Як лазерне зварювання, так і дугове зварювання вже давно використовуються для промислового виробництва та дозволяють використовувати їх у широкому спектрі технологій з'єднання матеріалів. Кожен з цих процесів має свої специфічні сфери застосування, що описуються фізичними процесами передачі енергії до заготовки та потоками енергії, які можна отримати. Енергія передається від джерела лазерного променя до матеріалу для обробки за допомогою високоенергетичного інфрачервоного когерентного випромінювання за допомогою волоконно-оптичного кабелю. Дуга передає тепло, необхідне для зварювання, за допомогою високоенергетичного електричного струму, що протікає до заготовки через стовп дуги. Лазерне випромінювання призводить до утворення дуже вузької зони термічного впливу з великим співвідношенням глибини зварювання до ширини шва (ефект глибокого зварювання). Здатність лазерного зварювання до перекриття зазорів дуже низька через малий діаметр фокуса, але з іншого боку, він може досягати дуже високих швидкостей зварювання. Процес дугового зварювання має значно нижчу щільність енергії, але викликає більшу фокальною пляму на поверхні заготовки та характеризується меншою швидкістю обробки. Об'єднуючи ці два процеси, можна досягти корисної синергії. Зрештою, це дозволяє досягти як переваг у якості, так і переваг у виробничо-конструкторській розробці, а також підвищеної економічної ефективності. Цей процес пропонує цікаві та економічно привабливі застосування як в автомобільній промисловості, не в останню чергу тому, що допускаються вищі допуски на зварні деталі, можливі вищі швидкості з'єднання та можна досягти дуже хороших механічних/технологічних параметрів.
1. Вступ:
Поєднання лазерного світла та дуги в об'єднаному процесі зварювання було відоме ще з 1970-х років, але протягом тривалого часу після цього подальших розробок не проводилося. Нещодавно дослідники знову звернули свою увагу на цю тему та спробували об'єднати переваги дуги з перевагами лазера в гібридному процесі зварювання. Якщо раніше лазерні джерела все ще мали доводити свою придатність для промислового використання, то сьогодні вони є стандартним технологічним обладнанням на багатьох виробничих підприємствах.
Поєднання лазерного зварювання з іншим процесом зварювання називається «гібридним процесом зварювання». Це означає, що лазерний промінь і дуга діють одночасно в одній зоні зварювання, впливаючи один на одного та підтримуючи один одного.
2. Лазер:
Для лазерного зварювання потрібна не лише висока потужність лазера, але й високоякісний промінь, щоб отримати бажаний «ефект глибокого зварювання». Отримана вища якість променя може бути використана або для отримання меншого діаметра фокуса, або для більшої фокусної відстані.
Для розробок, що зараз реалізуються, використовується твердотільний лазер з ламповим накачуванням та потужністю лазерного променя 4 кВт. Лазерне світло передається через скловолокно товщиною 600 мкм.
Лазерне світло передається через скловолокно, початок і кінець якого охолоджуються водою. Лазерний промінь проектується на заготовку фокусуючим модулем з фокусною відстанню 200 мм.
3. Лазерний гібридний процес:
Для зварювання металевих деталей лазерний промінь Nd:YAG фокусується з інтенсивністю понад 10⁶ Вт/см². Коли лазерний промінь потрапляє на поверхню матеріалу, він нагріває цю точку до температури випаровування, і в зварному металі утворюється парова порожнина через витік металевої пари. Відмінною рисою зварного шва є його високе співвідношення глибини до ширини. Щільність потоку енергії вільно палаючої дуги трохи перевищує 10⁶ Вт/см². На рисунку 1 показано основний принцип гібридного зварювання. Лазерний промінь
Зображена тут схема подає тепло до зварного металу у верхній частині шва, на додаток до тепла від дуги. На відміну від послідовної конфігурації, де два окремі процеси зварювання діють послідовно, гібридне зварювання можна розглядати як комбінацію обох процесів зварювання, що діють одночасно в одній і тій самій зоні процесу. Залежно від того, який дуговий чи лазерний процес використовується, та від параметрів процесу, процеси будуть впливати один на одного різною мірою та по-різному [1, 2].
Завдяки поєднанню лазерного та дугового процесів також спостерігається збільшення як глибини проникнення шва, так і швидкості зварювання (порівняно з будь-яким із процесів, що використовуються окремо). Пара металу, що виходить з пароподібної порожнини, зворотно діє на дугову плазму. Поглинання випромінювання Nd:YAG лазера в оброблюваній плазмі залишається незначним. Залежно від обраного співвідношення двох підхідних потужностей, характер загального процесу може визначатися більшою чи меншою мірою лазером або дугою [3,4].
Рис. 1: Схематичне зображення: лазерне гібридне зварювання
Поглинання лазерного випромінювання суттєво залежить від температури поверхні заготовки. Перш ніж розпочати процес лазерного зварювання, необхідно подолати початковий коефіцієнт відбиття, особливо на алюмінієвих поверхнях. Цього можна досягти, розпочавши зварювання за допомогою спеціальної програми запуску. Після досягнення температури випаровування утворюється парова порожнина, в результаті чого майже вся енергія випромінювання може бути введена в заготовку. Енергія, необхідна для цього, таким чином, визначається температурно-залежним поглинанням та кількістю втраченої енергії.
шляхом теплопровідності в решту заготовки. При лазерному гібридному зварюванні випаровування відбувається не лише з поверхні заготовки, але й з присадного дроту, що означає, що доступна більша кількість металевої пари, що, у свою чергу, полегшує надходження лазерного випромінювання. Це також запобігає перериванню процесу [5, 6, 7, 8, 9].
4. Автомобільне застосування:
Завдяки використанню технології просторової рами можливе зниження ваги на 43% порівняно зі сталевим кузовом автомобіля.
Рис. 2: Концепт Audi Space frame A2
Рама Audi A2 Space складається з 30 м лазерного зварювання (жовті смужки на рисунку 2) та 20 м зварювального шову MIG-шовку. Крім того, також використовується 1700 заклепок.
Рис. 3: Порівняння профілів та методів з'єднання на Audi-A2
На рисунку 4 показано зварне з'єднання литого матеріалу ALMg3 з листовим матеріалом AlMgSi, отримане за допомогою лазерного гібрида (LaserHybrid). Як присадний дріт використовується AlSi5, а як захисний газ – аргон. Зі збільшенням потужності лазера можливе глибше проникнення. Поєднання лазерного променя з дугою таким чином забезпечує більшу зварну ванну, ніж при використанні окремого процесу зварювання лазерним променем. Це дозволяє зварювати компоненти з ширшими зазорами.
Рис. 4: З'єднання внахлест із зазором 0,5 мм
В автомобільній промисловості існує багато застосувань зварювання внахлест без підготовки з'єднання. На даний момент найсучаснішим процесом для цієї зварювальної роботи є лазерне зварювання холодним присадним дротом, що відбувається завдяки гарячому розтріскуванню сплаву AA 6xxx. Коли з'єднання зварюється присадним дротом, значна частина лазерної енергії втрачається для розплавлення цього присадного дроту.
На наступному рисунку показано відмінності між лазерним гібридним зварюванням та лазерним зварюванням на перехлестному з'єднанні зі швидкістю зварювання 2,4 м/хв. У випадку лазерного зварювання немає можливості заповнити зварний шов, і утворюється підріз. Крім того, відбувається дуже незначне проникнення в основний матеріал. Ширина зварного шва дуже мала, тому очікується низька міцність на розтяг. У випадку лазерного гібридного зварювання,
Додатковий матеріал транспортується у зварювальну ванну. Підріз заповнюється дротом від процесу MIG, і тепер частина лазерної енергії економиться. Цю зекономлену лазерну енергію можна використовувати для збільшення проникнення в основний матеріал, а ширина зварного шва більша за товщину матеріалу, що вимагається числовим моделюванням.
Рис. 5 Порівняння лазерного гібридного зварювання та лазерного зварювання без присадного дроту
За допомогою зварювальної процедури LaserHybrid можна зварювати матеріали з алюмінію, сталі та нержавіючої сталі товщиною до 4 мм. Якщо товщина занадто велика, повне проварювання неможливе. Для з'єднання матеріалів з цинковим покриттям також бажано використовувати процес лазерного паяння.
Подальші застосування в автомобільній промисловості - це силові агрегати, осі та кузова автомобілів, де може бути доречним процес лазерного гібридного зварювання.
Зварювальна головка:
Зварювальна головка повинна мати малі геометричні розміри, щоб забезпечити хороший доступ до компонентів, що зварюються, особливо в галузі кузовного виробництва. Крім того, вона повинна бути спроектована таким чином, щоб забезпечувати як відповідне роз'ємне з'єднання з головкою робота, так і регулювання таких змінних процесу, як фокусна відстань та відстані від пальника у всіх декартових координатах. На рисунку 5 показано зварювальну головку під час виконання процесу. Розбризкування, що виникає під час процесу зварювання, призводить до збільшення забруднення захисного скла. Кварцове скло покрите з обох боків антибліковим матеріалом і призначене для захисту лазерної оптичної системи від пошкоджень.
Залежно від ступеня забруднення, бризки, що накопичуються на склі, можуть призвести до зменшення потужності лазера, що фактично впливає на заготовку, на цілих 90%. Сильніше забруднення зазвичай призводить до руйнування захисного скла, оскільки велика частина променистої енергії поглинається самим склом, спричиняючи термічні напруги в ньому. Завдяки цій зварювальній головці та зварювальному обладнанню її можна використовувати для лазерного гібридного зварювання, лазерного зварювання, зварювання глутаматом натрію (MSG) та...Лазерна пайка гарячим дротом.
Рис. 6: Зварювальна головка та процес
5. Переваги лазерного гібридного зварювання:
Наступні переваги є результатом об'єднання дугового та лазерного променя: Переваги лазерного гібридного зварювання порівняно з лазерним зварюванням:
• вища стабільність процесу
• вища місткість
• глибше проникнення
• нижчі капітальні витрати
• більша пластичність
Переваги лазерного гібридного зварювання над MIG-зварюванням:
• вищі швидкості зварювання
• глибше проникнення при вищих швидкостях зварювання
• нижча теплова нагрузка
• вища міцність на розтяг
• вужчі зварні шви
Рис. 7: Переваги поєднання двох процесів
Процес дугового зварювання характеризується низькою вартістю джерела енергії, хорошою здатністю до перекриття зварювальних швів та можливістю впливати на структуру шляхом додавання присадних металів. Відмінними рисами лазерного процесу, з іншого боку, є велика глибина зварювання, висока швидкість зварювання, низьке теплове навантаження та вузькі зварні шви, яких він досягає. При щільності променя, що перевищує певну, лазерний промінь створює «ефект глибокого зварювання» в металевих матеріалах, що дозволяє зварювати компоненти з більшою товщиною стінок, за умови достатньо високої потужності лазера. Таким чином, лазерно-гібридне зварювання забезпечує вищі швидкості зварювання, стабілізацію процесу завдяки взаємодії між дугою та лазерним променем, підвищену теплову ефективність та більші допуски на деталі. Оскільки зварювальна ванна менша, ніж у процесі MIG, теплове навантаження менше, а отже, і зона термічного впливу менша. Це означає менше зварних швів.
деформація, що зменшує обсяг подальших робіт з вирівнювання після зварювання, які необхідно виконати.
Там, де є дві окремі зварювальні ванни, подальше нагрівання від дуги означає, що лазерний промінь – зварена ділянка, особливо у випадку сталі, – піддається післязварювальній відпускній обробці, що рівномірніше розподіляє значення твердості по шву. На рисунку 6 підсумовано переваги комбінованого (тобто гібридного) процесу.
Переходячи тепер до економічних переваг гібридного зварювання порівняно з лазерним, можна зробити наступне твердження: зварний шов частково складається з лазерного зварювання та частково з MIG-зварювання. Гібридний процес дозволяє зменшити потужність лазерного променя, а це означає, що споживання енергії лазерним джерелом може бути значно зменшено, оскільки лазерний променевий апарат має ККД лише 3%. Іншими словами: зменшення потужності лазерного променя, що впливає на заготовку, на 1 кВт призводить до зменшення приблизно 35 кВА потужності, що споживається з електромережі.
Вартість лазерного апарату становить близько 0,1 млн євро за кожен 1 кВт.потужність лазерного променяНаведемо лише один приклад: у випадку, коли використання гібридного процесу дозволяє використовувати лазерний апарат потужністю 2 кВт замість апарату з потужністю променя 4 кВт, це призводить до економії інвестицій у розмірі 0,2 млн євро. Однак слід пам’ятати, що для гібридного процесу знадобиться апарат MIG вартістю близько 20 000 євро.
Завдяки вищій швидкості зварювання можна зменшити як час виготовлення, так і витрати на зварювання.
6. Лазерна пайка гарячим дротом:
Іншою можливістю поєднання лазерного променя з присадним дротом є процес LaserHotwire [10]. У цій процедурі присадний дріт попередньо нагрівається тим самим джерелом живлення, яке можна використовувати дляПроцес лазерного гібридного зварюванняПрисадний дріт має струмове навантаження від 100 А до 220 А. Швидкість подачі дроту залежить від поперечного перерізу припою та швидкості паяння. Пайка, завдяки кількості присадного металу, пропонує формувальний матеріал, який можна обробляти легше, ніж аналогічні зварні шви. Завдяки паянню листових деталей ремонтні роботи можна виконувати легше, ніж у випадку зварних з'єднань. Однією з переваг паяння лазерним гарячим дротом є хороша корозійна стійкість зони паяння.
Як присадні метали використовуються дешеві сплави на основі міді, такі як SG-CuSi3, а аргон служить захисним газом.
Рис. 8: Схематичне зображенняЛазерна пайка гарячим дротом:
На наступному рисунку показано поперечний переріз матеріалу, паяного лазером гарячим дротом. Оцинкований матеріал паяється зі швидкістю 3 м/хв, а присадний дріт має струмове навантаження 205 А. Підведення тепла дуже низьке, тому в результаті процесу паяння спостерігається низька деформація.
7. Підсумок:
Лазерне гібридне зварювання — це абсолютно нова технологія, яка пропонує синергію для широких сфер застосування в металообробній промисловості, особливо там, де неможливо або фінансово недоцільно досягти допусків компонентів, необхідних для...лазерне зварюванняНабагато ширший спектр застосування та висока потужність комбінованого процесу призводять до підвищення конкурентоспроможності з точки зору зменшення інвестиційних витрат, скорочення часу виготовлення, зниження виробничих витрат та вищої продуктивності.
Процес LaserHybrid також пропонує новий підхід до зварювання алюмінію. Однак стабільний процес, який можна використовувати на практиці, став можливим лише відносно недавно завдяки вищим доступним вихідним потужностям твердотільних лазерів. Численні дослідження вивчали основи лазерно-дугового-гібридного зварювальних процесів. Під «гібридним зварювальним процесом» ми маємо на увазі комбінацію лазерно-променевого зварювання та дугового зварювання лише з однією єдиною зоною процесу (плазма та розплав). Фундаментальні дослідження показали, що можливий процес, в якому – шляхом поєднання двох процесів – можна досягти синергії та компенсувати недоліки кожного окремого процесу, що призводить до покращення можливостей зварювання, зварюваності та надійності зварювання для багатьох різних матеріалів та конструкцій. Зокрема, це було продемонстровано для алюмінієвих сплавів. Вибираючи сприятливі параметри процесу, можна вибірково впливати на властивості зварювання, такі як геометрія та структурна структура. Процес дугового зварювання збільшує місткість шляхом додавання присадного металу; він також визначає ширину зварного шва і таким чином зменшує необхідний обсяг підготовки заготовки. Крім того, взаємодія, що відбувається між процесами, призводить до суттєвого підвищення ефективності процесу. Цей комбінований процес також вимагає значно менших інвестиційних витрат, ніж процес лазерного зварювання.
Процес лазерного паяння гарячим дротом може бути використаний, зокрема, для матеріалів з цинковим покриттям, щоб отримати хорошу стійкість до корозії.
Час публікації: 18 квітня 2025 р.
