Baik pengelasan sinar laser maupun pengelasan busur telah lama digunakan untuk produksi industri, dan memungkinkan spektrum penggunaan yang luas di bidang teknologi penyambungan material. Masing-masing proses ini memiliki area aplikasi spesifiknya, seperti yang dijelaskan oleh proses fisik penghantaran energi ke benda kerja dan oleh aliran energi yang dapat diperoleh. Energi ditransmisikan dari sumber sinar laser ke material yang akan diproses melalui radiasi koheren inframerah berenergi tinggi, menggunakan kabel serat optik. Busur mentransmisikan panas yang dibutuhkan untuk pengelasan melalui arus listrik tinggi yang mengalir ke benda kerja melalui kolom busur. Radiasi laser menghasilkan zona yang terkena panas yang sangat sempit dengan rasio kedalaman pengelasan terhadap lebar sambungan yang besar (efek pengelasan dalam). Kemampuan menjembatani celah dari proses pengelasan laser sangat rendah, karena diameter fokusnya yang kecil, tetapi di sisi lain dapat mencapai kecepatan pengelasan yang sangat tinggi. Proses pengelasan busur memiliki kepadatan energi yang jauh lebih rendah, tetapi menyebabkan titik fokus yang lebih besar pada permukaan benda kerja dan dicirikan oleh kecepatan pemrosesan yang lebih lambat. Dengan menggabungkan kedua proses ini, sinergi yang bermanfaat dapat dicapai. Pada akhirnya, hal ini memungkinkan tercapainya keunggulan kualitas dan manfaat rekayasa produksi, serta peningkatan efisiensi biaya. Proses ini menawarkan aplikasi yang menarik dan ekonomis, baik di industri otomotif, terutama karena toleransi yang lebih tinggi diperbolehkan pada hasil pengelasan, tingkat penyambungan yang lebih tinggi dimungkinkan, dan parameter mekanik/teknologi yang sangat baik dapat dicapai.
1. Pendahuluan:
Sejak tahun 1970-an, telah diketahui cara menggabungkan cahaya laser dan busur listrik menjadi proses pengelasan gabungan, tetapi untuk waktu yang lama setelah itu, tidak ada pengembangan lebih lanjut yang dilakukan. Baru-baru ini, para peneliti kembali mengarahkan perhatian mereka pada topik ini dan mencoba untuk menyatukan keunggulan busur listrik dengan keunggulan laser, dalam proses pengelasan hibrida. Jika pada awalnya sumber laser masih harus membuktikan kesesuaiannya untuk penggunaan industri, saat ini sumber laser telah menjadi peralatan teknologi standar di banyak perusahaan manufaktur.
Kombinasi pengelasan laser dengan proses pengelasan lainnya disebut sebagai "proses pengelasan hibrida". Ini berarti bahwa sinar laser dan busur bekerja secara bersamaan dalam satu zona pengelasan, dan saling memengaruhi serta mendukung satu sama lain.
2. Laser:
Pengelasan laser tidak hanya membutuhkan daya laser yang tinggi tetapi juga berkas cahaya berkualitas tinggi untuk mendapatkan "efek pengelasan dalam" yang diinginkan. Kualitas berkas cahaya yang lebih tinggi ini dapat dimanfaatkan untuk mendapatkan diameter fokus yang lebih kecil atau jarak fokus yang lebih besar.
Untuk proyek pengembangan yang sedang berlangsung, digunakan laser solid-state yang dipompa lampu dengan daya pancaran laser 4 kW. Cahaya laser ditransmisikan melalui serat optik kaca 600 µm.
Sinar laser ditransmisikan melalui serat optik, yang bagian awal dan akhirnya didinginkan dengan air. Sinar laser diproyeksikan ke benda kerja oleh modul pemfokus dengan jarak fokus 200 mm.
3. Proses Laser Hibrida:
Untuk pengelasan benda kerja logam, sinar laser Nd:YAG difokuskan pada intensitas di atas 106 W/cm2. Ketika sinar laser mengenai permukaan material, ia memanaskan titik tersebut hingga suhu penguapan, dan rongga uap terbentuk di dalam logam las karena uap logam yang keluar. Ciri khas dari sambungan las adalah rasio kedalaman terhadap lebarnya yang tinggi. Kepadatan aliran energi busur yang terbakar bebas sedikit di atas 104 W/cm2. Gambar 1 mengilustrasikan prinsip dasar pengelasan hibrida. Sinar laser
Gambar yang ditampilkan di sini memberikan panas ke logam las di bagian atas sambungan, selain panas dari busur. Tidak seperti konfigurasi sekuensial di mana dua proses pengelasan terpisah bekerja secara berurutan, pengelasan hibrida dapat dilihat sebagai kombinasi dari kedua proses pengelasan yang bekerja secara simultan dalam satu zona proses yang sama. Tergantung pada proses busur atau laser yang digunakan, dan pada parameter proses, proses tersebut akan saling memengaruhi satu sama lain dengan tingkat dan cara yang berbeda [1, 2].
Berkat kombinasi proses laser dan proses busur, kedalaman penetrasi las dan kecepatan pengelasan juga meningkat (dibandingkan dengan salah satu proses yang digunakan sendiri). Uap logam yang keluar dari rongga uap bereaksi balik terhadap plasma busur. Penyerapan radiasi laser Nd:YAG dalam plasma pemrosesan tetap dapat diabaikan. Tergantung pada rasio kedua input daya yang dipilih, karakter keseluruhan proses dapat ditentukan lebih besar atau lebih kecil oleh laser atau oleh busur [3,4].
Gambar 1: Representasi skematis: Pengelasan LaserHibrida
Penyerapan radiasi laser sangat dipengaruhi oleh suhu permukaan benda kerja. Sebelum proses pengelasan laser dapat dimulai, reflektansi awal harus diatasi terlebih dahulu, terutama pada permukaan aluminium. Hal ini dapat dicapai dengan memulai pengelasan menggunakan program awal khusus. Setelah suhu penguapan tercapai, rongga uap terbentuk, sehingga hampir semua energi radiasi dapat dimasukkan ke dalam benda kerja. Energi yang dibutuhkan untuk ini ditentukan oleh penyerapan yang bergantung pada suhu dan oleh jumlah energi yang hilang.
melalui konduksi ke seluruh benda kerja. Pada pengelasan LaserHybrid, penguapan terjadi tidak hanya dari permukaan benda kerja tetapi juga dari kawat pengisi, artinya terdapat lebih banyak uap logam yang tersedia, yang pada gilirannya memfasilitasi masuknya radiasi laser. Hal ini juga mencegah kegagalan proses [5, 6, 7, 8, 9].
4. Aplikasi otomotif:
Dengan menggunakan teknologi rangka ruang (space frame), pengurangan bobot hingga 43% dapat dicapai dibandingkan dengan bodi mobil berbahan baja.
Gambar 2: Konsep rangka ruang Audi A2
Rangka ruang Audi A2 terdiri dari 30 m Laser (garis kuning pada gambar 2) dan panjang las MIG 20 m. Selain itu, 1700 paku keling juga digunakan.
Gambar 3: Perbandingan profil dan teknik penyambungan pada Audi-A2
Gambar 4 menunjukkan sambungan las LaserHybrid dari material cor AlMg3 dengan material lembaran AlMgSi. Kawat pengisi yang digunakan adalah AlSi5 dan gas pelindung yang digunakan adalah Argon. Dengan meningkatnya daya laser, penetrasi yang lebih dalam dimungkinkan. Kombinasi sinar laser dengan busur dengan cara ini menghasilkan kolam las yang lebih besar daripada proses pengelasan sinar laser saja. Hal ini memungkinkan pengelasan komponen dengan celah yang lebih lebar.
Gambar 4: Sambungan tumpang tindih dengan celah 0,5 mm
Dalam industri otomotif, terdapat banyak aplikasi pengelasan tumpang tindih tanpa persiapan sambungan. Saat ini, proses terkini untuk pekerjaan pengelasan ini adalah proses pengelasan laser dengan kawat pengisi dingin, karena adanya keretakan panas pada paduan AA 6xxx. Ketika sambungan dilas dengan kawat pengisi, banyak energi laser akan hilang untuk melelehkan kawat pengisi tersebut.
Gambar selanjutnya menunjukkan perbedaan antara pengelasan LaserHybrid dan Laser pada sambungan tumpang tindih dengan kecepatan pengelasan 2,4 m/menit. Pada pengelasan laser, tidak ada kemungkinan untuk mengisi manik las, dan terjadi undercut. Selain itu, penetrasi ke material dasar sangat kecil. Lebar manik las sangat kecil, sehingga kekuatan tarik yang dihasilkan akan rendah. Pada pengelasan LaserHybrid,
Material tambahan diangkut ke dalam kolam las. Bagian yang terpotong diisi dengan kawat dari proses MIG, dan sebagian energi laser kini dihemat. Energi laser yang dihemat ini dapat digunakan untuk meningkatkan penetrasi ke dalam material dasar dan lebar manik las lebih besar daripada ketebalan material, yang dibutuhkan dari simulasi numerik.
Gambar 5. Perbandingan antara pengelasan LaserHybrid dan Laser tanpa kawat pengisi.
Dengan prosedur pengelasan LaserHybrid, dimungkinkan untuk mengelas material Aluminium, baja, dan baja tahan karat dengan ketebalan hingga 4 mm. Jika ketebalannya terlalu tinggi, penetrasi penuh tidak mungkin dilakukan. Untuk menyambung material berlapis Seng, proses pengelasan laser juga lebih disarankan.
Aplikasi lebih lanjut di bidang otomotif meliputi sistem penggerak, poros, dan bodi mobil, di mana proses pengelasan hibrida laser dapat diterapkan.
Kepala pengelasan:
Kepala pengelasan harus memiliki dimensi geometris yang kecil, untuk memastikan aksesibilitas yang baik ke komponen yang akan dilas, terutama di bidang bodi mobil. Selain itu, kepala pengelasan harus dirancang untuk memungkinkan koneksi yang dapat dilepas ke kepala robot dan kemampuan penyesuaian variabel proses seperti jarak fokus, dan jarak penahan obor di semua koordinat Kartesius. Gambar 5 menunjukkan kepala pengelasan, saat proses sedang berlangsung. Percikan yang terjadi selama proses pengelasan menyebabkan peningkatan pengotoran kaca pelindung. Kaca kuarsa dilapisi di kedua sisinya dengan bahan anti-reflektif dan dimaksudkan untuk melindungi sistem optik laser dari kerusakan.
Tergantung pada tingkat kekotoran, percikan yang menumpuk pada kaca dapat menyebabkan daya laser yang sebenarnya mengenai benda kerja berkurang hingga 90%. Kekotoran yang lebih berat umumnya menyebabkan kerusakan kaca pelindung, karena sebagian besar energi radiasi kemudian diserap oleh kaca itu sendiri, menyebabkan tegangan termal pada kaca. Dengan kepala pengelasan dan peralatan pengelasan tersebut, dimungkinkan untuk menggunakannya untuk pengelasan LaserHybrid, pengelasan laser, pengelasan MSG, danPengelasan kawat panas laser.
Gambar 6: Kepala pengelasan dan prosesnya
5. Keunggulan pengelasan Laser Hibrida:
Berikut ini adalah beberapa keuntungan yang dihasilkan dari penggabungan busur dan sinar laser: Keunggulan pengelasan LaserHybrid dibandingkan pengelasan laser:
• stabilitas proses yang lebih tinggi
• kemampuan menjembatani yang lebih tinggi
• penetrasi lebih dalam
• biaya investasi modal yang lebih rendah
• keuletan yang lebih besar
Keunggulan pengelasan LaserHybrid dibandingkan pengelasan MIG:
• kecepatan pengelasan yang lebih tinggi
• penetrasi lebih dalam pada kecepatan pengelasan yang lebih tinggi
• input panas yang lebih rendah
• kekuatan tarik yang lebih tinggi
• sambungan las yang lebih sempit
Gambar 7: Keuntungan menggabungkan kedua proses
Proses pengelasan busur ditandai dengan sumber energi berbiaya rendah, kemampuan jembatan yang baik, dan kemudahan untuk memengaruhi struktur dengan menambahkan logam pengisi. Ciri khas dari proses sinar laser, di sisi lain, adalah kedalaman pengelasan yang besar, kecepatan pengelasan yang tinggi, beban termal yang rendah, dan sambungan las yang sempit. Di atas kepadatan sinar tertentu, sinar laser menghasilkan "efek pengelasan dalam" pada material logam yang memungkinkan komponen dengan ketebalan dinding yang lebih besar untuk dilas – asalkan daya laser cukup tinggi. Oleh karena itu, pengelasan hibrida laser menghasilkan kecepatan pengelasan yang lebih tinggi, stabilisasi proses karena interaksi antara busur dan sinar laser, peningkatan efisiensi termal, dan toleransi benda kerja yang lebih besar. Karena kolam las lebih kecil daripada pada proses MIG, masukan termal lebih sedikit dan dengan demikian zona yang terkena panas lebih kecil. Ini berarti lebih sedikit hasil pengelasan.
distorsi, yang mengurangi jumlah pekerjaan pelurusan pasca pengelasan yang perlu dilakukan selanjutnya.
Jika terdapat dua kolam las terpisah, masukan panas selanjutnya dari busur berarti bahwa sinar laser – area yang dilas – terutama dalam kasus baja – diberi perlakuan temper pasca-pengelasan, menyebarkan nilai kekerasan secara lebih merata di seluruh sambungan. Gambar 6 merangkum keuntungan dari proses gabungan (yaitu hibrida).
Beralih ke keuntungan ekonomi pengelasan hibrida dibandingkan pengelasan laser, pernyataan berikut dapat dibuat: Sambungan las sebagian terdiri dari las laser dan sebagian lagi las MIG. Proses hibrida memungkinkan pengurangan daya sinar laser, yang berarti konsumsi energi sumber laser dapat sangat berkurang, karena alat sinar laser hanya memiliki efisiensi 3%. Dengan kata lain: Pengurangan 1 kW pada daya sinar laser yang mengenai benda kerja menyebabkan pengurangan sekitar 35 kVA pada daya yang dikonsumsi dari jaringan listrik.
Sebuah perangkat sinar laser berharga sekitar EUR 0,1 juta untuk setiap 1 kW.daya pancaran laserSebagai contoh, dalam kasus di mana penggunaan proses hibrida memungkinkan penggunaan alat sinar laser 2 kW alih-alih yang berdaya sinar 4 kW, hal ini menghasilkan penghematan investasi sebesar EUR 0,2 juta. Namun, perlu diingat bahwa untuk proses hibrida, dibutuhkan mesin MIG dengan harga sekitar EUR 20.000.
Berkat kecepatan pengelasan yang lebih tinggi, baik waktu fabrikasi maupun biaya pengelasan dapat dikurangi.
6. Pengelasan kawat panas laser:
Kemungkinan lain untuk menggabungkan sinar laser dengan kawat pengisi adalah proses LaserHotwire [10]. Dalam prosedur ini kawat pengisi dipanaskan terlebih dahulu dengan sumber daya yang sama, yang dapat digunakan untukProses pengelasan Laser HibridaKawat pengisi memiliki beban arus dari 100 A hingga 220 A. Kecepatan pengumpanan kawat bergantung pada penampang manik patri dan kecepatan patri. Patri menawarkan, melalui jumlah logam pengisi, bahan cetakan yang dapat diselesaikan lebih mudah daripada sambungan las yang sebanding. Melalui patri bagian lembaran, pekerjaan perbaikan dapat dilakukan dengan cara yang lebih mudah daripada yang dilakukan pada sambungan las. Salah satu keunggulan patri LaserHotwire adalah ketahanan korosi yang baik pada zona yang dipatri.
Sebagai logam pengisi, digunakan paduan berbasis tembaga murah seperti SG-CuSi3 dan Argon berfungsi sebagai gas pelindung.
Gambar 8: Representasi skematisPengelasan kawat panas laser:
Gambar selanjutnya menunjukkan penampang material yang disolder dengan kawat panas laser. Material berlapis seng disolder dengan kecepatan 3 m/menit dan kawat pengisi memiliki beban arus 205 A. Masukan panas sangat rendah, oleh karena itu distorsi yang dihasilkan dari proses penyolderan juga rendah.
7. Ringkasan:
Pengelasan Laser Hibrida adalah teknologi yang sepenuhnya baru yang menawarkan sinergi untuk berbagai bidang aplikasi dalam industri pengerjaan logam, terutama di mana tidak memungkinkan atau tidak layak secara finansial untuk mencapai toleransi komponen yang dibutuhkan.pengelasan sinar laserCakupan aplikasi yang jauh lebih luas dan kemampuan tinggi dari proses gabungan tersebut menghasilkan peningkatan daya saing dalam hal pengurangan pengeluaran investasi, waktu fabrikasi yang lebih singkat, biaya produksi yang lebih rendah, dan produktivitas yang lebih tinggi.
Proses LaserHybrid juga menawarkan pendekatan baru untuk pengelasan aluminium. Namun, proses yang stabil dan dapat digunakan dalam praktik baru dimungkinkan relatif baru-baru ini, berkat daya keluaran yang lebih tinggi dari laser solid-state yang tersedia. Banyak penelitian telah mengkaji dasar-dasar proses pengelasan laser-busur-hibrida. Yang dimaksud dengan "proses pengelasan hibrida" adalah kombinasi pengelasan sinar laser dan proses pengelasan busur, hanya dengan satu zona proses tunggal (plasma dan lelehan). Studi penelitian dasar telah menunjukkan bahwa suatu proses dimungkinkan di mana – dengan menggabungkan kedua proses – sinergi dapat dicapai dan kekurangan dari masing-masing proses terpisah dapat dikompensasi, sehingga menghasilkan peningkatan kemungkinan pengelasan, kemampuan las, dan keandalan pengelasan untuk berbagai material dan konstruksi. Secara khusus, hal ini telah dibuktikan untuk paduan aluminium. Dengan memilih parameter proses yang menguntungkan, dimungkinkan untuk secara selektif memengaruhi sifat las seperti geometri dan konstitusi struktural. Proses pengelasan busur meningkatkan kemampuan jembatan dengan menambahkan logam pengisi; proses ini juga menentukan lebar sambungan las dan dengan demikian mengurangi jumlah persiapan benda kerja yang dibutuhkan. Selain itu, interaksi yang terjadi antar proses menyebabkan peningkatan efisiensi proses yang substansial. Proses kombinasi ini juga membutuhkan biaya investasi yang jauh lebih kecil daripada proses pengelasan laser.
Proses pengelasan kawat panas laser dapat digunakan khususnya untuk material berlapis seng guna mendapatkan ketahanan korosi yang baik.
Waktu posting: 18 April 2025
