Sekä lasersädehitsausta että kaarihitsausta on käytetty pitkään teollisessa tuotannossa, ja ne mahdollistavat laajan kirjon käyttökohteita materiaalien liitostekniikan alalla. Kummallakin näistä prosesseista on omat erityisalueensa, jotka kuvaavat energian siirtymisen fysikaaliset prosessit työkappaleeseen ja saavutettavat energiavirrat. Energia siirretään lasersäteen lähteestä käsiteltävään materiaaliin korkeaenergisen infrapunakoherentin säteilyn avulla valokuitukaapelia käyttäen. Kaari siirtää hitsaukseen tarvittavan lämmön työkappaleeseen valokaaren kautta virtaavan suuren sähkövirran avulla. Lasersäteily johtaa erittäin kapeaan lämpövaikutusvyöhykkeeseen, jossa hitsaussyvyyden suhde sauman leveyteen on suuri (syvähitsausvaikutus). Laserhitsausprosessin rakojen silloituskyky on hyvin heikko pienen polttovälin halkaisijan vuoksi, mutta toisaalta sillä voidaan saavuttaa erittäin suuria hitsausnopeuksia. Kaarihitsausprosessilla on paljon pienempi energiatiheys, mutta se aiheuttaa suuremman polttovälin työkappaleen pinnalle ja sille on ominaista hitaampi käsittelynopeus. Yhdistämällä nämä kaksi prosessia voidaan saavuttaa hyödyllisiä synergioita. Viime kädessä tämä mahdollistaa sekä laatuetujen että tuotantoteknisten hyötyjen saavuttamisen ja kustannustehokkuuden parantamisen. Tämä prosessi tarjoaa mielenkiintoisia ja taloudellisesti houkuttelevia sovelluksia sekä autoteollisuudessa, koska hitsatuille rakenteille sallitaan suuremmat toleranssit, että suuremmat liitosasteet ovat mahdollisia ja voidaan saavuttaa erittäin hyvät mekaaniset/teknologiset parametrit.
1. Johdanto:
Laservalon ja valokaarihitsauksen yhdistäminen yhdistetyksi hitsausprosessiksi on ollut tiedossa jo 1970-luvulta lähtien, mutta pitkään sen jälkeen ei tehty jatkokehitystyötä. Viime aikoina tutkijat ovat jälleen kiinnittäneet huomiota tähän aiheeseen ja yrittäneet yhdistää valokaaren ja laserin edut hybridihitsausprosessissa. Vaikka laserlähteiden soveltuvuus teolliseen käyttöön piti vielä todistaa, nykyään ne ovat monien teollisuusyritysten teknologinen standardilaitteisto.
Laserhitsauksen yhdistämistä toiseen hitsausprosessiin kutsutaan ”hybridihitsausprosessiksi”. Tämä tarkoittaa, että lasersäde ja valokaari toimivat samanaikaisesti yhdessä hitsausvyöhykkeessä ja vaikuttavat toisiinsa sekä tukevat toisiaan.
2. Laser:
Laserhitsaus vaatii paitsi suuren lasertehon myös korkealaatuisen säteen halutun "syvähitsausvaikutuksen" saavuttamiseksi. Tuloksena olevaa parempaa säteen laatua voidaan hyödyntää joko pienemmän polttovälin tai suuremman polttovälin saavuttamiseksi.
Käynnissä olevissa kehityshankkeissa käytetään lamppupumpattua kiinteän olomuodon laseria, jonka lasersäteen teho on 4 kW. Laservalo lähetetään 600 µm:n lasikuidun kautta.
Laservalo lähetetään lasikuidun kautta, jonka alku ja loppu ovat vesijäähdytteisiä. Lasersäde heijastetaan työkappaleeseen tarkennusmoduulilla, jonka polttoväli on 200 mm.
3. Laserhybridiprosessi:
Metallisten työkappaleiden hitsauksessa Nd:YAG-lasersäde kohdistetaan yli 106 W/cm2:n intensiteeteille. Kun lasersäde osuu materiaalin pintaan, se lämmittää tämän kohdan höyrystymislämpötilaan, ja hitsausmetalliin muodostuu höyryontelo poistuvan metallihöyryn ansiosta. Hitsisauman erottava ominaisuus on sen korkea syvyys-leveyssuhde. Vapaasti palavan valokaaren energiatiheys on hieman yli 104 W/cm2. Kuva 1 havainnollistaa hybridihitsauksen perusperiaatetta. Lasersäde
Tässä kuvattu lämpö syöttää lämpöä hitsausmetalliin sauman yläosassa valokaaren lämmön lisäksi. Toisin kuin peräkkäisessä kokoonpanossa, jossa kaksi erillistä hitsausprosessia toimii peräkkäin, hybridihitsausta voidaan pitää molempien hitsausprosessien yhdistelmänä, jotka toimivat samanaikaisesti samassa prosessivyöhykkeessä. Käytettävästä valokaari- tai laserprosessista ja prosessiparametreista riippuen prosessit vaikuttavat toisiinsa eri määrin ja eri tavoin [1, 2].
Laserprosessin ja valokaariprosessin yhdistelmän ansiosta sekä hitsaussyvyydessä että hitsausnopeudessa on kasvua (verrattuna kumpaankaan prosessiin erikseen käytettynä). Höyryontelosta poistuva metallihöyry vaikuttaa takaisin valokaariplasmaan. Nd:YAG-lasersäteilyn absorptio prosessointiplasmassa on merkityksetöntä. Valitusta kahden tehonsyötön suhteesta riippuen joko laser tai valokaari voi määrätä koko prosessin luonteen enemmän tai vähemmän [3,4].
Kuva 1: Kaaviomainen esitys: LaserHybrid-hitsaus
Lasersäteilyn absorptioon vaikuttaa merkittävästi työkappaleen pinnan lämpötila. Ennen kuin laserhitsausprosessi voi alkaa, alkuheijastus on ensin voitettava, erityisesti alumiinipinnoilla. Tämä voidaan saavuttaa aloittamalla hitsaus erityisellä aloitusohjelmalla. Kun höyrystymislämpötila on saavutettu, muodostuu höyryontelo, minkä seurauksena lähes kaikki säteilyenergia voidaan syöttää työkappaleeseen. Tähän tarvittava energia määräytyy siten lämpötilasta riippuvan absorption ja energian menetyksen määrän perusteella.
johtumalla muuhun työkappaleeseen. LaserHybrid-hitsauksessa höyrystyminen tapahtuu paitsi työkappaleen pinnasta myös lisäainelangasta, mikä tarkoittaa, että käytettävissä on enemmän metallihöyryä, mikä puolestaan helpottaa lasersäteilyn syöttöä. Tämä estää myös prosessin keskeytyksen [5, 6, 7, 8, 9].
4. Autoteollisuuden sovellus:
Avaruusrunkoteknologian avulla on mahdollista vähentää painoa 43 % teräskoriin verrattuna.
Kuva 2: Audi Space frame A2 -konseptiauto
Audi A2 Spacen runko koostuu 30 metrin lasersäteestä (keltaiset raidat kuvassa 2) ja 20 metrin MIG-hitsauksesta. Lisäksi käytetään 1700 niittiä.
Kuva 3: Audi-A2:n profiilien ja liitostekniikoiden vertailu
Kuvassa 4 on esitetty LaserHybrid-hitsausliitos ALMg3-valumateriaalista ja AlMgSi-levymateriaalista. Lisäainelanka on AlSi5 ja suojakaasuna argon. Lasertehon kasvaessa syvempi tunkeuma on mahdollinen. Yhdistämällä lasersäde valokaareen saavutetaan suurempi hitsisulama kuin pelkällä lasersädehitsauksella. Tämä mahdollistaa komponenttien hitsauksen leveämmillä rakoilla.
Kuva 4: Limitysliitos, jossa on 0,5 mm:n rako
Autoteollisuudessa on monia sovelluksia limityshitsaukselle ilman liitoksen valmistelua. Tällä hetkellä tähän hitsaustyöhön käytetään laserhitsausta kylmällä lisäainelangalla AA 6xxx -seoksen kuumahalkeilun vuoksi. Kun liitos hitsataan lisäainelangalla, suuri osa laserenergiasta menetetään lisäainelangan sulattamiseen.
Seuraava kuva esittää LaserHybrid- ja laserhitsauksen eroja limitysliitoksessa hitsausnopeudella 2,4 m/min. Laserhitsauksessa hitsauspalkoa ei voida täyttää, ja syntyy alileikkaus. Myös tunkeuma perusmateriaaliin on hyvin pieni. Hitsipalon leveys on hyvin pieni, joten vetolujuuden odotetaan olevan alhainen. LaserHybrid-hitsauksessa
Lisää materiaalia kuljetetaan hitsisulaan. Alaluukku täytetään MIG-prosessista peräisin olevalla langalla, jolloin osa laserenergiasta säästyy. Tätä säästettyä laserenergiaa voidaan käyttää tunkeuman lisäämiseen perusmateriaaliin, ja hitsauspalon leveys on suurempi kuin materiaalin paksuus, mikä vaaditaan numeerisessa simulaatiossa.
Kuva 5. LaserHybridin ja lisäainelangattoman laserhitsauksen vertailu
LaserHybrid-hitsausmenetelmällä on mahdollista hitsata alumiinia, terästä ja ruostumatonta terästä jopa 4 mm:n materiaalipaksuuteen asti. Jos paksuus on liian suuri, täysi tunkeuma ei ole mahdollinen. Sinkkipinnoitettujen materiaalien liittämiseen on myös suositeltavaa käyttää laserjuotosprosessia.
Muita autoteollisuuden sovelluksia ovat voimansiirrot, akselit ja auton korit, joissa laserhybridihitsausprosessi voi soveltua.
Hitsauspää:
Hitsauspään geometristen mittojen tulisi olla pienet, jotta hitsattaviin komponentteihin päästään hyvin käsiksi, erityisesti autokorien valmistuksessa. Lisäksi se tulisi suunnitella siten, että se on sekä irrotettavasti kiinnitettävä robottipäähän että sillä voidaan säätää prosessimuuttujia, kuten polttoväliä ja hitsauspolttimen etäisyyksiä kaikissa karteesisissa koordinaateissa. Kuva 5 esittää hitsauspäätä prosessin aikana. Hitsausprosessin aikana tapahtuva roiskeilu lisää suojalasin likaantumista. Kvartsilasi on päällystetty molemmin puolin heijastamattomalla materiaalilla, ja sen tarkoituksena on suojata laseroptiikkaa vaurioilta.
Likaantumisasteesta riippuen lasille kertyvät roiskeet voivat aiheuttaa työkappaleeseen vaikuttavan laserin tehon heikkenemisen jopa 90 %. Voimakkaampi likaantuminen johtaa yleensä suojalasin tuhoutumiseen, koska suuri osa säteilyenergiasta absorboituu itse lasiin, mikä aiheuttaa lämpöjännityksiä lasiin. Tällä hitsauspäällä ja hitsauslaitteistolla sitä voidaan käyttää LaserHybrid-hitsaukseen, laserhitsaukseen, MSG-hitsaukseen ja...Laser-kuumalankajuotos.
Kuva 6: Hitsauspää ja -prosessi
5. Laserhybridihitsauksen edut:
Seuraavat edut saavutetaan yhdistämällä valokaaren ja lasersäteen: LaserHybrid-hitsauksen edut laserhitsaukseen verrattuna:
• korkeampi prosessin vakaus
• parempi silloitettavuus
• syvempi tunkeutuminen
• alhaisemmat pääomasijoituskustannukset
• suurempi venyvyys
LaserHybrid-hitsauksen edut MIG-hitsaukseen verrattuna:
• suuremmat hitsausnopeudet
• syvempi tunkeutuminen suuremmilla hitsausnopeuksilla
• pienempi lämmöntuotto
• suurempi vetolujuus
• kapeammat hitsaussaumat
Kuva 7: Kahden prosessin yhdistämisen edut
Kaarihitsausprosessille on ominaista edullinen energianlähde, hyvä siltauskyky ja mahdollisuus vaikuttaa rakenteeseen lisäämällä lisäaineita. Lasersädeprosessin erottavia piirteitä ovat puolestaan suuri hitsaussyvyys, korkea hitsausnopeus, alhainen lämpökuorma ja kapeat hitsaussaumat. Tietyn sädetiheyden yläpuolella lasersäde tuottaa metallimateriaaleihin "syvähitsausvaikutuksen", mikä mahdollistaa paksumpien seinämien komponenttien hitsauksen – edellyttäen, että laserteho on riittävän suuri. Laserhybridihitsaus mahdollistaa siten suuremmat hitsausnopeudet, prosessin vakauttamisen valokaaren ja lasersäteen välisen vuorovaikutuksen ansiosta, paremman lämpötehokkuuden ja suuremmat työkappaleen toleranssit. Koska hitsaussulan määrä on pienempi kuin MIG-prosessissa, lämpötuonti on pienempi ja siten myös lämpövaikutusalue pienempi. Tämä tarkoittaa vähemmän hitsausta.
vääristymää, mikä vähentää hitsauksen jälkeisen oikaisutyön määrää.
Jos hitsausalueita on kaksi erillistä, valokaaren tuottama lämpöteho tarkoittaa, että lasersäde – hitsattu alue – erityisesti teräksen tapauksessa – saa hitsauksen jälkeisen päästökäsittelyn, jossa kovuusarvot jakautuvat tasaisemmin sauman yli. Kuvassa 6 on yhteenveto yhdistetyn (eli hybridi) prosessin eduista.
Tarkasteltaessa nyt hybridihitsauksen taloudellisia etuja laserhitsaukseen verrattuna voidaan esittää seuraavat väitteet: Hitsisauma koostuu osittain laserhitsauksesta ja osittain MIG-hitsauksesta. Hybridiprosessi mahdollistaa lasersäteen tehon vähentämisen, mikä tarkoittaa, että laserlähteen energiankulutusta voidaan pienentää huomattavasti, koska lasersädelaitteen hyötysuhde on vain 3 %. Toisin sanoen: 1 kW:n vähennys työkappaleeseen osuvan lasersäteen tehossa johtaa noin 35 kVA:n vähennykseen sähköverkosta kulutetussa tehossa.
Lasersädelaite maksaa noin 0,1 miljoonaa euroa jokaista kilowattituntia kohden.lasersäteen tehoYhtenä esimerkkinä mainittakoon, että jos hybridiprosessin hyödyntäminen mahdollistaa 2 kW:n lasersädelaitteen käytön 4 kW:n sädetehon omaavan laitteen sijaan, investointikustannuksissa säästyy 0,2 miljoonaa euroa. Tässä on kuitenkin muistettava, että hybridiprosessiin tarvitaan noin 20 000 euroa maksava MIG-laite.
Suuremman hitsausnopeuden ansiosta sekä valmistusaikaa että hitsauskustannuksia voidaan lyhentää.
6. LaserHotwire-juotos:
Toinen mahdollisuus yhdistää lasersäde lisäainelankaan on LaserHotwire-prosessi [10]. Tässä menetelmässä lisäainelanka esilämmitetään samalla virtalähteellä, jota voidaan käyttääLaser-hybridihitsausprosessiLisäainelangan virtakuormitus on 100 A:sta 220 A:iin. Langansyöttönopeus riippuu juotospalon poikkileikkauksesta ja juotosnopeudesta. Juotto tarjoaa lisäainemetallin määrän ansiosta muovausmateriaalin, jota on helpompi viimeistellä kuin vastaavia hitsaussaumoja. Levyosien juottamisen ansiosta korjaustyöt voidaan suorittaa helpommin kuin hitsausliitosten tapauksessa. Yksi LaserHotwire-juottamisen eduista on juotetun alueen hyvä korroosionkestävyys.
Lisäainemetalleina käytetään halpoja kuparipohjaisia seoksia, kuten SG-CuSi3, ja argonia käytetään suojakaasuna.
Kuva 8: Kaaviomainen esitysLaser-kuumalankajuotos:
Seuraava kuva esittää laserkuumajuotetun materiaalin poikkileikkausta. Sinkkipinnoitettua materiaalia juotetaan nopeudella 3 m/min ja lisäainelangan virtakuorma on 205 A. Lämmöntuonti on hyvin alhainen, joten juotosprosessin aiheuttama muodonmuutos on pieni.
7. Yhteenveto:
Laserhybridihitsaus on täysin uusi teknologia, joka tarjoaa synergiaetuja laajalle joukolle metallintyöstöteollisuuden sovellusalueita, erityisesti silloin, kun ei ole mahdollista tai taloudellisesti kannattavaa saavuttaa vaadittavia komponenttien toleransseja.lasersädehitsausYhdistetyn prosessin paljon laajempi sovellusalue ja korkea kapasiteetti johtavat parempaan kilpailukykyyn pienempien investointien, lyhyempien valmistusaikojen, alhaisempien valmistuskustannusten ja korkeamman tuottavuuden muodossa.
LaserHybrid-prosessi tarjoaa myös uuden lähestymistavan alumiinin hitsaukseen. Vakaa ja käytännössä käytettävä prosessi on kuitenkin tullut mahdolliseksi vasta suhteellisen äskettäin kiinteän olomuodon lasereiden suuremman käytettävissä olevan tehon ansiosta. Lukuisat tutkimukset ovat tarkastelleet laser-kaari-hybridihitsausprosessien perusteita. "Hybridihitsausprosessilla" tarkoitamme lasersädehitsauksen ja kaarihitsausprosessin yhdistelmää, jossa on vain yksi prosessivyöhyke (plasma ja sulahitsaus). Perustutkimukset ovat osoittaneet, että on mahdollista käyttää prosessia, jossa yhdistämällä kaksi prosessia voidaan saavuttaa synergioita ja kompensoida kunkin erillisen prosessin haitat, mikä johtaa parantuneisiin hitsausmahdollisuuksiin, hitsattavuuteen ja hitsauksen luotettavuuteen monilla eri materiaaleilla ja rakenteilla. Tämä on osoitettu erityisesti alumiiniseoksilla. Valitsemalla suotuisat prosessiparametrit voidaan selektiivisesti vaikuttaa hitsausominaisuuksiin, kuten geometriaan ja rakenteeseen. Kaarihitsausprosessi lisää silloitettavuutta lisäämällä lisäainetta; se myös määrittää hitsaussauman leveyden ja vähentää siten tarvittavan työkappaleen esikäsittelyn määrää. Lisäksi prosessien väliset vuorovaikutukset johtavat prosessin tehokkuuden huomattavaan kasvuun. Tämä yhdistelmäprosessi vaatii myös huomattavasti pienempiä investointikustannuksia kuin laserhitsausprosessi.
Laser-kuumalankajuotosprosessia voidaan käyttää erityisesti sinkkipinnoitetuille materiaaleille hyvän korroosionkestävyyden saavuttamiseksi.
Julkaisun aika: 18. huhtikuuta 2025
