Лазерлік сәулемен дәнекерлеу де, доғалық дәнекерлеу де өнеркәсіптік өндірісте ұзақ уақыт бойы қолданылып келеді және материалдарды біріктіру технологиясы саласында кең ауқымды қолдануға мүмкіндік береді. Бұл процестердің әрқайсысының өзіндік қолданылу салалары бар, олар энергияны жұмыс бөлігіне тасымалдаудың физикалық процестерімен және алуға болатын энергия ағындарымен сипатталады. Энергия лазерлік сәуле көзінен өңдеу үшін материалға талшықты-оптикалық кабельді пайдаланып, жоғары энергиялы инфрақызыл когерентті сәулелену арқылы беріледі. Доға дәнекерлеу үшін қажетті жылуды доға бағанасы арқылы жұмыс бөлігіне ағатын жоғары электр тогы арқылы береді. Лазерлік сәулелену дәнекерлеу тереңдігінің жік еніне үлкен қатынасы бар өте тар жылу әсер ететін аймаққа әкеледі (терең дәнекерлеу әсері). Лазерлік дәнекерлеу процесінің саңылауларды жабу қабілеті фокус диаметрінің кіші болуына байланысты өте төмен, бірақ екінші жағынан, ол өте жоғары дәнекерлеу жылдамдығына жете алады. Доғалық дәнекерлеу процесінің энергия тығыздығы әлдеқайда төмен, бірақ жұмыс бөлігінің бетінде үлкенірек фокустық нүктені тудырады және өңдеудің баяу жылдамдығымен сипатталады. Осы екі процесті біріктіру арқылы пайдалы синергияға қол жеткізуге болады. Түптеп келгенде, бұл сапа артықшылықтарына да, өндірістік-инженерлік артықшылықтарға да, шығындардың тиімділігін арттыруға да мүмкіндік береді. Бұл процесс автомобиль өнеркәсібінде де қызықты және экономикалық тұрғыдан тартымды қолдануды ұсынады, әсіресе дәнекерлеу қосылыстарында жоғары төзімділікке рұқсат етілгендіктен, жоғары қосылу жылдамдығы мүмкін болғандықтан және өте жақсы механикалық/технологиялық параметрлерге қол жеткізуге болатындықтан.
1. Кіріспе:
Лазерлік жарық пен доғаны біріктірілген дәнекерлеу процесіне қалай біріктіруге болатыны 1970 жылдардан бері белгілі болды, бірақ содан кейін ұзақ уақыт бойы ешқандай әзірлеу жұмыстары жүргізілген жоқ. Жақында зерттеушілер осы тақырыпқа қайтадан назар аударып, доғаның артықшылықтарын лазердің артықшылықтарымен біріктіруге тырысты, бұл гибридті дәнекерлеу процесінде. Алғашқы күндері лазерлік көздер өнеркәсіптік қолдануға жарамдылығын дәлелдеуі керек болса, қазіргі уақытта олар көптеген өндірістік кәсіпорындарда стандартты технологиялық жабдық болып табылады.
Лазерлік дәнекерлеудің басқа дәнекерлеу процесімен үйлесуі «гибридті дәнекерлеу процесі» деп аталады. Бұл лазер сәулесі мен доға бір дәнекерлеу аймағында бір уақытта әрекет ететінін және бір-біріне әсер ететінін және бір-бірін қолдайтынын білдіреді.
2. Лазер:
Лазерлік дәнекерлеу қажетті «терең дәнекерлеу әсерін» алу үшін тек жоғары лазерлік қуатты ғана емес, сонымен қатар жоғары сапалы сәулені де қажет етеді. Нәтижесінде алынған жоғары сапалы сәулені кішірек фокус диаметрі немесе үлкенірек фокустық қашықтық алу үшін пайдалануға болады.
Қазіргі уақытта жүргізіліп жатқан әзірлеу жобалары үшін 4 кВт лазер сәулесінің қуаты бар шаммен айдалатын қатты денелі лазер пайдаланылуда. Лазер жарығы 600 мкм шыны талшық арқылы беріледі.
Лазер сәулесі шыны талшық арқылы беріледі, оның басы мен соңы сумен салқындатылады. Лазер сәулесі фокустық қашықтығы 200 мм болатын фокустау модулі арқылы жұмыс бөлігіне проекцияланады.
3. Лазерлік гибридті процесс:
Металл бұйымдарды дәнекерлеу үшін Nd:YAG лазер сәулесі 106 Вт/см2-ден жоғары қарқындылыққа бағытталған. Лазер сәулесі материалдың бетіне тигенде, ол бұл жерді булану температурасына дейін қыздырады, ал металл буының шығуына байланысты дәнекерлеу металында бу қуысы пайда болады. Дәнекерлеу тігісінің ерекшелігі - оның тереңдік пен ендің арақатынасының жоғары болуы. Еркін жанатын доғаның энергия ағынының тығыздығы 104 Вт/см2-ден сәл жоғары. 1-суретте гибридті дәнекерлеудің негізгі принципі көрсетілген. Лазер сәулесі
Мұнда көрсетілгендей, доғадан шығатын жылудан басқа, тігістің жоғарғы бөлігіндегі дәнекерлеу металына жылу береді. Екі бөлек дәнекерлеу процесі бірінен соң бірі әрекет ететін тізбекті конфигурациядан айырмашылығы, гибридті дәнекерлеуді бір және сол процесс аймағында бір мезгілде әрекет ететін екі дәнекерлеу процесінің тіркесімі ретінде қарастыруға болады. Қай доғалық немесе лазерлік процесс қолданылатынына және процесс параметрлеріне байланысты процестер бір-біріне әртүрлі дәрежеде және әртүрлі жолдармен әсер етеді [1, 2].
Лазерлік процесс пен доғалық процестің үйлесімінің арқасында пісіру тереңдігі мен пісіру жылдамдығының артуы байқалады (өздігінен қолданылатын кез келген процесспен салыстырғанда). Бу қуысынан шығатын металл буы доғалық плазмаға кері әсер етеді. Өңдеу плазмасында Nd:YAG лазерлік сәулеленуінің сіңуі елеусіз болып қалады. Екі қуат кірісінің қандай қатынасы таңдалғанына байланысты, жалпы процестің сипаты лазер немесе доға арқылы үлкен немесе кіші дәрежеде анықталуы мүмкін [3,4].
1-сурет: Схемалық көрініс: Лазерлік гибридті дәнекерлеу
Лазер сәулесінің жұтылуына дайындама бетінің температурасы айтарлықтай әсер етеді. Лазерлік дәнекерлеу процесі басталмас бұрын, әсіресе алюминий беттерінде бастапқы шағылысуды жеңу керек. Бұған арнайы іске қосу бағдарламасымен дәнекерлеуді бастау арқылы қол жеткізуге болады. Булану температурасына жеткеннен кейін бу қуысы пайда болады, нәтижесінде барлық дерлік сәулелену энергиясы дайындамаға енгізілуі мүмкін. Осылайша, бұл үшін қажетті энергия температураға тәуелді жұтылумен және жоғалған энергия мөлшерімен анықталады.
дайындаманың қалған бөлігіне өткізгіштік арқылы. Лазерлік гибридті дәнекерлеу кезінде булану тек дайындаманың бетінен ғана емес, сонымен қатар толтырғыш сымнан да жүреді, бұл металл буының көбірек болуын білдіреді, бұл өз кезегінде лазерлік сәулеленудің енуін жеңілдетеді. Бұл сонымен қатар процестің тоқтап қалуына жол бермейді [5, 6, 7, 8, 9].
4. Автокөлік қолдану:
Кеңістіктік рама технологиясын пайдалану арқылы болат автомобиль кузовымен салыстырғанда салмақты 43%-ға азайтуға болады.
2-сурет: Audi Space рамасы A2 концептісі
Audi A2 Space рамасы 30 м лазерден (2-суретте сары жолақтар) және 20 м MIG дәнекерлеу ұзындығынан тұрады. Сонымен қатар, 1700 шегелер де қолданылады.
3-сурет: Audi-A2 көлігіндегі профильдер мен біріктіру әдістерін салыстыру
4-суретте AlMgSi парақ материалымен ALMg3 құйылған материалының лазерлік гибридті дәнекерлеу қосылысы көрсетілген. Толтырғыш сымы AlSi5, ал қолданылатын қорғаныш газы - аргон. Лазер қуатының артуымен тереңірек ену мүмкін. Лазер сәулесін доғамен осылай біріктіру лазер сәулесімен дәнекерлеу процесінің өздігінен жүргізілуіне қарағанда үлкенірек дәнекерлеу бассейніне қол жеткізеді. Бұл кеңірек саңылаулар бар компоненттерді дәнекерлеуге мүмкіндік береді.
4-сурет: 0,5 мм саңылауы бар қабаттасатын қосылыс
Автокөлік өнеркәсібінде қосылысты дайындаусыз қабаттасып дәнекерлеудің көптеген қолданылу салалары бар. Қазіргі уақытта бұл дәнекерлеу жұмысының ең заманауи процесі - AA 6xxx қорытпасының ыстық жарылуына байланысты суық толтырғыш сыммен лазерлік дәнекерлеу процесі. Қосылысты толтырғыш сыммен дәнекерлеген кезде, сол толтырғыш сымын балқыту үшін лазер энергиясының көп бөлігі жоғалады.
Келесі суретте 2,4 м/мин дәнекерлеу жылдамдығымен қабаттасатын қосылыста LaserHybrid және Laser дәнекерлеуінің айырмашылықтары көрсетілген. Лазерлік дәнекерлеу жағдайында дәнекерлеу түйінін толтыру мүмкін емес және астыңғы кесу пайда болады. Сондай-ақ, негізгі материалға өте аз ену болады. Дәнекерлеу түйінінің ені өте аз, сондықтан созылу беріктігі төмен болады деп күтілуде. LaserHybrid дәнекерлеу жағдайында,
қосымша материал дәнекерлеу бассейніне тасымалданады. Астыңғы кесу MIG процесінен алынған сыммен толтырылады, және енді лазер энергиясының бір бөлігі үнемделеді. Бұл үнемделген лазер энергиясын негізгі материалға енуді арттыру үшін пайдалануға болады, ал дәнекерлеу түйіршігінің ені сандық модельдеуден талап етілетін материалдың қалыңдығынан үлкенірек.
5-сурет. Лазерлік гибридті және толтырғыш сымсыз лазерлік дәнекерлеуді салыстыру
LaserHybrid дәнекерлеу процедурасы арқылы 4 мм қалыңдықтағы алюминий, болат және тот баспайтын болат материалдарын дәнекерлеуге болады. Егер қалыңдығы тым жоғары болса, толық ену мүмкін емес. Мырышпен қапталған материалдарды біріктіру үшін лазерлік дәнекерлеу процесін қолданған жөн.
Автокөлік өнеркәсібінде одан әрі қолданылатын салалар - лазерлік гибридті дәнекерлеу процесі қолайлы болуы мүмкін қуатты қозғалтқыштар, осьтер және автомобиль кузовтары.
Дәнекерлеу басы:
Дәнекерлеу басының геометриялық өлшемдері кішкентай болуы керек, бұл дәнекерленетін компоненттерге, әсіресе автоматты корпус саласында жақсы қол жеткізуді қамтамасыз ету үшін қажет. Сонымен қатар, ол робот басына тиісті ажыратылатын қосылымды және барлық декарттық координаттардағы фокустық қашықтық және алаудың сөндіру қашықтығы сияқты процесс айнымалыларын реттеу мүмкіндігін қамтамасыз ететіндей етіп жасалған болуы керек. 5-суретте процесс жүріп жатқанда дәнекерлеу басы көрсетілген. Дәнекерлеу процесінде пайда болатын шашыраулар қорғаныш әйнегінің ластануының артуына әкеледі. Кварц әйнегі екі жағынан да шағылыстырғыш материалмен қапталған және лазерлік оптикалық жүйені зақымданудан қорғауға арналған.
Ластану дәрежесіне байланысты, әйнекте жиналатын шашырандылар дайындамаға әсер ететін лазерлік қуаттың 90%-ға дейін төмендеуіне әкелуі мүмкін. Қатты ластану әдетте қорғаныш әйнекті бұзуға әкеледі, себебі сәулелік энергияның үлкен бөлігі әйнектің өзіне сіңіп, әйнекте термиялық кернеулер тудырады. Дәнекерлеу басы мен дәнекерлеу жабдығының көмегімен оны лазерлік гибридті дәнекерлеу, лазерлік дәнекерлеу, MSG дәнекерлеу және т.б. үшін пайдалануға болады.Лазерлік ыстық сыммен дәнекерлеу.
6-сурет: Дәнекерлеу басы және процесі
5. Лазерлік гибридті дәнекерлеудің артықшылықтары:
Доғалық және лазерлік сәуленің бірігуі келесі артықшылықтарға әкеледі: Лазерлік гибридті дәнекерлеудің лазерлік дәнекерлеумен салыстырғандағы артықшылықтары:
• жоғары процестің тұрақтылығы
• көпірлік қабілеті жоғары
• тереңірек ену
• капиталдық инвестициялардың төмен құны
• жоғары икемділік
Лазерлік гибридті дәнекерлеудің MIG дәнекерлеуімен салыстырғанда артықшылықтары:
• жоғары дәнекерлеу жылдамдығы
• жоғары дәнекерлеу жылдамдығында тереңірек ену
• төмен жылу кірісі
• жоғары созылу беріктігі
• тар дәнекерлеу жіктері
7-сурет: Екі процесті біріктірудің артықшылықтары
Доғалық дәнекерлеу процесі арзан энергия көзімен, жақсы көпір қабілетімен және толтырғыш металдарды қосу арқылы құрылымға әсер ету мүмкіндігімен сипатталады. Екінші жағынан, лазерлік сәуле процесінің ерекшелігі - үлкен дәнекерлеу тереңдігі, жоғары дәнекерлеу жылдамдығы, төмен жылу жүктемесі және тар дәнекерлеу тігістері. Белгілі бір сәуле тығыздығынан жоғары лазерлік сәуле металл материалдарда «терең дәнекерлеу әсерін» тудырады, бұл лазерлік қуат жеткілікті жоғары болған жағдайда қабырға қалыңдығы үлкен компоненттерді дәнекерлеуге мүмкіндік береді. Осылайша, лазерлік гибридті дәнекерлеу жоғары дәнекерлеу жылдамдығына, доға мен лазерлік сәуле арасындағы өзара әрекеттесуге байланысты процесті тұрақтандыруға, жылу тиімділігінің жоғарылауына және жұмыс бөлігінің төзімділігінің жоғарылауына әкеледі. Дәнекерлеу бассейні MIG процесіне қарағанда кішірек болғандықтан, жылу кірісі аз болады және осылайша жылу әсер ететін аймақ кішірек болады. Бұл дәнекерлеудің аз екенін білдіреді.
бұрмалау, бұл дәнекерлеуден кейінгі түзету жұмыстарының көлемін азайтады.
Екі бөлек дәнекерлеу пулы болған жағдайда, доғадан кейінгі жылу кірісі лазер сәулесінің – дәнекерленген аймақтың – әсіресе болат жағдайында – дәнекерлеуден кейінгі шынықтыру өңдеуіне ұшырайтынын, қаттылық мәндерін тігіс бойынша біркелкі тарататынын білдіреді. 6-суретте біріктірілген (яғни гибридті) процестің артықшылықтары қорытындыланған.
Енді гибридті дәнекерлеудің лазерлік дәнекерлеуге қарағанда экономикалық артықшылықтарына тоқталсақ, келесі тұжырымдарды жасауға болады: Дәнекерлеу тігісі ішінара лазерлік дәнекерлеуден және ішінара MIG дәнекерлеуінен тұрады. Гибридті процесс лазер сәулесінің қуатын азайтуға мүмкіндік береді, яғни лазер сәулесі аппаратының тиімділігі тек 3% болғандықтан, лазер көзінің энергия тұтынуын айтарлықтай азайтуға болады. Басқаша айтқанда: Дайындамаға әсер ететін лазер сәулесінің қуатын 1 кВт-қа азайту электр желісінен тұтынылатын қуатты шамамен 35 кВА-ға азайтады.
Лазер сәулесі аппаратының құны әрбір 1 кВт үшін шамамен 0,1 м еуроны құрайды.лазер сәулесінің қуатыБір ғана мысал келтірейін, гибридті процесті пайдалану 4 кВт сәулелік қуаты бар аппараттың орнына 2 кВт лазерлік сәулелік аппаратты пайдалануға мүмкіндік беретін жағдайда, бұл инвестициялық шығындарды 0,2 млн еуроға үнемдеуге әкеледі. Дегенмен, гибридті процесс үшін шамамен 20 000 еуро тұратын MIG аппараты қажет болатынын есте ұстаған жөн.
Жоғары пісіру жылдамдығының арқасында өндіріс уақыты мен пісіру құнын азайтуға болады.
6. Лазерлік ыстық сыммен дәнекерлеу:
Лазер сәулесін толтырғыш сыммен біріктірудің тағы бір мүмкіндігі - LaserHotwire процесі [10]. Бұл процедурада толтырғыш сымы сол қуат көзімен алдын ала қыздырылады, оны ... үшін пайдалануға болады.Лазерлік гибридті дәнекерлеу процесіТолтырғыш сымның ток жүктемесі 100 А-дан 220 А-ға дейін. Сымның берілу жылдамдығы дәнекерлеу моншағының көлденең қимасына және дәнекерлеу жылдамдығына байланысты. Дәнекерлеу толтырғыш металл мөлшері арқылы ұқсас дәнекерлеу тігістеріне қарағанда оңайырақ өңделетін қалыптау материалын ұсынады. Табақ бөлшектерін дәнекерлеу арқылы жөндеу жұмыстарын дәнекерленген қосылыстарға қарағанда оңайырақ жүргізуге болады. LaserHotwire дәнекерлеуінің бір артықшылығы - дәнекерленген аймақтың жақсы коррозияға төзімділігі.
Толтырғыш металдар ретінде SG-CuSi3 сияқты арзан мыс негізіндегі қорытпалар қолданылады, ал аргон қорғаныш газ ретінде қызмет етеді.
8-сурет: Схемалық көрінісЛазерлік ыстық сыммен дәнекерлеу:
Келесі суретте лазерлік ыстық сыммен дәнекерленген материалдың көлденең қимасы көрсетілген. Мырышпен қапталған материал 3 м/мин жылдамдықпен дәнекерленген, ал толтырғыш сымның ток күші 205 А құрайды. Жылу кірісі өте төмен, сондықтан дәнекерлеу процесінің нәтижесі төмен бұрмалану болып табылады.
7. Қысқаша мазмұны:
Лазерлік гибридті дәнекерлеу - металл өңдеу өнеркәсібінде, әсіресе компоненттерге төзімділікке қол жеткізу мүмкін емес немесе қаржылық тұрғыдан тиімді болмаған кезде кең қолдану салаларында синергия ұсынатын мүлдем жаңа технология.лазерлік сәулемен дәнекерлеуҚолданудың кең ауқымы және біріктірілген процестің жоғары мүмкіндіктері инвестициялық шығындарды азайту, өндіріс уақытын қысқарту, өндіріс шығындарын төмендету және өнімділікті арттыру тұрғысынан бәсекеге қабілеттіліктің артуына әкеледі.
Лазерлік гибридті процесс алюминийді дәнекерлеуге жаңа тәсіл ұсынады. Дегенмен, іс жүзінде қолдануға болатын тұрақты процесс қатты денелі лазерлердің жоғары шығыс қуаттарының арқасында салыстырмалы түрде жақында ғана мүмкін болды. Көптеген зерттеулер лазерлік-доғалық-гибридті дәнекерлеу процестерінің негіздерін зерттеді. «Гибридті дәнекерлеу процесі» деп біз лазерлік сәулелік дәнекерлеу мен доғалық дәнекерлеу процесінің үйлесімін, тек бір ғана процесс аймағымен (плазмалық және балқыма) түсінеміз. Негізгі зерттеулер екі процесті біріктіру арқылы синергияға қол жеткізуге болатын және әрбір жеке процестің кемшіліктерін өтеуге болатын процесс мүмкін екенін көрсетті, бұл көптеген әртүрлі материалдар мен конструкциялар үшін дәнекерлеу мүмкіндіктерін, дәнекерленуін және дәнекерлеу сенімділігін арттырады. Атап айтқанда, бұл алюминий қорытпалары үшін көрсетілген. Қолайлы процесс параметрлерін таңдау арқылы геометрия және құрылымдық құрылым сияқты дәнекерлеу қасиеттеріне селективті әсер етуге болады. Доғалық дәнекерлеу процесі толтырғыш металды қосу арқылы көпірленуін арттырады; ол сонымен қатар дәнекерлеу жігінің енін анықтайды және осылайша қажетті дайындама мөлшерін азайтады. Сонымен қатар, процестер арасында жүретін өзара әрекеттесулер процестің тиімділігін айтарлықтай арттырады. Бұл біріктірілген процесс лазерлік дәнекерлеу процесіне қарағанда айтарлықтай аз инвестициялық шығындарды талап етеді.
Лазерлік ыстық сыммен дәнекерлеу процесін, әсіресе мырышпен қапталған материал үшін жақсы коррозияға төзімділік алу үшін қолдануға болады.
Жарияланған уақыты: 18 сәуір 2025 ж.
