I lasersko i elektrolučno zavarivanje dugo se koriste u industrijskoj proizvodnji i omogućuju širok spektar primjene u području tehnologije spajanja materijala. Svaki od ovih procesa ima svoja specifična područja primjene, kako je opisano fizičkim procesima prijenosa energije do obratka i tokovima energije koji se mogu dobiti. Energija se prenosi od izvora laserske zrake do materijala za obradu pomoću visokoenergetskog infracrvenog koherentnog zračenja, korištenjem optičkog kabela. Luk prenosi toplinu potrebnu za zavarivanje pomoću visoke električne struje koja teče do obratka putem stupca luka. Lasersko zračenje dovodi do vrlo uske zone utjecaja topline s velikim omjerom dubine zavarivanja i širine šava (efekt dubokog zavarivanja). Sposobnost premošćivanja razmaka laserskog zavarivanja je vrlo niska zbog malog promjera fokusa, ali s druge strane može postići vrlo velike brzine zavarivanja. Proces elektrolučnog zavarivanja ima mnogo nižu gustoću energije, ali uzrokuje veću žarišnu točku na površini obratka i karakterizira ga sporija brzina obrade. Spajanjem oba ova procesa mogu se postići korisne sinergije. U konačnici, to omogućuje postizanje i prednosti u kvaliteti i prednosti u proizvodnom inženjerstvu, kao i poboljšanu troškovnu učinkovitost. Ovaj proces nudi zanimljive i ekonomski atraktivne primjene, kako u automobilskoj industriji, tako i zato što su dopuštene veće tolerancije na zavarenim spojevima, moguće su veće stope spajanja i mogu se postići vrlo dobri mehanički/tehnološki parametri.
1. Uvod:
Kombiniranje laserske svjetlosti i luka u objedinjeni proces zavarivanja poznato je još od 1970-ih, ali dugo nakon toga nije bilo daljnjeg razvojnog rada. Nedavno su istraživači ponovno usmjerili pozornost na ovu temu i pokušali ujediniti prednosti luka s prednostima lasera u hibridnom procesu zavarivanja. Dok su u ranim danima laserski izvori još uvijek morali dokazati svoju prikladnost za industrijsku upotrebu, danas su standardna tehnološka oprema u mnogim proizvodnim poduzećima.
Kombinacija laserskog zavarivanja s drugim postupkom zavarivanja naziva se "hibridni postupak zavarivanja". To znači da laserska zraka i luk djeluju istovremeno u jednoj zoni zavarivanja te se međusobno utječu i podržavaju.
2. Laser:
Lasersko zavarivanje zahtijeva ne samo veliku lasersku snagu već i visokokvalitetnu zraku kako bi se postigao željeni "efekt dubokog zavara". Rezultirajuća viša kvaliteta zrake može se iskoristiti za postizanje manjeg promjera žarišta ili veće žarišne udaljenosti.
Za razvojne projekte koji su trenutno u tijeku koristi se laser u čvrstom stanju s lampom i snagom laserskog snopa od 4 kW. Laserska svjetlost prenosi se putem staklenog vlakna od 600 µm.
Laserska svjetlost se prenosi putem staklenog vlakna, čiji je početak i kraj hlađen vodom. Laserska zraka se projicira na radni komad pomoću modula za fokusiranje sa žarišnom udaljenošću od 200 mm.
3. Hibridni laserski proces:
Za zavarivanje metalnih radnih komada, Nd:YAG laserska zraka fokusira se intenzitetom iznad 10⁶ W/cm². Kada laserska zraka udari u površinu materijala, zagrijava to mjesto do temperature isparavanja, a u zavaru se stvara parna šupljina zbog izlazeće metalne pare. Karakteristična značajka zavara je njegov visoki omjer dubine i širine. Gustoća protoka energije slobodno gorućeg luka je nešto iznad 10⁴ W/cm². Slika 1 ilustrira osnovni princip hibridnog zavarivanja. Laserska zraka
Ovdje prikazano dovodi toplinu zavaru u gornjem dijelu šava, uz toplinu iz luka. Za razliku od sekvencijalne konfiguracije gdje dva odvojena procesa zavarivanja djeluju uzastopno, hibridno zavarivanje može se promatrati kao kombinacija oba procesa zavarivanja koji djeluju istovremeno u jednoj te istoj procesnoj zoni. Ovisno o tome koji se proces elektrolučnog ili laserskog zavarivanja koristi i o parametrima procesa, procesi će međusobno utjecati u različitoj mjeri i na različite načine [1, 2].
Zahvaljujući kombinaciji laserskog i lučnog procesa, dolazi i do povećanja dubine prodiranja zavara i brzine zavarivanja (u usporedbi s bilo kojim od procesa koji se koriste zasebno). Metalna para koja izlazi iz parne šupljine djeluje povratno na plazmu luka. Apsorpcija Nd:YAG laserskog zračenja u procesnoj plazmi ostaje zanemariva. Ovisno o odabranom omjeru dvaju ulaznih snaga, karakter ukupnog procesa može se u većoj ili manjoj mjeri odrediti laserom ili lukom [3,4].
Sl. 1: Shematski prikaz: LaserHybrid zavarivanje
Apsorpcija laserskog zračenja znatno je pod utjecajem temperature površine obratka. Prije nego što proces laserskog zavarivanja može započeti, prvo se mora prevladati početna refleksija, posebno na aluminijskim površinama. To se može postići pokretanjem zavarivanja posebnim programom. Nakon što se postigne temperatura isparavanja, formira se parna šupljina, što rezultira time da se gotovo sva energija zračenja može unijeti u obratak. Energija potrebna za to stoga je određena apsorpcijom ovisnom o temperaturi i količinom izgubljene energije.
provođenjem u ostatak obratka. Kod LaserHybrid zavarivanja, isparavanje se odvija ne samo s površine obratka već i iz dodatne žice, što znači da je dostupno više metalne pare, što zauzvrat olakšava unos laserskog zračenja. To također sprječava prekid procesa [5, 6, 7, 8, 9].
4. Primjena u automobilskoj industriji:
Korištenjem tehnologije prostornog okvira moguće je smanjenje težine od 43% u usporedbi s čeličnom karoserijom automobila.
Sl. 2: Koncept Audi Space frame A2
Okvir Audija A2 Space sastoji se od 30 m laserskih (žute trake na slici 2) i 20 m MIG zavara. Osim toga, korišteno je i 1700 zakovica.
Sl. 3: Usporedba profila i tehnika spajanja na Audiju-A2
Slika 4 prikazuje LaserHybrid zavareni spoj lijevanog materijala ALMg3 s AlMgSi pločastim materijalom. Dodatna žica je AlSi5, a zaštitni plin je Argon. S povećanjem snage lasera moguće je dublje prodiranje. Kombiniranjem laserske zrake s lukom na ovaj način postiže se veća zavarivačka kupka nego kod samostalnog postupka zavarivanja laserskom zrakom. To omogućuje zavarivanje komponenti sa širim razmacima.
Sl. 4: Preklopljeni spoj s razmakom od 0,5 mm
U automobilskoj industriji postoje mnoge primjene preklopnog zavarivanja bez pripreme spoja. Trenutno je najsuvremeniji postupak za ovaj posao zavarivanja lasersko zavarivanje hladnom žicom za dodavanje, zbog vrućeg pucanja legure AA 6xxx. Kada se spoj zavari žicom za dodavanje, puno laserske energije će se izgubiti kako bi se taljenje te žice za dodavanje rastopilo.
Sljedeća slika prikazuje razlike između LaserHybrid i laserskog zavarivanja na preklopljenom spoju s brzinom zavarivanja od 2,4 m/min. U slučaju laserskog zavarivanja, nema mogućnosti popunjavanja zavarenog spoja, te se stvara podrez. Također, postoji samo vrlo malo prodiranje u osnovni materijal. Širina zavarenog spoja je vrlo mala, te se stoga očekuje niska vlačna čvrstoća. U slučaju LaserHybrid zavarivanja,
Dodatni materijal se prenosi u zavarivačku kupku. Podrez se ispunjava žicom iz MIG postupka, a dio laserske energije se sada štedi. Ova ušteđena laserska energija može se koristiti za povećanje prodiranja u osnovni materijal, a širina zavara je veća od debljine materijala, što je potrebno prema numeričkoj simulaciji.
Sl. 5 Usporedba između LaserHybrid i laserskog zavarivanja bez dodatne žice
Postupkom zavarivanja LaserHybrid moguće je zavarivati materijale od aluminija, čelika i nehrđajućeg čelika debljine do 4 mm. Ako je debljina prevelika, potpuno prodiranje nije moguće. Za spajanje materijala obloženih cinkom također je poželjno koristiti postupak laserskog lemljenja.
Daljnje primjene u automobilskoj industriji su pogonski sklopovi, osovine i karoserije automobila, gdje postupak laserskog hibridnog zavarivanja može biti prikladan.
Glava za zavarivanje:
Glava za zavarivanje treba imati male geometrijske dimenzije kako bi se osigurala dobra dostupnost komponentama koje se zavaruju, posebno u području karoserije automobila. Štoviše, treba biti dizajnirana tako da omogućuje i prikladnu odvojivu vezu s glavom robota i mogućnost podešavanja procesnih varijabli poput žarišne udaljenosti i udaljenosti odmaknutih dijelova plamenika u svim kartezijanskim koordinatama. Slika 5 prikazuje glavu za zavarivanje tijekom procesa zavarivanja. Prskanje koje nastaje tijekom procesa zavarivanja dovodi do povećanog onečišćenja zaštitnog stakla. Kvarcno staklo je s obje strane presvučeno antirefleksnim materijalom i namijenjeno je zaštiti laserskog optičkog sustava od oštećenja.
Ovisno o stupnju onečišćenja, prskanje koje se nakuplja na staklu može uzrokovati smanjenje laserske snage koja stvarno utječe na obradak i do 90%. Veće onečišćenje općenito dovodi do uništavanja zaštitnog stakla, jer veliki dio energije zračenja apsorbira samo staklo, uzrokujući toplinska naprezanja u staklu. S tom glavom za zavarivanje i opremom za zavarivanje moguće ju je koristiti za LaserHybrid zavarivanje, lasersko zavarivanje, MSG zavarivanje iLasersko lemljenje vrućom žicom.
Sl. 6: Glava za zavarivanje i postupak
5. Prednosti hibridnog laserskog zavarivanja:
Sljedeće prednosti proizlaze iz spajanja luka i laserske zrake: Prednosti LaserHybrid zavarivanja u odnosu na lasersko zavarivanje:
• veća stabilnost procesa
• veća premostivost
• dublja penetracija
• niži troškovi kapitalnih ulaganja
• veća duktilnost
Prednosti LaserHybrid zavarivanja u odnosu na MIG zavarivanje:
• veće brzine zavarivanja
• dublje prodiranje pri većim brzinama zavarivanja
• niži toplinski unos
• veća vlačna čvrstoća
• uži zavareni šavovi
Sl. 7: Prednosti kombiniranja dvaju procesa
Postupak elektrolučnog zavarivanja karakterizira jeftin izvor energije, dobra sposobnost premošćivanja i mogućnost utjecaja na strukturu dodavanjem dodatnih metala. S druge strane, karakteristike postupka laserskog snopa su velika dubina zavarivanja, visoka brzina zavarivanja, nisko toplinsko opterećenje i uski zavareni šavovi koje postiže. Iznad određene gustoće snopa, laserski snop stvara "efekt dubokog zavara" u metalnim materijalima što omogućuje zavarivanje komponenti s većim debljinama stijenki - pod uvjetom da je snaga lasera dovoljno visoka. Hibridni laserski zavarivač stoga omogućuje veće brzine zavarivanja, stabilizaciju procesa zbog interakcije između luka i laserskog snopa, povećanu toplinsku učinkovitost i veće tolerancije obratka. Budući da je zavarivačka kupka manja nego u MIG postupku, manji je toplinski unos i time manja zona utjecaja topline. To znači manje zavara.
izobličenje, što smanjuje količinu naknadnih radova na ravnanju nakon zavarivanja koje je potrebno obaviti.
Tamo gdje postoje dvije odvojene zavarivačke bazene, naknadni toplinski unos iz luka znači da se laserska zraka - zavareno područje - posebno u slučaju čelika - podvrgava naknadnom popuštanju nakon zavarivanja, čime se vrijednosti tvrdoće ravnomjernije raspoređuju po šavu. Slika 6 sažima prednosti kombiniranog (tj. hibridnog) procesa.
Što se tiče ekonomskih prednosti hibridnog zavarivanja u odnosu na lasersko, mogu se iznijeti sljedeće tvrdnje: Zavar se dijelom sastoji od laserskog zavara, a dijelom od MIG zavara. Hibridni proces omogućuje smanjenje snage laserske zrake, što znači da se potrošnja energije laserskog izvora može znatno smanjiti, budući da laserski uređaj ima učinkovitost od samo 3%. Drugim riječima: Smanjenje snage laserske zrake koja utječe na obradak za 1 kW dovodi do smanjenja snage potrošene iz električne mreže za približno 35 kVA.
Uređaj s laserskim snopom košta oko 0,1 milijuna eura za svaki 1 kWsnaga laserskog snopaNavedimo samo jedan primjer, u slučaju kada korištenje hibridnog procesa omogućuje korištenje laserskog uređaja od 2 kW umjesto onog od 4 kW, to rezultira uštedom od 0,2 milijuna eura u investicijskim izdacima. Međutim, ovdje treba imati na umu da će za hibridni proces biti potreban MIG uređaj vrijedan oko 20.000 eura.
Zahvaljujući većoj brzini zavarivanja, mogu se smanjiti i vrijeme izrade i troškovi zavarivanja.
6. Lemljenje laserom vrućom žicom:
Druga mogućnost kombiniranja laserske zrake s žicom za punjenje je postupak LaserHotwire [10]. U ovom postupku žica za punjenje se prethodno zagrijava istim izvorom napajanja, koji se može koristiti zaHibridni laserski proces zavarivanjaDodatna žica ima strujno opterećenje od 100 A do 220 A. Brzina dodavanja žice ovisi o presjeku lema i brzini lemljenja. Lemljenje, zahvaljujući količini dodatnog metala, nudi materijal za oblikovanje koji se može lakše obraditi od usporedivih zavarenih spojeva. Lemljenjem limenih dijelova, popravci se mogu izvesti lakše nego što bi to bio slučaj kod zavarenih spojeva. Jedna od prednosti lemljenja LaserHotwire je dobra otpornost na koroziju zone lemljenja.
Kao dodatni metali koriste se jeftine legure na bazi bakra poput SG-CuSi3, a argon služi kao zaštitni plin.
Sl. 8: Shematski prikazLasersko lemljenje vrućom žicom:
Sljedeća slika prikazuje presjek materijala lemljenog laserom vrućom žicom. Materijal obložen cinkom lemi se brzinom od 3 m/min, a dodatna žica ima strujno opterećenje od 205 A. Unos topline je vrlo nizak, stoga je rezultat procesa lemljenja mala distorzija.
7. Sažetak:
Hibridno lasersko zavarivanje je potpuno nova tehnologija koja nudi sinergije za široka područja primjene u metaloprerađivačkoj industriji, posebno tamo gdje nije moguće ili financijski isplativo postići tolerancije komponenti koje su potrebne zazavarivanje laserskim snopomMnogo širi raspon primjene i visoka sposobnost kombiniranog procesa dovode do povećane konkurentnosti u smislu smanjenih investicijskih izdataka, kraćeg vremena izrade, nižih proizvodnih troškova i veće produktivnosti.
LaserHybrid proces također nudi novi pristup zavarivanju aluminija. Međutim, stabilan proces koji se može koristiti u praksi postao je moguć tek relativno nedavno, zahvaljujući većim dostupnim izlaznim snagama lasera u čvrstom stanju. Brojne studije ispitale su osnove lasersko-lučno-hibridnih procesa zavarivanja. Pod "hibridnim procesom zavarivanja" podrazumijevamo kombinaciju laserskog zavarivanja i elektrolučnog procesa zavarivanja, s jednom jedinom procesnom zonom (plazma i talina). Osnovna istraživanja pokazala su da je moguć proces u kojem se - kombiniranjem dva procesa - mogu postići sinergije i kompenzirati nedostaci svakog zasebnog procesa, što rezultira poboljšanim mogućnostima zavarivanja, zavarljivošću i pouzdanošću zavarivanja za mnoge različite materijale i konstrukcije. To je posebno dokazano za aluminijske legure. Odabirom povoljnih parametara procesa moguće je selektivno utjecati na svojstva zavara kao što su geometrija i strukturna konstitucija. Proces elektrolučnog zavarivanja povećava premostivost dodavanjem dodatnog metala; također određuje širinu zavara i time smanjuje potrebnu količinu pripreme obratka. Štoviše, interakcije koje se odvijaju između procesa dovode do značajnog povećanja učinkovitosti procesa. Ovaj kombinirani postupak također zahtijeva znatno manje investicijske troškove nego postupak laserskog zavarivanja.
Postupak laserskog lemljenja vrućom žicom može se koristiti posebno za materijale obložene cinkom kako bi se postigla dobra otpornost na koroziju.
Vrijeme objave: 18. travnja 2025.
