Kiedy przed czterdziestoma laty w filmie „Gwiezdne wojny” George Lucas wprowadził na ekrany kin technologie laserowe w formie broni indywidualnej – mieczy świetlnych rycerzy Jedi, nikt z nas nie marzył o zastosowaniu podobnej technologii w spawaniu materiałów metalowych czy tworzyw sztucznych. Jednak naukowcy już szukali możliwości ich wykorzystania w przemyśle.
Przed dokładnie dwudziestoma laty i niemal dwie dekady po premierze filmu STAR WARS w laboratorium laserowym Instytutu Spawalnictwa w Monachium testowane były pierwsze systemy skanerów firmy Scanlab przeznaczone do spawania laserowego z wykorzystaniem laserów neodymowych w trybie pracy CW o dużej – jak na tamte czasy – mocy 2000 W. Technologia prowadzenia wiązki laserowej za pomocą układów luster w systemach galwanometrycznych była już w tym czasie stosowana w maszynach do znakowania laserowego, ale wyłącznie w zakresie małych mocy kilkunastu watów. Przy kilkuset razy większej mocy wiązki laserowej i trybie pracy CW (nie zaś impulsowym) skok obciążenia termicznego wszystkich układów – zarówno mechanicznych, jak i optycznych – był wysoki.
Początki technologii Remote Welding
Podstawowymi cechami technologii Remote Welding są wysoka dynamika i duża prędkość prowadzenia wiązki laserowej – do kilkudziesięciu m/s – wynikające z małej masy luster i układów galwanometrycznych.
Owa nowa, przyszłościowa (bo ekonomiczna) technologia spawania wymagała jednak od jej twórców i użytkowników przezwyciężenia szeregu początkowych trudności, w tym m.in. rozwiązania problemu doprowadzania gazów ochronnych na czoło spoiny w celu przeciwdziałania utlenianiu się jej powierzchni, zapewnienia ochrony obszaru prowadzenia ogniskowanej wiązki laserowej o wysokiej gęstości przed spontanicznymi zakłóceniami jej jakości przez pary i dymy powstające w procesie spawania oraz ochrony optyki końcowej przed zanieczyszczeniami powstającymi podczas spawania, a także zapobiegania efektom termooptycznym związanym z nagrzewaniem się układów luster i systemów galwanometrycznych prowadzącym do deformacji i relokacji ogniska (ang. focus shift).
Powyższe problemy, jak i ich przyczyny należy dziś uznać za rozpoznane, a w dużym stopniu także opanowane, co otwiera drogę do dalszego dynamicznego rozwoju tej technologii, w tym w połączeniu z laserami włóknowymi, robotami przemysłowymi oraz systemami wizyjnymi prowadzącymi ognisko wiązki laserowej po zadanej ścieżce spawania. Sprzyja mu także dalszy wzrost stabilności termicznej i dynamiki układów galwanometrycznych oferujący technologom i inżynierom cały szereg nowych możliwości technologicznych.
![Komponenty technologii Remote Welding](https://laser-pro.pl/wp-content/uploads/2023/08/Komponenty-technologii-Remote-Welding.png)
Rozwój warunkowany uniwersalnością
Największym stymulatorem ekspansji technologii Remote Welding jest jednak rozwój laserów włóknowych. Podczas gdy do spawania wiązką lasera CO2 niezbędny jest gaz procesowy doprowadzony precyzyjnie do strefy spoiny, w procesie spawania laserem włóknowym kwestia dostarczenia gazu procesowego nie odgrywa już tak decydującej roli. W tym ostatnim przypadku kluczowa jest jedynie osłona czoła oraz ewentualnie lica spoiny przed reakcją utleniania. Odpowiednia mieszanina gazu procesowego ma również istotny wpływ na formę spoiny (jej szerokość i głębokość), a także prawdopodobieństwo powstawania porów. Tym samym przemysłowe lasery o mocy do 8 kW z możliwością prowadzenia wiązki w światłowodach o średnicy od 50 do kilkuset mikronów pozwalają na rozszerzenie zakresu zastosowań technologii Remote Welding na szereg aplikacji przemysłowych niedostępnych dla technologii spawania laserem CO2.
Kolejnym czynnikiem decydującym o szybkim rozwoju tej technologii jest możliwość prowadzenia skanerów na ramieniu robotów przemysłowych przy uzyskaniu dużego pola roboczego. W tym przypadku kluczowym elementem jest niezależne sterowanie obu dynamicznych układów osi składających się typowo z sześciu osi robota i trzech osi skanera (X/Y i Z). Choć przemysłowe roboty wieloosiowe są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, pionierem w zakresie wykorzystania dynamicznej technologii Remote Welding – jak i w wielu innych dziedzinach robotyzacji – jest przemysł motoryzacyjny.
![Remote Welding w obróbce laserowej - laser-pro](https://laser-pro.pl/wp-content/uploads/2023/08/Remote-Welding-w-obrobce-laserowej-laser-pro.png)
Ważnym kryterium użyteczności tej technologii w masowej produkcji jest też jej wysoki stopień automatyzacji umożliwiający zarówno zautomatyzowane prowadzenie wiązki po danym śladzie spoiny, jak i kontrolę jakości wyników spawania, w tym w trybie online. Tego rodzaju systemy wizualizacji procesu spawania (ilustracja 4) bazują na kamerach o wysokiej częstotliwości (200-1000 Hz) i specyficznym wąskopasmowym podświetlaniu obszaru spawania. Ich oferta jest stale udoskonalana – podobnie jak asortyment innych nowych funkcji (takich jak kontrola głębokości przetopienia).
Wiązka modyfikowana w ognisku
Pod względem technologicznym obecne systemy skanerów oferują szeroki zakres możliwości modyfikacji wiązki laserowej w ognisku. Pozwalają one użytkownikowi na kształtowanie geometrii (głębokości i przekroju) spoiny oraz strefy wpływu ciepła powstającego w procesie spawania.
Można wymienić dwie główne funkcje modyfikacji wiązki laserowej w ognisku. Po pierwsze, umożliwia ona szybką zmianę średnicy ogniska i jego pozycji wzdłuż osi Z za pomocą optyki zoom. Jest to istotne zwłaszcza w procesach spawania dwu- lub trójwymiarowych detali, w których zachodzi potrzeba szybkiego dostosowywania ogniska do pożądanej pozycji wzdłuż osi Z. Układy optyczne z możliwością modyfikacji ogniska o powiększeniu do 150% średnicy wyjściowej zapewniają optymalizację parametrów spawania – przede wszystkim gęstości energii (I = P/A0) – pod kątem modelowania procesu topienia materiałów.
Drugą istotną funkcją modyfikacji wiązki jest uzyskanie efektu jej oscylacji w dowolnych formach geometrycznych z możliwością modyfikacji jej mocy w wybranych obszarach owych form (ilustracja 5). W podanym przykładzie ognisko wiązki laserowej oscyluje w formie elipsy ze zmienną mocą kształtującą się na poziomie < 60% mocy wyjściowej lasera w obszarze amplitudy 0 do -1 oraz 80- 100% mocy wyjściowej lasera w obszarze amplitudy 0 do +1. Technologia wobulacji wiązki laserowej pozwala na generowanie spoiny w znacznym stopniu dostosowanej do potrzeb danego połączenia. Manipulacja szerokością czoła i przekrojem spoiny w głąb materiału oferuje bowiem możliwość wpływu na wytrzymałość połączenia dla szerokiego spektrum spawanych detali.
![Remote Welding w obróbce laserowej - laser-pro (2)](https://laser-pro.pl/wp-content/uploads/2023/08/Remote-Welding-w-obrobce-laserowej-laser-pro-2.png)
Trzy kroki do sukcesu
Aby jednak zastosowanie tego rodzaju technologii przyniosło pożądane efekty, konieczne jest przestrzeganie kilku podstawowych zasad. Po pierwsze, spawane detale powinny cechować się wysoką dokładnością i powtarzalnością jakościową. Mimo możliwości rozszerzenia tolerancji procesu spawania, w dalszym ciągu jego narzędziem pozostaje bowiem wiązka laserowa o wysokiej gęstości energii i małych wymiarach geometrycznych.
Po drugie, mocowanie spawanych detali powinno być stabilne zarówno pod względem mechanicznym, jak i termicznym, a także cechować się odpowiednią dokładnością i powtarzalnością. Zasada ta dotyczy również elementów stabilizujących proces, w tym noży powietrznych oraz doprowadzeń gazu procesowego. Duży wpływ na stabilność procesu ma też czystość elementów optycznych, mocowania detali i całego oprzyrządowania.
Po trzecie, efektywne wykorzystanie technologii Remote Welding nie byłoby możliwe bez przeszkolonych operatorów z dobrą znajomością urządzeń i procesów, zmotywowanych inżynierów produkcji oraz odpowiedniego wsparcia technicznego producentów technologii laserowych.
![Wykres oscylacji ogniska wiązki laserowej w formie elipsy ze zmienną mocą w obszarze amplitudy](https://laser-pro.pl/wp-content/uploads/2023/08/Wykres-oscylacji-ogniska-wiazki-laserowej-w-formie-elipsy-ze-zmienna-moca-w-obszarze-amplitudy.png)