Дуговой разряд моментально перебрался из физических лабораторий и базарных балаганов конца 19го века в промышленные цеха - мимо такого источника энергии не мог пройти ни один инженер. Дуга надолго застолбила за собою делянку сверхвысоких температур. И, как ни странно, патент на промышленный сварочный процесс при помощи электрического разряда с электродом был оформлен раньше, чем метод классической газовой сварки. Виною тому стал промышленный бум от строительства небоскребов до корабельных корпусов: температура и условия горения газа так и не смогли справиться с новомодными вольфрамом и титаном. А про алюминий и магний можно было забыть сразу.
Лазер отстал от электричества на полвека буквально, и при этом его вхождение в промышленность было сложнее и дороже: высококачественные рубины на дороге не валяются, а искусственные были дороже самородных. Довольно быстро лазер стал сокращать технологический разрыв, но дуговой разряд тоже не стоял на месте: у любого изобретения всегда есть запас развития. Так и случилось с конкуренцией TIG и лазера - технология вольфрамовой сварки с инертным газом начала отставать еще 20 лет назад, но оконательный раскол оформился только сейчас.
Попробуем "подбить баланс" со стороны лазерного луча, а затем противопоставить этот набор вкусностей возможностям TIG:
Скромный лазер
Лазерная сварка - очень легко адаптируемый процесс, так как фокусировка позволяет менять энергонасыщенность луча в широких пределах. Импульсный режим расширяет эти пределы еще в десятки раз, так что достоинствам есть где развернуться. Но перечислим плюсы по порядку инженерного интереса:
1. Предельно простая автоматизация
Лазерная сварка позволяет обойтись без присадочного материала - флюсы, электроды и припои просто не нужны. Для эффективной сварки достаточно управлять только самим лучом. Это минимум в 2 раза упрощает управление, так как присадка все равно непредсказуема ни в скорости расхода, ни в температуре, ни даже в "траектории" плавления - пока вы свариваете вместе два стальных башмака для шасси самолета, брызги расплава не имеют особого значения. Но сварка двух листов стали толщиной в 1 миллиметр методом TIG уже проблематична. А два полумиллиметровых листа магния просто мгновенно скомкаются из-за неравномерного теплораспределения. Скорее всего там, куда не доберется инертный газ, магний вообще эффектно сгорит или превратится в белый порошок оксида.
Прерывание подачи присадки в неудачный момент тоже может полностью запороть шов, который придется исправлять вручную.
Но справедливости ради необходимо отметить, что ручная сварка TIG действительно обеспечивает хороший шов. Результат, конечно же, упирается в опыт оператора.
2. Тепловыделение
Лазер имеет высокий КПД. Последние версии лазерных аппаратов теряют только 30% энергии в тепло, причем такой показатель энергопотерь относится к компактным ручным сварочным устройствам, то есть достаточно простым и не самым лучшим. Из этого следует третий плюс:
3. Прецизионность
Фокусировка лазерного луча изначально задумана, как способ точечного прогрева. В импульсном режиме лазер действует как классическая точечная сварка, но с намного большими энергиями при намного меньшей рабочей площадью.
Радиус фокусированного луча настолько мал, что прогрев окружающего материала даже до половины температуры плавления не превышает 1,5-2 радиусов фокуса луча. Ни электро-, ни тем более газовая сварка такой точности обеспечить не может.
4. Точность vs теплопроводность
Лазерный луч действует быстро и агрессивно, зато расчетливо. Из-за того, что мощность луча не успевает растечься по свариваемой поверхности, шов получается ровным и банально внешне симпатичным. Это срабатывает не со всеми материалами, конечно, но список проблемных материалов уж точно меньше, чем при других методах сварки.
Но главный эффект луча заключается в том, что лазер позволяет избежать "температурного шока". Это работает почти со всеми популярными всеми материалами - достаточно напомнить, что лазер может сваривать вместе даже чрезвычайно неудобный магний и пищевой пластик с температурой плавления и обугливания в 180С.
Из точности следует еще один немаловажный плюс:
5. Сплав магния и полиэтилена - почему не больше?
Мгновенный разогрев шва позволяет избежать самой главной проблемы сварки, когда одна из деталей начинает плавиться, а вторая даже толком не нагрелась. Лазер в силу своей природы легко избегает эту проблему.
Например, высокоуглеродистая сталь вполне может "подружиться" с термореактивным пластиком, используемым в домашней 3D-печати. Про совместимость металлов, которые всегда считались несовместимыми в механической термообработке, можно слагать сдержанные легенды: нержавеющая сталь, углеродистая сталь, частично чугун, медь, алюминий, легированный магний и многие пластики...
Теперь все это возможно.
6. Рукопожатие шести пальцев, а не пяти
Мало кто обращает внимание на этот момент, что лазерные аппараты высокотехнологичны. Все смотрят на луч, его мощность и прочие неинженерные показатели. Пока у лазеров, конечно же, нет общепринятых стандартов разъемов и т.д., но это вопрос времени. Поэтому пока сопряжение нескольких разнокалиберных аппаратов недешево, зато это позволяет быстро и эффективно инкорпорировать лазер в другие, казалось бы несовместимые методы.
Три лазера одновременно: постоянный для прогрева и два импульсных для шва с двух сторон для разных материалов? Не проблема. Несколько часов работы даже не программиста, а робо-оператора.
Но существует и высший пилотаж, когда используется инертный газ вместе с лазером, что обеспечивает преимущества и старых, и новых методов сварки. Сваривать магний в дешевом CO2 пока способен только Nd:YAG-лазер. TIG-сварка потребует раскошелиться на He. По сути все методы сварки, существовавшие ранее, успешно используются вместе с лазером или эмулируются им, но с на порядок большей точностью.
Могучий TIG
Сварка в среде инертного газа с вольфрамовым электродом - метод немолодой, но чрезвычайно практичный. Все просто: электрический ток между заготовкой и вольфрамовым электродом зажигают дугу с температурой около 3300С, в котором расплавляются даже самые тугоплавкие окислы.
Очевидно, что при такой температуре горят даже некоторые камни, поэтому операция проводится в среде инертного газа. Обычно это аргон, гелий или их смесь.
Но внимательный инженер уже заметит, что гелий имеет свойство неплохо растворятся в расплавленных металлах, "обеспечивая" хрупкость сварного шва. Однако TIG-метод не только стар, но и популярен, так что у него есть свои способы избежать физико-химических проблем при сварке. Попробуем покопаться в их достоинствах:
1. Медный пенни, серебряная крона и золотая фольга
TIG просто сожжет пластик или мгновенно испарит его, каким бы гелий не был “аргонистым”. Управлять температурой и теплоотдачей дуги невозможно - это плазма с температурой почти поверхности Солнца, которая мгновенно погаснет при недостатке энергии.
Зато этот метод прекрасно подходит для почти всех видов стали, естественно никеля, алюминия и магния, меди и ее сплавов, хрома и даже тяжелого и при этом легкоплавкого золота.
Самым удивительным свойством TIG является то, что при всей неуправляемости плазмой дуги сварка золотой фольги возможна. Да, с остаточной термодеформацией, но опытный сварщик сможет избежать ее.
2. Хочешь убрать яму - засыпь ее
TIG работает с присадочным материалом. Нужна практика, чтобы аккуратно сваривать и одновременно следить за расходом проволоки, но зато шов получается аккуратным. Присадка при расплавлении заполняет все макротрещины и зазоры, а заодно обеспечивает температурный баланс для постепенного остывания.
Лазерная сварка, в свою очередь, "старается" избежать этого эффекта, в то время как TIG его использует на все 100%. Медленное охлаждение обеспечивает равномерную кристаллизацию металла и даже эвтектику. Пусть шов остывает дольше - это обеспечивает не только прочность, но и упругость. Но если после лазера шов "готов" буквально через секунды, то к TIG-шву лучше не притрагиваться и через минуту, а лучше дать заготовке остыть для следующего шва.
3. Извечный вопрос - деньги
Единственный пока неоспоримый плюс TIG - "цена вхождения". Сам аппарата недорог, переобучение сварщика, который работал с газом или простой электросваркой, вообще почти не требует затрат, кроме времени на тренировку.
Но стоит помнить про материал присадки. Хорошо если это обычная стальная проволока. Гелий для тонких операций тоже недешев, так как расходуется очень активно. Но пока себестоимость шва TIG считается меньше, чем у лазера. Хотя, кажется, это уже спорный аргумент.
4. Иногда чем проще, тем лучше?
А вот с автоматизацией и сопряжением у TIG все грустно, как и у всех доживших до наших времен привычных видов сварки. Если сложно контролировать одну дугу с одним присадочным прутом, то о двух лучше и не думать.
До появления лазерных сварочных аппаратов TIG активно обрастал мелкими улучшениями: присадка с флюсом вместо газовой защиты - но процесс подешевел незначительно, игра с переменным и постоянным током - управляемости разряду это не добавило, запуск дуги по рэле - это помогло улучшить шов от точки запуска дуги, но не качество в целом.
На вкус и цвет разные сварки
Очевидно, что даже поверхностный обзор возможностей TIG не впечатляет. Однако не все так просто: старики почти никогда не сдаются, особенно когда к упорству есть предпосылки.
TIG прекрасно подходит для небольших мастерских, где не требуется постоянные сварочные работы. Как правило, вся слабомощная электродуговая машинерия значительно компактнее лазерной, тем более что закупка стержней пока не превращается в поиск дефицита.
Но главным плюсом TIG является быстрая работа руками с различными металлами и сплавами, когда хватает опыта, но нет времени на штудирование теории.
Лазерная техника подходит к вопросу более основательно: точная детальная сварка, скорость, чистота шва во всех смыслах, минимум термовлияния, автоматизация, отсутствие магнитного влияния в процессе сварки и проч. проч. проч.