Στις σύγχρονες βιομηχανικές κατασκευαστικές κλίβανους, η συγκόλληση με λέιζερ και η συγκόλληση με τόξο είναι σαν δύο αιχμηρά εργαλεία με διακριτές άκρες, υποστηρίζοντας από κοινού την τεράστια ζήτηση για μεταλλικές συνδέσεις. Από ακριβείς και μικροσκοπικές ιατρικές συσκευές έως μεγάλες κατασκευές όπως πλοία και γέφυρες, αν και οι τομείς εφαρμογής τους μερικές φορές επικαλύπτονται, σχηματίζουν επίσης διακριτές διακρίσεις στα βασικά χαρακτηριστικά. Μια εμπεριστατωμένη κατανόηση των ουσιαστικών διαφορών μεταξύ αυτών των δύο σημαντικών τεχνολογιών είναι ο βασικός ακρογωνιαίος λίθος για την επίτευξη ακριβούς επιλογής και τη μεγιστοποίηση της απόδοσης στην πρακτική της μηχανικής.
I. Πηγές Ενέργειας: Από τα φωτόνια έως τα ιονίζοντα τόξα
Συγκόλληση με λέιζερ: Η συγκόλληση με λέιζερ είναι μια αποτελεσματική και ακριβής μέθοδος συγκόλλησης που χρησιμοποιεί μια δέσμη λέιζερ με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα ως πηγή θερμότητας. Η συγκόλληση με λέιζερ είναι μια από τις σημαντικές εφαρμογές της τεχνολογίας επεξεργασίας υλικών με λέιζερ. Η συγκόλληση με λέιζερ μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση συνεχών ή παλμικών δεσμών λέιζερ. Οι αρχές της συγκόλλησης με λέιζερ μπορούν να χωριστούν σε συγκόλληση αγωγιμότητας θερμότητας και συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης με λέιζερ.
Η αρχή της συγκόλλησης με λέιζερ τύπου αγωγιμότητας θερμότητας είναι η εξής: Η ακτινοβολία λέιζερ θερμαίνει την επιφάνεια που πρόκειται να υποστεί επεξεργασία και η θερμότητα της επιφάνειας διαχέεται στο εσωτερικό μέσω της αγωγιμότητας θερμότητας. Ελέγχοντας τις παραμέτρους του λέιζερ, όπως το πλάτος, η ενέργεια, η μέγιστη ισχύς και η συχνότητα επανάληψης του παλμού λέιζερ, το τεμάχιο τήκεται για να σχηματίσει μια συγκεκριμένη δεξαμενή τήξης.
(1) Πυκνότητα ισχύος Η πυκνότητα ισχύος είναι μία από τις πιο κρίσιμες παραμέτρους στην επεξεργασία με λέιζερ. Υιοθετώντας μια σχετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος, το επιφανειακό στρώμα μπορεί να θερμανθεί στο σημείο βρασμού εντός ενός χρονικού εύρους μικροδευτερολέπτων, δημιουργώντας μεγάλη ποσότητα εξαέρωσης. Επομένως, η υψηλή πυκνότητα ισχύος είναι ευεργετική για την επεξεργασία αφαίρεσης υλικού, όπως η διάτρηση, η κοπή και η χάραξη. Για χαμηλότερη πυκνότητα ισχύος, χρειάζονται αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου για να φτάσει η θερμοκρασία του επιφανειακού στρώματος στο σημείο βρασμού. Πριν εξατμιστεί το επιφανειακό στρώμα, το κάτω στρώμα φτάνει στο σημείο τήξης, γεγονός που ευνοεί το σχηματισμό μιας καλής συγκόλλησης σύντηξης
(2) Κυματομορφή παλμού λέιζερ. Η κυματομορφή των παλμών λέιζερ είναι ένα σημαντικό ζήτημα στη συγκόλληση με λέιζερ, ειδικά για τη συγκόλληση λεπτών φύλλων. Όταν μια δέσμη λέιζερ υψηλής έντασης κατευθύνεται στην επιφάνεια ενός υλικού, το 60 έως 98% της ενέργειας λέιζερ στην μεταλλική επιφάνεια θα ανακλαστεί και θα χαθεί και η ανακλαστικότητα ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία της επιφάνειας. Κατά τη διάρκεια ενός παλμού λέιζερ, η ανακλαστικότητα των μετάλλων ποικίλλει σημαντικά.
(3) Πλάτος παλμού λέιζερ. Το πλάτος παλμού είναι μία από τις σημαντικές παραμέτρους στη συγκόλληση παλμικού λέιζερ. Δεν είναι μόνο μια κρίσιμη παράμετρος που διακρίνει την αφαίρεση υλικού από την τήξη υλικού, αλλά και μια βασική παράμετρος που καθορίζει το κόστος και τον όγκο του εξοπλισμού επεξεργασίας.
(4) Ταχύτητα συγκόλλησης. Η ταχύτητα συγκόλλησης επηρεάζει την ποσότητα της θερμότητας που εισάγεται ανά μονάδα χρόνου. Εάν η ταχύτητα συγκόλλησης είναι πολύ αργή, η είσοδος θερμότητας θα είναι πολύ μεγάλη, προκαλώντας το κάψιμο του τεμαχίου. Εάν η ταχύτητα συγκόλλησης είναι πολύ γρήγορη, η είσοδος θερμότητας θα είναι πολύ μικρή, με αποτέλεσμα το τεμάχιο να μην διαπερνάται.
Συγκόλληση με τόξο: Η ενέργειά της προέρχεται από το τόξο που σχηματίζεται από τη συνεχή εκκένωση μεταξύ του ηλεκτροδίου (ηλεκτρόδιο ή σύρμα) και του τεμαχίου. Η υψηλή θερμοκρασία που παράγεται από το ηλεκτρικό τόξο (συνήθως πάνω από 5000°C) προκαλεί την τήξη του ηλεκτροδίου και του βασικού μετάλλου ταυτόχρονα για να σχηματιστεί μια δεξαμενή τήξης. Ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτροδίου και τη μέθοδο προστασίας, ταξινομείται περαιτέρω σε πολλαπλές προσεγγίσεις:
Συγκόλληση με αέριο μετάλλου (MIG/MAG): Συνεχής τροφοδοσία του συρμάτινου σύρματος συγκόλλησης ως ηλεκτρόδιο και ταυτόχρονη ψεκασμός αδρανούς ή ενεργού αερίου θωράκισης (αργό, CO₂ ή τα μείγματά τους).
Συγκόλληση με αδρανές αέριο βολφραμίου (TIG): Χρησιμοποιεί ένα πυρίμαχο ηλεκτρόδιο βολφραμίου και προστατεύεται από αδρανές αέριο (κυρίως αργό). Το σύρμα πλήρωσης μπορεί να προστεθεί ή όχι και το βασικό υλικό τήκεται από τη θερμότητα του τόξου.
Συγκόλληση με μεταλλικό τόξο με θωράκιση (SMAW): Το επικαλυμμένο ηλεκτρόδιο τήκεται υπό τη θερμότητα του ηλεκτρικού τόξου και η επίστρωση παράγει προστατευτικό αέριο και σκωρία για να καλύψει τη δεξαμενή τήξης.
Συγκόλληση με υποβρύχιο τόξο (SAW): Το συρμάτινο σύρμα συγκόλλησης και η κοκκώδης ροή τροφοδοτούνται ταυτόχρονα στη ζώνη του τόξου. Το τόξο καίγεται κάτω από το στρώμα ροής και η ροή τήκεται για να σχηματίσει σκωρία που καλύπτει τη δεξαμενή τήξης.
Ii. Σε βάθος ανάλυση των διαστάσεων βασικών επιδόσεων
Συγκόλληση με λέιζερ: Σημαντικά πλεονεκτήματα. Η ενέργεια είναι εξαιρετικά συγκεντρωμένη, η είσοδος θερμότητας είναι εξαιρετικά χαμηλή και η θερμικά επηρεασμένη ζώνη είναι πολύ στενή. Αυτό μειώνει σημαντικά την παραμόρφωση συγκόλλησης και την υπολειμματική τάση, ειδικά κατάλληλη για λεπτές πλάκες, εξαρτήματα ακριβείας και συναρμολογημένα εξαρτήματα, αποφεύγοντας αποτελεσματικά τις επακόλουθες περίπλοκες διαδικασίες διόρθωσης.
Συγκόλληση με τόξο: Η είσοδος θερμότητας είναι σχετικά υψηλή και ευρέως κατανεμημένη και η θερμικά επηρεασμένη ζώνη είναι σημαντικά ευρύτερη. Τα προβλήματα παραμόρφωσης και υπολειμματικής τάσης είναι πιο εμφανή, ειδικά στη συγκόλληση λεπτών πλακών, όπου απαιτείται ιδιαίτερα προσεκτικός σχεδιασμός εργαλείων και προγραμματισμός ακολουθίας συγκόλλησης.
Ταχύτητα και απόδοση συγκόλλησης
Συγκόλληση με λέιζερ: Σημαντικά πλεονεκτήματα. Έχει εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και ταχύτητα συγκόλλησης που υπερβαίνει κατά πολύ τις περισσότερες μεθόδους συγκόλλησης με τόξο. Τα πλεονεκτήματά του σε γραμμές παραγωγής υψηλής ταχύτητας είναι αναντικατάστατα.
Συγκόλληση με τόξο: Η ταχύτητα είναι σχετικά αργή. Αν και η συγκόλληση με υποβρύχιο τόξο ή η συγκόλληση MIG υψηλής ταχύτητας μπορεί να επιτύχουν σχετικά υψηλές ταχύτητες, είναι συνήθως ακόμη χαμηλότερες από τη συγκόλληση με λέιζερ. Η απόδοσή του περιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες του τόξου και τη διαδικασία μετάβασης των σταγονιδίων.
Δυνατότητα διείσδυσης και σχηματισμός συγκόλλησης:
Συγκόλληση με λέιζερ: Πλεονεκτήματα (ειδικά συγκόλληση βαθιάς διείσδυσης). Το φαινόμενο της οπής κλειδιού το καθιστά καλό στην επίτευξη συγκολλήσεων με μεγάλη αναλογία βάθους προς πλάτος και μπορεί να διεισδύσει σε παχιές πλάκες σε ένα μόνο πέρασμα. Οι ραφές συγκόλλησης είναι συνήθως στενές και βαθιές, με λεία και όμορφη επιφάνεια.
Συγκόλληση με τόξο: Η ικανότητα διείσδυσής του είναι σχετικά περιορισμένη και η αναλογία βάθους προς πλάτος είναι μικρή. Η συγκόλληση παχιών πλακών απαιτεί συνήθως λοξοτμήσεις για συγκόλληση πολλαπλών στρώσεων και πολλαπλών περασμάτων. Το πλάτος της ραφής συγκόλλησης είναι συνήθως μεγαλύτερο από αυτό της συγκόλλησης με λέιζερ και ο σχηματισμός εξαρτάται από συγκεκριμένες παραμέτρους διεργασίας και τις δεξιότητες του συγκολλητή.
Iii. Προσαρμοστικότητα υλικού και εύρος πάχους:
Συγκόλληση με λέιζερ
Ευνοϊκά υλικά: Κοινά μέταλλα όπως χάλυβας άνθρακα, ανοξείδωτος χάλυβας, κράμα αλουμινίου και κράμα τιτανίου είναι όλα εφαρμόσιμα. Για υλικά υψηλής ανακλαστικότητας όπως ο χαλκός και ο χρυσός, απαιτούνται ειδικά μήκη κύματος (πράσινο φως, μπλε φως) ή υψηλότερη ισχύς για την αντιμετώπιση της ανάκλασης.
Εύρος πάχους: Εξειδικευμένο σε λεπτές πλάκες και μεσαίες πλάκες. Τα λέιζερ υψηλής ισχύος (όπως τα λέιζερ ινών 10.000 watt) μπορούν επίσης να συγκολλήσουν παχύτερα υλικά (> 10 mm), αλλά το κόστος του εξοπλισμού έχει εκτοξευθεί. Η συγκόλληση ανομοιογενών μετάλλων (όπως χάλυβα-αλουμινίου) έχει μεγάλες δυνατότητες, αλλά απαιτεί ακριβή έλεγχο.
Συγκόλληση με τόξο
Πλεονεκτήματα: Είναι εφαρμόσιμο σε ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα υλικών, καλύπτοντας σχεδόν όλα τα συγκολλήσιμα μέταλλα (χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός, κράματα με βάση το νικέλιο, χυτοσίδηρος κ.λπ.). Δεν υπάρχουν ιδιαίτερες δυσκολίες για υλικά υψηλής ανακλαστικότητας.
Εύρος πάχους: Εξαιρετικά ευρεία προσαρμοστικότητα. Μπορεί να χειριστεί τα πάντα, από εξαιρετικά λεπτά φύλλα (που απαιτούν ειδικές τεχνολογίες όπως μικρο-δέσμη TIG/Plasma) έως γιγαντιαίες κατασκευές εκατοντάδων χιλιοστών πάχους (όπως συγκόλληση με υποβρύχιο τόξο για ναυπηγική και συγκόλληση ηλεκτροσκωρίας παχιών πλακών) και είναι η κύρια δύναμη στη συγκόλληση παχιών και μεγάλων εξαρτημάτων.
Η συγκόλληση με λέιζερ, με τα χαρακτηριστικά της υψηλής ταχύτητας, της χαμηλής εισόδου θερμότητας, της υψηλής ακρίβειας και της μεγάλης αναλογίας διαστάσεων, έχει ξεχωρίσει στους τομείς της κατασκευής ακριβείας και της αποτελεσματικής αυτοματοποίησης. Η συγκόλληση με τόξο, με τα πλεονεκτήματά της στην ευρεία προσαρμοστικότητα υλικού, την ισχυρή ικανότητα παχιάς πλάκας, το χαμηλό κόστος εξοπλισμού και την ευέλικτη λειτουργία, έχει βαθιά θεμέλια στη βαριά βιομηχανία και στις επιτόπιες κατασκευές. Και τα δύο παίζουν με τα δυνατά τους σημεία στο μεγάλο σχέδιο της βιομηχανικής κατασκευής και οδηγούν από κοινού τη συνεχή επέκταση των ορίων των τεχνολογιών σύνδεσης. Η σοφία ενός μηχανικού έγκειται στην αντίληψη των βασικών απαιτήσεων συγκεκριμένων σεναρίων εφαρμογής και στην εύρεση του καταλληλότερου σημείου ισορροπίας στο τρίγωνο του κόστους, της απόδοσης και της ποιότητας, καθιστώντας τη σύνδεση των μετάλλων τόσο σταθερή και αξιόπιστη, όσο και αποτελεσματική και οικονομική.