«Что работает лучше всего?» Кто не слышал этот вопрос при консультации с заказчиком по поводу изготовления детали? В некоторых случаях на вопрос есть простой ответ, но часто его нет, и решение использовать процесс А или процесс Б сводится к сравнению плюсов и минусов, при этом стоимость играет роль большого пальца на чаше весов, который склоняет чашу весов.
Если требуется прецизионная сварка, выбор обычно делается между электронно-лучевой сваркой и лазерной сваркой. Иногда можно использовать другие типы сварки плавлением, такие как GMAW или GTAW, но процессы дуговой сварки не обладают таким проплавлением, небольшой площадью термического влияния, высокой точностью и чистотой сварного шва, как электронно-лучевая и лазерная сварка. Электронные лучи и лазеры могут фокусироваться и нацеливаться с исключительной точностью, необходимой для сварки самых маленьких имплантируемых медицинских устройств, и в то же время обеспечивать колоссальную мощность, необходимую для сварки крупных деталей космического корабля. Электронно-лучевая и лазерная сварка — это универсальные, мощные и автоматизированные процессы. Оба могут создавать красивые сварные швы с металлургической и эстетической точки зрения. И то, и другое может быть экономически эффективным.
Но, несмотря на все сходства, электронно-лучевая и лазерная сварка сильно отличаются друг от друга с точки зрения базовой физики и функционального функционирования в реальном мире цеха. Именно в этих различиях один конкретный процесс может иметь преимущество для конкретного приложения. Ключом к поиску конкретных характеристик, которые могут сделать один из них более подходящим, чем другой, является понимание того, как работают электронно-лучевая и лазерная сварка. На первый взгляд они кажутся одинаковыми, но дьявол кроется в деталях.
Электронно-лучевая сварка
Электронно-лучевая сварка была разработана в конце 1950-х годов. Он был быстро принят в высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, из-за точности и прочности получаемых сварных швов. Электронный луч может быть расположен очень точно, а сварной шов может сохранить до 97 процентов первоначальной прочности материала. Не будет преувеличением сказать, что электронно-лучевая сварка не имеет себе равных с точки зрения качества сварного шва: это лучший сварочный процесс.
ЭЛ-сварку объяснить просто. Вольфрамовая нить нагревается и подается мощность до такой степени, что нить начинает выделять электроны. Эти свободные электроны ускоряются и фокусируются с помощью электрических полей и магнитных «линз». Этот невидимый поток быстро движущихся электронов обладает огромной кинетической энергией. Когда эти электроны ударяются о металлическую деталь, кинетическая энергия передается молекулярной решетке материала, почти мгновенно нагревая ее.
Мощность, доставляемая электронным лучом, может быть огромной — до 10 000 кВт/мм 3 . Фактически, система электронно-лучевой сварки может выдавать достаточно мощности, чтобы просто испарить металл (процесс, называемый электронно-лучевой обработкой). Сварочные аппараты EB обычно бывают двух классов мощности: низкого напряжения (60 кВ) и высокого напряжения (150 кВ). Типичная высоковольтная машина мощностью 7500 Вт может производить сварной шов стали глубиной 2 дюйма и шириной примерно 10 процентов от глубины провара.
Однако логистика эксплуатации сварочной системы EB не проста. Процесс должен происходить в вакууме; в противном случае частицы воздуха/газа рассеивают и рассеивают электроны. Для создания вакуума необходима вакуумная камера, поэтому размер свариваемой детали ограничивается размером камеры. Вакуумные камеры могут быть маленькими или большими, но чем больше камера, тем больше времени потребуется для установления надлежащего уровня вакуума, который составляет минимум 1,0 х 10 -3 Торр. Использование вакуума, а также наличие рентгеновского излучения (побочного продукта луча) исключает работу человека, поэтому весь процесс приходится контролировать извне, обычно с использованием столов с ЧПУ.
ЭЛ-сварка была полностью автоматизирована на протяжении десятилетий. Совместное использование всех этих технологий — высокого напряжения, вакуума и высокотехнологичной автоматизации — означает, что сварка электронно-лучевой сваркой требует хорошо обученных операторов и очень компетентного обслуживания, а также то, что установка и эксплуатация системы сварки электронно-оптической сваркой могут быть дорогостоящими.
ЭЛ-сварка представляет собой процесс сварки плавлением и, следовательно, требует точного прилегания свариваемых деталей, поскольку присадочный материал обычно не используется и не требуется. Детали также должны быть надежно прикреплены к столу с регулируемым движением, чтобы точно перемещать свариваемые участки в контакт с электронным лучом. В большинстве сварочных аппаратов EB используется фиксированная балка, под которой манипулируют деталью с помощью ЧПУ.
Надежное крепление также сводит к минимуму последствия усадки и деформации во время сварки. Электронный луч должен быть тщательно откалиброван, сфокусирован и синхронизирован с движением ЧПУ, чтобы обеспечить равномерный сварной шов с равномерным проплавлением и минимальной пористостью. Каждый сварочный цикл включает загрузку сварочной камеры, откачку вакуума, сварку детали и последующий сброс вакуума.
Узкими местами являются откачка вакуумной камеры и загрузка/выгрузка деталей. Следовательно, крайне важно, чтобы задействованные инженеры и техники максимизировали количество свариваемых деталей в каждом цикле и оптимизировали движение стола с ЧПУ. Если все сделано правильно, электронно-лучевая сварка может обеспечить очень высокое качество и высокую экономическую эффективность.
Системы электронно-лучевой сварки позволяют сваривать все свариваемые металлы, а также некоторые металлы, которые обычно не свариваются. Сварные швы EB невероятно прочные и чистые. Примеси в сварном шве испаряются, а сварка в вакууме означает отсутствие газов или воздуха, которые могли бы вступить в реакцию и вызвать образование оксидов.
ЭЛ-сварка также позволяет соединять разнородные материалы, которые в противном случае невозможно было бы сваривать из-за различий в температурах плавления, что приводит к образованию интерметаллических соединений, вызывающих хрупкость. Точная природа электронного луча и плотная зона термического воздействия позволяют электронно-лучевой сварке плавить материал с более низкой температурой на нерасплавленный материал с более высокой температурой, в результате чего получается компактный вакуумплотный сварной шов. Разбираться с ним может быть немного громоздко, но продукция ЭЛ-сварки первоклассная во всех отношениях.
Лазерная сварка
Лазеры были разработаны в начале 1960-х годов, а к середине 1960-х годов для сварки стали использовать CO 2 -лазеры. Десять лет спустя на производственных линиях начали использовать автоматизированные лазеры для сварки, и эта технология продолжает совершенствоваться и находит широкое признание во многих отраслях.
Система лазерной сварки способна очень быстро и с высокой точностью подавать огромное количество энергии. Луч можно сфокусировать и отразить, чтобы воздействовать на труднодоступные сварные швы, а также направить его по оптоволоконному кабелю, чтобы обеспечить еще больший контроль и универсальность.
Лазеры в основном работают, быстро повышая и понижая энергетическое состояние материала, что вызывает излучение фотонов. То, как это происходит, зависит от типа лазера, будь то CO 2 или твердотельная система, такая как Nd:YAG, или волоконный лазер.
Независимо от того, как образуются фотоны, они концентрируются и становятся когерентными (выстраиваются по фазе друг с другом), а затем проецируются. Когда фотоны фокусируются на поверхности детали, лучистое тепло плавит материал в зоне термического воздействия и распространяется вниз по детали за счет проводимости.
Этот способ подачи тепла сильно отличается от метода электронно-лучевой сварки. Выходная мощность лазера может варьироваться от нескольких ватт до сотен киловатт, а разные типы лазеров имеют разные сварочные характеристики.
Лазерная сварка обычно требует использования защитного газа для предотвращения попадания кислорода в зону сварки и повышения эффективности и чистоты сварного шва. Тип используемого газа зависит от типа лазера, свариваемого материала и конкретного применения. Некоторые применения лазерной сварки, такие как герметизация, требуют использования герметичного перчаточного бокса для обеспечения полностью контролируемой среды. За последние несколько лет проводились работы по лазерной сварке в вакууме. Этот метод дал интересные результаты, но еще не получил широкого распространения в отрасли.
Одна из проблем лазерной сварки связана с отражательной способностью. Многие материалы имеют склонность отражать часть света (и энергии) лазерного луча от детали и соединения, особенно когда материал плавится и становится более зеркальным. Это может свести к минимуму провар и повреждение материала вблизи сварного соединения.
Чтобы решить эту проблему, лазер можно использовать в импульсном режиме или изменять его энергию, чтобы «разрушить» поверхность. В целом импульсная сварка является полезным методом лазерной сварки, поскольку количество тепла, подаваемого на деталь, сведено к минимуму, что ограничивает деформацию детали. Альтернативой пульсации является непрерывная волна (CW). Как следует из названия, лазеры непрерывного действия используют лазерный луч, который включен постоянно.
Лазеры непрерывного действия полезны для резки или когда важна скорость сварки. Например, автоматизированный аппарат GTAW может иметь скорость сварки 10 дюймов в минуту (IPM), а лазер непрерывного действия может легко работать со скоростью 100 IPM.
Лазерная сварка позволяет добиться хорошего проникновения, обычно до глубины примерно 0,040 дюйма для типичного лазера мощностью 350 Вт. Лазерной сваркой обычно можно соединить склонные к растрескиванию материалы, такие как определенные типы стали и алюминия, и, как и электронно-лучевой сваркой, лазеры могут соединять разнородные материалы.
Лазеры способны передавать минимальное количество тепла к детали, что делает их хорошим выбором для сварки электронных блоков, особенно герметично закрытых. Минимальное нагревание означает, что сварка может происходить очень близко к чувствительным электронным компонентам и паяным соединениям, не повреждая их. Лазеры также популярны для применения в медицинских устройствах, поскольку сварные швы могут быть довольно маленькими с минимальным изменением цвета детали, и часто сварной шов можно наносить без необходимости какой-либо вторичной обработки.
ЭЛ-сварка или лазерная сварка?
Какой процесс лучше, обычно зависит от особенностей приложения. Лазерная сварка обычно является процессом, который мы в первую очередь ищем в поисках нового применения. Без необходимости использования вакуума лазерная сварка, как правило, дешевле, чем электронно-лучевая сварка, а детали легче обрабатывать и закреплять. Если требуется глубокое проплавление, лучше всего подойдет сварка EB. Более глубокое проникновение также может иметь значение, когда речь идет о материалах с высокой теплопроводностью, таких как медь.
Типичная система лазерной сварки может пробить медь всего на 0,020 дюйма, тогда как машина EB может пробить 0,500 дюйма. Комбинации разнородных металлов обычно свариваются лучше с помощью EB, но есть некоторые применения, в которых лазеры работают лучше.
Хотя на самом деле между этими двумя процессами нет никакой разницы с точки зрения качества, существует огромная разница в доступных стандартах качества и спецификациях, которые контролируют применение сварных швов. Следовательно, требования к качеству сварки могут повлиять на выбор процесса.
ЭЛ-сварка возникла в аэрокосмической промышленности еще до того, как стали доступны лазеры. В результате спецификации для сварки EB являются полными и широко принятыми. Эти спецификации контролируют все аспекты процесса, включая проектирование соединений, очистку, требования к вакууму, квалификацию машины, обучение операторов и критерии проверки. Лазерная сварка не так строго контролируется. Это возлагает на инженера большую ответственность за понимание всех аспектов процесса и обеспечение его правильного выполнения.
Честно говоря, сложно и несколько неискренне перечислять типичные области применения электронно-лучевой сварки или типичные области применения лазерной сварки, поскольку каждый вариант использования уникален. Да, электронно-лучевая сварка, пожалуй, лучший способ сварки титана, но если деталь не помещается в вакуумную камеру, электронно-лучевую сварку использовать нельзя. Лазерная сварка может хорошо работать для небольших деталей, но динамика термочувствительности деталей может сделать электронный луч лучшим вариантом.
Часто один или два решающих фактора делают выбор процесса очень простым. При прочих равных условиях лазерная сварка, как правило, более экономична, а электронно-лучевой сварной шов является абсолютно лучшим. Но в некоторых случаях даже это не так: электронно-лучевая сварка позволяет достичь высоких скоростей производства при использовании правильной детали и правильного крепления, а лазерные лучи могут создавать красивые, чистые сварные швы с правильными материалами и настройкой.
Электронно-лучевая и лазерная сварка являются отличными средствами плавления металлов. Оба процесса являются гибкими, универсальными и при правильном применении позволяют получить прочные сварные швы. Выбор того, что использовать, зависит от требований к сварке и особенностей каждого процесса.