Témata
Zdroj: IPG Photonics

Efektivní laserové svařování konektorů

Neustálý nárůst elektrifikace v automobilovém průmyslu výrazně zvyšuje spotřebu kvalitních konektorů mnoha různých typů. To klade vysoké nároky na spolehlivou a pružnou výrobu s minimální dobou seřizování a nastavování výrobních strojů. Požadavkům na snadnou integraci, kompaktnost a vysokou produktivitu odpovídá technologie vláknových laserů.

Roman Švábek

Je absolventem oboru Materiálové inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze. Od roku 2005 se věnuje laserům a průmyslovým laserovým technologiím. Je jednatelem české pobočky společnosti IPG Photonics, která zajišťuje prodej a servis produktů IPG na českém, slovenském a maďarském trhu.

Reklama

Konektory pro automobilový průmysl jsou vyráběny lisovacími stroji ze široké škály materiálů – od ocelí až po různé slitiny, např. CuNiSi. Komponenty jsou obyčejně po výrobních operacích děrování a ohýbání svařovány na tupo pomocí laseru. Na jeden zdvih lisu bývá od laserového zařízení vyžadováno až šest laserových pulzů. V současné době se k tomuto účelu běžně používají výbojkami čerpané lasery Nd:YAG, které jsou konstrukčně velmi komplikované a sestávají ze složitých optických komponent (z beam switche a několika polopropustných zrcadel). Ke splnění vysokých kvalitativních nároků pro automobilový průmysl je nutné přesné a časově náročné seřizování a nastavování těchto laserů, které vede k neúměrnému nárůstu nákladů.

Reklama
Reklama

Multikanálový kvazikontinuální laser IPG MCQL

Nový laserový zdroj IPG MCQL (multikanálový kvazikontinuální laser) disponuje až šesti nezávislými výstupními vlákny a umožňuje programovat jednotlivé parametry prostřednictvím jednoduchého uživatelského rozhraní. Díky tomuto zdroji jsou nyní časově náročné mechanické úpravy minulostí.

Ve srovnání s dosud používanými výbojkově čerpanými lasery Nd:YAG poskytují lasery MCQL mnohem vyšší pulzní frekvence, což dramaticky zvyšuje rychlost svařování. Srovnání ukazují, že lasery MCQL umožňují až 4,5krát vyšší produktivitu. Rostoucí požadavky na další svary pro nové typy konektorů díky tomu nemají vliv na produktivitu výroby.

Laserový zdroj IPG MCQL (multikanálový kvazikontinuální laser). (Zdroj: IPG Photonics)

Výbojkami čerpané lasery Nd:YAG mají vinou konstrukční složitosti velmi vysokou spotřebu elektrické energie. Jejich účinnost dosahuje pouze 3 %, což znamená, že se na využitelný výkon laseru přemění pouze velmi malá část přivedené elektrické energie a celých 97 % této energie se ztratí chlazením. K dalšímu vývoji a zlepšení účinnosti technologie laserů Nd:YAG již bohužel nedošlo.

Vysoká účinnost a minimální údržba

Vláknový laser je dnes nejúčinnějším výrobním nástrojem s 10krát vyšší elektrickou účinností a s minimální údržbou, z níž vyplývají velmi nízké provozní náklady. Vláknové lasery emitují záření stejné vlnové délky jako lasery Nd:YAG. Díky tomu lze použít stávající svařovací hlavy, což významně napomáhá rychlému a snadnému přechodu k této efektivnější technologii. Požadavky na svařování nových komponentů vyžadují stále menší velikosti laserových spotů, čemuž vláknové lasery IPG s vysokou kvalitou svazku velmi napomáhají. Umožňují totiž použít kompaktnější optiku s preciznějším a intenzivnějším zaostřením laserového spotu. To je obzvláště důležité s rostoucím podílem svařování mědi a slitin mědi, neboť tyto materiály jsou intenzivně používány pro výrobu baterií. Kvůli vysoké odrazivosti povrchu a velmi dobré tepelné vodivosti vyžaduje tento proces vysokou hustotu výkonu, aby byla zaručena stabilita svaru a dostatečná hloubka průvaru. Díky vláknovému laseru s velmi dobrou kvalitou svazku je možno těmto požadavkům téměř bezvýhradně vyhovět.

K laserovým zdrojům MCQL mohou být připojena procesní vlákna i s velmi malým průměrem jádra. Tato vlákna mohou být z výstupu v poměru 1 : 1 zaostřena přímo na povrch svařované součásti, což má za následek větší flexibilitu průměru laserového svazku, a tím také svařovaného bodu. Šířka pulzu se v případě svařování konektorů obvykle pohybuje v řádech milisekund (ms). U většiny materiálů, které jsou pro konektory používány, jsou i tyto relativně dlouhé milisekundové pulzy pro svařování ideální, protože přivedené teplo umožňuje rychle dosáhnout teploty tavení a zároveň pulzní metoda svařování zabraňuje vzniku trhlin či dalších vad svarových spojů. Čím menší je průměr laserového spotu, tím menší může být výkon použitého laserového zdroje. Jinými slovy to znamená, že pro dosažení stejné, nebo dokonce vyšší hustoty výkonu na výstupu z procesního vlákna potřebují vláknové lasery IPG menší průměrný výkon samotného laseru. To se samozřejmě odráží i na nižším potřebném elektrickém příkonu, což v kombinaci s vysokou účinností vláknových laserů znamená značnou úsporu elektrické energie, a tím i nákladů potřebných na provoz laserového zařízení. Procesní vlákna jsou typu plug-and-play, lze je tak kdykoli snadno vyměnit, aby bylo možno rychle reagovat na změny v konstrukci svařovaných součástí. Také se dá rychle a snadno upravit kvalita laserového svazku tak, aby vyhovovala požadavkům procesu svařování.

Srovnání rozměrů laseru IPG MCQL s běžně používanými lasery Nd:YAG. (Zdroj: IPG Photonics)

Úspora místa a mobilita

Laserové zdroje MCQL díky své unikátní a velmi kompaktní konstrukci zabírají plochu pouze 0,5 m², což z nich dělá nejkompaktnější zařízení tohoto druhu na světě. Lze je navíc konfigurovat až se 6 procesními vlákny vystupujícími z jediného laserového zdroje. To umožňuje významnou úsporu velmi cenného prostoru ve výrobních provozech. Vzhledem k tomu, že je laserový zdroj mobilní, je možné laser snadno přemístit, a nasadit jej tak na různých místech výrobních linek dle aktuálních potřeb a požadavků.

Kompaktní konstrukce je dosaženo unikátním konceptem vláknového laseru, který je díky velmi efektivním budicím diodám přibližně 10krát efektivnější než běžně používaný laser Nd:YAG. Neustálé inovace produktů IPG umožňují vývoj nových řešení pro vláknové lasery. Díky vertikální integraci všech klíčových komponent, od budicích diod přes procesní hlavy a chladiče až po kompletní laserové systémy, mohou uživatelé těžit z výhod vysoce spolehlivých, efektivních a pokročilých řešení pro zpracování materiálů.

Související články
Svařování mědi vysokovýkonnými vláknovými lasery

Přesné strojírenství, automobilový průmysl a spotřební elektronika stojí za stále výraznějším rozšiřováním mědi a jejích slitin do různých výrobků a strojních součástí. S vývojem nových technologií baterií a zvyšováním jejich kapacit rostou požadavky na kvalitu a produktivitu spojování těchto materiálů. Pro spoje v oblasti spotřební elektroniky je stále nejpoužívanější technologie pájení, v aplikacích náročnějších na mechanické namáhání nebo přenos větších proudů je nutno přistoupit k procesu svařování.

Automatizace není odpovědí na všechny otázky

Primárním cílem zavádění automatizace a robotizace je nejen zajistit více času, jak jsme si řekli v minulém díle, ale jejím účelem je také usnadnit lidstvu složité a zdraví škodlivé úkoly. Automatizace se nasazuje v oblastech stereotypní a nebezpečné práce. Motivací firem může být i škálovatelnost, maximalizace zisku a v neposlední řadě nižší počet lidských selhání. Tento díl našeho seriálu Fenomén automatizace se zamýšlí nad tím, proč, kde a jak automatizovat, a dalšími otázkami.

Názorové fórum odborníků

Energetická náročnost výrobních provozů zvláště v oblasti tváření, svařování či v oblasti zpracování plechů a profilů je důležitým kritériem pro udržitelnou výrobu. Jakou roli hrají úvahy o energetické náročnosti a budoucí udržitelnosti provozu při vývoji nových zařízení?

Jaká je energetická náročnost vámi vyráběných strojů a zařízení ve srovnání s jejich předchozími generacemi? Jakým způsobem bylo případné snížení spotřeby energií dosaženo?

Související články
Kompaktní laserová pracovní stanice

Laserové zpracování kovů, které bylo kdysi vyhrazeno pro drahé letecké a medicínské technologie, se postupem času stalo běžnou technologií v mnoha průmyslových odvětvích. Ve srovnání s tradičními laserovými zdroji, které vyžadují drahý spotřební materiál a pravidelnou údržbu optických součástí, jsou dnešní vláknové lasery v podstatě bezúdržbové. Kromě velmi vysoké technické úrovně a sofistikovanosti, které tyto lasery nabízejí, jsou nyní mimořádně cenově konkurenceschopné. Náklady na laserové diody se v posledních letech snížily o více než 80 , a proto se stroje používající vláknové lasery staly mimořádně cenově efektivním řešením pro mnoho aplikací zpracování materiálu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Názorové fórum odborníků

V únorovém vydání jsme zástupcům společností činných v oboru zpracování plechů a profilů položili následující otázku:

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Virtuální buňky pomáhaly při návrhu linky

Použitím kloubových robotů a flexibilních rámových stanic navržených tak, aby zvládly pokročilé lehké materiály, pomáhá Comau vytvořit jeden z nejpůsobivějších automobilů Alfa Romeo: zcela nový model Giulia.

O úspěchu v průmyslovém lepení rozhodují zkušenosti

Málokterý obor ve strojírenských technologiích je závislý na tolika okolnostech, jako je tomu v průmyslovém lepení. Je to dáno množstvím vlivů, které ovlivňují konečný výsledek. Od samotného lepidla, vhodně zvoleného typu a konkrétních vlastností přes způsob aplikace lepidla, rychlost nanášení, čas na nanesení a ztuhnutí lepidla, přesnost nanášení, čistotu, bezpečnost a ekologii až po cenu. Pohybujeme se v rozsahu od jednoduchého lepení krabic housenkou lepidla nanášenou ruční pistolí až po automatické linky s množstvím servopohonů a čidel, příp. s robotem v ceně několika milionů korun.

Lepení ve výrobě karoserie

Lepení patří k velmi dynamicky se rozvíjejícím odvětvím spojování materiálů. Jeho rozvoj v automobilovém průmyslu je dán komplexními požadavky na karoserii, vývojem nových materiálů a jejich povrchových úprav i zvyšujícími nároky na užitné vlastnosti skeletu vozu. Vnitřní i vnější konstrukce moderních vozidel tvoří celá řada speciálních kovových i nekovových materiálů a plastů, které je nutné fixovat a u nichž konvenční technologie spojování již nedostačují.

Laserová svařovací buňka, která promíjí nepřesnosti v plechu

Vstup do oblasti laserového svařování se stává snadnějším než dříve díky tolerantnímu laserovému svařování metodou FusionLine a balíčku pro náběh výroby. Nové konstrukční prvky a softwarové komponenty zjednodušují obsluhu.

Pod pláštěm autobusu

Kdo z nás nikdy nejel autobusy značky Iveco? Meziměstské autobusy Iveco Crossway a Crossway Low Entry z Vysokého Mýta sice své cestující naleznou spíše v zahraničí(v roce 2015 byla společnost Iveco Czech Republic osmým největším vývozcem), nicméně i na českých silnicích se v nich můžeme svézt.

Pokročilé metody laserového svařování

V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. Podstatou nových metod je laserová hlava obsahující systém dvou vychylovacích zrcadel doplněných speciální optikou. Díky tomu lze laserovým paprskem velice rychle přebíhat v dané ploše. Svařování s touto hlavou se nazývá skenerové svařování. V provedeném experimentu byla demonstrována významná časová úspora při využití této metody oproti svařování běžnou svařovací hlavou vedenou robotem. Druhou metodou, opět využívající vychylování laserového svazku zrcadly, je svařování s rozmítaným svazkem. U této metody dochází kromě posuvové rychlosti k mikropohybu laserového svazku podél svařované trajektorie. Řízením parametrů mikropohybu můžeme měnit jak šířku závaru, tak i mikrostrukturu svaru, jak je opět předvedeno v rámci několika experimentů.

Svařitelnost ocelí pro automobilové karoserie

V ČR je robotizace svařovacího procesu nejvíce zastoupena v automobilovém průmyslu. Se sériovou výrobou samonosných karoserií vyvstal problém spojování ocelových plechových výlisků. Příspěvek proto mapuje základní ocelové materiály používané při stavbě karoserií a jejich svařitelnost.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit