Souwuel Laserstrahlschweißen wéi och Lichtbogenschweißen gi scho laang fir d'Industrieproduktioun benotzt a erlaben e breet Spektrum vun Uwendungen am Beräich vun der Materialverbindungstechnologie. Jiddwer vun dëse Prozesser huet seng spezifesch Uwendungsberäicher, wéi se duerch déi physikalesch Prozesser vum Energietransport op d'Aarbechtsstéck a vun den Energiestréim beschriwwe ginn, déi kritt kënne ginn. D'Energie gëtt vun der Laserstrahlquell op d'Material fir d'Veraarbechtung iwwerdroen duerch héichenergetesch kohärent Infraroutstralung, mat Hëllef vun engem Glasfaserkabel. De Lichtbogen iwwerdréit d'Hëtzt, déi fir d'Schweißen néideg ass, duerch en héijen elektresche Stroum, deen iwwer eng Lichtbogensail op d'Aarbechtsstéck fléisst. D'Laserstralung féiert an eng ganz schmuel Hëtztbeaflosst Zon mat engem grousse Verhältnis vun der Schweißdéift zur Nahtbreet (Déifschweißeffekt). D'Spaltiwwerbréckungsfäegkeet vum Laserschweißprozess ass wéinst sengem klenge Fokusduerchmiesser ganz niddreg, awer op der anerer Säit kann et ganz héich Schweißgeschwindegkeete erreechen. De Lichtbogenschweißprozess huet eng vill méi niddreg Energiedicht, awer verursaacht e méi grousse Fokuspunkt op der Uewerfläch vum Aarbechtsstéck a charakteriséiert sech duerch eng méi lues Veraarbechtungsgeschwindegkeet. Duerch d'Zesummeféierung vun dëse béide Prozesser kënnen nëtzlech Synergien erreecht ginn. Schlussendlech erméiglecht dëst souwuel Qualitéitsvirdeeler wéi och produktiounstechnesch Virdeeler, souwéi eng verbessert Käschteeffizienz. Dëse Prozess bitt interessant an ekonomesch attraktiv Uwendungen, souwuel an der Automobilindustrie, net zulescht well méi héich Toleranzen op de Schweessmaterialien erlaabt sinn, méi héich Verbindungsquoten méiglech sinn, a ganz gutt mechanesch/technologesch Parameter erreecht kënne ginn.
1. Aféierung:
Zënter den 1970er Joren ass et bekannt, wéi ee Laserliicht a Bou zu engem integréierte Schweessprozess kombinéiere kann, awer laang Zäit duerno gouf keng weider Entwécklungsaarbecht méi duerchgefouert. An der leschter Zäit hunn d'Fuerscher sech nees op dëst Thema konzentréiert a probéiert, d'Virdeeler vum Bou mat deene vum Laser an engem Hybrid-Schweessprozess ze vereenen. Wärend Laserquellen an den Ufankszäiten hir Gëeegentheet fir den industrielle Gebrauch nach beweisen hu missen, sinn se hautdesdaags Standard-technologesch Ausrüstung a ville Produktiounsbetriber.
D'Kombinatioun vu Laserschweißen mat engem anere Schweißprozess gëtt als "Hybridschweißprozess" bezeechent. Dëst bedeit, datt e Laserstrahl an e Bou gläichzäiteg an enger Schweißzon wierken, sech géigesäiteg beaflossen an ënnerstëtzen.
2. Laser:
Laserschweißen erfuerdert net nëmmen eng héich Laserleistung, mä och e qualitativ héichwäertege Stral, fir den erwënschten "Déifschweißeffekt" ze kréien. Déi resultéierend méi héich Stralqualitéit kann entweder ausgenotzt ginn, fir en méi klenge Fokusduerchmiesser oder eng méi grouss Brennwäit ze kréien.
Fir déi aktuell lafend Entwécklungsprojeten gëtt e lampegepompelte Festkierperlaser mat enger Laserstralleistung vu 4 kW benotzt. D'Laserliicht gëtt iwwer eng 600 µm Glasfaser iwwerdroen.
D'Laserliicht gëtt iwwer eng Glasfaser iwwerdroen, bei där den Ufank an d'Enn mat Waasser ofgekillt sinn. De Laserstral gëtt vun engem Fokusmodul mat enger Brennwäit vun 200 mm op d'Werkstéck projetéiert.
3. Laser-Hybridprozess:
Fir d'Schweißen vu metallesche Werkstécker gëtt den Nd:YAG-Laserstrahl op Intensitéiten iwwer 106 W/cm2 fokusséiert. Wann de Laserstrahl d'Uewerfläch vum Material trëfft, erhëtzt en dës Plaz op Verdampfungstemperatur, an eng Damphöhl entsteet am Schweessmetall wéinst dem entkommene Metalldamp. Dat ënnerscheedend Merkmal vun der Schweessnaht ass säin héicht Déift-Breet-Verhältnes. D'Energie-Flossdicht vum fräi brennende Bou läit liicht iwwer 104 W/cm2. Figur 1 illustréiert de Grondprinzip vum Hybridschweessen. De Laserstrahl
Hei duergestallt gëtt Hëtzt un de Schweessmetall am ieweschten Deel vun der Naht, zousätzlech zu der Hëtzt vum Bou. Am Géigesaz zu enger sequenzieller Konfiguratioun, wou zwou separat Schweessprozesser hannereneen operéieren, kann Hybridschweessen als eng Kombinatioun vun deenen zwou Schweessprozesser ugesi ginn, déi gläichzäiteg an enger an der selwechter Prozesszon operéieren. Jee nodeem wéi e Bou- oder Laserprozess benotzt gëtt, an de Prozessparameteren, beaflossen d'Prozesser sech géigesäiteg a verschiddene Mooss an op verschidde Weeër [1, 2].
Dank der Kombinatioun vum Laserprozess an dem Bouprozess gëtt et och eng Erhéijung vun der Schweessduerchdringungsdéift an der Schweessgeschwindegkeet (am Verglach mat engem vun de Prozesser, déi eleng benotzt ginn). De Metalldamp, deen aus der Damphöhl erauskënnt, wierkt retroaktiv op de Bouplasma. D'Absorptioun vun der Nd:YAG-Laserstralung am Veraarbechtungsplasma bleift vernoléissegbar. Jee nodeem wéi e Verhältnes vun den zwou Leeschtungszugängen gewielt gëtt, kann de Charakter vum Gesamtprozess méi oder manner vum Laser oder vum Bou bestëmmt ginn [3,4].
Fig. 1: Schematesch Duerstellung: LaserHybrid-Schweißen
D'Absorptioun vun der Laserstralung gëtt wesentlech vun der Temperatur vun der Uewerfläch vum Werkstéck beaflosst. Ier de Laserschweissprozess ufänke kann, muss d'Ufanksreflexioun als éischt iwwerwonne ginn, besonnesch op Aluminiumoberflächen. Dëst kann erreecht ginn andeems d'Schweisse mat engem spezielle Startprogramm ugefaange gëtt. Nodeems d'Verdampfungstemperatur erreecht gouf, gëtt d'Dampfhahle gebilt, wouduerch bal déi ganz Stralungsenergie an d'Werkstéck agefouert ka ginn. Déi dofir gebraucht Energie gëtt also duerch d'temperaturofhängeg Absorptioun an duerch d'Quantitéit un Energie, déi verluer geet, bestëmmt.
duerch Konduktioun an de Rescht vum Werkstéck. Beim LaserHybrid-Schweißen fënnt d'Verdampfung net nëmmen vun der Uewerfläch vum Werkstéck statt, mä och vum Zousazdrot, dat heescht, datt méi Metalldamp verfügbar ass, wat dann den Zougank vun der Laserstralung erliichtert. Dëst verhënnert och Prozessausfall [5, 6, 7, 8, 9].
4. Automobilanwendung:
Duerch d'Benotzung vu Spaceframe-Technologie ass eng Gewiichtsreduktioun vu 43 % am Verglach mat enger Stahlkarosserie méiglech.
Abb. 2: Audi Spaceframe A2 Konzept
De Kader vum Audi A2 Space besteet aus enger Laserschweißlängt vun 30 m (giel Sträifen an der Figur 2) an enger MIG-Schweißlängt vun 20 m. Zousätzlech ginn och 1700 Nieten benotzt.
Abb. 3: Vergläich vu Profiler a Verbindungstechniken um Audi-A2
Figur 4 weist eng LaserHybrid-Schweessverbindung vun engem ALMg3-Gossmaterial mat engem AlMgSi-Blechmaterial. Den Zousazdrot ass AlSi5 an de Schutzgas, deen benotzt gëtt, ass Argon. Mat zouhuelender Laserleistung ass eng méi déif Penetratioun méiglech. Duerch dës Kombinatioun vum Laserstrahl mam Bou gëtt e méi grousse Schweessbad erreecht wéi beim Laserstrahlschweesprozess eleng. Dëst erméiglecht et, Komponenten mat méi breede Spalten ze schweessen.
Fig. 4: Iwwerlappungsverbindung mat enger Spalt vun 0,5 mm
An der Automobilindustrie gëtt et vill Uwendungen vum Iwwerlappungsschweißen ouni Virbereedung vun de Verbindungen. Am Moment ass de modernste Prozess fir dës Schweessaarbecht de Laserschweißprozess mat engem kale Fëllsaat, wéinst dem waarme Rëssbildung vun der AA 6xxx-Legierung. Wann d'Verbindung mat engem Fëllsaat geschweißt gëtt, geet vill vun der Laserenergie verluer, fir dee Fëllsaat ze schmëlzen.
Déi nächst Figur weist d'Ënnerscheeder tëscht LaserHybrid a Laserschweißen op enger Iwwerlappungsverbindung mat enger Schweißgeschwindegkeet vun 2,4 m/min. Beim Laserschweißen ass et net méiglech, de Schweißperl opzefëllen, an et entsteet eng Ënnerschnittung. Ausserdeem gëtt et nëmmen eng ganz kleng Duerchdréngung an d'Basismaterial. D'Breet vun der Schweißperl ass ganz kleng, dofir gëtt eng niddreg Zuchfestigkeit erwaart. Beim LaserHybrid-Schweißen,
Zousätzlech Material gëtt an de Schweißbad transportéiert. Den Ënnerschnëtt gëtt mam Drot vum MIG-Prozess gefëllt, an en Deel vun der Laserenergie gëtt elo gespuert. Dës gespuert Laserenergie kann benotzt ginn, fir d'Penetratioun an d'Basismaterial ze erhéijen, an d'Breet vun der Schweißperle ass méi grouss wéi d'Materialdicke, déi aus der numerescher Simulatioun erfuerderlech ass.
Fig. 5 Vergläich tëscht LaserHybrid a Laserschweißen ouni Zousazdraht
Mat der LaserHybrid-Schweißprozedur ass et méiglech Materialien aus Aluminium, Stol a rostfreiem Stol bis zu enger Materialdicke vu 4 mm ze schweessen. Wann d'Dicke ze héich ass, ass eng voll Duerchdréngung net méiglech. Fir d'Verbindung vu verzinkte Materialien ass et och virzezéien, de Laserlätprozess ze benotzen.
Weider Uwendungen am Automobilsecteur sinn Antriebszich, Achsen a Karosserie, wou de Laser-Hybrid-Schweißprozess gëeegent ka sinn.
Schweesskapp:
De Schweesskapp soll kleng geometresch Dimensiounen hunn, fir eng gutt Zougänglechkeet zu de Komponenten ze garantéieren, déi geschweesst solle ginn, besonnesch am Beräich vun der Autoskarosserie. Ausserdeem soll e sou konzipéiert sinn, datt e souwuel eng passend ofnehmbar Verbindung mam Roboterkapp wéi och d'Astellbarkeet vu Prozessvariablen wéi Brennwäit an Ofstänn vum Brenner an alle kartesesche Koordinaten erlaabt. Figur 5 weist de Schweesskapp, während de Prozess am Asaz ass. D'Sprëtzen, déi beim Schweessprozess entstinn, féiert zu enger ëmmer méi grousser Verschmotzung vum Schutzglas. D'Quarzglas ass op béide Säite mat engem antireflexiven Material beschichtet a soll den optesche Lasersystem viru Schued schützen.
Jee no Verschmotzungsgrad kann de Sprëtz, deen sech um Glas sammelt, dozou féieren, datt d'Laserleistung, déi tatsächlech um Werkstéck wierkt, ëm bis zu 90 % erofgeet. Méi staark Verschmotzung féiert normalerweis zur Zerstéierung vum Schutzglas, well sou e groussen Deel vun der Stralungsenergie vum Glas selwer absorbéiert gëtt, wat zu thermesche Spannungen am Glas féiert. Mat deem Schweesskapp an deem Schweessgerät ass et méiglech, en fir LaserHybrid-Schweißen, Laserschweißen, MSG-Schweißen a ... ze benotzen.Laser Heissdrotlösung.
Abb. 6: Schweesskapp a Prozess
5. Virdeeler vum Laser-Hybrid-Schweißen:
Folgend Virdeeler resultéieren aus der Zesummesetzung vu Bou- a Laserstrahl: Virdeeler vum LaserHybrid-Schweißen am Verglach zum Laserschweißen:
• méi héich Prozessstabilitéit
• méi héich Bréckbarkeet
• méi déif Penetratioun
• méi niddreg Investitiounskäschten
• méi grouss Duktilitéit
Virdeeler vum LaserHybrid-Schweißen am Verglach zum MIG-Schweißen:
• méi héich Schweessgeschwindegkeeten
• méi déif Schweißen bei méi héije Schweessgeschwindegkeeten
• méi niddrege Wärmeverbrauch
• méi héich Zuchfestigkeit
• méi schmuel Schweißnähten
Abb. 7: Virdeeler vun der Kombinatioun vun den zwéi Prozesser
De Bouschweessprozess ass charakteriséiert duerch eng bëlleg Energiequell, eng gutt Bréckfäegkeet an d'Méiglechkeet, d'Struktur duerch Zousaz vu Fëllmetaller ze beaflossen. Déi ënnerschiddlech Charakteristike vum Laserstrahlprozess sinn dogéint déi grouss Schweessdéift, déi héich Schweessgeschwindegkeet, déi niddreg thermesch Belaaschtung an déi schmuel Schweessnähten, déi e erreecht. Iwwer eng gewëssen Stralendicht produzéiert de Laserstrahl en "Déifschweesseffekt" a metallesche Materialien, wat et erméiglecht, Komponenten mat gréissere Wanddicken ze schweessen - virausgesat datt d'Laserleistung héich genuch ass. Laserhybridschweessen suergt dofir fir méi héich Schweessgeschwindegkeeten, eng Prozessstabiliséierung duerch d'Interaktioun tëscht dem Bou an dem Laserstrahl, eng erhéicht thermesch Effizienz a méi grouss Toleranzen vum Werkstéck. Well de Schweessbad méi kleng ass wéi beim MIG-Prozess, gëtt et manner thermesch Zougank an domat eng méi kleng Hëtztbeaflosst Zon. Dëst bedeit manner Schweess.
Verzerrung, wat d'Quantitéit un spéiderer Gläichrichtungsaarbecht nom Schweessen reduzéiert.
Wa et zwou separat Schweessplazen gëtt, bedeit déi spéider Wärmeinput vum Bou, datt de Laserstrahl – d'Schweessfläch – besonnesch am Fall vu Stol – eng Noschweessanhärtung kritt, wouduerch d'Häertwäerter méi gläichméisseg iwwer d'Naht verdeelt ginn. Figur 6 resüméiert d'Virdeeler vum kombinéierten (dh hybride) Prozess.
Wat elo déi wirtschaftlech Virdeeler vum Hybridschweißen am Verglach zum Laserschweißen ugeet, kënnen déi folgend Aussoen gemaach ginn: D'Schweißnaht besteet deelweis aus enger Laserschweißung an deelweis aus enger MIG-Schweißung. Den Hybridprozess erméiglecht et, d'Leeschtung vum Laserstrahl ze reduzéieren, dat heescht, den Energieverbrauch vun der Laserquell ka staark reduzéiert ginn, well d'Laserstrahlapparatur eng Effizienz vun nëmmen 3% huet. An anere Wierder: Eng Reduktioun vun 1 kW vun der Laserstrahlleeschtung, déi d'Werkstéck beaflosst, féiert zu enger Reduktioun vun ongeféier 35 kVA vum Stroumverbrauch aus dem Stroumnetz.
E Laserstrahlapparat kascht ongeféier 0,1 Milliounen Euro fir all 1 kWLaserstrahlleistungFir nëmmen een Beispill ze nennen: an engem Fall, wou d'Benotzung vum Hybridprozess et erméiglecht, en 2 kW Laserstralapparat amplaz vun engem mat 4 kW Stralekraaft ze benotzen, resultéiert dëst an enger Erspuernis vun 0,2 Milliounen Euro un Investitiounsausgaben. Et muss awer bedenkt ginn, datt fir den Hybridprozess eng MIG-Maschinn vun ongeféier 20.000 Euro gebraucht gëtt.
Dank der méi héijer Schweißgeschwindegkeet kënnen souwuel d'Fabrikatiounszäiten wéi och d'Schweißkäschte reduzéiert ginn.
6. LaserHeissdrot-Löten:
Eng aner Méiglechkeet fir de Laserstrahl mat engem Vuldraad ze kombinéieren ass de LaserHotwire-Prozess [10]. Bei dëser Prozedur gëtt de Vuldraad mat der selwechter Energiequell virgehëtzt, déi fir d'...Laser-Hybrid-SchweissprozessDen Zoulafdrot huet eng Stroumbelaaschtung vun 100 A bis zu 220 A. D'Drotzufuhrgeschwindegkeet hänkt vum Querschnitt vun der Läitperle an der Läitgeschwindegkeet of. D'Läten bitt duerch d'Quantitéit Zoulafmetall e Formmaterial, dat méi einfach fäerdeg gemaach ka ginn wéi vergläichbar Schweessnähten. Duerch d'Läten vu Blechdeeler kënnen Reparaturaarbechten op eng méi einfach Manéier duerchgefouert ginn, wéi bei geschweesste Verbindungen. Ee Virdeel vum LaserHotwire-Läten ass déi gutt Korrosiounsbeständegkeet vun der Läitzon.
Als Fëllmetaller ginn bëlleg Kupferlegierungen wéi SG-CuSi3 benotzt an Argon déngt als Schutzgas.
Abb. 8: Schematesch DuerstellungLaser Heissdrotlösung:
Déi nächst Figur weist de Querschnitt vun engem mat Laser-Heissdrot geléite Material. Dat zinkbeschichtete Material gëtt mat enger Geschwindegkeet vun 3 m/min geléit an den Zousazdrot huet eng Stroumbelaaschtung vun 205 A. D'Hëtztzufuhr ass ganz niddreg, dofir ass eng niddreg Verzerrung d'Resultat vum Läitprozess.
7. Resumé:
Laser-Hybrid-Schweißen ass eng komplett nei Technologie, déi Synergien fir breet Uwendungsberäicher an der Metallindustrie bitt, besonnesch wou et net méiglech oder finanziell rentabel ass, d'Komponententoleranzen z'erreechen, déi fir ... erfuerderlech sinn.LaserstrahlschweißenDe vill méi breede Gebrauchsberäich an déi héich Kapazitéit vum kombinéierte Prozess féieren zu enger erhéichter Konkurrenzfäegkeet a punkto reduzéierter Investitiounsausgaben, méi kuerzer Fabrikatiounszäiten, méi niddrege Produktiounskäschten a méi héijer Produktivitéit.
De LaserHybrid-Prozess bitt och eng nei Approche fir d'Schweißen vun Aluminium. E stabile Prozess, deen an der Praxis ka benotzt ginn, ass awer eréischt relativ viru kuerzem méiglech ginn, dank den héijen verfügbaren Ausgangsleeschtungen vu Festkierperlaser. Vill Studien hunn d'Grondlage vun de Laser-Bougen-Hybrid-Schweißprozesser ënnersicht. Mat "Hybrid-Schweißprozess" menge mir d'Kombinatioun vu Laserstrahlschweißen an dem Bougeschweißprozess, mat nëmmen enger eenzeger Prozesszon (Plasma a Schmelz). Grondfuerschungsstudien hunn gewisen, datt e Prozess méiglech ass, bei deem - duerch d'Kombinatioun vun den zwéi Prozesser - Synergien erreecht kënne ginn an d'Nodeeler vun all eenzelne Prozess kompenséiert kënne ginn, wat zu verbesserte Schweißméiglechkeeten, Schweißbarkeet a Schweißzouverlässegkeet fir vill verschidde Materialien a Konstruktiounen féiert. Besonnesch gouf dëst fir Aluminiumlegierungen demonstréiert. Duerch d'Wiel vu gënschtege Prozessparameteren ass et méiglech, Schweißeigenschaften wéi Geometrie a strukturell Konstitutioun selektiv ze beaflossen. De Bougeschweißprozess erhéicht d'Bréckbarkeet duerch d'Zousätz vu Fëllmaterial; e bestëmmt och d'Schweißnahtbreet a reduzéiert doduerch d'Quantitéit un néideger Werkstéckvirbereedung. Ausserdeem féieren d'Interaktiounen tëscht de Prozesser zu enger wesentlecher Erhéijung vun der Effizienz vum Prozess. Dëse Kombinatiounsprozess erfuerdert och däitlech méi kleng Investitiounskäschten wéi de Laserschweissprozess.
De Laser-Heissdrotlätprozess kann besonnesch fir zinkbeschichtete Materialien benotzt ginn, fir eng gutt Korrosiounsbeständegkeet ze kréien.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 18. Abrëll 2025
