Single-Mode-Laser mit hoher Tiefenschärfe. Der Strahl hatte die Form einer Spirale mit zwei Punkten in vertikaler Ausrichtung. Dem Papier zufolge erfolgte die Fokussteuerung, indem die Punkte „in der Mitte des Materials positioniert und mit ±8 mm durch die Z-Achse nach oben und unten bewegt wurden. Die Fokussteuerungsfrequenz wurde auf 5,4 bis 16 Hz bei einer Vorschubgeschwindigkeit von eingestellt 15 bis 18 mm/Sekunde … die Fokussteuerung verbessert die Kontrolle über das geschmolzene Material und ermöglicht eine gleichmäßigere Rauheit mit weniger Krätze.“

Eine Schnittstelle bei FABTECH ermöglichte es den Teilnehmern, ein Strahlprofil anzuklicken und anzupassen.

Darüber hinaus arbeitete Civan mit SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), einem indischen Unternehmen, zusammen, um eine Maschine zu entwickeln, die sowohl 3D-Laserschweißen als auch -schneiden durchführt. Laut einer Pressemitteilung von Civan „wird dieses Projekt ein komplettes End-to-End-System mit dynamischen Strahlformungslasern schaffen.“

Civans Technologie könnte ein Vorbote sein. Der industrielle Laserstrahl ist nicht mehr statisch. Es hat sich zu einem echten Schweizer Taschenmesser der Metallverarbeitung entwickelt, das auf verschiedene Arten und Frequenzen geformt, sequenziert und fokussiert werden kann, alles optimiert für die jeweilige Anwendung.

Der dynamische Strahllaser von Civan kann mit Profilen an eine bestimmte Anwendung angepasst werden.