Gan lāzerstaru metināšana, gan loka metināšana jau sen tiek izmantota rūpnieciskajā ražošanā un nodrošina plašu pielietojumu spektru materiālu savienošanas tehnoloģiju jomā. Katram no šiem procesiem ir savas specifiskās pielietojuma jomas, ko raksturo enerģijas pārneses fizikālie procesi uz sagatavi un iegūstamās enerģijas plūsmas. Enerģija tiek pārnesta no lāzerstara avota uz apstrādājamo materiālu, izmantojot augstas enerģijas infrasarkano koherento starojumu, izmantojot optisko šķiedru kabeli. Loks pārnes metināšanai nepieciešamo siltumu, izmantojot lielu elektrisko strāvu, kas plūst uz sagatavi caur loka kolonnu. Lāzera starojums rada ļoti šauru termiski ietekmēto zonu ar lielu metināšanas dziļuma un šuves platuma attiecību (dziļmetinājuma efekts). Lāzera metināšanas procesa spraugu pārklāšanas spēja ir ļoti zema tā mazā fokusa diametra dēļ, bet, no otras puses, tas var sasniegt ļoti lielu metināšanas ātrumu. Loka metināšanas procesam ir daudz zemāks enerģijas blīvums, bet tas rada lielāku fokusa punktu uz sagataves virsmas un tam raksturīgs lēnāks apstrādes ātrums. Apvienojot abus šos procesus, var panākt noderīgu sinerģiju. Galu galā tas ļauj sasniegt gan kvalitātes priekšrocības, gan ražošanas inženierijas ieguvumus, kā arī uzlabotu izmaksu efektivitāti. Šis process piedāvā interesantus un ekonomiski pievilcīgus pielietojumus gan autobūves nozarē, jo metinātajām šuvēm ir pieļaujamas lielākas pielaides, gan ir iespējams lielāks savienojumu skaits, gan var sasniegt ļoti labus mehāniskos/tehnoloģiskos parametrus.
1. Ievads:
Kopš 20. gs. 70. gadiem ir zināms, kā apvienot lāzera gaismu un loku apvienotā metināšanas procesā, taču ilgu laiku pēc tam netika veikti nekādi turpmāki izstrādes darbi. Nesen pētnieki atkal ir pievērsuši uzmanību šai tēmai un mēģinājuši apvienot loka priekšrocības ar lāzera priekšrocībām hibrīda metināšanas procesā. Ja agrāk lāzera avotiem vēl bija jāpierāda sava piemērotība rūpnieciskai lietošanai, mūsdienās tie ir standarta tehnoloģiskais aprīkojums daudzos ražošanas uzņēmumos.
Lāzera metināšanas apvienojumu ar citu metināšanas procesu sauc par "hibrīdmetināšanas procesu". Tas nozīmē, ka lāzera stars un loks darbojas vienlaicīgi vienā metināšanas zonā un ietekmē un atbalsta viens otru.
2. Lāzers:
Lāzermetināšanai ir nepieciešama ne tikai liela lāzera jauda, bet arī augstas kvalitātes stars, lai iegūtu vēlamo "dziļās metināšanas efektu". Iegūto augstāko stara kvalitāti var izmantot, lai iegūtu mazāku fokusa diametru vai lielāku fokusa attālumu.
Pašlaik notiekošajos attīstības projektos tiek izmantots ar lampu darbināms cietvielu lāzers ar lāzera stara jaudu 4 kW. Lāzera gaisma tiek pārraidīta pa 600 µm stikla šķiedru.
Lāzera gaisma tiek pārraidīta caur stikla šķiedru, kuras sākums un beigas ir atdzesētas ar ūdeni. Lāzera staru uz sagatavi projicē fokusēšanas modulis ar fokusa attālumu 200 mm.
3. Lāzera hibrīdprocess:
Metāla detaļu metināšanai Nd:YAG lāzera stars tiek fokusēts ar intensitāti virs 106 W/cm2. Kad lāzera stars skar materiāla virsmu, tas uzsilda šo vietu līdz iztvaikošanas temperatūrai, un metinājuma metālā izplūstošo metāla tvaiku dēļ veidojas tvaika dobums. Metinājuma šuves atšķirīgā iezīme ir tās augstā dziļuma un platuma attiecība. Brīvi degošā loka enerģijas plūsmas blīvums ir nedaudz virs 104 W/cm2. 1. attēlā ir parādīts hibrīdmetināšanas pamatprincips. Lāzera stars
Šeit attēlotais metināšanas process papildus loka radītajam siltumam pievada siltumu metinājuma metālam šuves augšdaļā. Atšķirībā no secīgas konfigurācijas, kurā divi atsevišķi metināšanas procesi darbojas viens pēc otra, hibrīdmetināšanu var uzskatīt par abu metināšanas procesu kombināciju, kas vienlaikus darbojas vienā un tajā pašā procesa zonā. Atkarībā no izmantotā loka vai lāzera procesa un procesa parametriem procesi ietekmēs viens otru dažādā mērā un dažādos veidos [1, 2].
Pateicoties lāzerprocesa un loka procesa kombinācijai, palielinās gan metināšanas iespiešanās dziļums, gan metināšanas ātrums (salīdzinājumā ar katru no procesiem atsevišķi). Metāla tvaiki, kas izplūst no tvaika dobuma, iedarbojas atpakaļ uz loka plazmu. Nd:YAG lāzera starojuma absorbcija apstrādes plazmā paliek niecīga. Atkarībā no izvēlētās divu jaudas ieeju attiecības, kopējā procesa raksturu var lielākā vai mazākā mērā noteikt vai nu lāzers, vai loks [3,4].
1. attēls: Shematisks attēlojums: LaserHybrid metināšana
Lāzera starojuma absorbciju būtiski ietekmē sagataves virsmas temperatūra. Pirms lāzera metināšanas procesa uzsākšanas vispirms ir jāpārvar sākotnējā atstarošanās, īpaši uz alumīnija virsmām. To var panākt, sākot metināšanu ar īpašu palaišanas programmu. Pēc iztvaikošanas temperatūras sasniegšanas izveidojas tvaika dobums, kā rezultātā gandrīz visa starojuma enerģija var tikt ievadīta sagatavē. Tādējādi nepieciešamo enerģiju nosaka no temperatūras atkarīgā absorbcija un zaudētās enerģijas daudzums.
ar vadītspēju pārējā sagatavē. LaserHybrid metināšanā iztvaikošana notiek ne tikai no sagataves virsmas, bet arī no pildstieples, kas nozīmē, ka ir pieejams vairāk metāla tvaiku, kas savukārt atvieglo lāzera starojuma ievadi. Tas arī novērš procesa pārtraukšanu [5, 6, 7, 8, 9].
4. Automobiļu pielietojums:
Izmantojot telpiskā rāmja tehnoloģiju, ir iespējams samazināt svaru par 43% salīdzinājumā ar tērauda automašīnas virsbūvi.
2. attēls: Audi Space frame A2 konceptauto
Audi A2 Space rāmis sastāv no 30 m lāzera (dzeltenās joslas 2. attēlā) un 20 m MIG metinājuma. Papildus tiek izmantotas arī 1700 kniedes.
3. attēls: Audi-A2 profilu un savienošanas metožu salīdzinājums
4. attēlā redzams LaserHybrid metināts ALMg3 lieta materiāla savienojums ar AlMgSi lokšņu materiālu. Piedevas stieple ir AlSi5, un izmantotā aizsarggāze ir argons. Palielinot lāzera jaudu, iespējama dziļāka iespiešanās. Šādā veidā apvienojot lāzera staru ar loku, tiek panākta lielāka metināšanas vanna nekā ar lāzera stara metināšanas procesu atsevišķi. Tas ļauj metināt detaļas ar platākām spraugām.
4. attēls: Pārklājuma savienojums ar 0,5 mm atstarpi
Automobiļu rūpniecībā ir daudz pārlaiduma metināšanas pielietojumu bez savienojuma sagatavošanas. Pašlaik vismodernākais process šim metināšanas darbam ir lāzera metināšana ar aukstu pildstiepli, pateicoties AA 6xxx sakausējuma karstajai plaisāšanai. Metinot savienojumu ar pildstiepli, liela daļa lāzera enerģijas tiks zaudēta, lai izkausētu šo pildstiepli.
Nākamajā attēlā redzamas atšķirības starp LaserHybrid un lāzermetināšanu pārklāšanās savienojumā ar metināšanas ātrumu 2,4 m/min. Lāzera metināšanas gadījumā nav iespējams aizpildīt metināšanas lodīti, un rodas apakšgriezums. Turklāt pamatmateriālā ir tikai ļoti maza iespiešanās. Metināšanas lodītes platums ir ļoti mazs, tāpēc sagaidāma zema stiepes izturība. LaserHybrid metināšanas gadījumā,
Papildu materiāls tiek transportēts metināšanas vannā. Iegriezuma vieta tiek aizpildīta ar MIG procesā iegūto stiepli, un daļa lāzera enerģijas tiek ietaupīta. Šo ietaupīto lāzera enerģiju var izmantot, lai palielinātu iespiešanos pamatmateriālā, un metināšanas lodītes platums ir lielāks par materiāla biezumu, kas nepieciešams skaitliskajā simulācijā.
5. attēls. LaserHybrid un lāzermetināšanas bez pildvielas stieples salīdzinājums
Ar LaserHybrid metināšanas procedūru ir iespējams metināt alumīnija, tērauda un nerūsējošā tērauda materiālus ar materiāla biezumu līdz 4 mm. Ja biezums ir pārāk liels, pilnīga iespiešanās nav iespējama. Cinka pārklājumu materiālu savienošanai vēlams izmantot arī lāzerlodēšanas procesu.
Papildu pielietojumi autobūves nozarē ir spēka piedziņas, asis un automašīnu virsbūves, kur var būt piemērots lāzera hibrīdmetināšanas process.
Metināšanas galva:
Metināšanas galviņai jābūt ar maziem ģeometriskiem izmēriem, lai nodrošinātu labu piekļuvi metināmajām detaļām, īpaši automašīnu virsbūvju jomā. Turklāt tai jābūt konstruētai tā, lai būtu iespējams gan piemērots noņemams savienojums ar robota galvu, gan regulēt tādus procesa mainīgos kā fokusa attālums un degļa attālumi visās Dekarta koordinātēs. 5. attēlā redzama metināšanas galviņa procesa laikā. Šļakatas, kas rodas metināšanas procesa laikā, palielina aizsargstikla netīrību. Kvarca stikls abās pusēs ir pārklāts ar pretatstarojošu materiālu, un tas ir paredzēts lāzera optiskās sistēmas aizsardzībai no bojājumiem.
Atkarībā no netīrības pakāpes uz stikla uzkrājušās šļakatas var samazināt lāzera jaudu, kas faktiski iedarbojas uz sagatavi, pat par 90 %. Lielāks netīrums parasti noved pie aizsargstikla bojāšanas, jo tik lielu daļu starojuma enerģijas absorbē pats stikls, radot tajā termiskos spriegumus. Ar šo metināšanas galviņu un metināšanas aprīkojumu to var izmantot LaserHybrid metināšanai, lāzera metināšanai, MSG metināšanai un...Lāzera karstās stieples lodēšana.
6. attēls: Metināšanas galva un process
5. Lāzera hibrīdmetināšanas priekšrocības:
Apvienojot loku un lāzera staru, rodas šādas priekšrocības: LaserHybrid metināšanas priekšrocības salīdzinājumā ar lāzera metināšanu:
• augstāka procesa stabilitāte
• augstāka pārnesamība
• dziļāka iekļūšana
• zemākas kapitālieguldījumu izmaksas
• lielāka elastība
LaserHybrid metināšanas priekšrocības salīdzinājumā ar MIG metināšanu:
• lielāks metināšanas ātrums
• dziļāka iespiešanās pie lielākiem metināšanas ātrumiem
• zemāka siltuma jauda
• augstāka stiepes izturība
• šaurākas metinājuma šuves
7. attēls: Abu procesu apvienošanas priekšrocības
Loka metināšanas procesu raksturo zemas enerģijas izmaksas, laba tilta spēja un iespēja ietekmēt struktūru, pievienojot pildmetālus. Savukārt lāzerstara procesa atšķirīgās iezīmes ir lielais metināšanas dziļums, augsts metināšanas ātrums, zema termiskā slodze un šaurās metināšanas šuves, ko tas sasniedz. Virs noteikta stara blīvuma lāzerstars rada "dziļās metināšanas efektu" metāliskos materiālos, kas ļauj metināt detaļas ar lielāku sienu biezumu – ar nosacījumu, ka lāzera jauda ir pietiekami augsta. Tādējādi lāzera hibrīdmetināšana nodrošina lielāku metināšanas ātrumu, procesa stabilizāciju, pateicoties loka un lāzera stara mijiedarbībai, palielinātu termisko efektivitāti un lielākas sagataves pielaides. Tā kā metināšanas vanna ir mazāka nekā MIG procesā, ir mazāka termiskā ievade un līdz ar to mazāka termiski ietekmētā zona. Tas nozīmē mazāk metināšanas.
deformācija, kas samazina turpmākā iztaisnošanas darba apjomu pēc metināšanas.
Ja ir divas atsevišķas metināšanas vannas, sekojošā loka termiskā padeve nozīmē, ka lāzera stars – metinātā zona – īpaši tērauda gadījumā – pēc metināšanas tiek pakļauta atlaidināšanas apstrādei, vienmērīgāk sadalot cietības vērtības pa šuvi. 6. attēlā ir apkopotas kombinētā (t.i., hibrīda) procesa priekšrocības.
Tagad pievēršoties hibrīdmetināšanas ekonomiskajām priekšrocībām salīdzinājumā ar lāzermetināšanu, var izteikt šādus apgalvojumus: Metinājuma šuve daļēji sastāv no lāzermetinājuma un daļēji no MIG metinājuma. Hibrīdprocess ļauj samazināt lāzera stara jaudu, kas nozīmē, ka lāzera avota enerģijas patēriņu var ievērojami samazināt, jo lāzera stara iekārtas efektivitāte ir tikai 3%. Citiem vārdiem sakot: Lāzera stara jaudas samazinājums par 1 kW, kas iedarbojas uz sagatavi, samazina no elektrotīkla patērēto jaudu par aptuveni 35 kVA.
Lāzera stara aparāts maksā aptuveni 0,1 miljonu eiro par katru 1 kW.lāzera stara jaudaMinēšu tikai vienu piemēru: gadījumā, kad hibrīdprocesa izmantošana ļauj izmantot 2 kW lāzerstara iekārtu 4 kW stara jaudas vietā, tas ļauj ietaupīt 0,2 miljonus eiro investīciju izmaksās. Tomēr jāatceras, ka hibrīdprocesam būs nepieciešama MIG iekārta, kuras izmaksas ir aptuveni 20 000 eiro.
Pateicoties lielākam metināšanas ātrumam, var samazināt gan izgatavošanas laiku, gan metināšanas izmaksas.
6. Lāzera karstās stieples lodēšana:
Vēl viena iespēja lāzera stara apvienošanai ar pildstiepli ir LaserHotwire process [10]. Šajā procedūrā pildstiepli iepriekš uzsilda ar to pašu barošanas avotu, ko var izmantotLāzera hibrīda metināšanas processPildstieplei ir strāvas slodze no 100 A līdz 220 A. Stieples padeves ātrums ir atkarīgs no lodēšanas lodītes šķērsgriezuma un lodēšanas ātruma. Lodēšana, pateicoties pildmetāla daudzumam, piedāvā formēšanas materiālu, ko var apstrādāt vieglāk nekā līdzīgas metināšanas šuves. Lodējot lokšņu detaļas, remonta darbus var veikt vienkāršāk nekā metināto savienojumu gadījumā. Viena no LaserHotwire lodēšanas priekšrocībām ir lodēšanas zonas labā izturība pret koroziju.
Kā pildmetāli tiek izmantoti lēti vara sakausējumi, piemēram, SG-CuSi3, un argons kalpo kā aizsarggāze.
8. attēls: shematisks attēlojumsLāzera karstās stieples lodēšana:
Nākamajā attēlā parādīts ar lāzeru lodēta karstās stieples lodējuma šķērsgriezums. Cinka pārklājuma materiāls tiek lodēts ar ātrumu 3 m/min, un pildstieplei ir strāvas slodze 205 A. Siltuma padeve ir ļoti zema, tāpēc lodēšanas procesa rezultātā rodas maza deformācija.
7. Kopsavilkums:
Lāzera hibrīdmetināšana ir pilnīgi jauna tehnoloģija, kas piedāvā sinerģiju plašām pielietojuma jomām metālapstrādes nozarēs, īpaši tur, kur nav iespējams vai finansiāli izdevīgi sasniegt nepieciešamās detaļu pielaides.lāzera staru metināšanaDaudz plašākais pielietojuma klāsts un kombinētā procesa augstās iespējas palielina konkurētspēju, samazinot investīciju izmaksas, īsāku izgatavošanas laiku, zemākas ražošanas izmaksas un augstāku produktivitāti.
LaserHybrid process piedāvā arī jaunu pieeju alumīnija metināšanai. Tomēr stabils process, ko var izmantot praksē, ir kļuvis iespējams tikai salīdzinoši nesen, pateicoties cietvielu lāzeru lielākajai pieejamajai izejas jaudai. Daudzos pētījumos ir pētīti lāzera loka hibrīdmetināšanas procesu pamati. Ar "hibrīdmetināšanas procesu" mēs domājam lāzerstaru metināšanas un loka metināšanas procesa kombināciju, kurā ir tikai viena procesa zona (plazma un kausējums). Fundamentālie pētījumi ir parādījuši, ka ir iespējams process, kurā, apvienojot abus procesus, var panākt sinerģiju un kompensēt katra atsevišķā procesa trūkumus, kā rezultātā uzlabojas metināšanas iespējas, metināmība un metināšanas uzticamība daudziem dažādiem materiāliem un konstrukcijām. Jo īpaši tas ir pierādīts alumīnija sakausējumiem. Izvēloties labvēlīgus procesa parametrus, ir iespējams selektīvi ietekmēt metināšanas īpašības, piemēram, ģeometriju un konstrukcijas uzbūvi. Loka metināšanas process palielina tiltojamību, pievienojot pildmetālu; tas nosaka arī metinājuma šuves platumu un tādējādi samazina nepieciešamo sagataves sagatavošanas apjomu. Turklāt mijiedarbība starp procesiem ievērojami palielina procesa efektivitāti. Šim kombinētajam procesam ir nepieciešamas arī ievērojami mazākas investīciju izmaksas nekā lāzermetināšanas procesam.
Lāzera karstās stieples lodēšanas procesu var īpaši izmantot cinka pārklājuma materiāliem, lai iegūtu labu izturību pret koroziju.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 18. aprīlis
