Ir lazerinis, ir lankinis suvirinimas jau seniai naudojami pramoninėje gamyboje ir suteikia platų panaudojimo spektrą medžiagų jungimo technologijų srityje. Kiekvienas iš šių procesų turi savo specifines taikymo sritis, kurias apibūdina fiziniai energijos perdavimo į ruošinį procesai ir gaunami energijos srautai. Energija iš lazerio spindulio šaltinio į apdorojamą medžiagą perduodama didelės energijos infraraudonųjų spindulių koherentine spinduliuote, naudojant šviesolaidinį kabelį. Lankas perduoda suvirinimui reikalingą šilumą didele elektros srove, tekančia į ruošinį per lanko stulpelį. Lazerio spinduliuotė sukuria labai siaurą karščio paveiktą zoną, kurioje didelis suvirinimo gylio ir siūlės pločio santykis (gilaus suvirinimo efektas). Lazerinio suvirinimo proceso plyšių užpildymo gebėjimas yra labai mažas dėl mažo židinio skersmens, tačiau, kita vertus, juo galima pasiekti labai didelį suvirinimo greitį. Lankinio suvirinimo procesas turi daug mažesnį energijos tankį, tačiau sukuria didesnę židinio dėmę ruošinio paviršiuje ir pasižymi lėtesniu apdorojimo greičiu. Sujungus abu šiuos procesus, galima pasiekti naudingų sinergijų. Galiausiai tai leidžia pasiekti tiek kokybės pranašumų, tiek gamybos inžinerijos privalumų, taip pat pagerinti sąnaudų efektyvumą. Šis procesas siūlo įdomių ir ekonomiškai patrauklių pritaikymų automobilių pramonėje, nes leidžiami didesni suvirinimo jungčių tolerancijos nuokrypiai, galimas didesnis sujungimo greitis ir pasiekiami labai geri mechaniniai / technologiniai parametrai.
1. Įvadas:
Nuo aštuntojo dešimtmečio žinoma, kaip sujungti lazerio šviesą ir lanką į bendrą suvirinimo procesą, tačiau ilgą laiką po to nebuvo atliekami jokie tolesni plėtros darbai. Pastaruoju metu tyrėjai vėl atkreipė dėmesį į šią temą ir bandė sujungti lanko ir lazerio privalumus hibridiniame suvirinimo procese. Nors anksčiau lazeriniai šaltiniai dar turėjo įrodyti savo tinkamumą pramoniniam naudojimui, šiandien jie yra standartinė technologinė įranga daugelyje gamybos įmonių.
Lazerinio suvirinimo ir kito suvirinimo proceso derinimas vadinamas „hibridiniu suvirinimo procesu“. Tai reiškia, kad lazerio spindulys ir lankas vienu metu veikia vienoje suvirinimo zonoje ir vienas kitą veikia bei palaiko.
2. Lazeris:
Lazeriniam suvirinimui reikalingas ne tik didelis lazerio galingumas, bet ir aukštos kokybės spindulys, kad būtų pasiektas norimas „gilaus suvirinimo efektas“. Dėl aukštesnės spindulio kokybės galima gauti mažesnį židinio skersmenį arba didesnį židinio nuotolį.
Šiuo metu vykdomuose plėtros projektuose naudojamas lempomis kaupinamas kietojo kūno lazeris, kurio lazerio spindulio galia yra 4 kW. Lazerio šviesa perduodama per 600 µm stiklo pluoštą.
Lazerio šviesa perduodama stiklo pluoštu, kurio pradžia ir galas yra aušinami vandeniu. Lazerio spindulys ant ruošinio projektuojamas fokusavimo moduliu, kurio židinio nuotolis yra 200 mm.
3. Lazerinis hibridinis procesas:
Metalinių ruošinių suvirinimui Nd:YAG lazerio spindulys fokusuojamas didesniu nei 106 W/cm2 intensyvumu. Kai lazerio spindulys pasiekia medžiagos paviršių, jis įkaitina šią vietą iki garavimo temperatūros, ir dėl išeinančių metalo garų suvirinimo metale susidaro garų ertmė. Skiriamasis suvirinimo siūlės bruožas yra didelis gylio ir pločio santykis. Laisvai degančio lanko energijos srauto tankis yra šiek tiek didesnis nei 104 W/cm2. 1 paveiksle pavaizduotas pagrindinis hibridinio suvirinimo principas. Lazerio spindulys
Čia pavaizduotas suvirinimo metalas viršutinėje siūlės dalyje yra šildomas ne tik iš lanko sklindančios šilumos, bet ir iš jo sklindančios šilumos. Skirtingai nuo nuoseklios konfigūracijos, kai du atskiri suvirinimo procesai veikia vienas po kito, hibridinį suvirinimą galima laikyti abiejų suvirinimo procesų, veikiančių vienu metu vienoje ir toje pačioje proceso zonoje, deriniu. Priklausomai nuo to, kuris lanko ar lazerio procesas naudojamas, ir nuo proceso parametrų, procesai vienas kitą veiks skirtingu mastu ir skirtingais būdais [1, 2].
Dėl lazerinio ir lanko procesų derinio padidėja ir suvirinimo siūlės įsiskverbimo gylis, ir suvirinimo greitis (palyginti su kiekvienu iš šių procesų atskirai). Iš garų ertmės išeinantys metalo garai veikia atgalinę įtaką lanko plazmai. Nd:YAG lazerio spinduliuotės absorbcija apdorojimo plazmoje išlieka nereikšminga. Priklausomai nuo pasirinkto dviejų galios įėjimų santykio, viso proceso pobūdį daugiau ar mažiau gali lemti lazeris arba lankas [3,4].
1 pav.: Scheminis vaizdas: „LaserHybrid“ suvirinimas
Lazerio spinduliuotės sugerčiai didelę įtaką daro ruošinio paviršiaus temperatūra. Prieš pradedant lazerinio suvirinimo procesą, pirmiausia reikia įveikti pradinį atspindį, ypač ant aliuminio paviršių. Tai galima pasiekti pradedant suvirinimą specialia paleidimo programa. Pasiekus garinimo temperatūrą, susidaro garų ertmė, todėl beveik visa spinduliuotės energija gali būti perduodama ruošiniui. Tam reikalinga energija priklauso nuo temperatūros priklausomos absorbcijos ir prarandamos energijos kiekio.
laidumo būdu į likusį ruošinį. „LaserHybrid“ suvirinimo metu garavimas vyksta ne tik iš ruošinio paviršiaus, bet ir iš užpildo vielos, todėl yra daugiau metalo garų, o tai savo ruožtu palengvina lazerio spinduliuotės įvedimą. Tai taip pat apsaugo nuo proceso nutrūkimo [5, 6, 7, 8, 9].
4. Automobilių pritaikymas:
Naudojant erdvinio rėmo technologiją, galima 43 % sumažinti svorį, palyginti su plieniniu kėbulu.
2 pav.: „Audi Space frame A2“ koncepcija
„Audi A2 Space“ rėmas sudarytas iš 30 m lazerio (geltonos juostelės 2 paveiksle) ir 20 m MIG suvirinimo siūlės. Be to, panaudota 1700 kniedžių.
3 pav.: „Audi-A2“ profilių ir jungimo būdų palyginimas
4 paveiksle parodyta „LaserHybrid“ suvirinta ALMg3 liejinio ir AlMgSi lakštinės medžiagos jungtis. Užpildymo viela yra AlSi5, o apsauginės dujos – argonas. Didėjant lazerio galiai, galima giliau įsiskverbti. Tokiu būdu derinant lazerio spindulį su lanku, gaunama didesnė suvirinimo vonelė nei naudojant vien tik lazerio spindulio suvirinimo procesą. Tai leidžia suvirinti komponentus su platesniais tarpais.
4 pav.: Persidengianti jungtis su 0,5 mm tarpu
Automobilių pramonėje yra daug persidengiančio suvirinimo be jungčių paruošimo pritaikymų. Šiuo metu moderniausias šio suvirinimo proceso procesas yra lazerinis suvirinimas šalta užpildymo viela dėl AA 6xxx lydinio karštojo krekingo. Kai jungtis suvirinama užpildymo viela, daug lazerio energijos bus prarasta tai užpildymo vielai išlydyti.
Kitame paveikslėlyje parodyti „LaserHybrid“ ir lazerinio suvirinimo skirtumai persidengiančioje jungtyje, kai suvirinimo greitis yra 2,4 m/min. Lazerinio suvirinimo atveju nėra galimybės užpildyti suvirinimo siūlės, todėl susidaro įpjova. Be to, į pagrindinę medžiagą įsiskverbiama labai mažai. Suvirinimo siūlės plotis yra labai mažas, todėl tikėtinas mažas tempiamasis stipris. „LaserHybrid“ suvirinimo atveju,
Į suvirinimo vonelę transportuojama papildoma medžiaga. Įpjova užpildoma MIG proceso viela, todėl sutaupoma dalis lazerio energijos. Ši sutaupyta lazerio energija gali būti panaudota įsiskverbimui į pagrindinę medžiagą padidinti, o suvirinimo siūlės plotis yra didesnis nei medžiagos storis, kurio reikia skaitmeniniam modeliavimui.
5 pav. „LaserHybrid“ ir lazerinio suvirinimo be užpildomosios vielos palyginimas
„LaserHybrid“ suvirinimo procedūra galima suvirinti aliuminio, plieno ir nerūdijančio plieno medžiagas, kurių storis yra iki 4 mm. Jei storis per didelis, visiškas įsiskverbimas neįmanomas. Cinku dengtoms medžiagoms jungti taip pat geriau naudoti lazerinį litavimo procesą.
Kiti pritaikymo sritys automobilių pramonėje yra jėgos pavaros, ašys ir kėbulai, kur gali tikti lazerinis hibridinis suvirinimo procesas.
Suvirinimo galvutė:
Suvirinimo galvutė turėtų būti mažų geometrinių matmenų, kad būtų užtikrintas geras priėjimas prie suvirinamų komponentų, ypač kėbulų gamybos srityje. Be to, ji turėtų būti suprojektuota taip, kad būtų galima tinkamai nuimamai prijungti prie roboto galvutės ir reguliuoti tokius proceso kintamuosius kaip židinio nuotolis ir degiklio atstumai visose Dekarto koordinatėse. 5 paveiksle parodyta suvirinimo galvutė proceso metu. Suvirinimo metu atsirandantys taškymai padidina apsauginio stiklo užterštumą. Kvarcinis stiklas iš abiejų pusių padengtas antirefleksine medžiaga ir skirtas apsaugoti lazerinę optinę sistemą nuo pažeidimų.
Priklausomai nuo užterštumo laipsnio, ant stiklo kaupiasi taškeliai, dėl kurių lazerio spindulio, veikiančio ruošinį, gali sumažėti net 90 %. Didesni užterštumo atvejai paprastai sugadina apsauginį stiklą, nes didelė dalis spinduliavimo energijos sugeriama paties stiklo, todėl jame atsiranda terminiai įtempiai. Su šia suvirinimo galvute ir įranga ją galima naudoti „LaserHybrid“ suvirinimui, lazeriniam suvirinimui, MSG suvirinimui ir kt.Lazerinis karšto vielos litavimas.
6 pav.: Suvirinimo galvutė ir procesas
5. Lazerinio hibridinio suvirinimo privalumai:
Sujungus lanką ir lazerio spindulį, gaunami šie privalumai: „LaserHybrid“ suvirinimo pranašumai, palyginti su lazeriniu suvirinimu:
• didesnis proceso stabilumas
• didesnis tiltų pralaidumas
• gilesnis įsiskverbimas
• mažesnės kapitalo investicijų sąnaudos
• didesnis plastiškumas
„LaserHybrid“ suvirinimo pranašumai, palyginti su MIG suvirinimu:
• didesnis suvirinimo greitis
• gilesnis įsiskverbimas esant didesniam suvirinimo greičiui
• mažesnė šiluminė galia
• didesnis tempiamasis stipris
• siauresnės suvirinimo siūlės
7 pav.: Dviejų procesų derinimo privalumai
Lankinio suvirinimo procesui būdingas pigus energijos šaltinis, geras tiltelių suvirinimo pajėgumas ir galimybė paveikti struktūrą pridedant užpildų. Kita vertus, lazerio spindulio proceso išskirtiniai bruožai yra didelis suvirinimo gylis, didelis suvirinimo greitis, maža šiluminė apkrova ir siauros suvirinimo siūlės. Viršijus tam tikrą spindulio tankį, lazerio spindulys sukuria „gilaus suvirinimo efektą“ metalinėse medžiagose, kuris leidžia suvirinti storesnių sienelių komponentus – jei lazerio galia yra pakankamai didelė. Taigi lazerinis hibridinis suvirinimas užtikrina didesnį suvirinimo greitį, proceso stabilizavimą dėl lanko ir lazerio spindulio sąveikos, didesnį šiluminį efektyvumą ir didesnius ruošinio tolerancijos nuokrypius. Kadangi suvirinimo vonelė yra mažesnė nei MIG procese, yra mažesnis šiluminis įėjimas ir atitinkamai mažesnė karščio paveikta zona. Tai reiškia mažiau suvirinimo.
iškraipymas, dėl kurio sumažėja vėlesnio tiesinimo po suvirinimo darbų kiekis.
Kai yra dvi atskiros suvirinimo vonios, vėlesnis lanko terminis įvedimas reiškia, kad lazerio spindulys – suvirinimo vieta, ypač plieno atveju, – po suvirinimo yra grūdinamas, todėl kietumo vertės paskirstomos tolygiau visoje siūlėje. 6 paveiksle apibendrinti kombinuoto (t. y. hibridinio) proceso privalumai.
Kalbant apie hibridinio suvirinimo ekonominius pranašumus, palyginti su lazeriniu suvirinimu, galima teigti taip: suvirinimo siūlė susideda iš dalies iš lazerinio suvirinimo, o iš dalies – iš MIG suvirinimo. Hibridinis procesas leidžia sumažinti lazerio spindulio galią, o tai reiškia, kad lazerio šaltinio energijos suvartojimas gali būti gerokai sumažintas, nes lazerio spindulio aparato efektyvumas siekia tik 3 %. Kitaip tariant: 1 kW sumažinus į ruošinį veikiančio lazerio spindulio galią, iš elektros tinklo suvartojama energija sumažėja maždaug 35 kVA.
Lazerio spindulio aparatas kainuoja apie 0,1 mln. EUR už kiekvieną kW.lazerio spindulio galiaPateiksiu tik vieną pavyzdį: jei hibridinio proceso panaudojimas leidžia naudoti 2 kW lazerio spindulio aparatą vietoj 4 kW spindulio galios aparato, tai leidžia sutaupyti 0,2 mln. EUR investicijų. Tačiau čia reikia nepamiršti, kad hibridiniam procesui reikės apie 20 000 EUR kainuojančio MIG aparato.
Dėl didesnio suvirinimo greičio galima sutrumpinti tiek gamybos laiką, tiek suvirinimo išlaidas.
6. Lazerinis karštosios vielos litavimas:
Kita lazerio spindulio ir užpildo vielos derinimo galimybė yra „LaserHotwire“ procesas [10]. Šios procedūros metu užpildo viela yra įkaitinama tuo pačiu maitinimo šaltiniu, kuris gali būti naudojamasLazerinis hibridinis suvirinimo procesasUžpildomosios vielos srovės apkrova yra nuo 100 A iki 220 A. Vielos padavimo greitis priklauso nuo litavimo siūlės skerspjūvio ir litavimo greičio. Litavimas, dėl papildomo metalo kiekio, suteikia formavimo medžiagą, kurią galima lengviau apdoroti nei panašias suvirinimo siūles. Lituojant lakštines dalis, remonto darbus galima atlikti lengviau nei suvirintų jungčių atveju. Vienas iš „LaserHotwire“ litavimo privalumų yra geras lituotos zonos atsparumas korozijai.
Kaip užpildai naudojami pigūs vario lydiniai, tokie kaip SG-CuSi3, o argonas veikia kaip apsauginės dujos.
8 pav.: Scheminis vaizdasLazerinis karšto vielos litavimas:
Kitame paveikslėlyje parodytas lazeriu karštąja viela lituotos medžiagos skerspjūvis. Cinku padengta medžiaga lituojama 3 m/min greičiu, o užpildo vielos srovės apkrova yra 205 A. Šilumos tiekimas yra labai mažas, todėl litavimo proceso metu susidaro mažas deformavimas.
7. Santrauka:
Lazerinis hibridinis suvirinimas yra visiškai nauja technologija, siūlanti sinergiją plačioms taikymo sritims metalo apdirbimo pramonėje, ypač tais atvejais, kai neįmanoma arba finansiškai neapsimoka pasiekti reikalingų komponentų tolerancijų.lazerinio spindulio suvirinimasDėl daug platesnio pritaikymo spektro ir didelio kombinuoto proceso pajėgumo padidėja konkurencingumas, nes sumažėja investicijos, trumpėja gamybos laikas, sumažėja gamybos sąnaudos ir padidėja našumas.
„LaserHybrid“ procesas taip pat siūlo naują aliuminio suvirinimo būdą. Tačiau stabilus ir praktiškai naudojamas procesas tapo įmanomas tik palyginti neseniai dėl didesnės kietojo kūno lazerių išėjimo galios. Daugybė tyrimų nagrinėjo lazerinio-lankinio-hibridinio suvirinimo procesų pagrindus. „Hibridiniu suvirinimo procesu“ vadiname lazerinio spindulio suvirinimo ir lankinio suvirinimo proceso derinį, kai naudojama tik viena proceso zona (plazma ir lydymas). Fundamentiniai tyrimai parodė, kad įmanomas procesas, kuriame, derinant abu procesus, galima pasiekti sinergiją ir kompensuoti kiekvieno atskiro proceso trūkumus, todėl pagerėja daugelio skirtingų medžiagų ir konstrukcijų suvirinimo galimybės, suvirinamumas ir suvirinimo patikimumas. Tai ypač įrodyta aliuminio lydiniams. Pasirinkus palankius proceso parametrus, galima selektyviai paveikti suvirinimo savybes, tokias kaip geometrija ir konstrukcinė sandara. Lankinio suvirinimo procesas padidina tiltelumą pridedant užpildo; jis taip pat lemia suvirinimo siūlės plotį ir taip sumažina reikalingo ruošinio paruošimo kiekį. Be to, tarp procesų vykstanti sąveika žymiai padidina proceso efektyvumą. Šis kombinuotas procesas taip pat reikalauja žymiai mažesnių investicijų nei lazerinio suvirinimo procesas.
Lazerinis karšto litavimo procesas gali būti naudojamas ypač cinkuotoms medžiagoms, siekiant gero atsparumo korozijai.
Įrašo laikas: 2025 m. balandžio 18 d.
