Mind a lézersugaras hegesztést, mind az ívhegesztést régóta alkalmazzák az ipari termelésben, és széleskörű felhasználási lehetőségeket kínálnak az anyagkötés-technológia területén. Ezen eljárások mindegyikének megvannak a maga sajátos alkalmazási területei, amelyeket az energia munkadarabhoz történő szállításának fizikai folyamatai és a kinyerhető energiaáramlások írnak le. Az energiát a lézersugár forrásától a megmunkálandó anyagig nagy energiájú infravörös koherens sugárzással, optikai kábel segítségével továbbítják. Az ív a hegesztéshez szükséges hőt egy ívoszlopon keresztül a munkadarabhoz áramló nagy elektromos áram segítségével továbbítja. A lézersugárzás egy nagyon keskeny hőhatásövezethez vezet, ahol a hegesztési mélység és a varrat szélességének aránya nagy (mélyhegesztési hatás). A lézerhegesztési eljárás résáthidaló képessége nagyon alacsony a kis fókuszátmérő miatt, viszont nagyon nagy hegesztési sebességet érhet el. Az ívhegesztési eljárás sokkal alacsonyabb energiasűrűségű, de nagyobb fókuszfoltot hoz létre a munkadarab felületén, és lassabb feldolgozási sebesség jellemzi. A két eljárás összevonásával hasznos szinergiák érhetők el. Végső soron ez lehetővé teszi mind a minőségi előnyök, mind a gyártástechnológiai előnyök elérését, valamint a költséghatékonyság javítását. Ez az eljárás érdekes és gazdaságilag vonzó alkalmazási lehetőségeket kínál mind az autóiparban, nem utolsósorban azért, mert nagyobb tűréshatárok megengedettek a hegesztett szerkezeteken, nagyobb illesztési arányok lehetségesek, és nagyon jó mechanikai/technológiai paraméterek érhetők el.
1. Bevezetés:
Az 1970-es évek óta ismert, hogyan lehet a lézerfényt és az ívet kombinált hegesztési eljárássá kombinálni, de ezt követően sokáig nem folyt további fejlesztés. Az utóbbi időben a kutatók ismét erre a témára fordították a figyelmet, és megkísérelték az ív és a lézer előnyeit egy hibrid hegesztési eljárásban egyesíteni. Míg a kezdeti időkben a lézerforrásoknak még bizonyítaniuk kellett ipari felhasználásra való alkalmasságukat, ma már számos gyártóüzemben standard technológiai berendezésnek számítanak.
A lézerhegesztés és egy másik hegesztési eljárás kombinációját „hibrid hegesztési eljárásnak” nevezik. Ez azt jelenti, hogy a lézersugár és az ív egyidejűleg hat egy hegesztési zónában, és kölcsönösen befolyásolják és támogatják egymást.
2. Lézer:
A lézerhegesztés nemcsak nagy lézerteljesítményt, hanem kiváló minőségű nyalábot is igényel a kívánt „mélyhegesztési hatás” eléréséhez. Az így kapott jobb nyalábminőség kihasználható kisebb fókuszátmérő vagy nagyobb fókusztávolság elérésére.
A jelenleg folyamatban lévő fejlesztési projektekhez egy 4 kW lézersugár-teljesítményű, lámpával pumpált szilárdtest lézert használnak. A lézerfényt egy 600 µm-es üvegszálon keresztül vezetik át.
A lézerfényt egy üvegszálon keresztül vezetik, amelynek eleje és vége vízhűtéses. A lézersugarat egy 200 mm-es fókusztávolságú fókuszáló modul vetíti a munkadarabra.
3. Lézeres hibrid eljárás:
Fém munkadarabok hegesztéséhez az Nd:YAG lézersugarat 106 W/cm2 feletti intenzitással fókuszálják. Amikor a lézersugár az anyag felületére ér, ezt a pontot párolgási hőmérsékletre melegíti, és a kiáramló fémgőz miatt gőzüreg alakul ki a hegesztési varratban. A hegesztési varrat megkülönböztető jellemzője a magas mélység-szélesség arány. A szabadon égő ív energiaáramlási sűrűsége valamivel 104 W/cm2 felett van. Az 1. ábra a hibrid hegesztés alapelvét szemlélteti. A lézersugár
Az itt ábrázolt eljárás a varrat felső részén hőt juttat a hegesztési varrathoz, az ív hője mellett. A szekvenciális konfigurációval ellentétben, ahol két különálló hegesztési folyamat egymást követően működik, a hibrid hegesztés tekinthető mindkét hegesztési folyamat kombinációjának, amelyek egyszerre hatnak ugyanabban a folyamatzónában. Attól függően, hogy melyik ív- vagy lézeres eljárást alkalmazzák, valamint a folyamatparaméterektől függően a folyamatok eltérő mértékben és módon befolyásolják egymást [1, 2].
A lézeres és az ívhegesztési eljárás kombinációjának köszönhetően mind a hegesztési penetrációs mélység, mind a hegesztési sebesség megnő (a két eljárás önálló alkalmazásához képest). A gőzüregből kiáramló fémgőz visszahat az ívplazmára. Az Nd:YAG lézersugárzás elnyelődése a feldolgozó plazmában elhanyagolható marad. A két teljesítménybemenet arányától függően a teljes folyamat jellegét kisebb-nagyobb mértékben a lézer vagy az ív határozhatja meg [3,4].
1. ábra: Sematikus ábrázolás: LaserHybrid hegesztés
A lézersugárzás elnyelését jelentősen befolyásolja a munkadarab felületének hőmérséklete. Mielőtt a lézerhegesztési folyamat megkezdődhetne, először le kell küzdeni a kezdeti visszaverődést, különösen alumínium felületeken. Ez egy speciális indítóprogrammal történő hegesztéssel érhető el. A párolgási hőmérséklet elérése után kialakul a gőzüreg, aminek eredményeként szinte az összes sugárzási energia bejuthat a munkadarabba. Az ehhez szükséges energiát tehát a hőmérsékletfüggő elnyelődés és az energiaveszteség mennyisége határozza meg.
a munkadarab többi részébe vezetéssel. A LaserHybrid hegesztés során a párologtatás nemcsak a munkadarab felületéről, hanem a hozaganyaghuzalról is történik, ami azt jelenti, hogy több fémgőz áll rendelkezésre, ami viszont megkönnyíti a lézersugárzás bevitelét. Ez megakadályozza a folyamat kiesését is [5, 6, 7, 8, 9].
4. Autóipari alkalmazás:
A térvázas technológia alkalmazásával 43%-os súlycsökkentés érhető el az acél karosszériához képest.
2. ábra: Audi Space frame A2 koncepcióautó
Az Audi A2 Space vázszerkezete 30 méteres lézerből (sárga csíkok a 2. ábrán) és 20 méteres MIG hegesztési szálból áll. Ezenkívül 1700 szegecset is használnak.
3. ábra: Az Audi-A2 profiljainak és illesztési technikáinak összehasonlítása
A 4. ábra egy ALMg3 öntött anyag és egy AlMgSi lemez LaserHybrid hegesztett kötését mutatja. A hozaganyag AlSi5, a védőgáz pedig argon. A lézerteljesítmény növelésével mélyebb behatolás lehetséges. A lézersugár és az ív ilyen módon történő kombinálása nagyobb hegesztési ömledéket eredményez, mint a lézersugaras hegesztési eljárás önmagában. Ez lehetővé teszi szélesebb résű alkatrészek hegesztését.
4. ábra: Átfedéses illesztés 0,5 mm-es résszel
Az autóiparban számos alkalmazási területe van az átfedő hegesztésnek kötés-előkészítés nélkül. Jelenleg a legmodernebb eljárás erre a hegesztési feladatra a hideg hozaganyaggal végzett lézeres hegesztési eljárás, az AA 6xxx ötvözet meleg repedése miatt. Amikor a kötést hozaganyaggal hegesztik, a lézerenergia nagy része elvész a hozaganyag megolvasztása miatt.
A következő ábra a LaserHybrid és a lézerhegesztés közötti különbségeket szemlélteti egy átfedő varraton, 2,4 m/perc hegesztési sebességgel. Lézerhegesztés esetén nincs lehetőség a hegesztési varrat feltöltésére, és alámetszés keletkezik. Ezenkívül csak nagyon kis behatolás történik az alapanyagba. A hegesztési varrat szélessége nagyon kicsi, ezért alacsony szakítószilárdság várható. LaserHybrid hegesztés esetén,
További anyagot szállítanak a hegfürdőbe. Az alámetszést a MIG-eljárásból származó huzal tölti fel, így a lézerenergia egy része megtakarítható. Ez a megtakarított lézerenergia felhasználható az alapanyagba való behatolás növelésére, és a hegesztési varrat szélessége nagyobb, mint az anyagvastagság, ami a numerikus szimulációhoz szükséges.
5. ábra: Összehasonlítás a LaserHybrid és a hozaganyag nélküli lézerhegesztés között
A LaserHybrid hegesztési eljárással alumínium, acél és rozsdamentes acél anyagok hegesztése lehetséges akár 4 mm anyagvastagságig. Túl nagy vastagság esetén a teljes beolvadás nem lehetséges. Cinkbevonatú anyagok összeillesztéséhez szintén előnyösebb a lézeres forrasztási eljárás alkalmazása.
További alkalmazási területek az autóiparban a hajtásláncok, tengelyek és karosszériák, ahol a lézeres hibrid hegesztési eljárás alkalmas lehet.
Hegesztőfej:
A hegesztőfejnek kis geometriai méretekkel kell rendelkeznie, hogy biztosítsa a hegesztendő alkatrészekhez való jó hozzáférést, különösen az autóipari karosszériagyártás területén. Ezenkívül úgy kell kialakítani, hogy lehetővé tegye mind a robotfejhez való megfelelő, levehető csatlakozást, mind az olyan folyamatváltozók állíthatóságát, mint a fókusztávolság és a pisztoly távolságai minden derékszögű koordinátában. Az 5. ábra a hegesztőfejet mutatja működés közben. A hegesztési folyamat során keletkező fröccsenés a védőüveg fokozott szennyeződéséhez vezet. A kvarcüveg mindkét oldalán tükröződésmentes anyaggal van bevonva, és célja, hogy megvédje a lézeroptikai rendszert a sérülésektől.
A szennyeződés mértékétől függően az üvegen felhalmozódó fröccsenés akár 90%-kal is csökkentheti a munkadarabra ható lézerteljesítményt. Az erősebb szennyeződés általában a védőüveg tönkremeneteléhez vezet, mivel a sugárzó energia nagy részét maga az üveg nyeli el, ami hőfeszültséget okoz az üvegben. Ezzel a hegesztőfejjel és hegesztőberendezéssel használható LaserHybrid hegesztéshez, lézerhegesztéshez, MSG hegesztéshez és...Lézeres forróhuzalos forrasztás.
6. ábra: Hegesztőfej és folyamat
5. A lézeres hibrid hegesztés előnyei:
Az ív és a lézersugár összevonásából a következő előnyök származnak: A LaserHybrid hegesztés előnyei a lézerhegesztéssel szemben:
• nagyobb folyamatstabilitás
• nagyobb áthidalhatóság
• mélyebb behatolás
• alacsonyabb tőkebefektetési költségek
• nagyobb képlékenység
A LaserHybrid hegesztés előnyei a MIG hegesztéssel szemben:
• nagyobb hegesztési sebesség
• mélyebb behatolás nagyobb hegesztési sebességeknél
• alacsonyabb hőteljesítmény
• nagyobb szakítószilárdság
• keskenyebb hegesztési varratok
7. ábra: A két folyamat kombinálásának előnyei
Az ívhegesztési eljárást alacsony energiaköltség, jó áthidalóképesség és a szerkezet hozaganyagokkal történő befolyásolásának lehetősége jellemzi. A lézersugaras eljárás megkülönböztető jellemzői ezzel szemben a nagy hegesztési mélység, a magas hegesztési sebesség, az alacsony hőterhelés és a keskeny hegesztési varratok. Egy bizonyos sugársűrűség felett a lézersugár „mélyhegesztési hatást” hoz létre fémes anyagokban, ami lehetővé teszi nagyobb falvastagságú alkatrészek hegesztését – feltéve, hogy a lézerteljesítmény kellően nagy. A lézeres hibrid hegesztés így nagyobb hegesztési sebességet, az ív és a lézersugár kölcsönhatása miatti folyamatstabilizációt, fokozott hőhatékonyságot és nagyobb munkadarab-tűréseket eredményez. Mivel a hegfürdő kisebb, mint a MIG eljárásnál, kisebb a hőbevitel, és így kisebb a hőhatásövezet. Ez kevesebb hegesztési varratot jelent.
torzulás, ami csökkenti a hegesztés utáni egyengetési munkák mennyiségét.
Ahol két különálló hegfürdő van, az ívből származó későbbi hőbevitel azt jelenti, hogy a lézersugár – a hegesztett terület – – hegesztés utáni megeresztési kezelést kap, amely egyenletesebben osztja el a keménységi értékeket a varraton. A 6. ábra a kombinált (azaz hibrid) eljárás előnyeit foglalja össze.
A hibrid hegesztés lézerhegesztéssel szembeni gazdasági előnyeire vonatkozóan a következő megállapítások tehetők: A hegesztési varrat részben lézerhegesztéssel, részben MIG-hegesztéssel készül. A hibrid eljárás lehetővé teszi a lézersugár teljesítményének csökkentését, ami azt jelenti, hogy a lézerforrás energiafogyasztása jelentősen csökkenthető, mivel a lézersugár-berendezés hatásfoka mindössze 3%. Más szóval: A munkadarabra érkező lézersugár teljesítményének 1 kW-os csökkenése a hálózatból felvett teljesítmény kb. 35 kVA-os csökkenését eredményezi.
Egy lézersugárral működő berendezés ára kW-onként körülbelül 0,1 millió euró.lézersugár teljesítményeEgyetlen példát említve: abban az esetben, ha a hibrid eljárás alkalmazása lehetővé teszi egy 2 kW-os lézersugár-berendezés használatát egy 4 kW-os helyett, az 0,2 millió eurós beruházási költségmegtakarítást eredményez. Azonban itt nem szabad elfelejteni, hogy a hibrid eljáráshoz egy körülbelül 20 000 eurós MIG-gépre lesz szükség.
A nagyobb hegesztési sebességnek köszönhetően mind a gyártási idő, mind a hegesztési költségek csökkenthetők.
6. Lézeres hőhuzalos forrasztás:
A lézersugár és a töltőhuzal kombinálásának egy másik lehetősége a LaserHotwire eljárás [10]. Ebben az eljárásban a töltőhuzalt ugyanazzal az áramforrással előmelegítik, amely a következőhöz használható:Lézeres hibrid hegesztési eljárásA hozaganyag-huzal áramterhelése 100 A és 220 A között van. A huzalelőtolási sebesség a forrasztógyöngy keresztmetszetétől és a forrasztási sebességtől függ. A forrasztás a hozaganyag mennyiségén keresztül olyan formázóanyagot kínál, amely könnyebben megmunkálható, mint a hasonló hegesztési varratok. A lemezalkatrészek forrasztásával a javítási munkák könnyebben elvégezhetők, mint a hegesztett kötések esetében. A LaserHotwire forrasztás egyik előnye a forrasztott zóna jó korrózióállósága.
Hozzanyagként olcsó rézalapú ötvözeteket, például SG-CuSi3-at használnak, és az argon védőgázként szolgál.
8. ábra: Vázlatos ábrázolásLézeres forróhuzalos forrasztás:
A következő ábra egy lézeres forródrótos forrasztott anyag keresztmetszetét mutatja. A cinkbevonatú anyagot 3 m/perc sebességgel forrasztják, a hozaganyag-terhelése pedig 205 A. A hőbevitel nagyon alacsony, ezért a forrasztási folyamat alacsony torzulást eredményez.
7. Összefoglalás:
A lézeres hibrid hegesztés egy teljesen új technológia, amely szinergiákat kínál a fémmegmunkáló ipar széles alkalmazási területein, különösen ott, ahol nem lehetséges vagy anyagilag nem megvalósítható a szükséges alkatrész-tűrések elérése.lézersugaras hegesztésA kombinált eljárás sokkal szélesebb körű alkalmazási köre és nagyfokú képessége fokozott versenyképességhez vezet a csökkentett beruházási kiadások, a rövidebb gyártási idők, az alacsonyabb gyártási költségek és a magasabb termelékenység tekintetében.
A LaserHybrid eljárás új megközelítést kínál az alumínium hegesztésében is. A gyakorlatban alkalmazható stabil eljárás azonban csak viszonylag nemrég vált lehetővé a szilárdtest lézerek nagyobb elérhető kimeneti teljesítményének köszönhetően. Számos tanulmány vizsgálta a lézeres ív-hibrid hegesztési eljárások alapjait. A „hibrid hegesztési eljárás” alatt a lézersugaras hegesztés és az ívhegesztési eljárás kombinációját értjük, egyetlen eljárási zónával (plazma és olvadék). Alapkutatások kimutatták, hogy lehetséges egy olyan eljárás, amelyben – a két eljárás kombinálásával – szinergiák érhetők el, és az egyes különálló eljárások hátrányai kompenzálhatók, ami számos különböző anyag és konstrukció esetében javítja a hegesztési lehetőségeket, a hegeszthetőséget és a hegesztési megbízhatóságot. Ez különösen az alumíniumötvözetek esetében bizonyított. A kedvező eljárásparaméterek megválasztásával szelektíven befolyásolhatók a hegesztési tulajdonságok, például a geometria és a szerkezeti felépítés. Az ívhegesztési eljárás a hozaganyag hozzáadásával növeli az áthidalhatóságot; meghatározza a hegesztési varrat szélességét is, és így csökkenti a szükséges munkadarab-előkészítés mennyiségét. Ezenkívül a folyamatok között zajló kölcsönhatások a folyamat hatékonyságának jelentős növekedéséhez vezetnek. Ez a kombinált eljárás lényegesen kisebb beruházási költségeket igényel, mint a lézeres hegesztési eljárás.
A lézeres forróhuzalos forrasztási eljárás különösen cinkbevonatú anyagokhoz alkalmazható a jó korrózióállóság elérése érdekében.
Közzététel ideje: 2025. április 18.
