Kedua-dua kimpalan pancaran laser dan kimpalan arka telah lama digunakan untuk pengeluaran perindustrian, dan membenarkan spektrum kegunaan yang luas dalam bidang teknologi penyambungan bahan. Setiap proses ini mempunyai bidang aplikasi khususnya, seperti yang digambarkan oleh proses fizikal pengangkutan tenaga ke bahan kerja dan oleh aliran tenaga yang boleh diperolehi. Tenaga dihantar dari sumber pancaran laser ke bahan untuk diproses melalui sinaran koheren inframerah bertenaga tinggi, menggunakan kabel gentian optik. Arka menghantar haba yang diperlukan untuk kimpalan melalui arus elektrik tinggi yang mengalir ke bahan kerja melalui lajur arka. Sinaran laser membawa kepada zon yang terjejas haba yang sangat sempit dengan nisbah kedalaman kimpalan kepada lebar jahitan yang besar (kesan kimpalan dalam). Keupayaan merapatkan jurang proses kimpalan laser adalah sangat rendah, disebabkan oleh diameter fokusnya yang kecil, tetapi sebaliknya ia boleh mencapai kelajuan kimpalan yang sangat tinggi. Proses kimpalan arka mempunyai ketumpatan tenaga yang jauh lebih rendah, tetapi menyebabkan titik fokus yang lebih besar pada permukaan bahan kerja dan dicirikan oleh kelajuan pemprosesan yang lebih perlahan. Dengan menggabungkan kedua-dua proses ini, sinergi yang berguna dapat dicapai. Akhirnya, ini memungkinkan untuk mencapai kelebihan kualiti dan faedah kejuruteraan pengeluaran, serta kecekapan kos yang lebih baik. Proses ini menawarkan aplikasi yang menarik dan menarik dari segi ekonomi, baik dalam industri automobil, terutamanya kerana toleransi yang lebih tinggi dibenarkan pada kimpalan, kadar penyambungan yang lebih tinggi adalah mungkin, dan parameter mekanikal/teknologi yang sangat baik dapat dicapai.
1. Pengenalan:
Telah diketahui bagaimana untuk menggabungkan cahaya laser dan arka ke dalam proses kimpalan yang digabungkan sejak tahun 1970-an, tetapi untuk masa yang lama selepas itu, tiada kerja pembangunan selanjutnya dijalankan. Baru-baru ini, para penyelidik telah mengalihkan perhatian mereka kepada topik ini sekali lagi dan cuba menyatukan kelebihan arka dengan kelebihan laser, dalam proses kimpalan hibrid. Walaupun pada zaman dahulu, sumber laser masih perlu membuktikan kesesuaiannya untuk kegunaan industri, pada masa kini ia merupakan peralatan teknologi standard dalam banyak perusahaan pembuatan.
Gabungan kimpalan laser dengan proses kimpalan lain dirujuk sebagai "proses kimpalan hibrid". Ini bermakna pancaran laser dan arka bertindak serentak dalam satu zon kimpalan, dan mempengaruhi serta menyokong satu sama lain.
2. Laser:
Kimpalan laser bukan sahaja memerlukan kuasa laser yang tinggi tetapi juga pancaran berkualiti tinggi untuk mendapatkan "kesan kimpalan dalam" yang diingini. Kualiti pancaran yang lebih tinggi yang terhasil boleh dieksploitasi sama ada untuk mendapatkan diameter fokus yang lebih kecil atau jarak fokus yang lebih besar.
Bagi projek pembangunan yang sedang dijalankan, laser keadaan pepejal yang dipam lampu dengan kuasa pancaran laser sebanyak 4 kW sedang digunakan. Cahaya laser dipancarkan melalui gentian kaca 600 µm.
Cahaya laser dipancarkan melalui gentian kaca, di mana permulaan dan penghujungnya disejukkan dengan air. Pancaran laser diunjurkan ke atas bahan kerja oleh modul pemfokusan dengan jarak fokus 200 mm.
3. Proses Hibrid Laser:
Untuk mengimpal benda kerja logam, pancaran laser Nd:YAG difokuskan pada keamatan melebihi 106W/cm2. Apabila pancaran laser mengenai permukaan bahan, ia akan memanaskan titik ini kepada suhu pengewapan, dan rongga wap terbentuk dalam logam kimpal disebabkan oleh wap logam yang keluar. Ciri membezakan jahitan kimpal ialah nisbah kedalaman-ke-lebarnya yang tinggi. Ketumpatan aliran tenaga arka yang terbakar bebas adalah sedikit melebihi 104 W/cm2. Rajah 1 menggambarkan prinsip asas kimpalan hibrid. Pancaran laser
seperti yang digambarkan di sini membekalkan haba kepada logam kimpal di bahagian atas jahitan, selain haba daripada arka. Tidak seperti konfigurasi berjujukan di mana dua proses kimpal berasingan bertindak secara berturut-turut, kimpalan hibrid boleh dilihat sebagai gabungan kedua-dua proses kimpal yang bertindak serentak dalam satu zon proses yang sama. Bergantung pada proses arka atau laser yang digunakan, dan pada parameter proses, proses tersebut akan mempengaruhi satu sama lain pada tahap yang berbeza dan dengan cara yang berbeza [1, 2].
Hasil gabungan proses laser dan proses arka, terdapat juga peningkatan dalam kedalaman penembusan kimpalan dan kelajuan kimpalan (berbanding dengan mana-mana proses yang digunakan sendiri). Wap logam yang keluar dari rongga wap bertindak balas terhadap plasma arka. Penyerapan sinaran laser Nd:YAG dalam plasma pemprosesan kekal boleh diabaikan. Bergantung pada nisbah dua input kuasa yang dipilih, sifat keseluruhan proses boleh ditentukan pada tahap yang lebih besar atau lebih kecil sama ada oleh laser atau oleh arka [3,4].
Rajah 1: Perwakilan skematik: Kimpalan LaserHibrid
Penyerapan sinaran laser banyak dipengaruhi oleh suhu permukaan bahan kerja. Sebelum proses kimpalan laser dapat dimulakan, pantulan awal mesti diatasi terlebih dahulu, terutamanya pada permukaan aluminium. Ini boleh dicapai dengan memulakan kimpalan dengan program permulaan khas. Selepas suhu pengewapan dicapai, rongga wap terbentuk, yang mengakibatkan hampir semua tenaga sinaran boleh dimasukkan ke dalam bahan kerja. Tenaga yang diperlukan untuk ini ditentukan oleh penyerapan yang bergantung kepada suhu dan jumlah tenaga yang hilang.
melalui pengaliran ke seluruh bahan kerja. Dalam kimpalan LaserHybrid, pengewapan berlaku bukan sahaja dari permukaan bahan kerja tetapi juga dari wayar pengisi, yang bermaksud terdapat lebih banyak wap logam yang tersedia, yang seterusnya memudahkan input sinaran laser. Ini juga menghalang proses terhenti [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplikasi automotif:
Dengan menggunakan teknologi rangka ruang, pengurangan berat sebanyak 43% adalah mungkin berbanding dengan badan kereta keluli.
Rajah 2: Konsep Audi Space frame A2
Kerangka Audi A2 Space terdiri daripada Laser 30 m (jalur kuning dalam rajah 2) dan panjang kimpalan MIG 20m. Selain itu, 1700 rivet juga digunakan.
Rajah 3: Perbandingan profil dan teknik penyambungan pada Audi-A2
Rajah 4 menunjukkan sambungan kimpalan LaserHybrid bagi bahan tuangan ALMg3 dengan bahan kepingan AlMgSi. Wayar pengisi ialah AlSi5 dan gas pelindung yang digunakan ialah Argon. Dengan peningkatan kuasa laser, penembusan yang lebih dalam adalah mungkin. Menggabungkan pancaran laser dengan arka dengan cara ini mencapai kolam kimpalan yang lebih besar berbanding dengan proses kimpalan pancaran laser secara bersendirian. Ini membolehkan komponen dengan jurang yang lebih luas dikimpal.
Rajah 4: Sambungan bertindih dengan jarak 0.5 mm
Dalam industri automotif, terdapat banyak aplikasi kimpalan bertindih tanpa penyediaan sambungan. Pada masa ini, proses canggih untuk kerja kimpalan ini ialah proses kimpalan laser dengan dawai pengisi sejuk, disebabkan oleh retakan panas pada aloi AA 6xxx. Apabila sambungan dikimpal dengan dawai pengisi, banyak tenaga laser akan hilang untuk mencairkan dawai pengisi tersebut.
Rajah seterusnya mewakili perbezaan antara kimpalan LaserHybrid dan Laser pada sambungan bertindih dengan kelajuan kimpalan 2.4m/min. Dalam kes kimpalan laser, tiada kemungkinan untuk mengisi manik kimpalan, dan potongan bawah dihasilkan. Selain itu, hanya terdapat penembusan yang sangat kecil ke dalam bahan asas. Lebar manik kimpalan adalah sangat kecil, dan oleh itu kekuatan tegangan yang rendah akan dijangkakan. Dalam kes kimpalan LaserHybrid,
Bahan tambahan diangkut ke dalam kolam kimpalan. Bahagian bawah diisi dengan dawai daripada proses MIG, dan sebahagian daripada tenaga laser kini dijimatkan. Tenaga laser yang dijimatkan ini boleh digunakan untuk meningkatkan penembusan ke dalam bahan asas dan lebar manik kimpalan adalah lebih besar daripada ketebalan bahan, yang diperlukan daripada simulasi berangka.
Rajah 5 Perbandingan antara kimpalan LaserHybrid dan Laser tanpa wayar pengisi
Dengan prosedur kimpalan LaserHybrid, adalah mungkin untuk mengimpal bahan Aluminium, keluli dan keluli tahan karat sehingga ketebalan bahan 4 mm. Jika ketebalannya terlalu tinggi, penembusan penuh tidak mungkin dilakukan. Untuk menyambungkan bahan bersalut zink, adalah lebih baik untuk menggunakan proses pateri laser.
Aplikasi selanjutnya dalam automotif adalah rangkaian kuasa, gandar dan badan kereta, di mana proses kimpalan hibrid laser boleh sesuai.
Kepala kimpalan:
Kepala kimpalan harus mempunyai dimensi geometri yang kecil, untuk memastikan akses yang baik ke komponen yang akan dikimpal, terutamanya dalam medan badan automatik. Selain itu, ia harus direka bentuk untuk membolehkan sambungan boleh tanggal yang sesuai ke kepala robot dan kebolehlarasan pembolehubah proses seperti jarak fokus dan jarak tegak obor dalam semua koordinat Cartesian. Rajah 5 menunjukkan kepala kimpalan, semasa proses sedang bertindak. Percikan yang berlaku semasa proses kimpalan menyebabkan peningkatan kekotoran pada kaca pelindung. Kaca kuarza disalut pada kedua-dua belah dengan bahan antipantulan dan bertujuan untuk melindungi sistem optik laser daripada kerosakan.
Bergantung pada tahap kekotoran, percikan yang terkumpul pada kaca boleh menyebabkan kuasa laser yang benar-benar memberi impak pada bahan kerja berkurangan sebanyak 90%. Kekotoran yang lebih berat biasanya menyebabkan kemusnahan kaca pelindung, kerana sebahagian besar tenaga sinaran kemudiannya diserap oleh kaca itu sendiri, menyebabkan tekanan haba dalam kaca. Dengan kepala kimpalan dan peralatan kimpalan itu, ia boleh digunakan untuk kimpalan LaserHybrid, kimpalan laser, kimpalan MSG dan sebagainya.Pematerian dawai panas Laser.
Rajah 6: Kepala dan proses kimpalan
5. Kelebihan kimpalan Laser Hibrid:
Kelebihan berikut terhasil daripada penggabungan arka dan pancaran laser: Kelebihan kimpalan LaserHibrid berbanding kimpalan laser:
• kestabilan proses yang lebih tinggi
• kebolehjembatan yang lebih tinggi
• penembusan yang lebih dalam
• kos pelaburan modal yang lebih rendah
• kemuluran yang lebih besar
Kelebihan kimpalan LaserHybrid berbanding kimpalan MIG:
• kelajuan kimpalan yang lebih tinggi
• penembusan yang lebih dalam pada kelajuan kimpalan yang lebih tinggi
• input haba yang lebih rendah
• kekuatan tegangan yang lebih tinggi
• jahitan kimpalan yang lebih sempit
Rajah 7: Kelebihan menggabungkan kedua-dua proses
Proses kimpalan arka dicirikan oleh sumber tenaga berkos rendah, keupayaan jambatan yang baik dan kemudahan untuk mempengaruhi struktur dengan menambah logam pengisi. Sebaliknya, ciri-ciri membezakan proses pancaran laser ialah kedalaman kimpalan yang hebat, kelajuan kimpalan yang tinggi, beban haba yang rendah dan jahitan kimpalan yang sempit yang dicapainya. Di atas ketumpatan pancaran tertentu, pancaran laser menghasilkan "kesan kimpalan dalam" dalam bahan logam yang membolehkan komponen dengan ketebalan dinding yang lebih besar dikimpal – dengan syarat kuasa laser cukup tinggi. Oleh itu, kimpalan Laser Hibrid menghasilkan kelajuan kimpalan yang lebih tinggi, penstabilan proses disebabkan oleh interaksi antara arka dan pancaran laser, peningkatan kecekapan haba dan toleransi bahan kerja yang lebih besar. Oleh kerana kolam kimpalan lebih kecil daripada dalam proses MIG, terdapat input haba yang kurang dan dengan itu zon terjejas haba yang lebih kecil. Ini bermakna kimpalan yang kurang.
herotan, yang mengurangkan jumlah kerja pelurusan pasca kimpalan berikutnya yang perlu dilakukan.
Jika terdapat dua kolam kimpalan yang berasingan, input haba berikutnya daripada arka bermakna pancaran laser – kawasan yang dikimpal – terutamanya dalam kes keluli – diberi rawatan pembajaan pasca kimpalan, mengagihkan nilai kekerasan dengan lebih sekata merentasi jahitan. Rajah 6 meringkaskan kelebihan proses gabungan (iaitu hibrid).
Beralih kepada kelebihan ekonomi kimpalan hibrid berbanding kimpalan laser, pernyataan berikut boleh dibuat: Jahitan kimpalan sebahagiannya terdiri daripada kimpalan laser dan sebahagiannya kimpalan MIG. Proses hibrid membolehkan kuasa pancaran laser dikurangkan, bermakna penggunaan tenaga sumber laser boleh dikurangkan dengan ketara, kerana radas pancaran laser hanya mempunyai kecekapan 3%. Dalam erti kata lain: Pengurangan kuasa pancaran laser sebanyak 1 kW yang memberi kesan kepada bahan kerja membawa kepada pengurangan kira-kira 35 kVA dalam kuasa yang digunakan daripada sesalur elektrik.
Sebuah alat pancaran laser berharga sekitar EUR 0.1 m bagi setiap 1 kWkuasa pancaran laserSebagai contoh, dalam kes di mana penggunaan proses hibrid membolehkan penggunaan radas pancaran laser 2 kW dan bukannya satu dengan kuasa pancaran 4 kW, ini menghasilkan penjimatan sebanyak EUR 0.2 juta dalam perbelanjaan pelaburan. Walau bagaimanapun, perlu diingat di sini bahawa untuk proses hibrid, mesin MIG yang berharga sekitar EUR 20,000 diperlukan.
Hasil daripada kelajuan kimpalan yang lebih tinggi, masa fabrikasi dan kos kimpalan dapat dikurangkan.
6. Pematerian dawai panas laser:
Satu lagi kemungkinan untuk menggabungkan pancaran laser dengan wayar pengisi ialah proses LaserHotwire [10]. Dalam prosedur ini, wayar pengisi dipanaskan terlebih dahulu dengan sumber kuasa yang sama, yang boleh digunakan untukProses kimpalan Hibrid Laser. Wayar pengisi mempunyai beban arus dari 100 A hingga 220 A. Kelajuan suapan dawai bergantung pada keratan rentas manik pateri dan kelajuan pateri. Pateri menawarkan, melalui jumlah logam pengisi, bahan pengacuan yang boleh disiapkan dengan lebih mudah daripada jahitan kimpalan yang setanding. Melalui pateri bahagian kepingan, kerja pembaikan boleh dijalankan dengan cara yang lebih mudah berbanding dengan sambungan kimpalan. Satu kelebihan pateri LaserHotwire ialah rintangan kakisan yang baik pada zon pateri.
Sebagai logam pengisi, aloi berasaskan kuprum murah seperti SG-CuSi3 digunakan dan Argon berfungsi sebagai gas pelindung.
Rajah 8: Perwakilan skematikPematerian dawai panas Laser:
Rajah seterusnya menunjukkan keratan rentas bahan yang dipateri dawai Laser Panas. Bahan bersalut zink dipateri dengan kelajuan 3 m/min dan dawai pengisi mempunyai beban arus 205 A. Input haba adalah sangat rendah, oleh itu herotan yang rendah adalah hasil daripada proses pateri.
7. Ringkasan:
Kimpalan Hibrid Laser merupakan teknologi baharu sepenuhnya yang menawarkan sinergi untuk pelbagai bidang aplikasi dalam industri kerja logam, terutamanya apabila toleransi komponen yang diperlukan tidak mungkin atau tidak berdaya maju dari segi kewangan.kimpalan pancaran laserJulat aplikasi yang lebih luas dan keupayaan tinggi proses gabungan ini membawa kepada daya saing yang dipertingkatkan dari segi pengurangan perbelanjaan pelaburan, masa fabrikasi yang lebih pendek, kos pembuatan yang lebih rendah dan produktiviti yang lebih tinggi.
Proses LaserHybrid juga menawarkan pendekatan baharu untuk kimpalan aluminium. Walau bagaimanapun, proses yang stabil yang boleh digunakan dalam amalan hanya menjadi mungkin baru-baru ini, hasil daripada kuasa output laser keadaan pepejal yang lebih tinggi. Banyak kajian telah mengkaji asas-asas proses kimpalan laser-arka-hibrid. Dengan "proses kimpalan hibrid", kami bermaksud gabungan kimpalan pancaran laser dan proses kimpalan arka, dengan hanya satu zon proses tunggal (plasma dan cair). Kajian penyelidikan asas telah menunjukkan bahawa satu proses adalah mungkin di mana – dengan menggabungkan kedua-dua proses – sinergi boleh dicapai dan kelemahan setiap proses berasingan boleh dikompensasikan, menghasilkan kemungkinan kimpalan, kebolehkimpalan dan kebolehpercayaan kimpalan yang dipertingkatkan untuk pelbagai bahan dan pembinaan. Khususnya, ini telah ditunjukkan untuk aloi aluminium. Dengan memilih parameter proses yang baik, adalah mungkin untuk mempengaruhi sifat kimpalan seperti geometri dan perlembagaan struktur secara selektif. Proses kimpalan arka meningkatkan kebolehjembatan dengan menambah logam pengisi; ia juga menentukan lebar kimpalan-jahitan dan dengan itu mengurangkan jumlah penyediaan bahan kerja yang diperlukan. Tambahan pula, interaksi yang berlaku antara proses membawa kepada peningkatan kecekapan proses yang ketara. Proses gabungan ini juga memerlukan kos pelaburan yang jauh lebih kecil berbanding proses kimpalan laser.
Proses pematrian dawai Laser Panas boleh digunakan terutamanya untuk bahan bersalut zink bagi mendapatkan rintangan kakisan yang baik.
Masa siaran: 18-Apr-2025
