I lasersko i elektrolučno zavarivanje se dugo koriste u industrijskoj proizvodnji i omogućavaju širok spektar upotrebe u oblasti tehnologije spajanja materijala. Svaki od ovih procesa ima svoja specifična područja primjene, opisana fizičkim procesima prenosa energije do radnog komada i tokovima energije koji se mogu dobiti. Energija se prenosi od izvora laserskog snopa do materijala za obradu pomoću visokoenergetskog infracrvenog koherentnog zračenja, koristeći optički kabel. Luk prenosi toplinu potrebnu za zavarivanje pomoću visoke električne struje koja teče do radnog komada preko stupa luka. Lasersko zračenje dovodi do vrlo uske zone utjecaja topline s velikim omjerom dubine zavarivanja i širine šava (efekat dubokog zavarivanja). Sposobnost premošćivanja zazora laserskim postupkom zavarivanja je vrlo niska zbog malog promjera fokusa, ali s druge strane može postići vrlo velike brzine zavarivanja. Postupak elektrolučnog zavarivanja ima mnogo nižu gustoću energije, ali uzrokuje veću žarišnu točku na površini radnog komada i karakterizira ga sporija brzina obrade. Spajanjem oba ova procesa mogu se postići korisne sinergije. U konačnici, ovo omogućava postizanje i prednosti u kvaliteti i prednosti u proizvodnom inženjerstvu, kao i poboljšanu isplativost. Ovaj proces nudi zanimljive i ekonomski atraktivne primjene, kako u automobilskoj industriji, tako i zato što su dozvoljene veće tolerancije na zavarenim spojevima, moguće su veće stope spajanja i mogu se postići vrlo dobri mehanički/tehnološki parametri.
1. Uvod:
Kombinacija laserske svjetlosti i luka u objedinjeni proces zavarivanja poznata je još od 1970-ih, ali dugo nakon toga nije bilo daljnjeg razvoja. Nedavno su istraživači ponovo usmjerili pažnju 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 pogodnost za industrijsku upotrebu, danas su standardna tehnološka oprema u mnogim proizvodnim preduzećima.
Kombinacija laserskog zavarivanja s drugim postupkom zavarivanja naziva se "hibridni postupak zavarivanja". To znači da laserski snop 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 visokokvalitetni snop kako bi se postigao željeni "efekat dubokog zavara". Rezultirajući viši kvalitet snopa može se iskoristiti ili za dobijanje manjeg prečnika fokusa ili veće fokusne udaljenosti.
Za razvojne projekte koji su trenutno u toku, koristi se laser u čvrstom stanju pumpan lampom sa snagom laserskog snopa od 4 kW. Laserska svjetlost se prenosi putem staklenog vlakna od 600 µm.
Laserska svjetlost se prenosi putem staklenog vlakna, čiji su početak i kraj hlađeni vodom. Laserski snop se projektuje na radni komad pomoću modula za fokusiranje sa žarišnom udaljenošću od 200 mm.
3. Hibridni laserski proces:
Za zavarivanje metalnih radnih komada, Nd:YAG laserski snop se fokusira na intenzitetima iznad 10⁶ W/cm². Kada laserski snop udari u površinu materijala, on zagrijava tu tačku do temperature isparavanja, a u zavaru se formira parna šupljina zbog izlazeće metalne pare. Karakteristična karakteristika zavara je njegov visok odnos dubine i širine. Gustoća protoka energije slobodno gorućeg luka je nešto iznad 10⁴ W/cm². Slika 1 ilustruje osnovni princip hibridnog zavarivanja. Laserski snop
Ovdje prikazano dovodi toplinu do zavara u gornjem dijelu šava, pored topline iz luka. Za razliku od sekvencijalne konfiguracije gdje dva odvojena procesa zavarivanja djeluju uzastopno, hibridno zavarivanje se može posmatrati kao kombinacija oba procesa zavarivanja koji djeluju istovremeno u jednoj te istoj procesnoj zoni. Ovisno o tome koji se proces zavarivanja lukom ili laserom koristi i o parametrima procesa, procesi će uticati jedan na drugi u različitoj mjeri i na različite načine [1, 2].
Zahvaljujući kombinaciji laserskog procesa i elektrolučnog procesa, dolazi do povećanja i dubine prodiranja zavara i brzine zavarivanja (u poređenju sa bilo kojim od procesa koji se koriste zasebno). Metalna para koja izlazi iz parne šupljine povratno djeluje na plazmu luka. Apsorpcija Nd:YAG laserskog zračenja u procesnoj plazmi ostaje zanemariva. U zavisnosti od toga koji se odnos dva ulaza snage odabere, karakter ukupnog procesa može biti određen u većoj ili manjoj mjeri ili laserom ili lukom [3,4].
Sl. 1: Shematski prikaz: LaserHybrid zavarivanje
Apsorpcija laserskog zračenja je značajno pod utjecajem temperature površine radnog komada. Prije nego što proces laserskog zavarivanja može započeti, početna refleksija se mora savladati, posebno na aluminijskim površinama. To se može postići pokretanjem zavarivanja posebnim programom. Nakon što se dostigne temperatura isparavanja, formira se parna šupljina, što rezultira time da se gotovo sva energija zračenja može unijeti u radni komad. Energija potrebna za to je stoga određena apsorpcijom koja ovisi 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 poređenju sa čeličnom karoserijom automobila.
Sl. 2: Koncept Audi Space frame A2
Ram Audija A2 Space sastoji se od 30 m laserskog zavara (žute trake na slici 2) i 20 m MIG zavara. Pored toga, korišteno je i 1700 zakovica.
Sl. 3: Poređenje 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 laserskog snopa s lukom na ovaj način postiže se veći zavarivački bazen nego kod samostalnog postupka zavarivanja laserskim snopom. To omogućava 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 najsavremeniji postupak za ovaj posao zavarivanja lasersko zavarivanje hladnom žicom za dodavanje, zbog vrućeg pucanja legure AA 6xxx. Kada se spoj zavari žicom za dodavanje, veliki dio laserske energije će se izgubiti kako bi se ta žica za dodavanje topila.
Sljedeća slika predstavlja razlike između LaserHybrid i laserskog zavarivanja na preklopljenom spoju s brzinom zavarivanja od 2,4 m/min. U slučaju laserskog zavarivanja, ne postoji mogućnost 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 zatezna čvrstoća. U slučaju LaserHybrid zavarivanja,
Dodatni materijal se transportuje u zavarivačku kupku. Podrez se ispunjava žicom iz MIG procesa, 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 na osnovu numeričke simulacije.
Sl. 5 Poređenje 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 oblasti karoserije automobila. Štaviše, treba biti dizajnirana tako da omogući i odgovarajuću odvojivu vezu sa glavom robota i mogućnost podešavanja procesnih varijabli kao što su žarišna udaljenost i udaljenosti od gorionika u svim kartezijanskim koordinatama. Slika 5 prikazuje glavu za zavarivanje dok je proces u toku. Prskanje koje se javlja tokom procesa zavarivanja dovodi do povećanog zaprljanja zaštitnog stakla. Kvarcno staklo je s obje strane presvučeno antirefleksnim materijalom i namijenjeno je zaštiti laserskog optičkog sistema od oštećenja.
U zavisnosti od stepena zaprljanosti, prskanje koje se nakuplja na staklu može uzrokovati smanjenje laserske snage koja stvarno utiče na radni komad i do 90%. Veće zaprljanost uglavnom dovodi do uništavanja zaštitnog stakla, jer veliki dio energije zračenja apsorbuje samo staklo, uzrokujući termička naprezanja u staklu. Sa tom glavom za zavarivanje i opremom za zavarivanje, moguće ju je koristiti za LaserHybrid zavarivanje, lasersko zavarivanje, MSG zavarivanje i...Lasersko lemljenje vrućom žicom.
Sl. 6: Glava za zavarivanje i proces
5. Prednosti hibridnog laserskog zavarivanja:
Sljedeće prednosti proizlaze iz spajanja luka i laserskog snopa: 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 toplotni unos
• veća zatezna čvrstoća
• uži zavareni šavovi
Sl. 7: Prednosti kombinovanja dva procesa
Proces elektrolučnog zavarivanja karakterizira jeftin izvor energije, dobra sposobnost premošćivanja i mogućnost utjecaja na strukturu dodavanjem dodatnih metala. S druge strane, karakteristike laserskog postupka su velika dubina zavarivanja, visoka brzina zavarivanja, nisko termičko opterećenje i uski zavareni šavovi koje postiže. Iznad određene gustoće snopa, laserski snop proizvodi "efekat dubokog zavara" u metalnim materijalima, što omogućava zavarivanje komponenti s većim debljinama stijenki - pod uvjetom da je snaga lasera dovoljno visoka. Hibridni laserski zavarivanje stoga omogućava veće brzine zavarivanja, stabilizaciju procesa zbog interakcije između luka i laserskog snopa, povećanu termičku efikasnost i veće tolerancije obratka. Budući da je zavarivačka kupka manja nego kod MIG postupka, postoji manji toplinski unos i time manja zona utjecaja topline. To znači manje zavara.
distorzija, što smanjuje količinu naknadnih radova na ispravljanju nakon zavarivanja koje je potrebno obaviti.
Tamo gdje postoje dva odvojena zavarivačka bazena, naknadni termički unos iz luka znači da se laserski snop – zavareno područje – posebno u slučaju čelika – podvrgava tretmanu popuštanja nakon zavarivanja, čime se vrijednosti tvrdoće ravnomjernije raspoređuju po šavu. Slika 6 sumira prednosti kombinovanog (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, a dijelom od MIG zavara. Hibridni proces omogućava smanjenje snage laserskog snopa, što znači da se potrošnja energije laserskog izvora može znatno smanjiti, jer laserski uređaj ima efikasnost od samo 3%. Drugim riječima: Smanjenje snage laserskog snopa koji utiče na radni komad za 1 kW dovodi do smanjenja snage potrošene iz električne mreže za približno 35 kVA.
Uređaj sa laserskim snopom košta oko 0,1 milion eura za svaki 1 kW snage.snaga laserskog snopaNavedimo samo jedan primjer, u slučaju kada korištenje hibridnog procesa omogućava korištenje laserskog uređaja od 2 kW umjesto onog sa snagom snopa od 4 kW, to rezultira uštedom od 0,2 miliona eura u investicijskim izdacima. Međutim, ovdje treba imati na umu da će za hibridni proces biti potreban MIG uređaj koji košta oko 20.000 eura.
Zahvaljujući većoj brzini zavarivanja, mogu se smanjiti i vrijeme izrade i troškovi zavarivanja.
6. Lemljenje laserom vrućom žicom:
Druga mogućnost kombinovanja laserskog snopa sa žicom za punjenje je postupak LaserHotwire [10]. U ovom postupku, žica za punjenje se prethodno zagrijava istim izvorom napajanja, koji se može koristiti zaProces hibridnog laserskog zavarivanjaDodatna žica ima strujno opterećenje od 100 A do 220 A. Brzina dodavanja žice zavisi od poprečnog presjeka lemilice i brzine lemljenja. Lemljenje, zahvaljujući količini dodatnog metala, nudi materijal za oblikovanje koji se može lakše obraditi nego uporedivi zavari. Lemljenjem limenih dijelova, popravke se mogu obaviti lakše nego što bi to bio slučaj sa zavarenim spojevima. 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 poprečni presjek materijala lemljenog laserom vrućom žicom. Materijal obložen cinkom se lemi 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 za...lasersko zavarivanjeMnogo širi raspon primjene i visoka sposobnost kombinovanog procesa dovode do povećane konkurentnosti u smislu smanjenih investicionih izdataka, kraćeg vremena proizvodnje, 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, sa samo jednom procesnom zonom (plazma i talina). Osnovna istraživanja pokazala su da je moguć proces u kojem se - kombinovanjem dva procesa - mogu postići sinergije i kompenzovati nedostaci svakog zasebnog procesa, što rezultira poboljšanim mogućnostima zavarivanja, zavarljivošću i pouzdanošću zavarivanja za mnoge različite materijale i konstrukcije. Ovo je posebno dokazano za aluminijumske legure. Odabirom povoljnih parametara procesa moguće je selektivno uticati 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 količinu potrebne pripreme obratka. Štaviše, interakcije koje se odvijaju između procesa dovode do značajnog povećanja efikasnosti procesa. Ovaj kombinovani proces takođe zahteva znatno manje investicione troškove nego proces 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. april 2025.
