«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 чаще всего нет, и решение использовать процесс А или процесс Б сводится к сравнению плюсов и минусов, где цена играет роль большого пальца на чаше весов, который склоняет чашу весов.
Для требований к точной сварке выбор обычно делается между электронно-лучевой сваркой и лазерной сваркой. Иногда другие типы сварки плавлением, такие как GMAW или GTAW, могут быть вариантами, но процессы дуговой сварки не имеют проплавления, небольшой площади термического влияния, высокой точности и чистоты шва, как электронно-лучевая сварка и лазерная сварка. Электронные лучи и лазеры могут быть сфокусированы и направлены с исключительной точностью, необходимой для сварки самых маленьких имплантируемых медицинских устройств, а также обеспечивают огромную мощность, необходимую для сварки крупных деталей космического корабля. Электронно-лучевая и лазерная сварка — это универсальные, мощные, автоматизированные процессы. Оба могут создавать красивые сварные швы с металлургической и эстетической точки зрения. Оба могут быть экономически эффективными.
Но при всем сходстве электронно-лучевая и лазерная сварка сильно отличаются друг от друга с точки зрения лежащей в их основе физики и функционального действия в реальном мире цеха. Именно в этих различиях один конкретный процесс может иметь преимущество для конкретного приложения. Ключом к нахождению конкретных характеристик, которые могут сделать один из них более подходящим, является понимание того, как работают электронно-лучевая сварка и лазерная сварка. Внешне 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 высокотехнологичными отраслями, такими как аэрокосмическая, благодаря точности и прочности сварных швов. Электронный луч можно очень точно разместить, а сварной шов может сохранить до 97 процентов первоначальной прочности материала. Не будет преувеличением сказать, что электронно-лучевая сварка с точки зрения качества сварного шва не имеет себе равных: это лучшая собака среди сварочных процессов.
Сварка ЭП проста для объяснения. Вольфрамовая нить нагревается и подается питание до такой степени, что нить испускает 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 электронного пучка может быть огромной — до 10 000 кВт/мм 3 . На самом деле, система электронно-лучевой сварки может выдавать достаточную мощность, чтобы просто испарить металл (этот процесс называется электронно-лучевой обработкой). Сварочные аппараты EB обычно бывают двух классов мощности: низкое напряжение (60 кВ) или высокое напряжение (150 кВ). Типичная высоковольтная машина мощностью 7500 Вт может производить сварной шов в стали глубиной 2 дюйма с шириной примерно 10 процентов от глубины проплавления.
Однако логистика эксплуатации системы сварки ЭП непроста. Процесс должен происходить в вакууме; в противном случае частицы воздуха/газа рассеивают и рассеивают электроны. Вакуум требует вакуумной камеры, поэтому размер свариваемой детали ограничен 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 x 10 -3 торр . Использование вакуума, а также наличие рентгеновского излучения (побочного продукта луча) исключает работу человека, поэтому весь процесс должен контролироваться извне, обычно с использованием столов с ЧПУ.
Сварка ЭП уже несколько десятилетий полностью автоматизирована. Сочетание всех этих технологий — высокого напряжения, вакуума и высокотехнологичной автоматизации — означает, что сварка ЭП требует хорошо обученных операторов и очень компетентного обслуживания, а установка и эксплуатация системы сварки ЭП может быть дорогостоящей.
Сварка ЭП представляет собой процесс сварки плавлением и, следовательно, требует точной подгонки между свариваемыми деталями, поскольку присадочный материал обычно не используется или не требуется. Детали также должны быть надежно прикреплены к столу с регулируемым движением, чтобы точно перемещать области, подлежащие сварке, в контакт с электронным лучом. В большинстве сварочных аппаратов электронно-лучевой сварки используется фиксированная балка, при этом деталь перемещается под ней с помощью ЧПУ.
Надежное крепление также сводит к минимуму последствия усадки и коробления во время сварки. Электронный пучок должен быть тщательно откалиброван, сфокусирован и синхронизирован с движением ЧПУ, чтобы обеспечить стабильный сварной шов с равномерным проникновением и минимальной пористостью. Каждый цикл сварки включает в себя загрузку сварочной камеры, откачку вакуума, сварку детали, а затем сброс вакуума.
Электронно-лучевая сварка может производить чрезвычайно качественные сварные швы, но процесс должен выполняться в вакууме. (Точки и небольшие искажения на этой фотографии возникают из-за взаимодействия процесса с объективом камеры.)
Узкими местами являются откачка вакуумной камеры и загрузка/разгрузка деталей. Следовательно, крайне важно, чтобы инженеры и техники максимально увеличивали количество свариваемых деталей в каждом цикле и оптимизировали движение стола ЧПУ. Когда все это сделано правильно, электронно-лучевая сварка может обеспечить очень высокое качество и высокую экономическую эффективность.
Системы электронно-лучевой сварки могут сваривать все свариваемые металлы и 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 вступают в реакцию и вызывают образование оксидов.
Сварка ЭП также может соединять разнородные материалы, которые в противном случае были бы непригодны для сварки из-за различий в температурах плавления, что приводит к образованию интерметаллических соединений, вызывающих хрупкость. Точная природа электронного луча и узкая зона термического влияния позволяют сварке электронно-лучевым электродом в основном плавить низкотемпературный материал на нерасплавленный высокотемпературный материал, в результате чего получается компактный, герметичный сварной шов. Это может быть немного громоздко, но продукты сварки ЭП первоклассны во всех отношениях.
Лазерная сварка
Лазеры были разработаны в начале 1960-х годов, а к середине 1960-х для сварки стали использовать CO 2 -лазеры. Спустя десятилетие автоматические лазеры стали использоваться на производственных линиях, и эта технология продолжает совершенствоваться и находит широкое применение во многих отраслях.
Система лазерной сварки способна подавать огромное количество энергии очень быстро и с высокой точностью. Луч может быть сфокусирован и отражен для нацеливания на труднодоступные сварные швы, и его можно направить по оптоволоконному кабелю, чтобы обеспечить еще больший контроль и универсальность.
Лазеры в основном работают, быстро повышая и понижая энергетическое состояние материала, что вызывает испускание фотонов. 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 производятся фотоны, они концентрируются и становятся когерентными (выстраиваются в фазе друг с другом), а затем проецируются. Когда фотоны фокусируются на поверхности детали, лучистое тепло расплавляет материал в зоне термического воздействия и распространяется вниз по детали за счет теплопроводности.
Этот способ применения тепла сильно отличается от метода сварки EB. Выходная мощность лазера может варьироваться от нескольких ватт до сотен киловатт, а разные типы лазеров имеют разные характеристики сварки.
Лазерная сваркаобычно требует использования защитного газа, чтобы не допустить попадания кислорода в зону сварки и повысить эффективность и чистоту сварного шва. Тип используемого газа зависит от типа лазера, свариваемого материала и конкретного применения. Некоторые операции лазерной сварки, такие как герметизация, требуют использования герметичного перчаточного бокса, чтобы обеспечить полностью контролируемую среду. За последние несколько лет велись работы по лазерной сварке в вакууме. Этот метод дал интересные результаты, но еще не получил широкого распространения в промышленности.
Одна проблема с лазерной сваркой связана с отражательной способностью. Многие материалы имеют свойство отражать часть света (и энергии) лазерного луча от детали и соединения, особенно когда материал плавится и становится более зеркальным. Это может свести к минимуму проникновение и повреждение материала вблизи сварного шва.
Чтобы решить эту проблему, лазер может работать в импульсном режиме или изменять его энергию, чтобы «сломать» поверхность. Импульсная сварка в целом является полезным методом лазерной сварки, поскольку количество тепла, подаваемого на деталь, сводится к минимуму, что ограничивает деформацию детали. Альтернативой пульсации является непрерывная волна (CW). Как следует из названия, лазеры непрерывного действия используют непрерывно включенный лазерный луч.
Непрерывные лазеры полезны для резки или когда важна скорость сварки. Например, автоматическая машина GTAW может иметь скорость сварки 10 дюймов в минуту (IPM), в то время как лазер CW может легко работать со скоростью 100 IPM.
Сварка лазерным лучом может обеспечить хорошее проплавление, как правило, на глубину до 0,040 дюйма в стали для типичного 350-ваттного лазера. лазерная сварка обычно может соединять склонные к растрескиванию материалы, такие как определенные типы стали и алюминия, и, как и сварка ЭП, лазеры могут соединять разнородные материалы.
Лазеры умеют прикладывать минимальное количество тепла к детали, что делает их хорошим выбором для сварки корпусов электроники, особенно герметичных. Минимальное тепло 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 обесцвечиванием детали, и часто сварной шов можно наносить без необходимости какой-либо вторичной обработки.
Итак, какой процесс использовать?
Какой процесс лучше, обычно зависит от особенностей приложения. лазерная сварка обычно является процессом, который мы рассматриваем в первую очередь для нового применения. лазерная сварка, не требующая вакуума, обычно дешевле, чем сварка EB, а детали легче обрабатывать и закреплять. Если требуется глубокое проплавление, предпочтительным методом является сварка ЭП. Более глубокое проникновение также может иметь значение, когда речь идет о материалах с высокой теплопроводностью, таких как медь.
Типичная система лазерной сварки может проникать в медь только примерно на 0,020 дюйма, в то время как машина EB может проникать на глубину 0,500 дюйма. Комбинации разнородных металлов обычно лучше свариваются с помощью EB, но есть некоторые приложения, 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 нанесение сварных швов. Следовательно, требования к качеству сварки могут повлиять на выбор процесса.
Сварка ЭП выросла из аэрокосмической промышленности до того, как стали доступны лазеры. В результате спецификации для сварки ЭП являются полными и общепринятыми. Эти спецификации контролируют все аспекты процесса, включая конструкцию соединений, очистку, требования к вакууму, квалификацию машины, обучение операторов и критерии проверки. лазерная сварка не так жестко контролируется. Это возлагает на инженера большую ответственность за понимание всех аспектов процесса, чтобы убедиться, что он выполняется правильно.
Откровенно говоря, трудно 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, вероятно, лучший способ сварки титана, но если деталь не помещается в вакуумной камере, электронно-лучевая сварка не может быть использована. лазерная сварка может хорошо работать для небольших деталей, но динамика термочувствительности детали может сделать электронно-лучевую сварку лучшим вариантом.
Часто один или два критических фактора делают выбор процесса очень простым. При прочих равных условиях лазерная сварка, как правило, более экономична, в то время как электронно-лучевая сварка является абсолютно лучшим сварным соединением. Но в некоторых случаях даже это не так: электронно-лучевая сварка может обеспечить высокую скорость 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 для сплавления 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.
