Както лазерно-лъчевото, така и дъговото заваряване отдавна се използват за промишлено производство и позволяват широк спектър от приложения в областта на технологиите за съединяване на материали. Всеки от тези процеси има свои специфични области на приложение, описани от физичните процеси на пренос на енергия към детайла и от енергийните потоци, които могат да бъдат получени. Енергията се предава от лазерния източник към материала за обработка посредством високоенергийно инфрачервено кохерентно лъчение, използвайки оптичен кабел. Дъгата предава топлината, необходима за заваряване, посредством висок електрически ток, протичащ към детайла чрез дъгова колона. Лазерното лъчение води до много тясна зона, засегната от топлина, с голямо съотношение на дълбочината на заваряване към ширината на шева (ефект на дълбоко заваряване). Способността за преодоляване на празнини на лазерния заваръчен процес е много ниска поради малкия диаметър на фокуса, но от друга страна, той може да достигне много високи скорости на заваряване. Процесът на дъгово заваряване има много по-ниска енергийна плътност, но причинява по-голямо фокусно петно върху повърхността на детайла и се характеризира с по-бавна скорост на обработка. Чрез сливането на двата процеса могат да се постигнат полезни синергии. В крайна сметка това позволява постигането както на качествени предимства и ползи за производствения инженеринг, така и на подобрена икономическа ефективност. Този процес предлага интересни и икономически атрактивни приложения, както в автомобилната индустрия, не на последно място, защото са разрешени по-високи допуски на заваръчните конструкции, възможни са по-високи скорости на съединяване и могат да се постигнат много добри механични/технологични параметри.
1. Въведение:
Още от 70-те години на миналия век е известно как да се комбинират лазерна светлина и дъга в обединен процес на заваряване, но дълго време след това не е предприета по-нататъшна развойна дейност. Наскоро изследователите отново насочиха вниманието си към тази тема и се опитаха да обединят предимствата на дъгата с тези на лазера в хибриден процес на заваряване. Докато в ранните дни лазерните източници все още трябваше да доказват своята пригодност за промишлена употреба, днес те са стандартно технологично оборудване в много производствени предприятия.
Комбинацията от лазерно заваряване с друг заваръчен процес се нарича „хибриден заваръчен процес“. Това означава, че лазерен лъч и дъга действат едновременно в една заваръчна зона, като се влияят и подкрепят взаимно.
2. Лазер:
Лазерното заваряване изисква не само висока лазерна мощност, но и висококачествен лъч, за да се получи желаният „ефект на дълбоко заваряване“. Полученото по-високо качество на лъча може да се използва или за получаване на по-малък диаметър на фокуса, или за по-голямо фокусно разстояние.
За развойните проекти, които са в ход в момента, се използва твърдотелен лазер с лампово напомпване и мощност на лазерния лъч от 4 kW. Лазерната светлина се предава през стъклено влакно с дебелина 600 µm.
Лазерната светлина се предава през стъклено влакно, чието начало и край са охладени с вода. Лазерният лъч се проектира върху детайла чрез фокусиращ модул с фокусно разстояние 200 мм.
3. Лазерен хибриден процес:
За заваряване на метални детайли, Nd:YAG лазерният лъч се фокусира с интензитет над 10⁶ W/cm². Когато лазерният лъч достигне повърхността на материала, той нагрява това място до температура на изпаряване и в заваръчния метал се образува парна кухина поради излизащите метални пари. Отличителната черта на заваръчния шев е високото съотношение дълбочина-ширина. Плътността на енергийния поток на свободно горящата дъга е малко над 10⁶ W/cm². Фигура 1 илюстрира основния принцип на хибридното заваряване. Лазерният лъч
Изобразеният тук метод подава топлина към заваръчния метал в горната част на шева, в допълнение към топлината от дъгата. За разлика от последователната конфигурация, при която два отделни заваръчни процеса действат последователно, хибридното заваряване може да се разглежда като комбинация от двата заваръчни процеса, действащи едновременно в една и съща технологична зона. В зависимост от това кой дъгов или лазерен процес се използва и от параметрите на процеса, процесите ще си влияят взаимно в различна степен и по различни начини [1, 2].
Благодарение на комбинацията от лазерния процес и дъговия процес, се наблюдава увеличение както на дълбочината на проникване на заварката, така и на скоростта на заваряване (в сравнение с всеки от процесите, използвани поотделно). Металните пари, излизащи от парната кухина, въздействат обратно върху дъговата плазма. Абсорбцията на Nd:YAG лазерното лъчение в обработващата плазма остава незначителна. В зависимост от избраното съотношение на двете входни мощности, характерът на цялостния процес може да се определи в по-голяма или по-малка степен или от лазера, или от дъгата [3,4].
Фиг. 1: Схематично представяне: Лазерно-хибридно заваряване
Абсорбцията на лазерното лъчение е значително повлияна от температурата на повърхността на детайла. Преди да започне процесът на лазерно заваряване, първоначалната отражателна способност трябва да бъде преодоляна, особено върху алуминиеви повърхности. Това може да се постигне чрез стартиране на заваряването със специална стартова програма. След достигане на температурата на изпаряване се образува парна кухина, в резултат на което почти цялата радиационна енергия може да бъде въведена в детайла. Необходимата за това енергия се определя от температурно зависимото поглъщане и от количеството загубена енергия.
чрез проводимост в останалата част на детайла. При лазерно-хибридното заваряване, изпаряването се осъществява не само от повърхността на детайла, но и от запълващата тел, което означава, че има повече метални пари, което от своя страна улеснява навлизането на лазерно лъчение. Това също така предотвратява прекъсване на процеса [5, 6, 7, 8, 9].
4. Автомобилно приложение:
Чрез използването на технологията на пространствената рамка е възможно намаляване на теглото с 43% в сравнение със стоманена каросерия на автомобила.
Фиг. 2: Концептуална конструкция на Audi Space frame A2
Рамката на Audi A2 Space се състои от 30 м лазерни (жълти ленти на фигура 2) и 20 м MIG заваръчна дължина. Освен това са използвани и 1700 нита.
Фиг. 3: Сравнение на профили и техники за свързване на Audi-A2
Фигура 4 показва заварено съединение LaserHybrid на лят материал ALMg3 с листов материал AlMgSi. Запълващата тел е AlSi5, а използваният защитен газ е аргон. С увеличаване на мощността на лазера е възможно по-дълбоко проникване. Комбинирането на лазерния лъч с дъгата по този начин постига по-голяма заваръчна вана, отколкото при самостоятелното заваряване с лазерен лъч. Това прави възможно заваряването на компоненти с по-широки междини.
Фиг. 4: Припокриваща се фуга с хлабина от 0,5 мм
В автомобилната индустрия има много приложения на заваряването с припокриване без подготовка на шева. В момента най-съвременният процес за тази заваръчна задача е лазерното заваряване със студена заваръчна тел, поради горещото напукване на сплавта AA 6xxx. Когато съединението е заварено със заваръчна тел, голяма част от лазерната енергия ще бъде загубена, за да се разтопи тази заваръчна тел.
Следващата фигура представя разликите между LaserHybrid и лазерно заваряване при припокриващо се съединение със скорост на заваряване 2,4 м/мин. В случай на лазерно заваряване няма възможност за запълване на заваръчния шев и се получава подрязване. Също така, има много малко проникване в основния материал. Ширината на заваръчния шев е много малка и следователно се очаква ниска якост на опън. В случай на LaserHybrid заваряване,
Допълнителен материал се транспортира в заваръчната вана. Подрезът се запълва с телта от MIG процеса и част от лазерната енергия се спестява. Тази спестена лазерна енергия може да се използва за увеличаване на проникването в основния материал, а ширината на заваръчния шев е по-голяма от дебелината на материала, което се изисква от числената симулация.
Фиг. 5 Сравнение между LaserHybrid и лазерно заваряване без добавъчна тел
С лазерно-хибридната заваръчна процедура е възможно да се заваряват материали от алуминий, стомани и неръждаеми стомани с дебелина до 4 мм. Ако дебелината е твърде голяма, пълното проникване не е възможно. За съединяване на поцинковани материали е за предпочитане да се използва и процес на лазерно запояване.
Допълнителни приложения в автомобилната промишленост са силови агрегати, оси и каросерии на автомобили, където процесът на лазерно хибридно заваряване може да бъде подходящ.
Заваръчна глава:
Заваръчната глава трябва да има малки геометрични размери, за да осигури добър достъп до компонентите, които ще се заваряват, особено в областта на автомобилните каросерии. Освен това, тя трябва да бъде проектирана така, че да позволява както подходяща разглобяема връзка с главата на робота, така и регулируемост на такива променливи на процеса като фокусно разстояние и разстояния на отстояние на горелката във всички декартови координати. Фигура 5 показва заваръчната глава по време на протичане на процеса. Пръските, които се получават по време на заваръчния процес, водят до увеличено замърсяване на защитното стъкло. Кварцовото стъкло е покрито от двете страни с антиотражателен материал и е предназначено да предпазва лазерната оптична система от повреди.
В зависимост от степента на замърсяване, натрупаните пръски върху стъклото могат да доведат до намаляване на лазерната мощност, която действително въздейства върху детайла, с до 90%. По-силното замърсяване обикновено води до разрушаване на защитното стъкло, тъй като голяма част от лъчистата енергия се абсорбира от самото стъкло, причинявайки термични напрежения в него. С тази заваръчна глава и заваръчно оборудване е възможно да се използва за лазерно-хибридно заваряване, лазерно заваряване, заваряване с MSG и...Лазерно запояване с гореща тел.
Фиг. 6: Заваръчна глава и процес
5. Предимства на лазерното хибридно заваряване:
Следните предимства са резултат от сливането на дъга и лазерен лъч: Предимства на лазерно-хибридното заваряване пред лазерното заваряване:
• по-висока стабилност на процеса
• по-висока преходност
• по-дълбоко проникване
• по-ниски капиталови инвестиционни разходи
• по-голяма пластичност
Предимства на лазерно-хибридното заваряване пред МИГ заваряването:
• по-високи скорости на заваряване
• по-дълбоко проникване при по-високи скорости на заваряване
• по-ниска топлинна мощност
• по-висока якост на опън
• по-тесни заваръчни шевове
Фиг. 7: Предимства на комбинирането на двата процеса
Процесът на дъгово заваряване се характеризира с евтин енергиен източник, добра мостова способност и възможност за въздействие върху структурата чрез добавяне на пълнителни метали. Отличителните характеристики на лазерно-лъчевия процес, от друга страна, са голямата дълбочина на заваряване, високата скорост на заваряване, ниското термично натоварване и тесните заваръчни шевове, които той постига. Над определена плътност на лъча, лазерният лъч създава „ефект на дълбоко заваряване“ в метални материали, което позволява заваряване на компоненти с по-голяма дебелина на стените – при условие че мощността на лазера е достатъчно висока. По този начин хибридното лазерно заваряване води до по-високи скорости на заваряване, стабилизиране на процеса поради взаимодействието между дъгата и лазерния лъч, повишена термична ефективност и по-големи толеранси на детайлите. Тъй като заваръчната вана е по-малка, отколкото при MIG процеса, има по-малко термично натоварване и следователно по-малка зона на топлинно влияние. Това означава по-малко заваряване.
изкривяване, което намалява количеството последваща работа по изправяне след заваряване, която трябва да се извърши.
Когато има две отделни заваръчни вани, последващото термично натоварване от дъгата означава, че лазерният лъч – заварената зона – особено в случай на стомана – се подлага на последващо отпускане, разпределяйки стойностите на твърдостта по-равномерно по шева. Фигура 6 обобщава предимствата на комбинирания (т.е. хибриден) процес.
Обръщайки се сега към икономическите предимства на хибридното заваряване пред лазерното, могат да се направят следните твърдения: Заваръчният шев се състои отчасти от лазерно заваряване и отчасти от MIG заваряване. Хибридният процес позволява намаляване на мощността на лазерния лъч, което означава, че консумацията на енергия на лазерния източник може да бъде значително намалена, тъй като лазерният апарат има ефективност само 3%. С други думи: Намаляване с 1 kW на мощността на лазерния лъч, въздействащ върху детайла, води до намаляване с приблизително 35 kVA на консумираната от електрическата мрежа мощност.
Лазерен апарат струва около 0,1 милиона евро за всеки 1 kWмощност на лазерния лъчСамо един пример е, че в случай че използването на хибридния процес позволява използването на лазерен апарат с мощност 2 kW вместо такъв с мощност на лъча 4 kW, това води до икономии от 0,2 милиона евро инвестиционни разходи. Трябва обаче да се помни, че за хибридния процес ще е необходима МИГ машина на стойност около 20 000 евро.
Благодарение на по-високата скорост на заваряване, могат да бъдат намалени както времето за производство, така и разходите за заваряване.
6. Лазерно запояване с гореща тел:
Друга възможност за комбиниране на лазерния лъч със запълваща тел е процесът LaserHotwire [10]. При тази процедура запълващата тел се предварително загрява със същия източник на енергия, който може да се използва заПроцес на лазерно хибридно заваряванеЗаваръчна тел има токово натоварване от 100 A до 220 A. Скоростта на подаване на телта зависи от напречното сечение на спойката и от скоростта на запояване. Чрез количеството добавъчен метал, запояването предлага формован материал, който може да се обработва по-лесно от сравними заваръчни шевове. Чрез запояване на листови части, ремонтните дейности могат да се извършват по-лесно, отколкото би било при заварени съединения. Едно от предимствата на запояването с лазерна гореща тел е добрата устойчивост на корозия на споената зона.
Като пълнителни метали се използват евтини сплави на медна основа, като например SG-CuSi3, а аргонът служи като защитен газ.
Фиг. 8: Схематично представянеЛазерно запояване с гореща тел:
Следващата фигура показва напречното сечение на споен с лазерна гореща тел материал. Поцинкованият материал се запоява със скорост 3 м/мин, а запълващата тел има токово натоварване от 205 А. Вложената топлина е много ниска, следователно резултатът от процеса на запояване е ниска деформация.
7. Резюме:
Лазерното хибридно заваряване е изцяло нова технология, която предлага синергии за широки области на приложение в металообработващата промишленост, особено там, където не е възможно или финансово изгодно да се постигнат необходимите допуски на компонентите.лазерно заваряванеМного по-широкият обхват на приложение и високият капацитет на комбинирания процес водят до повишена конкурентоспособност по отношение на намалени инвестиционни разходи, по-кратко време за производство, по-ниски производствени разходи и по-висока производителност.
Процесът LaserHybrid предлага и нов подход към заваряването на алуминий. Въпреки това, стабилен процес, който може да се използва на практика, стана възможен сравнително наскоро, благодарение на по-високите налични изходни мощности на твърдотелните лазери. Многобройни изследвания са изследвали основите на лазерно-дъгово-хибридните заваръчни процеси. Под „хибриден заваръчен процес“ имаме предвид комбинацията от лазерно-лъчево заваряване и процес на дъгово заваряване, само с една единствена технологична зона (плазма и стопилка). Основни изследвания показват, че е възможен процес, при който – чрез комбиниране на двата процеса – могат да се постигнат синергии и да се компенсират недостатъците на всеки отделен процес, което води до подобрени възможности за заваряване, заваряемост и надеждност на заваряване за много различни материали и конструкции. По-специално, това е доказано за алуминиеви сплави. Чрез избора на благоприятни параметри на процеса е възможно селективно да се повлияе на свойствата на заварката, като геометрия и структурна конституция. Процесът на дъгово заваряване увеличава мостовостта чрез добавяне на пълнителен метал; той също така определя ширината на заваръчния шев и по този начин намалява необходимото количество подготовка на детайла. Освен това, взаимодействията, протичащи между процесите, водят до значително повишаване на ефективността на процеса. Този комбиниран процес изисква и значително по-малки инвестиционни разходи, отколкото процесът на лазерно заваряване.
Процесът на лазерно запояване с гореща тел може да се използва особено за поцинковани материали, за да се постигне добра устойчивост на корозия.
Време на публикуване: 18 април 2025 г.
