Når en laserkrave tæmmer lysbuen:Nyt system forener metalbeskyttelsesgassvejsning og lasermaterialeafsætning

Et eksempel på hybridteknologi i sin reneste form er udviklet og bygget af Fraunhofer ILT til DVS-forskningsprojektet KoaxHybrid. I Aachen har instituttets ingeniører udviklet et nyt optisk system med glassubstrater og en buebrænder, der forener metalbeskyttelsesgas (MSG) svejsning og lasermaterialeaflejring med en ringformet stråle og dermed skaber en helt ny proces. Interesserede parter kan finde ud af, hvordan COLLAR Hybrid-processen kan bruges til at øge svejsehastigheden og afsætningshastigheden i metallisk 3D-print på en specialistkongres arrangeret af DVS—Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. fra 19. til 21. september i Koblenz.

Den nye proces kombinerer det bedste fra to verdener:to forskellige additivprocesser med trådformet fyldmateriale. Vi taler om wire arc additive manufacturing (WAAM) og wire laser material deposition (WLMD). Begge processer har systemrelaterede fordele og ulemper:Sammenlignet med WAAM er WLMD dyrt, har lave aflejringshastigheder, men er kendetegnet ved lav varmetilførsel og præcis lagopbygning præcis på det ønskede sted. Af denne grund er det særligt efterspurgt i luftfartsindustrien. Hvis der kræves en højere påføringsmængde, er WAAM det bedre valg, hvorved de opnåelige overflader er mere bøjede, og lagopbygningen er væsentligt grovere.

Ved sammenføjning etableres kombinationen af ​​laserstrålesvejsning og gasmetalbuesvejsning under navnet LB-GMA hybridsvejsning. Denne laterale proces er dog retningsafhængig og kun i begrænset omfang egnet til sammenføjning af tredimensionelle sømme

Når processerne kombineres koaksialt, kan deponeringshastigheden øges med op til 150 procent, så den nye retningsuafhængige 3D-printproces også kan bruges til store komponenter. "Fordi overfladebølgerne falder, er mængden af ​​efterbehandling, der kræves, betydeligt reduceret sammenlignet med WAAM-processen," forklarer Max Fabian Steiner, en forskningsmedarbejder ved Fraunhofer ILT.

Kombinerede processer sikrer synergieffekter

Trådbueadditiv fremstilling er en etableret og robust proces, for ikke kun kan den nødvendige systemteknologi erhverves billigt, men de fleste metalliske materialer kan behandles med den. Steiner forklarer sine ulemper:"buen kan ikke fokuseres så præcist som en laserstråle. Den kan ikke bruges til at producere så fine og præcise spor som med en laser."

Sammen med sin institutkollega Jana Kelbassa har Steiner udviklet og bygget – som modtræk – et specielt vandkølet optisk system med glasunderlag og en vandkølet lysbuebrænder til svejsning og additiv fremstilling ved høje kræfter. I det nye optiske system er begge energikilder overlejret, og styrkerne ved de to individuelle processer er rentabelt kombineret.

I hybridprocessen er buen mellem enden af ​​tråden og substratet omsluttet af den ringformede laserstråling, som af en krave. Ideen bag denne kombination er, at buen ikke kan bryde ud af denne krave og er tvangsstyret. Den nye proces skylder sit navn, COLLAR Hybrid, til denne "tvungne vejledning", hvorved akronymet COLLAR refererer til den fælles koaksiale laserbue for de to processer.

Mens Fraunhofer ILT bruger den nye systemteknologi til at videreudvikle metallisk 3D-print med ringformet laserstråle- og bueteknologi, bruger RWTH Aachen University Institute for Welding and Joining (ISF) den til at udvikle retningsuafhængig hybridsvejsning med ringfokus og koaksial trådfremføring. Begge use cases er en del af DVS forskningsprojektet KoaxHybrid.

Velegnet til ikke-lineær sammenføjning

Men det er ikke kun den højere svejsehastighed – øget med omkring 100 procent sammenlignet med lysbuesvejsning ifølge indledende tests – der adskiller den nye hybridproces. "Når det kommer til svejsesømme, der ikke kun er lineære, bliver det svært," siger Steiner. "Ved hvert hjørne eller kurve skulle den konventionelle opsætning roteres, hvilket fører til en stor indsats i at programmere stierne." Et alternativ er COLLAR-processen, hvis optik muliggør svejsning i enhver retning overhovedet. Derudover lover det endnu en positiv effekt:"Vi forventer, at nye, mindre komplekse svejseforberedelser hos sammenføjningspartnerne vil være tilstrækkelige til tykke plader på grund af den styrede bue."

Arc og laser deler arbejdet

Hvis der kræves meget fine og grove strukturer, kan proportionerne af processerne varieres. Med en ren eller flertallet laserproces (buen slukket helt eller ved lav effekt) kan de udfordrende områder og fine strukturer aflejres; med en majoritetsbueproces kan de grovere strukturer, såsom brede ribber eller områder med store aflejringshastigheder, afsættes betydeligt hurtigere, mere omkostningseffektivt og med lavere energitilførsel.

Lignende byggestrategier egner sig også til materialer som aluminium eller kobber, som ellers normalt kræver meget dyrere strålekilder med blåt eller grønt laserlys. "For eksempel bruger jeg lysbuen til at bryde aluminiumoxidlaget op, som har en smeltetemperatur på 2.200°C," siger Steiner. "Men aluminiumslaget nedenunder har kun en smeltetemperatur på 660°C, som jeg så kan svejse eller bearbejde med lavere samlet effekt." + Udforsk yderligere

Lasersvejsesæt til at revolutionere stålkonstruktionen