Både laserstrålesveising og lysbuesveising har lenge vært brukt i industriell produksjon, og tillater et bredt spekter av bruksområder innen materialsammenføyningsteknologi. Hver av disse prosessene har sine spesifikke anvendelsesområder, som beskrevet av de fysiske prosessene for energitransport til arbeidsstykket og av energistrømmene som kan oppnås. Energien overføres fra laserstrålekilden til materialet som skal bearbeides ved hjelp av høyenergisk infrarød koherent stråling, ved hjelp av en fiberoptisk kabel. Lysbuen overfører varmen som trengs for sveising ved hjelp av en høy elektrisk strøm som flyter til arbeidsstykket via en lysbuesøyle. Laserstrålingen fører til en veldig smal varmepåvirket sone med et stort forhold mellom sveisedybde og sømbredde (dypsveiseeffekt). Lasersveiseprosessens gapoverbyggende evne er veldig lav på grunn av den lille fokusdiameteren, men på den annen side kan den oppnå veldig høye sveisehastigheter. Lysbuesveiseprosessen har en mye lavere energitetthet, men forårsaker et større fokuspunkt på overflaten av arbeidsstykket og er preget av en lavere bearbeidingshastighet. Ved å slå sammen begge disse prosessene kan nyttige synergier oppnås. Til syvende og sist gjør dette det mulig å oppnå både kvalitetsfordeler og produksjonstekniske fordeler, samt forbedret kostnadseffektivitet. Denne prosessen tilbyr interessante og økonomisk attraktive bruksområder, både i bilindustrien, ikke minst fordi høyere toleranser er tillatt på sveisingene, høyere sammenføyningshastigheter er mulige, og svært gode mekaniske/teknologiske parametere kan oppnås.
1. Innledning:
Helt siden 1970-tallet har det vært kjent hvordan man kan kombinere laserlys og lysbue i en samlet sveiseprosess, men i lang tid etterpå ble det ikke foretatt noe videre utviklingsarbeid. Nylig har forskere vendt oppmerksomheten mot dette emnet igjen og forsøkt å forene fordelene med lysbuen med laserens, i en hybrid sveiseprosess. Mens laserkilder i de tidlige dager fortsatt måtte bevise sin egnethet for industriell bruk, er de i dag standard teknologisk utstyr i mange produksjonsbedrifter.
Kombinasjonen av lasersveising med en annen sveiseprosess kalles en «hybridsveiseprosess». Dette betyr at en laserstråle og en lysbue virker samtidig i én sveisesone, og påvirker og støtter hverandre.
2. Laser:
Lasersveising krever ikke bare høy lasereffekt, men også en stråle av høy kvalitet for å oppnå den ønskede «dypsveiseeffekten». Den resulterende høyere strålekvaliteten kan utnyttes enten for å oppnå en mindre fokusdiameter eller en større brennvidde.
For utviklingsprosjektene som pågår for tiden, brukes en lampepumpet faststofflaser med en laserstråleeffekt på 4 kW. Laserlyset overføres via en 600 µm glassfiber.
Laserlyset overføres via en glassfiber, der begynnelsen og slutten er vannkjølt. Laserstrålen projiseres på arbeidsstykket av en fokuseringsmodul med en brennvidde på 200 mm.
3. Laserhybridprosess:
For sveising av metalliske arbeidsstykker fokuseres Nd:YAG-laserstrålen på intensiteter over 10⁶ W/cm². Når laserstrålen treffer materialets overflate, varmes den opp dette punktet til fordampningstemperatur, og det dannes et damphulrom i sveisemetallet på grunn av den unnslippende metalldampen. Det særegne trekket ved sveisesømmen er dens høye dybde-til-bredde-forhold. Energiflyttettheten til den fritt brennende lysbuen er litt over 10⁶ W/cm². Figur 1 illustrerer det grunnleggende prinsippet for hybridsveising. Laserstrålen
Avbildet her tilfører varme til sveisemetallet i den øvre delen av sømmen, i tillegg til varmen fra lysbuen. I motsetning til en sekvensiell konfigurasjon der to separate sveiseprosesser opptrer etter hverandre, kan hybridsveising sees på som en kombinasjon av begge sveiseprosessene som opptrer samtidig i én og samme prosesssone. Avhengig av hvilken lysbue- eller laserprosess som brukes, og av prosessparametrene, vil prosessene påvirke hverandre i ulik grad og på forskjellige måter [1, 2].
Takket være kombinasjonen av laserprosessen og lysbueprosessen øker både sveiseinntrengningsdybden og sveisehastigheten (sammenlignet med begge prosessene som brukes alene). Metalldampen som slipper ut fra damphulrommet virker tilbake på lysbueplasmaet. Absorpsjonen av Nd:YAG-laserstrålingen i prosesseringsplasmaet forblir ubetydelig. Avhengig av hvilket forhold mellom de to effekttilgangene som velges, kan karakteren av den totale prosessen bestemmes i større eller mindre grad enten av laseren eller av lysbuen [3,4].
Fig. 1: Skjematisk fremstilling: LaserHybrid-sveising
Absorpsjonen av laserstrålingen påvirkes i vesentlig grad av temperaturen på arbeidsstykkets overflate. Før lasersveiseprosessen kan starte, må den innledende reflektansen først overvinnes, spesielt på aluminiumsoverflater. Dette kan oppnås ved å starte sveisingen med et spesielt startprogram. Etter at fordampningstemperaturen er nådd, dannes damphulrommet, med det resultat at nesten all strålingsenergien kan tilføres arbeidsstykket. Energien som kreves for dette bestemmes dermed av den temperaturavhengige absorpsjonen og av mengden energi som går tapt.
ved ledning inn i resten av arbeidsstykket. Ved laserhybridsveising skjer fordampning ikke bare fra overflaten av arbeidsstykket, men også fra tilsetttråden, noe som betyr at det er mer metalldamp tilgjengelig, noe som igjen letter tilførselen av laserstrålingen. Dette forhindrer også prosessavbrudd [5, 6, 7, 8, 9].
4. Bilapplikasjon:
Ved å bruke spaceframe-teknologi er en vektreduksjon på 43 % mulig sammenlignet med et stålkarosseri.
Figur 2: Audi Spaceframe A2-konsept
Audi A2 Space-rammen består av 30 m lasersveis (gule striper i figur 2) og 20 m MIG-sveiselengde. I tillegg brukes 1700 nagler.
Fig. 3: Sammenligning av profiler og sammenføyningsteknikker på Audi-A2
Figur 4 viser en LaserHybrid-sveiset forbindelse av et ALMg3-støpt materiale med et AlMgSi-platemateriale. Tilsetttråden er AlSi5 og dekkgassen som brukes er argon. Med økende lasereffekt er dypere penetrasjon mulig. Ved å kombinere laserstrålen med lysbuen på denne måten oppnås et større sveisebad enn med laserstrålesveiseprosessen alene. Dette gjør det mulig å sveise komponenter med større mellomrom.
Fig. 4: Overlappingsfuge med en åpning på 0,5 mm
I bilindustrien finnes det mange bruksområder for overlappsveising uten forberedelse av skjøten. For øyeblikket er den mest avanserte prosessen for denne sveisejobben lasersveiseprosessen med kald tilsetttråd, på grunn av varmsprekking i AA 6xxx-legeringen. Når skjøten sveises med tilsetttråd, vil mye av laserenergien gå tapt for å smelte tilsetttråden.
Den neste figuren representerer forskjellene mellom LaserHybrid og lasersveising på en overlappende skjøt med en sveisehastighet på 2,4 m/min. Ved lasersveising er det ingen mulighet for å fylle opp sveisestrengen, og det oppstår underskjæring. Det er også bare en svært liten inntrengning i basismaterialet. Bredden på sveisestrengen er svært liten, og derfor forventes lav strekkfasthet. Ved LaserHybrid-sveising,
Ytterligere materiale transporteres inn i sveisebadet. Underskjæringen fylles med tråden fra MIG-prosessen, og en del av laserenergien spares nå. Denne sparte laserenergien kan brukes til å øke inntrengningen i basismaterialet, og sveisestrengbredden er større enn materialtykkelsen, noe som kreves ut fra den numeriske simuleringen.
Fig. 5 Sammenligning mellom LaserHybrid og lasersveising uten tilsetttråd
Med LaserHybrid-sveiseprosedyren er det mulig å sveise materialer av aluminium, stål og rustfritt stål fra opptil 4 mm materialtykkelse. Hvis tykkelsen er for høy, er full penetrasjon ikke mulig. For sammenføyning av sinkbelagte materialer er det også å foretrekke å bruke laserlodding.
Ytterligere bruksområder innen bilindustrien er drivlinjer, aksler og bilkarosserier, hvor laserhybridsveiseprosessen kan være egnet.
Sveisehode:
Sveisehodet bør ha små geometriske dimensjoner for å sikre god tilgjengelighet til komponentene som skal sveises, spesielt innen bilkarosseri. Dessuten bør det være utformet for å tillate både en passende avtakbar tilkobling til robothodet og justerbarhet av prosessvariabler som brennvidde og brenneravstand i alle kartesiske koordinater. Figur 5 viser sveisehodet mens prosessen er i gang. Spruten som oppstår under sveiseprosessen fører til økende tilsmussing av beskyttelsesglasset. Kvartsglasset er belagt på begge sider med et antireflekterende materiale og er ment å beskytte det optiske lasersystemet mot skade.
Avhengig av hvor mye smuss det er, kan spruten som samler seg på glasset føre til at lasereffekten som faktisk påvirker arbeidsstykket reduseres med så mye som 90 %. Mer smuss fører vanligvis til ødeleggelse av beskyttelsesglasset, ettersom en så stor andel av strålingsenergien absorberes av selve glasset, noe som forårsaker termiske spenninger i glasset. Med dette sveisehodet og sveiseutstyret er det mulig å bruke det til laserhybridsveising, lasersveising, MSG-sveising og ...Laser varmlodding.
Fig. 6: Sveisehode og prosess
5. Fordeler med laserhybridsveising:
Følgende fordeler oppstår ved sammenslåing av lysbue- og laserstråle: Fordeler med laserhybridsveising fremfor lasersveising:
• høyere prosesstabilitet
• høyere broevne
• dypere penetrasjon
• lavere kapitalinvesteringskostnader
• større duktilitet
Fordeler med laserhybridsveising fremfor MIG-sveising:
• høyere sveisehastigheter
• dypere inntrengning ved høyere sveisehastigheter
• lavere termisk tilførsel
• høyere strekkfasthet
• smalere sveisesømmer
Figur 7: Fordeler med å kombinere de to prosessene
Lysbuesveiseprosessen kjennetegnes av en rimelig energikilde, god broevne og muligheten til å påvirke strukturen ved å tilsette tilsettmetaller. De karakteristiske trekkene ved laserstråleprosessen er derimot den store sveisedybden, høye sveisehastigheten, den lave termiske belastningen og de smale sveisesømmene den oppnår. Over en viss stråletetthet produserer laserstrålen en "dypsveiseeffekt" i metalliske materialer som gjør det mulig å sveise komponenter med større veggtykkelser – forutsatt at lasereffekten er tilstrekkelig høy. Laserhybridsveising gir dermed høyere sveisehastigheter, prosessstabilisering på grunn av samspillet mellom lysbuen og laserstrålen, økt termisk effektivitet og større toleranser for arbeidsstykket. Fordi smeltebadet er mindre enn i MIG-prosessen, er det mindre termisk tilførsel og dermed en mindre varmepåvirket sone. Dette betyr mindre sveisemengde.
forvrengning, noe som reduserer mengden påfølgende rettingarbeid som må gjøres etter sveising.
Der det er to separate sveisebad, betyr den påfølgende termiske tilførselen fra lysbuen at laserstrålen – det sveisede området – spesielt når det gjelder stål – får en etterbehandling av sveising, slik at hardhetsverdiene fordeles jevnere over sømmen. Figur 6 oppsummerer fordelene med den kombinerte (dvs. hybride) prosessen.
Når vi nå ser på de økonomiske fordelene ved hybridsveising fremfor lasersveising, kan følgende utsagn trekkes: Sveisesømmen består delvis av en lasersveis og delvis av en MIG-sveis. Hybridprosessen gjør det mulig å redusere laserstrålens effekt, noe som betyr at energiforbruket til laserkilden kan reduseres betraktelig, ettersom laserstråleapparatet har en virkningsgrad på bare 3 %. Med andre ord: En reduksjon på 1 kW i laserstråleeffekten som påvirker arbeidsstykket fører til en reduksjon på ca. 35 kVA i effektforbruket fra strømnettet.
Et laserstråleapparat koster rundt 0,1 millioner euro for hver kWlaserstrålekraftFor å ta bare ett eksempel, i et tilfelle der bruken av hybridprosessen gjør det mulig å bruke et 2 kW laserstråleapparat i stedet for et med 4 kW stråleeffekt, resulterer dette i besparelser på 0,2 millioner euro i investeringsutgifter. Det må imidlertid huskes her at det for hybridprosessen vil være behov for en MIG-maskin som koster rundt 20 000 euro.
Takket være den høyere sveisehastigheten kan både fabrikasjonstiden og sveisekostnadene reduseres.
6. LaserHotwire-lodding:
En annen mulighet for å kombinere laserstrålen med en sveisetråd er LaserHotwire-prosessen [10]. I denne prosedyren forvarmes sveisetråden med samme strømkilde, som kan brukes tilLaserhybrid sveiseprosessSveisetråden har en strømbelastning fra 100 A opptil 220 A. Trådhastigheten avhenger av tverrsnittet til loddeperlen og loddehastigheten. Lodding tilbyr, gjennom mengden sveisemateriale, et støpemateriale som kan etterbehandles enklere enn sammenlignbare sveisesømmer. Gjennom lodding av platedeler kan reparasjonsarbeid utføres på en enklere måte enn det ville være tilfelle med sveisede skjøter. En fordel med LaserHotwire-lodding er den gode korrosjonsmotstanden til loddesonen.
Som fyllmaterialer brukes billige kobberbaserte legeringer som SG-CuSi3, og argon fungerer som beskyttelsesgass.
Figur 8: Skjematisk fremstillingLaser varmlodding:
Den neste figuren viser tverrsnittet av et laserloddet materiale. Det sinkbelagte materialet loddes med en hastighet på 3 m/min, og sveisetråden har en strømbelastning på 205 A. Varmetilførselen er svært lav, derfor er det en lav forvrengning som følge av loddeprosessen.
7. Sammendrag:
Laserhybridsveising er en helt ny teknologi som tilbyr synergier for en rekke bruksområder innen metallbearbeidingsindustrien, spesielt der det ikke er mulig eller økonomisk levedyktig å oppnå komponenttoleransene som kreves forlaserstrålesveisingDet mye bredere bruksområdet og den høye kapasiteten til den kombinerte prosessen fører til økt konkurranseevne når det gjelder reduserte investeringsutgifter, kortere produksjonstider, lavere produksjonskostnader og høyere produktivitet.
LaserHybrid-prosessen tilbyr også en ny tilnærming til sveising av aluminium. Imidlertid har en stabil prosess som kan brukes i praksis først blitt mulig relativt nylig, takket være de høyere tilgjengelige utgangseffektene til faststofflasere. Tallrike studier har undersøkt det grunnleggende i laser-bue-hybrid-sveiseprosesser. Med "hybrid-sveiseprosess" mener vi kombinasjonen av laserstrålesveising og buesveiseprosessen, med bare én enkelt prosesssone (plasma og smelte). Grunnleggende forskningsstudier har vist at en prosess er mulig der – ved å kombinere de to prosessene – synergier kan oppnås og ulempene ved hver enkelt prosess kan kompenseres for, noe som resulterer i forbedrede sveisemuligheter, sveisebarhet og sveisepålitelighet for mange forskjellige materialer og konstruksjoner. Dette har spesielt blitt demonstrert for aluminiumlegeringer. Ved å velge gunstige prosessparametere er det mulig å selektivt påvirke sveiseegenskaper som geometri og strukturell konstitusjon. Buesveiseprosessen øker broevnen ved å tilsette fyllmateriale; den bestemmer også sveisesømmens bredde og reduserer dermed mengden arbeidsstykkeforberedelse som er nødvendig. Dessuten fører samspillet mellom prosessene til en betydelig økning i prosessens effektivitet. Denne kombinasjonsprosessen krever også betydelig mindre investeringskostnader enn lasersveiseprosessen.
Laservarmlodding kan spesielt brukes for sinkbelagt materiale for å oppnå god korrosjonsbestandighet.
Publisert: 18. april 2025
