Лазерно лъчево заваряване
Лазерното заваряване е високоефективен и прецизен метод на заваряване, използващ лазерен лъч с висока енергийна плътност като източник на топлина. Заваряването може да се извършва с непрекъснати или импулсни лазерни лъчи. Според принципите на лазерното заваряване, процесите могат да бъдат допълнително разделени на два: топлопроводящо заваряване и лазерно дълбоко проникване. Плътността на мощността под 104 ~ 105 W/cm2 се отнася до топлопроводящо заваряване. В този случай дълбочината на проникване е малка, а скоростта на заваряване е ниска; когато плътността на мощността е по-голяма от 105 ~ 107 W/cm2, под въздействието на топлината металната повърхност придобива вид на вдлъбнатина, образувайки дълбоко проникващо заваряване.
Характеристики:
Характеристики на бърза скорост на заваряване и голямо съотношение на страните
Лазерното заваряване обикновено използва непрекъснати лазерни лъчи за завършване на свързването на материалите. Металургичният физически процес е много подобен на електроннолъчевото заваряване, т.е. механизмът за преобразуване на енергията се осъществява чрез структура „ключова дупка“.
При лазерно облъчване с достатъчно висока плътност на мощността, материалът се изпарява и образува малки дупки. Тази малка дупка, запълнена с пара, е като абсолютно черно тяло, абсорбиращо почти цялата енергия на падащия лъч. Равновесната температура в кухината е около 2500°C. Топлината се пренася от външната стена на високотемпературната кухина, разтопявайки метала около кухината. Малките дупки се запълват с високотемпературна пара, генерирана от непрекъснатото изпаряване на материала на стената под светлинния лъч.
Четирите стени на малките отвори обграждат разтопения метал, а течният метал обгражда твърдия материал. (В повечето конвенционални заваръчни процеси и лазерно проводимото заваряване, енергията е първо (отложена върху повърхността на детайла, след което се транспортира навътре чрез пренос). Потокът на течност извън стената на отвора и повърхностното напрежение на стенния слой са в съответствие с налягането на парата, непрекъснато генерирано в кухината на отвора, и поддържат динамичен баланс. Светлинният лъч непрекъснато навлиза в малкия отвор и материалът извън малкия отвор непрекъснато тече. Докато светлинният лъч се движи, малкият отвор винаги е в стабилно състояние на поток.
Тоест, малкият отвор и разтопеният метал около него ще се движат напред със скоростта на водещия лъч. Разтопеният метал запълва празнината, оставена от малкия отвор, след което кондензира и се образува заварката. Всички горепосочени процеси се случват толкова бързо, че скоростта на заваряване може лесно да достигне няколко метра в минута.
1. Лазерното заваряване е заваряване чрез сливане, при което лазерен лъч като източник на енергия се въздейства върху заварената шевна връзка.
2. Лазерният лъч може да бъде насочен от плосък оптичен елемент (като огледало), след което лъчът се проектира върху заваръчния шев с помощта на отразяващ фокусиращ елемент или леща.
3. Лазерното заваряване е безконтактно заваряване. Не е необходимо налягане по време на операцията, но е необходим инертен газ, за да се предотврати окисляването на разтопената вана. Понякога се използва и добавъчен метал.
4. Лазерното заваряване може да се комбинира с MIG заваряване, за да се получи лазерно MIG композитно заваряване, постигайки голямо проникване, като същевременно вложената топлина е значително намалена в сравнение с MIG заваряването.
Приложения
Лазерната заваръчна машина се използва широко в такива високопрецизни производствени области като автомобили, кораби, самолети и високоскоростни железници. Тя значително подобри качеството на живот на хората и също така тласна индустрията за домакински уреди към прецизно инженерство.
Плазмена дъгова заварка
Плазмено-дъговото заваряване е метод на заваряване чрез сливане, при който като източник на топлина се използва плазмен лъч с висока енергийна плътност. По време на заваряването, йонният газ (образуващ йонна дъга) и защитният газ (за защита на разтопената вана и заваръчния шев от вредното въздействие на въздуха) са чист аргон. Електродите, използвани при плазмено-дъговото заваряване, обикновено са волфрамови електроди и понякога е необходимо да се запълнят с метал (заваръчна тел). Обикновено се използва метод на положително DC свързване (волфрамовият прът е свързан към отрицателния електрод). Следователно, плазмено-дъговото заваряване е по същество заваряване с волфрамов газ и компресионен ефект.
Плазмено-дъговото заваряване се характеризира с концентрация на енергия, висока производителност, бърза скорост на заваряване, малка деформация на напрежение и стабилна електрическа изолация и е подходящо за заваряване на тънки плочи и кутии. Особено подходящо е за различни огнеупорни, лесно окисляеми и топлочувствителни метални материали (като волфрам, молибден, мед, никел, титан и др.).
Газът се дисоциира от нагряването на дъгата и се компресира при преминаване през водноохлаждаемата дюза с висока скорост, увеличавайки енергийната плътност и степента на дисоциация, образувайки плазмена дъга. Нейната стабилност, калоричност и температура са по-високи от тези на обикновената дъга, така че има по-голямо проникване и скорост на заваряване. Газът, образуващ плазмената дъга, и защитният газ около нея обикновено използват чист аргон. В зависимост от свойствата на материала на различните детайли, някои използват хелий, азот, аргон или смес от двете.
Характеристики:
1. Микролъчевото плазмено дъгово заваряване може да заварява фолиа и тънки плочи.
2. С ефект на малък отвор, може по-добре да се реализира едностранно заваряване и двустранно свободно формоване.
3. Плазмената дъга има висока енергийна плътност, висока температура на стълба на дъгата и силна проникваща способност. Тя може да постигне 10-12mm Дебела стомана без скосено заваряване. Може да се заварява чрез двустранно формоване едновременно. Скоростта на заваряване е бърза, производителността е висока, а деформацията на напрежението е малка.
4. Оборудването е сравнително сложно, консумацията на газ е голяма, групата има строги изисквания за клирънс и чистота на детайла и е подходящо само за заваряване на закрито.
Приложения
Плазменото заваряване е важно средство в промишленото производство, особено за заваряване на мед и медни сплави, титан и титанови сплави, легирана стомана, неръждаема стомана, молибден и други аерокосмически метали, които се използват във военната и други авангардни индустрии, като например производството на определен вид ракетни обвивки, изработени от титаниева сплав, и частични тънкостенни контейнери в самолети.
Разходи, поддръжка и оперативна ефективност
Някои фактори, свързани със сравняването на избора на технологии между лазерно-лъчево заваряване и плазмено-дъгово заваряване за промишлени приложения, включват цена, поддръжка и оперативна ефективност.
Анализ на разходите
Лазерното заваряване изисква висока първоначална инвестиция, тъй като оборудването е сложно в сравнение с плазменото дъгово заваряване. Стойността на общите индустриални лазерни заваръчни системи обикновено варира над... $200,000, докато системите за плазмено-дъгово заваряване имат разходи някъде в диапазона от $10,000 да $50,000. Въпреки това, LBW има потенциал за значителни дългосрочни икономии на разходи благодарение на увеличените скорости на обработка, както и на минималните необходими довършителни работи след заваряване. Плазменото заваряване може да има по-високи разходи за консумативи за продължаваща работа.
Изисквания за поддръжка
Тъй като консумативите, като електроди и газови дюзи, се износват по-често, плазмените заваръчни системи обикновено изискват по-честа поддръжка. За разлика от тях, лазерните заваръчни системи изискват по-малко консумативи, но тяхната оптика и лазерни източници се нуждаят от периодично почистване и повторно калибриране. При правилна поддръжка лазерните източници могат да издържат повече от 20,000 часа с по-кратко време на престой. Плазмените системи, макар и по-прости, може да претърпят по-чести прекъсвания, тъй като консумативите се износват.
Оперативна ефективност
Техниките на лазерно заваряване са много по-бързи и по-точни, достигайки скорости до 10 метра в минута върху тънки материали, което ги прави много подходящи за масово производство. То също така създава много малки зони, засегнати от топлина, като по този начин води до минимално изкривяване на материала и по този начин подобрява качеството на продукта. Плазменото заваряване е ефективно при по-дебели материали, макар и при по-ниска скорост, често изисквайки допълнителни довършителни работи за почистване на заваръчните шевове, като например шлайфане.
Въпреки че лазерното заваряване изисква по-високи инвестиционни разходи първоначално, неговата ефективност и по-рядката нужда от поддръжка често осигуряват предимства в дългосрочен план, особено за приложения, изискващи висока прецизност. Плазмено-дъговото заваряване все още е подходящо за по-малко сложна работа и по-малки операции.
