Spawanie wiązką laserową
Spawanie wiązką laserową to wysoce wydajna i precyzyjna metoda spawania wykorzystująca wiązkę lasera o wysokiej gęstości energii jako źródło ciepła. Spawanie może być wykonywane ciągłymi lub pulsującymi wiązkami lasera. Zgodnie z zasadami spawania laserowego procesy można dalej podzielić na dwa: spawanie przewodzące ciepło i głębokie spawanie laserowe. Gęstość mocy poniżej 104 ~ 105 W/cm2 odnosi się do spawania przewodzącego ciepło. W tym czasie głębokość penetracji jest płytka przy niskiej prędkości spawania; gdy gęstość mocy jest większa niż 105 ~ 107 W/cm2, pod wpływem ciepła powierzchnia metalu przyjmuje wgłębienie w wyglądzie „otworu”, aby utworzyć spawanie z głęboką penetracją.
Funkcje
Cechy: duża prędkość spawania i duży współczynnik kształtu
Spawanie wiązką laserową zazwyczaj wykorzystuje ciągłe wiązki laserowe do łączenia materiałów. Metalurgiczny proces fizyczny jest bardzo podobny do spawania wiązką elektronów, tzn. mechanizm konwersji energii jest uzupełniany przez strukturę „dziurki od klucza”.
Przy napromieniowaniu laserowym o wystarczająco dużej gęstości mocy materiał odparowuje i tworzy małe otwory. Ten mały otwór wypełniony parą jest jak czarne ciało, pochłaniające niemal całą energię padającej wiązki. Temperatura równowagi w komorze wynosi około 2500C. Ciepło jest przenoszone z zewnętrznej ściany komory o wysokiej temperaturze, topiąc metal otaczający komorę. Małe otwory są wypełnione parą o wysokiej temperaturze generowaną przez ciągłe odparowywanie materiału ściany pod wiązką światła.
Cztery ścianki małych otworów otaczają stopiony metal, a ciekły metal otacza stały materiał. (W większości konwencjonalnych procesów spawania i spawania laserowego z przewodzeniem, energia jest najpierw (osadzana na powierzchni przedmiotu obrabianego, a następnie transportowana do środka przez transfer). Przepływ cieczy poza ścianką otworu i napięcie powierzchniowe warstwy ściany są zgodne z ciśnieniem pary stale generowanym w otworze i utrzymują równowagę dynamiczną. Wiązka światła stale wchodzi do małego otworu, a materiał poza małym otworem stale płynie. Gdy wiązka światła się porusza, mały otwór jest zawsze w stabilnym stanie przepływu.
Oznacza to, że mały otwór i stopiony metal otaczający otwór będą się poruszać do przodu z prędkością do przodu czołowej belki. Stopiony metal wypełnia lukę pozostawioną przez mały otwór, a następnie skrapla się, a spoina jest formowana. Wszystkie powyższe procesy zachodzą tak szybko, że prędkość spawania może łatwo osiągnąć kilka metrów na minutę.
1. Spawanie wiązką laserową jest spawaniem, w którym wiązka laserowa jest wykorzystywana jako źródło energii i oddziałuje na spoinę.
2. Wiązkę lasera można prowadzić za pomocą płaskiego elementu optycznego (np. lustra), a następnie wiązkę tę rzuca się na spoinę za pomocą odblaskowego elementu skupiającego lub soczewki.
3. Spawanie wiązką laserową jest spawaniem bezkontaktowym. Podczas operacji nie jest wymagane żadne ciśnienie, ale potrzebny jest gaz obojętny, aby zapobiec utlenianiu się stopionego jeziorka. Spoiwo jest używane okazjonalnie.
4. Spawanie wiązką laserową można łączyć ze spawaniem MIG, tworząc spawanie kompozytowe MIG z laserem, pozwalające na uzyskanie spawania o dużej penetracji, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu ilości wprowadzanego ciepła w porównaniu ze spawaniem MIG.
Zastosowania
Spawarka laserowa jest szeroko stosowana w takich dziedzinach produkcji o wysokiej precyzji, jak samochody, statki, samoloty i kolej dużych prędkości. Znacznie poprawiła jakość życia ludzi, a także popchnęła przemysł AGD w stronę precyzyjnej inżynierii.
Spawanie łukiem plazmowym
Spawanie łukiem plazmowym odnosi się do metody spawania metodą fuzji, która wykorzystuje wiązkę łuku plazmowego o wysokiej gęstości energii jako źródło ciepła do spawania. Podczas spawania gaz jonowy (tworzący łuk jonowy) i gaz osłonowy (w celu ochrony jeziorka stopionego metalu i spoiny przed szkodliwym działaniem powietrza) to czysty argon. Elektrody stosowane w spawaniu łukiem plazmowym to zazwyczaj elektrody wolframowe, a czasami muszą być wypełnione metalem (drutem spawalniczym). Zazwyczaj stosowana jest metoda połączenia dodatniego DC (pręt wolframowy jest podłączony do elektrody ujemnej). Dlatego spawanie łukiem plazmowym jest zasadniczo spawaniem w osłonie gazowej wolframu z efektem kompresji.
Spawanie łukiem plazmowym charakteryzuje się koncentracją energii, wysoką wydajnością, dużą prędkością spawania, niewielkim odkształceniem naprężeniowym i stabilną izolacją elektryczną, a także nadaje się do spawania cienkich płyt i materiałów skrzynkowych. Jest szczególnie odpowiednie do różnych ogniotrwałych, łatwo utleniających się i wrażliwych na ciepło materiałów metalowych (takich jak wolfram, molibden, miedź, nikiel, tytan itp.).
Gaz jest dysocjowany przez nagrzewanie łuku i sprężany podczas przechodzenia przez dyszę chłodzoną wodą z dużą prędkością, zwiększając gęstość energii i stopień dysocjacji, tworząc łuk plazmowy. Jego stabilność, wartość kaloryczna i temperatura są wyższe niż w przypadku zwykłego łuku, więc ma większą penetrację i prędkość spawania. Gaz tworzący łuk plazmowy i gaz osłonowy wokół niego zazwyczaj wykorzystują czysty argon. W zależności od właściwości materiałowych różnych elementów obrabianych, niektórzy używają helu, azotu, argonu lub mieszanki obu.
Funkcje
1. Spawanie łukiem plazmowym z mikrowiązką pozwala na spawanie folii i cienkich płyt.
2. Dzięki małemu efektowi otworu możliwe jest lepsze wykonanie spawania jednostronnego i dwustronnego formowania swobodnego.
3. Łuk plazmowy ma wysoką gęstość energii, wysoką temperaturę kolumny łuku i silną zdolność penetracji. Może osiągnąć 10-12mm gruba stal bez spawania skośnego. Można ją spawać poprzez dwustronne formowanie na raz. Prędkość spawania jest duża, wydajność wysoka, a odkształcenie naprężeniowe niewielkie.
4. Sprzęt jest stosunkowo skomplikowany, zużycie gazu jest duże, grupa ma surowe wymagania dotyczące odstępu i czystości przedmiotu obrabianego, a urządzenie nadaje się wyłącznie do spawania w pomieszczeniach.
Zastosowania
Spawanie plazmowe jest jedną z ważniejszych metod w produkcji przemysłowej, szczególnie do spawania miedzi i stopów miedzi, tytanu i stopów tytanu, stali stopowej, stali nierdzewnej, molibdenu i innych metali lotniczych, które są wykorzystywane w przemyśle zbrojeniowym i innych nowoczesnych gałęziach przemysłu, takich jak produkcja pewnego rodzaju skorup pocisków rakietowych wykonanych ze stopu tytanu oraz częściowych cienkościennych pojemników na samoloty.
Koszt, konserwacja i wydajność operacyjna
Przy porównywaniu technologii spawania laserowego i spawania łukiem plazmowym w zastosowaniach przemysłowych należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak koszty, konserwacja i wydajność operacyjna.
Analiza kosztów
Spawanie wiązką laserową wymaga wysokiej początkowej inwestycji, ponieważ sprzęt jest skomplikowany w porównaniu do spawania łukiem plazmowym. Wartość ogólnych przemysłowych systemów spawania laserowego zwykle waha się w górę $200,000, podczas gdy systemy spawania łukiem plazmowym kosztują około $10,000 się $50,000. Jednak LBW ma potencjał do znacznych długoterminowych oszczędności kosztów dzięki zwiększonym wskaźnikom przetwarzania, a także minimalnym wykańczaniom wymaganym po spawaniu. Spawanie plazmowe może mieć wyższe koszty materiałów eksploatacyjnych w celu kontynuowania pracy.
Wymagania konserwacyjne
Ponieważ części eksploatacyjne, takie jak elektrody i dysze gazowe, zużywają się częściej, systemy spawania łukiem plazmowym zazwyczaj wymagają częstszej konserwacji. Natomiast systemy spawania laserowego wymagają mniejszej liczby materiałów eksploatacyjnych, ale ich optyka i źródła laserowe wymagają sporadycznego czyszczenia i ponownej kalibracji. Przy prawidłowej konserwacji źródła laserowe mogą działać przez ponad 20,000 godzin z krótszym czasem przestoju. Systemy plazmowe, chociaż prostsze, mogą doświadczać częstszych przerw, ponieważ materiały eksploatacyjne się zużywają.
Efektywność operacyjna
Techniki spawania laserowego są znacznie szybsze i dokładniejsze, osiągając prędkości nawet 10 metrów na minutę w przypadku cienkich materiałów, stąd idealne do produkcji masowej. Tworzy również bardzo drobne strefy wpływu ciepła, co powoduje minimalne odkształcenie materiału, poprawiając tym samym jakość produktu. Spawanie plazmowe jest skuteczne w przypadku grubszych materiałów, choć przy niższej prędkości, często wymagając dodatkowych wykończeniowych poprawek w celu oczyszczenia spoin, takich jak szlifowanie.
Podczas gdy spawanie wiązką laserową wymaga wyższych początkowych kosztów inwestycyjnych, jego wydajność i rzadsze potrzeby konserwacji często zapewniają korzyści finansowe w dłuższej perspektywie, szczególnie w przypadku zastosowań wymagających wysokiej precyzji. Spawanie łukiem plazmowym nadal nadaje się do mniej złożonych prac i mniejszych operacji.
