Лазерная сварка нового поколения: инновации и тенденции 

Лазерная сварка нового поколения: инновации и тенденции

За последнее десятилетие, благодаря стремительному прогрессу в области лазерных источников, систем управления и технологий автоматизации, лазерная сварка претерпела значительную трансформацию. Некогда ограниченная лишь узкоспециализированными нишами, сегодня лазерная сварка превратилась в одну из основных производственных технологий, широко применяемую в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли, электронике и производстве медицинского оборудования. Преимущества лазерной сварки очевидны: она предполагает локализованный подвод энергии и обеспечивает бесконтактную обработку широкого спектра металлов — различных по толщине и требующих соблюдения разнообразных геометрических параметров сварного шва.

Ряд технологических прорывов дал мощный импульс развитию технологий лазерной сварки. Появление высокояркостных волоконных лазеров и сверхбыстрых лазеров — особенно актуальных для задач микросварки — позволило кардинально повысить качество, скорость и точность сварочного процесса, одновременно минимизируя термические деформации и потребность в последующей постобработке. Сегодня стоимость этих лазерных источников (в частности, волоконных лазеров) существенно снижается, что открывает возможности для внедрения лазерных технологий в гораздо более широком спектре отраслей промышленности. Кроме того, расширился диапазон длин волн, доступных для лазерной сварки, что позволяет добиться более высоких показателей поглощения лазерного излучения определенными материалами при комнатной температуре.

Рабочие характеристики других компонентов систем лазерной сварки также непрерывно совершенствуются. Надежность и эффективность оптического пропускания сварочных головок — особенно тех, что оснащены интегрированной оптикой, — неуклонно растут. При уровнях мощности, типичных для лазерной сварки, термический сдвиг фокуса больше не представляет собой серьезную проблему; это достижение отчасти обусловлено существенным повышением качества оптических покрытий. Одновременно с этим конвергенция робототехники, искусственного интеллекта (ИИ) и технологий «цифровых двойников» открыла путь к созданию более интеллектуальных и гибких производственных линий. Эти инновации не только расширили перечень материалов и геометрических форм, поддающихся надежной лазерной сварке, но и позволили снизить издержки, а также повысить масштабируемость процессов, тем самым прочно утвердив лазерную сварку в статусе ключевой технологии современного высокоэффективного производства.

Стратегии лазерной сварки в секторе электротранспорта

Переход к электрифицированной мобильности кардинальным образом изменил конструкцию силовых агрегатов и их отдельных компонентов. Ярким примером тому служит электродвигатель типа «hairpin» (от англ. «шпилька») — устройство, в котором вместо традиционных обмоток из круглой проволоки используются обмотки, выполненные в форме шпилек. В отличие от круглой проволоки, проводники типа «hairpin» имеют прямоугольное сечение и обладают более крупными габаритами; Эта прямоугольная геометрия способствует достижению более высокого коэффициента заполнения пазов, тем самым повышая эффективность медных обмоток примерно на 20%. В настоящее время большинство автопроизводителей (OEM) и поставщиков перешли на использование электродвигателей с обмотками типа «шпилька» (hairpin); эта тенденция обусловливает необходимость применения лазерной сварки для соединения открытых концов обмоток. При сварке шпилек типичный технологический процесс включает последовательное расплавление концов шпилек с последующим формированием поверх них расплавленного сварочного валика посредством более протяженной траектории перемещения луча. Для повышения качества конечного сварного соединения компания Trumpf разработала технологию BrightLine Weld (см. Рисунок 1).

По сравнению со стандартными лазерными системами, световод в технологии BrightLine Weld состоит из полого кольцевого волокна и встроенного центрального волокна (ядра), что позволяет подавать на обрабатываемую деталь луч с наложенным профилем распределения энергии. Благодаря использованию оптического клина на входе в световод можно свободно регулировать мощность лазерного излучения, направляемую в каждое из волокон. Результатом такого подхода к процессу сварки — особенно при работе с медью — становится значительное снижение образования брызг и пористости. Варьируя соотношение распределения мощности между центральным волокном (40%) и кольцевым волокном (60%), удается свести к минимуму образование брызг и пор. Это не только оптимизирует качество сварного шва, но и позволяет в полной мере использовать номинальную мощность лазерной установки.

При сварке шпилек, как правило, применяются дисковые лазеры мощностью 6 или 8 кВт, обеспечивающие режим сварки с глубоким проплавлением и, следовательно, формирование необходимого объема сварочной ванны за время обработки, измеряемое микросекундами. Время обработки зависит главным образом от сечения используемого провода; для стандартных проводов типа «шпилька» время сварки одной пары контактов варьируется от 25 до 200 мс (см. Рисунок 2).

Формирование профиля лазерного луча в настоящее время становится движущей силой поистине революционных преобразований — тенденции, которая, безусловно, сохранится и в будущем. Данная технология позволяет гибко настраивать пространственное и временное распределение лазерной энергии в точном соответствии со специфическими требованиями конкретных материалов и конфигураций сварных соединений. Традиционные гауссовы пучки не всегда обеспечивают идеальное распределение энергии, необходимое для получения стабильных, бездефектных сварных швов — особенно при обработке деталей сложной геометрии, материалов с высокой отражающей способностью или при сварке разнородных металлов.

Регулирование формы лазерного луча открывает широкие возможности и дает множество преимуществ, таких как снижение уровня разбрызгивания металла, повышение скорости сварки, улучшение контроля над распределением энергии в зоне соединения, а также повышение стабильности сварочной парогазовой полости («замочной скважины»). В будущем крайне важно будет обеспечить точную характеристику качества распределения интенсивности для конкретных задач, оценивая его по ряду параметров — включая «резкость» распределения, глубину фокуса, точность геометрических размеров и эффективность. Формирование лазерного пучка, несомненно, представляет собой будущее направление в области лазерной обработки материалов.

Для задач лазерной сварки существует множество методов, позволяющих осуществлять формирование пучка. Компания Cailabs предлагает решение на основе технологии многоплоскостного преобразования света (MPLC), способное трансформировать стандартные гауссовы пучки в сложные профили, адаптированные под конкретные задачи — такие как профили с плоской вершиной (flat-top), кольцевые или многоточечные структуры — без ущерба для качества или мощности пучка. Это передовое средство управления пучком позволяет существенно повысить стабильность процесса сварки, снизить уровень термических деформаций и минимизировать такие дефекты, как разбрызгивание металла, пористость и образование трещин, что делает данную технологию особенно эффективной при сварке трудносвариваемых материалов.

Модули формирования пучка от компании Cailabs отличаются компактной пассивной конструкцией и полностью совместимы с промышленными лазерными системами, в том числе с лазерными головками производства компании Precitec. Компании Cailabs и Precitec объединили усилия для интеграции технологии формирования пучка от Cailabs в сварочные лазерные головки Precitec с целью удовлетворения растущих потребностей рынка электромобилей (см. Рисунок 3).

Еще одно решение, предлагаемое компанией Robust AO и известное как технология Zwobbel, обеспечивает динамическое формирование пучка посредством его осевых колебаний (в направлении оси Z) с частотой до 2000 Гц. В процессе этих колебаний лазерный пучок совершает контролируемые осциллирующие движения, одновременно перемещаясь вдоль основного сварочного шва. Это колебательное движение накладывается на линейное перемещение лазера, создавая динамическое распределение энергии, которое можно точно настроить в зависимости от конкретного свариваемого материала и геометрии соединения. Данная технология функционирует по принципу отклоняющего зеркала с углом 90°, позволяя динамически регулировать форму пучка при сохранении фокуса пятна в плоскости сканирования.

Исследователи проанализировали эффективность метода динамического осевого формирования пучка — реализованного на базе технологии Zwobbel — с точки зрения снижения пористости и разбрызгивания металла в процессе лазерной сварки алюминиевых сплавов. По сравнению с контрольной группой, в которой сварка выполнялась без осевых колебаний пучка (что соответствует процессу со статичным положением фокуса), применение технологии Zwobbel позволило существенно снизить уровень пористости (особенно в зоне корня шва), а также добиться более равномерной глубины проплавления, сократив колебания этого параметра примерно на 45%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что процесс осевого динамического формирования пучка снижает пиковые значения интенсивности в корневой зоне и обеспечивает локализованный контроль над испарением материала.

Серия дополнительных испытаний, посвященных изучению поведения брызг и их направленного влияния на геометрию сварного шва, показала, что высокие частоты осцилляции коррелируют со значительным сокращением образования брызг — результат, указывающий на расширение «замочной скважины». Анализ поперечных сечений позволил выявить изменения, происходящие внутри сварочной ванны, и обусловленные ими модификации геометрии шва: по сравнению с процессом сварки без осцилляции пучка, ширина шва в зоне валика увеличилась на 25% (при сохранении той же глубины проплавления), а в корневой зоне прирост достиг 34%. Посредством этих испытаний система Robust AO продемонстрировала эффективность осевого динамического формирования пучка в повышении качества сварных соединений (см. Рисунок 4).