Beide laserstraalsweis en boogsweis word al lank gebruik vir industriële produksie en maak 'n wye spektrum van gebruike op die gebied van materiaalverbindingstegnologie moontlik. Elk van hierdie prosesse het sy spesifieke toepassingsgebiede, soos beskryf deur die fisiese prosesse van die energievervoer na die werkstuk en deur die energievloei wat verkry kan word. Die energie word oorgedra vanaf die laserstraalbron na die materiaal vir verwerking deur middel van hoë-energie infrarooi koherente straling, met behulp van 'n veseloptiese kabel. Die boog dra die hitte wat nodig is vir sweiswerk oor deur middel van 'n hoë elektriese stroom wat via 'n boogkolom na die werkstuk vloei. Die laserstraling lei na 'n baie nou hitte-geaffekteerde sone met 'n groot verhouding van sweisdiepte tot naatwydte (diepsweiseffek). Die gaping-oorbruggingsvermoë van die lasersweisproses is baie laag as gevolg van sy klein fokusdeursnee, maar aan die ander kant kan dit baie hoë sweisspoed bereik. Die boogsweisproses het 'n baie laer energiedigtheid, maar veroorsaak 'n groter fokuspunt op die oppervlak van die werkstuk en word gekenmerk deur 'n stadiger verwerkingspoed. Deur beide hierdie prosesse saam te voeg, kan nuttige sinergieë bereik word. Uiteindelik maak dit dit moontlik om beide kwaliteitsvoordele en produksie-ingenieursvoordele te behaal, sowel as verbeterde koste-effektiwiteit. Hierdie proses bied interessante en ekonomies aantreklike toepassings, beide in die motorbedryf, nie die minste nie omdat hoër toleransies op die sweisstukke toegelaat word, hoër verbindingstempo's moontlik is, en baie goeie meganiese/tegnologiese parameters bereik kan word.
1. Inleiding:
Dit is al sedert die 1970's bekend hoe om laserlig en die boog in 'n saamgevoegde sweisproses te kombineer, maar vir 'n lang tyd daarna is geen verdere ontwikkelingswerk aangepak nie. Onlangs het navorsers hul aandag weer op hierdie onderwerp gevestig en probeer om die voordele van die boog met dié van die laser te verenig, in 'n hibriede sweisproses. Terwyl laserbronne in die vroeë dae nog hul geskiktheid vir industriële gebruik moes bewys, is hulle deesdae standaard tegnologiese toerusting in baie vervaardigingsondernemings.
Die kombinasie van lasersweiswerk met 'n ander sweisproses word 'n "hibriede sweisproses" genoem. Dit beteken dat 'n laserstraal en 'n boog gelyktydig in een sweissone optree, mekaar beïnvloed en ondersteun.
2. Laser:
Lasersweiswerk vereis nie net hoë laserkrag nie, maar ook 'n hoëgehalte-straal om die verlangde "diepsweiseffek" te verkry. Die gevolglike hoër kwaliteit van die straal kan benut word om óf 'n kleiner fokusdeursnee óf 'n groter fokusafstand te verkry.
Vir die ontwikkelingsprojekte wat tans aan die gang is, word 'n lampgepompte vastetoestandlaser met 'n laserstraalkrag van 4 kW gebruik. Die laserlig word oorgedra via 'n 600 µm glasvesel.
Die laserlig word oorgedra via 'n glasvesel, waarvan die begin en die einde waterverkoel is. Die laserstraal word op die werkstuk geprojekteer deur 'n fokusmodule met 'n brandpuntafstand van 200 mm.
3. Laserhibriede proses:
Vir die sweis van metaalwerkstukke word die Nd:YAG-laserstraal gefokus op intensiteite van meer as 106 W/cm2. Wanneer die laserstraal die oppervlak van die materiaal tref, verhit dit hierdie plek tot verdampingstemperatuur, en 'n dampholte word in die sweismetaal gevorm as gevolg van die ontsnappende metaaldamp. Die onderskeidende kenmerk van die sweisnaad is die hoë diepte-tot-breedte-verhouding. Die energie-vloeidigtheid van die vry brandende boog is effens bo 104 W/cm2. Figuur 1 illustreer die basiese beginsel van hibriede sweiswerk. Die laserstraal
wat hier uitgebeeld word, voer hitte na die sweismetaal in die boonste gedeelte van die naat, benewens die hitte van die boog. Anders as 'n opeenvolgende konfigurasie waar twee afsonderlike sweisprosesse agtereenvolgens optree, kan hibriede sweising beskou word as 'n kombinasie van beide sweisprosesse wat gelyktydig in een en dieselfde prosesone optree. Afhangende van watter boog- of laserproses gebruik word, en van die prosesparameters, sal die prosesse mekaar in 'n verskillende mate en op verskillende maniere beïnvloed [1, 2].
Danksy die kombinasie van die laserproses en die boogproses, is daar ook 'n toename in beide die sweispenetrasiediepte en die sweisspoed (in vergelyking met enige van die prosesse wat op sy eie gebruik word). Die metaaldamp wat uit die dampholte ontsnap, werk terugwerkend op die boogplasma in. Absorpsie van die Nd:YAG-laserstraling in die verwerkingsplasma bly weglaatbaar. Afhangende van watter verhouding van die twee kraginsette gekies word, kan die karakter van die algehele proses in 'n groter of kleiner mate deur die laser of deur die boog bepaal word [3,4].
Fig. 1: Skematiese voorstelling: LaserHibried-sweising
Die absorpsie van die laserstraling word aansienlik beïnvloed deur die temperatuur van die werkstukoppervlak. Voordat die lasersweisproses kan begin, moet die aanvanklike weerkaatsing eers oorkom word, veral op aluminiumoppervlaktes. Dit kan bereik word deur met 'n spesiale aanvangsprogram te begin sweis. Nadat die verdampingstemperatuur bereik is, word die dampholte gevorm, met die gevolg dat byna al die stralingsenergie in die werkstuk ingevoer kan word. Die energie wat hiervoor benodig word, word dus bepaal deur die temperatuurafhanklike absorpsie en deur die hoeveelheid energie wat verlore gaan.
deur geleiding in die res van die werkstuk. In LaserHibried-sweising vind verdamping nie net vanaf die oppervlak van die werkstuk plaas nie, maar ook vanaf die vuldraad, wat beteken dat daar meer metaaldamp beskikbaar is, wat weer die invoer van die laserstraling vergemaklik. Dit voorkom ook prosesuitval [5, 6, 7, 8, 9].
4. Motortoepassing:
Deur die gebruik van ruimteraamtegnologie is 'n gewigsvermindering van 43% moontlik in vergelyking met 'n staalkarrosserie.
Fig. 2: Audi Space frame A2-konsep
Die Audi A2 Space-raam bestaan uit 'n 30 m laserlas (geel stroke in figuur 2) en 'n 20 m MIG-sweislengte. Daarbenewens word 1700 klinknaels ook gebruik.
Fig. 3: Vergelyking van profiele en verbindingstegnieke op die Audi-A2
Figuur 4 toon 'n LaserHybrid-sweislas van 'n ALMg3-gietmateriaal met 'n AlMgSi-plaatmateriaal. Die vuldraad is AlSi5 en die beskermingsgas wat gebruik word, is Argon. Met toenemende laserkrag is dieper penetrasie moontlik. Deur die laserstraal met die boog op hierdie manier te kombineer, word 'n groter sweispoel verkry as met die laserstraalsweisproses op sy eie. Dit maak dit moontlik om komponente met wyer gapings te sweis.
Fig 4: Oorvleuelvoeg met 'n gaping van 0.5 mm
In die motorbedryf is daar baie toepassings van oorvleuelsweising sonder lasvoorbereiding. Tans is die mees gevorderde proses vir hierdie sweiswerk die lasersweisproses met 'n koue vuldraad, as gevolg van warm krake van die AA 6xxx-legering. Wanneer die las met 'n vuldraad gesweis word, sal baie van die laserenergie verlore gaan om daardie vuldraad te smelt.
Die volgende figuur verteenwoordig die verskille tussen LaserHybrid en Lasersweiswerk op 'n oorvleuelende las met 'n sweisspoed van 2.4 m/min. In die geval van lasersweiswerk is daar geen moontlikheid om die sweiskraal op te vul nie, en 'n ondersnyding word geproduseer. Daar is ook slegs 'n baie klein penetrasie in die basismateriaal. Die sweiskraalwydte is baie klein, en daarom sal 'n lae treksterkte verwag word. In die geval van LaserHybrid-sweiswerk,
Bykomende materiaal word in die sweispoel vervoer. Die ondersnyding word gevul met die draad van die MIG-proses, en 'n gedeelte van die laserenergie word nou bespaar. Hierdie bespaarde laserenergie kan gebruik word om die penetrasie in die basismateriaal te verhoog en die sweiskraalwydte is groter as die materiaaldikte, wat vereis word uit die numeriese simulasie.
Fig. 5 Vergelyking tussen LaserHybrid en Lasersweiswerk sonder vuldraad
Met die LaserHybrid-sweisprosedure is dit moontlik om materiale van aluminium, staal en vlekvrye staal met 'n materiaaldikte van tot 4 mm te sweis. Indien die dikte te hoog is, is volle penetrasie nie moontlik nie. Vir die verbinding van sinkbedekte materiale is dit ook verkieslik om die lasersoldeerproses te gebruik.
Verdere toepassings in die motorvoertuigbedryf is kragtreine, asse en motorbakke, waar die laserhibriede sweisproses geskik kan wees.
Sweiskop:
Die sweiskop moet klein geometriese afmetings hê om goeie toeganklikheid tot die komponente wat gesweis moet word, te verseker, veral in die motorbakveld. Verder moet dit ontwerp word om beide 'n geskikte afneembare verbinding met die robotkop en die verstelbaarheid van prosesveranderlikes soos brandpuntafstand en branderafstande in alle Cartesiese koördinate moontlik te maak. Figuur 5 toon die sweiskop terwyl die proses aan die gang is. Die spatsels wat tydens die sweisproses plaasvind, lei tot toenemende besoedeling van die beskermende glas. Die kwartsglas is aan beide kante bedek met 'n antireflektiewe materiaal en is bedoel om die laseroptiese stelsel teen skade te beskerm.
Afhangende van die mate van vuilheid, kan die spatsels wat op die glas ophoop, veroorsaak dat die laserkrag wat die werkstuk werklik tref, met soveel as 90% afneem. Swaarer vuilheid lei gewoonlik tot die vernietiging van die beskermende glas, aangesien so 'n groot deel van die stralingsenergie dan deur die glas self geabsorbeer word, wat termiese spanning in die glas veroorsaak. Met daardie sweiskop en sweistoerusting is dit moontlik om dit te gebruik vir LaserHibried-sweiswerk, lasersweiswerk, MSG-sweiswerk en ...Laser Warmdraadsoldeerwerk.
Fig. 6: Sweiskop en proses
5. Voordele van laserhibriede sweiswerk:
Die volgende voordele spruit voort uit die samesmelting van boog- en laserstraal: Voordele van LaserHibried-sweising bo lasersweising:
• hoër prosesstabiliteit
• hoër oorbrugbaarheid
• dieper penetrasie
• laer kapitaalbeleggingskoste
• groter rekbaarheid
Voordele van LaserHibried-sweising bo MIG-sweising:
• hoër sweisspoed
• dieper penetrasie teen hoër sweisspoed
• laer termiese inset
• hoër treksterkte
• smaller lasnate
Fig. 7: Voordele van die kombinasie van die twee prosesse
Die boogsweisproses word gekenmerk deur 'n laekoste-energiebron, goeie brugvermoë en die vermoë om die struktuur te beïnvloed deur vulmetale by te voeg. Die onderskeidende kenmerke van die laserstraalproses, aan die ander kant, is die groot sweisdiepte, hoë sweisspoed, lae termiese lading en nou sweisnate wat dit bereik. Bo 'n sekere straaldigtheid produseer die laserstraal 'n "diepsweiseffek" in metaalmateriale wat dit moontlik maak om komponente met groter wanddiktes te sweis - mits die laserkrag voldoende hoog is. Laserhibriede sweising sorg dus vir hoër sweisspoed, prosesstabilisering as gevolg van die interaksie tussen die boog en die laserstraal, verhoogde termiese doeltreffendheid en groter werkstuktoleransies. Omdat die sweispoel kleiner is as in die MIG-proses, is daar minder termiese inset en dus 'n kleiner hitte-geaffekteerde sone. Dit beteken minder sweiswerk.
vervorming, wat die hoeveelheid daaropvolgende reguitmaakwerk na die sweiswerk verminder.
Waar daar twee aparte sweispoele is, beteken die daaropvolgende termiese inset van die boog dat die laserstraal – die gesweisde area – veral in die geval van staal – 'n na-sweis temperbehandeling kry, wat die hardheidswaardes meer eweredig oor die naat versprei. Figuur 6 som die voordele van die gekombineerde (d.w.s. hibriede) proses op.
Wat nou die ekonomiese voordele van hibriede sweiswerk bo lasersweiswerk betref, kan die volgende stellings gemaak word: Die lasnaad bestaan gedeeltelik uit 'n lasersweis en gedeeltelik uit 'n MIG-sweis. Die hibriede proses maak dit moontlik om die krag van die laserstraal te verminder, wat beteken dat die energieverbruik van die laserbron aansienlik verminder kan word, aangesien die laserstraalapparaat 'n doeltreffendheid van slegs 3% het. Met ander woorde: 'n Vermindering van 1 kW in die laserstraalkrag wat die werkstuk beïnvloed, lei tot 'n vermindering van ongeveer 35 kVA in die krag wat van die elektrisiteitsnet verbruik word.
'n Laserstraalapparaat kos ongeveer EUR 0,1 miljoen vir elke 1 kW vanlaserstraalkragOm net een voorbeeld te noem, in 'n geval waar die benutting van die hibriede proses dit moontlik maak om 'n 2 kW laserstraalapparaat te gebruik in plaas van een met 4 kW straalkrag, lei dit tot 'n besparing van EUR 0,2 miljoen in beleggingsuitgawes. Daar moet egter hier onthou word dat 'n MIG-masjien wat ongeveer EUR 20 000 kos vir die hibriede proses benodig sal word.
Danksy die hoër sweisspoed kan beide die vervaardigingstye en die sweiskoste verminder word.
6. LaserWarmdraad-soldeerwerk:
Nog 'n moontlikheid om die laserstraal met 'n vuldraad te kombineer, is die LaserHotwire-proses [10]. In hierdie prosedure word die vuldraad voorverhit met dieselfde kragbron, wat gebruik kan word vir dieLaserhibriede sweisprosesDie vuldraad het 'n stroombelasting van 100 A tot 220 A. Die draadtoevoerspoed hang af van die dwarssnit van die soldeerkraal en van die soldeerspoed. Soldeerwerk bied, deur die hoeveelheid vulmetaal, 'n gietmateriaal wat makliker afgewerk kan word as vergelykbare lasnate. Deur die soldeer van plaatdele kan herstelwerk op 'n makliker manier uitgevoer word as wat dit die geval sou wees met gelaste verbindings. Een voordeel van LaserHotwire-soldeerwerk is die goeie korrosiebestandheid van die gesoldeerde sone.
As vulmetale word goedkoop kopergebaseerde legerings soos SG-CuSi3 gebruik en argon dien as 'n beskermingsgas.
Fig. 8: Skematiese voorstellingLaser Warmdraadsoldeerwerk:
Die volgende figuur toon die dwarssnit van 'n laser-warmdraadgesoldeerde materiaal. Die sinkbedekte materiaal word teen 'n spoed van 3 m/min gesoldeer en die vuldraad het 'n stroomlas van 205 A. Die hitte-invoer is baie laag, daarom is 'n lae vervorming die gevolg van die soldeerproses.
7. Opsomming:
Laserhibriede sweiswerk is 'n splinternuwe tegnologie wat sinergieë bied vir wye toepassingsvelde in metaalbewerkingsbedrywe, veral waar dit nie moontlik of finansieel lewensvatbaar is om die komponenttoleransies te bereik wat vereis word virlaserstraalsweisingDie veel wyer toepassingsgebied en die hoë vermoë van die gekombineerde proses lei tot verbeterde mededingendheid in terme van verminderde beleggingsuitgawes, korter vervaardigingstye, laer vervaardigingskoste en hoër produktiwiteit.
Die LaserHibried-proses bied ook 'n nuwe benadering tot die sweis van aluminium. 'n Stabiele proses wat in die praktyk gebruik kan word, het egter eers relatief onlangs moontlik geword, danksy die hoër beskikbare uitsetkragte van vastetoestandlasers. Talle studies het die grondbeginsels van laser-boog-hibriede sweisprosesse ondersoek. Met "hibriede sweisproses" bedoel ons die kombinasie van laserstraalsweis en die boogsweisproses, met slegs een enkele prosesone (plasma en smelt). Basiese navorsingstudies het getoon dat 'n proses moontlik is waarin – deur die twee prosesse te kombineer – sinergieë bereik kan word en die nadele van elke afsonderlike proses vergoed kan word, wat lei tot verbeterde sweismoontlikhede, sweisbaarheid en sweisbetroubaarheid vir baie verskillende materiale en konstruksies. Dit is veral vir aluminiumlegerings gedemonstreer. Deur gunstige prosesparameters te kies, is dit moontlik om sweiseienskappe soos geometrie en strukturele samestelling selektief te beïnvloed. Die boogsweisproses verhoog die oorbrugbaarheid deur vulmetaal by te voeg; dit bepaal ook die sweisnaatwydte en verminder dus die hoeveelheid werkstukvoorbereiding wat nodig is. Boonop lei die interaksies wat tussen die prosesse plaasvind tot 'n aansienlike toename in die doeltreffendheid van die proses. Hierdie kombinasieproses vereis ook aansienlik kleiner beleggingskoste as die lasersweisproses.
Die laser-warmdraadsoldeerproses kan veral vir sinkbedekte materiaal gebruik word om goeie korrosiebestandheid te verkry.
Plasingstyd: 18 Apr-2025
