Лазерная сварка или электронно-лучевая сварка:выбор оптимального процесса для вашего применения

Сторонники лазерной сварки (LBW) и электронно-лучевой сварки (EBW) хвалят свою любимую технологию, но зачастую лучшим решением для клиента является совместное использование обеих технологий. Оба процесса хорошо подходят для соединения деталей сложной геометрии и способны удовлетворить самые строгие требования к металлургическим характеристикам окончательной сборки.

Рис. 1. Система твердотельной лазерной сварки (фото любезно предоставлено TRUMPF Inc.)

Использование как лазерных, так и электронно-лучевых технологий на одном предприятии может упростить производственный процесс, когда конструкция компонента включает в себя несколько сварных соединений, отдельно адаптированных для того или иного процесса. Примеры включают датчики, медицинские устройства и продукты, для которых требуется герметизация готовой детали инертным газом или вакуумом.

Лазерная обработка требуется, когда размер окончательной сборки слишком велик для сварочной камеры EB, какой-либо компонент сборки несовместим с вакуумной обработкой (например, жидкость или газ), или когда сварной шов недоступен для источника электронного луча. Электронный луч будет основным выбором, когда готовая сборка должна быть герметизирована с внутренними компонентами в вакууме, когда проплавление сварного шва превышает 1/2 дюйма, когда материал не может инициировать лазерное соединение или когда сварной шов не должен подвергаться воздействию атмосферных условий до тех пор, пока он не остынет до приемлемой температуры. Примерами являются аэрокосмическая сварка титана и его сплавов, а также многих тугоплавких металлов, таких как вольфрам, ниобий, рений и тантал.

LBW – более простая оснастка и сокращение времени цикла

Источники энергии для лазерной сварки используют либо непрерывную волну (CW), либо импульсный выход фотонов. В системах CW лазерный луч всегда включен во время процесса сварки. Импульсные системы модулируются для выдачи серии импульсов с паузой между этими импульсами. В обоих методах лазерный луч оптически фокусируется на свариваемой поверхности детали. Эти лазерные лучи могут доставляться непосредственно к детали через классическую жесткую оптику или через очень гибкий оптоволоконный кабель, способный доставлять лазерную энергию на удаленные рабочие станции.

Именно высокая плотность энергии лазера позволяет быстро довести поверхность материала до температуры ликвидуса, обеспечивая короткое время взаимодействия луча по сравнению с традиционными методами сварки, такими как GTAW (сварка TIG) и аналогичными процессами. Таким образом, энергии дается меньше времени для рассеивания во внутренней части заготовки. Это приводит к узкой зоне термического влияния и уменьшению усталостной нагрузки на деталь.

Выходную энергию луча можно точно контролировать и модулировать для создания произвольных профилей импульсов. Сварные швы можно создавать путем наложения отдельных импульсов, что снижает подвод тепла за счет введения короткого цикла охлаждения между импульсами, что является преимуществом для выполнения сварных швов в термочувствительных материалах.

Салай Стэннард, инженер по материалам компании Joining Technologies, новатора в области компьютерной томографии из Ист-Грэнби в области лазерной наплавки, электронно-лучевой и лазерной сварки, отмечает, что лазеры непрерывного действия могут достигать глубины проникновения до и более 0,5 дюйма, тогда как импульсные лазеры обычно достигают только 0,030-0,045 дюйма. Она говорит:«Эти результаты могут различаться в зависимости от лазерной системы и во многом зависят от выбора параметров обработки и конструкции соединения». На рисунке 1 изображена конструкция системы твердотельной лазерной сварки.

Стэннард добавляет:«Поскольку источником тепла в этом типе сварочного процесса является энергия света, следует учитывать отражательную способность сварочного материала. Например, золото, серебро, медь и алюминий требуют более интенсивных энергозатрат. После плавления отражательная способность снижается, и процесс теплопроводности прогрессирует до достижения проникновения».

Как уже отмечалось, высокая плотность мощности лазера приводит к уменьшению зон термического воздействия и гарантирует сохранность критически важных компонентов. Это имеет особое преимущество для хирургических инструментов, электронных компонентов, сборок датчиков и многих других прецизионных устройств. В отличие от EBW, LBW не генерирует рентгеновские лучи, и им легко манипулировать с помощью автоматизации и робототехники. Как правило, LBW предъявляет более простые требования к инструментам и не имеет физических ограничений, связанных с вакуумной камерой. Сокращение времени цикла приводит к снижению затрат без ущерба для качества. В таблице 1 перечислены преимущества непрерывной и импульсной LBW.

EBW – более глубокое проваривание сварного шва и отсутствие загрязнений

Широко распространенный во многих отраслях, метод EBW позволяет сваривать тугоплавкие и разнородные металлы, которые обычно не подходят для других методов. Как показано на рисунке 2, заготовка бомбардируется сфокусированным потоком электронов, движущихся с чрезвычайно высокой скоростью. Кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию, которая, в свою очередь, является движущей силой термоядерного синтеза. Обычно не требуется и не используется никакой дополнительный присадочный материал, а деформация после сварки минимальна. Сверхвысокая плотность энергии обеспечивает глубокое проплавление и высокое соотношение сторон, а вакуумная среда обеспечивает сварку без загрязнения атмосферными газами, что критически важно для таких металлов, как титан, ниобий, тугоплавкие металлы и суперсплавы на основе никеля.

Рисунок 2. Электронно-лучевая сварка

Однако основной необходимостью работы в вакууме является точное управление электронным пучком. Рассеяние происходит при взаимодействии электронов с молекулами воздуха; за счет снижения давления окружающей среды можно более жестко контролировать электроны.

Современные вакуумные камеры оснащены современными уплотнениями, датчиками вакуума и высокопроизводительными насосными системами, обеспечивающими быструю эвакуацию. Эти особенности позволяют фокусировать электронный луч до диаметров от 0,3 до 0,8 миллиметров.

Благодаря использованию новейшего микропроцессорного числового программного управления (ЧПУ) и систем мониторинга для превосходного манипулирования деталями можно соединять детали различного размера и массы без чрезмерного плавления более мелких компонентов. Точный контроль диаметра электронного луча и скорости движения позволяет сплавлять вместе материалы толщиной от 0,001 дюйма до нескольких дюймов. Эти характеристики делают EBW чрезвычайно ценной технологией.

Этот процесс подвергает заготовку минимальному количеству тепла, что приводит к минимально возможной деформации и позволяет соединить обработанные детали без дополнительной обработки. В таблице 2 перечислены основные преимущества электронно-лучевой сварки.

По словам Джона Рага, менеджера по маркетингу и генеральным продажам компании PTR-Precision Technologies, Inc., расположенной в Энфилде, штат Коннектикут, EBW — это процесс, который будет использоваться в течение длительного времени. «Поскольку большая часть сварки ЭЛ выполняется внутри вакуумной камеры, она отлично подходит для соединения современных материалов, используемых в таких отраслях, как аэрокосмическая, энергетическая, медицинская и атомная промышленность, которые необходимо производить в вакуумной среде, чтобы защитить их от кислорода и азота, содержащихся на открытом воздухе».

Он добавляет:"Чистота сварочной среды — это одна из переменных, о которой вам просто не нужно беспокоиться. Помимо обеспечения идеальных условий сварки, новые элементы управления сваркой EB обеспечивают быстрое электромагнитное отклонение луча, что позволяет настраивать погонную теплоту сварного шва и окружающей области для достижения оптимальных свойств материала".

Сопло непрерывной коаксиальной подачи порошка позволяет выполнять многонаправленную лазерную наплавку там, где требуется высокая эффективность порошка. Он также обеспечивает превосходные возможности защиты от атмосферных воздействий для материалов, которые очень чувствительны к сильному окислению, таких как титан.

Например, такое быстрое отклонение позволяет одновременно осуществлять предварительный нагрев, сварку и последующий нагрев за счет быстрого изменения положения луча, его фокусировки и уровней мощности. Это обеспечивает возможность сваривать трудные или «невозможно свариваемые» сплавы.

По словам Джеффри Янга, генерального директора компании Cambridge Vacuum Engineering в Массачусетсе, «Детали EBW требуют минимальной механической обработки и термической обработки после сварки, и, в отличие от других процессов сварки плавлением, EBW не требует защитных газов». Он добавляет:«Качество сварки исключительное, процесс чрезвычайно эффективен (обычно 95 процентов), все параметры процесса тщательно контролируются, а процесс полностью автоматизирован».

Лучшее из обоих миров

По словам Джона Рага, LBW обычно используется для сварки компонентов из стального листового металла и обработанных деталей толщиной менее 1/3–1/2 дюйма. Лазерная сварка также полезна для соединения деталей, не пригодных для обработки внутри вакуумной камеры.

«Некоторые детали и связанные с ними сварочные приспособления могут быть слишком большими, чтобы поместиться в имеющиеся сварочные камеры EB», — сказал Раг. «Помимо размера, если свариваемые компоненты содержат жидкости, которые могут помешать вакуумной откачке, лазерная сварка будет хорошим выбором». Эвакуация сварочной камеры EB занимает несколько минут, но для менее чувствительной сварки это время может оказаться нерентабельным.

Если компоненты имеют высокую ценность, изготовлены из материала, для которого лучше использовать вакуумную среду, например титановые и никелевые сплавы, сварные швы имеют глубину более 1/3–1/2 дюйма или если лазерный луч плохо взаимодействует со свариваемым материалом, например алюминиевыми сплавами, сварка EB часто является предпочтительным процессом перед лазерной сваркой.

Хотя каждая технология имеет свои преимущества, с практической точки зрения многие конструкции компонентов включают как электронно-лучевую, так и лазерную сварку. В этих случаях выполнение обоих видов сварки на одном предприятии определенно оптимизирует производственный процесс.

Эту статью написал Джон Лукас, техник по разработке процессов компании Joining Technologies (Ист-Грэнби, Коннектикут). Для получения дополнительной информации свяжитесь с Джоном по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript или посетите http://info.hotims.com/34454-200  .