Både laserstrålesvejsning og lysbuesvejsning har længe været anvendt til industriel produktion og muliggør et bredt spektrum af anvendelser inden for materialesammenføjningsteknologi. Hver af disse processer har sine specifikke anvendelsesområder, som beskrevet af de fysiske processer for energitransport til emnet og af de energistrømme, der kan opnås. Energien overføres fra laserstrålekilden til materialet, der skal bearbejdes, ved hjælp af højenergisk infrarød kohærent stråling ved hjælp af et fiberoptisk kabel. Lysbuen overfører den varme, der er nødvendig til svejsning, ved hjælp af en høj elektrisk strøm, der flyder til emnet via en lysbuesøjle. Laserstrålingen fører til en meget smal varmepåvirket zone med et stort forhold mellem svejsedybde og sømbredde (dybsvejseeffekt). Lasersvejseprocessens evne til at overbygge mellemrum er meget lav på grund af dens lille fokusdiameter, men på den anden side kan den opnå meget høje svejsehastigheder. Lysbuesvejseprocessen har en meget lavere energitæthed, men forårsager et større fokuspunkt på emnets overflade og er karakteriseret ved en langsommere bearbejdningshastighed. Ved at kombinere begge disse processer kan der opnås nyttige synergier. I sidste ende gør dette det muligt at opnå både kvalitetsfordele og produktionstekniske fordele, samt forbedret omkostningseffektivitet. Denne proces tilbyder interessante og økonomisk attraktive anvendelser, både i bilindustrien, ikke mindst fordi der tillades højere tolerancer på svejsningerne, højere samlingshastigheder er mulige, og meget gode mekaniske/teknologiske parametre kan opnås.
1. Introduktion:
Det har været kendt, hvordan man kombinerer laserlys og lysbue i en samlet svejseproces, men i lang tid derefter blev der ikke foretaget yderligere udviklingsarbejde. For nylig har forskere vendt deres opmærksomhed mod dette emne igen og forsøgt at forene fordelene ved lysbuen med laserens i en hybrid svejseproces. Hvor laserkilder i de tidlige dage stadig skulle bevise deres egnethed til industriel brug, er de i dag standardteknologisk udstyr i mange produktionsvirksomheder.
Kombinationen af lasersvejsning med en anden svejseproces kaldes en "hybridsvejseproces". Det betyder, at en laserstråle og en lysbue virker samtidigt i én svejsezone og påvirker og understøtter hinanden.
2. Laser:
Lasersvejsning kræver ikke kun høj lasereffekt, men også en stråle af høj kvalitet for at opnå den ønskede "dybsvejseeffekt". Den resulterende højere strålekvalitet kan udnyttes til enten at opnå en mindre fokusdiameter eller en større fokusafstand.
Til de igangværende udviklingsprojekter anvendes en lampepumpet faststoflaser med en laserstråleeffekt på 4 kW. Laserlyset transmitteres via en 600 µm glasfiber.
Laserlyset transmitteres via en glasfiber, hvor begyndelsen og slutningen er vandkølet. Laserstrålen projiceres på emnet af et fokusmodul med en brændvidde på 200 mm.
3. Laserhybridproces:
Til svejsning af metalliske emner fokuseres Nd:YAG-laserstrålen på intensiteter over 106 W/cm2. Når laserstrålen rammer materialets overflade, opvarmer den dette punkt til fordampningstemperatur, og der dannes et damphulrum i svejsemetallet på grund af den undslippende metaldamp. Svejsesømmens kendetegn er dens høje dybde-til-bredde-forhold. Energi-strømningstætheden for den frit brændende lysbue er lidt over 104 W/cm2. Figur 1 illustrerer det grundlæggende princip for hybridsvejsning. Laserstrålen
Afbildet her tilfører varme til svejsemetallet i den øverste del af sømmen, ud over varmen fra lysbuen. I modsætning til en sekventiel konfiguration, hvor to separate svejseprocesser opererer efter hinanden, kan hybridsvejsning ses som en kombination af begge svejseprocesser, der opererer samtidigt i én og samme proceszone. Afhængigt af hvilken lysbue- eller laserproces der anvendes, og af procesparametrene, vil processerne påvirke hinanden i forskelligt omfang og på forskellige måder [1, 2].
Takket være kombinationen af laserprocessen og lysbueprocessen er der også en forøgelse af både svejseindtrængningsdybden og svejsehastigheden (sammenlignet med begge processer, der anvendes alene). Metaldampen, der slipper ud fra damphulrummet, påvirker lysbueplasmaet tilbage. Absorptionen af Nd:YAG-laserstrålingen i procesplasmaet forbliver ubetydelig. Afhængigt af hvilket forhold mellem de to effektinput der vælges, kan den samlede process karakter i større eller mindre grad bestemmes enten af laseren eller af lysbuen [3,4].
Fig. 1: Skematisk fremstilling: LaserHybrid-svejsning
Absorptionen af laserstrålingen påvirkes væsentligt af temperaturen på emnets overflade. Før lasersvejsningsprocessen kan begynde, skal den indledende reflektans først overvindes, især på aluminiumsoverflader. Dette kan opnås ved at starte svejsningen med et specielt startprogram. Efter at fordampningstemperaturen er nået, dannes damphulrummet, hvorved næsten al strålingsenergien kan tilføres emnet. Den nødvendige energi til dette bestemmes således af den temperaturafhængige absorption og af den mængde energi, der går tabt.
ved ledning ind i resten af emnet. Ved laserhybridsvejsning sker fordampning ikke kun fra emnets overflade, men også fra svejsetråden, hvilket betyder, at der er mere metaldamp tilgængelig, hvilket igen letter tilførslen af laserstrålingen. Dette forhindrer også procesudfald [5, 6, 7, 8, 9].
4. Anvendelse i bilindustrien:
Ved at bruge spaceframe-teknologi er en vægtreduktion på 43 % mulig i forhold til et stålkarrosseri.
Figur 2: Audi Spaceframe A2-koncept
Audi A2 Space-rammen består af 30 m lasersvejsning (gule striber i figur 2) og 20 m MIG-svejselængde. Derudover anvendes der 1700 nitter.
Fig. 3: Sammenligning af profiler og samlingsteknikker på Audi-A2
Figur 4 viser en LaserHybrid-svejset samling af et ALMg3-støbt materiale med et AlMgSi-plademateriale. Svejsetråden er AlSi5, og den anvendte beskyttelsesgass er argon. Med stigende lasereffekt er dybere indtrængning mulig. Ved at kombinere laserstrålen med lysbuen på denne måde opnås et større smeltebad end med laserstrålesvejseprocessen alene. Dette gør det muligt at svejse komponenter med bredere mellemrum.
Fig. 4: Overlapningsfuge med et mellemrum på 0,5 mm
I bilindustrien findes der mange anvendelser af overlapsvejsning uden forberedelse af samlinger. I øjeblikket er den mest avancerede proces til dette svejsejob lasersvejseprocessen med en kold svejsetråd på grund af varm revnedannelse i AA 6xxx-legeringen. Når samlingen svejses med en svejsetråd, vil en stor del af laserenergien gå tabt for at smelte svejsetråden.
Den næste figur repræsenterer forskellene mellem LaserHybrid og lasersvejsning på en overlapningssamling med en svejsehastighed på 2,4 m/min. Ved lasersvejsning er der ingen mulighed for at fylde svejsestrengen op, og der opstår underskæring. Der er også kun en meget lille indtrængning i basismaterialet. Svejsestrengens bredde er meget lille, og derfor forventes en lav trækstyrke. Ved LaserHybrid-svejsning,
Yderligere materiale transporteres ind i smeltebadet. Underskæringen fyldes med tråden fra MIG-processen, og en del af laserenergien spares nu. Denne sparede laserenergi kan bruges til at øge indtrængningen i basismaterialet, og svejsevulstens bredde er større end materialetykkelsen, hvilket kræves ud fra den numeriske simulering.
Fig. 5 Sammenligning mellem LaserHybrid og lasersvejsning uden tilsatstråd
Med LaserHybrid-svejseproceduren er det muligt at svejse materialer af aluminium, stål og rustfrit stål fra op til 4 mm materialetykkelse. Hvis tykkelsen er for høj, er fuld indtrængning ikke mulig. Til samling af zinkbelagte materialer foretrækkes det også at bruge laserlodningsprocessen.
Yderligere anvendelser inden for bilindustrien er drivlinjer, aksler og bilkarosserier, hvor laserhybridsvejseprocessen kan være egnet.
Svejsehoved:
Svejsehovedet bør have små geometriske dimensioner for at sikre god tilgængelighed til de komponenter, der skal svejses, især inden for karosseriindustrien. Desuden bør det være designet til at muliggøre både en passende aftagelig forbindelse til robothovedet og justerbarhed af procesvariabler som brændvidde og brænderafstand i alle kartesiske koordinater. Figur 5 viser svejsehovedet, mens processen er i gang. Den sprøjtning, der opstår under svejseprocessen, fører til øget tilsmudsning af beskyttelsesglasset. Kvartsglasset er belagt på begge sider med et antireflekterende materiale og har til formål at beskytte laserens optiske system mod skader.
Afhængigt af graden af tilsmudsning kan sprøjt, der samler sig på glasset, reducere den lasereffekt, der faktisk påvirker emnet, med op til 90 %. Større tilsmudsning fører generelt til ødelæggelse af beskyttelsesglasset, da en så stor del af strålingsenergien absorberes af selve glasset, hvilket forårsager termiske spændinger i glasset. Med dette svejsehoved og svejseudstyr er det muligt at bruge det til LaserHybrid-svejsning, lasersvejsning, MSG-svejsning og ...Laser varmlodning.
Fig. 6: Svejsehoved og proces
5. Fordele ved laserhybridsvejsning:
Følgende fordele skyldes sammensmeltningen af lysbue- og laserstråle: Fordele ved laserhybridsvejsning i forhold til lasersvejsning:
• højere processtabilitet
• højere broevne
• dybere penetration
• lavere kapitalinvesteringsomkostninger
• større duktilitet
Fordele ved laserhybridsvejsning i forhold til MIG-svejsning:
• højere svejsehastigheder
• dybere indtrængning ved højere svejsehastigheder
• lavere termisk tilførsel
• højere trækstyrke
• smallere svejsesømme
Figur 7: Fordele ved at kombinere de to processer
Lysbuesvejseprocessen er kendetegnet ved en billig energikilde, god broevne og muligheden for at påvirke strukturen ved at tilføje tilsatsmaterialer. De karakteristiske træk ved laserstråleprocessen er derimod den store svejsedybde, høje svejsehastighed, lave termiske belastning og smalle svejsesømme, den opnår. Over en vis stråledensitet producerer laserstrålen en "dybsvejseeffekt" i metalliske materialer, hvilket gør det muligt at svejse komponenter med større vægtykkelser - forudsat at lasereffekten er tilstrækkelig høj. Laserhybridsvejsning giver således højere svejsehastigheder, processtabilisering på grund af interaktionen mellem lysbuen og laserstrålen, øget termisk effektivitet og større emnetolerancer. Fordi smeltebadet er mindre end i MIG-processen, er der mindre termisk tilførsel og dermed en mindre varmepåvirket zone. Dette betyder mindre svejsearbejde.
forvrængning, hvilket reducerer mængden af efterfølgende rettearbejde efter svejsningen.
Hvor der er to separate svejsebade, betyder den efterfølgende termiske tilførsel fra lysbuen, at laserstrålen – det svejsede område – især i tilfælde af stål – får en efterbehandling af anløbning efter svejsningen, hvilket fordeler hårdhedsværdierne mere jævnt over sømmen. Figur 6 opsummerer fordelene ved den kombinerede (dvs. hybride) proces.
Hvis vi nu ser på de økonomiske fordele ved hybridsvejsning i forhold til lasersvejsning, kan følgende udsagn fremføres: Svejsesømmen består delvist af en lasersvejsning og delvist af en MIG-svejsning. Hybridprocessen gør det muligt at reducere laserstrålens effekt, hvilket betyder, at laserkildens energiforbrug kan reduceres betydeligt, da laserstråleapparatet kun har en effektivitet på 3%. Med andre ord: En reduktion på 1 kW i laserstrålens effekt, der påvirker emnet, fører til en reduktion på ca. 35 kVA i den effekt, der forbruges fra elnettet.
Et laserstråleapparat koster omkring 0,1 mio. euro for hver 1 kWlaserstrålens effektFor blot at tage ét eksempel, i et tilfælde hvor udnyttelsen af hybridprocessen gør det muligt at bruge et 2 kW laserstråleapparat i stedet for et med 4 kW stråleeffekt, resulterer dette i en besparelse på 0,2 millioner euro i investeringsudgifter. Det skal dog huskes, at der til hybridprocessen kræves en MIG-maskine til en pris på omkring 20.000 euro.
Takket være den højere svejsehastighed kan både fremstillingstiderne og svejseomkostningerne reduceres.
6. LaserHotwire-lodning:
En anden mulighed for at kombinere laserstrålen med en svejsetråd er LaserHotwire-processen [10]. I denne procedure forvarmes svejsetråden med den samme strømkilde, som kan bruges tilLaserhybridsvejseprocesSvejsetråden har en strømbelastning fra 100 A op til 220 A. Trådhastigheden afhænger af loddevulstens tværsnit og loddehastigheden. Lodning tilbyder, gennem mængden af svejsemetal, et støbemateriale, der kan efterbehandles lettere end sammenlignelige svejsesømme. Ved at lodde pladedele kan reparationsarbejde udføres på en nemmere måde end ved svejsede samlinger. En fordel ved LaserHotwire-lodning er den gode korrosionsbestandighed i den loddede zone.
Som tilsatsmetaller anvendes billige kobberbaserede legeringer såsom SG-CuSi3, og argon fungerer som beskyttelsesgas.
Figur 8: Skematisk repræsentationLaser varmlodning:
Den næste figur viser tværsnittet af et laserloddet materiale. Det zinkbelagte materiale loddes med en hastighed på 3 m/min, og svejsetråden har en strømbelastning på 205 A. Varmetilførslen er meget lav, derfor er loddeprocessen et resultat af lav forvrængning.
7. Resumé:
Laserhybridsvejsning er en helt ny teknologi, der tilbyder synergier inden for en bred vifte af anvendelsesområder i metalbearbejdningsindustrien, især hvor det ikke er muligt eller økonomisk rentabelt at opnå de komponenttolerancer, der kræves forlaserstrålesvejsningDet langt bredere anvendelsesområde og den kombinerede process høje kapacitet fører til forbedret konkurrenceevne med hensyn til reducerede investeringsudgifter, kortere fremstillingstider, lavere produktionsomkostninger og højere produktivitet.
LaserHybrid-processen tilbyder også en ny tilgang til svejsning af aluminium. En stabil proces, der kan anvendes i praksis, er dog først blevet mulig relativt nylig takket være de højere tilgængelige udgangseffekter fra faststoflasere. Talrige undersøgelser har undersøgt det grundlæggende i laser-bue-hybrid-svejseprocesser. Med "hybrid-svejseproces" mener vi kombinationen af laserstrålesvejsning og buesvejseprocessen med kun én enkelt proceszone (plasma og smelte). Grundforskningsstudier har vist, at en proces er mulig, hvor der – ved at kombinere de to processer – kan opnås synergier, og ulemperne ved hver enkelt proces kan kompenseres for, hvilket resulterer i forbedrede svejsemuligheder, svejsbarhed og svejsningspålidelighed for mange forskellige materialer og konstruktioner. Dette er især blevet demonstreret for aluminiumlegeringer. Ved at vælge gunstige procesparametre er det muligt selektivt at påvirke svejseegenskaber såsom geometri og strukturel opbygning. Buesvejseprocessen øger brodannelsen ved at tilføje tilsatsmetal; den bestemmer også svejsesømmens bredde og reducerer dermed den nødvendige mængde emneforberedelse. Derudover fører interaktionerne mellem processerne til en betydelig stigning i processens effektivitet. Denne kombinationsproces kræver også betydeligt mindre investeringsomkostninger end lasersvejseprocessen.
Laservarmlodningsprocessen kan især bruges til zinkbelagt materiale for at opnå god korrosionsbestandighed.
Opslagstidspunkt: 18. april 2025
