Как лазерная, так и дуговая сварка давно используются в промышленном производстве и позволяют применять их в широком спектре технологий соединения материалов. Каждый из этих процессов имеет свои специфические области применения, описываемые физическими процессами переноса энергии к заготовке и получаемыми энергетическими потоками. Энергия передается от источника лазерного луча к обрабатываемому материалу посредством высокоэнергетического инфракрасного когерентного излучения с использованием волоконно-оптического кабеля. Дуга передает тепло, необходимое для сварки, посредством высокого электрического тока, протекающего к заготовке через дуговой столб. Лазерное излучение приводит к очень узкой зоне термического воздействия с большим отношением глубины сварки к ширине шва (эффект глубокой сварки). Способность лазерной сварки перекрывать зазоры очень низка из-за малого диаметра фокуса, но, с другой стороны, она позволяет достигать очень высоких скоростей сварки. Дуговая сварка имеет гораздо меньшую плотность энергии, но создает большее фокусное пятно на поверхности заготовки и характеризуется более низкой скоростью обработки. Объединение этих двух процессов позволяет достичь полезной синергии. В конечном итоге это дает возможность получить как преимущества в качестве, так и преимущества в производственном проектировании, а также повысить экономическую эффективность. Этот процесс предлагает интересные и экономически привлекательные применения, в том числе в автомобильной промышленности, поскольку позволяет допускать более высокие допуски на сварные соединения, достигать более высоких скоростей сварки и получать очень хорошие механические/технологические параметры.
1. Введение:
Способы объединения лазерного излучения и дугового разряда в гибридный сварочный процесс известны еще с 1970-х годов, но долгое время после этого дальнейшие исследования в этой области не проводились. Недавно исследователи вновь обратили внимание на эту тему и попытались объединить преимущества дугового разряда и лазера в гибридном сварочном процессе. Если на заре своего существования лазерные источники еще должны были доказать свою пригодность для промышленного использования, то сегодня они являются стандартным технологическим оборудованием на многих производственных предприятиях.
Сочетание лазерной сварки с другим сварочным процессом называется «гибридной сваркой». Это означает, что лазерный луч и дуга действуют одновременно в одной зоне сварки, влияя и поддерживая друг друга.
2. Лазер:
Для лазерной сварки требуется не только высокая мощность лазера, но и высококачественный лазерный луч для получения желаемого «эффекта глубокой сварки». Полученный в результате более качественный луч может быть использован либо для уменьшения диаметра фокуса, либо для увеличения фокусного расстояния.
В текущих проектах используется твердотельный лазер с ламповой накачкой и мощностью лазерного луча 4 кВт. Лазерный свет передается через стеклянное волокно диаметром 600 мкм.
Лазерный луч передается по стекловолокну, начало и конец которого охлаждаются водой. Лазерный луч проецируется на обрабатываемую деталь фокусирующим модулем с фокусным расстоянием 200 мм.
3. Лазерный гибридный процесс:
Для сварки металлических заготовок лазерный луч Nd:YAG фокусируется с интенсивностью выше 10⁶ Вт/см². При попадании лазерного луча на поверхность материала это место нагревается до температуры испарения, и в сварочном шве образуется паровая полость за счет выхода паров металла. Отличительной особенностью сварочного шва является высокое отношение глубины к ширине. Плотность потока энергии свободно горящей дуги немного превышает 10⁴ Вт/см². На рисунке 1 показан основной принцип гибридной сварки. Лазерный луч
На изображении показано, что помимо тепла от дуги, тепло подается к металлу сварного шва в верхней части шва. В отличие от последовательной конфигурации, где два отдельных процесса сварки действуют последовательно, гибридную сварку можно рассматривать как комбинацию обоих процессов сварки, действующих одновременно в одной и той же технологической зоне. В зависимости от используемой дуги или лазерного процесса, а также от параметров процесса, процессы будут влиять друг на друга в разной степени и по-разному [1, 2].
Благодаря сочетанию лазерного и дугового процессов также увеличивается глубина проплавления сварного шва и скорость сварки (по сравнению с любым из процессов, используемых по отдельности). Металлический пар, выходящий из паровой полости, оказывает обратное воздействие на дуговую плазму. Поглощение излучения Nd:YAG-лазера в обрабатывающей плазме остается незначительным. В зависимости от выбранного соотношения двух источников мощности характер всего процесса может в большей или меньшей степени определяться либо лазером, либо дугой [3,4].
Рис. 1: Схематическое изображение: Лазерно-гибридная сварка
Поглощение лазерного излучения в значительной степени зависит от температуры поверхности заготовки. Перед началом процесса лазерной сварки необходимо преодолеть начальное отражение, особенно на алюминиевых поверхностях. Этого можно достичь, запустив сварку со специальной программой запуска. После достижения температуры испарения образуется паровая полость, в результате чего почти вся энергия излучения может быть передана заготовке. Таким образом, необходимая для этого энергия определяется температурно-зависимым поглощением и количеством теряемой энергии.
путем проводимости в остальную часть заготовки. При лазерно-гибридной сварке испарение происходит не только с поверхности заготовки, но и с присадочной проволоки, что означает наличие большего количества паров металла, что, в свою очередь, облегчает ввод лазерного излучения. Это также предотвращает срыв процесса [5, 6, 7, 8, 9].
4. Применение в автомобильной промышленности:
Благодаря использованию пространственной каркасной технологии, удалось снизить вес автомобиля на 43 % по сравнению со стальным кузовом.
Рис. 2: Концепт Audi Space Frame A2
Пространственная рама Audi A2 состоит из 30 м лазерной сварки (желтые полосы на рисунке 2) и 20 м сварки MIG. Кроме того, использовано 1700 заклепок.
Рис. 3: Сравнение профилей и методов соединения на Audi-A2
На рисунке 4 показано лазерно-гибридное сварное соединение литого материала ALMg3 с листовым материалом AlMgSi. В качестве присадочной проволоки используется AlSi5, а в качестве защитного газа — аргон. С увеличением мощности лазера возможно более глубокое проплавление. Такое сочетание лазерного луча и дуги позволяет получить более широкую сварочную ванну, чем при использовании только лазерного луча. Это дает возможность сваривать компоненты с более широкими зазорами.
Рис. 4: Перекрывающееся соединение с зазором 0,5 мм.
В автомобильной промышленности существует множество применений сварки внахлест без предварительной подготовки шва. В настоящее время передовым методом для этой сварочной работы является лазерная сварка с использованием холодной присадочной проволоки, благодаря горячему растрескиванию сплава AA 6xxx. При сварке шва присадочной проволокой значительная часть энергии лазера теряется на расплавление этой проволоки.
На следующем рисунке показаны различия между лазерной гибридной сваркой и лазерной сваркой внахлест при скорости сварки 2,4 м/мин. В случае лазерной сварки нет возможности заполнить сварочный шов, и образуется подрез. Кроме того, наблюдается очень небольшое проплавление в основной материал. Ширина сварочного шва очень мала, поэтому ожидается низкая прочность на растяжение. В случае лазерной гибридной сварки...
В сварочную ванну подается дополнительный материал. Подрез заполняется проволокой, полученной в процессе MIG-сварки, и таким образом экономится часть энергии лазера. Эта сэкономленная энергия лазера может быть использована для увеличения глубины проплавления в основной материал, а ширина сварочного шва будет больше толщины материала, что и требуется согласно численному моделированию.
Рис. 5. Сравнение лазерной гибридной сварки и лазерной сварки без присадочной проволоки.
С помощью метода лазерной гибридной сварки можно сваривать алюминий, стали и нержавеющую сталь толщиной до 4 мм. При слишком большой толщине полное проплавление невозможно. Для соединения материалов с цинковым покрытием также предпочтительнее использовать лазерную пайку.
В автомобильной промышленности лазерная гибридная сварка может также применяться в силовых агрегатах, осях и кузовах автомобилей.
Сварочная головка:
Сварочная головка должна иметь небольшие геометрические размеры, чтобы обеспечить хороший доступ к свариваемым компонентам, особенно в области кузовного ремонта автомобилей. Кроме того, она должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечивать как подходящее съемное соединение с роботизированной головкой, так и регулировку таких параметров процесса, как фокусное расстояние и расстояние от горелки до свариваемого элемента во всех декартовых координатах. На рисунке 5 показана сварочная головка во время процесса сварки. Разбрызгивание металла, происходящее во время сварки, приводит к увеличению загрязнения защитного стекла. Кварцевое стекло покрыто с обеих сторон антибликовым материалом и предназначено для защиты оптической системы лазера от повреждений.
В зависимости от степени загрязнения, брызги, скапливающиеся на стекле, могут привести к снижению мощности лазера, фактически воздействующей на заготовку, на целых 90%. Более сильное загрязнение, как правило, приводит к разрушению защитного стекла, поскольку большая часть лучистой энергии поглощается самим стеклом, вызывая термические напряжения в стекле. С помощью этой сварочной головки и сварочного оборудования можно использовать лазерную гибридную сварку, лазерную сварку, сварку MSG и другие методы.Лазерная термоалюминиевая пайка.
Рис. 6: Сварочная головка и процесс.
5. Преимущества лазерной гибридной сварки:
Слияние дугового и лазерного лучей дает следующие преимущества: Преимущества гибридной лазерной сварки по сравнению с обычной лазерной сваркой:
• более высокая стабильность процесса
• более высокая мостопроницаемость
• более глубокое проникновение
• снижение капитальных затрат
• более высокая пластичность
Преимущества лазерно-гибридной сварки по сравнению со сваркой MIG:
• более высокие скорости сварки
• более глубокое проплавление при более высоких скоростях сварки
• более низкий тепловой поток
• более высокая прочность на разрыв
• более узкие сварные швы
Рис. 7: Преимущества объединения двух процессов
Процесс дуговой сварки характеризуется низкой стоимостью источника энергии, хорошей способностью к образованию мостиков и возможностью влияния на структуру путем добавления присадочных металлов. Отличительными особенностями лазерной сварки, с другой стороны, являются большая глубина сварки, высокая скорость сварки, низкая тепловая нагрузка и узкие сварные швы. При определенной плотности луча лазер создает «эффект глубокой сварки» в металлических материалах, что позволяет сваривать компоненты с большей толщиной стенок – при условии достаточно высокой мощности лазера. Таким образом, лазерная гибридная сварка обеспечивает более высокие скорости сварки, стабилизацию процесса за счет взаимодействия дуги и лазерного луча, повышенную тепловую эффективность и более высокие допуски на заготовки. Поскольку сварочная ванна меньше, чем при MIG-сварке, теплового воздействия меньше, а значит, и зона термического воздействия меньше. Это означает меньший объем свариваемой детали.
деформация, которая уменьшает объем последующих работ по выравниванию сварного шва.
В случаях, когда имеются две отдельные сварочные ванны, последующее тепловое воздействие дуги приводит к тому, что лазерный луч – зона сварки – подвергается последующей закалке, особенно в случае стали, что обеспечивает более равномерное распределение значений твердости по шву. На рисунке 6 суммированы преимущества комбинированного (т.е. гибридного) процесса.
Теперь перейдем к экономическим преимуществам гибридной сварки по сравнению с лазерной сваркой. Можно сделать следующие выводы: сварочный шов частично состоит из лазерной сварки, а частично из сварки MIG. Гибридный процесс позволяет снизить мощность лазерного луча, что означает значительное уменьшение энергопотребления лазерного источника, поскольку КПД лазерного аппарата составляет всего 3%. Другими словами: снижение мощности лазерного луча, воздействующего на заготовку, на 1 кВт приводит к снижению потребляемой мощности от сети примерно на 35 кВА.
Стоимость лазерного аппарата составляет около 0,1 млн евро за каждый 1 кВт мощности.мощность лазерного лучаВ качестве примера можно привести случай, когда использование гибридного процесса позволяет применять лазерный аппарат мощностью 2 кВт вместо аппарата с мощностью 4 кВт, что приводит к экономии инвестиционных затрат в размере 0,2 млн евро. Однако следует помнить, что для гибридного процесса потребуется сварочный аппарат MIG стоимостью около 20 000 евро.
Благодаря более высокой скорости сварки можно сократить как время изготовления, так и затраты на сварку.
6. Лазерная пайка с горячей проволокой:
Еще одна возможность комбинирования лазерного луча с присадочной проволокой — это процесс LaserHotwire [10]. В этой процедуре присадочная проволока предварительно нагревается тем же источником энергии, который может быть использован дляПроцесс лазерной гибридной сваркиПрисадочная проволока имеет токовую нагрузку от 100 А до 220 А. Скорость подачи проволоки зависит от поперечного сечения припоя и скорости пайки. Пайка, благодаря количеству присадочного металла, обеспечивает более легкую обработку формовочного материала по сравнению с аналогичными сварными швами. Пайка листовых деталей позволяет проводить ремонтные работы проще, чем при сварке. Одним из преимуществ лазерной пайки горячей проволокой является хорошая коррозионная стойкость зоны пайки.
В качестве присадочных металлов используются недорогие сплавы на основе меди, такие как SG-CuSi3, а в качестве защитного газа применяется аргон.
Рис. 8: Схематическое представлениеЛазерная термоалюминиевая пайка:
На следующем рисунке показано поперечное сечение материала, спаянного лазерной горячей проволокой. Материал с цинковым покрытием спаивается со скоростью 3 м/мин, а присадочная проволока имеет токовую нагрузку 205 А. Тепловой вклад очень низок, поэтому результатом процесса пайки является низкая деформация.
7. Резюме:
Лазерная гибридная сварка — это совершенно новая технология, предлагающая синергетический эффект в широком спектре применений в металлообрабатывающей промышленности, особенно там, где невозможно или экономически нецелесообразно достичь требуемых допусков для компонентов.лазерная сваркаЗначительно более широкий спектр применения и высокая эффективность комбинированного процесса приводят к повышению конкурентоспособности за счет снижения инвестиционных затрат, сокращения сроков изготовления, снижения производственных издержек и повышения производительности.
Процесс LaserHybrid также предлагает новый подход к сварке алюминия. Однако стабильный процесс, пригодный для практического применения, стал возможен сравнительно недавно, благодаря более высокой доступной выходной мощности твердотельных лазеров. Многочисленные исследования посвящены изучению основ гибридных процессов лазерно-дуговой сварки. Под «гибридным процессом сварки» мы понимаем сочетание лазерной сварки и дуговой сварки с использованием только одной рабочей зоны (плазма и расплав). Фундаментальные исследования показали, что возможен процесс, в котором – за счет сочетания двух процессов – можно достичь синергии и компенсировать недостатки каждого отдельного процесса, что приводит к расширению возможностей сварки, улучшению свариваемости и надежности сварки для многих различных материалов и конструкций. В частности, это было продемонстрировано для алюминиевых сплавов. Выбирая благоприятные параметры процесса, можно избирательно влиять на свойства сварного шва, такие как геометрия и структурная структура. Процесс дуговой сварки увеличивает возможность перекрытия сварного шва за счет добавления присадочного металла; он также определяет ширину сварного шва и, таким образом, уменьшает объем необходимой подготовки заготовки. Кроме того, взаимодействие между процессами приводит к существенному повышению эффективности процесса. Этот комбинированный процесс также требует значительно меньших инвестиционных затрат, чем лазерная сварка.
Лазерная пайка горячей проволокой может использоваться, в частности, для материалов с цинковым покрытием, обеспечивая хорошую коррозионную стойкость.
Дата публикации: 18 апреля 2025 г.
