Точковото заваряване е високоскоростен и рентабилен метод за съединяване. Подходящо е за свързване на тънколистови компоненти с припокриващи съединения, които не изискват херметичност. Съществуват много видове точково заваряване, като например точково съпротивление, точково дъгово заваряване, точково заваряване с лепило и др.точково заваряване на композитни материали, и лазерно точково заваряване. В момента точковото съпротивление се използва широко в производството. Вземайки за пример автомобилната индустрия, по време на сглобяването на компонентите на каросерията на автомобила са необходими от 3000 до 4000 заваръчни точки, което изисква 250 до 300 робота, заедно с поддържащи системи за управление и друго спомагателно оборудване. Точковото съпротивление обаче е слабо гъвкаво. С бързото икономическо развитие цикълът на актуализиране на геометричните форми и структури на автомобилните компоненти стана много кратък. Модернизирането на нови продукти и модели изисква нов тип технология за точково заваряване, която е ефективна и гъвкава. Следователно, технологията за лазерно точково заваряване постепенно се превърна във фокус на внимание и се очаква да намери широко приложение в автомобилното промишлено производство. В аерокосмическата област лазерното точково заваряване също се тества като алтернативна технология. Дълго време припокриващите съединения на аерокосмическите продукти обикновено се използват занитване, което включва много производствени процеси и голямо натоварване. С нарастващото приложение на нови материали като алуминиеви сплави, титаниеви сплави и композитни материали, приемането на нови технологии за заваряване, за да се заменят традиционните методи на съединяване, се превърна в основна тенденция. Това не само подобрява ефективността на производството, но и намалява структурното тегло и отговаря на новите изисквания за структурен дизайн, което е от голямо значение за аерокосмическите продукти. Високата прецизност и високата гъвкавост на лазерното точково заваряване му дават значителни предимства в практическото производство, особено в авиационната индустрия, където може да замени традиционните процеси като точково съпротивление и занитване.
I. Определение и характеристики на лазерното точково заваряване
Определение
Лазерното точково заваряване се отнася до процеса на топене и съединяване на детайли с помощта на единичен лазерен импулс (t > 1ms) или серия от лазерни импулси на едно и също място.
Лазерното точково заваряване е по същество подобно на другите процеси на лазерно заваряване; единствената разлика е, че по време на точковото заваряване няма относително изместване между лазерния лъч и детайла. Лазерното точково заваряване се разделя на два вида: термопроводимо заваряване и заваряване тип „ключова дупка“. При термопроводимото точково заваряване лазерът може само да разтопи метала, без да го изпарява. Този метод е по-подходящ за заваряване на метали с дебелина по-малка от 0,5 мм, като например Nd:YAG лазерно точково заваряване на електронни компоненти. При лазерното точково заваряване тип „ключова дупка“ лазерът може директно да навлезе във вътрешността на материала през „ключовата дупка“, увеличавайки коефициента на използване на лазерната енергия и постигайки по-голяма дълбочина на проникване. Традиционното съпротивително точково заваряване разтопява детайлите, за да образува заваръчни точки, използвайки съпротивителна топлина, генерирана от електрически ток, докато източникът на топлина за лазерно точково заваряване идва от лазерно лъчение, което води до значително различни форми на заваръчните точки.
Регулируемите параметри на лазерното точково заваряване обикновено включват мощност на лазера, време за точково заваряване и степен на разфокусиране. За точково заваряване с импулсен режим, параметрите включват също форма на вълната на импулса, честота и работен цикъл. Сред тях, мощността на лазера влияе главно върху дълбочината на проникване на заваръчното петно, докато времето за точково заваряване има по-голямо влияние върху страничния размер на заваръчното петно. Обикновено, колкото по-дълго е времето на лазерно действие, толкова по-големи са размерът на горната и долната повърхност на заваръчното петно и размерът на повърхността на сливане. Промените в степента на разфокусиране влияят главно върху диаметъра на петното и плътността на енергията, действаща върху повърхността на детайла, като по този начин оказват значително влияние върху цялостната форма на заваръчното петно.
Характеристики
- С лазер като източник на топлина, точковото заваряване предлага висока скорост, висока прецизност, ниско влагане на топлина и минимална деформация на детайла.
- Степента на свобода в позициите за точково заваряване е значително подобрена, което позволява точково заваряване във всички позиции и лесно изпълнение.едностранно точково заваряване, като по този начин значително се увеличава свободата на продуктовия дизайн.
- Лазерното точково заваряване има ниски изисквания за размера на припокриващите се съединения. Има минимални ограничения за параметри като брой припокриващи се съединения и разстояние между заваръчните точки и няма нужда да се отчита влиянието на шунтирането на тока.
- За заваряване на плочи с неравна дебелина, разнородни материали и специални материали (алуминиеви сплави, поцинковани листове), лазерното точково заваряване се представя по-добре от традиционните методи за точково заваряване.
- Не изисква голям брой спомагателно оборудване, може бързо да се адаптира към промените в продукта и да отговори на пазарните изисквания.
II. Анализ на дефектите при лазерно точково заваряване
Пукнатини, пори и провисвания са най-често срещаните дефекти при лазерното точково заваряване, които са анализирани един по един по-долу.
1. Пукнатини
Пукнатините се разделят на повърхностни пукнатини и надлъжни пукнатини. Скоростите на нагряване и охлаждане по време на лазерно точково заваряване са много бързи, което води до голям температурен градиент между нагрятата зона и околния метал, което лесно води до образуване на пукнатини. Появата на пукнатини е тясно свързана с материала; например, алуминиевите сплави имат много по-голяма склонност към напукване по време на лазерно точково заваряване, отколкото неръждаемата стомана. Ефективен метод за потискане на образуването на пукнатини е оптимизирането на формата на импулсната вълна, за да се контролира скоростта на охлаждане на процеса на втвърдяване на метала и да се намали вътрешното напрежение.
2. Пори
Порестите дефекти (пори) в лазерните точкови заварки могат да бъдат разделени на малки пори и големи пори. Малките пори се дължат главно на намаляването на разтворимостта на водород в течен метал по време на втвърдяването на метала, както и на бързото изпаряване на метала в отвора за заваряване и нарушаването на разтопената вана. Големите пори се дължат главно на твърде бързата скорост на охлаждане по време на лазерно точково заваряване, което не оставя достатъчно време за запълване на метала около отвора за заваряване. Обикновено малките пори са склонни да се образуват при точково заваряване с дълъг импулс, докато големите пори са по-вероятни при точково заваряване с къс импулс.
Има две места, където е най-вероятно да се появят пори при лазерно точково заваряване: едното е близо до зоната на сливане в средата на заваръчното петно, а другото е в основата на заваръчния шев. Изображенията на топене, заснети с рентгенови лъчи, показват, че порите близо до зоната на сливане са причинени главно от образуване на шийки при затваряне на отвора за ключалката; порите в основата на заваръчния шев се образуват главно от свиването на отвора за ключалката поради бързото изчезване на лазера след образуването му.
3. Провисване
Провисването е очевидно явление при лазерното точково заваряване. Централното провисване на повърхността на заваръчния шев и натрупването на метал около него са причинени от силата на откат, генерирана от изпаряването на метала, изтласкваща течния метал към повърхността на заваръчния шев. По време на процеса на охлаждане, натрупаният метал върху повърхността се втвърдява бързо и не може да бъде напълно запълнен. Освен това, загубата на материал, причинена от бързото изпаряване и разпръскване на метал, е друг фактор, допринасящ за централното провисване. Времето на импулса има значително влияние както върху провисването на повърхността на заваръчния шев, така и върху образуването на пори. Задоволителни заваръчни петна могат да бъдат получени чрез оптимизиране на формата на вълната на импулса и времето.
4. Влияние на степента на разфокусиране върху заваръчните петна
Промените в степента на разфокусиране директно променят диаметъра на петното и плътността на енергията. Когато степента на разфокусиране се увеличава както в отрицателна, така и в положителна посока, това означава, че диаметърът на петното се увеличава, а плътността на енергията намалява. По време на лазерно точково заваряване съществува определена съответстваща връзка между диаметъра на петното и размера на първоначалния отвор, образуван от лазера, падащ върху изпитваното парче, докато плътността на енергията определя скоростта на разширение на разтопената вана. Когато абсолютната стойност на степента на разфокусиране е малка, диаметърът на лазерното петно е малък, плътността на лазерната мощност е висока и скоростта на разширение на разтопената вана на заваръчното петно е бърза, но диаметърът на първоначалния отвор е малък. Напротив, когато степента на разфокусиране е голяма, диаметърът на първоначалния отвор е голям, но скоростта на разширение на разтопената вана се забавя и полученият размер на заваръчното петно може да не е голям. Следователно, по време на промяната на степента на разфокусиране, комплексният ефект от диаметъра на петното и повърхностната плътност на мощността на заваръчното петно определя размера на заваръчното петно.
III. Приложение на технологията за лазерно точково заваряване
Лазерното точково заваряване се характеризира с висока скорост, голяма дълбочина на проникване, минимална деформация и може да се извършва при стайна температура или при специални условия с просто заваръчно оборудване. Освен това, появата на високочестотни импулсни лазери (с честота по-висока от 40 импулса в секунда) позволи широкото приложение на лазерното точково заваряване при сглобяването и заваряването на микро и малки компоненти в масовото автоматизирано производство. При заваряване на малки електронни компоненти, които изискват малка зона, засегната от топлина – като например връзката между стъкло и метал, свързването на съединения в термочувствителни полупроводникови схеми и връзката между различни метали в проводници – лазерното точково заваряване е по-изгодно от традиционните процеси на точково заваряване (напр. съпротивително точково заваряване), с беззамърсяващи заваръчни точки и високо качество на заваряване. Фигура 6-60 показва пример за приложение на лазерно точково заваряване в производството на автомобилни фарове: 500W твърдотелен импулсен лазер генерира четири подобни заваръчни точки с много висока честота на импулсите.
При извършване на високопрецизно точково заваряване на микроструктури с висока импулсна енергия, импулсните Nd:YAG лазери имат технически и икономически предимства. В повечето индустриални приложения за точково заваряване основно се използват импулсни твърдотелни лазери със средна мощност 50 W и импулсна мощност > 2 kW. Лазерът може да въздейства директно върху детайла чрез оптични влакна или комбинирани фокусиращи лещи.
Лазерното точково заваряване е приложимо за широк спектър от материали. Например, при точково заваряване на литиеви батерии, използващи Nd:Технология за точково заваряване с YAG лазерСвързването на различни метали е по-ефективно от TIG заваряването и точковото съпротивление. По-специално, тъй като оптичните влакна се използват за предаване на лазери по време на производството, е удобно бързото и гъвкаво придвижване между различни работни маси.
В обобщение, лазерното точково заваряване има следните характеристики:
- С увеличаване на мощността на лазера, диаметърът на повърхността на заваръчното петно се променя нагоре и надолу, докато диаметърът на повърхността на сливане и долната повърхност се увеличава бавно. Промяната във формата на напречното сечение на заваръчното петно не е очевидна. С увеличаване на продължителността размерът на заваръчното петно се увеличава бързо и скоростта на промяна на диаметъра на повърхността на сливане е по-голяма от тази на диаметъра на горната и долната повърхност. Промяната в степента на разфокусиране има значително влияние върху размера на заваръчното петно. Тя директно променя диаметъра на петното и плътността на мощността на лазера, а комплексното въздействие на тези два фактора определя размера на заваръчното петно.
- В случай на пълно проникване, има видимо провисване по повърхността на лазерната точкова заварка. С увеличаване на мощността и продължителността на лазера, дълбочината на провисване върху повърхността на заваръчното петно се увеличава. Когато продължителността или размерът на пролуката са големи, долната повърхност също може да покаже вдлъбнатина.
- С увеличаване на разстоянието, общата деформация на заваръчното място, централното провисване и вдлъбнатината стават очевидни. Повърхността на сливане се свива и якостта намалява бързо. В момента, при заваряването на резистори, батерии и в областта на електрониката, процесът на едновременно заваряване на две точки е често срещан, като обикновено се използва конструкция с два лазерни източника на светлина.
Време на публикуване: 27 октомври 2025 г.
