Produkcja złączy konektorowych dla przemysłu motoryzacyjnego ma charakter wielkoseryjny i obejmuje wiele rodzajów złączy produkowanych za pomocą tego samego urządzenia. Stwarza to wysokie wymagania w odniesieniu do niezawodności i elastyczności produkcji z uwzględnieniem jak najkrótszego czasu niezbędnego do przezbrojenia urządzenia.
W niniejszym artykule przedstawiono informacje, w jaki sposób nowoczesna technologia wytwarzania oparta o wykorzystanie lasera światłowodowego firmy IPG Photonics może znacząco obniżyć koszty produkcji złączy tego rodzaju.
Rys. 1. Proces spawania laserowego złączy konektorowych
Precyzyjna regulacja zwierciadeł należy do przeszłości
Złącza konektorowe dla przemysłu motoryzacyjnego są produkowane z wykorzystaniem technologii tłoczenia-kształtowania. Stosowane materiały obejmują zarówno stal, jak i stopy o wysokich własnościach użytkowych, takie jak np. umacniane wydzieleniowo stopy CuNiSi. Po każdej operacji tłoczenia (wykrawania i gięcia blachy) elementy są zazwyczaj łączone doczołowo za pomocą preferowanej dla tego zastosowania metody spawania laserowego. Każdy skok prasy wymaga wygenerowania przez laser do około sześciu impulsów przypadających na element. Stosowane obecnie w tym obszarze urządzenia wyposażone w lasery Nd:YAG wzbudzane na drodze optycznej zbudowane są w oparciu o skomplikowane przełączniki wiązki promieniowania i kilka półprzepuszczalnych zwierciadeł. Aby sprostać wysokim wymaganiom jakościowym stawianym przez przemysł motoryzacyjny konieczne są precyzyjne i czasochłonne regulacje luster. Bezproduktywny czas przezbrajania lasera zwiększa koszty wytwarzania w sposób znaczący. Najnowsze urządzenie firmy IPG Photonics wyposażone w sześć niezależnych światłowodów wyjściowych wiązki promieniowania laserowego i indywidualne programowanie energii impulsu emitowanej wiązki promieniowania dla każdego z wyjść za pomocą prostego interfejsu użytkownika umożliwia wyeliminowanie czasochłonnych regulacji mechanicznych.
Rys. 2. Wielokanałowy laser quasi cw (MCQL) firmy IPG
Wysoka wydajność obniża koszty
W porównaniu z obecnymi urządzeniami laserowymi wyposażonymi w lasery Nd:YAG pompowane lampowo, lasery włóknowe MCQL zapewniają znacznie wyższe częstotliwości emisji wiązki laserowej emitowanej w trybie impulsowym, co umożliwia znaczne zwiększenie ilości skoków prasy na minutę. Porównania wykazują do 4,5 razy wyższą wydajność urządzeń wyposażonych w lasery światłowodowe MCQL.
Tablica 1 – Porównanie parametrów pracy lasera MCQL i lasera Nd:YAG
Typowe parametry impulsu: energia – 8 J, moc szczytowa – 4 kW, czas impulsu – 2 ms
Laser
Parametry |
MCQL-450-4500-4 | 2 x 200W Nd:YAG |
moc wyjściowa [W] | 1800 | 400 |
energia impulsu [J] | 4×8 | 2×16 |
max. częstotliwość [Hz] | 56 | 12,5 |
max. ilość skoków prasy/min | 3360 | 750 |
Rys. 3. Konektor spawany laserowo
Uzasadnione porównanie: lasery włóknowe vs. lasery Nd:YAG
Ze względu na swoją konstrukcję lasery Nd:YAG wzbudzane na drodze optycznej (lampowo) pobierają duże ilości energii elektrycznej. Przy sprawności zaledwie 3% znikoma część energii elektrycznej jest przekształcana w użyteczną moc wiązki promieniowania laserowego. Duża część energii – 97%, zostaje rozproszona w wyniku koniecznego chłodzenia rezonatora laserowego. Dalszy rozwój tej technologii nie był zatem uzasadniony.
Obecnie laser włóknowy jest najbardziej wydajnym narzędziem produkcyjnym o dziesięciokrotnie wyższej sprawności elektrycznej i bezobsługowej pracy. Lasery włóknowe emitują promieniowanie laserowe o tej samej długości fali co lasery Nd:YAG. Jest zatem możliwe wykorzystanie stosowanych dotychczas głowic spawalniczych, co sprawia, że przejście na bardziej wydajną technologię jest szybkie i łatwe. Zastosowanie laserów włókowych wpisuje się w wymóg ogniskowania wiązki laserowej na niewielkim obszarze elementów obrabianych. Wysoka jakość wiązki promieniowania laserów włóknowych firmy IPG Photonics umożliwia zastosowanie układów optycznych o bardziej zwartej budowie, pozwalających na skuteczniejsze zogniskowanie wiązki na niewielkim obszarze. Jest to szczególnie istotne w przypadku coraz częstszego stosowania stopów miedzi o wysokich własnościach użytkowych. Ponieważ miedź ma wysoki współczynnik odbicia, proces spawania wymaga dużej gęstości mocy gwarantującej jego stabilny przebieg. W przypadku lasera włóknowego lepsza jakość wiązki skutkuje większym zakresem dopuszczalnych zmian parametrów procesu, a tym samym poprawą jakości wytwarzanego elementu.
Rys. 4. Porównanie laserów Nd:YAG z laserem MCQL – doskonałe możliwości ogniskowania wiązki promieniowania laserowego
Korzyści wynikające z szerokiego zakresu wyboru jakości wiązki
Do laserów włóknowych MCQL można podłączyć światłowody o prawie dowolnej średnicy. Wiązka promieniowania laserowego ogniskowana jest na elemencie obrabianym w stosunku 1:1, tzn. średnica obszaru ogniskowania (plamki laserowej) jest równa średnicy światłowodu. Skutkuje to większą elastycznością w zakresie relacji: średnica ogniska – spoina punktowa. Szerokość impulsu w procesie spawania konektorów mieści się zwykle w zakresie milisekund. Impulsy wiązki promieniowania o takiej szerokości powodują, że w odniesieniu do wielu materiałów, ilość wprowadzonego ciepła jest wystarczająca do ich szybkiego stapiania lub zapobiegania pojawianiu się pęknięć gorących. Mniejsza średnica obszaru ogniskowania (średnica plamki laserowej) pozwala uzyskać większą gęstość mocy dla tej samej wartości mocy wiązki promieniowania. Oznacza to, że zmniejszając wartość mocy średniej można utrzymać wymaganą gęstość mocy. Zaletą zmniejszenia średnicy ogniskowania jest zatem mniejsza ilość ciepła wprowadzonego do materiału obrabianego. Zaprojektowane przez firmę IPG Photonics światłowody procesowe typu plug-and-play można łatwo wymienić w dowolnym momencie, aby dostosować się do zmiany asortymentu obrabianych elementów. Jakość wiązki lasera można również szybko i łatwo dostosować do procesu.
Tablica 2 – Przykład konfiguracji dla warunku jednakowej średnicy światłowodu i obszaru ogniskowania
średnica
światłowodu/obszaru ogniskowania |
gęstość mocy [W/cm2] | |
4,5 kW | 6 kW | |
200 mm | »1,5•107 | »2•107 |
400 mm | »3,7•106 | »5•106 |
600 mm | »1,7•106 | »2•106 |
Rys. 5. Optyka laserowa zaprojektowana i wykonana przez firmę IPG Photonics, graficzne przedstawienie zależności między średnicą obszaru ogniskowania i położeniem ogniska
Najmniejsza w skali światowej powierzchnia instalacji urządzenia przy równocześnie najwyższej wydajności i jakości wiązki promieniowani laserowego
Urządzenie wyposażone w maksymalnie sześć wyjść światłowodowych zajmuje powierzchnię zaledwie 0,5 m². Umożliwia to efektywne wykorzystanie cennej powierzchni produkcyjnej. Biorąc pod uwagę fakt, że obudowa urządzenia wyposażona jest w rolki jezdne, staje się ono urządzeniem przenośnym, co umożliwia jego wdrożenie do różnorodnych linii produkcyjnych. Zwarta konstrukcja urządzenia jest osiągana dzięki zastosowaniu diod laserowych o mniejszych gabarytach, większej mocy i zwiększonej sprawności energetycznej, nawet dziesięciokrotnie większej niż konwencjonalne lasery Nd:YAG. Filozofią firmy jest koncentracja prac na opracowywaniu zaawansowanych technicznie urządzeń. Innowacyjne rozwiązania techniczne opracowywane w firmie IPG Photonics umożliwiają stały postęp w dziedzinie laserów włóknowych i zrewolucjonizowanie nowo opracowywanych konstrukcji tych urządzeń. Koncepcja działalności firmy w oparciu o integrację pionową w odniesieniu do wszystkich kluczowych komponentów, od diod laserowych począwszy, przez głowice procesowe i agregaty chłodnicze, aż po kompletne stanowiska spawalnicze gwarantuje klientom wysoką niezawodność, wydajność
i zaawansowane rozwiązania konstrukcyjne urządzeń laserowych do obróbki materiałów.
Tablica 3 – Porównanie parametrów i kosztów eksploatacji lasera MCQL i laserów Nd:YAG
Laser
Parametry |
MCQL-450-4500-4 | 2 x 200W Nd:YAG |
moc średnia [W] | 400 | 400 |
pobór mocy przez laser [kW] | 1,3 | 13 |
pobór mocy przez układ chłodzenia [kW] | 0,3 | 4,3 |
EUR/kWh | 0,15 | 0,15 |
h/a | 6000 | 6000 |
roczny koszt energii [€] | 1440 | 16200 |
roczne oszczędności [€] | 14700 |
Przykład: PRR = 12.5 Hz @ 8 J = 100 W mocy średniej/światłowód
- PPR (pulse repetition rate) – częstotliwość emisji impulsów wiązki promieniowania laserowego
Rys. 6 Porównanie gabarytów laserów Nd:YAG i lasera MCQL
Podsumowanie
Dalszy stały rozwój elektromobilności oznacza wzrost zapotrzebowania przemysłu motoryzacyjnego na złącza konektorowe. W ten obszar produkcji wpisują się bardzo dobrze urządzenia wyposażone w lasery włóknowe, spełniając wymóg łatwej integracji, obsługi, zwartej budowy i wysokiej wydajności.
Tablica 4 – Porównanie najważniejszych parametrów lasera MCQL-450-4500-4 i laserów Nd:YAG.
Laser
Parametry |
MCQL-450-4500-4 | 2 x 200W Nd:YAG |
ustawienie mocy na poszczególnych wyjściach światłowodów | oddzielne dla każdego wyjścia | niezmienne |
sprawność | 30% | 3% |
minimalny obszar ogniskowania na elemencie obrabianym
(średnica światłowodu jest równa średnicy obszaru ogniskowania) |
200 mm | 400 mm |
wymagana konserwacja | nie | tak |
zajmowana powierzchnia | ~0,5 m2 | ~2 m2 |
masa | ~300 kg | ~950 kg |
maksymalna moc średnia | 1800 W | 400 W |
IPG Photonics Sp. z o.o.
ul. Portowa 74,
44-102 Gliwice
Tel: +48 32 721 22 20