Nii laserkiirkeevitust kui ka kaarkeevitust on pikka aega kasutatud tööstuslikus tootmises ning need pakuvad laia kasutusvõimalust materjalide ühendamise tehnoloogia valdkonnas. Igal neist protsessidest on oma spetsiifilised rakendusvaldkonnad, mida kirjeldavad energia transpordi füüsikalised protsessid töödeldavale detailile ja saavutatavad energiavood. Energia kandub laserkiire allikast töödeldavale materjalile suure energiaga infrapunase koherentse kiirguse abil, kasutades fiiberoptilist kaablit. Kaar edastab keevitamiseks vajaliku soojuse suure elektrivoolu abil, mis voolab töödeldavale detailile kaarekolonni kaudu. Laserkiirgus viib väga kitsa kuummõjutsoonini, kus keevitussügavuse ja õmbluse laiuse suhe on suur (süvakeevituse efekt). Laserkeevitusprotsessi pilude sildamisvõime on väikese fookusläbimõõdu tõttu väga madal, kuid teisest küljest on võimalik saavutada väga suuri keevituskiirusi. Kaarkeevitusprotsessil on palju madalam energiatihedus, kuid see põhjustab töödeldava detaili pinnal suurema fookuspunkti ja seda iseloomustab aeglasem töötlemiskiirus. Mõlema protsessi ühendamisel on võimalik saavutada kasulikke sünergiaid. Lõppkokkuvõttes võimaldab see saavutada nii kvaliteedieeliseid kui ka tootmistehnilisi eeliseid, aga ka paremat kulutõhusust. See protsess pakub huvitavaid ja majanduslikult atraktiivseid rakendusi nii autotööstuses, eelkõige seetõttu, et keevisliitetel on lubatud suuremad tolerantsid, on võimalik saavutada suurem ühendusmäär ja väga head mehaanilised/tehnoloogilised parameetrid.
1. Sissejuhatus:
Laservalguse ja kaare ühendamine ühendatud keevitusprotsessiks on teada juba 1970. aastatest, kuid pikka aega pärast seda edasist arendustööd ei tehtud. Hiljuti on teadlased sellele teemale taas tähelepanu pööranud ja püüdnud hübriidkeevitusprotsessis ühendada kaare ja laseri eeliseid. Kui algusaegadel pidid laserallikad veel tõestama oma sobivust tööstuslikuks kasutamiseks, siis tänapäeval on need paljudes tootmisettevõtetes standardsed tehnoloogilised seadmed.
Laserkeevituse kombineerimist teise keevitusprotsessiga nimetatakse hübriidkeevitusprotsessiks. See tähendab, et laserkiir ja kaar toimivad samaaegselt ühes keevitustsoonis ning mõjutavad ja toetavad üksteist.
2. Laser:
Laserkeevitus nõuab soovitud „sügavkeevituse efekti“ saavutamiseks lisaks suurele laserivõimsusele ka kvaliteetset kiirt. Saadud kvaliteetsemat kiirt saab ära kasutada kas väiksema fookusläbimõõdu või suurema fookuskauguse saavutamiseks.
Praegu käimasolevates arendusprojektides kasutatakse 4 kW laserkiire võimsusega lambiga pumbatavat tahkislaserit. Laserkiirt edastatakse 600 µm klaaskiu kaudu.
Laserkiirt edastatakse klaaskiu kaudu, mille algus ja lõpp on vesijahutusega. Laserkiir projitseeritakse töödeldavale detailile fokuseerimismooduli abil, mille fookuskaugus on 200 mm.
3. Laserhübriidprotsess:
Metallist toorikute keevitamiseks fokuseeritakse Nd:YAG laserkiir intensiivsusega üle 106 W/cm2. Kui laserkiir jõuab materjali pinnale, kuumutab see selle koha aurustumistemperatuurini ja keevismetalli tekib väljuva metalliauru tõttu auruõõnsus. Keevisõmbluse eristavaks tunnuseks on kõrge sügavuse ja laiuse suhe. Vabalt põleva kaare energiavoo tihedus on veidi üle 104 W/cm2. Joonis 1 illustreerib hübriidkeevituse põhiprintsiipi. Laserkiir
Siin kujutatud meetod annab lisaks kaare kuumusele keevismetallile õmbluse ülaosas soojust. Erinevalt järjestikusest konfiguratsioonist, kus kaks eraldi keevitusprotsessi toimivad järjestikku, võib hübriidkeevitust vaadelda kui mõlema keevitusprotsessi kombinatsiooni, mis toimivad samaaegselt ühes ja samas protsessitsoonis. Sõltuvalt sellest, millist kaar- või laserprotsessi kasutatakse ja protsessi parameetritest, mõjutavad protsessid üksteist erineval määral ja erineval viisil [1, 2].
Tänu laserprotsessi ja kaarprotsessi kombinatsioonile suurenevad nii keevisõmbluse läbitungimissügavus kui ka keevituskiirus (võrreldes kummagi protsessi eraldi kasutamisega). Auruõõnsusest väljuv metalliaur toimib tagasi kaarplasmale. Nd:YAG laserkiirguse neeldumine töötlemisplasmas jääb tühiseks. Sõltuvalt sellest, milline kahe võimsussisendi suhe valitakse, võib kogu protsessi iseloomu suuremal või vähemal määral määrata kas laser või kaar [3,4].
Joonis 1: Skemaatiline esitus: LaserHybrid keevitamine
Laserkiirguse neeldumist mõjutab oluliselt töödeldava detaili pinna temperatuur. Enne laserkeevitusprotsessi alustamist tuleb esmalt ületada esialgne peegeldus, eriti alumiiniumpindadel. Seda saab saavutada keevitamise alustamisega spetsiaalse käivitusprogrammiga. Pärast aurustumistemperatuuri saavutamist moodustub auruõõnsus, mille tulemusel saab peaaegu kogu kiirgusenergia töödeldavasse detaili suunata. Selleks vajalik energia määratakse seega temperatuurist sõltuva neeldumise ja energiakadude hulga järgi.
juhtivuse kaudu ülejäänud töödeldavasse detaili. LaserHybrid-keevituses toimub aurustumine mitte ainult töödeldava detaili pinnalt, vaid ka lisantraadist, mis tähendab, et saadaval on rohkem metalliauru, mis omakorda hõlbustab laserkiirguse sisenemist. See hoiab ära ka protsessi katkemise [5, 6, 7, 8, 9].
4. Autotööstuse rakendus:
Ruumilise raami tehnoloogia abil on võimalik terasest kerega võrreldes kaalu vähendada 43%.
Joonis 2: Audi Space frame A2 kontseptsioonauto
Audi A2 Space'i raam koosneb 30 meetri pikkusest laserlõikest (joonisel 2 kollased ribad) ja 20 meetri pikkusest MIG-keevisõmblusest. Lisaks kasutatakse 1700 neeti.
Joonis 3: Audi-A2 profiilide ja ühendustehnikate võrdlus
Joonisel 4 on kujutatud ALMg3 valumaterjali ja AlMgSi lehtmaterjali LaserHybrid-keevitatud ühendust. Täitetraat on AlSi5 ja kaitsegaasina kasutatakse argooni. Laseri võimsuse suurendamisega on võimalik sügavam läbitungimissügavus. Laserkiire ja kaarkeevituse selline kombineerimine annab suurema keevisvanni kui ainult laserkiirega keevitusprotsessi puhul. See võimaldab keevitada komponente laiemate vahedega.
Joonis 4: Ülekattega vuuk 0,5 mm vahega
Autotööstuses on ülekattega keevitamise rakendusi palju ilma vuukide ettevalmistamiseta. Praegu on selle keevitustöö jaoks kõige kaasaegsem protsess laserkeevitus külma lisatraadiga, kuna AA 6xxx sulam praguneb kuumalt. Kui vuuk keevitatakse lisatraadiga, läheb lisatraadi sulatamiseks palju laserenergiat kaotsi.
Järgmine joonis kujutab LaserHybridi ja laserkeevituse erinevusi ülekattega liitekohas keevituskiirusega 2,4 m/min. Laserkeevituse puhul ei ole võimalik keevisõmblust täita ja tekib alalõige. Samuti on alusmaterjali tungimine väga väike. Keevisõmbluse laius on väga väike ja seetõttu on oodata madalat tõmbetugevust. LaserHybridi keevituse puhul
Keevisvanni transporditakse täiendavat materjali. Alumine lõik täidetakse MIG-protsessist pärineva traadiga ja seega säästetakse osa laserenergiast. Seda säästetud laserenergiat saab kasutada alusmaterjali läbitungimissügavuse suurendamiseks ning keevisõmbluse laius on suurem kui materjali paksus, mida on vaja numbrilise simulatsiooni jaoks.
Joonis 5. LaserHybridi ja lisanditeeta laserkeevituse võrdlus
LaserHybrid-keevitusprotseduuriga on võimalik keevitada alumiiniumi, terase ja roostevaba terase materjale kuni 4 mm paksusega. Liiga suure paksuse korral pole täielik läbitungimine võimalik. Tsingitud materjalide ühendamiseks on samuti eelistatav kasutada laserjootmisprotsessi.
Lisaks saab autotööstuses laserhübriidkeevitusprotsessi kasutada jõuülekannete, teljed ja autokered tootmisel.
Keevituspea:
Keevituspea peaks olema väikeste geomeetriliste mõõtmetega, et tagada keevitatavatele komponentidele hea ligipääs, eriti autokeretööstuses. Lisaks peaks see olema konstrueeritud nii, et see võimaldaks nii sobivat eemaldatavat ühendust robotipeaga kui ka selliste protsessimuutujate nagu fookuskauguse ja põleti vahekauguste reguleerimist kõigis ristkoordinaatides. Joonis 5 näitab keevituspead protsessi käigus. Keevitusprotsessi ajal tekkiv pritsimine suurendab kaitseklaasi määrdumist. Kvartsklaas on mõlemalt poolt kaetud peegeldusvastase materjaliga ja selle eesmärk on kaitsta laseroptilist süsteemi kahjustuste eest.
Sõltuvalt määrdumisastmest võivad klaasile kogunevad pritsmed põhjustada toorikule langeva laserkiire võimsuse vähenemist kuni 90%. Tugevam määrdumine viib üldiselt kaitseklaasi hävimiseni, kuna klaas neelab suure osa kiirgusenergiast, põhjustades klaasis termilisi pingeid. Selle keevituspea ja keevitusseadmega on seda võimalik kasutada LaserHybrid-keevituseks, laserkeevituseks, MSG-keevituseks ja...Laser-kuumtraadiga kõvajoodisjootmine.
Joonis 6: Keevituspea ja -protsess
5. Laserhübriidkeevituse eelised:
Kaare- ja laserkiire ühendamisest tulenevad järgmised eelised: LaserHybrid-keevituse eelised laserkeevituse ees:
• suurem protsessi stabiilsus
• suurem silduvus
• sügavam tungimine
• madalamad kapitaliinvesteeringute kulud
• suurem painduvus
LaserHybrid-keevituse eelised MIG-keevituse ees:
• suuremad keevituskiirused
• sügavam läbitungimine suurematel keevituskiirustel
• madalam soojusvõimsus
• suurem tõmbetugevus
• kitsamad keevisõmblused
Joonis 7: Kahe protsessi kombineerimise eelised
Kaarkeevitusprotsessi iseloomustab odav energiaallikas, hea sildamisvõime ja võimalus konstruktsiooni mõjutada lisametallide lisamise teel. Laserkiire protsessi eristavateks omadusteks on seevastu suur keevitussügavus, kõrge keevituskiirus, madal termiline koormus ja kitsad keevisõmblused. Teatud kiire tihedusest alates tekitab laserkiir metallilistes materjalides "süvakeevituse efekti", mis võimaldab keevitada suurema seinapaksusega komponente – eeldusel, et laseri võimsus on piisavalt kõrge. Laserhübriidkeevitus võimaldab seega suuremat keevituskiirust, protsessi stabiliseerimist kaare ja laserkiire vastastikmõju tõttu, suuremat termilist efektiivsust ja suuremaid tooriku tolerantse. Kuna keevisvann on väiksem kui MIG-protsessis, on väiksem termiline sisend ja seega väiksem kuummõjutsoon. See tähendab vähem keevitustöid.
moonutus, mis vähendab järgneva keevitusjärgse sirgendustöö hulka.
Kahe eraldi keevisvanni korral tähendab kaare järgnev termiline sisend seda, et laserkiir – keevitatud ala – eriti terase puhul – läbib pärast keevitamist karastustöötluse, mis jaotab kõvadusväärtused õmbluse ulatuses ühtlasemalt. Joonis 6 võtab kokku kombineeritud (st hübriid-) protsessi eelised.
Pöördudes nüüd hübriidkeevituse majanduslike eeliste juurde laserkeevituse ees, võib teha järgmised väited: keevisõmblus koosneb osaliselt laserkeevisõmblusest ja osaliselt MIG-keevisõmblusest. Hübriidprotsess võimaldab vähendada laserkiire võimsust, mis tähendab, et laserallika energiatarbimist saab oluliselt vähendada, kuna laserkiireseadme efektiivsus on vaid 3%. Teisisõnu: 1 kW laserkiire võimsuse vähenemine töödeldavale detailile toob kaasa umbes 35 kVA vähenemise elektrivõrgust tarbitavas energias.
Laserkiireaparaat maksab umbes 0,1 miljonit eurot iga 1 kW kohta.laserkiire võimsusNäiteks juhul, kui hübriidprotsessi kasutamine võimaldab kasutada 2 kW laserkiireseadet 4 kW kiirevõimsusega seadme asemel, säästab see investeerimiskulusid 0,2 miljonit eurot. Siinkohal tuleb aga meeles pidada, et hübriidprotsessi jaoks on vaja umbes 20 000 eurot maksvat MIG-masinat.
Tänu suuremale keevituskiirusele saab lühendada nii valmistamisaega kui ka keevituskulusid.
6. LaserHotwire'i kõvajoodisjootmine:
Teine võimalus laserkiire ja täitetraadi kombineerimiseks on LaserHotwire protsess [10]. Selle protseduuri käigus eelsoojendatakse täitetraati sama toiteallikaga, mida saab kasutada ...Laser-hübriidkeevitusprotsessTäitetraadi voolutugevus on 100 A kuni 220 A. Traadi etteandekiirus sõltub jootetera ristlõikest ja jootmiskiirusest. Jootmine pakub lisametalli koguse kaudu vormimismaterjali, mida saab kergemini viimistleda kui võrreldavaid keevisõmblusi. Lehtdetailide jootmise teel saab parandustöid teha lihtsamini kui keevisliidete puhul. LaserHotwire'i jootmise üks eeliseid on joodetud tsooni hea korrosioonikindlus.
Täitemetallidena kasutatakse odavaid vasesulameid, näiteks SG-CuSi3, ja kaitsegaasina toimib argoon.
Joonis 8: Skemaatiline esitusLaser-kuumtraadiga kõvajoodisjootmine:
Järgmisel joonisel on kujutatud laserkuumjoodetud materjali ristlõiget. Tsingitud materjali joodetakse kiirusega 3 m/min ja lisantraadi voolutugevus on 205 A. Soojuskoormus on väga madal, seega on jootmisprotsessi tulemuseks väike moonutus.
7. Kokkuvõte:
Laserhübriidkeevitus on täiesti uus tehnoloogia, mis pakub sünergiat laiaulatuslikes rakendusvaldkondades metallitööstuses, eriti seal, kus pole võimalik või rahaliselt otstarbekas saavutada komponentide tolerantse, mis on vajalikud keevitamiseks.laserkiirega keevitamineKombineeritud protsessi palju laiem rakendusala ja suur võimekus suurendavad konkurentsivõimet väiksemate investeerimiskulude, lühema valmistamisaja, madalamate tootmiskulude ja suurema tootlikkuse näol.
LaserHybrid protsess pakub ka uut lähenemisviisi alumiiniumi keevitamisele. Stabiilne ja praktikas kasutatav protsess on aga tänu tahkislaserite suuremale väljundvõimsusele võimalikuks saanud suhteliselt hiljuti. Arvukad uuringud on uurinud laserkaar-hübriidkeevitusprotsesside põhialuseid. Hübriidkeevitusprotsessi all peame silmas laserkiirkeevituse ja kaarkeevitusprotsessi kombinatsiooni, kus on ainult üks protsessitsoon (plasma ja sulatus). Põhiuuringud on näidanud, et on võimalik protsess, kus kahe protsessi kombineerimise abil on võimalik saavutada sünergia ja kompenseerida iga eraldi protsessi puudusi, mille tulemuseks on paremad keevitusvõimalused, keevitatavus ja keevituse usaldusväärsus paljude erinevate materjalide ja konstruktsioonide puhul. Eelkõige on seda tõestatud alumiiniumisulamite puhul. Soodsate protsessiparameetrite valikuga on võimalik valikuliselt mõjutada keevitusomadusi, nagu geomeetria ja konstruktsiooniline koostis. Kaarkeevitusprotsess suurendab silduvust lisametalli lisamise teel; see määrab ka keevisõmbluse laiuse ja vähendab seega vajaliku tooriku ettevalmistamise hulka. Lisaks suurendavad protsesside vahelised interaktsioonid oluliselt protsessi efektiivsust. See kombineeritud protsess nõuab ka oluliselt väiksemaid investeerimiskulusid kui laserkeevitusprotsess.
Laser-kuumjootetraadiga kõvajoodisega protsessi saab kasutada eriti tsingitud materjalide puhul, et saavutada hea korrosioonikindlus.
Postituse aeg: 18. aprill 2025
