Svařování vysokopevnostní oceli lasery COHERENT
Vláknové lasery Coherent Adjustable Ring Mode (ARM) umožňují svařování vysokopevnostní oceli a dalších materiálů v lehkých konstrukcích automobilových sedadel.
Když většina z nás přemýšlí o automobilových sedadlech, většinou se zajímá o pohodlí a výběr barev, případně o možnosti, jako je vestavěné vyhřívání nebo masáž. Pro inženýry, kteří navrhují a konstruují automobilová sedadla, je toho však mnohem více.
V první řadě je to samozřejmě bezpečnost. Řidič a cestující jsou do svých sedadel doslova připoutáni. Při nárazu je mechanická pevnost konstrukce sedadla první obrannou linií, která chrání cestující ve vozidle a zabraňuje jejich zranění.
Druhou stranou je však hmotnost. Zpevnění konstrukce totiž obvykle znamená i její ztěžknutí. A výrobci automobilů jsou pod obrovským tlakem na snižování hmotnosti vozidel. Tím se zvyšuje účinnost paliva, snižují se emise spalovacích motorů a zvyšuje se dojezd elektromobilů. V automobilovém průmyslu je hmotnost tak velký problém, že pro jeho řešení vznikla dokonce vlastní disciplína - "odlehčování vozidel".
Odlehčení pomocí vysokopevnostní oceli
Jak vyrobit autosedačky, které jsou pevné a zároveň lehké? Klíčem je použití materiálů, které jsou ze své podstaty pevnější - jako je ocel, titan a hořčíkové slitiny -, takže jednotlivé komponenty mohou být tenčí a lehčí, aniž by utrpěla mechanická pevnost. A na díly, které se významně nepodílejí na pevnosti nebo tuhosti sedadla, použít plasty, kompozity nebo jiné skutečně lehké materiály.
Jedním z nejnovějších vývojových trendů v konstrukci autosedaček je použití vysokopevnostní nízkolegované oceli (HSLA) a pokročilé vysokopevnostní oceli (AHSS). Tyto materiály mají ještě vyšší poměr pevnosti a hmotnosti než jiné oceli, takže jsou skutečně užitečné při dosahování cílů odlehčení. Výrobci automobilů je již nějakou dobu používají při výrobě rámů a nyní se dostávají i do sedadel.
Svařování vysokopevnostních ocelí je náročné
Moderní automobilová sedadla se skládají z poměrně velkého počtu jednotlivých dílů sestavených do složitých konstrukcí. Kov a další materiály se někdy dokonce kombinují do vícevrstvých kompozitů.
Skenerové laserové svařování (kdy je hlava zpracovávající laser ve značné vzdálenosti od dílu) se ukázalo jako velmi užitečný nástroj pro jejich výrobu, a to z několika důvodů. Za prvé, lze jím snadno zpracovávat složité trojrozměrné tvary součástí sedadel. A zejména při použití vláknového nebo pevnolátkového laseru o výkonu několika kW poskytuje rovnoměrné, konzistentní svary s hloubkou průvaru potřebnou ke spojení několika vrstev silného, vrstveného kovu. Je to také rychlá a flexibilní metoda.
Při svařování vysokopevnostní oceli pomocí tradičních vláknových laserů však existují problémy. Jedním z nich je rozstřik. Rozstřik vytváří svar s vyšší pórovitostí a vadami, což znamená nízkou mechanickou pevnost. S rostoucí rychlostí svařování se rozstřik zhoršuje, což omezuje výkonnost výroby.
Dalším problémem je nestejná hloubka průvaru. Výsledkem je svar, který nemá stejnou mechanickou pevnost po celé své délce.
U tradičních vláknových laserů je problémem také praskání materiálu, které opět snižuje mechanickou pevnost. K praskání dochází při příliš rychlém ochlazení materiálu. Obvykle k němu dochází na konci svarového spoje, kde byl náhle vypnut výkon laseru.
Dalším problémem při rychlém ochlazování vysokopevnostní oceli je, že někdy dochází ke vzniku krystalické formy zvané martenzit. Martenzit je sice pevná, ale zároveň nejkřehčí forma oceli. To znamená, že při přílišném namáhání při používání může prasknout.
Vláknové lasery ARM pod tlakem svařování nepraskají
Klíčem k zamezení všech těchto potíží je rozložení laserové energie na větší plochu a přesnější kontrola nad rozložením laserové energie v této oblasti. To umožňuje pečlivěji řídit teplotní gradient i rychlost ochlazování materiálu. Při správném postupu se eliminuje rozstřikování, praskání a tvorba martenzitu.
Společnost Coherent vyvinula technologii vláknového laseru s nastavitelným kruhovým režimem (ARM), která poskytuje přesně takovouto přesnou kontrolu nad ohřevem a chlazením materiálu během svařování. Laser ARM využívá výstup se dvěma paprsky. Jedná se o centrální bod obklopený druhým soustředným prstencem laserového paprsku. Výkon každého z těchto paprsků lze nezávisle nastavit a dokonce modulovat, což umožňuje požadovanou kontrolu. Lasery ARM již nacházejí uplatnění v dalších náročných aplikacích spojování v automobilovém průmyslu, jako je svařování baterií a svařování mědi, které vyžadují stejný druh preciznosti.
Nedávno požádal velký výrobce automobilových sedadel společnost Coherent Labs o provedení série svařovacích testů na vysokopevnostních ocelových materiálech. Konkrétně se jednalo o svařování plechů HSLA různých tlouštěk pomocí vláknového laseru Coherent HighLight FL8000-ARM. Byl použit speciální režim pro ukončení svaru, který nezávisle na sobě snižoval výkon ve středovém a kruhovém paprsku.
Toto testování úspěšně demonstrovalo svary bez rozstřiku a trhlin při procesních rychlostech až 8,8 m/min pro nejtenčí kombinaci materiálů (celková tloušťka 2 mm) a 6,3 m/min pro nejtlustší (celková tloušťka 5,7 mm). Tyto rychlosti jsou podstatně vyšší než rychlosti dosažitelné s tradičními vláknovými lasery. Ve všech případech byla penetrace svaru velmi rovnoměrná díky uzavřené smyčce řízení výkonu a přirozené necitlivosti laseru Coherent FL-ARM na zpětný odraz.
Tyto výsledky testů ukazují, že laser Coherent HighLight FL-ARM dokáže zajistit vysoce kvalitní svary s nízkým výskytem defektů ve vysokopevnostních ocelích. Dosažená vysoká propustnost a přirozená spolehlivost této technologie vláknového laseru z ní činí nákladově efektivní řešení pro aplikace výroby automobilových sedadel. Chcete se o této aplikaci dozvědět více? Pak si přečtěte podrobnosti v našem Stručném popisu řešení zde.
Zdroj: Coherent.com
Související produkty
Vláknový laser HighLight ARM
Pokročilé technologie vláknového laseru se středovým a prstencovým paprskem pro efektivní svařování choulostivých nebo na teplo citlivých materiálů, různorodých materiálů.