Sawol laserstraallassen as bôgelassen wurde al lang brûkt foar yndustriële produksje, en meitsje in breed spektrum fan gebrûk mooglik op it mêd fan materiaalferbiningtechnology. Elk fan dizze prosessen hat syn spesifike tapassingsgebieten, lykas beskreaun troch de fysike prosessen fan it enerzjytransport nei it wurkstik en troch de enerzjystreamen dy't kinne wurde krigen. De enerzjy wurdt oerdroegen fan 'e laserstraalboarne nei it materiaal foar ferwurking troch middel fan hege-enerzjy ynfraread koherinte strieling, mei in glêstriedkabel. De bôge bringt de waarmte dy't nedich is foar it lassen oer troch middel fan in hege elektryske stroom dy't fia in bôgekolom nei it wurkstik streamt. De laserstrieling liedt nei in heul smelle waarmte-beynfloede sône mei in grutte ferhâlding fan lasdjipte ta naadbreedte (djippe laseffekt). It gat-oerbrêgjende fermogen fan it laserlasproses is heul leech, fanwegen syn lytse fokusdiameter, mar oan 'e oare kant kin it heul hege lassnelheden berikke. It bôgelasproses hat in folle legere enerzjytichtens, mar feroarsaket in gruttere fokusflek op it oerflak fan it wurkstik en wurdt karakterisearre troch in stadiger ferwurkingssnelheid. Troch beide prosessen te gearfoegjen kinne nuttige synergieën wurde berikt. Uteinlik makket dit it mooglik om sawol kwaliteitsfoardielen as produksjetechnyske foardielen te berikken, lykas ferbettere kosteneffisjinsje. Dit proses biedt nijsgjirrige en ekonomysk oantreklike tapassingen, sawol yn 'e auto-yndustry, net yn it minst om't hegere tolerânsjes tastien binne op 'e lasnaden, hegere ferbiningssnelheden mooglik binne, en tige goede meganyske/technologyske parameters berikt wurde kinne.
1. Ynlieding:
It is al sûnt de jierren '70 bekend hoe't laserljocht en de bôge kombinearre wurde kinne ta in gearfoege lasproses, mar lange tiid dêrnei is der gjin fierdere ûntwikkeling dien. Koartlyn hawwe ûndersikers har oandacht wer op dit ûnderwerp rjochte en besocht de foardielen fan 'e bôge te ferienigjen mei dy fan 'e laser, yn in hybride lasproses. Wylst laserboarnen yn 'e begjintiid noch har geskiktheid foar yndustrieel gebrûk bewize moasten, binne se tsjintwurdich standert technologyske apparatuer yn in protte produksjebedriuwen.
De kombinaasje fan laserlassen mei in oar lasproses wurdt oantsjut as in "hybride lasproses". Dit betsjut dat in laserstriel en in bôge tagelyk yn ien lasône wurkje, en elkoar beynfloedzje en stypje.
2. Laser:
Laserlassen fereasket net allinich hege laserkrêft, mar ek in striel fan hege kwaliteit om it winske "djippe laseffekt" te krijen. De resultearjende hegere kwaliteit fan 'e striel kin brûkt wurde om in lytsere fokusdiameter of in gruttere fokusôfstân te krijen.
Foar de ûntwikkelingsprojekten dy't op it stuit oan 'e gong binne, wurdt in lampepompte fêste-steatlaser mei in laserstrielfermogen fan 4 kW brûkt. It laserljocht wurdt oerbrocht fia in glêstried fan 600 µm.
It laserljocht wurdt oerbrocht fia in glêstried, wêrfan it begjin en it ein wetterkuolle binne. De laserstriel wurdt op it wurkstik projektearre troch in fokusmodule mei in fokusôfstân fan 200 mm.
3. Laserhybrideproses:
Foar it lassen fan metalen wurkstikken wurdt de Nd:YAG-laserstriel rjochte op yntensiteiten boppe 106W/cm2. As de laserstriel it oerflak fan it materiaal rekket, ferwaarme it dizze plak oant ferdampingstemperatuer, en ûntstiet in dampholte yn it lasmetaal troch de ûntsnappende metaaldamp. It ûnderskiedende skaaimerk fan 'e lasnaad is de hege djipte-breedteferhâlding. De enerzjy-streamtichtens fan 'e frij baarnende bôge is krekt boppe 104 W/cm2. Figuer 1 yllustrearret it basisprinsipe fan hybride lassen. De laserstriel
hjir ôfbylde fiedt waarmte nei it lasmetaal yn it boppeste diel fan 'e naad, neist de waarmte fan 'e bôge. Oars as in sekwinsjele konfiguraasje wêrby't twa aparte lasprosessen efterinoar wurkje, kin hybride lassen wurde sjoen as in kombinaasje fan beide lasprosessen dy't tagelyk wurkje yn ien en deselde prosesône. Ofhinklik fan hokker bôge- of laserproses wurdt brûkt, en fan 'e prosesparameters, sille de prosessen inoar yn in oare mjitte en op ferskillende manieren beynfloedzje [1, 2].
Troch de kombinaasje fan it laserproses en it bôgeproses is der ek in tanimming fan sawol de laspenetraasjedjipte as de lassnelheid (yn ferliking mei ien fan 'e prosessen dy't op himsels brûkt wurde). De metaaldamp dy't út 'e dampholte ûntsnapt, wurket werom op it bôgeplasma. De absorpsje fan 'e Nd:YAG-laserstrieling yn it ferwurkingsplasma bliuwt ferwaarloosber. Ofhinklik fan hokker ferhâlding fan 'e twa krêftynputs keazen wurdt, kin it karakter fan it algemiene proses yn mear of mindere mjitte bepaald wurde troch de laser of troch de bôge [3,4].
Fig. 1: Skematyske foarstelling: LaserHybrid-lassen
De absorpsje fan 'e laserstrieling wurdt flink beynfloede troch de temperatuer fan it oerflak fan it wurkstik. Foardat it laserlasproses begjinne kin, moat earst de earste reflektânsje oerwûn wurde, foaral op aluminium oerflakken. Dit kin berikt wurde troch te begjinnen mei lassen mei in spesjaal startprogramma. Nei't de ferdampingstemperatuer berikt is, wurdt de dampholte foarme, mei as gefolch dat hast alle strielingsenerzjy yn it wurkstik ynfierd wurde kin. De enerzjy dy't hjirfoar nedich is, wurdt dus bepaald troch de temperatuerôfhinklike absorpsje en troch de hoemannichte enerzjy dy't ferlern giet.
troch gelieding yn 'e rest fan it wurkstik. By LaserHybrid-lassen fynt ferdamping net allinich plak fan it oerflak fan it wurkstik, mar ek fan 'e fillerdraad, wat betsjut dat der mear metaaldamp beskikber is, wat op syn beurt de ynfier fan 'e laserstrieling fasilitearret. Dit foarkomt ek prosesútfal [5, 6, 7, 8, 9].
4. Automotive tapassing:
Troch gebrûk te meitsjen fan spaceframe-technology is in gewichtsreduksje fan 43% mooglik yn ferliking mei in stielen autokarossery.
Ofbylding 2: Audi Spaceframe A2-konsept
It frame fan 'e Audi A2 Space bestiet út in lasnaadlingte fan 30 m (giele strips yn figuer 2) en in MIG-laslingte fan 20 m. Derneist wurde der ek 1700 klinknagels brûkt.
Fig. 3: Ferliking fan profilen en ferbiningstechniken op 'e Audi-A2
Figuer 4 lit in LaserHybrid-lasferbining sjen fan in ALMg3-gietmateriaal mei in AlMgSi-plaatmateriaal. De fillertried is AlSi5 en it brûkte beskermingsgas is Argon. Mei tanimmende laserkrêft is djippere penetraasje mooglik. Troch de laserstriel op dizze manier te kombinearjen mei de bôge wurdt in grutter lasbad berikt as mei it laserstrieallasproses op himsels. Dit makket it mooglik om komponinten mei bredere gatten te lassen.
Fig. 4: Oerlaapferbining mei in gat fan 0,5 mm
Yn 'e auto-yndustry binne der in soad tapassingen fan oerlaaplassen sûnder tarieding fan 'e naad. Op it stuit is it state-of-the-art proses foar dizze lasbaan it laserlasproses mei in kâlde fillertried, fanwegen hjitte barsten fan 'e AA 6xxx-legering. As de naad mei in fillertried laske wurdt, sil in soad fan 'e laserenerzjy ferlern gean om dy fillertried te smelten.
De folgjende figuer jout de ferskillen oan tusken LaserHybrid en Laserlassen op in oerlaapferbining mei in lassnelheid fan 2,4 m/min. Yn it gefal fan laserlassen is der gjin mooglikheid om de laskraal op te foljen, en wurdt der ûndersnijing produsearre. Ek is der mar in heul lytse penetraasje yn it basismateriaal. De breedte fan 'e laskraal is heul lyts, en dêrom wurdt in lege treksterkte ferwachte. Yn it gefal fan LaserHybrid-lassen,
ekstra materiaal wurdt yn it lasbad transportearre. De ûndersnijing wurdt fol mei de tried fan it MIG-proses, en in diel fan 'e laserenerzjy wurdt no besparre. Dizze besparre laserenerzjy kin brûkt wurde om de penetraasje yn it basismateriaal te fergrutsjen en de breedte fan 'e laskraal is grutter as de materiaaldikte, wat fereaske is út 'e numerike simulaasje.
Fig. 5 Ferliking tusken LaserHybrid en laserlassen sûnder filledraad
Mei de LaserHybrid-lasproseduere is it mooglik om materialen fan aluminium, stiel en roestfrij stiel te lassen oant in materiaaldikte fan maksimaal 4 mm. As de dikte te heech is, is folsleine penetraasje net mooglik. Foar it ferbinen fan sinkbedekte materialen is it ek better om it lasersoldeerproses te brûken.
Fierdere tapassingen yn 'e auto-yndustry binne oandriuwtreinen, assen en autokarossen, dêr't it laserhybride lasproses geskikt wêze kin.
Laskop:
De laskop moat lytse geometryske ôfmjittings hawwe, om goede tagonklikens ta de te lassen ûnderdielen te garandearjen, benammen yn it auto-karrosseriefjild. Boppedat moat it ûntworpen wêze om sawol in gaadlike ôfneembere ferbining mei de robotkop as ferstelberens fan prosesfariabelen lykas fokusôfstân en brânstofôfstannen yn alle Cartesyske koördinaten mooglik te meitsjen. Figuer 5 lit de laskop sjen, wylst it proses yn aksje is. It spatten dat foarkomt tidens it lasproses liedt ta tanimmende fersmoarging fan it beskermjende glês. It kwartsglês is oan beide kanten bedekt mei in anty-reflektearjend materiaal en is bedoeld om it laseroptyske systeem te beskermjen tsjin skea.
Ofhinklik fan 'e mjitte fan fersmoarging kin de spatten dy't op it glês sammelje derfoar soargje dat de laserkrêft dy't eins op it wurkstik rekket mei wol 90% ôfnimt. Swiere fersmoarging liedt oer it algemien ta de ferneatiging fan it beskermjende glês, om't sa'n grut part fan 'e strieljende enerzjy dan troch it glês sels opnommen wurdt, wêrtroch termyske spanningen yn it glês ûntsteane. Mei dy laskop en lasapparatuer is it mooglik om it te brûken foar LaserHybrid-lassen, laserlassen, MSG-lassen enLaser hjitte triedsolderen.
Fig. 6: Laskop en proses
5. Foardielen fan laserhybride lassen:
De folgjende foardielen ûntsteane út it gearfoegjen fan bôge- en laserstriel: Foardielen fan LaserHybrid-lassen boppe laserlassen:
• hegere prosesstabiliteit
• hegere brêgeberens
• djippere penetraasje
• legere ynvestearringskosten
• gruttere duktiliteit
Foardielen fan LaserHybrid-lassen boppe MIG-lassen:
• hegere lassnelheid
• djippere penetraasje by hegere lassnelheid
• legere termyske ynput
• hegere treksterkte
• smellere lasnaden
Fig. 7: Foardielen fan it kombinearjen fan de twa prosessen
It bôgelassenproses wurdt karakterisearre troch in goedkeape enerzjyboarne, goede brêgemooglikheden en troch de mooglikheid om de struktuer te beynfloedzjen troch it tafoegjen fan fillermetalen. De ûnderskiedende skaaimerken fan it laserstraalproses binne oan 'e oare kant de grutte lasdiepte, hege lassnelheid, lege termyske lading en smelle lasnaden dy't it berikt. Boppe in bepaalde strieltichtens produseart de laserstraal in "djippe laseffekt" yn metalen materialen, wêrtroch komponinten mei gruttere wanddikten lassen wurde kinne - mits it laserfermogen heech genôch is. Laserhybridelassen soarget dus foar hegere lassnelheden, prosesstabilisaasje troch de ynteraksje tusken de bôge en de laserstraal, ferhege termyske effisjinsje en gruttere tolerânsjes foar it wurkstik. Omdat it lasbad lytser is as yn it MIG-proses, is der minder termyske ynfier en dus in lytsere waarmte-beynfloede sône. Dit betsjut minder laswurk.
ferfoarming, wat de hoemannichte rjochtmeitsjend wurk nei it lassen ferminderet.
Wêr't der twa aparte lasbaden binne, betsjut de neifolgjende termyske ynfier fan 'e bôge dat de laserstraal - it lassen gebiet - foaral yn it gefal fan stiel - in temperbehanneling nei it lassen krijt, wêrtroch't de hurdenswearden evenrediger oer de naad ferspraat wurde. Figuer 6 vat de foardielen fan it kombineare (d.w.s. hybride) proses gear.
As wy no oergeane nei de ekonomyske foardielen fan hybride lassen boppe laserlassen, kinne de folgjende útspraken dien wurde: De lasnaad bestiet foar in part út in laserlas en foar in part út in MIG-las. It hybride proses makket it mooglik om it fermogen fan 'e laserstriel te ferminderjen, wat betsjut dat it enerzjyferbrûk fan 'e laserboarne sterk fermindere wurde kin, om't it laserstrielapparaat in effisjinsje fan mar 3% hat. Mei oare wurden: In reduksje fan 1 kW yn it laserstrielfermogen dat ynfloed hat op it wurkstik liedt ta in reduksje fan sawat 35 kVA yn it fermogen dat ferbrûkt wurdt fan it elektrisiteitsnet.
In laserstraalapparaat kostet sawat € 0,1 miljoen foar elke 1 kW fanlaserstraalkrêftOm mar ien foarbyld te nimmen, yn in gefal dêr't it brûken fan it hybride proses it mooglik makket om in laserstrielapparaat fan 2 kW te brûken ynstee fan ien mei 4 kW strielkrêft, resultearret dit yn in besparring fan € 0,2 miljoen oan ynvestearringsútjeften. Hjir moat lykwols betocht wurde dat foar it hybride proses in MIG-masine nedich is dy't sawat € 20.000 kostet.
Troch de hegere lassnelheid kinne sawol de fabrikaazjetiden as de laskosten wurde fermindere.
6. LaserHotwire solderen:
In oare mooglikheid foar it kombinearjen fan de laserstriel mei in fillertried is it LaserHotwire-proses [10]. Yn dizze proseduere wurdt de fillertried foarferwaarme mei deselde stroomboarne, dy't brûkt wurde kin foar deLaser Hybride lasprosesDe fillertried hat in stroombelesting fan 100 A oant 220 A. De triedoanfiersnelheid hinget ôf fan 'e dwerstrochsneed fan 'e soldeerkraal en fan 'e soldeersnelheid. Solderen biedt, troch de hoemannichte fillermetaal, in foarmmateriaal dat makliker ôfmakke wurde kin as fergelykbere lasnaden. Troch it solderen fan plaatdielen kin reparaasjewurk makliker útfierd wurde as by lasnaden. Ien foardiel fan LaserHotwire-solderen is de goede korrosjebestriding fan 'e soldeerzone.
As fillermetalen wurde goedkeape koperbasearre legeringen lykas SG-CuSi3 brûkt en argon tsjinnet as in beskermingsgas.
Fig. 8: Skematyske foarstellingLaser hjitte triedsolderen:
De folgjende figuer lit de dwerstrochsneed sjen fan in mei laser hjitte tried soldeare materiaal. It sinkbedekte materiaal wurdt soldeare mei in snelheid fan 3 m/min en de fillertried hat in stroomlast fan 205 A. De waarmte-ynfier is tige leech, dêrom is in lege ferfoarming it resultaat fan it soldearproses.
7. Gearfetting:
Laserhybride lassen is in folslein nije technology dy't synergie biedt foar in breed skala oan tapassingen yn 'e metaalferwurkingsyndustry, foaral dêr't it net mooglik of finansjeel rendabel is om de komponinttolerânsjes te berikken dy't nedich binne foarlaserstraallassenIt folle bredere tapassingsgebiet en de hege kapasiteit fan it kombineare proses liede ta ferhege konkurrinsjefermogen yn termen fan fermindere ynvestearringsútjeften, koartere fabrikaazjetiden, legere produksjekosten en hegere produktiviteit.
It LaserHybrid-proses biedt ek in nije oanpak foar it lassen fan aluminium. In stabyl proses dat yn 'e praktyk brûkt wurde kin, is lykwols pas relatyf koartlyn mooglik wurden, tanksij de hegere beskikbere útfierkrêften fan fêste-steatlasers. Tal fan stúdzjes hawwe de fûneminten fan laser-bôge-hybride lasprosessen ûndersocht. Mei "hybride lasproses" bedoele wy de kombinaasje fan laserstraallassen en it bôgelasproses, mei mar ien prosesône (plasma en smelt). Basisûndersyksstúdzjes hawwe oantoand dat in proses mooglik is wêrby't - troch de twa prosessen te kombinearjen - synergieën berikt wurde kinne en de neidielen fan elk apart proses kompensearre wurde kinne, wat resulteart yn ferbettere lasmooglikheden, lasberens en lasbetrouberens foar in protte ferskillende materialen en konstruksjes. Yn it bysûnder is dit oantoand foar aluminiumlegeringen. Troch geunstige prosesparameters te kiezen, is it mooglik om laseigenskippen lykas geometry en strukturele konstruksje selektyf te beynfloedzjen. It bôgelasproses fergruttet de oerbrêgeberens troch it tafoegjen fan fillermetaal; it bepaalt ek de lasnaadbreedte en ferminderet sadwaande de hoemannichte wurkstiktarieding dy't nedich is. Boppedat liede de ynteraksjes dy't plakfine tusken de prosessen ta in substansjele ferheging fan 'e effisjinsje fan it proses. Dit kombinaasjeproses fereasket ek folle lytsere ynvestearringskosten as it laserlasproses.
It laser-hjitte triedsoldeerproses kin benammen brûkt wurde foar sinkbedekte materialen om in goede korrosjebestriding te krijen.
Pleatsingstiid: 18 april 2025
