Zarówno spawanie wiązką laserową, jak i spawanie łukowe są od dawna stosowane w produkcji przemysłowej i umożliwiają szerokie spektrum zastosowań w dziedzinie technologii łączenia materiałów. Każdy z tych procesów ma swoje specyficzne obszary zastosowań, opisane procesami fizycznymi transportu energii do elementu obrabianego oraz przepływami energii, które można uzyskać. Energia jest przesyłana ze źródła wiązki laserowej do materiału obrabianego za pomocą wysokoenergetycznego, spójnego promieniowania podczerwonego za pomocą światłowodu. Łuk przekazuje ciepło potrzebne do spawania za pomocą wysokiego prądu elektrycznego przepływającego do elementu obrabianego przez kolumnę łukową. Promieniowanie laserowe tworzy bardzo wąską strefę wpływu ciepła o dużym stosunku głębokości spawania do szerokości spoiny (efekt głębokiego spawania). Zdolność spawania laserowego do mostkowania szczelin jest bardzo niska ze względu na małą średnicę ogniska, ale z drugiej strony pozwala osiągnąć bardzo wysokie prędkości spawania. Spawanie łukowe charakteryzuje się znacznie niższą gęstością energii, ale powoduje większe ognisko na powierzchni elementu obrabianego i charakteryzuje się niższą prędkością obróbki. Połączenie obu tych procesów pozwala na uzyskanie użytecznych synergii. Ostatecznie pozwala to na osiągnięcie zarówno korzyści jakościowych, jak i inżynieryjnych, a także poprawę efektywności kosztowej. Proces ten oferuje interesujące i atrakcyjne ekonomicznie zastosowania, zarówno w przemyśle motoryzacyjnym, między innymi ze względu na możliwość stosowania wyższych tolerancji spawów, wyższą szybkość łączenia oraz uzyskanie bardzo dobrych parametrów mechanicznych i technologicznych.
1. Wstęp:
Łączenie światła laserowego i łuku elektrycznego w procesie spawania było znane już od lat 70. XX wieku, ale przez długi czas nie podejmowano dalszych prac rozwojowych. Niedawno naukowcy ponownie zwrócili uwagę na ten temat i podjęli próbę połączenia zalet łuku elektrycznego z zaletami lasera w hybrydowym procesie spawania. Podczas gdy na początku źródła laserowe musiały jeszcze udowodnić swoją przydatność do zastosowań przemysłowych, obecnie stanowią one standardowe wyposażenie technologiczne wielu przedsiębiorstw produkcyjnych.
Połączenie spawania laserowego z innym procesem spawania nazywane jest „spawaniem hybrydowym”. Oznacza to, że wiązka laserowa i łuk elektryczny działają jednocześnie w jednej strefie spawania, wzajemnie na siebie oddziałując i wspomagając się.
2. Laser:
Spawanie laserowe wymaga nie tylko dużej mocy lasera, ale również wysokiej jakości wiązki, aby uzyskać pożądany „efekt głębokiego spawania”. Uzyskana w ten sposób wyższa jakość wiązki może być wykorzystana do uzyskania mniejszej średnicy ogniska lub większej odległości ogniskowej.
W obecnie realizowanych projektach rozwojowych wykorzystywany jest laser półprzewodnikowy pompowany lampą o mocy wiązki 4 kW. Światło lasera jest przesyłane za pomocą światłowodu szklanego o średnicy 600 µm.
Światło lasera jest przesyłane za pomocą światłowodu szklanego, którego początek i koniec są chłodzone wodą. Wiązka laserowa jest kierowana na przedmiot obrabiany przez moduł ogniskujący o odległości ogniskowej 200 mm.
3. Proces hybrydowy laserowy:
Do spawania elementów metalowych wiązka lasera Nd:YAG jest skupiana z natężeniem powyżej 106 W/cm². Gdy wiązka lasera trafia w powierzchnię materiału, nagrzewa to miejsce do temperatury parowania, a w metalu spoiny tworzy się wnęka parowa w wyniku ulatniania się oparów metalu. Cechą charakterystyczną spoiny jest wysoki stosunek głębokości do szerokości. Gęstość energii przepływu swobodnie jarzącego się łuku wynosi nieco ponad 104 W/cm². Rysunek 1 ilustruje podstawową zasadę spawania hybrydowego. Wiązka laserowa
Przedstawiony tutaj proces dostarcza ciepło do metalu spoiny w górnej części spoiny, oprócz ciepła z łuku. W przeciwieństwie do konfiguracji sekwencyjnej, w której dwa oddzielne procesy spawania następują po sobie, spawanie hybrydowe można postrzegać jako połączenie obu procesów spawania działających jednocześnie w jednej i tej samej strefie procesu. W zależności od zastosowanego procesu łukowego lub laserowego oraz parametrów procesu, procesy te będą na siebie oddziaływać w różnym stopniu i na różne sposoby [1, 2].
Dzięki połączeniu procesu laserowego i łukowego następuje również zwiększenie głębokości wtopienia i prędkości spawania (w porównaniu z każdym z tych procesów osobno). Opary metalu uchodzące z komory parowej działają wstecznie na plazmę łuku. Absorpcja promieniowania lasera Nd:YAG w plazmie procesowej pozostaje pomijalna. W zależności od wybranego stosunku obu mocy wejściowych, charakter całego procesu może być w większym lub mniejszym stopniu determinowany przez laser lub łuk [3,4].
Rys. 1: Schematyczna reprezentacja: Spawanie laserowo-hybrydowe
Absorpcja promieniowania laserowego jest w znacznym stopniu zależna od temperatury powierzchni przedmiotu obrabianego. Przed rozpoczęciem procesu spawania laserowego należy najpierw pokonać początkowy współczynnik odbicia, szczególnie w przypadku powierzchni aluminiowych. Można to osiągnąć, rozpoczynając spawanie za pomocą specjalnego programu startowego. Po osiągnięciu temperatury parowania tworzy się komora parowa, w wyniku czego niemal cała energia promieniowania może zostać wprowadzona do przedmiotu obrabianego. Energia potrzebna do tego celu jest zatem określana na podstawie zależnej od temperatury absorpcji oraz ilości energii traconej.
poprzez przewodzenie do reszty przedmiotu obrabianego. W spawaniu hybrydowym laserowym parowanie odbywa się nie tylko z powierzchni przedmiotu obrabianego, ale również z drutu spawalniczego, co oznacza, że dostępna jest większa ilość pary metalu, co z kolei ułatwia wprowadzenie promieniowania laserowego. Zapobiega to również przerwaniu procesu [5, 6, 7, 8, 9].
4. Zastosowanie w motoryzacji:
Dzięki zastosowaniu technologii ramy przestrzennej udało się zmniejszyć masę pojazdu o 43% w porównaniu do nadwozia stalowego.
Rys. 2: Koncepcja ramy Audi Space A2
Rama Audi A2 Space składa się z 30-metrowej taśmy laserowej (żółte paski na rysunku 2) i 20-metrowej taśmy spawanej metodą MIG. Dodatkowo wykorzystano 1700 nitów.
Rys. 3: Porównanie profili i technik łączenia w Audi-A2
Rysunek 4 przedstawia połączenie spawane metodą LaserHybrid odlewu ALMg3 z blachą AlMgSi. Drut spawalniczy to AlSi5, a gaz osłonowy to argon. Wraz ze wzrostem mocy lasera możliwe jest głębsze wtopienie. Połączenie wiązki laserowej z łukiem elektrycznym pozwala uzyskać większe jeziorko spawalnicze niż w przypadku samego procesu spawania wiązką laserową. Umożliwia to spawanie elementów z szerszymi szczelinami.
Rys. 4: Połączenie zakładkowe z odstępem 0,5 mm
W przemyśle motoryzacyjnym istnieje wiele zastosowań spawania zakładkowego bez przygotowania złącza. Obecnie najnowocześniejszą metodą tego typu spawania jest spawanie laserowe z zimnym drutem spawalniczym, ze względu na pękanie na gorąco stopu AA 6xxx. Podczas spawania złącza drutem spawalniczym, duża część energii lasera jest tracona w celu stopienia tego drutu.
Poniższy rysunek przedstawia różnice między spawaniem LaserHybrid a spawaniem laserowym na złączu zakładkowym z prędkością spawania 2,4 m/min. W przypadku spawania laserowego nie ma możliwości wypełnienia ściegu spoiny i powstaje podtopienie. Ponadto, penetracja w materiał bazowy jest bardzo mała. Szerokość ściegu spoiny jest bardzo mała, dlatego oczekuje się niskiej wytrzymałości na rozciąganie. W przypadku spawania LaserHybrid,
Dodatkowy materiał jest transportowany do jeziorka spawalniczego. Podtopienie jest wypełniane drutem z procesu MIG, co pozwala zaoszczędzić część energii lasera. Zaoszczędzona energia lasera może zostać wykorzystana do zwiększenia penetracji materiału bazowego, a szerokość ściegu spoiny jest większa niż grubość materiału, co wynika z symulacji numerycznej.
Rys. 5 Porównanie spawania laserowego hybrydowego i laserowego bez drutu spawalniczego
Metoda spawania LaserHybrid umożliwia spawanie aluminium, stali i stali nierdzewnej o grubości do 4 mm. Zbyt duża grubość uniemożliwia uzyskanie pełnego przetopu. Do łączenia materiałów ocynkowanych zaleca się również lutowanie laserowe.
Dalsze zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym obejmują układy napędowe, osie i nadwozia samochodowe, gdzie proces hybrydowego spawania laserowego może być przydatny.
Głowica spawalnicza:
Głowica spawalnicza powinna mieć niewielkie wymiary geometryczne, aby zapewnić dobry dostęp do spawanych elementów, szczególnie w branży nadwozi samochodowych. Ponadto powinna być zaprojektowana tak, aby umożliwiać zarówno odpowiednie, rozłączalne połączenie z głowicą robota, jak i regulację takich parametrów procesu, jak ogniskowa i odległość od palnika we wszystkich współrzędnych kartezjańskich. Rysunek 5 przedstawia głowicę spawalniczą w trakcie procesu. Odpryski występujące podczas spawania prowadzą do zwiększonego zabrudzenia szkła ochronnego. Szkło kwarcowe jest obustronnie pokryte materiałem antyrefleksyjnym i ma na celu ochronę układu optycznego lasera przed uszkodzeniem.
W zależności od stopnia zabrudzenia, odpryski gromadzące się na szkle mogą spowodować spadek mocy lasera oddziałującej na obrabiany element nawet o 90%. Silniejsze zabrudzenia zazwyczaj prowadzą do zniszczenia szkła ochronnego, ponieważ duża część energii promieniowania jest absorbowana przez samo szkło, powodując w nim naprężenia termiczne. Dzięki tej głowicy spawalniczej i sprzętowi spawalniczemu możliwe jest spawanie metodą LaserHybrid, laserowe, metodą MSG i wiele innych.Lutowanie laserowe gorącym drutem.
Rys. 6: Głowica spawalnicza i proces
5. Zalety hybrydowego spawania laserowego:
Połączenie łuku elektrycznego i wiązki laserowej daje następujące korzyści: Zalety spawania LaserHybrid w porównaniu ze spawaniem laserowym:
• wyższa stabilność procesu
• wyższa podatność na mostkowanie
• głębsza penetracja
• niższe koszty inwestycji kapitałowych
• większa ciągliwość
Zalety spawania LaserHybrid w porównaniu ze spawaniem MIG:
• wyższe prędkości spawania
• głębsza penetracja przy wyższych prędkościach spawania
• niższy dopływ ciepła
• wyższa wytrzymałość na rozciąganie
• węższe spoiny
Rys. 7: Zalety połączenia obu procesów
Proces spawania łukowego charakteryzuje się niskim kosztem źródła energii, dobrą zdolnością do tworzenia mostków oraz możliwością kształtowania struktury poprzez dodawanie materiałów dodatkowych. Cechami wyróżniającymi proces spawania wiązką laserową są natomiast duża głębokość spawania, wysoka prędkość spawania, niskie obciążenie cieplne i wąskie spoiny. Powyżej pewnej gęstości wiązki, wiązka laserowa wytwarza „efekt głębokiego spawania” w materiałach metalowych, co umożliwia spawanie elementów o większej grubości ścianek – pod warunkiem, że moc lasera jest wystarczająco wysoka. Hybrydowe spawanie laserowe zapewnia zatem wyższe prędkości spawania, stabilizację procesu dzięki interakcji łuku z wiązką laserową, zwiększoną sprawność cieplną i większe tolerancje spawanego elementu. Ponieważ jeziorko spawalnicze jest mniejsze niż w procesie MIG, występuje mniej ciepła doprowadzonego, a tym samym mniejsza strefa wpływu ciepła. Oznacza to mniej spoin.
odkształcenia, co zmniejsza ilość późniejszej pracy związanej z prostowaniem, która musi być wykonana po spawaniu.
W przypadku dwóch oddzielnych jeziorek spawalniczych, późniejsze wprowadzenie ciepła z łuku oznacza, że wiązka laserowa – obszar spawany – szczególnie w przypadku stali – jest poddawana odpuszczaniu po spawaniu, co powoduje równomierne rozłożenie wartości twardości w spoinie. Rysunek 6 podsumowuje zalety procesu łączonego (czyli hybrydowego).
Przechodząc do ekonomicznych zalet spawania hybrydowego w porównaniu ze spawaniem laserowym, można sformułować następujące stwierdzenia: Spoina składa się częściowo ze spoiny laserowej, a częściowo ze spoiny MIG. Proces hybrydowy umożliwia zmniejszenie mocy wiązki laserowej, co oznacza, że zużycie energii przez źródło laserowe może zostać znacznie zmniejszone, ponieważ sprawność urządzenia laserowego wynosi zaledwie 3%. Innymi słowy: zmniejszenie mocy wiązki laserowej padającej na element spawany o 1 kW prowadzi do zmniejszenia poboru mocy z sieci elektrycznej o ok. 35 kVA.
Koszt urządzenia laserowego wynosi około 0,1 mln EUR za 1 kW mocy.moc wiązki laserowejPrzykładowo, w przypadku zastosowania procesu hybrydowego, w którym możliwe jest zastosowanie lasera o mocy 2 kW zamiast 4 kW, oszczędności nakładów inwestycyjnych wynoszą 0,2 mln EUR. Należy jednak pamiętać, że do procesu hybrydowego potrzebna będzie maszyna MIG o wartości około 20 000 EUR.
Dzięki większej prędkości spawania możliwe jest skrócenie czasu produkcji i obniżenie kosztów spawania.
6. Lutowanie laserowe na gorąco:
Inną możliwością połączenia wiązki laserowej z drutem spawalniczym jest proces LaserHotwire [10]. W tej procedurze drut spawalniczy jest podgrzewany wstępnie tym samym źródłem zasilania, które może być używane doProces spawania hybrydowego laserowegoDrut spawalniczy charakteryzuje się obciążeniem prądowym od 100 A do 220 A. Prędkość podawania drutu zależy od przekroju spoiwa i prędkości lutowania. Lutowanie, dzięki odpowiedniej ilości spoiwa, zapewnia materiał formujący, który można obrabiać łatwiej niż porównywalne spoiny. Lutowanie elementów blaszanych pozwala na łatwiejszą naprawę niż w przypadku połączeń spawanych. Jedną z zalet lutowania LaserHotwire jest dobra odporność na korozję strefy lutowanej.
Jako materiał wypełniający stosuje się tanie stopy na bazie miedzi, takie jak SG-CuSi3, a jako gaz osłonowy stosuje się argon.
Rys. 8: Schematyczna reprezentacjaLutowanie laserowe gorącym drutem:
Poniższy rysunek przedstawia przekrój poprzeczny materiału lutowanego metodą laserową. Materiał ocynkowany jest lutowany z prędkością 3 m/min, a drut spawalniczy ma natężenie prądu 205 A. Ciepło dopływowe jest bardzo niskie, co przekłada się na niewielkie odkształcenia w procesie lutowania.
7. Podsumowanie:
Spawanie hybrydowe laserowe to zupełnie nowa technologia, która oferuje synergię dla szerokiego zakresu zastosowań w przemyśle metalowym, szczególnie tam, gdzie nie jest możliwe lub opłacalne osiągnięcie tolerancji komponentów wymaganych dlaspawanie wiązką laserowąZnacznie szerszy zakres zastosowań i wysoka wydajność procesu łączonego przekładają się na wzrost konkurencyjności w zakresie niższych nakładów inwestycyjnych, krótszych czasów produkcji, niższych kosztów wytwarzania i wyższej wydajności.
Proces LaserHybrid oferuje również nowe podejście do spawania aluminium. Stabilny proces, który można by zastosować w praktyce, stał się jednak możliwy dopiero stosunkowo niedawno, dzięki wyższej dostępnej mocy wyjściowej laserów na ciele stałym. Liczne badania zgłębiały podstawy hybrydowych procesów spawania laserowo-łukowego. Przez „hybrydowy proces spawania” rozumiemy połączenie spawania wiązką laserową i spawania łukowego, z tylko jedną strefą procesu (plazma i topienie). Podstawowe badania wykazały, że możliwy jest proces, w którym – poprzez połączenie obu procesów – można osiągnąć synergię i zrekompensować wady każdego z nich, co przekłada się na lepsze możliwości spawania, spawalność i niezawodność spawania wielu różnych materiałów i konstrukcji. W szczególności zostało to udowodnione w przypadku stopów aluminium. Dobierając korzystne parametry procesu, można selektywnie wpływać na właściwości spoiny, takie jak geometria i struktura. Proces spawania łukowego zwiększa mostkowość poprzez dodanie materiału dodatkowego; określa on również szerokość spoiny, a tym samym zmniejsza konieczność przygotowania przedmiotu spawanego. Co więcej, interakcje zachodzące między procesami prowadzą do znacznego wzrostu wydajności procesu. Ten proces łączony wymaga również znacznie niższych nakładów inwestycyjnych niż spawanie laserowe.
Proces lutowania laserowego gorącym drutem można stosować w szczególności do materiałów ocynkowanych, aby uzyskać dobrą odporność na korozję.
Czas publikacji: 18 kwietnia 2025 r.
