Tako lasersko kot obločno varjenje se že dolgo uporabljata v industrijski proizvodnji in omogočata širok spekter uporabe na področju tehnologije spajanja materialov. Vsak od teh postopkov ima svoja specifična področja uporabe, ki jih opisujejo fizikalni procesi prenosa energije do obdelovanca in energijski tokovi, ki jih je mogoče pridobiti. Energija se prenaša iz vira laserskega žarka do materiala za obdelavo s pomočjo visokoenergijskega koherentnega infrardečega sevanja z uporabo optičnega kabla. Oblok prenaša toploto, potrebno za varjenje, s pomočjo visokega električnega toka, ki teče do obdelovanca preko obločnega stebra. Lasersko sevanje vodi do zelo ozkega toplotno prizadetega območja z velikim razmerjem med globino varjenja in širino šiva (učinek globokega varjenja). Sposobnost premostitve vrzeli pri laserskem varjenju je zaradi majhnega premera gorišča zelo nizka, po drugi strani pa lahko doseže zelo visoke hitrosti varjenja. Postopek obločnega varjenja ima veliko manjšo gostoto energije, vendar povzroči večjo goriščno točko na površini obdelovanca in je značilen po počasnejši hitrosti obdelave. Z združitvijo obeh postopkov je mogoče doseči koristne sinergije. Konec koncev to omogoča doseganje tako kakovostnih kot proizvodno-inženirskih prednosti, pa tudi izboljšano stroškovno učinkovitost. Ta postopek ponuja zanimive in ekonomsko privlačne aplikacije, tako v avtomobilski industriji, nenazadnje zato, ker so dovoljene večje tolerance pri varjenih delih, možne so višje stopnje spajanja in je mogoče doseči zelo dobre mehanske/tehnološke parametre.
1. Uvod:
Že od sedemdesetih let prejšnjega stoletja je znano, kako združiti lasersko svetlobo in oblok v združen varilni postopek, vendar dolgo časa po tem ni bilo izvedenega nadaljnjega razvoja. Nedavno so se raziskovalci ponovno posvetili tej temi in poskušali združiti prednosti obloka s prednostmi laserja v hibridnem varilnem postopku. Medtem ko so morali laserski viri v zgodnjih dneh še vedno dokazovati svojo primernost za industrijsko uporabo, so danes standardna tehnološka oprema v mnogih proizvodnih podjetjih.
Kombinacija laserskega varjenja z drugim varilnim postopkom se imenuje »hibridni varilni postopek«. To pomeni, da laserski žarek in oblok delujeta hkrati v enem varilnem območju ter se medsebojno vplivata in podpirata.
2. Laser:
Lasersko varjenje ne zahteva le visoke laserske moči, temveč tudi visokokakovosten žarek, da se doseže želeni »učinek globokega varjenja«. Nastalo višjo kakovost žarka je mogoče izkoristiti bodisi za doseganje manjšega premera gorišča bodisi za večjo goriščno razdaljo.
Za razvojne projekte, ki so trenutno v teku, se uporablja laser s črpalno sijalko in močjo laserskega žarka 4 kW. Laserska svetloba se prenaša preko steklenega vlakna debeline 600 µm.
Laserska svetloba se prenaša preko steklenega vlakna, katerega začetek in konec sta vodno hlajena. Laserski žarek se projicira na obdelovanec s pomočjo fokusirnega modula z goriščno razdaljo 200 mm.
3. Hibridni laserski postopek:
Za varjenje kovinskih obdelovancev se laserski žarek Nd:YAG fokusira z intenzivnostjo nad 10⁶ W/cm². Ko laserski žarek zadene površino materiala, to mesto segreje na temperaturo uparjanja, v zvaru pa se zaradi uhajajoče kovinske pare tvori parna votlina. Posebnost zvara je visoko razmerje med globino in širino. Gostota energijskega toka prosto gorečega loka je nekoliko nad 10⁴ W/cm². Slika 1 prikazuje osnovno načelo hibridnega varjenja. Laserski žarek
Tukaj prikazana tehnika dovaja toploto zvaru v zgornjem delu šiva, poleg toplote iz obloka. Za razliko od zaporedne konfiguracije, kjer zaporedoma delujeta dva ločena varilna procesa, lahko hibridno varjenje obravnavamo kot kombinacijo obeh varilnih procesov, ki delujeta hkrati v istem procesnem območju. Glede na to, kateri obločni ali laserski proces se uporablja, in na procesne parametre, bosta procesa vplivala drug na drugega v različni meri in na različne načine [1, 2].
Zaradi kombinacije laserskega in obločnega postopka se povečata tako globina preboja varjenja kot tudi hitrost varjenja (v primerjavi z vsakim od obeh postopkov, uporabljenih posebej). Kovinska para, ki uhaja iz parne votline, deluje nazaj na obločno plazmo. Absorpcija laserskega sevanja Nd:YAG v procesni plazmi ostaja zanemarljiva. Glede na izbrano razmerje obeh vhodnih moči lahko laser ali oblok v večji ali manjši meri določijo značaj celotnega procesa [3,4].
Slika 1: Shematski prikaz: LaserHybrid varjenje
Na absorpcijo laserskega sevanja bistveno vpliva temperatura površine obdelovanca. Preden se lahko začne postopek laserskega varjenja, je treba najprej premagati začetni odboj, zlasti na aluminijastih površinah. To je mogoče doseči z začetkom varjenja s posebnim zagonskim programom. Ko je dosežena temperatura uparjanja, se oblikuje parna votlina, zaradi česar se lahko skoraj vsa energija sevanja vnese v obdelovanec. Energija, potrebna za to, je torej določena z absorpcijo, ki je odvisna od temperature, in s količino izgubljene energije.
s prevajanjem v preostali del obdelovanca. Pri lasersko-hibridnem varjenju uparjanje ne poteka le s površine obdelovanca, temveč tudi iz polnilne žice, kar pomeni, da je na voljo več kovinske pare, kar posledično olajša dovod laserskega sevanja. To tudi preprečuje prekinitev procesa [5, 6, 7, 8, 9].
4. Avtomobilska uporaba:
Z uporabo tehnologije prostorskega okvirja je mogoče zmanjšati težo za 43 % v primerjavi z jekleno karoserijo avtomobila.
Slika 2: Koncept Audi Space frame A2
Okvir Audija A2 Space je sestavljen iz 30 m laserskega (rumeni trakovi na sliki 2) in 20 m MIG varjenega materiala. Poleg tega je uporabljenih tudi 1700 zakovic.
Slika 3: Primerjava profilov in tehnik spajanja na Audiju-A2
Slika 4 prikazuje varjeni spoj litega materiala ALMg3 s ploščatim materialom AlMgSi, izdelan z laserskim hibridom. Uporabljena polnilna žica je AlSi5, zaščitni plin pa argon. Z naraščajočo močjo laserja je mogoča globlja penetracija. S kombinacijo laserskega žarka in loka na ta način dosežemo večjo varilno talino kot pri samostojnem postopku varjenja z laserskim žarkom. To omogoča varjenje komponent s širšimi režami.
Slika 4: Prekrivajoči se spoj z režo 0,5 mm
V avtomobilski industriji obstaja veliko aplikacij prekrivajočega varjenja brez priprave spoja. Trenutno je najsodobnejši postopek za to varilno delo lasersko varjenje s hladno polnilno žico zaradi vročega razpokanja zlitine AA 6xxx. Pri varjenju spoja z polnilno žico se veliko laserske energije izgubi, da se ta polnilna žica stopi.
Naslednja slika prikazuje razlike med LaserHybrid in laserskim varjenjem na prekrivajočem spoju s hitrostjo varjenja 2,4 m/min. Pri laserskem varjenju ni možnosti zapolnitve zvarnega spoja in nastane spodrez. Prav tako je prodiranje v osnovni material zelo majhno. Širina zvarnega spoja je zelo majhna, zato se pričakuje nizka natezna trdnost. Pri LaserHybrid varjenju,
Dodaten material se prenese v varilno kad. Spodolžni del se zapolni z žico iz MIG postopka in del laserske energije se sedaj prihrani. Ta prihranjena laserska energija se lahko uporabi za povečanje prodiranja v osnovni material, širina zvara pa je večja od debeline materiala, kar zahteva numerična simulacija.
Slika 5 Primerjava med LaserHybrid in laserskim varjenjem brez polnilne žice
Z varilnim postopkom LaserHybrid je mogoče variti materiale iz aluminija, jekla in nerjavečega jekla do debeline 4 mm. Če je debelina prevelika, popolna penetracija ni mogoča. Za spajanje pocinkanih materialov je prav tako priporočljivo uporabiti postopek laserskega spajkanja.
Nadaljnje uporabe v avtomobilski industriji so pogonski sklopi, osi in karoserije avtomobilov, kjer je lahko primeren postopek laserskega hibridnega varjenja.
Varilna glava:
Varilna glava mora imeti majhne geometrijske dimenzije, da se zagotovi dober dostop do komponent, ki jih je treba variti, zlasti na področju karoserij. Poleg tega mora biti zasnovana tako, da omogoča tako ustrezno snemljivo povezavo z robotsko glavo kot tudi nastavljivost procesnih spremenljivk, kot so goriščna razdalja in razdalje od gorilnika v vseh kartezičnih koordinatah. Slika 5 prikazuje varilno glavo med postopkom. Pršenje, ki nastane med varjenjem, vodi do povečanega onesnaženja zaščitnega stekla. Kremenčevo steklo je na obeh straneh prevlečeno z antirefleksnim materialom in je namenjeno zaščiti laserskega optičnega sistema pred poškodbami.
Glede na stopnjo umazanije lahko brizgi, ki se nabirajo na steklu, zmanjšajo lasersko moč, ki dejansko deluje na obdelovanec, za kar 90 %. Močnejša umazanija običajno povzroči uničenje zaščitnega stekla, saj velik delež sevalne energije nato absorbira samo steklo, kar povzroči toplotne napetosti v steklu. S to varilno glavo in varilno opremo jo je mogoče uporabljati za lasersko hibridno varjenje, lasersko varjenje, varjenje z MSG in ...Lasersko spajkanje z vročo žico.
Slika 6: Varilna glava in postopek
5. Prednosti laserskega hibridnega varjenja:
Z združitvijo obloka in laserskega žarka so pridobljene naslednje prednosti: Prednosti varjenja LaserHybrid pred laserskim varjenjem:
• večja stabilnost procesa
• večja premostitev
• globlja penetracija
• nižji stroški kapitalskih naložb
• večja duktilnost
Prednosti laserskega hibridnega varjenja pred MIG varjenjem:
• višje hitrosti varjenja
• globlje prodiranje pri višjih hitrostih varjenja
• nižji toplotni vnos
• večja natezna trdnost
• ožji varjeni šivi
Slika 7: Prednosti kombiniranja obeh procesov
Za postopek obločnega varjenja so značilni nizkocenovni vir energije, dobra premostitvena sposobnost in možnost vplivanja na strukturo z dodajanjem dodatnih kovin. Po drugi strani pa so značilnosti postopka z laserskim žarkom velika globina varjenja, visoka hitrost varjenja, nizka toplotna obremenitev in ozki zvarni šivi, ki jih doseže. Nad določeno gostoto žarka laserski žarek ustvari "globok zvarni učinek" v kovinskih materialih, kar omogoča varjenje komponent z večjimi debelinami sten – pod pogojem, da je laserska moč dovolj visoka. Hibridno lasersko varjenje tako omogoča višje hitrosti varjenja, stabilizacijo procesa zaradi interakcije med lokom in laserskim žarkom, večjo toplotno učinkovitost in večje tolerance obdelovanca. Ker je varilna talilna jama manjša kot pri postopku MIG, je manjši toplotni vnos in s tem manjše območje vpliva toplote. To pomeni manj zvarov.
popačenje, kar zmanjša količino naknadnih ravnalnih del po varjenju, ki jih je treba opraviti.
Kjer sta prisotni dve ločeni varilni talini, zaradi naknadnega vnosa toplote iz obloka laserski žarek – varjeno območje – zlasti v primeru jekla – prejme popuščanje po varjenju, s čimer se vrednosti trdote enakomerneje porazdelijo po varu. Slika 6 povzema prednosti kombiniranega (tj. hibridnega) postopka.
Če se sedaj posvetimo ekonomskim prednostim hibridnega varjenja pred laserskim, lahko trdimo naslednje: Varilni šiv je delno sestavljen iz laserskega in delno iz MIG varjenja. Hibridni postopek omogoča zmanjšanje moči laserskega žarka, kar pomeni, da se lahko poraba energije laserskega vira močno zmanjša, saj ima laserska naprava izkoristek le 3 %. Z drugimi besedami: Zmanjšanje moči laserskega žarka, ki vpliva na obdelovanec, za 1 kW povzroči zmanjšanje porabe energije iz električnega omrežja za približno 35 kVA.
Laserska naprava stane približno 0,1 milijona EUR za vsak 1 kWmoč laserskega žarkaČe navedemo le en primer, v primeru, ko uporaba hibridnega postopka omogoča uporabo laserske naprave z močjo 2 kW namesto tiste z močjo žarka 4 kW, to pomeni prihranek 0,2 milijona EUR pri investicijskih izdatkih. Vendar je treba upoštevati, da bo za hibridni postopek potreben MIG aparat, ki stane približno 20.000 EUR.
Zaradi večje hitrosti varjenja se lahko zmanjšajo tako časi izdelave kot stroški varjenja.
6. Spajkanje z lasersko vročo žico:
Druga možnost za kombinacijo laserskega žarka z polnilno žico je postopek LaserHotwire [10]. Pri tem postopku se polnilna žica predhodno segreje z istim virom energije, ki se lahko uporabi zaPostopek laserskega hibridnega varjenjaDodatna žica ima tokovno obremenitev od 100 A do 220 A. Hitrost podajanja žice je odvisna od prereza spajkalne kroglice in hitrosti spajkanja. Spajkanje zaradi količine dodatnega materiala ponuja material za oblikovanje, ki ga je mogoče lažje obdelati kot primerljive varjene šive. S spajkanjem pločevinastih delov je mogoče popravila izvesti lažje kot pri varjenih spojih. Ena od prednosti spajkanja z lasersko vročo žico je dobra korozijska odpornost spajkanega območja.
Kot polnilne kovine se uporabljajo poceni zlitine na osnovi bakra, kot je SG-CuSi3, argon pa služi kot zaščitni plin.
Slika 8: Shematski prikazLasersko spajkanje z vročo žico:
Naslednja slika prikazuje prečni prerez materiala, spajkanega z lasersko vročo žico. Pocinkani material se spajka s hitrostjo 3 m/min, polnilna žica pa ima tokovno obremenitev 205 A. Vnos toplote je zelo nizek, zato je rezultat spajkanja majhna deformacija.
7. Povzetek:
Lasersko hibridno varjenje je povsem nova tehnologija, ki ponuja sinergije za široka področja uporabe v kovinskopredelovalni industriji, zlasti tam, kjer ni mogoče ali finančno izvedljivo doseči toleranc komponent, ki so potrebne zalasersko varjenjeVeliko širši spekter uporabe in visoka zmogljivost kombiniranega procesa vodita do večje konkurenčnosti v smislu zmanjšanih investicijskih izdatkov, krajših časov izdelave, nižjih proizvodnih stroškov in večje produktivnosti.
Postopek LaserHybrid ponuja tudi nov pristop k varjenju aluminija. Vendar pa je stabilen postopek, ki ga je mogoče uporabiti v praksi, postal mogoč šele relativno nedavno, zahvaljujoč višjim razpoložljivim izhodnim močem trdnotenskih laserjev. Številne študije so preučile osnove lasersko-obločnih hibridnih varilnih postopkov. S "hibridnim varilnim postopkom" mislimo na kombinacijo laserskega varjenja in obločnega varjenja z le eno samo procesno cono (plazma in talina). Temeljne raziskave so pokazale, da je možen postopek, pri katerem je – z združitvijo obeh postopkov – mogoče doseči sinergije in kompenzirati pomanjkljivosti vsakega posameznega postopka, kar ima za posledico izboljšane možnosti varjenja, varivost in zanesljivost varjenja za številne različne materiale in konstrukcije. To je bilo še posebej dokazano pri aluminijevih zlitinah. Z izbiro ugodnih procesnih parametrov je mogoče selektivno vplivati na lastnosti varjenja, kot sta geometrija in strukturna sestava. Postopek obločnega varjenja poveča premostitev z dodajanjem polnilne kovine; določa tudi širino zvara in s tem zmanjša potrebno količino priprave obdelovanca. Poleg tega interakcije med postopki vodijo do znatnega povečanja učinkovitosti postopka. Ta kombinirani postopek zahteva tudi precej manjše investicijske stroške kot postopek laserskega varjenja.
Postopek laserskega spajkanja z vročo žico se lahko uporablja zlasti za pocinkane materiale za doseganje dobre odpornosti proti koroziji.
Čas objave: 18. april 2025
