Laserstrahlschweißen
Laserstrahlschweißen ist ein hocheffizientes und hochpräzises Schweißverfahren, bei dem ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte als Wärmequelle verwendet wird. Das Schweißen kann mit kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlen erfolgen. Nach den Prinzipien des Laserschweißens können die Prozesse weiter in zwei unterteilt werden: Wärmeleitungsschweißen und Lasertiefenschweißen. Eine Leistungsdichte unter 104 bis 105 W/cm2 bezieht sich auf Wärmeleitungsschweißen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Eindringtiefe gering und die Schweißgeschwindigkeit niedrig. Wenn die Leistungsdichte größer als 105 bis 107 W/cm2 ist, nimmt die Metalloberfläche unter der Wärmeeinwirkung eine Vertiefung in Form eines „Lochs“ an, wodurch ein Tiefschweißen erfolgt.
Eigenschaften
Merkmale der schnellen Schweißgeschwindigkeit und des großen Aspektverhältnisses
Beim Laserstrahlschweißen werden im Allgemeinen kontinuierliche Laserstrahlen verwendet, um die Verbindung von Materialien herzustellen. Der metallurgische physikalische Prozess ist dem Elektronenstrahlschweißen sehr ähnlich, d. h. der Energieumwandlungsmechanismus wird durch eine „Schlüsselloch“-Struktur vervollständigt.
Bei ausreichend hoher Leistungsdichte der Laserbestrahlung verdampft das Material und bildet kleine Löcher. Dieses kleine, mit Dampf gefüllte Loch ist wie ein schwarzer Körper und absorbiert fast die gesamte Energie des einfallenden Strahls. Die Gleichgewichtstemperatur im Hohlraum beträgt etwa 2500 °C. Die Wärme wird von der Außenwand des Hochtemperaturhohlraums übertragen und schmilzt das den Hohlraum umgebende Metall. Die kleinen Löcher werden mit Hochtemperaturdampf gefüllt, der durch die kontinuierliche Verdampfung des Wandmaterials unter dem Lichtstrahl entsteht.
Die vier Wände der kleinen Löcher umgeben das geschmolzene Metall und das flüssige Metall umgibt das feste Material. (Bei den meisten herkömmlichen Schweißverfahren und beim Laserleitungsschweißen wird die Energie zuerst (auf der Oberfläche des Werkstücks abgelagert und dann durch Übertragung nach innen transportiert). Der Flüssigkeitsfluss außerhalb der Lochwand und die Oberflächenspannung der Wandschicht stehen im Einklang mit dem kontinuierlich im Lochhohlraum erzeugten Dampfdruck und halten ein dynamisches Gleichgewicht aufrecht. Der Lichtstrahl dringt kontinuierlich in das kleine Loch ein und das Material außerhalb des kleinen Lochs fließt kontinuierlich. Während sich der Lichtstrahl bewegt, befindet sich das kleine Loch immer in einem stabilen Strömungszustand.
Das heißt, das kleine Loch und das geschmolzene Metall, das das Loch umgibt, bewegen sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des führenden Strahls vorwärts. Das geschmolzene Metall füllt den Spalt, der durch das kleine Loch entsteht, und kondensiert dann, und die Schweißnaht wird gebildet. Der gesamte oben genannte Prozess läuft so schnell ab, dass die Schweißgeschwindigkeit leicht mehrere Meter pro Minute erreichen kann.
1. Beim Laserstrahlschweißen handelt es sich um ein Schmelzschweißen, bei dem ein Laserstrahl als Energiequelle verwendet wird und auf die Schweißverbindung einwirkt.
2. Der Laserstrahl kann durch ein flaches optisches Element (z. B. einen Spiegel) geleitet und dann mit einem reflektierenden Fokussierelement oder einer Linse auf die Schweißnaht projiziert werden.
3. Beim Laserstrahlschweißen handelt es sich um berührungsloses Schweißen. Während des Vorgangs ist kein Druck erforderlich, jedoch wird Inertgas benötigt, um eine Oxidation des Schmelzbads zu verhindern. Gelegentlich wird Füllmetall verwendet.
4. Das Laserstrahlschweißen kann mit dem MIG-Schweißen zum Laser-MIG-Verbundschweißen kombiniert werden, um ein Schweißen mit großer Durchdringung zu erreichen, wobei die Wärmezufuhr im Vergleich zum MIG-Schweißen stark reduziert ist.
Anwendungen
Laserschweißgeräte werden häufig in hochpräzisen Fertigungsbereichen wie Automobilen, Schiffen, Flugzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen eingesetzt. Sie haben die Lebensqualität der Menschen erheblich verbessert und auch der Haushaltsgeräteindustrie den Weg in die Feinmechanik geebnet.
Plasma-Lichtbogenschweißen
Plasmalichtbogenschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem ein Plasmalichtbogen mit hoher Energiedichte als Schweißwärmequelle verwendet wird. Während des Schweißens bestehen das Ionengas (das einen Ionenlichtbogen bildet) und das Schutzgas (um das Schmelzbad und die Schweißnaht vor den schädlichen Auswirkungen der Luft zu schützen) aus reinem Argon. Die beim Plasmalichtbogenschweißen verwendeten Elektroden sind im Allgemeinen Wolframelektroden und müssen manchmal mit Metall (Schweißdraht) gefüllt werden. Im Allgemeinen wird die positive Gleichstromverbindungsmethode angewendet (der Wolframstab ist mit der negativen Elektrode verbunden). Daher ist das Plasmalichtbogenschweißen im Wesentlichen ein Wolframgasschutzschweißen mit Kompressionseffekt.
Plasmalichtbogenschweißen zeichnet sich durch Energiekonzentration, hohe Produktivität, schnelle Schweißgeschwindigkeit, geringe Spannungsverformung und stabile elektrische Isolierung aus und eignet sich zum Schweißen dünner Platten und Kastenmaterialien. Es eignet sich besonders für verschiedene feuerfeste, leicht oxidierende und hitzeempfindliche Metallmaterialien (wie Wolfram, Molybdän, Kupfer, Nickel, Titan usw.).
Das Gas wird durch die Erhitzung des Lichtbogens dissoziiert und beim Durchströmen der wassergekühlten Düse mit hoher Geschwindigkeit komprimiert, wodurch die Energiedichte und der Dissoziationsgrad steigen und ein Plasmalichtbogen entsteht. Seine Stabilität, sein Heizwert und seine Temperatur sind höher als beim normalen Lichtbogen, sodass er eine höhere Durchdringung und Schweißgeschwindigkeit aufweist. Das Gas, das den Plasmalichtbogen bildet, und das ihn umgebende Schutzgas verwenden im Allgemeinen reines Argon. Abhängig von den Materialeigenschaften verschiedener Werkstücke verwenden einige Helium, Stickstoff, Argon oder eine Mischung aus beiden.
Eigenschaften
1. Mikrostrahl-Plasmalichtbogenschweißen kann Folien und dünne Platten schweißen.
2. Durch den kleinen Locheffekt lassen sich einseitiges Schweißen und beidseitiges Freiformen besser realisieren.
3. Plasmalichtbogen hat eine hohe Energiedichte, hohe Lichtbogensäulentemperatur und starke Durchdringungsfähigkeit. Es kann 10- erreichen12mm dicker Stahl ohne Schrägschweißen. Es kann durch beidseitiges Formen auf einmal geschweißt werden. Die Schweißgeschwindigkeit ist hoch, die Produktivität hoch und die Spannungsverformung gering.
4. Die Ausrüstung ist relativ kompliziert, der Gasverbrauch ist hoch, die Gruppe stellt strenge Anforderungen an den Abstand und die Sauberkeit des Werkstücks und es ist nur für das Schweißen in Innenräumen geeignet.
Anwendungen
Plasmaschweißen ist ein wichtiges Mittel in der industriellen Produktion, insbesondere zum Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen, Titan und Titanlegierungen, legiertem Stahl, rostfreiem Stahl, Molybdän und anderen Metallen aus der Luft- und Raumfahrt, die im Militär und anderen hochentwickelten Industrien verwendet werden, wie etwa bei der Herstellung bestimmter Raketenhülsen aus Titanlegierungen und teilweise dünnwandiger Behälter für Flugzeuge.
Kosten, Wartung und Betriebseffizienz
Zu den Faktoren, die beim Vergleich der Technologien Laserstrahlschweißen und Plasmalichtbogenschweißen für industrielle Anwendungen eine Rolle spielen, zählen Kosten, Wartung und Betriebseffizienz.
Kostenanalyse
Laserschweißen erfordert eine hohe Anfangsinvestition, da die Ausrüstung im Vergleich zum Plasmaschweißen komplizierter ist. Der Wert allgemeiner industrieller Laserschweißsysteme liegt normalerweise bei über $200,000, während Plasmaschweißsysteme Kosten im Bereich von haben $10,000 zu $50,000. Allerdings bietet LBW das Potenzial für erhebliche langfristige Kosteneinsparungen dank höherer Verarbeitungsraten sowie minimaler Nachbearbeitungsanforderungen. Beim Plasmaschweißen können im Dauerbetrieb höhere Verbrauchskosten anfallen.
Wartungsanforderungen
Da Verbrauchsteile wie Elektroden und Gasdüsen häufiger verschleißen, müssen Plasmaschweißsysteme normalerweise häufiger gewartet werden. Laserschweißsysteme hingegen benötigen weniger Verbrauchsmaterial, ihre Optik und Laserquellen müssen jedoch gelegentlich gereinigt und neu kalibriert werden. Bei ordnungsgemäßer Wartung können Laserquellen mehr als 20,000 Stunden mit weniger Ausfallzeiten halten. Plasmasysteme sind zwar einfacher, können aber aufgrund des Verschleißes der Verbrauchsmaterialien häufiger unterbrochen werden.
Effiziente Betriebsabläufe
Die Laserschweißtechniken sind viel schneller und präziser und erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 10 Metern pro Minute bei dünnen Materialien, was sie ideal für die Massenproduktion macht. Außerdem entstehen sehr kleine Wärmeeinflusszonen, was zu minimaler Materialverzerrung führt und somit die Qualität des Produkts verbessert. Plasmaschweißen ist bei dickeren Materialien effektiv, allerdings langsamer, und erfordert oft zusätzliche Nachbearbeitungen, um die Schweißnähte zu reinigen, wie z. B. Schleifen.
Während das Laserschweißen zunächst höhere Investitionskosten erfordert, sind seine Effizienz und der geringere Wartungsbedarf langfristig oft kostengünstiger, insbesondere bei Anwendungen, die hohe Präzision erfordern. Das Plasmaschweißen eignet sich immer noch für weniger komplexe Arbeiten und kleinere Einsätze.
