Zavarivanje laserskom zrakom
Zavarivanje laserskom zrakom je visokoučinkovita i vrlo precizna metoda zavarivanja koja koristi lasersku zraku visoke gustoće energije kao izvor topline. Zavarivanje se može izvoditi kontinuiranim ili pulsirajućim laserskim zrakama. Prema principima laserskog zavarivanja, procesi se dalje mogu podijeliti na dva: zavarivanje toplinskom kondukcijom i lasersko dubinsko zavarivanje. Gustoća snage ispod 104 ~ 105 W/cm2 odnosi se na zavarivanje toplinskom kondukcijom. U tom slučaju, dubina prodiranja je plitka, a brzina zavarivanja mala; kada je gustoća snage veća od 105 ~ 107 W/cm2, pod djelovanjem topline, metalna površina poprima izgled udubljenja "rupe" i formira duboko prodiranje.
Značajke
Značajke velike brzine zavarivanja i velikog omjera stranica
Zavarivanje laserskim snopom općenito koristi kontinuirane laserske zrake za dovršetak spajanja materijala. Metalurški fizički proces vrlo je sličan zavarivanju elektronskim snopom, odnosno mehanizam pretvorbe energije dovršava se strukturom "ključanice".
Pod utjecajem laserskog zračenja dovoljno visoke gustoće snage, materijal isparava i stvara male rupe. Ova mala rupa ispunjena parom je poput crnog tijela, apsorbirajući gotovo svu energiju upadnog snopa. Ravnotežna temperatura u šupljini je oko 2500 °C. Toplina se prenosi s vanjske stijenke visokotemperaturne šupljine, topi metal koji okružuje šupljinu. Male rupe su ispunjene visokotemperaturnom parom koja nastaje kontinuiranim isparavanjem materijala stijenke pod snopom svjetlosti.
4 stijenke malih rupa okružuju rastaljeni metal, a tekući metal okružuje čvrsti materijal. (U većini konvencionalnih procesa zavarivanja i laserskog zavarivanja, energija se prvo taloži na površini obratka, a zatim prenosi unutra prijenosom). Protok tekućine izvan stijenke rupe i površinska napetost sloja stijenke u skladu su s tlakom pare koji se kontinuirano stvara u šupljini rupe i održavaju dinamičku ravnotežu. Svjetlosna zraka kontinuirano ulazi u malu rupu, a materijal izvan male rupe kontinuirano teče. Kako se svjetlosna zraka kreće, mala rupa je uvijek u stabilnom stanju protoka.
To jest, mala rupa i rastaljeni metal koji je okružuje kretat će se naprijed brzinom vodeće grede. Rastaljeni metal ispunjava prazninu koju je ostavila mala rupa, a zatim se kondenzira i formira se zavar. Svi gore navedeni procesi odvijaju se tako brzo da brzina zavarivanja može lako doseći nekoliko metara u minuti.
1. Zavarivanje laserskim snopom je zavarivanje taljenjem koje koristi laserski snop kao izvor energije i utječe na zavareni spoj.
2. Laserska zraka može se voditi ravnim optičkim elementom (kao što je zrcalo), a zatim se zraka projicira na zavareni šav pomoću reflektirajućeg elementa za fokusiranje ili leće.
3. Zavarivanje laserskim snopom je beskontaktno zavarivanje. Tijekom rada nije potreban tlak, ali je potreban inertni plin kako bi se spriječila oksidacija rastaljene kupke. Povremeno se koristi dodatni metal.
4. Zavarivanje laserskim snopom može se kombinirati s MIG zavarivanjem kako bi se formiralo kompozitno MIG zavarivanje laserom radi postizanja velikog prodiranja, dok je unos topline znatno smanjen u usporedbi s MIG zavarivanjem.
Aplikacije
Stroj za lasersko zavarivanje široko se koristi u područjima visokoprecizne proizvodnje kao što su automobili, brodovi, avioni i brze željeznice. Uvelike je poboljšao kvalitetu života ljudi i potaknuo industriju kućanskih aparata u precizno inženjerstvo.
Elektrolučno zavarivanje u plazmi
Plazma elektrolučno zavarivanje odnosi se na metodu taljenja koja koristi plazma luk visoke gustoće kao izvor topline za zavarivanje. Tijekom zavarivanja, ionski plin (koji stvara ionski luk) i zaštitni plin (za zaštitu rastaljene kupke i zavarivanja od štetnih učinaka zraka) su čisti argon. Elektrode koje se koriste u plazma elektrolučnom zavarivanju općenito su volframove elektrode i ponekad ih je potrebno napuniti metalom (žicom za zavarivanje). Općenito se primjenjuje metoda pozitivnog istosmjernog spajanja (volframova šipka je spojena na negativnu elektrodu). Stoga je plazma elektrolučno zavarivanje u biti zavarivanje zaštićenim volframovim plinom s učinkom kompresije.
Plazma elektrolučno zavarivanje ima karakteristike koncentracije energije, visoke produktivnosti, velike brzine zavarivanja, male deformacije naprezanja i stabilne električne izolacije, te je prikladno za zavarivanje tankih ploča i materijala kutija. Posebno je prikladno za razne vatrostalne, lako oksidirajuće i toplinski osjetljive metalne materijale (kao što su volfram, molibden, bakar, nikal, titan itd.).
Plin se disocira zagrijavanjem luka i komprimira pri prolasku kroz vodom hlađenu mlaznicu velikom brzinom, povećavajući gustoću energije i stupanj disocijacije, formirajući plazma luk. Njegova stabilnost, kalorijska vrijednost i temperatura su veće od općeg luka, pa ima veću penetraciju i brzinu zavarivanja. Plin koji formira plazma luk i zaštitni plin oko njega općenito koriste čisti argon. Ovisno o svojstvima materijala različitih obratka, neki koriste helij, dušik, argon ili mješavinu oboje.
Značajke
1. Mikro-snopno plazma zavarivanje može zavarivati folije i tanke ploče.
2. S efektom male rupe, može bolje ostvariti jednostrano zavarivanje i dvostrano slobodno oblikovanje.
3. Plazma luk ima visoku gustoću energije, visoku temperaturu stupca luka i snažnu sposobnost prodiranja. Može postići 10-12mm debeli čelik bez zavarivanja pod kosim rubom. Može se zavarivati dvostranim oblikovanjem odjednom. Brzina zavarivanja je velika, produktivnost visoka, a naprezanje i deformacija mala.
4. Oprema je relativno komplicirana, potrošnja plina je velika, grupa ima stroge zahtjeve u pogledu razmaka i čistoće obratka, te je prikladna samo za zavarivanje u zatvorenom prostoru.
Aplikacije
Plazma zavarivanje je važno sredstvo u industrijskoj proizvodnji, posebno za zavarivanje bakra i bakrenih legura, titana i titanovih legura, legiranog čelika, nehrđajućeg čelika, molibdena i drugih zrakoplovnih metala, koji se koriste u vojnoj i drugim naprednim industrijama, kao što je proizvodnja određene vrste raketnih školjki od titanovih legura i djelomično tankostijenih spremnika na zrakoplovima.
Troškovi, održavanje i operativna učinkovitost
Neki čimbenici povezani s usporedbom izbora tehnologija između laserskog zavarivanja i plazma luka za industrijske primjene uključuju troškove, održavanje i operativnu učinkovitost.
Analiza troškova
Zavarivanje laserskim snopom zahtijeva velika početna ulaganja jer je oprema komplicirana u usporedbi s plazma lukom. Vrijednost općih industrijskih sustava laserskog zavarivanja obično se kreće iznad $200,000, dok sustavi za plazma zavarivanje imaju troškove negdje u rasponu od $10,000 se $50,000. Međutim, LBW ima potencijal za značajne dugoročne uštede troškova zahvaljujući povećanim brzinama obrade, kao i minimalnim potrebnim završnim obradama nakon zavarivanja. Plazma zavarivanje moglo bi imati veće troškove potrošnog materijala za nastavak rada.
Zahtjevi za održavanje
Budući da se potrošni dijelovi, poput elektroda i plinskih mlaznica, češće troše, sustavi za plazma zavarivanje obično zahtijevaju češće održavanje. Nasuprot tome, laserski sustavi za zavarivanje zahtijevaju manje potrošnog materijala, ali njihova optika i laserski izvori zahtijevaju povremeno čišćenje i rekalibraciju. Uz pravilno održavanje, laserski izvori mogu trajati više od 20,000 sati s manje zastoja. Plazma sustavi, iako jednostavniji, mogu imati češće prekide jer se potrošni materijal troši.
Operativna učinkovitost
Tehnike laserskog zavarivanja su mnogo brže i preciznije, postižući brzine i do 10 metara u minuti na tankim materijalima, stoga su vrlo idealne za masovnu proizvodnju. Također stvara vrlo sitne zone utjecaja topline, čime se minimalno deformira materijal, čime se poboljšava kvaliteta proizvoda. Plazma zavarivanje je učinkovito kod debljih materijala, iako pri manjoj brzini, često zahtijevajući dodatne završne radove za čišćenje zavara, poput brušenja.
Iako lasersko zavarivanje zahtijeva veće početne investicijske troškove, njegova učinkovitost i rjeđa potreba za održavanjem često dugoročno pružaju cjenovne prednosti, posebno za primjene koje zahtijevaju visoku preciznost. Plazma elektrolučno zavarivanje i dalje je dobro za manje složene radove i manje operacije.
