И заварувањето со ласерски зрак и лачното заварување долго време се користат за индустриско производство и овозможуваат широк спектар на употреба во областа на технологијата за спојување на материјали. Секој од овие процеси има свои специфични области на примена, како што е опишано од физичките процеси на транспорт на енергија до работното парче и од енергетските текови што можат да се добијат. Енергијата се пренесува од изворот на ласерскиот зрак до материјалот за обработка преку високоенергетско инфрацрвено кохерентно зрачење, со користење на фибер-оптички кабел. Лакот ја пренесува топлината потребна за заварување преку висока електрична струја што тече до работното парче преку лачна колона. Ласерското зрачење води до многу тесна зона погодена од топлина со голем сооднос на длабочината на заварувањето и ширината на споевите (ефект на длабоко заварување). Способноста за премостување на празнините на процесот на ласерско заварување е многу ниска, поради неговиот мал дијаметар на фокусот, но од друга страна може да достигне многу високи брзини на заварување. Процесот на лачно заварување има многу помала густина на енергија, но предизвикува поголемо фокусно место на површината на работното парче и се карактеризира со побавна брзина на обработка. Со спојување на двата процеса, може да се постигнат корисни синергии. На крајот на краиштата, ова овозможува постигнување и на предности во квалитетот и на придобивките од производственото инженерство, како и подобрена ефикасност на трошоците. Овој процес нуди интересни и економски привлечни апликации, како во автомобилската индустрија, не само затоа што се дозволени поголеми толеранции на заварените споеви, можни се повисоки стапки на спојување и може да се постигнат многу добри механички/технолошки параметри.
1. Вовед:
Уште од 1970-тите години е познато како да се комбинираат ласерската светлина и лакот во еден амалгамиран процес на заварување, но долго време потоа не се преземаа понатамошни развојни активности. Неодамна, истражувачите повторно го насочија своето внимание кон оваа тема и се обидоа да ги обединат предностите на лакот со оние на ласерот, во хибриден процес на заварување. Додека во раните денови, ласерските извори сè уште мораа да ја докажат својата соодветност за индустриска употреба, денес тие се стандардна технолошка опрема во многу производствени претпријатија.
Комбинацијата на ласерско заварување со друг процес на заварување се нарекува „хибриден процес на заварување“. Ова значи дека ласерскиот зрак и лакот дејствуваат истовремено во една зона на заварување и меѓусебно влијаат и се поддржуваат.
2. Ласер:
Ласерското заварување бара не само висока ласерска моќност, туку и висококвалитетен зрак за да се добие посакуваниот „ефект на длабоко заварување“. Добиениот повисок квалитет на зракот може да се искористи или за да се добие помал дијаметар на фокусот или поголемо фокусно растојание.
За развојните проекти што се во тек, се користи ласер во цврста состојба со пумпање ламба со моќност на ласерски зрак од 4 kW. Ласерската светлина се пренесува преку стаклено влакно од 600 µm.
Ласерската светлина се пренесува преку стаклено влакно, чиј почеток и крај се ладат со вода. Ласерскиот зрак се проектира на работното парче преку модул за фокусирање со фокусно растојание од 200 mm.
3. Ласерски хибриден процес:
За заварување на метални делови, Nd:YAG ласерскиот зрак се фокусира на интензитети над 106W/cm2. Кога ласерскиот зрак ќе ја допре површината на материјалот, тој го загрева ова место до температура на испарување, а во металот на заварувањето се формира пареа поради металната пареа што излегува. Карактеристична црта на заварскиот шев е неговиот висок однос длабочина-ширина. Густината на протокот на енергија на слободно горечкиот лак е малку над 104 W/cm2. Слика 1 го илустрира основниот принцип на хибридно заварување. Ласерскиот зрак
прикажано овде, покрај топлината од лакот, се снабдува металот на заварувањето во горниот дел од споевите. За разлика од секвенцијалната конфигурација каде што два одделни процеси на заварување дејствуваат последователно, хибридното заварување може да се гледа како комбинација од двата процеси на заварување кои дејствуваат истовремено во една иста зона на процесот. Во зависност од тоа кој процес на лак или ласер се користи и од параметрите на процесот, процесите ќе влијаат еден врз друг во различен степен и на различни начини [1, 2].
Благодарение на комбинацијата од ласерскиот процес и лачниот процес, се зголемува и длабочината на пенетрација на заварот и брзината на заварување (во споредба со кој било од процесите што се користат самостојно). Металната пареа што излегува од пареата делува ретроактивно врз лачната плазма. Апсорпцијата на Nd:YAG ласерското зрачење во плазмата за обработка останува занемарлива. Во зависност од тоа каков однос на двата влеза на моќност е избран, карактерот на целокупниот процес може да се одреди во поголем или помал степен или од ласерот или од лакот [3,4].
Сл. 1: Шематски приказ: Ласерско-хибридно заварување
Апсорпцијата на ласерското зрачење е значително под влијание на температурата на површината на обработуваниот дел. Пред да започне процесот на ласерско заварување, прво мора да се надмине почетната рефлектанца, особено на алуминиумски површини. Ова може да се постигне со започнување на заварувањето со посебна програма за стартување. Откако ќе се достигне температурата на испарување, се формира празнина на пареа, со што речиси целата енергија на зрачење може да се внесе во обработуваниот дел. Енергијата потребна за ова е одредена од апсорпцијата зависна од температурата и од количината на изгубена енергија.
со спроводливост во остатокот од обработениот дел. При LaserHybrid заварувањето, испарувањето се одвива не само од површината на обработениот дел, туку и од жицата за полнење, што значи дека има повеќе метална пареа достапна, што пак го олеснува внесувањето на ласерското зрачење. Ова исто така спречува прекин на процесот [5, 6, 7, 8, 9].
4. Автомобилска примена:
Со користење на технологијата на просторна рамка, можно е намалување на тежината од 43% во споредба со челичната каросерија на автомобилот.
Сл. 2: Концепт на Audi Space frame A2
Рамката на Audi A2 Space се состои од 30 m Laser (жолти ленти на слика 2) и 20 m MIG завар. Дополнително, се користат и 1700 навртки.
Сл. 3: Споредба на профили и техники на спојување на Audi-A2
Слика 4 прикажува LaserHybrid заварен спој на ALMg3 леан материјал со AlMgSi лимен материјал. Жицата за полнење е AlSi5, а употребениот заштитен гас е аргон. Со зголемување на моќноста на ласерот, можна е подлабока пенетрација. Комбинирањето на ласерскиот зрак со лакот на овој начин постигнува поголем базен за заварување отколку со самиот процес на заварување со ласерски зрак. Ова овозможува заварување на компоненти со пошироки празнини.
Сл. 4: Преклопен спој со празнина од 0,5 mm
Во автомобилската индустрија постојат многу примени на преклопувачко заварување без подготовка на спој. Во моментов, најсовремениот процес за оваа работа на заварување е процесот на ласерско заварување со ладна жица за полнење, поради топло пукање на легурата AA 6xxx. Кога спојот се заварува со жица за полнење, голем дел од ласерската енергија ќе се изгуби за да се стопи таа жица за полнење.
Следната слика ги претставува разликите помеѓу LaserHybrid и ласерското заварување на преклопен спој со брзина на заварување од 2,4 m/min. Во случај на ласерско заварување, нема можност за пополнување на заварската перла, а се создава потсекување. Исто така, има само многу мало продирање во основниот материјал. Ширината на заварската перла е многу мала, и затоа се очекува ниска затегнувачка цврстина. Во случај на LaserHybrid заварување,
Дополнителен материјал се транспортира во базенот за заварување. Подрезот се полни со жица од MIG процесот, а дел од ласерската енергија сега е заштеден. Оваа заштедена ласерска енергија може да се искористи за зголемување на пенетрацијата во основниот материјал, а ширината на заварската перла е поголема од дебелината на материјалот, што е потребно за нумеричката симулација.
Сл. 5 Споредба помеѓу LaserHybrid и ласерско заварување без жица за полнење
Со постапката на заварување LaserHybrid е можно да се заваруваат материјали од алуминиум, челик и не'рѓосувачки челик со дебелина на материјалот до 4 mm. Ако дебелината е превисока, целосната пенетрација не е можна. За спојување на материјали обложени со цинк, пожелно е да се користи и процесот на ласерско лемење.
Понатамошни примени во автомобилската индустрија се погонските склопови, оските и каросериите на автомобили, каде што процесот на ласерско хибридно заварување може да биде соодветен.
Глава за заварување:
Главата за заварување треба да има мали геометриски димензии, за да се обезбеди добра пристапност до компонентите што треба да се заварат, особено во областа на каросеријата на автомобили. Покрај тоа, треба да биде дизајнирана да овозможи и соодветно одвојливо поврзување со главата на роботот и прилагодливост на процесните променливи како што се фокусното растојание и растојанијата на одвојување на факелот во сите картезијански координати. Слика 5 ја прикажува главата за заварување, додека процесот е во акција. Прскањето што се јавува за време на процесот на заварување доведува до зголемување на валкањето на заштитното стакло. Кварцното стакло е обложено од двете страни со антирефлективен материјал и е наменето да го заштити ласерскиот оптички систем од оштетување.
Во зависност од степенот на валканост, прскањето што се акумулира на стаклото може да предизвика намалување на моќноста на ласерот што всушност влијае на обработуваниот дел за дури 90%. Посилното валкање генерално води до уништување на заштитното стакло, бидејќи толку голем дел од зрачната енергија потоа се апсорбира од самото стакло, предизвикувајќи термички напрегања во стаклото. Со таа глава за заварување и опрема за заварување, можно е да се користи за LaserHybrid заварување, ласерско заварување, MSG заварување иЛасерско лемење со топла жица.
Сл. 6: Глава за заварување и процес
5. Предности на ласерско хибридно заварување:
Следните предности произлегуваат од спојувањето на лакот и ласерскиот зрак: Предности на LaserHybrid заварувањето во однос на ласерското заварување:
• поголема стабилност на процесот
• поголема премостливост
• подлабока пенетрација
• пониски трошоци за капитални инвестиции
• поголема еластичност
Предности на ласерско-хибридното заварување во однос на МИГ заварувањето:
• поголеми брзини на заварување
• подлабока пенетрација при поголеми брзини на заварување
• помал термички влез
• поголема затегнувачка цврстина
• потесни заварени споеви
Сл. 7: Предности од комбинирање на двата процеса
Процесот на лачно заварување се карактеризира со нискобуџетен извор на енергија, добра способност за мостување и можност за влијание врз структурата со додавање на полнила. Од друга страна, карактеристичните карактеристики на процесот со ласерски зрак се големата длабочина на заварување, високата брзина на заварување, ниското термичко оптоварување и тесните заварски споеви што ги постигнува. Над одредена густина на зракот, ласерскиот зрак произведува „ефект на длабоко заварување“ кај метални материјали што овозможува заварување на компоненти со поголема дебелина на ѕидовите - под услов моќноста на ласерот да е доволно висока. Ласерското хибридно заварување на тој начин овозможува поголеми брзини на заварување, стабилизација на процесот поради интеракцијата помеѓу лакот и ласерскиот зрак, зголемена термичка ефикасност и поголеми толеранции на работниот дел. Бидејќи базенот за заварување е помал отколку во MIG процесот, има помал термички влез и со тоа помала зона погодена од топлина. Ова значи помалку заварување.
дисторзија, што ја намалува количината на последователна работа за исправување по заварувањето што треба да се изврши.
Таму каде што има два одделни базени за заварување, последователниот термички влез од лакот значи дека ласерскиот зрак - заварената површина - особено во случај на челик - се третира со калење по заварувањето, со што вредностите на тврдоста се распределуваат порамномерно низ спојот. Слика 6 ги сумира предностите на комбинираниот (т.е. хибриден) процес.
Сега, осврнувајќи се на економските предности на хибридното заварување во однос на ласерското заварување, може да се дадат следниве тврдења: Заварскиот шев се состои делумно од ласерски завар и делумно од MIG завар. Хибридниот процес овозможува намалување на моќноста на ласерскиот зрак, што значи дека потрошувачката на енергија на ласерскиот извор може значително да се намали, бидејќи апаратот за ласерски зрак има ефикасност од само 3%. Со други зборови: Намалување од 1 kW на моќноста на ласерскиот зрак што влијае на обработуваниот дел води до намалување од приближно 35 kVA на моќноста потрошена од електричната мрежа.
Апарат за ласерски зрак чини околу 0,1 милион евра за секои 1 kWмоќност на ласерски зракДа земеме само еден пример, во случај кога користењето на хибридниот процес овозможува користење на апарат со ласерски зрак од 2 kW наместо таков со моќност на зрак од 4 kW, ова резултира со заштеда од 0,2 милиони евра во инвестициски расходи. Сепак, тука мора да се запомни дека за хибридниот процес ќе биде потребна МИГ машина со цена од околу 20.000 евра.
Благодарение на поголемата брзина на заварување, и времето на изработка и трошоците за заварување може да се намалат.
6. Лемење со ласерска жешка жица:
Друга можност за комбинирање на ласерскиот зрак со жица за полнење е процесот LaserHotwire [10]. Во оваа постапка, жицата за полнење се загрева претходно со истиот извор на енергија, кој може да се користи заЛасерски хибриден процес на заварувањеЖицата за полнење има струјно оптоварување од 100 A до 220 A. Брзината на внесување на жицата зависи од пресекот на лемењето и од брзината на лемење. Лемењето, преку количината на метал за полнење, нуди материјал за обликување кој може полесно да се заврши отколку со споредливи заварски споеви. Преку лемење на лимени делови, поправките може да се извршат на полесен начин отколку што би било случај со заварени споеви. Една предност на лемењето со LaserHotwire е добрата отпорност на корозија на лемената зона.
Како полнила се користат евтини легури на база на бакар, како што е SG-CuSi3, а аргонот служи како заштитен гас.
Сл. 8: Шематски приказЛасерско лемење со топла жица:
Следната слика го прикажува напречниот пресек на материјал лемен со ласерска топла жица. Материјалот обложен со цинк се леми со брзина од 3 m/min, а жицата за полнење има струјно оптоварување од 205 A. Влезот на топлина е многу низок, затоа резултатот од процесот на лемење е мала дисторзија.
7. Резиме:
Ласерското хибридно заварување е сосема нова технологија која нуди синергии за широки полиња на примена во металопреработувачката индустрија, особено таму каде што не е можно или финансиски одржливо да се постигнат толеранциите на компонентите што се потребни за...заварување со ласерски зракМногу поширокиот опсег на примена и високиот капацитет на комбинираниот процес водат до зголемена конкурентност во однос на намалени инвестициски трошоци, пократко време на изработка, пониски трошоци за производство и поголема продуктивност.
Процесот LaserHybrid, исто така, нуди нов пристап кон заварувањето на алуминиум. Сепак, стабилен процес што може да се користи во пракса стана можен релативно неодамна, благодарение на поголемите достапни излезни моќности на ласерите во цврста состојба. Бројни студии ги испитале основите на процесите на ласерско-лачно-хибридно заварување. Под „хибриден процес на заварување“, подразбираме комбинација од заварување со ласерски зрак и процес на лачно заварување, со само една единствена зона на процесот (плазма и стопена). Основните истражувачки студии покажаа дека е можен процес во кој - со комбинирање на двата процеса - може да се постигнат синергии и недостатоците на секој посебен процес може да се компензираат, што резултира со подобрени можности за заварување, заварливост и сигурност на заварувањето за многу различни материјали и конструкции. Особено, ова е демонстрирано за алуминиумски легури. Со избирање на поволни параметри на процесот, можно е селективно да се влијае на својствата на заварувањето, како што се геометријата и структурната конституција. Процесот на лачно заварување ја зголемува премостливоста со додавање на метал за полнење; тој исто така ја одредува ширината на заварскиот спо и со тоа ја намалува количината на потребна подготовка на работното парче. Покрај тоа, интеракциите што се случуваат помеѓу процесите доведуваат до значително зголемување на ефикасноста на процесот. Овој комбиниран процес, исто така, бара значително помали инвестициски трошоци отколку процесот на ласерско заварување.
Процесот на лемење со ласерска врела жица може да се користи особено за материјали обложени со цинк за да се добие добра отпорност на корозија.
Време на објавување: 18 април 2025 година
