Zgrzewanie punktowe to szybka i ekonomiczna metoda łączenia. Nadaje się do łączenia cienkich blach za pomocą połączeń zakładkowych, które nie wymagają szczelności. Istnieje wiele rodzajów zgrzewania punktowego, takich jak zgrzewanie oporowe, zgrzewanie łukowe, zgrzewanie punktowe klejowe.spawanie punktowe kompozytowei laserowe zgrzewanie punktowe. Obecnie zgrzewanie punktowe oporowe jest szeroko stosowane w produkcji. Biorąc za przykład przemysł motoryzacyjny, podczas montażu elementów karoserii potrzeba od 3000 do 4000 punktów zgrzewu, co wymaga użycia od 250 do 300 robotów, a także systemów sterowania i innego sprzętu pomocniczego. Jednak zgrzewanie punktowe oporowe charakteryzuje się niewielką elastycznością. Wraz z szybkim rozwojem gospodarczym cykl aktualizacji kształtów geometrycznych i struktur komponentów samochodowych stał się bardzo krótki. Modernizacja nowych produktów i modeli wymaga nowej, wydajnej i elastycznej technologii zgrzewania punktowego. Dlatego technologia laserowego zgrzewania punktowego stopniowo zyskuje na popularności i oczekuje się jej szerokiego zastosowania w produkcji przemysłowej samochodów. W przemyśle lotniczym i kosmicznym laserowe zgrzewanie punktowe jest również testowane jako technologia alternatywna. Przez długi czas połączenia zakładkowe produktów lotniczych i kosmicznych były zazwyczaj wykonywane za pomocą nitowania, co wiąże się z wieloma procesami produkcyjnymi i dużym obciążeniem. Wraz z rosnącym zastosowaniem nowych materiałów, takich jak stopy aluminium, stopy tytanu i materiały kompozytowe, wdrażanie nowych technologii spawalniczych w celu zastąpienia tradycyjnych metod łączenia stało się powszechnym trendem. To nie tylko poprawia wydajność produkcji, ale także zmniejsza masę konstrukcji i spełnia nowe wymagania konstrukcyjne, co ma ogromne znaczenie dla produktów lotniczych. Wysoka precyzja i elastyczność laserowego zgrzewania punktowego dają mu znaczące korzyści w praktycznej produkcji, zwłaszcza w przemyśle lotniczym, gdzie może zastąpić tradycyjne procesy, takie jak zgrzewanie punktowe oporowe i nitowanie.
I. Definicja i charakterystyka laserowego spawania punktowego
Definicja
Spawanie punktowe laserowe polega na topieniu i łączeniu elementów obrabianych za pomocą pojedynczego impulsu laserowego (t > 1 ms) lub serii impulsów laserowych w tym samym miejscu.
Laserowe spawanie punktowe jest zasadniczo podobne do innych procesów spawania laserowego; jedyną różnicą jest brak względnego przemieszczenia między wiązką lasera a przedmiotem obrabianym podczas spawania punktowego. Laserowe spawanie punktowe dzieli się na dwa rodzaje: spawanie z przewodnictwem cieplnym i spawanie z oczkiem. W spawaniu z przewodnictwem cieplnym laser może jedynie stopić metal bez jego odparowywania. Ta metoda jest bardziej odpowiednia do spawania metali o grubości mniejszej niż 0,5 mm, takich jak punktowe spawanie laserowe Nd:YAG elementów elektronicznych. W spawaniu z oczkiem laserowym laser może bezpośrednio wnikać w materiał przez otwór, zwiększając stopień wykorzystania energii lasera i osiągając większą głębokość penetracji. Tradycyjne oporowe spawanie punktowe topi obrabiane elementy, tworząc punkty zgrzeinowe, wykorzystując ciepło oporowe generowane przez prąd elektryczny, podczas gdy źródłem ciepła w laserowym spawaniu punktowym jest promieniowanie laserowe, co skutkuje znacząco różnymi kształtami punktów zgrzeinowych.
Regulowane parametry laserowego zgrzewania punktowego obejmują zazwyczaj moc lasera, czas zgrzewania punktowego oraz wielkość rozogniskowania. W przypadku spawania punktowego w trybie impulsowym parametry obejmują również kształt fali impulsu, częstotliwość i współczynnik wypełnienia. Moc lasera wpływa głównie na głębokość wtopienia spoiny punktowej, natomiast czas zgrzewania punktowego ma większy wpływ na jej rozmiar poprzeczny. Zasadniczo, im dłuższy czas działania lasera, tym większy rozmiar górnej i dolnej powierzchni spoiny punktowej oraz powierzchnia wtopienia. Zmiany wielkości rozogniskowania wpływają głównie na średnicę spoiny i gęstość energii działającej na powierzchnię przedmiotu obrabianego, co ma znaczący wpływ na ogólny kształt spoiny punktowej.
Charakterystyka
- Wykorzystując laser jako źródło ciepła, spawanie punktowe zapewnia dużą prędkość, wysoką precyzję, małą ilość wprowadzanego ciepła i minimalne odkształcenia przedmiotu obrabianego.
- Stopień swobody w pozycjach spawania punktowego jest znacznie zwiększony, co umożliwia spawanie punktowe we wszystkich pozycjach i łatwą realizacjęzgrzewanie punktowe jednostronne, co znacznie zwiększa swobodę projektowania produktów.
- Laserowe spawanie punktowe ma niewielkie wymagania co do wielkości złączy zakładkowych. Ograniczenia parametrów, takich jak liczba złączy na zakład i odległość między punktami zgrzewania, są minimalne, a wpływ przepływu prądu nie jest uwzględniony.
- W przypadku spawania blach o nierównej grubości, materiałów o różnych grubościach i materiałów specjalnych (stopów aluminium, blach ocynkowanych) spawanie punktowe laserowe jest skuteczniejsze niż tradycyjne metody spawania punktowego.
- Nie wymaga stosowania dużej ilości sprzętu pomocniczego, może szybko dostosowywać się do zmian produktów i zaspokajać potrzeby rynku.
II. Analiza wad spawania punktowego laserowego
Pęknięcia, pory i ugięcia to najczęstsze wady występujące przy spawaniu punktowym laserowym, które analizujemy poniżej.
1. Pęknięcia
Pęknięcia dzielą się na pęknięcia powierzchniowe i podłużne. Tempo nagrzewania i chłodzenia podczas laserowego spawania punktowego jest bardzo szybkie, co powoduje duży gradient temperatury między nagrzewanym obszarem a otaczającym go metalem, co łatwo prowadzi do powstawania pęknięć. Występowanie pęknięć jest ściśle związane z materiałem; na przykład stopy aluminium mają znacznie większą tendencję do pękania podczas laserowego spawania punktowego niż stal nierdzewna. Skuteczną metodą zapobiegania powstawaniu pęknięć jest optymalizacja kształtu fali impulsu w celu kontrolowania tempa chłodzenia podczas procesu krzepnięcia metalu i redukcji naprężeń wewnętrznych.
2. Pory
Wady porowate (pory) w laserowych spawach punktowych można podzielić na małe i duże. Małe pory powstają głównie w wyniku spadku rozpuszczalności wodoru w ciekłym metalu podczas krzepnięcia metalu, a także szybkiego parowania metalu w otworze i zaburzenia jeziorka stopionego metalu. Duże pory powstają głównie w wyniku zbyt szybkiego chłodzenia podczas laserowego spawania punktowego, co pozostawia wystarczająco dużo czasu na wypełnienie metalu wokół otworu. Generalnie, małe pory są podatne na powstawanie podczas spawania punktowego z długimi impulsami, podczas gdy duże pory występują częściej podczas spawania punktowego z krótkimi impulsami.
Podczas laserowego spawania punktowego pory najczęściej pojawiają się w dwóch miejscach: w pobliżu strefy wtopienia, w środku punktu spoiny, a w jej podstawie. Zdjęcia rentgenowskie pokazują, że pory w pobliżu strefy wtopienia powstają głównie w wyniku zwężenia się przewężenia podczas zamykania się otworu spoiny; w przypadku porów w podstawie spoiny, powstają one głównie w wyniku zapadnięcia się otworu spoiny na skutek szybkiego zaniku lasera po jego utworzeniu.
3. Obwisanie
Ugięcie jest oczywistym zjawiskiem w laserowym spawaniu punktowym. Centralne ugięcie na powierzchni spoiny punktowej i gromadzenie się metalu wokół niej są spowodowane siłą odrzutu generowaną przez parowanie metalu, wypychającą ciekły metal na powierzchnię spoiny punktowej. Podczas procesu chłodzenia nagromadzony na powierzchni metal szybko krzepnie i nie można go całkowicie wypełnić. Ponadto, ubytek materiału spowodowany szybkim parowaniem metalu i odpryskiwaniem jest kolejnym czynnikiem przyczyniającym się do centralnego ugięcie. Czas impulsu ma istotny wpływ zarówno na ugięcie powierzchni spoiny punktowej, jak i na powstawanie porów. Zadowalające ugięcie spoiny punktowej można uzyskać poprzez optymalizację kształtu fali i czasu impulsu.
4. Wpływ ilości rozogniskowania na punkty spawania
Zmiany wielkości rozogniskowania bezpośrednio zmieniają średnicę punktu i gęstość energii. Wzrost wielkości rozogniskowania zarówno w kierunku ujemnym, jak i dodatnim oznacza wzrost średnicy punktu i zmniejszenie gęstości energii. Podczas laserowego spawania punktowego istnieje pewna zależność między średnicą punktu a rozmiarem początkowego otworu utworzonego przez wiązkę lasera padającą na badany element, podczas gdy gęstość energii determinuje szybkość rozszerzania się jeziorka spawalniczego. Gdy wartość bezwzględna wielkości rozogniskowania jest mała, średnica punktu laserowego jest mała, gęstość mocy lasera jest wysoka, a szybkość rozszerzania się jeziorka spawalniczego jest duża, ale średnica początkowego otworu jest mała. Z kolei, gdy wielkość rozogniskowania jest duża, średnica początkowego otworu jest duża, ale szybkość rozszerzania się jeziorka spawalniczego spada, a powstały rozmiar punktu spawalniczego może nie być duży. Dlatego też, podczas zmiany wielkości rozogniskowania, kompleksowy wpływ średnicy punktu i gęstości mocy powierzchniowej punktu spawalniczego determinuje jego rozmiar.
III. Zastosowanie technologii laserowego zgrzewania punktowego
Laserowe spawanie punktowe charakteryzuje się dużą prędkością, dużą głębokością penetracji, minimalnymi odkształceniami i może być wykonywane w temperaturze pokojowej lub w specjalnych warunkach, z użyciem prostego sprzętu spawalniczego. Ponadto, pojawienie się laserów impulsowych o wysokiej częstotliwości (powyżej 40 impulsów na sekundę) umożliwiło szerokie zastosowanie laserowego spawania punktowego w montażu i spawaniu mikro- i małych elementów w masowej, zautomatyzowanej produkcji. Podczas spawania małych elementów elektronicznych wymagających małej strefy wpływu ciepła – takich jak połączenie szkła z metalem, połączenie złączy w termicznie wrażliwych obwodach półprzewodnikowych oraz połączenie różnych metali w przewodach – laserowe spawanie punktowe jest korzystniejsze niż tradycyjne procesy spawania punktowego (np. zgrzewanie punktowe oporowe), zapewniając wolne od zanieczyszczeń punkty spawania i wysoką jakość spawania. Rysunek 6-60 przedstawia przykład zastosowania laserowego spawania punktowego w produkcji reflektorów samochodowych: laser impulsowy na ciele stałym o mocy 500 W generuje cztery podobne punkty spawania z bardzo wysoką częstotliwością impulsów.
W przypadku precyzyjnego spawania punktowego mikrostruktur z wykorzystaniem wysokiej energii impulsu, impulsowe lasery Nd:YAG oferują korzyści techniczne i ekonomiczne. W większości przemysłowych zastosowań spawania punktowego stosuje się impulsowe lasery półprzewodnikowe o średniej mocy 50 W i mocy impulsu > 2 kW. Laser może oddziaływać bezpośrednio na element spawany za pośrednictwem światłowodów lub soczewek skupiających.
Laserowe spawanie punktowe ma zastosowanie do szerokiej gamy materiałów. Na przykład, podczas spawania punktowego akumulatorów litowo-jonowych (Li) za pomocą elektrody Nd:Technologia spawania punktowego laserem YAGŁączenie różnych metali jest bardziej wydajne niż spawanie TIG i zgrzewanie punktowe oporowe. W szczególności, ponieważ światłowody są używane do przesyłania laserów podczas produkcji, wygodne jest szybkie i elastyczne przemieszczanie się między różnymi stanowiskami roboczymi.
Podsumowując, spawanie punktowe laserowe charakteryzuje się następującymi cechami:
- Wraz ze wzrostem mocy lasera, średnica powierzchni spoiny punktowej zmienia się w górę i w dół, podczas gdy średnica powierzchni spoiny i dolnej powierzchni powoli rośnie. Zmiana kształtu przekroju poprzecznego spoiny punktowej nie jest oczywista. Wraz ze wzrostem czasu trwania, rozmiar spoiny punktowej gwałtownie rośnie, a szybkość zmiany średnicy powierzchni spoiny jest większa niż średnic górnej i dolnej powierzchni. Zmiana wielkości rozogniskowania ma znaczący wpływ na rozmiar spoiny punktowej. Bezpośrednio zmienia średnicę spoiny i gęstość mocy lasera, a kompleksowy wpływ tych dwóch czynników determinuje rozmiar spoiny punktowej.
- W przypadku pełnego przetopu, na powierzchni spoiny punktowej lasera widoczne jest wyraźne ugięcie. Wraz ze wzrostem mocy lasera i czasu trwania, głębokość ugięć na powierzchni spoiny punktowej wzrasta. Przy dużym czasie trwania lub wielkości szczeliny, na dolnej powierzchni mogą również pojawić się wgniecenia.
- Wraz ze wzrostem szczeliny, widoczne stają się ogólne odkształcenie punktu zgrzeiny, centralne ugięcie i wgniecenie. Powierzchnia zgrzeiny kurczy się, a wytrzymałość gwałtownie spada. Obecnie w spawaniu rezystorów, baterii i w elektronice powszechnie stosuje się proces spawania dwóch punktów jednocześnie, zazwyczaj z wykorzystaniem dwóch źródeł światła laserowego.
Czas publikacji: 27-10-2025
