Çelik Yapıların Lazer ve Hibrit Lazer-MAG Kaynağı

Endüstriyel lazerler, delme ve kesmeden ısıl işleme ve kaynağa kadar çok çeşitli teknik uygulamalar için kullanılmıştır. Anahtar deliği lazer kaynağının geleneksel (ark) kaynak işlemlerine kıyasla ana faydası, derin penetrasyonlu anahtar deliği kaynak modunun çok büyük derinlik-genişlik oranlarına sahip kaynakların yapılmasına izin vermesidir. Bu sonuç olarak çok az ısı girdisi, az kaynak geçişi ve sonuç olarak az bozulma ile yapılan dar bağlantılara yol açar. Bu nedenle, başta tozaltı ark kaynağı (SAW) ve metal aktif gaz kaynağı (MAG) olmak üzere gemi inşa uygulamalarında geleneksel olarak kullanılan geleneksel ark kaynağından geçişin ana gerekçesi, seyir hızında ve/veya üretkenlikte beklenen bir artış ve en önemlisi bir azalmadır. termal bozulmada. Bozulmanın düzeltilmesinin, çelik (alt) tertibatların imalatı için toplam adam-saatin %30'una mal olduğu rapor edildiğinden, bazı uygulamalar için yeniden çalışmadaki azalma tek başına bir lazerin yüksek yatırım maliyetini haklı çıkarabilir. Gemi inşa endüstrilerinde lazer kaynağı, esas olarak CO2 lazerleri kullanarak 20 mm kalınlığa kadar olan çeliği kaynaklamak için 1980'lerin sonlarında başlamıştır.

Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, Avrupa'daki ana tersaneler, geleneksel ark kaynaklı panel üretim hatlarından bazılarını tam ölçekli üretim için CO 2 lazerleri kullanan hatlarla değiştirdi (Meyer Werft ve Blohm+Voss, ikisi de Almanya'da). Bu iki alana ek olarak, lazer kaynağı da panellerin alın kaynağı için İtalya'daki Fincantieri'de ve alt montajların kaynağı için Danimarka'daki Odense Çelik Tersanesi'nde kullanılıyor veya araştırılıyor. Avrupa dışında, ABD'de Bender Gemi İnşa ve Onarımı da bu alanda faaliyet göstermektedir. 

Başlangıçta, yalnızca CO2 lazer kaynakları, gemi yapımı için sertleştirilmiş panellerin kaynağı için gereken güç seviyelerini (birkaç kilovat) sağlayabilirdi. Ancak günümüzde, katı hal Nd:YAG lazerleri, tipik olarak 6kW'a kadar güç seviyelerinde ticari olarak temin edilebilmektedir, bu da bu lazer kaynaklarını kalın kesit kaynağı için de uygun hale getirmektedir. Bu katı hal lazerlerinin kilovat başına maliyeti CO2 lazerlere göre daha yüksek olmasına ve aynı güç seviyelerine (tipik olarak 20kW'a kadar ticari olarak temin edilebilen CO2 lazerlere kadar) kolayca temin edilememelerine rağmen, bunların önemli bir avantajı vardır. CO2 lazerler. CO2 tarafından üretilen lazer ışığının dalga boyu (10,6 µm) yalnızca aynalar kullanılarak gerçekçi bir şekilde yönlendirilebilir ve yönlendirilebilirken, bir Nd:YAG lazerinden gelen lazer ışını (1,06 µm dalga boyu) esnek, optik bir fiber kullanılarak kolayca yönlendirilebilir. kaynak torçunun robotik manipülasyonu çok daha basit. Lamba pompalı Nd:YAG lazerler, otomotiv endüstrisi gibi yüksek hacimli, esnek üretim ortamlarında hassas bir ısı kaynağı sağlayabilen güvenilir işleme araçları olarak kendilerini kanıtlamıştır. Son yıllarda, Nd:YAG lazer teknolojisindeki gelişmeler, 6kW'a kadar daha yüksek güçlü sistemlerin ticari olarak kullanılabilir hale gelmesiyle sonuçlanmıştır.

Nd:YAG lazerler, güvenilirlik ve işleme kolaylığı açısından CO2 lazerlerine kıyasla daha avantajlı olsalar da, nispeten kompakt olmalarına rağmen verimsiz olmaları ve giriş enerjisinin yalnızca yaklaşık %3'ünü enerjiye dönüştürmeleri nedeniyle bazı üretim uygulamaları için önemli bir dezavantaja sahiptirler. lazer ışını gücünü üretir. Nd:YAG lazer prosesi konteynere konulabilmesine rağmen, prosesin düşük verimliliği ve yüksek sermaye maliyeti ekonomik olarak haklı çıkarmayı zorlaştırmaktadır. Lazer teknolojisindeki son yıllardaki en büyük gelişmelerden biri, ytterbium (Yb) fiber lazerlerin piyasaya sürülmesidir. Bu lazerler için lazer ortamı, fiberin kendisinde bulunur ve 200-400W veya daha fazla güç üreten bireysel üniteler, 17kW ve daha fazla güce sahip tek lazerler üretmek için birleştirilebilir. Alternatif olarak, daha yüksek güçlü tek modlu fiber lazerler de 1kW'a kadar güçlerde ticari olarak mevcuttur. Bu lazerler Nd:YAG lazerlere benzer bir dalga boyuna sahiptir ve lazer ışığı esnek bir optik fiber aracılığıyla iş parçasına iletilebilir. Yb fiber lazerler, yaklaşık %20 duvar tıkacı verimliliğine sahiptir ve Nd:YAG lazerlerden çok daha kompakttır. Malzeme işleme endüstrisi, şu anda kullanılan daha geleneksel CO2 ve Nd:YAG lazerlerine ek veya olası bir ikame olarak bu yeni lazer teknolojisine özel ilgi göstermiştir. Fiber lazer teknolojisi, ilk kez, çıkış gücünde belirgin bir sınır olmaksızın, kompakt bir biçimde, kolayca ölçeklenebilir lazerlerin üretilmesine izin veriyor gibi görünüyor. İlk endüstriyel yüksek güçlü fiber lazerin birkaç yıl önce teslim edilmesinden bu yana, fiber lazerin çıkış gücü, piyasada bulunan Nd:YAG lazerler için elde edilebilecek gücün çok ötesine geçmiştir ve aynı zamanda CO2 lazerlerinkini bile aşan daha iyi bir ışın kalitesi sunar. Belirli durumlar. Fiber lazerler, fiber iletim kabiliyetinin yanı sıra kompakt tasarım, yüksek enerji verimliliği ve yüksek ışın kalitesi avantajları ile lazerler için daha fazla potansiyel uygulama yaratacaktır. Nd:YAG lazerlere kıyasla yüksek çıkış gücü ve yüksek ışın kalitesi, lazer ışınının küçük çaplı bir noktaya odaklanabileceği ve daha yüksek hızlarda kaynak yapılabileceği anlamına gelir. Aynı nokta çapı için, lazer kaynağı, kaynak dumanlarının optikler üzerindeki termal etkilerini azaltarak daha uzun bir bekleme mesafesinde gerçekleştirilebilir.

Tüm otojen anahtar deliği lazer kaynağı için, çok dar kaynaklar üreten çok küçük odaklı bir lazer noktasının kullanılmasıyla bağlantılı olarak çok hassas bir bağlantı yerleştirme gereklidir. Otojen anahtar deliği kaynağı için, tolere edilebilecek maksimum bağlantı aralığı ark kaynağına kıyasla daha küçüktür ve normalde kaynak yapılacak malzemenin kalınlığının %10'u civarındadır ve bir üst sınır vardır. Parça montajında gereken kesinlik düzeyi, eklem yüzeylerinin işlenmesinin uygulanabilir olduğu küçük bileşenler için elde edilebilir, ancak bileşenlerin ve dolayısıyla kaynakların genellikle yukarıda olduğu gemi yapımında tekne kaynağı uygulamaları için pratik değildir. 20 m uzunluğa kadar.

Lazer enerjisinin büyük bir kısmı dolgu telini eritmek için kullanılmasına rağmen, anahtar deliği lazer kaynağının yerleştirme hatasına toleransı, dolgu teli ilavesiyle lazer kaynağı kullanılarak belki 0,5-1 mm veya daha fazlasına kadar genişletilebilir. Bu, proses verimliliğini azaltır ve sonuç olarak penetrasyon ve/veya hareket hızında bir azalmaya ve potansiyel olarak füzyon eksikliğine neden olur.

Lazer kaynağının boşluk köprüleme kapasitesini arttırmak için yıllar içinde farklı teknikler araştırılmıştır. Başlangıçta 1970'lerin sonlarında önerilen bir gelişme, ancak son zamanlarda hem kalın hem de ince kesit uygulamaları için yeniden ilgi gören bir gelişme, lazer ark hibrit kaynağının kullanılmasıdır. Bu süreçte, bir lazer ışını ve bir elektrik arkı işlemi aynı anda ortak bir kaynak havuzuna çarpar. Tipik işlem kombinasyonları, tungsten inert gaz kaynağı (TIG), plazma ark kaynağı (PAW) ve en yaygın olarak kullanılan, CO2 veya Nd:YAG veya fiber lazer anahtar deliği kaynağı ile birlikte metal atıl veya aktif gaz kaynağı (MIG/MAG) şeklindedir. Kalın parçaların kaynağında ve/veya bir boşluk varlığında, MAG (GMAW) işlemini kullanan hibrit lazer, sürece entegre olması ve dolgu malzemesinin kolay eklenmesini sağlaması nedeniyle en avantajlıdır. Ağır kesitte lazer-MAG (GMAW) hibrit kaynak penetrasyonu yalnızca lazer tarafından belirlenir, ancak ark nedeniyle kaynak hızı, nispeten büyük bir boşluk durumunda bile yüksek bir seviyede tutulabilir. Bu nedenle, hibrit işlemin tek başına lazer kaynak işlemine kıyasla kullanılmasıyla bir boşluğu kapatma yeteneğinin yanı sıra hızda önemli bir artıştan ve şaşırtıcı bir şekilde birim uzunluk başına ısı girdisinden (ve dolayısıyla distorsiyondan) yararlanılabilir. önemli ölçüde artmaz. Hibrit-MAG lazer kaynağının, bu durumda kaynak kalitesini tehlikeye atmadan 1 mm'ye kadar bağlantı boşluklarını tolere ettiği gösterilmiştir.

Lazer ark hibrit kaynağı için otojen lazer kaynağına göre iddia edilen diğer avantajlardan bazıları şunlardır:

Daha düşük sermaye yatırımı, çünkü 'pahalı' lazer gücünün bir kısmı 'daha ucuz' ark kaynağı gücü ile ikame edilebilir. Ark enerjisi daha sonra dolgu metalini eritmek ve herhangi bir derz boşluğunu kapatmak için kullanılabilirken lazer penetrasyon sağlar.

Bazen, yalnızca lazer anahtar deliği kaynağına göre daha az ısı girişi ve bozulma elde edilebilir (esas olarak ince kesitler için).

Daha geniş, daha yavaş katılaşan kaynak havuzu nedeniyle bağlantı kalitesinde bir iyileşme (örneğin gözeneklilik açısından) gerçekleştirilebilir.

Dolgu metal ilavesi durumunda, kaynağın kimyasal bileşimi gereksinimlere göre uyarlanabilir.

Bununla birlikte, hibrit proses kurulumu, ayrı proseslerin parametrelerini ve ayrıca proseslerin kombinasyonundan (örneğin lazerin ve ark proses torçlarının nispi oryantasyonu) elde edilen parametreleri içerir, bu da kurulumu daha karmaşık bir proses haline getirir ve geliştirmek. Otojen lazer kaynağı ile karşılaştırıldığında süreç genellikle eksen-simetrik olmayan hale gelir, çünkü iki süreç genellikle eş eksenli olarak yönlendirilmemektedir (ancak bazı eş eksenli sistemler mevcut olsa da). Bu, işlem kafasının bağlantı hattına göre doğru oryantasyonunu korumak için doğrusal olmayan dikişlerin kaynağı için ekstra bir eksen gerektirebilir. Ek olarak, hibrit işlem genellikle, kaynak genişliği malzemenin tüm kalınlığı boyunca korunamadığından, geniş bir üst boncuk ve dar lazer köklü (çivi başı veya şarap kadehi profilinden farklı olarak) bir kaynak profili üretir. Bu, hala füzyon eksikliği riski olduğu ve "ağır" kaynak başlığı nedeniyle bozulmayı artırabileceği anlamına gelir.

Gemi yapımında, otojen lazer kaynağı yerine lazer ark hibrit kaynağının kullanılması ilgi çekicidir, çünkü esas olarak tersanelerde daha büyük montaj toleranslarını tolere edebilmektedir. Danimarka hibrit CO2 lazer MIG/MAG kaynağı ile). CO 2 lazer ve hibrit CO 2 lazer MIG/MAG kaynağı ile artık gemi inşa uygulamaları için kanıtlanmış, ilgi, esnek fiber ışın iletiminin sağlayabileceği faydalar nedeniyle hibrit Nd:YAG veya fiber lazer MIG/MAG kaynağına doğru kaymaktadır. kaynak kafası manipülasyonunun kolaylığı. Bu, doğrusal olmayan kaynakların kaynağını ve kapalı alanlarda kaynak yapılmasını daha iyi kolaylaştırır.

Gemi Yapımı İçin Sertleştirilmiş Panellerin Otojen Lazer Kaynağı

Bu çalışmanın amacı, gemi inşa endüstrisinde kullanılan tipik bir sertleştirilmiş panel gösterici bileşeni üretmekti. Bu, robot tarafından manipüle edilen 4kW Nd:YAG lazerleri kullanarak üç boyutlu lazer işlemenin avantajlarını göstermek için tasarlandı. Odak noktası, tam nitelikli bir yapı üretmek yerine, robot tarafından sağlanan Nd:YAG lazer kullanarak büyük yapısal bileşenlerin üretilmesinin fizibilitesiydi.

Panel, sertleştiriciden sertleştiriciye ve sertleştiriciden taban plakası bağlantılarına kadar içeriyordu. Ek olarak, taban plakası, birbirine alın kaynaklı olması gereken iki yarıya geldi. Bağlama ve fikstürle bağlama, temel olarak, kaynak sırasında bileşenleri tutmak için plakalar, çubuklar ve G-kelepçelerden oluşuyordu. Tam boyutlu panelin üretimi sırasında sertleştiricilerin taban plakasına yakın oturmasını sağlamak için pnömatik olarak çalıştırılan bir köprüleme kelepçesi de kullanıldı. Ancak, geometrik toleransları karşılayan kaynakların üretilmesine özen gösterilmiş ve yapı, üretilen distorsiyon açısından değerlendirilmiştir. İlk parametre geliştirme, 1mx1m'lik bir test panelinin imalatından ve nihai olarak 4.8mx1.9m'lik bir tam boyutlu panel bölümünün üretiminden önce geldi. Proses geliştirme sırasında ve sertleştirilmiş panelin nihai yapımı için kullanılan malzeme BS EN 10025:1993 Grade 275JR'ye uygundur. Üç kalınlıkta çelik kullanıldı; boyuna ve enine takviye bileşenleri (sırasıyla 8 ve 6 mm kalınlık) için taban plakası (7,5 mm kalınlıkta) ve haddelenmiş ampul düzlükleri.

Çalışma üç aşamada gerçekleştirildi:

Küçük T-eklem test parçaları kullanılarak ilk parametre geliştirme.
Gösterim için 1m 2 panel üretimi (tam boyutlu panelde bir 'hücreye' eşdeğer).
Tam boyutlu 4,8m x 1,9m panelin iki yarım 2,4m x 1,9m ile üretimi.

İlk parametre geliştirme, kabul edilebilir profil ve penetrasyon sağlayan 0,7 m/dak'lık kaynak hızlarında iyi sonuçlar vermiştir. Ancak 1m 2 paneller üretilirken fit up ile ilgili sorunlarla karşılaşıldı. 0,7 m/dak işlem hızlarında lazer işlemi, yapıda görülen 1,0 mm'ye kadar olan boşluklarla başa çıkamadı. Lazeri plaka yüzeyinin 3 mm yukarısına odaklamak bunu çözdü, ancak 0,3 m/dk'ya düşürülmesi gereken işlem hızı pahasına.

1m 2 panellerin üretimi sırasında tespit edilen bir diğer konu, lazer ışınının robot manipülasyonu ile ilgili programlama süresiydi. Bu, gerçek kaynak süresi ile karşılaştırıldığında, test panelinin üretimi için alınan toplam işlem süresinde önemli bir faktördü.

Tam boyutlu sertleştirilmiş panel için, hem panel montajının üretim kolaylığını hem de lazer kaynaklarının ortaya çıkan kalitesini iyileştirmek için bir dizi adım atılmıştır. Fit-up'ta varyasyona neden olan faktörler sırayla ele alındı.

Stifnerlerin alt yüzeyindeki dalgalanma sorununu çözmek için stifnerlerin dipleri düz olarak frezelenmiştir. Bu, sertleştirici alt tertibatının taban plakasına kaynaklanmasından önce, tüm sertleştirici-sertleştirici kaynakları tamamlandıktan sonra gerçekleştirildi. Bitişik stifnerlerdeki düşey derzler arasındaki boşluklar, şimler kullanılarak köprülenmiştir. Yeterli düzeyde kenetleme uygulanarak ilgili taban plakası yüzeyinin eğilmesi engellenmiştir. Pnömatik köprüleme kıskaçları kullanılarak punta kaynağı sırasında takviyeler ve taban plakası arasındaki yakın yerleştirme korunmuştur. Alın kaynaklı olacak taban plakalarının bitişik yüzleri de iyi oturmasını sağlamak için kare frezelenmiştir.

Hem puntalama hem de ana kaynak prosedürleri, ısı girdisini ve sonuçta ortaya çıkan bozulmayı her bir panel yarım bölümünün alanı etrafında eşit bir şekilde yaymak için sıranın dikkatli bir şekilde kontrol edilmesiyle bozulma seviyesini en aza indirecek şekilde tasarlanmıştır.

Panelin her bir yarısı, önceki denemeler sırasında geliştirilen optimum parametreleri kullanarak özdeş bir montaj rotası izledi. Sertleştirici alt tertibatı, dikey bir yukarı prosedürü kullanılarak kaynaklandı ve uzunlamasına takviyelerin kavisli ampul üst kısımları ark kaynağıyla kaynaklandı. Taban plakası ve önceden kaynaklanmış/öğütülmüş takviye alt grubu bir çalışma yatağına kenetlendi. Sertleştiriciler, ~40 mm uzunluğunda lazer kaynakları kullanılarak yerine oturtuldu. Tüm punta kaynakları tamamlandıktan sonra, sertleştirici-taban plakası bağlantılarının tümü kaynaklanmıştır. Her dahili hücre, durma/başlatma pozisyonunda bir miktar örtüşme ile robotun tek bir sürekli hareketiyle kaynaklanmıştır. Panelin iki yarısı daha sonra konumlandırıldı ve tam penetrasyon sağlayan PA konumunda alın kaynağı yapıldı. Son olarak, uzunlamasına takviyenin dört bölümü zımbalandı ve ardından tamamen kaynaklandı. Kaynak tamamlandıktan sonra panel minimum bozulma gösterdi. Görsel inceleme, parçanın kaynaklanmasının bir miktar bozulmaya neden olmasına rağmen, bunun aşırı olmadığını gösterdi. 

Sertleştirilmiş Yapıların Hibrit MAG Kaynağı İçin Prosedür Geliştirme

Hibrit lazer-MAG kaynağının genellikle sertleştirilmiş yapılarda (T-bağlantılar) köşelerin içine ve dışına kaynak yapması gerektiğinden, ekipman kurulumunun mümkün olduğunca kompakt olması gerekir. T-bağlantıların hibrit lazer-MAG kaynağı için optimize edilmiş kurulumu geliştirmek için TWI'de çalışmalar yürütülmüştür. İki torç, eklem hattına dik bir düzlemde birbirinin üzerine yerleştirildi.

Prosedür geliştirme sırasında dikkate alınan ana parametreler şunlardı:

Lazer ışınının ve MAG torçunun dikey açıya göre açısı (çalışma açısı).
İşlemler arasında uzunlamasına ayrım, yani eklem hattı boyunca ayrım. Lazer yönlendirme olarak pozitif bir uzunlamasına ayırma tanımlandı.
Prosesler arasında enine ayırma, yani bağlantı hattına enine ayırma (T bağlantılarında dikey ayırma).
MAG temas ucu ile iş parçası mesafesi (elektrot uzantısı).
Lazer odak konumu. Pozitif odak konumu, iş parçası yüzeyinin üzerindeki odak konumu olarak tanımlandı.

Kısmen Nüfuzlu Hibrit Lazer-MAG Kaynağı

Bu proje kapsamındaki çalışma, belirli gemi inşa bileşenleri (her durumda T bağlantıları) için hibrit lazer-MAG kaynak prosedürleri geliştirmekti. Başlangıçta, ekonomik gerekçeye, mevcut ekipmana, klas kuruluşu onayı ihtiyacına ve tersane uygulaması gerekliliklerine dayalı olarak sınır koşulları belirlendi. Belirtilen ana sınır koşulları şunlardı:

Malzemeler: 4mm ve 5mm kalınlıkta AH355 C-Mn çelik.
Seyir hızı: minimum 1.5m/dak.
Lazer gücü: İş parçasında maksimum 4kW.
Boğaz boyutu: minimum 3,5 mm.
Derz boşlukları: 0,5 mm'ye kadar.

Distorsiyonun azaltılması genellikle lazer veya lazer ark hibrit kaynağa geçmenin ana nedenlerinden biri olduğundan, boğaz boyutu proje için özel olarak yeniden tanımlandı. Genellikle sadece dış köşe boyutunun dikkate alındığı geleneksel ark kaynağından farklı olarak, kaynaşmış lazer penetrasyonu, kaynağın etkin boyutlarının hesaplanmasına dahil edilerek köşe boyutunun azaltılmasına izin verildi. İki levha arasındaki en derin füzyon noktasından, dolgunun kaynak uçlarını (veya içbükey dolgu durumunda kaynak yüzünün teğetini) birleştiren düz çizgiye kadar olan en kısa mesafe olarak ölçülmüştür. T bağlantılarının etkin kaynak boyutlarına erimiş lazer penetrasyonunun dahil edilmesinin bir dezavantajı, kısmi penetrasyon kaynakları yapıldığından boğaz boyutunun sadece yıkıcı enine kesit örnekleme ile belirlenebilmesiydi.

Daha sonra lazer odak konumu, hareket hızı ve tel besleme hızı ana parametreler olarak kullanılarak prosedür geliştirme gerçekleştirildi. 3.5 mm'lik gerekli boğaz boyutunun yüksek bir hareket hızında elde edilmesinin yanı sıra, prosedür geliştirmenin kaynak şekli ve boyutları ile ilgili iki özel amacı vardı:

Dış fileto boyutunun en aza indirilmesi. Köşe köşesi, nötr eksenden en uzakta yer aldığı için bir T eklemindeki açısal bozulmanın ana nedeni olduğundan, bu köşenin boyutunun en aza indirilmesi ve daha fazla T alın kaynağına yol açması amaçlandı.

Kaynak kök genişliğinin maksimize edilmesi. Lazer ışını-eklem hizalamasına karşı toleransı geliştirmek için, mümkün olduğu kadar geniş bir kaynak kökü oluşturulmaya çalışıldı.

Bu amaçlardan ikincisi, kaynak kök genişliğini maksimize etmek, lazer ışınının bağlantı düzlemine açılı olması gerektiği gerçeğinin doğrudan bir sonucudur. Böylece, kaynak ne kadar geniş olursa, bağlantı hattı o kadar fazla kaynaşabilir ve aynı penetrasyon seviyesi için boğaz boyutunu maksimuma çıkarır.

Geliştirilen kaynak prosedürleri test edildi ve gerektiğinde, bağlantı boşluklu numuneler üzerinde kaynak yapmak için tel besleme hızı ve hareket hızı açısından daha fazla ayarlandı. Eklem boşlukları, takviye ve flanş plakasını ayrı tutmak için şim malzemesi kullanılarak yapılmıştır. Şimler genellikle kaynağın başında ve sonunda bulunur ve bir punta kaynağı ile yerinde tutulur. Hem sürekli artan bir derz aralığı hem de sabit bir derz aralığı incelenmiştir.

İlk olarak, dolgudan uzanan bir lazer kökü ile pürüzsüz, gönye şeklinde bir dolguya sahip kaynaklar üreten prosedürler geliştirildi. Daha sonra, birim kaynak uzunluğu başına dolgu teli miktarının azaltılmasıyla, bozulmayı azaltmak amacıyla köşe boyutunda bir azalma sağlanmıştır. Dolgu teli besleme hızı 11m/dk'dan 6.5m/dk'ya düşürülerek ark gücü ~4.1kW'dan ~2.7kW'a düşürüldü. Eşzamanlı olarak, kaynak kök genişliğini genişletmek için odak konumu 3mm'den (yüzey altı) +3mm'ye (yüzey üstü) değiştirildi ve uzunlamasına proses ayrımı -3mm'den (lazer izi) 0mm'ye değiştirildi. Kaynak hızı 1.5m/dk'da tutulmuştur.

Kaynak kökünün genişliğini daha da artırmak için odak konumu yüzeyin daha yukarısına +6 mm'ye taşındı. Lazer penetrasyonunu en üst düzeye çıkarmak için, lazer ışınının çalışma açısı (dikeyden açı) 70°'den 73°'ye daha da artırıldı, bu da ışının eklem düzlemi ile açısında 20°'den 17°'ye bir azalma anlamına geliyordu. Bu proje için mevcut ekipmanla elde edilebilecek minimum Daha düşük bir açıda, lazer odaklama optiği taban plakasıyla çarpıştı. Bu artan çalışma açısı ile kaynak prosedürleri yeniden optimize edildi ve aynı anda tel besleme hızı tekrar 8m/dk'ya yükseltildi. Diğer ana değişiklik, tersanelerde tekrarlanabilirliği artıracağı düşünüldüğünden darbeli kaynak akımı yerine sürekli kaynak akımının kullanılmasıydı.

Tam Nüfuziyetli Hibrit Lazer-MAG Kaynağı

Bu çalışma, tek geçiş kullanılarak S355J2G3 (EN10025) C-Mn çeliğinde 6mm ila 8mm T-bağlantılarında ve 8mm ila 12mm T-bağlantılarında tamamen nüfuz eden ve görsel olarak kabul edilebilir kaynaklar elde etmek için prosedürler geliştirmeye yönelik bir Avrupa projesinin parçası olarak yine gerçekleştirildi. 4kW Nd:YAG lazer ile hibrit lazer-MAG lazer kaynağı.

Başlangıçta, tam penetrasyonun sağlanması için koşulların geliştirilmesi için kaynak denemeleri yapıldı. Başlangıç koşulları daha sonra kaynak görünümü, kaynak profili ve gözeneklilik açısından sıfır boşluklu T-bağlantılarında optimize edildi. Kalın kesitli çeliklerde tam nüfuz eden T-köşe kaynaklarının, otojen lazer kaynağı için elde edilenlere benzer hareket hızlarında elde edilebileceği fark edildi. Ancak hibrit lazer-MAG kaynağı, tek başına lazer işleminden daha iyi kaynak profilleri üretti. Hibrit Nd:YAG lazer-MAG kaynak işlemi ayrıca bağlantı koşullarındaki değişikliklere karşı çok daha büyük bir toleransa sahipti. Hibrit süreç, 1,2 mm'ye kadar değişken derz boşluklarını tolere edebilir.

Hibrit Lazer-MAG Kaynağının Süreç İçi Denetimi

Hem lazer hem de hibrit lazer ark proseslerinin yeteneklerine rağmen, kaynak sırasında hala kusurlar meydana gelebilir ve endüstriyel uygulamalarda güncel birincil ilgi, kusurların gerçek zamanlı izleme yöntemleri kullanılarak tespit edilmesidir. Bu çalışma, hibrit lazer-MAG kaynağı sırasında meydana gelen kaynak kusurlarını tespit etmek için piyasada bulunan foto-diyot sensörlerinin performansını değerlendirmek için yapılmıştır.

Başlangıçta, sertleştirilmiş yapıların lazer kaynağı sırasında meydana gelmesi muhtemel olan kaynak kusurları, oluşma sıklıkları, bağlantı performansı üzerindeki etkileri ve tespit kolaylığı açısından seçilmiştir. Penetrasyon eksikliği, füzyon eksikliği, aşırı sıçrama ve yanlış kaynak ucu gibi seçilen kaynak kusurları, hibridlazer-MAG kaynağı sırasında işlem parametreleri değiştirilerek veya bağlantı yerleşiminde değişiklikler yapılarak kaynağa yapay olarak işlendi. Lazer-MAG hibrit lazer kaynağı sırasında kaynak kalitesini anlamak için kaynak havuzu sıcaklığını, tüy radyasyonlarını ve yansıyan lazer ışığını izlemek için üç lazer proses izleme sensörü (kızılötesi, ultraviyole ve Nd:YAG lazer dalga boylarında izleme) kullanıldı.

Sensörün tepkileri, hibrit lazer kaynak işlemi için bir dizi kusursuz olmayan 'referans kaynağının' üretimi sırasında ölçüldü ve detektörlerden simüle edilmiş kaynak kusurlarına verilen tepkilerle karşılaştırıldı.

Sensörlerden gelen çıkış sinyalleri ile bağlantı yerleşimi ve kaynak kalitesini etkileyen proses parametresi değişikliklerindeki varyasyonlar arasında açık korelasyonlar olduğu fark edildi. Bu özel bağlantı/malzeme kombinasyonu için, hibrit kaynak sırasında kaynak kusurlarına neden olan çeşitli faktörleri tespit etmek mümkün olmuştur. Sıcaklık ve plazma sensörleri, aşırı kaynak metaline, aşırı kaynak sıçramasına ve yanlış kaynak ucuna neden olan ark parametrelerindeki (akım, voltaj ve koruyucu gaz akış hızı) değişiklikleri, kirişten bağlantı hizasındaki değişiklikleri ve kiriş eksenel odak pozisyonundaki değişikliklere neden olan değişiklikleri tespit edebildi. Plazma sensörü ayrıca yetersiz gaz korumasına tepki göstererek kaynakta gözenekliliğe neden oldu. Her iki sensör de ark parametrelerindeki değişikliklere en büyük tepkiyi gösterdi. Bu varyasyonlar, fazla kaynak metali ve sıçramasına neden oldu. Yansıtıcılık sensörü, lazer odağındaki değişikliklere önemli tepki göstererek eksik penetrasyona neden oldu.

Değerlendirilen izleme sistemi, üretimdeki kaynakları, herhangi bir belirli sensör, referans sinyalinin (referans kaynağı) belirli (kullanıcı tarafından ayarlanan) toleransın dışında olan bir sinyal algıladığında bir alarm kaydedecek şekilde otomatik bir şekilde değerlendirmek için kullanılabilir. Üretimde, kabul edilebilir kaynak kalitesi sınırını belirleyecek iyi belirlenmiş prosedürler ve koşullarla kaynaklar üretilerek güvenli çalışma tolerans sınırları oluşturulacaktır. Bu çalışmada elde edilen veriler, sensörlerin çeşitli kusurlara tepkisi için bir veri tabanı olarak kullanılabilir. Alınan bir sinyal önceden ayarlanmış sınırları aştığında, bir arıza alarmı görüntülenir. Bu şekilde, QA amaçları için tüm kaynakların tepkisi kaydedilebilir ve kusurlar içerdiği tespit edilen herhangi bir kaynak izole edilebilir ve incelenebilir. Kusurlu kaynaklar en erken aşamada belirlenebilir, böylece derhal düzeltici önlem alınabilir. Dedektörlerin tepkisi bir dizi kusur için benzer olduğundan, operatörün tespit edilen kusuru tahmin etmesi için kaydedilen sinyallerin analizinin gerekli olduğuna dikkat edilmelidir.

Lazer ve hibrit lazer ark kaynağı, Avrupa'daki büyük tersanelerde kullanılmaya başlandı. Bugüne kadar bu kaynak sistemlerinin çoğu CO2 lazerlerine dayanmaktadır. Kurulum, tipik olarak panel hatlarına kaynak yapılanlar gibi uzun ve doğrusal kaynaklar için uygundur. TWI'de yapılan çalışmalar, gemi inşa uygulaması için daha karmaşık yapılar için esnek ve fiber teslimli katı hal lazerlerinin CO2 lazerlere göre açık avantajlara sahip olduğunu göstermiştir. Lazer kaynağı ve ark kaynağının avantajlarını birleştiren hibrit lazer-ark kaynağı işlemi, kaynak profili kontrolü ve boşluk köprüleme yeteneği açısından lazer kaynağına göre açıkça avantajlar sergiledi. Hibrit süreç, tipik olarak gemi inşa uygulamalarında bulunan yerleştirme toleranslarıyla başa çıkabilir ve otojen lazer kaynağı için gereken kenar hazırlığı yerleştirme kontrolünün maliyetini azaltabilir. Foto diyot sensörü, hibrit lazer-MAG kaynağı sırasında kaynak kusurlarına neden olan bağlantı yerleştirme ve işlem parametrelerindeki değişiklikleri algılayabilir. Yeni yüksek güçlü lazer kaynaklarının geliştirilmesi ve büyük kesitli imalat için hibrit lazer ark kaynağı gibi gelişmiş süreçlerin artan kullanımı ile bu çevrimiçi kaynak izleme sistemi, lazer ve hibrit lazer ark proses izleme ve kalite kontrolü için faydalı olacaktır.