Як лазерная зварка, так і дугавая зварка даўно выкарыстоўваюцца ў прамысловай вытворчасці і дазваляюць шырокі спектр выкарыстання ў галіне тэхналогій злучэння матэрыялаў. Кожны з гэтых працэсаў мае свае спецыфічныя вобласці прымянення, якія апісваюцца фізічнымі працэсамі перадачы энергіі да дэталі і патокамі энергіі, якія можна атрымаць. Энергія перадаецца ад крыніцы лазернага прамяня да матэрыялу для апрацоўкі з дапамогай высокаэнергетычнага інфрачырвонага кагерэнтнага выпраменьвання з выкарыстаннем валаконна-аптычнага кабеля. Дуга перадае цяпло, неабходнае для зваркі, з дапамогай высокага электрычнага току, які паступае да дэталі праз слуп дугі. Лазернае выпраменьванне прыводзіць да ўтварэння вельмі вузкай зоны цеплавога ўздзеяння з вялікім суадносінамі глыбіні зваркі да шырыні шва (эфект глыбокага зварвання). Здольнасць працэсу лазернай зваркі перакрываць зазоры вельмі нізкая з-за малога дыяметра фокусу, але, з іншага боку, ён можа дасягаць вельмі высокіх хуткасцей зваркі. Працэс дугавой зваркі мае значна меншую шчыльнасць энергіі, але выклікае большую факальную пляму на паверхні дэталі і характарызуецца больш нізкай хуткасцю апрацоўкі. Аб'яднаўшы гэтыя два працэсы, можна дасягнуць карыснай сінергіі. У канчатковым выніку гэта дазваляе дасягнуць як якасных пераваг, так і пераваг у вытворча-тэхнічным абсталяванні, а таксама павышэння эфектыўнасці выдаткаў. Гэты працэс прапануе цікавыя і эканамічна прывабныя сферы прымянення як у аўтамабільнай прамысловасці, не ў апошнюю чаргу таму, што дапускаюцца больш высокія дапушчальныя адхіленні на зварныя канструкцыі, магчымыя больш высокія хуткасці злучэння і вельмі добрыя механічныя/тэхналагічныя параметры.
1. Уводзіны:
Спалучэнне лазернага святла і дугі ў аб'яднаным працэсе зваркі вядома яшчэ з 1970-х гадоў, але доўгі час пасля гэтага далейшых распрацовак не праводзілася. Нядаўна даследчыкі зноў звярнулі ўвагу на гэтую тэму і паспрабавалі аб'яднаць перавагі дугі з перавагамі лазера ў гібрыдным працэсе зваркі. Калі раней лазерныя крыніцы ўсё яшчэ павінны былі даказаць сваю прыдатнасць для прамысловага выкарыстання, то сёння яны з'яўляюцца стандартным тэхналагічным абсталяваннем на многіх вытворчых прадпрыемствах.
Спалучэнне лазернай зваркі з іншым працэсам зваркі называецца «гібрыдным працэсам зваркі». Гэта азначае, што лазерны прамень і дуга дзейнічаюць адначасова ў адной зоне зваркі, уплываючы адзін на аднаго і падтрымліваючы яго.
2. Лазер:
Для лазернай зваркі патрабуецца не толькі высокая магутнасць лазера, але і высакаякасны прамень, каб атрымаць жаданы «эфект глыбокага зварвання». Вышэйшая якасць прамяня можа быць выкарыстана для атрымання меншага дыяметра фокуса або большай фокуснай адлегласці.
Для распрацоўчых праектаў, якія рэалізуюцца ў цяперашні час, выкарыстоўваецца цвёрдацельны лазер з лямпавай накачкай і магутнасцю лазернага прамяня 4 кВт. Лазернае выпраменьванне перадаецца праз шкляное валакно таўшчынёй 600 мкм.
Лазерны прамень перадаецца праз шкляное валакно, пачатак і канец якога астуджаюцца вадой. Лазерны прамень праецыруецца на дэталь факусуючым модулем з фокуснай адлегласцю 200 мм.
3. Лазерны гібрыдны працэс:
Для зваркі металічных дэталяў лазерны прамень Nd:YAG факусуецца з інтэнсіўнасцю больш за 10⁶ Вт/см². Калі лазерны прамень трапляе на паверхню матэрыялу, ён награвае гэтае месца да тэмпературы выпарэння, і ў зварным метале ўтвараецца паравая поласць з-за выцякаючых пароў металу. Адметнай рысай зварнога шва з'яўляецца яго высокае суадносіны глыбіні да шырыні. Шчыльнасць патоку энергіі свабодна палаючай дугі крыху перавышае 10⁶ Вт/см². На малюнку 1 паказаны асноўны прынцып гібрыднай зваркі. Лазерны прамень
Паказаны тут спосаб падае цяпло да зварнога металу ў верхняй частцы шва ў дадатак да цяпла ад дугі. У адрозненне ад паслядоўнай канфігурацыі, дзе два асобныя працэсы зваркі дзейнічаюць паслядоўна, гібрыдную зварку можна разглядаць як камбінацыю абодвух працэсаў зваркі, якія дзейнічаюць адначасова ў адной і той жа зоне працэсу. У залежнасці ад таго, які дугавы або лазерны працэс выкарыстоўваецца, і ад параметраў працэсу, працэсы будуць уплываць адзін на аднаго ў рознай ступені і па-рознаму [1, 2].
Дзякуючы спалучэнню лазернага і дугавога працэсаў, павялічваецца як глыбіня пранікнення шва, так і хуткасць зваркі (у параўнанні з любым з гэтых працэсаў, якія выкарыстоўваюцца асобна). Металічныя пары, якія выходзяць з паравой поласці, зваротна ўздзейнічаюць на дугавую плазму. Паглынанне выпраменьвання лазера Nd:YAG у плазме апрацоўкі застаецца нязначным. У залежнасці ад выбранага суадносін дзвюх уваходных магутнасцей, характар усяго працэсу можа ў большай ці меншай ступені вызначацца альбо лазерам, альбо дугой [3,4].
Мал. 1: Схематычнае адлюстраванне: лазерна-гібрыдная зварка
Паглынанне лазернага выпраменьвання істотна залежыць ад тэмпературы паверхні апрацоўванай дэталі. Перш чым пачаць працэс лазернай зваркі, неабходна пераадолець пачатковую адлюстравальную здольнасць, асабліва на алюмініевых паверхнях. Гэтага можна дасягнуць, пачаўшы зварку з дапамогай спецыяльнай праграмы запуску. Пасля дасягнення тэмпературы выпарэння ўтвараецца паравая поласць, у выніку чаго амаль уся энергія выпраменьвання можа быць пададзена ў апрацоўваную дэталь. Такім чынам, неабходная для гэтага энергія вызначаецца тэмпературна-залежным паглынаннем і колькасцю страт энергіі.
шляхам цеплаправоднасці ў астатнюю частку дэталі. Пры лазерна-гібрыднай зварцы выпарэнне адбываецца не толькі з паверхні дэталі, але і з прысадачнага дроту, што азначае, што даступна больш металічных пароў, што, у сваю чаргу, палягчае ўваход лазернага выпраменьвання. Гэта таксама прадухіляе перапыненне працэсу [5, 6, 7, 8, 9].
4. Аўтамабільнае прымяненне:
Дзякуючы выкарыстанню тэхналогіі прасторавай рамы магчыма зніжэнне вагі на 43% у параўнанні са сталёвым кузавам аўтамабіля.
Мал. 2: Канцэпт Audi Space frame A2
Рама Audi A2 Space складаецца з 30-метровай лазернай (жоўтыя палоскі на малюнку 2) даўжыні і 20-метровай зварной ніткі MIG. Акрамя таго, выкарыстоўваецца 1700 заклёпак.
Мал. 3: Параўнанне профіляў і метадаў злучэння на Audi-A2
На малюнку 4 паказана зварачнае злучэнне літога матэрыялу ALMg3 з ліставым матэрыялам AlMgSi, атрыманае метадам LaserHybrid. У якасці прысадачнага дроту выкарыстоўваецца AlSi5, а ў якасці ахоўнага газу — аргон. З павелічэннем магутнасці лазера магчыма больш глыбокае пранікненне. Спалучэнне лазернага прамяня з дугой такім чынам дазваляе дасягнуць большай зварачнай ванны, чым пры выкарыстанні асобнага працэсу зваркі лазерным прамянём. Гэта дазваляе зварваць кампаненты з больш шырокімі зазорамі.
Мал. 4: Злучэнне ўнахлест з зазорам 0,5 мм
У аўтамабільнай прамысловасці існуе мноства спосабаў прымянення зваркі ўнахлест без падрыхтоўкі злучэння. На дадзены момант самым сучасным працэсам для гэтай зваркі з'яўляецца лазерная зварка халодным прысадным дротам, што адбываецца з-за гарачага расколу сплаву AA 6xxx. Пры зварцы злучэння прысадным дротам вялікая частка лазернай энергіі губляецца для плаўлення гэтага прысаднага дроту.
На наступным малюнку паказаны адрозненні паміж лазернай гібрыднай зваркай і лазернай зваркай на перакрыцці з хуткасцю зваркі 2,4 м/мін. У выпадку лазернай зваркі няма магчымасці запоўніць зварны шов, і ўтвараецца падрэз. Акрамя таго, адбываецца вельмі невялікае пранікненне ў асноўны матэрыял. Шырыня зварнога шва вельмі малая, таму чакаецца нізкая трываласць на расцяжэнне. У выпадку лазернай гібрыднай зваркі,
Дадатковы матэрыял транспартуецца ў зварачную ванну. Падрэз запаўняецца дротам ад працэсу MIG, і цяпер частка лазернай энергіі эканоміцца. Гэтая зэканомленая лазерная энергія можа быць выкарыстана для павелічэння пранікнення ў асноўны матэрыял, а шырыня зварнога шва большая за таўшчыню матэрыялу, што патрабуецца з дапамогай лікавага мадэлявання.
Мал. 5 Параўнанне паміж LaserHybrid і лазернай зваркай без прысадачнага дроту
З дапамогай зваркі LaserHybrid можна зварваць матэрыялы з алюмінію, сталі і нержавеючай сталі таўшчынёй да 4 мм. Калі таўшчыня занадта вялікая, поўнае праварванне немагчыма. Для злучэння ацынкаваных матэрыялаў таксама пераважней выкарыстоўваць працэс лазернай пайкі.
Далейшымі сферамі прымянення ў аўтамабільнай прамысловасці з'яўляюцца сілавыя агрэгаты, восі і кузавы аўтамабіляў, дзе можа быць прыдатным працэс лазернай гібрыднай зваркі.
Зварачная галоўка:
Зварачная галоўка павінна мець малыя геаметрычныя памеры, каб забяспечыць добры доступ да кампанентаў, якія падлягаюць зварцы, асабліва ў галіне кузаўнога вырабу аўтамабіляў. Акрамя таго, яна павінна быць распрацавана такім чынам, каб дазваляць як адпаведнае ад'ёмнае злучэнне з галоўкай робата, так і рэгуляванне такіх зменных працэсу, як фокусная адлегласць і адлегласці ад гарэлкі ва ўсіх дэкартавых каардынатах. На малюнку 5 паказана зварачная галоўка падчас працэсу зваркі. Распырскванне, якое адбываецца падчас працэсу зваркі, прыводзіць да павелічэння забруджвання ахоўнага шкла. Кварцавае шкло пакрыта з абодвух бакоў антыблікавым матэрыялам і прызначана для абароны лазернай аптычнай сістэмы ад пашкоджанняў.
У залежнасці ад ступені забруджвання, пырскі, якія назапашваюцца на шкле, могуць прывесці да зніжэння магутнасці лазера, якая фактычна ўздзейнічае на апрацоўваную дэталь, на 90%. Больш моцнае забруджванне звычайна прыводзіць да разбурэння ахоўнага шкла, бо вялікая частка прамянёвай энергіі паглынаецца самім шклом, выклікаючы тэрмічныя напружанні ў шкле. З такой зварачнай галоўкай і зварачным абсталяваннем можна выкарыстоўваць яе для лазернай гібрыднай зваркі, лазернай зваркі, зваркі MSG іЛазерная пайка гарачым дротам.
Мал. 6: Зварачная галоўка і працэс
5. Перавагі лазернай гібрыднай зваркі:
Наступныя перавагі вынікаюць з аб'яднання дугі і лазернага прамяня: Перавагі лазерна-гібрыднай зваркі ў параўнанні з лазернай зваркай:
• больш высокая стабільнасць працэсу
• больш высокая пераходнасць
• глыбейшае пранікненне
• меншыя выдаткі на капітальныя ўкладанні
• большая пластычнасць
Перавагі лазерна-гібрыднай зваркі перад MIG-зваркай:
• больш высокія хуткасці зваркі
• больш глыбокае пранікненне пры больш высокіх хуткасцях зваркі
• меншая цеплавая нагрузка
• больш высокая трываласць на разрыў
• вузейшыя зварныя швы
Мал. 7: Перавагі спалучэння двух працэсаў
Працэс дугавой зваркі характарызуецца нізкай коштам крыніцы энергіі, добрай здольнасцю перамыкацца і магчымасцю ўздзеяння на структуру шляхам дадання прысадных металаў. З іншага боку, адметнымі рысамі лазернага прамяня з'яўляюцца вялікая глыбіня зваркі, высокая хуткасць зваркі, нізкая цеплавая нагрузка і вузкія зварныя швы, якія ён дасягае. Вышэй за пэўную шчыльнасць прамяня лазерны прамень стварае «эфект глыбокага зварвання» ў металічных матэрыялах, што дазваляе зварваць кампаненты з большай таўшчынёй сценак - пры ўмове, што магутнасць лазера дастаткова высокая. Такім чынам, лазерна-гібрыдная зварка забяспечвае больш высокую хуткасць зваркі, стабілізацыю працэсу дзякуючы ўзаемадзеянню паміж дугой і лазерным прамянём, павышаную цеплавую эфектыўнасць і большыя дапушчальныя адхіленні на дэталь. Паколькі зварачная ванна меншая, чым у працэсе MIG, цеплавая ўводка меншая, і, такім чынам, меншая зона цеплавога ўздзеяння. Гэта азначае менш зварных швоў.
дэфармацыя, што памяншае аб'ём наступных работ па выпростванні пасля зваркі, якія неабходна выканаць.
Калі ёсць дзве асобныя зварачныя ванны, наступная цеплавая ўводка ад дугі азначае, што лазерны прамень — звараная зона, асабліва ў выпадку сталі, — падвяргаецца паслязварной адпускной апрацоўцы, што больш раўнамерна размяркоўвае значэнні цвёрдасці па шве. На малюнку 6 падсумаваны перавагі камбінаванага (г.зн. гібрыднага) працэсу.
Звяртаючыся цяпер да эканамічных пераваг гібрыднай зваркі ў параўнанні з лазернай, можна зрабіць наступныя сцвярджэнні: зварны шов часткова складаецца з лазернага шва і часткова з MIG-зваркі. Гібрыдны працэс дазваляе знізіць магутнасць лазернага прамяня, што азначае значнае зніжэнне спажывання энергіі лазернай крыніцы, паколькі лазерная апаратура мае ККД усяго 3%. Іншымі словамі: зніжэнне магутнасці лазернага прамяня, які ўздзейнічае на апрацоўваную дэталь, на 1 кВт прыводзіць да зніжэння спажыванай з электрычнай сеткі магутнасці прыблізна на 35 кВА.
Кошт лазернага апарата складае каля 0,1 млн еўра за кожны 1 кВт магутнасці.магутнасць лазернага прамяняВозьмем толькі адзін прыклад: у выпадку, калі выкарыстанне гібрыднага працэсу дазваляе выкарыстоўваць лазерны апарат магутнасцю 2 кВт замест апарата з магутнасцю прамяня 4 кВт, гэта прыводзіць да эканоміі 0,2 млн еўра інвестыцыйных выдаткаў. Аднак трэба памятаць, што для гібрыднага працэсу спатрэбіцца апарат MIG коштам каля 20 000 еўра.
Дзякуючы больш высокай хуткасці зваркі можна скараціць як час вырабу, так і выдаткі на зварку.
6. Лазерная пайка гарачым дротам:
Іншай магчымасцю спалучэння лазернага прамяня з прысадным дротам з'яўляецца працэс LaserHotwire [10]. У гэтай працэдуры прысадны дрот папярэдне награваецца той жа крыніцай харчавання, якая можа быць выкарыстана дляПрацэс лазернай гібрыднай зваркіПрысадачны дрот мае токовую нагрузку ад 100 А да 220 А. Хуткасць падачы дроту залежыць ад папярочнага сячэння прыпоя і хуткасці паяння. Дзякуючы колькасці прысадачнага металу, пайка забяспечвае фармавальны матэрыял, які лягчэй апрацоўваецца, чым падобныя зварныя швы. Дзякуючы паянню ліставых дэталяў рамонтныя работы можна выконваць прасцей, чым у выпадку зварных злучэнняў. Адной з пераваг паяння лазерным гарачым дротам з'яўляецца добрая каразійная ўстойлівасць зоны паяння.
У якасці прысадных металаў выкарыстоўваюцца танныя сплавы на аснове медзі, такія як SG-CuSi3, а аргон служыць ахоўным газам.
Мал. 8: Схематычнае адлюстраваннеЛазерная пайка гарачым дротам:
На наступным малюнку паказаны папярочны разрэз матэрыялу, прыпаянага лазерам гарачым дротам. Ацынкаваны матэрыял прыпайваецца са хуткасцю 3 м/мін, а прысадачны дрот мае токовую нагрузку 205 А. Падатак цяпла вельмі нізкі, таму вынікам працэсу прыпою з'яўляецца нізкая дэфармацыя.
7. Рэзюмэ:
Лазерная гібрыдная зварка — гэта цалкам новая тэхналогія, якая прапануе сінергію для шырокага прымянення ў металаапрацоўчай прамысловасці, асабліва там, дзе немагчыма або фінансава немэтазгодна дасягнуць дапушчальных адхіленняў кампанентаў, неабходных длялазерная зваркаЗначна шырэйшы дыяпазон прымянення і высокая магутнасць камбінаванага працэсу прыводзяць да павышэння канкурэнтаздольнасці з пункту гледжання зніжэння інвестыцыйных выдаткаў, скарачэння часу вырабу, зніжэння вытворчых выдаткаў і павышэння прадукцыйнасці.
Працэс LaserHybrid таксама прапануе новы падыход да зваркі алюмінію. Аднак стабільны працэс, які можна выкарыстоўваць на практыцы, стаў магчымым толькі адносна нядаўна дзякуючы больш высокай даступнай выходнай магутнасці цвёрдацельных лазераў. Шматлікія даследаванні вывучалі асновы лазерна-дугавой-гібрыднай зваркі. Пад «гібрыдным працэсам зваркі» мы маем на ўвазе камбінацыю лазерна-прамянёвай зваркі і дугавой зваркі толькі з адной адзінай зонай працэсу (плазма і расплав). Базавыя даследаванні паказалі, што магчымы працэс, у якім, аб'ядноўваючы два працэсы, можна дасягнуць сінергіі і кампенсаваць недахопы кожнага асобнага працэсу, што прывядзе да паляпшэння магчымасцей зваркі, зварвальнасці і надзейнасці зваркі для многіх розных матэрыялаў і канструкцый. У прыватнасці, гэта было прадэманстравана для алюмініевых сплаваў. Выбіраючы спрыяльныя параметры працэсу, можна выбарачна ўплываць на ўласцівасці зваркі, такія як геаметрыя і структурная структура. Працэс дугавой зваркі павялічвае перамыкальнасць за кошт дадання прысадачнага металу; ён таксама вызначае шырыню зварнога шва і, такім чынам, памяншае аб'ём неабходнай падрыхтоўкі дэталі. Больш за тое, узаемадзеянне паміж працэсамі прыводзіць да істотнага павышэння эфектыўнасці працэсу. Гэты камбінаваны працэс таксама патрабуе значна меншых інвестыцыйных выдаткаў, чым працэс лазернай зваркі.
Працэс лазернай пайкі гарачым дротам можа выкарыстоўвацца, у прыватнасці, для матэрыялаў з цынкавым пакрыццём, каб атрымаць добрую каразійную ўстойлівасць.
Час публікацыі: 18 красавіка 2025 г.
