Zváranie laserovým lúčom aj oblúkové zváranie sa už dlho používajú v priemyselnej výrobe a umožňujú široké spektrum využitia v oblasti technológie spájania materiálov. Každý z týchto procesov má svoje špecifické oblasti použitia, ktoré sú opísané fyzikálnymi procesmi prenosu energie do obrobku a tokmi energie, ktoré je možné získať. Energia sa prenáša zo zdroja laserového lúča do materiálu na spracovanie pomocou vysokoenergetického infračerveného koherentného žiarenia pomocou optického kábla. Oblúk prenáša teplo potrebné na zváranie pomocou vysokého elektrického prúdu prúdiaceho do obrobku cez stĺpec oblúka. Laserové žiarenie vedie k veľmi úzkej tepelne ovplyvnenej zóne s veľkým pomerom hĺbky zvaru k šírke švu (efekt hlbokého zvaru). Schopnosť procesu laserového zvárania premosťovať medzery je veľmi nízka kvôli malému priemeru ohniska, na druhej strane však môže dosiahnuť veľmi vysoké rýchlosti zvárania. Proces oblúkového zvárania má oveľa nižšiu hustotu energie, ale spôsobuje väčší ohniskový bod na povrchu obrobku a vyznačuje sa pomalšou rýchlosťou spracovania. Spojením oboch týchto procesov je možné dosiahnuť užitočné synergie. V konečnom dôsledku to umožňuje dosiahnuť výhody v oblasti kvality aj výrobno-technických výhod, ako aj zlepšenú nákladovú efektívnosť. Tento proces ponúka zaujímavé a ekonomicky atraktívne aplikácie, a to ako v automobilovom priemysle, tak aj preto, že sú povolené vyššie tolerancie zvarov, sú možné vyššie rýchlosti spájania a možno dosiahnuť veľmi dobré mechanicko-technologické parametre.
1. Úvod:
Už od 70. rokov 20. storočia je známe, ako kombinovať laserové svetlo a oblúk do zlúčeného zváracieho procesu, ale dlho potom sa nevykonával žiadny ďalší vývoj. V poslednej dobe sa výskumníci opäť zamerali na túto tému a pokúsili sa spojiť výhody oblúka s výhodami laseru v hybridnom zváracom procese. Zatiaľ čo v raných dobách museli laserové zdroje ešte len preukázať svoju vhodnosť na priemyselné použitie, dnes sú štandardným technologickým zariadením v mnohých výrobných podnikoch.
Kombinácia laserového zvárania s iným zváracím procesom sa označuje ako „hybridný zvárací proces“. To znamená, že laserový lúč a oblúk pôsobia súčasne v jednej zváracej zóne a navzájom sa ovplyvňujú a podporujú.
2. Laser:
Laserové zváranie vyžaduje nielen vysoký laserový výkon, ale aj vysokokvalitný lúč, aby sa dosiahol požadovaný „efekt hlbokého zvaru“. Výsledná vyššia kvalita lúča sa dá využiť buď na dosiahnutie menšieho priemeru ohniska, alebo väčšej ohniskovej vzdialenosti.
Pre vývojové projekty, ktoré v súčasnosti prebiehajú, sa používa lampou čerpaný laser v pevnej fáze s výkonom laserového lúča 4 kW. Laserové svetlo sa prenáša cez sklenené vlákno s hrúbkou 600 µm.
Laserové svetlo sa prenáša cez sklenené vlákno, ktorého začiatok a koniec sú chladené vodou. Laserový lúč je premietaný na obrobok zaostrovacím modulom s ohniskovou vzdialenosťou 200 mm.
3. Laserový hybridný proces:
Na zváranie kovových obrobkov sa laserový lúč Nd:YAG zaostruje na intenzitu nad 10⁶ W/cm². Keď laserový lúč dosiahne povrch materiálu, zahreje toto miesto na teplotu odparovania a v zvarovom kove sa v dôsledku unikajúcej kovovej pary vytvorí dutina. Charakteristickým znakom zvarového švu je jeho vysoký pomer hĺbky k šírke. Hustota toku energie voľne horiaceho oblúka je mierne vyššia ako 10⁶ W/cm². Obrázok 1 znázorňuje základný princíp hybridného zvárania. Laserový lúč
Tu znázornený spôsob privádza teplo do zvarového kovu v hornej časti švu, okrem tepla z oblúka. Na rozdiel od sekvenčnej konfigurácie, kde dva samostatné zváracie procesy pôsobia postupne, hybridné zváranie možno považovať za kombináciu oboch zváracích procesov pôsobiacich súčasne v jednej a tej istej procesnej zóne. V závislosti od použitého oblúkového alebo laserového procesu a od procesných parametrov sa procesy budú navzájom ovplyvňovať v rôznej miere a rôznymi spôsobmi [1, 2].
Vďaka kombinácii laserového procesu a oblúkového procesu dochádza tiež k zvýšeniu hĺbky prieniku zvaru aj rýchlosti zvárania (v porovnaní s každým z týchto procesov použitým samostatne). Kovová para unikajúca z parnej dutiny spätne pôsobí na plazmu oblúka. Absorpcia žiarenia Nd:YAG laseru v procesnej plazme zostáva zanedbateľná. V závislosti od zvoleného pomeru dvoch vstupov výkonu môže byť charakter celkového procesu vo väčšej alebo menšej miere určený buď laserom, alebo oblúkom [3,4].
Obr. 1: Schematické znázornenie: Zváranie LaserHybrid
Absorpcia laserového žiarenia je podstatne ovplyvnená teplotou povrchu obrobku. Pred začatím procesu laserového zvárania je potrebné prekonať počiatočnú odrazivosť, najmä na hliníkových povrchoch. To sa dá dosiahnuť spustením zvárania pomocou špeciálneho štartovacieho programu. Po dosiahnutí teploty odparovania sa vytvorí parná dutina, vďaka čomu sa takmer všetka energia žiarenia môže dostať do obrobku. Energia potrebná na to je teda určená absorpciou závislou od teploty a množstvom stratenej energie.
vedením do zvyšku obrobku. Pri zváraní LaserHybrid dochádza k odparovaniu nielen z povrchu obrobku, ale aj z prídavného drôtu, čo znamená, že je k dispozícii viac kovovej pary, čo následne uľahčuje vstup laserového žiarenia. To tiež zabraňuje prerušeniu procesu [5, 6, 7, 8, 9].
4. Automobilové aplikácie:
Použitím technológie priestorového rámu je možné znížiť hmotnosť o 43 % v porovnaní s oceľovou karosériou vozidla.
Obr. 2: Koncept Audi Space frame A2
Rám Audi A2 Space sa skladá z 30 m laserového zvárania (žlté pásy na obrázku 2) a 20 m MIG zvaru. Okrem toho sa používa aj 1700 nitov.
Obr. 3: Porovnanie profilov a techník spájania na Audi-A2
Obrázok 4 znázorňuje zvarový spoj liateho materiálu ALMg3 s plechovým materiálom AlMgSi vyrobený metódou LaserHybrid. Ako prídavný drôt sa používa AlSi5 a ako ochranný plyn argón. So zvyšujúcim sa výkonom laseru je možný hlbší prienik. Kombináciou laserového lúča s oblúkom sa týmto spôsobom dosahuje väčší zvarový kúpeľ ako pri použití samotného procesu zvárania laserovým lúčom. To umožňuje zvárať súčiastky s väčšími medzerami.
Obr. 4: Prekrývajúci sa spoj s medzerou 0,5 mm
V automobilovom priemysle existuje mnoho aplikácií prekrývajúceho sa zvárania bez prípravy spoja. V súčasnosti je najmodernejším postupom pre túto zváraciu prácu laserové zváranie so studeným prídavným drôtom, a to vďaka horúcemu praskaniu zliatiny AA 6xxx. Pri zváraní spoja prídavným drôtom sa veľa laserovej energie stratí na roztavenie tohto prídavného drôtu.
Nasledujúci obrázok znázorňuje rozdiely medzi zváraním LaserHybrid a laserovým zváraním na prekrytom spoji s rýchlosťou zvárania 2,4 m/min. V prípade laserového zvárania nie je možné vyplniť zvarovú húsenicu a vzniká podrezanie. Taktiež dochádza len k veľmi malému prenikaniu do základného materiálu. Šírka zvarovej húsenice je veľmi malá, a preto sa očakáva nízka pevnosť v ťahu. V prípade zvárania LaserHybrid,
Do zvarového kúpeľa sa prenesie dodatočný materiál. Podrezanie sa vyplní drôtom z procesu MIG a časť laserovej energie sa teraz ušetrí. Táto ušetrená laserová energia sa môže použiť na zvýšenie prieniku do základného materiálu a šírka zvarovej húsenice je väčšia ako hrúbka materiálu, čo sa vyžaduje z numerickej simulácie.
Obr. 5 Porovnanie medzi LaserHybrid a laserovým zváraním bez prídavného drôtu
Zváracím postupom LaserHybrid je možné zvárať materiály z hliníka, ocelí a nehrdzavejúcich ocelí až do hrúbky 4 mm. Ak je hrúbka príliš veľká, úplné prevarenie nie je možné. Na spájanie pozinkovaných materiálov je tiež výhodné použiť proces laserového spájkovania.
Ďalšie aplikácie v automobilovom priemysle sú hnacie ústrojenstvá, nápravy a karosérie automobilov, kde môže byť vhodný proces laserového hybridného zvárania.
Zváracia hlava:
Zváracia hlava by mala mať malé geometrické rozmery, aby sa zabezpečila dobrá dostupnosť k zváraným komponentom, najmä v oblasti karosérií. Okrem toho by mala byť navrhnutá tak, aby umožňovala vhodné oddeliteľné pripojenie k robotickej hlave a nastaviteľnosť procesných premenných, ako je ohnisková vzdialenosť a vzdialenosti od horáka vo všetkých karteziánskych súradniciach. Obrázok 5 znázorňuje zváraciu hlavu počas prebiehajúceho procesu. Rozstrekovanie, ku ktorému dochádza počas zvárania, vedie k zvýšenému znečisteniu ochranného skla. Kremeňové sklo je z oboch strán potiahnuté antireflexným materiálom a slúži na ochranu laserového optického systému pred poškodením.
V závislosti od stupňa znečistenia môže rozstrek hromadiaci sa na skle spôsobiť zníženie laserového výkonu, ktorý skutočne dopadá na obrobok, až o 90 %. Väčšie znečistenie zvyčajne vedie k zničeniu ochranného skla, pretože veľká časť žiarivej energie je potom absorbovaná samotným sklom, čo spôsobuje tepelné napätie v skle. S touto zváracou hlavou a zváracím zariadením je možné ju použiť na zváranie LaserHybrid, laserové zváranie, zváranie MSG aLaserové spájkovanie horúcim drôtom.
Obr. 6: Zváracia hlava a proces
5. Výhody laserového hybridného zvárania:
Zlúčením oblúka a laserového lúča vyplývajú nasledujúce výhody: Výhody zvárania LaserHybrid oproti laserovému zváraniu:
• vyššia stabilita procesu
• vyššia premosťovateľnosť
• hlbšia penetrácia
• nižšie kapitálové investičné náklady
• väčšia ťažnosť
Výhody zvárania LaserHybrid oproti zváraniu MIG:
• vyššie rýchlosti zvárania
• hlbšie prenikanie pri vyšších rýchlostiach zvárania
• nižší tepelný príkon
• vyššia pevnosť v ťahu
• užšie zvarové švy
Obr. 7: Výhody kombinácie oboch procesov
Proces oblúkového zvárania sa vyznačuje nízkonákladovým zdrojom energie, dobrou schopnosťou premosťovania a možnosťou ovplyvniť štruktúru pridávaním prídavných kovov. Charakteristickými znakmi laserového zvárania sú na druhej strane veľká hĺbka zvaru, vysoká rýchlosť zvárania, nízke tepelné zaťaženie a úzke zvarové švy, ktoré dosahuje. Nad určitou hustotou lúča vytvára laserový lúč v kovových materiáloch „efekt hlbokého zvaru“, ktorý umožňuje zváranie komponentov s väčšou hrúbkou steny – za predpokladu, že výkon laseru je dostatočne vysoký. Hybridné laserové zváranie tak umožňuje vyššie rýchlosti zvárania, stabilizáciu procesu vďaka interakcii medzi oblúkom a laserovým lúčom, zvýšenú tepelnú účinnosť a väčšie tolerancie obrobkov. Pretože zvarový kúpeľ je menší ako pri procese MIG, je menší tepelný vstup, a teda menšia tepelne ovplyvnená zóna. To znamená menej zvarov.
deformácia, čo znižuje množstvo následných prác na vyrovnávaní po zváraní, ktoré je potrebné vykonať.
V prípade dvoch samostatných zvarových kúpeľov následný tepelný vstup z oblúka znamená, že laserový lúč – zvarená oblasť – najmä v prípade ocele – je po zváraní ošetrená popúšťaním, čím sa hodnoty tvrdosti rovnomernejšie rozložia po celom šve. Obrázok 6 sumarizuje výhody kombinovaného (t. j. hybridného) procesu.
Pokiaľ ide o ekonomické výhody hybridného zvárania oproti laserovému zváraniu, možno konštatovať nasledovné: Zvarový šev pozostáva čiastočne z laserového zvaru a čiastočne z MIG zvaru. Hybridný proces umožňuje znížiť výkon laserového lúča, čo znamená, že spotreba energie laserového zdroja sa dá výrazne znížiť, pretože laserové zariadenie má účinnosť iba 3 %. Inými slovami: Zníženie výkonu laserového lúča dopadajúceho na obrobok o 1 kW vedie k zníženiu spotreby energie z elektrickej siete približne o 35 kVA.
Laserové zariadenie stojí približne 0,1 milióna EUR za každý 1 kWvýkon laserového lúčaUveďme len jeden príklad: v prípade, že využitie hybridného procesu umožňuje použiť laserový lúč s výkonom 2 kW namiesto laserového lúča s výkonom 4 kW, dochádza k úspore investičných výdavkov vo výške 0,2 milióna EUR. Treba však mať na pamäti, že pre hybridný proces bude potrebný MIG stroj v hodnote približne 20 000 EUR.
Vďaka vyššej rýchlosti zvárania je možné znížiť výrobné časy aj náklady na zváranie.
6. Spájkovanie laserom a horúcim drôtom:
Ďalšou možnosťou kombinácie laserového lúča s prídavným drôtom je proces LaserHotwire [10]. Pri tomto postupe sa prídavný drôt predhrieva rovnakým zdrojom energie, ktorý sa môže použiť na...Proces hybridného laserového zváraniaPrídavný drôt má prúdové zaťaženie od 100 A do 220 A. Rýchlosť podávania drôtu závisí od prierezu spájkovacej húsenice a rýchlosti spájkovania. Spájkovanie ponúka vďaka množstvu prídavného kovu tvarovací materiál, ktorý sa dá ľahšie opracovať ako porovnateľné zvarové švy. Spájkovaním plechových dielov je možné opravy vykonávať jednoduchšie ako v prípade zvarových spojov. Jednou z výhod spájkovania LaserHotwire je dobrá odolnosť spájkovanej zóny proti korózii.
Ako prídavné materiály sa používajú lacné zliatiny na báze medi, ako napríklad SG-CuSi3, a ako ochranný plyn slúži argón.
Obr. 8: Schematické znázornenieLaserové spájkovanie horúcim drôtom:
Nasledujúci obrázok znázorňuje prierez materiálu spájkovaného laserom horúcim drôtom. Pozinkovaný materiál sa spájkuje rýchlosťou 3 m/min a prídavný drôt má prúdové zaťaženie 205 A. Príkon tepla je veľmi nízky, preto je výsledkom procesu spájkovania nízka deformácia.
7. Zhrnutie:
Laserové hybridné zváranie je úplne nová technológia, ktorá ponúka synergie pre široké oblasti použitia v kovospracujúcom priemysle, najmä tam, kde nie je možné alebo finančne rentabilné dosiahnuť tolerancie komponentov požadované pre...zváranie laserovým lúčomOveľa širší rozsah použitia a vysoká kapacita kombinovaného procesu vedú k zvýšenej konkurencieschopnosti z hľadiska znížených investičných výdavkov, kratších výrobných časov, nižších výrobných nákladov a vyššej produktivity.
Proces LaserHybrid ponúka aj nový prístup k zváraniu hliníka. Stabilný proces, ktorý sa dá v praxi použiť, sa však stal možným len relatívne nedávno vďaka vyšším dostupným výstupným výkonom pevnolátkových laserov. Početné štúdie skúmali základy procesov laserového oblúkového hybridného zvárania. Pod pojmom „hybridný proces zvárania“ rozumieme kombináciu laserového zvárania a procesu oblúkového zvárania s iba jednou procesnou zónou (plazma a tavenina). Základné výskumné štúdie ukázali, že je možný proces, v ktorom – kombináciou týchto dvoch procesov – možno dosiahnuť synergie a kompenzovať nevýhody každého samostatného procesu, čo vedie k zlepšeným možnostiam zvárania, zvariteľnosti a spoľahlivosti zvárania pre mnoho rôznych materiálov a konštrukcií. Toto sa preukázalo najmä pri hliníkových zliatinách. Výberom priaznivých procesných parametrov je možné selektívne ovplyvniť vlastnosti zvaru, ako je geometria a štrukturálna konštitúcia. Proces oblúkového zvárania zvyšuje premosťovateľnosť pridaním prídavného materiálu; určuje tiež šírku zvarového švu, a tým znižuje množstvo potrebnej prípravy obrobku. Okrem toho interakcie medzi procesmi vedú k podstatnému zvýšeniu účinnosti procesu. Tento kombinovaný proces si tiež vyžaduje podstatne menšie investičné náklady ako proces laserového zvárania.
Proces laserového spájkovania horúcim drôtom sa môže použiť najmä pre pozinkované materiály na dosiahnutie dobrej odolnosti proti korózii.
Čas uverejnenia: 18. apríla 2025
