Både laserstrålesvetsning och bågsvetsning har länge använts för industriell produktion och möjliggör ett brett spektrum av användningsområden inom materialfogningsteknik. Var och en av dessa processer har sina specifika tillämpningsområden, vilka beskrivs av de fysikaliska processerna för energitransporten till arbetsstycket och av de energiflöden som kan erhållas. Energin överförs från laserstrålekällan till materialet för bearbetning med hjälp av högenergisk infraröd koherent strålning, med hjälp av en fiberoptisk kabel. Bågen överför den värme som behövs för svetsning med hjälp av en hög elektrisk ström som flyter till arbetsstycket via en bågpelare. Laserstrålningen leder till en mycket smal värmepåverkad zon med ett stort förhållande mellan svetsdjup och sömbredd (djupsvetseffekt). Lasersvetsprocessens spaltöverbryggande förmåga är mycket låg på grund av dess lilla fokusdiameter, men å andra sidan kan den uppnå mycket höga svetshastigheter. Bågsvetsprocessen har en mycket lägre energitäthet, men orsakar en större fokuspunkt på arbetsstyckets yta och kännetecknas av en långsammare bearbetningshastighet. Genom att slå samman båda dessa processer kan användbara synergier uppnås. I slutändan möjliggör detta att uppnå både kvalitetsfördelar och produktionstekniska fördelar, samt förbättrad kostnadseffektivitet. Denna process erbjuder intressanta och ekonomiskt attraktiva tillämpningar, både inom bilindustrin, inte minst eftersom högre toleranser tillåts på svetsarna, högre foghastigheter är möjliga och mycket goda mekaniska/tekniska parametrar kan uppnås.
1. Introduktion:
Ända sedan 1970-talet har det varit känt hur man kombinerar laserljus och ljusbåge i en sammanslagen svetsprocess, men under lång tid därefter genomfördes inget ytterligare utvecklingsarbete. Nyligen har forskare återigen vänt sin uppmärksamhet mot detta ämne och försökt förena ljusbågens fördelar med laserns, i en hybridsvetsprocess. Medan laserkällor i början fortfarande var tvungna att bevisa sin lämplighet för industriellt bruk, är de numera standardutrustning i många tillverkningsföretag.
Kombinationen av lasersvetsning med en annan svetsprocess kallas för en "hybridsvetsprocess". Det innebär att en laserstråle och en ljusbåge verkar samtidigt i en svetszon och påverkar och stödjer varandra.
2. Laser:
Lasersvetsning kräver inte bara hög lasereffekt utan även en högkvalitativ stråle för att uppnå önskad "djupsvetseffekt". Den resulterande högre strålkvaliteten kan utnyttjas antingen för att få en mindre fokusdiameter eller ett större fokusavstånd.
För de utvecklingsprojekt som för närvarande pågår används en lamppumpad fastfaslaser med en laserstråleeffekt på 4 kW. Laserljuset överförs via en 600 µm glasfiber.
Laserljuset överförs via en glasfiber, där början och slutet är vattenkylda. Laserstrålen projiceras på arbetsstycket av en fokuseringsmodul med ett brännvidd på 200 mm.
3. Laserhybridprocess:
För svetsning av metalliska arbetsstycken fokuseras Nd:YAG-laserstrålen på intensiteter över 10⁶ W/cm². När laserstrålen träffar materialytan värmer den upp denna punkt till förångningstemperatur, och en ångkavitet bildas i svetsgodset på grund av den utströmmande metallångan. Det utmärkande för svetssömmen är dess höga förhållande mellan djup och bredd. Energiflödestätheten för den fritt brinnande ljusbågen är strax över 10⁴ W/cm². Figur 1 illustrerar den grundläggande principen för hybridsvetsning. Laserstrålen
Avbildad här matar värme till svetsgodset i den övre delen av sömmen, utöver värmen från bågen. Till skillnad från en sekventiell konfiguration där två separata svetsprocesser agerar i följd, kan hybridsvetsning ses som en kombination av båda svetsprocesserna som agerar samtidigt i en och samma processzon. Beroende på vilken båg- eller laserprocess som används, och på processparametrarna, kommer processerna att påverka varandra i olika utsträckning och på olika sätt [1, 2].
Tack vare kombinationen av laserprocessen och bågprocessen ökar både svetsdjupet och svetshastigheten (jämfört med att använda en av processerna separat). Metallångan som släpps ut från ånghålan verkar retroaktivt på bågplasman. Absorptionen av Nd:YAG-laserstrålningen i processplasman förblir försumbar. Beroende på vilket förhållande mellan de två effektingångarna som väljs kan den totala processens karaktär bestämmas i större eller mindre grad antingen av lasern eller av bågen [3,4].
Bild 1: Schematisk representation: LaserHybrid-svetsning
Absorptionen av laserstrålningen påverkas avsevärt av arbetsstyckets yta. Innan lasersvetsprocessen kan påbörjas måste den initiala reflektansen först övervinnas, särskilt på aluminiumytor. Detta kan uppnås genom att starta svetsningen med ett speciellt startprogram. Efter att förångningstemperaturen har uppnåtts bildas ånghålan, vilket resulterar i att nästan all strålningsenergi kan matas in i arbetsstycket. Den energi som krävs för detta bestäms således av den temperaturberoende absorptionen och av mängden energi som förloras.
genom ledning in i resten av arbetsstycket. Vid laserhybridsvetsning sker förångning inte bara från arbetsstyckets yta utan även från tillsatstråden, vilket innebär att det finns mer metallånga tillgänglig, vilket i sin tur underlättar inmatningen av laserstrålningen. Detta förhindrar också processavbrott [5, 6, 7, 8, 9].
4. Tillämpning inom fordonsindustrin:
Genom att använda rymdframe-teknik är en viktminskning på 43 % möjlig jämfört med en stålkaross.
Bild 2: Audi Spaceframe A2-koncept
Audi A2 Space-ramen består av 30 m lasersvets (gula remsor i figur 2) och 20 m MIG-svetslängd. Dessutom används 1700 nitar.
Bild 3: Jämförelse av profiler och sammanfogningstekniker på Audi-A2
Figur 4 visar en LaserHybrid-svetsfog av ett ALMg3-gjutet material med ett AlMgSi-plåtmaterial. Tillsatstråden är AlSi5 och den använda skyddsgasen är argon. Med ökande lasereffekt är djupare penetration möjlig. Genom att kombinera laserstrålen med ljusbågen på detta sätt uppnås en större smältpool än med enbart laserstrålesvetsprocessen. Detta gör det möjligt att svetsa komponenter med bredare spalter.
Fig 4: Överlappningsfog med ett mellanrum på 0,5 mm
Inom bilindustrin finns det många tillämpningar av överlappsvetsning utan skarvförberedelse. För närvarande är den modernaste processen för detta svetsjobb lasersvetsningsprocessen med kall tillsatstråd, på grund av varmsprickbildning i AA 6xxx-legeringen. När fogen svetsas med tillsatstråd kommer mycket av laserenergin att gå förlorad för att smälta tillsatstråden.
Nästa figur visar skillnaderna mellan LaserHybrid- och lasersvetsning på en överlappande fog med en svetshastighet på 2,4 m/min. Vid lasersvetsning finns det ingen möjlighet att fylla svetssträngen, och underskärning uppstår. Dessutom är penetrationen i grundmaterialet mycket liten. Svetssträngens bredd är mycket liten, och därför förväntas en låg draghållfasthet. Vid LaserHybrid-svetsning,
Ytterligare material transporteras in i smältbadet. Underskärningen fylls med tråden från MIG-processen, och en del av laserenergin sparas nu. Denna sparade laserenergi kan användas för att öka penetrationen i basmaterialet och svetssträngens bredd är större än materialtjockleken, vilket krävs enligt den numeriska simuleringen.
Fig. 5 Jämförelse mellan LaserHybrid och lasersvetsning utan tillsatstråd
Med LaserHybrid-svetsningsmetoden är det möjligt att svetsa material av aluminium, stål och rostfritt stål från upp till 4 mm godstjocklek. Om tjockleken är för hög är full penetration inte möjlig. För att sammanfoga zinkbelagda material är det också att föredra att använda laserlödningsprocessen.
Ytterligare tillämpningar inom fordonsindustrin är drivlinor, axlar och bilkarosser, där laserhybridsvetsprocessen kan vara lämplig.
Svetshuvud:
Svetshuvudet bör ha små geometriska dimensioner för att säkerställa god åtkomst till de komponenter som ska svetsas, särskilt inom bilkarosseribranschen. Dessutom bör det vara utformat för att möjliggöra både en lämplig avtagbar anslutning till robothuvudet och justerbarhet av processvariabler som fokusavstånd och brännaravstånd i alla kartesiska koordinater. Figur 5 visar svetshuvudet medan processen är igång. Stänket som uppstår under svetsprocessen leder till ökad nedsmutsning av skyddsglaset. Kvartsglaset är belagt på båda sidor med ett antireflexmaterial och är avsett att skydda laserns optiska system från skador.
Beroende på graden av smuts kan stänk som samlas på glaset minska lasereffekten som faktiskt träffar arbetsstycket med så mycket som 90 %. Mer smuts leder generellt till att skyddsglaset förstörs, eftersom en så stor andel av strålningsenergin absorberas av själva glaset, vilket orsakar termiska spänningar i glaset. Med det svetshuvudet och den svetsutrustningen är det möjligt att använda det för laserhybridsvetsning, lasersvetsning, MSG-svetsning och...Laserlödning med varm tråd.
Bild 6: Svetshuvud och process
5. Fördelar med laserhybridsvetsning:
Följande fördelar uppstår genom att kombinera båg- och laserstråle: Fördelar med laserhybridsvetsning jämfört med lasersvetsning:
• högre processstabilitet
• högre överbryggbarhet
• djupare penetration
• lägre investeringskostnader
• större duktilitet
Fördelar med laserhybridsvetsning jämfört med MIG-svetsning:
• högre svetshastigheter
• djupare svetsinträngning vid högre svetshastigheter
• lägre värmeeffekt
• högre draghållfasthet
• smalare svetsfogar
Bild 7: Fördelar med att kombinera de två processerna
Bågsvetsprocessen kännetecknas av en billig energikälla, god bryggförmåga och möjligheten att påverka strukturen genom att tillsätta tillsatsmaterial. De utmärkande egenskaperna för laserstrålprocessen är å andra sidan det stora svetsdjupet, den höga svetshastigheten, den låga termiska belastningen och de smala svetsfogarna som uppnås. Över en viss stråldensitet producerar laserstrålen en "djupsvetseffekt" i metalliska material som möjliggör svetsning av komponenter med större väggtjocklekar – förutsatt att lasereffekten är tillräckligt hög. Laserhybridsvetsning ger således högre svetshastigheter, processstabilisering på grund av samspelet mellan bågen och laserstrålen, ökad termisk effektivitet och större toleranser för arbetsstycket. Eftersom smältbadet är mindre än i MIG-processen blir det mindre värmetillförsel och därmed en mindre värmepåverkad zon. Detta innebär mindre svetsfogar.
förvrängning, vilket minskar mängden efterföljande rätningsarbete som behöver utföras efter svetsningen.
Där det finns två separata svetsbad innebär den efterföljande värmeinmatningen från bågen att laserstrålen – det svetsade området – särskilt när det gäller stål – får en efterbehandling av svetsningen, vilket fördelar hårdhetsvärdena jämnare över sömmen. Figur 6 sammanfattar fördelarna med den kombinerade (dvs. hybrid) processen.
Om vi nu övergår till de ekonomiska fördelarna med hybridsvetsning jämfört med lasersvetsning kan följande påståenden göras: Svetsfogen består delvis av en lasersvets och delvis av en MIG-svets. Hybridprocessen gör det möjligt att minska laserstrålens effekt, vilket innebär att laserkällans energiförbrukning kan minskas kraftigt, eftersom laserstråleapparaten har en verkningsgrad på endast 3 %. Med andra ord: En minskning med 1 kW av laserstrålens effekt som påverkar arbetsstycket leder till en minskning med cirka 35 kVA av effekten som förbrukas från elnätet.
En laserstråleapparat kostar cirka 0,1 miljoner euro för varje kWlaserstrålens effektFör att bara ta ett exempel, i ett fall där utnyttjandet av hybridprocessen gör det möjligt att använda en laserstråleapparat på 2 kW istället för en med 4 kW stråleffekt, resulterar detta i besparingar på 0,2 miljoner euro i investeringsutgifter. Det måste dock komma ihåg att för hybridprocessen kommer en MIG-maskin som kostar cirka 20 000 euro att behövas.
Tack vare den högre svetshastigheten kan både tillverkningstiderna och svetskostnaderna minskas.
6. Laserhettrådslödning:
En annan möjlighet att kombinera laserstrålen med en tillsatstråd är LaserHotwire-processen [10]. I denna procedur förvärms tillsatstråden med samma strömkälla, som kan användas förLaserhybridsvetsningsprocessTillsatstråden har en strömbelastning från 100 A upp till 220 A. Trådmatningshastigheten beror på lödsträngens tvärsnitt och lödhastigheten. Lödning erbjuder, genom mängden tillsatsmaterial, ett gjutmaterial som kan ytbehandlas enklare än jämförbara svetsfogar. Genom lödning av plåtdelar kan reparationsarbeten utföras på ett enklare sätt än vad som skulle vara fallet med svetsade fogar. En fördel med LaserHotwire-lödning är den goda korrosionsbeständigheten i den lödda zonen.
Som tillsatsmetaller används billiga kopparbaserade legeringar som SG-CuSi3 och argon fungerar som skyddsgas.
Bild 8: Schematisk representationLaserlödning med varm tråd:
Nästa figur visar tvärsnittet av ett laserlöddt varmlödt material. Det zinkbelagda materialet löds med en hastighet av 3 m/min och tillsatstråden har en strömbelastning på 205 A. Värmetillförseln är mycket låg, därför blir lödningsprocessen en låg distorsion.
7. Sammanfattning:
Laserhybridsvetsning är en helt ny teknik som erbjuder synergier för ett brett användningsområde inom metallbearbetningsindustrier, särskilt där det inte är möjligt eller ekonomiskt hållbart att uppnå de komponenttoleranser som krävs förlaserstrålesvetsningDet mycket bredare användningsområdet och den kombinerade processens höga kapacitet leder till ökad konkurrenskraft i form av minskade investeringsutgifter, kortare tillverkningstider, lägre tillverkningskostnader och högre produktivitet.
LaserHybrid-processen erbjuder också ett nytt tillvägagångssätt för svetsning av aluminium. En stabil process som kan användas i praktiken har dock först nyligen blivit möjlig tack vare de högre tillgängliga uteffekterna hos fasta tillståndslasrar. Många studier har undersökt grunderna i laser-båg-hybridsvetsprocesser. Med "hybridsvetsprocess" menar vi kombinationen av laserstrålesvetsning och bågsvetsningsprocessen, med endast en enda processzon (plasma och smälta). Grundläggande forskningsstudier har visat att en process är möjlig där – genom att kombinera de två processerna – synergier kan uppnås och nackdelarna med varje separat process kan kompenseras för, vilket resulterar i förbättrade svetsmöjligheter, svetsbarhet och svetssäkerhet för många olika material och konstruktioner. Detta har särskilt visats för aluminiumlegeringar. Genom att välja gynnsamma processparametrar är det möjligt att selektivt påverka svetsegenskaper som geometri och strukturell konstitution. Bågsvetsprocessen ökar överbryggningsförmågan genom att tillsätta tillsatsmaterial; den bestämmer också svetsfogens bredd och minskar därmed mängden arbetsstyckets förberedelse som behövs. Dessutom leder interaktionerna mellan processerna till en betydande ökning av processens effektivitet. Denna kombinationsprocess kräver också betydligt lägre investeringskostnader än lasersvetsprocessen.
Laserlödningsprocessen kan användas särskilt för zinkbelagda material för att få god korrosionsbeständighet.
Publiceringstid: 18 april 2025
