И ласерско заваривање и електролучно заваривање се дуго користе у индустријској производњи и омогућавају широк спектар примене у области технологије спајања материјала. Сваки од ових процеса има своје специфичне области примене, као што је описано физичким процесима преноса енергије до радног комада и токовима енергије који се могу добити. Енергија се преноси од извора ласерског зрака до материјала за обраду помоћу високоенергетског инфрацрвеног кохерентног зрачења, користећи оптички кабл. Лук преноси топлоту потребну за заваривање помоћу високе електричне струје која тече до радног комада преко стуба лука. Ласерско зрачење доводи до веома уске зоне утицаја топлоте са великим односом дубине заваривања и ширине шава (ефекат дубоког заваривања). Способност ласерског заваривања да премости зазор је веома ниска, због малог пречника фокуса, али са друге стране може достићи веома велике брзине заваривања. Процес електролучног заваривања има много мању густину енергије, али узрокује већу фокалну тачку на површини радног комада и карактерише га спорија брзина обраде. Спајањем оба ова процеса могу се постићи корисне синергије. На крају крајева, ово омогућава постизање и предности у квалитету и предности у производном инжењерству, као и побољшану ефикасност трошкова. Овај процес нуди занимљиве и економски атрактивне примене, како у аутомобилској индустрији, тако и зато што су дозвољене веће толеранције на завареним јединицама, могуће су веће стопе спајања и могу се постићи веома добри механички/технолошки параметри.
1. Увод:
Још од 1970-их познато је како се комбинују ласерска светлост и лук у обједињени процес заваривања, али дуго након тога није предузет даљи развојни рад. Недавно су истраживачи поново усмерили пажњу на ову тему и покушали да уједине предности лука са предностима ласера у хибридном процесу заваривања. Док су у раним данима ласерски извори још увек морали да докажу своју погодност за индустријску употребу, данас су стандардна технолошка опрема у многим производним предузећима.
Комбинација ласерског заваривања са другим поступком заваривања назива се „хибридни поступак заваривања“. То значи да ласерски зрак и лук делују истовремено у једној зони заваривања, утичући и подржавајући један другог.
2. Ласер:
Ласерско заваривање захтева не само велику снагу ласера, већ и висококвалитетни сноп како би се постигао жељени „ефекат дубоког заваривања“. Добијени виши квалитет снопа може се искористити или за добијање мањег пречника фокуса или веће жижне даљине.
За развојне пројекте који су тренутно у току, користи се чврстофазни ласер са лампом пумпаним ласерским снопом снаге ласерског снопа од 4 kW. Ласерска светлост се преноси преко стакленог влакна од 600 µm.
Ласерска светлост се преноси преко стакленог влакна, чији су почетак и крај хлађени водом. Ласерски зрак се пројектује на радни предмет помоћу модула за фокусирање са жижном даљином од 200 мм.
3. Ласерски хибридни процес:
За заваривање металних радних предмета, Nd:YAG ласерски сноп се фокусира интензитетом изнад 10⁶ W/cm². Када ласерски сноп погоди површину материјала, он загрева ово место до температуре испаравања, а у завареном металу се формира парна шупљина због излазеће металне паре. Карактеристика завареног шава је његов висок однос дубине и ширине. Густина протока енергије слободно горећег лука је нешто изнад 10⁴ W/cm². Слика 1 илуструје основни принцип хибридног заваривања. Ласерски сноп
Овде приказана схема доводи топлоту до завара у горњем делу шава, поред топлоте из лука. За разлику од секвенцијалне конфигурације где два одвојена процеса заваривања делују узастопно, хибридно заваривање се може посматрати као комбинација оба процеса заваривања која делују истовремено у једној истој зони процеса. У зависности од тога који се лучни или ласерски процес користи и од параметара процеса, процеси ће утицати један на други у различитој мери и на различите начине [1, 2].
Захваљујући комбинацији ласерског процеса и процеса са електролучом, долази до повећања и дубине продирања завара и брзине заваривања (у поређењу са било којим од процеса који се користе појединачно). Метална пара која излази из парне шупљине делује повратно на плазму лука. Апсорпција Nd:YAG ласерског зрачења у плазми за обраду остаје занемарљива. У зависности од тога који је однос два улаза снаге изабран, карактер целокупног процеса може бити одређен у већој или мањој мери или ласером или луком [3,4].
Сл. 1: Шематски приказ: Ласерско-хибридно заваривање
Апсорпција ласерског зрачења је значајно под утицајем температуре површине радног предмета. Пре него што процес ласерског заваривања може да започне, почетна рефлексија мора бити превазиђена, посебно на алуминијумским површинама. То се може постићи покретањем заваривања помоћу посебног програма за покретање. Након што се достигне температура испаравања, формира се парна шупљина, што резултира тиме да скоро сва енергија зрачења може бити унета у радни предмет. Енергија потребна за ово је стога одређена апсорпцијом зависном од температуре и количином изгубљене енергије.
провођењем у остатак радног предмета. Код ласерско-хибридног заваривања, испаравање се одвија не само са површине радног предмета већ и из жице за додатак, што значи да је доступно више металне паре, што заузврат олакшава унос ласерског зрачења. Ово такође спречава прекид процеса [5, 6, 7, 8, 9].
4. Аутомобилска примена:
Коришћењем технологије просторног рама, могуће је смањење тежине од 43% у поређењу са челичном каросеријом аутомобила.
Сл. 2: Концепт Audi Space frame A2
Рам за Audi A2 Space се састоји од 30 м ласерског (жуте траке на слици 2) и 20 м МИГ завара. Поред тога, коришћено је и 1700 закивака.
Сл. 3: Поређење профила и техника спајања на Audi-A2
Слика 4 приказује заварени спој ливеног материјала ALMg3 добијен методом LaserHybrid са лименим материјалом AlMgSi. Додатна жица је AlSi5, а заштитни гас је аргон. Са повећањем снаге ласера, могуће је дубље продирање. Комбиновањем ласерског зрака са луком на овај начин постиже се већи заварни базен него код самосталног поступка заваривања ласерским зраком. Ово омогућава заваривање компоненти са ширим размацима.
Слика 4: Преклопни спој са размаком од 0,5 мм
У аутомобилској индустрији постоји много примена преклопног заваривања без припреме споја. Тренутно, најсавременији поступак за овај посао заваривања је ласерско заваривање хладном жицом за додатно заваривање, због врућег пуцања легуре AA 6xxx. Када се спој завари жицом за додатно заваривање, велики део ласерске енергије ће се изгубити да би се та жица за додатно заваривање отопила.
Следећа слика представља разлике између ЛасерХибридног и Ласерског заваривања на преклопном споју са брзином заваривања од 2,4 м/мин. У случају ласерског заваривања, не постоји могућност попуњавања заварног шава, па се производи подрез. Такође, постоји само веома мали продор у основни материјал. Ширина заварног шава је веома мала, па се стога очекује ниска затезна чврстоћа. У случају ЛасерХибридног заваривања,
Додатни материјал се транспортује у заварни базен. Подрез се попуњава жицом из МИГ процеса, а део ласерске енергије се сада штеди. Ова уштеђена ласерска енергија може се користити за повећање продирања у основни материјал, а ширина завара је већа од дебљине материјала, што је потребно нумеричком симулацијом.
Сл. 5 Поређење између LaserHybrid-а и ласерског заваривања без жице за додатак
Поступком заваривања LaserHybrid могуће је заваривати материјале од алуминијума, челика и нерђајућих челика дебљине до 4 мм. Ако је дебљина превелика, потпуно проваривање није могуће. За спајање материјала обложених цинком, такође је пожељно користити поступак ласерског лемљења.
Даље примене у аутомобилској индустрији су погонски склопови, осовине и каросерије аутомобила, где поступак ласерског хибридног заваривања може бити погодан.
Глава за заваривање:
Глава за заваривање треба да има мале геометријске димензије, како би се обезбедила добра приступачност компонентама које се заварују, посебно у области каросерије аутомобила. Штавише, требало би да буде пројектована тако да омогући и одговарајућу одвојиву везу са главом робота и могућност подешавања процесних променљивих као што су жижна даљина и растојања горионика у свим картезијанским координатама. Слика 5 приказује главу за заваривање док је процес у току. Прскање које се јавља током процеса заваривања доводи до повећаног запрљања заштитног стакла. Кварцно стакло је са обе стране пресвучено антирефлексним материјалом и намењено је заштити ласерског оптичког система од оштећења.
У зависности од степена запрљања, прскање које се накупља на стаклу може проузроковати смањење снаге ласера која заправо делује на радни предмет и до 90%. Веће запрљање генерално доводи до уништења заштитног стакла, јер велики део енергије зрачења апсорбује само стакло, узрокујући термичка напрезања у стаклу. Са том главом за заваривање и опремом за заваривање, могуће је користити је за LaserHybrid заваривање, ласерско заваривање, MSG заваривање и...Лемљење врућом жицом за ласерско лемљење.
Сл. 6: Глава за заваривање и процес
5. Предности ласерског хибридног заваривања:
Следеће предности произилазе из спајања лука и ласерског зрака: Предности ласерско-хибридног заваривања у односу на ласерско заваривање:
• већа стабилност процеса
• већа премостивост
• дубља пенетрација
• нижи трошкови капиталних улагања
• већа дуктилност
Предности ласерско-хибридног заваривања у односу на МИГ заваривање:
• веће брзине заваривања
• дубље продирање при већим брзинама заваривања
• нижи топлотни унос
• већа затезна чврстоћа
• ужи заварени шавови
Сл. 7: Предности комбиновања два процеса
Процес електролучног заваривања карактерише се јефтиним извором енергије, добром способношћу премошћавања и могућношћу утицаја на структуру додавањем додатних метала. С друге стране, карактеристике процеса ласерског снопа су велика дубина заваривања, велика брзина заваривања, ниско термичко оптерећење и уски заварени шавови које постиже. Изнад одређене густине снопа, ласерски сноп производи „ефекат дубоког заваривања“ у металним материјалима, што омогућава заваривање компоненти са већим дебљинама зидова – под условом да је снага ласера довољно висока. Ласерско хибридно заваривање тако омогућава веће брзине заваривања, стабилизацију процеса због интеракције између лука и ласерског снопа, повећану термичку ефикасност и веће толеранције радног комада. Пошто је заварни базен мањи него код МИГ процеса, постоји мањи топлотни унос и самим тим мања зона утицаја топлоте. То значи мање завара.
дисторзија, што смањује количину накнадних радова на исправљању након заваривања које је потребно обавити.
Тамо где постоје два одвојена заварена базена, накнадни термички унос из лука значи да се ласерски зрак – заварено подручје – посебно у случају челика – подвргава третману отпуштања након заваривања, чиме се вредности тврдоће равномерније распоређују по шаву. Слика 6 сумира предности комбинованог (тј. хибридног) процеса.
Окрећући се сада економским предностима хибридног заваривања у односу на ласерско заваривање, могу се изнети следеће тврдње: Заварски шав се делимично састоји од ласерског завара, а делимично од МИГ завара. Хибридни процес омогућава смањење снаге ласерског зрака, што значи да се потрошња енергије ласерског извора може значајно смањити, јер апарат са ласерским зраком има ефикасност од само 3%. Другим речима: Смањење снаге ласерског зрака који утиче на радни предмет од 1 kW доводи до смањења снаге потрошње из електричне мреже за приближно 35 kVA.
Апарат са ласерским зраком кошта око 0,1 милион евра за сваки 1 kW снаге.снага ласерског зракаДа наведемо само један пример, у случају када коришћење хибридног процеса омогућава употребу апарата са ласерским снопом од 2 kW уместо оног са снагом снопа од 4 kW, то резултира уштедом од 0,2 милиона евра у инвестиционим издацима. Међутим, овде се мора имати на уму да ће за хибридни процес бити потребан МИГ апарат који кошта око 20.000 евра.
Захваљујући већој брзини заваривања, могу се смањити и време израде и трошкови заваривања.
6. Лемљење ласерском врућом жицом:
Друга могућност комбиновања ласерског снопа са жицом за додатно заваривање је поступак LaserHotwire [10]. У овом поступку, жица за додатно заваривање се претходно загрева истим извором напајања, који се може користити заПроцес ласерског хибридног заваривањаДодатна жица има струјно оптерећење од 100 А до 220 А. Брзина довода жице зависи од попречног пресека лемљене перле и брзине лемљења. Лемљење нуди, захваљујући количини додатног метала, материјал за обликовање који се може лакше обрадити него упоредиви заварени шавови. Лемљењем лимених делова, поправке се могу изводити лакше него што би то био случај са завареним спојевима. Једна предност лемљења LaserHotwire је добра отпорност на корозију зоне лемљења.
Као додатни метали користе се јефтине легуре на бази бакра као што је SG-CuSi3, а аргон служи као заштитни гас.
Сл. 8: Шематски приказЛемљење врућом жицом за ласерско лемљење:
Следећа слика приказује попречни пресек материјала лемљеног ласерском врућом жицом. Материјал обложен цинком се лемљи брзином од 3 м/мин, а жица за додатно лемљење има струјно оптерећење од 205 А. Унос топлоте је веома низак, па је стога резултат процеса лемљења мала деформација.
7. Резиме:
Ласерско хибридно заваривање је потпуно нова технологија која нуди синергије за широка подручја примене у металопрерађивачкој индустрији, посебно тамо где није могуће или финансијски исплативо постићи толеранције компоненти које су потребне за...ласерско заваривањеМного шири спектар примене и висок капацитет комбинованог процеса доводе до повећане конкурентности у смислу смањених инвестиционих издатака, краћег времена производње, нижих трошкова производње и веће продуктивности.
ЛасерХибридни процес такође нуди нови приступ заваривању алуминијума. Међутим, стабилан процес који се може користити у пракси постао је могућ тек релативно недавно, захваљујући већим расположивим излазним снагама чврстих ласера. Бројне студије су испитале основе ласерско-лучно-хибридних процеса заваривања. Под „хибридним процесом заваривања“ подразумевамо комбинацију ласерског заваривања и електролучног процеса заваривања, са само једном процесном зоном (плазма и растоп). Основна истраживања су показала да је могућ процес у коме се – комбиновањем два процеса – могу постићи синергије и компензовати недостаци сваког одвојеног процеса, што резултира побољшаним могућностима заваривања, заваривошћу и поузданошћу заваривања за многе различите материјале и конструкције. Ово је посебно показано за легуре алуминијума. Избором повољних параметара процеса, могуће је селективно утицати на својства завара као што су геометрија и структурни састав. Процес електролучног заваривања повећава премостивост додавањем додатног метала; такође одређује ширину завара и тиме смањује потребну количину припреме радног предмета. Штавише, интеракције које се одвијају између процеса доводе до значајног повећања ефикасности процеса. Овај комбиновани процес такође захтева знатно мање инвестиционе трошкове него процес ласерског заваривања.
Процес лемљења врућом жицом помоћу ласерског ласерског лемљења може се користити посебно за материјале обложене цинком како би се постигла добра отпорност на корозију.
Време објаве: 18. април 2025.
