Remote Welding w spawaniu laserem II


Nawiązując do pierwszego artykułu na temat zdalnego spawania laserowego opublikowanego w poprzednim poście, przedstawiamy możliwości automatyzacji procesów zdalnego spawania laserowego i ich integracji w kompleksowe, zwarte systemy obróbki spawaniem.


Jedną z pierwszych aplikacji, w której wykorzystano technologię zdalnego spawania, były maszyny do spawania wymienników ciepła w przemyśle motoryzacyjnym. Pierwsze wdrożenia tego typu systemów bazują właśnie na wynikach prac badawczo-rozwojowych realizowanych dla jednej z firm produkujących kompleksowe rozwiązania odprowadzania ciepła z napędów samochodowych.


O ile jednak spawanie rurek wymienników ciepła z profilowanej blachy płaskiej można optymalnie realizować przy użyciu statycznych głowic ogniskujących wiązkę laserową, o tyle łączenie owych pojedynczych rur w gotowy system wymiany ciepła składający się – w zależności od jego zastosowania – z całego szeregu tego typu komponentów przy wykorzystaniu statycznej głowicy ogniskowania okazuje się całkowicie nieopłacalne. Proces spawania kilkudziesięciu końcówek rur w płyty czołowe wiąże się bowiem z czasochłonnym repozycjonowaniem głowicy statycznej. Prędkość zmiany pozycji ramienia robota prowadzącego wiązkę wielkości kilku metrów na minutę jest nieporównywalnie mniejsza niż kilkadziesiąt metrów na sekundę, a więc prędkość, z którą głowice galwanometryczne prowadzą wiązkę.



Kolejną zaletą obecnych systemów zdalnego spawania jest ich duże pole pracy – do 300 mm × 300 mm. Zaawansowane galwanometryczne systemy produkcyjne są w stanie opracować powierzchnię kilku metrów kwadratowych z niewielu punktów powierzchni. Nowe rozwiązania pracują w tzw. trybie on the fly, co oznacza, że robot przemysłowy prowadzi głowicę galwo ponad dużym polem pracy, a sama głowica symultanie do ruchu robota prowadzi wiązkę laserową po odpowiednio zaplanowanej ścieżce spawania (więcej na ten temat w poprzednim poście).


Funkcjonalności systemów zdalnego spawania laserowego

Kompleksowe rozwiązania do zdalnego spawania laserowego obejmują w zautomatyzowanym trybie on-line następujące funkcjonalności:

1. Śledzenie pozycji szczeliny i tym samym dokładnej pozycji spawania z samodzielną kompensacją odchyleń i dokumentacją procesu prowadzenia wiązki

Technologie optyczne, w tym wizyjne, w połączeniu z technologiami laserowymi mają tę zaletę, że do ich zaaplikowania można zastosować wiązkę laserową, tj. tor optyczny używany przez narzędzie spawające. Ich zadaniem jest korekta mechanicznych niedokładności detali, przede wszystkim jednak oprzyrządowania do spawania. Mniejsze koszty oprzyrządowania, biorąc ich mniejszą, jednakże wystarczającą dokładność, kompensują koszty systemów wizyjnych.

Systemy wizyjne umożliwiają także kontrolę jakości produkowanych wyrobów, a tym samym niedopuszczenie do procesu spawania detali, w których położenie spoiny nie jest jednoznacznie rozpoznawalne. Spawanie takich półproduktów doprowadziłoby do wadliwych połączeń i tym samym do powstania braków, co z kolei przełożyłoby się na wzrost kosztów produkcji.


2. Kompleksowy proces spawania z dynamicznie oscylującym ogniskiem wiązki laserowej oraz dokumentacją parametrów lasera i oddawanej wiązki laserowej

Technologia oscylacji wiązki laserowej opisana szerzej przed rokiem (nr 6/2016 MM Magazynu Przemysłowego) pozwala w dużym stopniu na modyfikację geometrii spoiny w trakcie procesu spawania. Jej zaletą jest elastyczność prowadzenia wiązki z pełną gęstością energii ogniska laserowego. Umożliwia to np. generowanie i procesową kontrolę szerokości uzyskanej spoiny nawet w głąb przetopu.




Statyczne systemy ogniskowania wiązki laserowej pozwalają na modyfikację przekroju spoiny jedynie przez zmianę położenia ogniska lub powierzchni spawanych detali. Metoda ta na skraju pola parametrów może doprowadzić do powstania np. pęcherzy w przetopionym materiale . Oprócz tego zmiana położenia ogniska powyżej pozycji 0 (0 = powierzchnia detalu spawanego) prowadzi do utraty maksymalnej gęstości na powierzchni detalu, co prowadzi do spadku prędkości spawania i efektywności obróbki.



3. Kontrola jakości uzyskanych wyników spawania on-line z pomiarem profilu czoła i głębokości przetopionej spoiny oraz dokumentacją wyników spawania

Szybko rozwijające się systemy kontroli samego procesu spawania oferują coraz dokładniejsze rezultaty oceny wyników spawania – i to w trybie on-line. O ile prostsze systemy kontroli jakości typu LWM rejestrują optyczne zjawiska powstające w procesie spawania i mierzą temperaturę obszaru przetopu, zaawansowane urządzenia kontroli jakości stosują technologię optycznej tomografii koherencyjnej (ang. Optical Coherence Tomography – OCT), tj. techniki interferometrycznej przechwytującej trójwymiarowe obrazy uzyskiwane z optycznie rozpraszających ośrodków z rozdzielczością do mikrometrów. Zaś kolejny system laserowy prowadzony po torze wiązki spawającej mierzy topologię powierzchni uzyskanego połączenia lub powierzchni łączonego materiału do połączenia.

Na rynku dostępne są już również systemy, które są zdolne monitorować w trybie on-line głębokość przetopienia materiału (ilustracja 6). Dzięki szybko rozwijającej się i upowszechniającej technologii pomiarowej OCT wzrasta zakres możliwości detekcji nieregularności spoiny (np. pustek, braku przetopu, rozprysku, wklęsłości lica, przesunięcia krawędzi itd) w procesach spawania.



Optyczna tomografia koherencyjna

OCT to jednopunktowa, bezdotykowa metoda pomiarowa cechująca się wysoką prędkością pomiaru. Jej zaletą jest możliwość otrzymania podpowierzchniowych obrazów materiałów nieprzepuszczających światła o bardzo dobrej rozdzielczości zbliżonej do rozdzielczości mikroskopu o niskiej mocy optycznej.

Nie wymaga także wcześniejszego przygotowywania próbek. Choć jej potencjał wykorzystywany jest jak dotąd głównie w branży medycznej, budzi również coraz większe zainteresowanie sektora przemysłowego, gdzie jest wykorzystywana w procesach spawania laserowego zarówno w fazie wstępnej (m.in. do kontroli pozycji i jakości krawędzi), jak i postprocesowej (m.in. w pomiarach pozycji i szerokości spoiny, porowatości powierzchni czy wad połączeń).




Systemy zdalnego spawania laserowego wyposażone w wymienione funkcjonalności są coraz chętniej wykorzystywane w procesach makro- i mikrospawania części samochodowych w przemyśle motoryzacyjnym. Właśnie ta branża jest również najbardziej zaawansowana, jeśli chodzi o wdrażanie aplikacji wykorzystujących najnowsze rozwiązania z zakresu kontroli spoiny, parametrów lasera i jakości wyników spawania – poparte szczegółową dokumentacją wyników pomiarów niezbędną w wysokoseryjnej produkcji komponentów motoryzacyjnych. Najciekawsze z tego typu aplikacji przedstawimy w kolejnym artykule poświęconym technologiom spawania laserowego.

PolandEnglish