Szilárdtest lézer vs. gázlézer

Korszerű gyártási lézertechnológia erőátviteli elemekhez

2016. június 22., szerda, 10:37

Címkék: CO2 lézer EMAG fiber lézer hegesztéstechnika lézerhegesztés lézertechnológia szilárdtest-lézer

Ha valaki pár éve benézett a nagy gyártók üzemcsarnokaiba, azt láthatta, hogy a hegesztés területén még a CO2-lézertechnológia dominált. A tulajdonképpeni termeléstől elkülönített, önálló helyiségekben felépített, óriási berendezések szolgáltatták az energiát az akkoriban még újdonságnak számító lézeres hegesztési technológiához. Azóta nem állt meg a fejlődés. A korszerű berendezések már egyre inkább szilárdtest lézereket használnak, amelyek számos döntő előnnyel rendelkeznek.

A Schwäbisch Gmündtől néhány kilométernyire fekvő Heubachban, az EMAG Automation székhelyén olyan szakértők dolgoznak, akik pontosan tudják, miről van szó, hiszen napi szinten foglalkoznak a lézertechnológiával.

Az ELC 250 DUO – kompakt lézer megmunkálóberendezés differenciálházak megmunkálásához. A Duo-változatként tervezett ELC kettő orsóval került kialakításra. A két állomással történő működtetés a munkaorsók főidővel párhuzamos betöltését és ürítését teszi lehetővé.

„2008-ban kezdtünk szilárdtest lézereket használni berendezéseinkben, mivel egyszerűen lenyűgözőek az előnyeik a régi CO2-lézerekhez viszonyítva”, hangsúlyozza Dr. Andreas Mootz, az EMAG Automation GmbH ügyvezetője. „Egészen bizonyosan mi voltunk azok az úttörők, akik „szalonképessé” tettük a szilárdtest lézert az olyan precíziós alkatrészek hegesztésénél, mint például a hajtómű komponensek. A berendezés- és folyamattechnológiával, és különösen a befogás- és készüléktechnológiával szemben támasztott követelmények jóval magasabbak, mint a CO2-lézerek esetében.”

1. előny: Alacsonyabb üzemeltetési költségek

A lézerhegesztő berendezések üzemeltetési költségei tekintetében elsősorban két tényező bír jelentőséggel: a lézer energiafogyasztása és a gáz költségei. A gáz esetében lézergázt (lézerközeg) és a hegesztési folyamat stabilizálására szolgáló védőgázt különböztetünk meg. A gázfogyasztás mellett mindenekelőtt a gázlogisztika okoz jelentős költségeket a létesítmény megtervezése és a hegesztési folyamat során – ezek olyan költségek, amelyek szilárdtest lézerek, pl. tárcsa- vagy szállézer használata esetén fel sem merülnek. Az EMAG berendezésein a legtöbb esetben sűrített levegő szolgál technológiai gázként, ami ugyan vékony oxidréteget hoz létre a varrat felületén, a varratok minőségét azonban nem befolyásolja.

A szilárdtest lézer energiafogyasztás szempontjából is előnyösebb a CO2-lézernél. 4 kW lézerteljesítményhez a CO2-lézer esetében 56 kW elektromos áramra van szükség, míg a szilárdtest lézer esetében csupán 17 kW-ra, ami 70 százalékos energiamegtakarítást jelent. Emellett sokkal kisebb hűtési teljesítmény is elegendő. Ezeket a megtakarításokat is figyelembe véve a szilárdtest lézer energiafogyasztása mindössze a negyedét teszi ki a CO2-lézer energiafogyasztásának, azonos kimenő teljesítmény mellett.

2. előny: A berendezés kialakítása

A lézerhegesztő gépek gyakran rövid, néhány másodperces ütemidőkkel dolgoznak, és óriási alkatrész-átáramlást tesznek lehetővé. Ezért igen fontos, hogy integrálhatók legyenek a termelés anyagáramlásába.

A CO2-lézerberendezések esetében a sugárvezetés, azaz a lézersugárnak a hegesztőoptikához való „szállítása” tükörrendszerrel történik. Ezért a sugárforrásnak, a hűtőberendezéseknek és a megmunkáló állomás(ok)nak szorosan egymás mellett kell lenniük. Ennek különféle hátrányai vannak (pl. a hegesztendő munkadarabok nagy ráfordítást igénylő oda- és elszállítása), amelyek megnehezítik több hegesztőállomás egyazon lézersugárral való ellátását. Tárcsa- vagy szállézeres hegesztőberendezések esetében ezek a problémák gyakorlatilag fel sem merülnek, mivel a helyigényük olyan alacsony, hogy zökkenőmentesen integrálhatók már meglévő gyártósorokba. A lézerforrás ilyen esetben akár 50 méterre is lehet a berendezéstől, mivel a sugárvezetés a szállítószálaknak köszönhetően viszonylag egyszerűen megoldható. A hegesztőállomások ezáltal optimálisan integrálhatók az anyagáramlásba.

Az ELC 250 DUO – kompakt lézer megmunkálóberendezés differenciálházak megmunkálásához. A Duo-változatként tervezett ELC kettő orsóval került kialakításra. A két állomással történő működtetés a munkaorsók főidővel párhuzamos betöltését és ürítését teszi lehetővé.

3. előny: Minőség és sebesség

A költségek csökkenése és a berendezés kedvező kialakítása bizonyára szép és jó dolog, de összehasonlítható-e a hegesztési varratok minősége a CO2-lézerrel készült varratokéval? Tömören fogalmazva: igen. Számos alkalmazás esetében még a hegesztés sebessége is növelhető. Ezáltal a munkadarab hőtorzulása és az ütemidő is csökken.

Összefoglalásként elmondható, hogy a szállézeres/tárcsalézeres technológia hatékonyabb a CO2-lézertechnológiánál, és nagyobb hegesztési sebességet tesz lehetővé. Így a tárcsa- vagy szállézerek teljes mértékben teljesítik az üzemanyagtakarékos, könnyű gépjárművekhez való alkatrészek gyártásának jelenlegi követelményeit.

A kiegyenlítő hajtóműház és a tányérkerék lézeres hegesztése révén 1,2 kilogrammal sikerült csökkenteni az alkatrész tömegét.

Nincs lézer árnyék nélkül

Eddig minden a szilárdtest lézerek alkalmazása mellett szól, de léteznek vajon hátrányaik is? „Hátrányokról tulajdonképpen nem beszélhetünk a CO2-lézerekhez viszonyítva, legfeljebb olyan kihívásokról, amelyekkel meg kell birkóznunk”, magyarázza Dr. Mootz. „A szilárdtest lézerek használata sokkal nagyobb pontosságot igényel az eddiginél. Az 50 mikrométer alatti sugárpozicionálási pontosság a lehető legszigorúbb követelményeket támasztja a géppel, a munkadarab-rögzítéssel, a befogóeszközökkel, valamint a lézeroptika fókuszálásával és beállításával szemben.”

Ezeket a követelményeket az EMAG teljes mértékben teljesíti ELC-berendezéseivel. Mivel a szilárdtest lézer alkalmazása miatt gyakrabban előfordulnak pl. hegesztési fröccsenések, tökéletesen összehangolt szerszámokra van szükség, amelyek optimálisan lefedik az alkatrészt. A különféle alkatrészek megmunkálása során felmerül a lehető legrövidebb átállási idők kérdése is, amelyre az EMAG az ELC 160 berendezés esetében egyszerű, de hatékony megoldást talált. A berendezés szerszámhíddal és akár három különböző szerszámkészlettel, valamint integrált füstgázelszívással van felszerelve, amely néhány másodpercen belüli automatikus átállást tesz lehetővé – ideális megoldás a nagy volumenű, nagy rugalmasságú és nagy termelékenységű  hajtóműrészegység-gyártás számára.

Látható, hogy a szilárdtest lézerek erőátviteli elemek gyártására szolgáló, nagyipari lézer hegesztőgépeken való alkalmazásának gyakorlatilag nincs alternatívája. Használatuk azonban megfelelő szaktudást igényel, hogy előnyeiket olyan nagy hatékonyságú lézerrendszerekben lehessen egyesíteni, mint amilyenek az EMAG ELC sorozatához tartozó berendezések. Ez egy olyan kihívás, amellyel a heubachi szakértők nap mint nap sikeresen megbirkóznak.

www.emag.com


Szakkifejezések:

LASER – A Laser a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation rövidítése. A lézer három fontos alkotóelemből áll, a lézerközegből (pl. CO2 vagy kristályok), amelynek atomjait és molekuláit a lézer második fontos alkotóeleme, a pumpa hozza energetikailag kedvezőbb állapotba. A lézerek harmadik alkotóeleme a rezonátor, amely gondoskodik róla, hogy a lézerközegben létrejött nagy energiájú fotonok elhagyják az anyagot, ami végül a tulajdonképpeni lézersugarat létrehozza.

Hegesztési fröccsenés – A hegesztési fröccsenés azt jelenti, amikor a hegesztési folyamat során apró részecskék válnak ki a munkadarabból, és eloszlanak a felületén. Ez károsan befolyásolja a munkadarab minőségét, ezért messzemenően kerülendő.

Pumpálás – Pumpálás alatt a lézerközeg elektronjainak magasabb energiaszintre való gerjesztése értendő. Ez általában sugárzással, pl. lézerdiódával történik.

Szilárdtest lézer – Szilárdtest lézer alatt az olyan lézerek értendők, amelyek esetében a lézerközeget egy szilárd test képezi. Ez lehet kristály vagy üveg, amely idegen ionokkal van feltöltve. Lásd még a CO2-lézert is.

Lézerdióda – A lézerdióda a pumpa alapja, amelyben létrejön az energia a pumpáló sugárzáshoz, a kívánt hullámhosszokon. A lézerdiódák jól beváltak energiaforrásként, mivel más optikai médiumokhoz, pl. az ívlámpához viszonyítva sokkal hosszabb az élettartamuk, és nagyobb hatásfokot érnek el. 

CO2-lézer – A CO2-lézer esetében a lézerközeg a CO2 gáz.

Tárcsalézer – A tárcsalézer egy szilárdtest lézer, amelynek rezonátora egy tárcsa alakú kristály. A pumpálással bevitt energia lehető legnagyobb fokú abszorpciója érdekében a pumpáló sugárzás többször is átvezetésre kerül a tárcsán.

Szállézer – A szállézer, ahogyan már a neve is elárulja, egy üvegszálból áll, amely lézerközegként szolgál. A pumpálás energiája átvezetésre kerül az üvegszálon, miáltal létrejön a lézersugárzás.

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek