Bæði leysigeislasuðu og bogasuðu hafa lengi verið notaðar í iðnaðarframleiðslu og leyfa fjölbreytt notkunarsvið á sviði efnissamsetningartækni. Hver þessara ferla hefur sín sérstöku notkunarsvið, eins og lýst er í eðlisfræðilegum ferlum orkuflutningsins til vinnustykkisins og með orkuflæðinu sem hægt er að fá. Orkan er flutt frá leysigeislagjafanum til efnisins sem á að vinna með háorku innrauðri samfelldri geislun, með ljósleiðara. Boginn flytur hitann sem þarf til suðu með miklum rafstraumi sem streymir til vinnustykkisins í gegnum bogasúlu. Leysigeislunin leiðir til mjög þröngs hitaáhrifasvæðis með stóru hlutfalli suðudýptar og saumbreiddar (djúpsuðuáhrif). Bilbrúargeta leysisuðuferlisins er mjög lítil vegna lítils fókusþvermáls, en hins vegar getur það náð mjög miklum suðuhraða. Bogasuðuferlið hefur mun lægri orkuþéttleika, en veldur stærri fókuspunkti á yfirborði vinnustykkisins og einkennist af hægari vinnsluhraða. Með því að sameina þessi tvö ferli er hægt að ná fram gagnlegum samlegðaráhrifum. Þetta gerir það að lokum mögulegt að ná bæði gæðaforskotum og framleiðsluverkfræðilegum ávinningi, sem og bættri kostnaðarhagkvæmni. Þessi aðferð býður upp á áhugaverða og efnahagslega aðlaðandi notkun, bæði í bílaiðnaðinum, ekki síst vegna þess að leyfð eru hærri vikmörk á suðuhlutunum, möguleg eru hærri samskeytistíðni og hægt er að ná mjög góðum vélrænum/tæknilegum breytum.
1. Inngangur:
Allt frá áttunda áratugnum hefur verið vitað hvernig hægt er að sameina leysigeisla og ljósboga í eina sameinuðu suðuaðferð, en lengi eftir það var engin frekari þróun hafin. Nýlega hafa vísindamenn beint athygli sinni að þessu efni á ný og reynt að sameina kosti ljósbogans og leysigeislans í blönduðu suðuferli. Áður fyrr þurftu leysigeislar enn að sanna hentugleika sinn til iðnaðarnota, en nú eru þeir staðalbúnaður í mörgum framleiðslufyrirtækjum.
Samsetning leysissuðu við aðra suðuaðferð er kölluð „blönduð suðuaðferð“. Þetta þýðir að leysigeisli og ljósbogi virka samtímis á einu suðusvæði og hafa áhrif á og styðja hvor annan.
2. Leysir:
Lasersuðu krefst ekki aðeins mikils leysirafls heldur einnig hágæða geisla til að ná fram tilætluðum „djúpsuðuáhrifum“. Með því móti er hægt að nýta hærri gæði geislans annað hvort til að fá minni fókusþvermál eða stærri fókusfjarlægð.
Í þeim þróunarverkefnum sem nú eru í gangi er notaður lampadæltur fastfasa leysir með 4 kW leysigeislaafli. Leysiljósið er sent um 600 µm glerþráð.
Leysigeislinn er sendur um glerþráð þar sem upphaf og endi eru vatnskældir. Leysigeislinn er varpað á vinnustykkið með fókuseiningu með 200 mm brennivídd.
3. Leysiblendingsferli:
Til að suða málmhluta er Nd:YAG leysigeislinn einbeittur að styrkleika yfir 106W/cm2. Þegar leysigeislinn lendir á yfirborði efnisins hitar hann þennan blett upp í gufuhita og gufuhola myndast í suðumálminum vegna slepandi málmgufu. Einkennandi eiginleiki suðusamsins er hátt hlutfall dýptar og breiddar. Orkuflæðisþéttleiki frjálst brennandi bogans er rétt yfir 104 W/cm2. Mynd 1 sýnir grunnregluna um blendingssuðu. Leysigeislinn
Sú sýn sem hér er sýnd veitir hita til suðumálmsins í efri hluta samskeytisins, auk hita frá boganum. Ólíkt raðbundinni suðu þar sem tvær aðskildar suðuaðferðir virka hver á eftir annarri, má líta á blendingssuðu sem samsetningu beggja suðuaðferða sem virka samtímis á einu og sama vinnslusvæði. Eftir því hvaða boga- eða leysisaðferð er notuð og eftir ferlisbreytunum munu ferlin hafa áhrif hvert á annað í mismunandi mæli og á mismunandi vegu [1, 2].
Þökk sé samsetningu leysigeislaferlisins og bogaferlisins eykst bæði suðudýpt og suðuhraði (samanborið við hvort tveggja ferli sem notað er eitt sér). Málmgufan sem sleppur úr gufuholinu hefur áhrif á bogaplasmaið. Gleypni Nd:YAG leysigeislunarinnar í vinnsluplasmanum er hverfandi. Eftir því hvaða hlutfall aflgjafanna tveggja er valið getur eðli heildarferlisins ráðist meira eða minna af annaðhvort leysinum eða boganum [3,4].
Mynd 1: Skýringarmynd: LaserHybrid suðu
Hitastig yfirborðs vinnustykkisins hefur mikil áhrif á frásog leysigeislunarinnar. Áður en leysissuðuferlið getur hafist verður fyrst að vinna bug á upphaflegri endurskinsstuðli, sérstaklega á ályfirborðum. Þetta er hægt að ná með því að hefja suðu með sérstöku ræsiforriti. Eftir að uppgufunarhitastigi hefur verið náð myndast gufuhola, sem leiðir til þess að næstum öll geislunarorkan getur farið inn í vinnustykkið. Orkan sem þarf til þessa er því ákvörðuð af hitaháðri frásog og magni orkutaps.
með leiðni inn í restina af vinnustykkinu. Í LaserHybrid suðu á sér stað uppgufun ekki aðeins frá yfirborði vinnustykkisins heldur einnig frá fylliefninu, sem þýðir að meiri málmgufa er tiltæk, sem aftur auðveldar inntak leysigeislunarinnar. Þetta kemur einnig í veg fyrir að ferlinu verði hætt [5, 6, 7, 8, 9].
4. Notkun í bifreiðum:
Með því að nota geimrammatækni er mögulegt að draga úr þyngd um 43% í samanburði við stálbíl.
Mynd 2: Audi Space frame A2 hugmyndabíll
Ramminn á Audi A2 Space er úr 30 m leysisveiflu (gular rendur á mynd 2) og 20 m MIG-suðulengd. Að auki eru notaðar 1700 nítur.
Mynd 3: Samanburður á sniðum og samskeytaaðferðum á Audi-A2
Mynd 4 sýnir LaserHybrid-suðusamskeyti úr ALMg3 steyptu efni og AlMgSi plötuefni. Fyllingarvírinn er AlSi5 og hlífðargasið sem notað er er argon. Með aukinni leysigeislaorku er dýpri íbreiðslu möguleg. Með því að sameina leysigeislann og bogann á þennan hátt fæst stærri suðulaug en með leysigeislasuðuferlinu einu sér. Þetta gerir það mögulegt að suða íhluti með breiðari bilum.
Mynd 4: Samskeyti með 0,5 mm bili
Í bílaiðnaðinum eru margar leiðir til að nota skörunarsuðu án undirbúnings samskeyta. Eins og er er nýjasta aðferðin fyrir þetta suðuverk lasersuðuferlið með köldum fylliefni, vegna heitrar sprungumyndunar í AA 6xxx málmblöndunni. Þegar samskeytin eru suðað með fylliefni tapast mikil af laserorkunni til að bræða fylliefnið.
Næsta mynd sýnir muninn á LaserHybrid og Laser suðu á yfirlappandi samskeyti með suðuhraða upp á 2,4 m/mín. Við laser suðu er enginn möguleiki á að fylla suðuperluna og undirskurður myndast. Einnig er aðeins mjög lítill ídráttur í grunnefnið. Breidd suðuperlunnar er mjög lítil og því er búist við lágum togstyrk. Við LaserHybrid suðu,
Viðbótarefni er flutt í suðulaugina. Undirskurðurinn er fylltur með vírnum frá MIG-ferlinu og hluti af leysigeislaorkunni sparast nú. Þessa sparaðu leysigeislaorku er hægt að nota til að auka innrásina í grunnefnið og breidd suðuperlunnar er meiri en þykkt efnisins, sem er krafist samkvæmt tölulegri hermun.
Mynd 5 Samanburður á LaserHybrid og Lasersuðu án fylliefni
Með LaserHybrid suðuaðferðinni er hægt að suða efni úr áli, stáli og ryðfríu stáli allt að 4 mm þykkt. Ef þykktin er of mikil er ekki hægt að ná fullri lóðun. Til að sameina sinkhúðuð efni er einnig æskilegra að nota laserlóðun.
Frekari notkunarmöguleikar í bílaiðnaði eru drifrásir, öxlar og bílyfirbyggingar, þar sem leysissuðuferlið getur hentað.
Suðuhaus:
Suðuhausinn ætti að hafa litlar rúmfræðilegar víddir til að tryggja góða aðgengi að íhlutunum sem á að suða, sérstaklega í bílaframleiðslu. Ennfremur ætti hann að vera hannaður til að leyfa bæði viðeigandi losanlega tengingu við vélmennishöfuðið og stillanlegan vinnslubreytur eins og brennifjarlægð og brennifjarlægð í öllum kartesískum hnitum. Mynd 5 sýnir suðuhausinn á meðan ferlið er í gangi. Skvetturnar sem myndast við suðuferlið leiða til aukinnar óhreininda á verndarglerinu. Kvarsglerið er húðað á báðum hliðum með endurskinsvörn og er ætlað að vernda leysigeislakerfið gegn skemmdum.
Eftir því hversu óhreinindin eru getur skvetta sem safnast fyrir á glerinu valdið því að leysigeislunin sem raunverulega lendir á vinnustykkinu minnkar um allt að 90%. Meiri óhreinindi leiða almennt til þess að verndarglerið eyðileggst, þar sem svo stór hluti geislunarorkunnar frásogast síðan af glerinu sjálfu og veldur hitaspennu í glerinu. Með þessum suðuhaus og suðubúnaði er hægt að nota hann fyrir LaserHybrid-suðu, leysissuðu, MSG-suðu og ...Laser heitvírlóðun.
Mynd 6: Suðuhaus og ferli
5. Kostir leysisblendingssuðu:
Eftirfarandi kostir fylgja því að sameina boga- og leysigeisla: Kostir LaserHybrid-suðu umfram leysissuðu:
• meiri stöðugleiki í ferlinu
• meiri brúarhæfni
• dýpri ídráttur
• lægri fjárfestingarkostnaður
• meiri teygjanleiki
Kostir LaserHybrid-suðu umfram MIG-suðu:
• hærri suðuhraði
• dýpri ídráttur við hærri suðuhraða
• minni varmainntak
• meiri togstyrkur
• þrengri suðusamskeyti
Mynd 7: Kostir þess að sameina þessi tvö ferli
Bogasuðuferlið einkennist af ódýrri orkugjafa, góðri brúarhæfni og möguleika á að hafa áhrif á uppbyggingu með því að bæta við fylliefni. Einkennandi eiginleikar leysigeislaferlisins eru hins vegar mikil suðudýpt, mikill suðuhraði, lágt hitaálag og þröngir suðusamskeyti sem það nær. Yfir ákveðnum geislaþéttleika framleiðir leysigeislinn „djúpsuðuáhrif“ í málmefnum sem gerir kleift að suða íhluti með meiri veggþykkt - að því gefnu að leysigeislinn sé nægilega mikill. Leysihybridsuðun leiðir þannig til hærri suðuhraða, stöðugleika ferlisins vegna samspils bogans og leysigeislans, aukinnar hitanýtni og meiri vikmörk vinnustykkisins. Þar sem suðulaugin er minni en í MIG-ferlinu er minni varmainntak og þar með minna hitaáhrifasvæði. Þetta þýðir minni suðu.
aflögun, sem dregur úr þeirri vinnu við réttingu eftir suðu sem þarf að vinna.
Þar sem tveir aðskildir suðulaugar eru, þýðir síðari varmainnstreymi frá boganum að leysigeislinn – suðusvæðið – sérstaklega þegar um stál er að ræða – fær herðingu eftir suðuna, sem dreifir hörkugildunum jafnar yfir samskeytin. Mynd 6 dregur saman kosti sameinaðrar (þ.e. blönduðrar) aðferðar.
Ef við snúum okkur nú að efnahagslegum ávinningi af blendingssuðu umfram leysissuðu má fullyrða eftirfarandi: Suðasamurinn samanstendur að hluta til af leysissuðu og að hluta til af MIG-suðu. Blendingsferlið gerir það mögulegt að draga úr afli leysigeislans, sem þýðir að orkunotkun leysigeislans getur minnkað verulega, þar sem leysigeislatækið hefur aðeins 3% skilvirkni. Með öðrum orðum: 1 kW minnkun á afli leysigeislans sem hefur áhrif á vinnustykkið leiðir til um það bil 35 kVA minnkunar á afli sem neytt er frá rafveitunni.
Leysigeislatæki kostar um 0,1 milljón evra fyrir hvert 1 kW afleysigeislaaflTil að taka eitt dæmi, ef nýting blendingsferlisins gerir það mögulegt að nota 2 kW leysigeislatæki í stað eins með 4 kW geislaafli, þá sparast 0,2 milljónir evra í fjárfestingarkostnaði. Hins vegar verður að hafa í huga að fyrir blendingsferlið þarf MIG-vél sem kostar um 20.000 evrur.
Þökk sé hærri suðuhraða er hægt að draga úr bæði framleiðslutíma og suðukostnaði.
6. Laserheitvírlóðun:
Annar möguleiki á að sameina leysigeislann við fylliefni er LaserHotwire ferlið [10]. Í þessu ferli er fylliefnið forhitað með sama aflgjafa, sem hægt er að nota fyrirLaser Hybrid suðuferliFyllingarvírinn hefur straumálag frá 100 A upp í 220 A. Vírhraðinn fer eftir þversniði lóðperlunnar og lóðhraða. Lóðun býður upp á, með magni fyllingarmálmsins, mótunarefni sem auðveldara er að klára en sambærilegar suðusamskeyti. Með lóðun plötuhluta er hægt að framkvæma viðgerðir á auðveldari hátt en með suðusamskeytum. Einn kostur við LaserHotwire-lóðun er góð tæringarþol lóðsvæðisins.
Sem fyllimálmar eru notaðar ódýrar koparblöndur eins og SG-CuSi3 og argon þjónar sem hlífðargas.
Mynd 8: SkýringarmyndLaser heitvírlóðun:
Næsta mynd sýnir þversnið af efni sem er lóðað með leysigeislavír. Sinkhúðaða efnið er lóðað með hraðanum 3 m/mín og fyllivírinn hefur straumálag upp á 205 A. Hitainntakið er mjög lágt, þess vegna er lítil aflögun afleiðing lóðunarferlisins.
7. Samantekt:
Leysisveiflusveisla með blendingssveiflum er alveg ný tækni sem býður upp á samlegðaráhrif fyrir fjölbreytt notkunarsvið í málmiðnaði, sérstaklega þar sem það er ekki mögulegt eða fjárhagslega hagkvæmt að ná þeim vikmörkum íhluta sem krafist er fyrir...leysigeislasuðuMun breiðara notkunarsvið og mikil afköst sameinaða ferlisins leiða til aukinnar samkeppnishæfni hvað varðar minni fjárfestingarútgjöld, styttri framleiðslutíma, lægri framleiðslukostnað og meiri framleiðni.
LaserHybrid-ferlið býður einnig upp á nýja nálgun á suðu á áli. Hins vegar hefur stöðugt ferli sem hægt er að nota í reynd ekki orðið mögulegt fyrr en tiltölulega nýlega, þökk sé hærri afköstum fastfasa leysigeisla. Fjölmargar rannsóknir hafa skoðað grunnatriði leysigeislasuðu með blendingssuðu. Með „blendingssuðuferli“ er átt við samsetningu leysigeislasuðu og bogasuðuferlis, með aðeins einu ferlissvæði (plasma og bráð). Grunnrannsóknir hafa sýnt að mögulegt er ferli þar sem – með því að sameina þessi tvö ferli – er hægt að ná fram samlegðaráhrifum og bæta upp galla hvers einstaks ferlis, sem leiðir til aukinna suðumöguleika, suðuhæfni og suðuáreiðanleika fyrir mörg mismunandi efni og smíði. Sérstaklega hefur þetta verið sýnt fram á fyrir álblöndur. Með því að velja hagstæða ferlisbreytur er hægt að hafa valkvætt áhrif á suðueiginleika eins og rúmfræði og burðarvirki. Bogasuðuferlið eykur brúarhæfni með því að bæta við fylliefni; það ákvarðar einnig breidd suðusamans og dregur þannig úr þörfinni á undirbúningi vinnustykkisins. Þar að auki leiðir víxlverkunin sem á sér stað milli ferlanna til verulegrar aukningar á skilvirkni ferlisins. Þessi samsetta aðferð krefst einnig mun minni fjárfestingarkostnaðar en leysisuðuferlið.
Laserheitvírlóðun er sérstaklega hægt að nota fyrir sinkhúðað efni til að fá góða tæringarþol.
Birtingartími: 18. apríl 2025
