Svařování laserovým paprskem i obloukové svařování se již dlouho používají v průmyslové výrobě a umožňují široké spektrum využití v oblasti technologie spojování materiálů. Každý z těchto procesů má své specifické oblasti použití, které jsou popsány fyzikálními procesy přenosu energie k obrobku a toky energie, které lze získat. Energie se přenáší ze zdroje laserového paprsku do materiálu ke zpracování pomocí vysokoenergetického infračerveného koherentního záření pomocí optického kabelu. Oblouk přenáší teplo potřebné pro svařování pomocí vysokého elektrického proudu, který proudí k obrobku přes sloupec oblouku. Laserové záření vede k velmi úzké tepelně ovlivněné zóně s velkým poměrem hloubky svaru k šířce švu (efekt hlubokého svaru). Schopnost laserového svařování překlenout mezery je velmi nízká díky malému průměru ohniska, na druhou stranu však může dosáhnout velmi vysokých rychlostí svařování. Proces obloukového svařování má mnohem nižší hustotu energie, ale způsobuje větší ohniskovou skvrnu na povrchu obrobku a vyznačuje se pomalejší rychlostí zpracování. Sloučením obou těchto procesů lze dosáhnout užitečných synergií. To v konečném důsledku umožňuje dosáhnout jak kvalitativních výhod, tak i výhod ve výrobním inženýrství, a také vyšší nákladové efektivity. Tento proces nabízí zajímavé a ekonomicky atraktivní aplikace, a to jak v automobilovém průmyslu, tak i proto, že jsou povoleny vyšší tolerance svařenců, je možné dosáhnout vyšších rychlostí spojování a lze dosáhnout velmi dobrých mechanických/technologických parametrů.
1. Úvod:
Kombinace laserového světla a oblouku do kombinovaného svařovacího procesu je známá již od 70. let 20. století, ale dlouho poté nebyl proveden žádný další vývoj. V poslední době se výzkumníci tomuto tématu opět věnují a pokusili se spojit výhody oblouku s laserem v hybridním svařovacím procesu. Zatímco v počátcích musely laserové zdroje stále prokazovat svou vhodnost pro průmyslové použití, dnes jsou standardním technologickým vybavením v mnoha výrobních podnicích.
Kombinace laserového svařování s jiným svařovacím procesem se označuje jako „hybridní svařovací proces“. To znamená, že laserový paprsek a oblouk působí současně v jedné svařovací zóně a vzájemně se ovlivňují a podporují.
2. Laser:
Laserové svařování vyžaduje nejen vysoký laserový výkon, ale také vysoce kvalitní paprsek, aby se dosáhlo požadovaného „efektu hlubokého svaru“. Výsledná vyšší kvalita paprsku může být využita buď k dosažení menšího průměru ohniska, nebo větší ohniskové vzdálenosti.
Pro probíhající vývojové projekty se používá lampou buzený pevnolátkový laser s výkonem laserového paprsku 4 kW. Laserové světlo je přenášeno skleněným vláknem o tloušťce 600 µm.
Laserový paprsek je propojen skleněným vláknem, jehož začátek a konec jsou chlazeny vodou. Laserový paprsek je promítán na obrobek zaostřovacím modulem s ohniskovou vzdáleností 200 mm.
3. Laserový hybridní proces:
Pro svařování kovových obrobků se laserový paprsek Nd:YAG zaostřuje na intenzitu nad 10⁶ W/cm². Když laserový paprsek dopadne na povrch materiálu, zahřeje toto místo na teplotu odpařování a v důsledku unikající kovové páry se ve svarovém kovu vytvoří dutina. Charakteristickým znakem svarového švu je jeho vysoký poměr hloubky k šířce. Hustota toku energie volně hořícího oblouku je mírně nad 10⁶ W/cm². Obrázek 1 znázorňuje základní princip hybridního svařování. Laserový paprsek
Zde znázorněný způsob přivádí teplo do svarového kovu v horní části švu, a to kromě tepla z oblouku. Na rozdíl od sekvenční konfigurace, kde dva samostatné svařovací procesy působí postupně, lze hybridní svařování považovat za kombinaci obou svařovacích procesů působících současně v jedné a téže procesní zóně. V závislosti na použitém obloukovém nebo laserovém procesu a na procesních parametrech se procesy budou vzájemně ovlivňovat v různé míře a různými způsoby [1, 2].
Díky kombinaci laserového procesu a obloukového procesu dochází také ke zvýšení jak hloubky průvaru svaru, tak i rychlosti svařování (ve srovnání s každým z těchto procesů použitým samostatně). Kovová pára unikající z dutiny pro páry zpětně působí na plazma oblouku. Absorpce záření Nd:YAG laseru v procesní plazmě zůstává zanedbatelná. V závislosti na zvoleném poměru obou vstupních výkonů může být charakter celého procesu ve větší či menší míře určen buď laserem, nebo obloukem [3,4].
Obr. 1: Schematické znázornění: Svařování laserem
Absorpce laserového záření je podstatně ovlivněna teplotou povrchu obrobku. Než může být zahájen proces laserového svařování, je nutné nejprve překonat počáteční odrazivost, zejména na hliníkových površích. Toho lze dosáhnout zahájením svařování pomocí speciálního spouštěcího programu. Po dosažení odpařovací teploty se vytvoří parní dutina, takže téměř veškerá energie záření může být vnesena do obrobku. Energie potřebná k tomu je tedy určena teplotně závislou absorpcí a množstvím ztracené energie.
vedením do zbytku obrobku. Při laserovém hybridním svařování dochází k odpařování nejen z povrchu obrobku, ale také z přídavného drátu, což znamená, že je k dispozici více kovové páry, což usnadňuje vstup laserového záření. Tím se také zabraňuje výpadku procesu [5, 6, 7, 8, 9].
4. Automobilové aplikace:
Použitím technologie prostorového rámu je možné snížit hmotnost o 43 % ve srovnání s ocelovou karoserií.
Obr. 2: Koncept Audi Space frame A2
Rám Audi A2 Space se skládá z 30 m laserového svařování (žluté proužky na obrázku 2) a 20 m MIG svařování. Kromě toho je použito také 1700 nýtů.
Obr. 3: Porovnání profilů a technik spojování na Audi-A2
Obrázek 4 ukazuje svarový spoj litého materiálu ALMg3 s plechem AlMgSi vyrobený technologií LaserHybrid. Přídavným drátem je AlSi5 a ochranným plynem je argon. Se zvyšujícím se výkonem laseru je možný hlubší průvar. Kombinací laserového paprsku s obloukem se tímto způsobem dosahuje větší tavné lázně než při použití samotného laserového svařování. To umožňuje svařovat součásti s většími mezerami.
Obr. 4: Překrývající se spoj s mezerou 0,5 mm
V automobilovém průmyslu existuje mnoho aplikací přeplátového svařování bez přípravy spoje. V současné době je nejmodernějším postupem pro tuto svařovací práci laserové svařování se studeným přídavným drátem, a to díky horkému praskání slitiny AA 6xxx. Při svařování spoje přídavným drátem se velká část laserové energie ztratí, aby se tento přídavný drát roztavil.
Následující obrázek znázorňuje rozdíly mezi laserovým hybridním a laserovým svařováním na překrývajícím se spoji s rychlostí svařování 2,4 m/min. V případě laserového svařování není možné vyplnit svarovou housenku a vzniká podřezání. Také dochází pouze k velmi malému pronikání do základního materiálu. Šířka svarové housenky je velmi malá, a proto se očekává nízká pevnost v tahu. V případě laserového hybridního svařování,
Do tavné lázně je dopravován další materiál. Podřezání je vyplněno drátem z procesu MIG a část laserové energie se nyní ušetří. Tuto ušetřenou laserovou energii lze využít ke zvýšení průniku do základního materiálu a šířka svarové housenky je větší než tloušťka materiálu, což je požadováno numerickou simulací.
Obr. 5 Porovnání svařování LaserHybrid a laserového svařování bez přídavného drátu
Svařovací metodou LaserHybrid je možné svařovat materiály z hliníku, ocelí a nerezových ocelí až do tloušťky materiálu 4 mm. Pokud je tloušťka příliš velká, není možné úplné provaření. Pro spojování pozinkovaných materiálů je také vhodnější použít laserové pájení.
Dalšími aplikacemi v automobilovém průmyslu jsou hnací ústrojí, nápravy a karoserie automobilů, kde může být vhodný proces laserového hybridního svařování.
Svařovací hlava:
Svařovací hlava by měla mít malé geometrické rozměry, aby byla zajištěna dobrá dostupnost svařovaných součástí, zejména v oblasti karoserií. Kromě toho by měla být navržena tak, aby umožňovala jak vhodné odnímatelné spojení s robotickou hlavou, tak i nastavitelnost procesních proměnných, jako je ohnisková vzdálenost a vzdálenosti od hořáku ve všech kartézských souřadnicích. Obrázek 5 znázorňuje svařovací hlavu za probíhajícího procesu. Rozstřik, ke kterému dochází během svařovacího procesu, vede ke zvýšenému znečištění ochranného skla. Křemenné sklo je z obou stran potaženo antireflexním materiálem a má chránit laserový optický systém před poškozením.
V závislosti na stupni znečištění mohou rozstřiky hromadící se na skle způsobit snížení výkonu laseru, který skutečně dopadá na obrobek, až o 90 %. Silnější znečištění obvykle vede ke zničení ochranného skla, protože velká část zářivé energie je pak absorbována samotným sklem, což způsobuje tepelné pnutí ve skle. S touto svařovací hlavou a svařovacím zařízením je možné svařování LaserHybrid, laserové svařování, svařování MSG aLaserové pájení horkým drátem.
Obr. 6: Svařovací hlava a proces
5. Výhody laserového hybridního svařování:
Sloučení oblouku a laserového paprsku přináší následující výhody: Výhody svařování LaserHybrid oproti laserovému svařování:
• vyšší stabilita procesu
• vyšší přemostivost
• hlubší penetrace
• nižší kapitálové investiční náklady
• větší tažnost
Výhody svařování LaserHybrid oproti svařování MIG:
• vyšší rychlosti svařování
• hlubší průvar při vyšších rychlostech svařování
• nižší tepelný příkon
• vyšší pevnost v tahu
• užší svary
Obr. 7: Výhody kombinace obou procesů
Proces obloukového svařování se vyznačuje nízkými náklady na zdroj energie, dobrou schopností přemostění a možností ovlivnit strukturu přidáváním přídavných kovů. Charakteristickými rysy laserového svařování jsou naproti tomu velká hloubka svaru, vysoká rychlost svařování, nízké tepelné zatížení a úzké svarové švy, kterých dosahuje. Nad určitou hustotou paprsku vytváří laserový paprsek v kovových materiálech „efekt hlubokého svaru“, který umožňuje svařovat součásti s větší tloušťkou stěny – za předpokladu, že je výkon laseru dostatečně vysoký. Hybridní laserové svařování tak umožňuje vyšší rychlosti svařování, stabilizaci procesu díky interakci mezi obloukem a laserovým paprskem, zvýšenou tepelnou účinnost a větší tolerance obrobků. Protože je tavná lázeň menší než u procesu MIG, je tepelný příkon menší, a tím i menší tepelně ovlivněná zóna. To znamená méně svarů.
deformace, což snižuje množství následných rovnacích prací po svařování.
V případech dvou oddělených svarových lázní následný tepelný vstup z oblouku znamená, že laserový paprsek – svařovaná oblast – zejména v případě oceli – je po svařování popouštěna, čímž se hodnoty tvrdosti rovnoměrněji rozloží po celém svarovém spoji. Obrázek 6 shrnuje výhody kombinovaného (tj. hybridního) procesu.
Pokud jde nyní o ekonomické výhody hybridního svařování oproti laserovému, lze učinit následující konstatování: Svarový šev se skládá částečně z laserového svaru a částečně z MIG svaru. Hybridní proces umožňuje snížit výkon laserového paprsku, což znamená, že spotřeba energie laserového zdroje může být výrazně snížena, protože laserové zařízení má účinnost pouze 3 %. Jinými slovy: Snížení výkonu laserového paprsku dopadajícího na obrobek o 1 kW vede ke snížení spotřeby energie z elektrické sítě přibližně o 35 kVA.
Laserové zařízení stojí přibližně 0,1 milionu EUR na 1 kW.výkon laserového paprskuUveďme si jen jeden příklad: v případě, kdy využití hybridního procesu umožňuje použít laserový přístroj o výkonu 2 kW namísto přístroje o výkonu 4 kW, dochází k úspoře investičních nákladů ve výši 0,2 milionu EUR. Je však třeba mít na paměti, že pro hybridní proces bude zapotřebí MIG stroj v ceně přibližně 20 000 EUR.
Díky vyšší rychlosti svařování lze snížit jak výrobní časy, tak i náklady na svařování.
6. Pájení laserem a horkým drátem:
Další možností kombinace laserového paprsku s přídavným drátem je proces LaserHotwire [10]. V tomto postupu se přídavný drát předehřívá stejným zdrojem energie, který lze použít proProces hybridního laserového svařováníPřídavný drát má proudové zatížení od 100 A do 220 A. Rychlost podávání drátu závisí na průřezu pájecí housenky a rychlosti pájení. Pájení natvrdo nabízí díky množství přídavného kovu formovací materiál, který lze snáze opracovat než srovnatelné svary. Díky pájení plechových dílů lze opravy provádět snadněji než u svarových spojů. Jednou z výhod pájení laserem LaserHotwire je dobrá odolnost pájené zóny proti korozi.
Jako přídavné materiály se používají levné slitiny na bázi mědi, jako je SG-CuSi3, a jako ochranný plyn slouží argon.
Obr. 8: Schematické znázorněníLaserové pájení horkým drátem:
Následující obrázek ukazuje průřez materiálem pájeným laserem horkým drátem. Pozinkovaný materiál je pájen rychlostí 3 m/min a přídavný drát má proudové zatížení 205 A. Příkon tepla je velmi nízký, proto je výsledkem procesu pájení nízká deformace.
7. Shrnutí:
Laserové hybridní svařování je zcela nová technologie, která nabízí synergie pro široké oblasti použití v kovoobráběcím průmyslu, zejména tam, kde není možné nebo finančně rentabilní dosáhnout tolerancí součástí požadovaných pro...svařování laserovým paprskemMnohem širší škála použití a vysoká kapacita kombinovaného procesu vedou ke zvýšené konkurenceschopnosti z hlediska snížených investičních výdajů, kratších výrobních dob, nižších výrobních nákladů a vyšší produktivity.
Proces LaserHybrid také nabízí nový přístup ke svařování hliníku. Stabilní proces, který lze v praxi použít, se však stal možným teprve relativně nedávno, a to díky vyšším dostupným výstupním výkonům pevnolátkových laserů. Četné studie zkoumaly základy laserově-obloukově-hybridních svařovacích procesů. „Hybridní svařovací proces“ znamená kombinaci laserového svařování a obloukového svařování s pouze jednou procesní zónou (plazma a tavenina). Základní výzkumné studie ukázaly, že je možný proces, ve kterém lze kombinací obou procesů dosáhnout synergií a kompenzovat nevýhody každého samostatného procesu, což vede ke zlepšení možností svařování, svařitelnosti a spolehlivosti svařování u mnoha různých materiálů a konstrukcí. Zejména to bylo prokázáno u hliníkových slitin. Volbou příznivých procesních parametrů je možné selektivně ovlivňovat vlastnosti svaru, jako je geometrie a strukturální složení. Proces obloukového svařování zvyšuje přemostitelnost přidáním přídavného materiálu; také určuje šířku svarového švu, a tím snižuje množství potřebné přípravy obrobku. Interakce mezi procesy navíc vedou k podstatnému zvýšení účinnosti procesu. Tento kombinovaný proces také vyžaduje podstatně menší investiční náklady než proces laserového svařování.
Proces pájení laserem horkým drátem lze použít zejména pro pozinkované materiály k dosažení dobré odolnosti proti korozi.
Čas zveřejnění: 18. dubna 2025
