Atât sudarea cu fascicul laser, cât și sudarea cu arc sunt utilizate de mult timp în producția industrială și permit un spectru larg de utilizări în domeniul tehnologiei de îmbinare a materialelor. Fiecare dintre aceste procese are domenii specifice de aplicare, descrise de procesele fizice de transport al energiei către piesa de prelucrat și de fluxurile de energie care pot fi obținute. Energia este transmisă de la sursa fasciculului laser la materialul pentru prelucrare prin intermediul radiației coerente infraroșii de înaltă energie, utilizând un cablu cu fibră optică. Arcul transmite căldura necesară pentru sudare prin intermediul unui curent electric puternic care curge către piesa de prelucrat printr-o coloană de arc. Radiația laser duce la o zonă afectată termic foarte îngustă, cu un raport mare între adâncimea de sudare și lățimea cusăturii (efect de sudură profundă). Capacitatea de acoperire a intersecțiilor a procesului de sudare cu laser este foarte scăzută, datorită diametrului mic al focarului, dar, pe de altă parte, poate atinge viteze de sudare foarte mari. Procesul de sudare cu arc are o densitate de energie mult mai mică, dar provoacă un punct focal mai mare pe suprafața piesei de prelucrat și este caracterizat printr-o viteză de procesare mai lentă. Prin combinarea acestor două procese, se pot obține sinergii utile. În cele din urmă, acest lucru face posibilă obținerea atât a unor avantaje calitative și a unor beneficii din punct de vedere tehnic al producției, cât și a unei eficiențe îmbunătățite a costurilor. Acest proces oferă aplicații interesante și atractive din punct de vedere economic, atât în industria auto, nu în ultimul rând pentru că sunt permise toleranțe mai mari la suduri, sunt posibile rate de îmbinare mai mari și se pot obține parametri mecanici/tehnologici foarte buni.
1. Introducere:
Încă din anii 1970 se știe cum se combină lumina laser și arcul într-un proces de sudare amalgamat, dar mult timp după aceea nu s-au mai întreprins lucrări de dezvoltare. Recent, cercetătorii și-au îndreptat din nou atenția asupra acestui subiect și au încercat să combine avantajele arcului cu cele ale laserului, într-un proces de sudare hibrid. În timp ce la începuturi, sursele laser trebuiau încă să își dovedească adecvarea pentru utilizare industrială, în zilele noastre acestea sunt echipamente tehnologice standard în multe întreprinderi de producție.
Combinarea sudării cu laser cu un alt procedeu de sudare este denumită „procedeu de sudare hibrid”. Aceasta înseamnă că un fascicul laser și un arc acționează simultan într-o zonă de sudare și se influențează și se susțin reciproc.
2. Laser:
Sudarea cu laser necesită nu doar o putere laser mare, ci și un fascicul de înaltă calitate pentru a obține „efectul de sudură profundă” dorit. Calitatea superioară a fasciculului rezultată poate fi exploatată fie pentru a obține un diametru focal mai mic, fie pentru o distanță focală mai mare.
Pentru proiectele de dezvoltare aflate în desfășurare în prezent, se utilizează un laser în stare solidă, pompat cu lampă, cu o putere a fasciculului laser de 4 kW. Lumina laser este transmisă printr-o fibră de sticlă de 600 µm.
Lumina laser este transmisă printr-o fibră de sticlă, al cărei început și sfârșit sunt răcite cu apă. Fasciculul laser este proiectat pe piesa de lucru de către un modul de focalizare cu o distanță focală de 200 mm.
3. Proces hibrid cu laser:
Pentru sudarea pieselor metalice, fasciculul laser Nd:YAG este focalizat la intensități de peste 10⁶ W/cm². Când fasciculul laser atinge suprafața materialului, acesta încălzește acest punct până la temperatura de vaporizare, iar în metalul sudat se formează o cavitate de vapori datorită vaporilor metalici care ies. Caracteristica distinctivă a sudurii este raportul său ridicat adâncime-lățime. Densitatea fluxului de energie al arcului care arde liber este puțin peste 10⁴ W/cm². Figura 1 ilustrează principiul de bază al sudării hibride. Fasciculul laser
reprezentată aici furnizează căldură metalului sudat în partea superioară a cusăturii, pe lângă căldura provenită de la arc. Spre deosebire de o configurație secvențială în care două procese de sudare separate acționează în succesiune, sudarea hibridă poate fi privită ca o combinație a ambelor procese de sudare care acționează simultan în aceeași zonă de proces. În funcție de procedeul cu arc sau laser utilizat și de parametrii procesului, procesele se vor influența reciproc într-o măsură diferită și în moduri diferite [1, 2].
Datorită combinării procesului laser cu cel cu arc, există și o creștere atât a adâncimii de penetrare a sudurii, cât și a vitezei de sudare (în comparație cu oricare dintre procesele utilizate separat). Vaporii metalici care ies din cavitatea de vapori retroacționează asupra plasmei arcului. Absorbția radiației laser Nd:YAG în plasma de procesare rămâne neglijabilă. În funcție de raportul ales dintre cele două intrări de putere, caracterul procesului general poate fi determinat într-o măsură mai mare sau mai mică fie de laser, fie de arc [3,4].
Fig. 1: Reprezentare schematică: Sudare LaserHybrid
Absorbția radiației laser este influențată substanțial de temperatura suprafeței piesei de prelucrat. Înainte de începerea procesului de sudare cu laser, trebuie mai întâi depășită reflectanța inițială, în special pe suprafețele din aluminiu. Acest lucru se poate realiza prin pornirea sudării cu un program special de pornire. După atingerea temperaturii de vaporizare, se formează cavitatea de vapori, rezultatul fiind că aproape toată energia radiației poate fi introdusă în piesa de prelucrat. Energia necesară pentru aceasta este astfel determinată de absorbția dependentă de temperatură și de cantitatea de energie pierdută.
prin conducție în restul piesei de prelucrat. În sudarea LaserHybrid, vaporizarea are loc nu numai de la suprafața piesei de prelucrat, ci și de la firul de adaos, ceea ce înseamnă că există mai mulți vapori metalici disponibili, ceea ce, la rândul său, facilitează intrarea radiației laser. Acest lucru previne, de asemenea, întreruperea procesului [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplicație în industria auto:
Prin utilizarea tehnologiei space frame, este posibilă o reducere a greutății de 43% în comparație cu o caroserie de mașină din oțel.
Fig. 2: Conceptul Audi Space frame A2
Șasiul Audi A2 Space este alcătuit dintr-o lungime de 30 m de sudură laser (benzi galbene în figura 2) și o lungime de 20 m de sudură MIG. În plus, sunt utilizate și 1700 de nituri.
Fig. 3: Comparație între profiluri și tehnici de îmbinare la Audi-A2
Figura 4 prezintă o îmbinare sudată LaserHybrid dintr-un material turnat ALMg3 cu un material în tablă AlMgSi. Sârma de adaos este AlSi5, iar gazul de protecție utilizat este argonul. Odată cu creșterea puterii laserului, este posibilă o penetrare mai profundă. Combinarea fasciculului laser cu arcul în acest mod obține un bazin de sudură mai mare decât în cazul procesului de sudare cu fascicul laser separat. Acest lucru face posibilă sudarea componentelor cu goluri mai mari.
Fig. 4: Îmbinare suprapusă cu un spațiu de 0,5 mm
În industria auto există numeroase aplicații ale sudării prin suprapunere fără pregătirea îmbinării. În prezent, procesul de ultimă generație pentru această lucrare de sudare este procesul de sudare cu laser cu sârmă de adaos rece, din cauza fisurării la cald a aliajului AA 6xxx. Când îmbinarea este sudată cu o sârmă de adaos, o mare parte din energia laserului se va pierde pentru a topi sârma de adaos respectivă.
Următoarea figură reprezintă diferențele dintre sudarea LaserHybrid și sudarea cu laser pe o îmbinare suprapusă cu o viteză de sudare de 2,4 m/min. În cazul sudării cu laser, nu există posibilitatea de a umple cordonul de sudură și se produce o tăietură superficială. De asemenea, există doar o penetrare foarte mică în materialul de bază. Lățimea cordonului de sudură este foarte mică și, prin urmare, este de așteptat o rezistență la tracțiune scăzută. În cazul sudării LaserHybrid,
Material suplimentar este transportat în baia de sudură. Zona de sub tăiere este umplută cu sârma din procesul MIG, iar o parte din energia laser este acum economisită. Această energie laser economisită poate fi utilizată pentru a crește penetrarea în materialul de bază, iar lățimea cordonului de sudură este mai mare decât grosimea materialului, ceea ce este necesar în simularea numerică.
Fig. 5 Comparație între sudarea LaserHybrid și sudarea cu laser fără sârmă de adaos
Cu procedura de sudare LaserHybrid este posibilă sudarea materialelor din aluminiu, oțel și oțel inoxidabil cu o grosime a materialului de până la 4 mm. Dacă grosimea este prea mare, penetrarea completă nu este posibilă. Pentru îmbinarea materialelor zincate, este de asemenea preferabil să se utilizeze procesul de lipire cu laser.
Alte aplicații în industria auto sunt grupurile motopropulsoare, punțile și caroseriile auto, unde procesul de sudare hibridă cu laser poate fi potrivit.
Cap de sudură:
Capul de sudură ar trebui să aibă dimensiuni geometrice mici, astfel încât să asigure o bună accesibilitate la componentele care urmează să fie sudate, în special în domeniul caroseriilor auto. Mai mult, acesta ar trebui să fie proiectat pentru a permite atât o conexiune detașabilă adecvată la capul robotului, cât și reglarea unor variabile de proces, cum ar fi distanța focală și distanțele de distanță ale torței în toate coordonatele carteziene. Figura 5 prezintă capul de sudură în timp ce procesul este în acțiune. Stropirea care apare în timpul procesului de sudare duce la creșterea murdăririi sticlei de protecție. Sticla de cuarț este acoperită pe ambele părți cu un material antireflexiv și este destinată să protejeze sistemul optic laser de deteriorare.
În funcție de gradul de murdărire, stropii care se acumulează pe sticlă pot determina scăderea puterii laserului care afectează efectiv piesa de prelucrat cu până la 90%. Murdărirea mai intensă duce, în general, la distrugerea sticlei de protecție, deoarece o mare parte din energia radiantă este apoi absorbită de sticlă, provocând solicitări termice în sticlă. Cu acest cap de sudură și echipament de sudură, este posibil să fie utilizat pentru sudarea LaserHybrid, sudarea cu laser, sudarea MSG și...Brazare cu fir cald cu laser.
Fig. 6: Cap de sudare și proces
5. Avantajele sudării hibride cu laser:
Următoarele avantaje rezultă din fuzionarea arcului și a fasciculului laser: Avantajele sudării LaserHybrid față de sudarea cu laser:
• stabilitate mai mare a procesului
• o punte mai mare
• penetrare mai profundă
• costuri de investiții de capital mai mici
• ductilitate mai mare
Avantajele sudării LaserHybrid față de sudarea MIG:
• viteze de sudare mai mari
• penetrare mai profundă la viteze de sudare mai mari
• aport termic mai mic
• rezistență la tracțiune mai mare
• suduri mai înguste
Fig. 7: Avantajele combinării celor două procese
Procedeul de sudare cu arc este caracterizat printr-o sursă de energie cu cost redus, o bună capacitate de punte și prin facilitatea de influențare a structurii prin adăugarea de metale de adaos. Caracteristicile distinctive ale procesului cu fascicul laser, pe de altă parte, sunt adâncimea mare de sudare, viteza mare de sudare, sarcina termică redusă și cordoanele înguste pe care le realizează. Peste o anumită densitate a fasciculului, fasciculul laser produce un „efect de sudură profundă” în materialele metalice, care permite sudarea componentelor cu grosimi de perete mai mari - cu condiția ca puterea laserului să fie suficient de mare. Sudarea hibridă cu laser permite astfel viteze de sudare mai mari, stabilizarea procesului datorită interacțiunii dintre arc și fasciculul laser, o eficiență termică crescută și toleranțe mai mari ale piesei de prelucrat. Deoarece baia de sudură este mai mică decât în procesul MIG, există un aport termic mai mic și, prin urmare, o zonă afectată termic mai mică. Aceasta înseamnă mai puține suduri.
distorsiune, ceea ce reduce cantitatea de lucrări ulterioare de îndreptare post-sudură care trebuie efectuate.
În cazul în care există două băi de sudură separate, aportul termic ulterior de la arc înseamnă că fasciculul laser – zona sudată – în special în cazul oțelului – este supus unui tratament de revenire post-sudură, distribuind valorile de duritate mai uniform pe toată suprafața sudurii. Figura 6 rezumă avantajele procesului combinat (adică hibrid).
Trecând acum la avantajele economice ale sudării hibride față de sudarea cu laser, se pot face următoarele afirmații: Cusătura sudurii constă parțial dintr-o sudură laser și parțial dintr-o sudură MIG. Procesul hibrid face posibilă reducerea puterii fasciculului laser, ceea ce înseamnă că consumul de energie al sursei laser poate fi redus considerabil, deoarece aparatul cu fascicul laser are o eficiență de doar 3%. Cu alte cuvinte: O reducere de 1 kW a puterii fasciculului laser care acționează asupra piesei de prelucrat duce la o reducere de aproximativ 35 kVA a puterii consumate de la rețeaua electrică.
Un aparat cu fascicul laser costă în jur de 0,1 milioane de euro pentru fiecare kW deputerea fasciculului laserDe exemplu, în cazul în care utilizarea procesului hibrid permite utilizarea unui aparat cu fascicul laser de 2 kW în loc de unul cu o putere a fasciculului de 4 kW, acest lucru duce la economii de investiții de 0,2 milioane EUR. Cu toate acestea, trebuie reținut aici că pentru procesul hibrid va fi nevoie de un aparat MIG care costă aproximativ 20.000 EUR.
Datorită vitezei mai mari de sudare, atât timpii de fabricație, cât și costurile de sudare pot fi reduse.
6. Lipire cu fir cald cu laser:
O altă posibilitate de combinare a fasciculului laser cu un fir de umplere este procesul LaserHotwire [10]. În această procedură, firul de umplere este preîncălzit cu aceeași sursă de alimentare, care poate fi utilizată pentruProcedeu de sudare hibridă cu laserSârma de adaos are o sarcină de curent de la 100 A până la 220 A. Viteza de alimentare a sârmei depinde de secțiunea transversală a cordonului de lipire și de viteza de lipire. Lipirea oferă, prin cantitatea de metal de adaos, un material de turnare care poate fi finisat mai ușor decât alte suduri comparabile. Prin lipirea pieselor din tablă, lucrările de reparații pot fi efectuate într-un mod mai ușor decât ar fi în cazul îmbinărilor sudate. Un avantaj al lipirii LaserHotwire este rezistența bună la coroziune a zonei lipite.
Ca metale de adaos, se utilizează aliaje ieftine pe bază de cupru, cum ar fi SG-CuSi3, iar argonul servește ca gaz de protecție.
Fig. 8: Reprezentare schematicăBrazare cu fir cald cu laser:
Următoarea figură prezintă secțiunea transversală a unui material brazat cu fir cald pentru laser. Materialul acoperit cu zinc este brazat cu o viteză de 3 m/min, iar firul de adaos are o sarcină de curent de 205 A. Intrarea căldurii este foarte mică, prin urmare, procesul de brazare are ca rezultat o distorsiune redusă.
7. Rezumat:
Sudarea hibridă cu laser este o tehnologie complet nouă care oferă sinergii pentru domenii largi de aplicare în industria prelucrării metalelor, în special acolo unde nu este posibil sau viabil din punct de vedere financiar să se atingă toleranțele componentelor necesare pentru...sudarea cu fascicul laserGama mult mai largă de aplicații și capacitatea ridicată a procesului combinat duc la o competitivitate sporită în ceea ce privește reducerea cheltuielilor de investiții, timpi de fabricație mai scurți, costuri de fabricație mai mici și productivitate mai mare.
Procedeul LaserHybrid oferă, de asemenea, o nouă abordare a sudării aluminiului. Cu toate acestea, un proces stabil care poate fi utilizat în practică a devenit posibil abia relativ recent, datorită puterilor de ieșire mai mari disponibile ale laserelor în stare solidă. Numeroase studii au examinat fundamentele proceselor de sudare laser-arc-hibrid. Prin „proces de sudare hibrid”, înțelegem combinarea sudării cu fascicul laser și a procesului de sudare cu arc, cu o singură zonă de proces (plasmă și topitură). Studiile de cercetare fundamentală au arătat că este posibil un proces în care – prin combinarea celor două procese – se pot obține sinergii și se pot compensa dezavantajele fiecărui proces separat, rezultând posibilități îmbunătățite de sudare, sudabilitate și fiabilitate a sudării pentru multe materiale și construcții diferite. În special, acest lucru a fost demonstrat pentru aliajele de aluminiu. Prin alegerea unor parametri de proces favorabili, este posibil să se influențeze selectiv proprietățile sudurii, cum ar fi geometria și constituția structurală. Procedeul de sudare cu arc crește capacitatea de punte prin adăugarea de metal de adaos; de asemenea, determină lățimea sudurii și astfel reduce cantitatea de pregătire necesară a piesei de prelucrat. Mai mult, interacțiunile care au loc între procese duc la o creștere substanțială a eficienței procesului. Acest proces combinat necesită, de asemenea, costuri de investiție considerabil mai mici decât procesul de sudare cu laser.
Procesul de lipire cu fir cald cu laser poate fi utilizat în special pentru materialele zincate pentru a obține o bună rezistență la coroziune.
Data publicării: 18 aprilie 2025
