Točkasto zavarivanje je brza i isplativa metoda spajanja. Pogodno je za spajanje tankolinih komponenti s preklopnim spojevima koji ne zahtijevaju hermetičku nepropusnost. Postoje mnoge vrste točkastog zavarivanja, kao što su otporno točkasto zavarivanje, elektrolučno točkasto zavarivanje, ljepljivo točkasto zavarivanje,kompozitno točkasto zavarivanje, i lasersko točkasto zavarivanje. Trenutno se otporno točkasto zavarivanje široko koristi u proizvodnji. Uzimajući automobilsku industriju kao primjer, potrebno je 3000 do 4000 zavarnih mjesta tijekom sastavljanja komponenti karoserije automobila, što zahtijeva 250 do 300 robota, zajedno s pratećim upravljačkim sustavima i drugom pomoćnom opremom. Međutim, otporno točkasto zavarivanje ima slabu fleksibilnost. S brzim gospodarskim razvojem, ciklus ažuriranja geometrijskih oblika i struktura automobilskih komponenti postao je vrlo kratak. Nadogradnja novih proizvoda i modela zahtijeva novu vrstu tehnologije točkastog zavarivanja koja je učinkovita i fleksibilna. Stoga je tehnologija laserskog točkastog zavarivanja postupno postala središte pozornosti i očekuje se da će se široko primjenjivati u automobilskoj industrijskoj proizvodnji. U zrakoplovnom području, lasersko točkasto zavarivanje također se testira kao alternativna tehnologija. Dugo se vremena, preklopni spojevi zrakoplovnih proizvoda općenito koriste zakivanje, što uključuje mnoge proizvodne procese i veliko opterećenje. S rastućom primjenom novih materijala kao što su aluminijeve legure, legure titana i kompozitni materijali, usvajanje novih tehnologija zavarivanja koje zamjenjuju tradicionalne metode spajanja postalo je glavni trend. To ne samo da poboljšava učinkovitost proizvodnje, već i smanjuje strukturnu težinu i ispunjava nove zahtjeve strukturnog dizajna, što je od velikog značaja za zrakoplovne proizvode. Visoka preciznost i velika fleksibilnost laserskog točkastog zavarivanja daju mu značajne prednosti u praktičnoj proizvodnji, posebno u zrakoplovnoj industriji, gdje može zamijeniti tradicionalne procese poput točkastog zavarivanja otporom i zakivanja.
I. Definicija i karakteristike laserskog točkastog zavarivanja
Definicija
Točkasto lasersko zavarivanje odnosi se na proces taljenja i spajanja radnih komada pomoću jednog laserskog impulsa (t > 1ms) ili niza laserskih impulsa na istoj poziciji.
Točkasto lasersko zavarivanje u osnovi je slično drugim postupcima laserskog zavarivanja; jedina je razlika što nema relativnog pomaka između laserske zrake i obratka tijekom točkastog zavarivanja. Točkasto lasersko zavarivanje dijeli se na dvije vrste: toplinsko vodljivo zavarivanje i zavarivanje ključaonicom. Kod točkastog zavarivanja toplinskom vodljivošću, laser može samo rastopiti metal bez isparavanja. Ova metoda je prikladnija za zavarivanje metala debljine manje od 0,5 mm, kao što je Nd:YAG lasersko točkasto zavarivanje elektroničkih komponenti. Kod točkastog laserskog zavarivanja ključaonicom, laser može izravno ući u unutrašnjost materijala kroz ključanicu, povećavajući stopu iskorištenja laserske energije i postižući veću dubinu prodiranja. Tradicionalno točkasto zavarivanje otporom tali obratke kako bi se formirale točke zavara pomoću topline otpora koju generira električna struja, dok izvor topline laserskog točkastog zavarivanja dolazi od laserskog zračenja, što rezultira značajno različitim oblicima točaka zavara.
Podesivi parametri laserskog točkastog zavarivanja općenito uključuju snagu lasera, vrijeme točkastog zavarivanja i količinu defokusiranja. Za točkasto zavarivanje pulsirajućim načinom rada, parametri također uključuju oblik vala pulsa, frekvenciju i radni ciklus. Među njima, snaga lasera uglavnom utječe na dubinu prodiranja zavarene točke, dok vrijeme točkastog zavarivanja ima veći utjecaj na bočnu veličinu zavarene točke. Općenito, što je dulje vrijeme djelovanja lasera, to je veća veličina gornje i donje površine zavarene točke i veličina površine taljenja. Promjene u količini defokusiranja uglavnom utječu na promjer točke i gustoću energije koja djeluje na površinu obratka, te stoga imaju značajan utjecaj na ukupni oblik zavarene točke.
Karakteristike
- S laserom kao izvorom topline, točkasto zavarivanje nudi veliku brzinu, visoku preciznost, nizak unos topline i minimalnu deformaciju obratka.
- Stupanj slobode u položajima točkastog zavarivanja znatno je poboljšan, što omogućuje točkasto zavarivanje u svim položajima i jednostavnu realizacijujednostrano točkasto zavarivanje, čime se značajno povećava sloboda dizajna proizvoda.
- Točkasto lasersko zavarivanje ima niske zahtjeve za veličinu preklopljenih spojeva. Postoje minimalna ograničenja parametara kao što su broj preklopljenih spojeva i udaljenost između zavarenih mjesta, te nema potrebe uzimati u obzir utjecaj pomjeranja struje.
- Za zavarivanje ploča nejednake debljine, različitih materijala i posebnih materijala (aluminijskih legura, pocinčanih limova), lasersko točkasto zavarivanje daje bolje rezultate od tradicionalnih metoda točkastog zavarivanja.
- Ne zahtijeva veliki broj pomoćne opreme, može se brzo prilagoditi promjenama proizvoda i zadovoljiti zahtjeve tržišta.
II. Analiza nedostataka laserskog točkastog zavarivanja
Pukotine, pore i udubljenje najčešći su nedostaci u laserskom točkastom zavarivanju, koji su u nastavku analizirani jedan po jedan.
1. Pukotine
Pukotine se dijele na površinske pukotine i uzdužne pukotine. Brzine zagrijavanja i hlađenja tijekom točkastog laserskog zavarivanja su vrlo brze, što rezultira velikim temperaturnim gradijentom između zagrijanog područja i okolnog metala, što lako dovodi do stvaranja pukotina. Pojava pukotina usko je povezana s materijalom; na primjer, aluminijske legure imaju mnogo veću sklonost pucanju tijekom točkastog laserskog zavarivanja od nehrđajućeg čelika. Učinkovita metoda za suzbijanje stvaranja pukotina je optimizacija pulsnog valnog oblika kako bi se kontrolirala brzina hlađenja procesa skrućivanja metala i smanjilo unutarnje naprezanje.
2. Pore
Porozni defekti (pore) u laserskim točkastim zavarivanjima mogu se podijeliti na male pore i velike pore. Male pore uglavnom su uzrokovane smanjenjem topljivosti vodika u tekućem metalu tijekom skrućivanja metala, kao i brzim isparavanjem metala u ključanici i poremećajem rastaljene kupke. Velike pore uglavnom su posljedica prebrze brzine hlađenja tijekom laserskog točkastog zavarivanja, što ne ostavlja dovoljno vremena da se metal oko ključanice ponovno zatrpa. Općenito, male pore su sklone stvaranju kod dugopulsnog točkastog zavarivanja, dok se velike pore vjerojatno javljaju kod kratkopulsnog točkastog zavarivanja.
Postoje dva mjesta gdje se pore najvjerojatnije pojavljuju kod laserskog točkastog zavarivanja: jedno je blizu zone taljenja u sredini mjesta zavara, a drugo je u korijenu zavara. Slike taljenja snimljene rendgenskim zrakama pokazuju da su pore u blizini zone taljenja uglavnom uzrokovane stvaranjem suženja kada se ključanica zatvori; pore u korijenu zavara uglavnom nastaju urušavanjem ključanice zbog brzog nestanka lasera nakon stvaranja ključanice.
3. Opuštanje
Udubljenje je očita pojava kod laserskog točkastog zavarivanja. Središnje udubljenje na površini zavara i nakupljanje metala oko nje uzrokovani su silom trzanja koja nastaje isparavanjem metala gurajući tekući metal na površinu zavara. Tijekom procesa hlađenja, nakupljeni metal na površini se brzo stvrdnjava i ne može se u potpunosti zatrpati. Osim toga, gubitak materijala uzrokovan brzim isparavanjem i prskanjem metala još je jedan čimbenik koji doprinosi središnjem udubljenju. Vrijeme pulsa ima značajan utjecaj i na udubljenje površine zavara i na stvaranje pora. Zadovoljavajuća mjesta zavara mogu se dobiti optimizacijom vala pulsa i vremena.
4. Utjecaj količine defokusiranja na mjesta zavarivanja
Promjene u količini defokusiranja izravno mijenjaju promjer točke i gustoću energije. Kada se količina defokusiranja povećava i u negativnom i u pozitivnom smjeru, to znači da se promjer točke povećava, a gustoća energije smanjuje. Tijekom laserskog točkastog zavarivanja postoji određeni odgovarajući odnos između promjera točke i veličine početne ključanice koju je laserski snop formirao na ispitnom komadu, dok gustoća energije određuje brzinu širenja rastaljenog područja. Kada je apsolutna vrijednost količine defokusiranja mala, promjer laserske točke je mali, gustoća snage lasera je visoka, a brzina širenja rastaljenog područja mjesta zavarivanja je brza, ali je promjer početne ključanice mali. Naprotiv, kada je količina defokusiranja velika, promjer početne ključanice je velik, ali se brzina širenja rastaljenog područja usporava, a rezultirajuća veličina mjesta zavarivanja možda neće biti velika. Stoga, tijekom promjene količine defokusiranja, sveobuhvatni učinak promjera točke i površinske gustoće snage mjesta zavarivanja određuje veličinu mjesta zavarivanja.
III. Primjena tehnologije laserskog točkastog zavarivanja
Točkasto lasersko zavarivanje odlikuje se velikom brzinom, velikom dubinom prodiranja, minimalnom deformacijom i može se izvoditi na sobnoj temperaturi ili pod posebnim uvjetima s jednostavnom opremom za zavarivanje. Osim toga, pojava visokofrekventnih pulsirajućih lasera (s frekvencijom većom od 40 pulseva u sekundi) omogućila je široku primjenu točkastog laserskog zavarivanja u sastavljanju i zavarivanju mikro i malih komponenti u masovnoj automatiziranoj proizvodnji. Prilikom zavarivanja malih elektroničkih komponenti koje zahtijevaju malu zonu utjecaja topline - poput spoja između stakla i metala, spoja spojeva u toplinski osjetljivim poluvodičkim krugovima i spoja između različitih metala u žicama - točkasto lasersko zavarivanje je povoljnije od tradicionalnih procesa točkastog zavarivanja (npr. točkasto otporno zavarivanje), s mjestima zavarivanja bez onečišćenja i visokom kvalitetom zavarivanja. Slika 6-60 prikazuje primjer primjene točkastog laserskog zavarivanja u proizvodnji automobilskih prednjih svjetala: pulsni laser u čvrstom stanju od 500 W generira četiri slična mjesta zavarivanja s vrlo visokom frekvencijom pulseva.
Pri izvođenju visokopreciznog točkastog zavarivanja na mikrostrukturama korištenjem visoke energije impulsa, pulsirajući Nd:YAG laseri imaju tehničke i ekonomske prednosti. U većini industrijskih primjena točkastog zavarivanja u osnovi se koriste pulsirajući laseri u čvrstom stanju s prosječnom snagom od 50 W i snagom impulsa > 2 kW. Laser može djelovati izravno na obradak putem optičkih vlakana ili kombiniranih fokusirajućih leća.
Lasersko točkasto zavarivanje primjenjivo je na širok raspon materijala. Na primjer, pri točkastom zavarivanju litijevih baterija, korištenjem Nd:YAG tehnologija laserskog točkastog zavarivanjaSpajanje različitih metala učinkovitije je od TIG zavarivanja i točkastog zavarivanja otporom. Posebno, budući da se optička vlakna koriste za prijenos lasera tijekom proizvodnje, praktično je brzo i fleksibilno kretati se između različitih radnih stolova.
Ukratko, lasersko točkasto zavarivanje ima sljedeće karakteristike:
- S povećanjem snage lasera, promjer površine zavara varira gore-dolje, dok se promjer površine taljenja i donje površine sporo povećava. Promjena oblika poprečnog presjeka mjesta zavara nije očita. Kako se trajanje povećava, veličina mjesta zavara se brzo povećava, a brzina promjene promjera površine taljenja je veća od promjera gornje i donje površine. Promjena količine defokusiranja ima značajan utjecaj na veličinu mjesta zavara. Izravno mijenja promjer mjesta i gustoću snage lasera, a sveobuhvatni učinak ova dva faktora određuje veličinu mjesta zavara.
- U slučaju potpunog prodiranja, na površini laserskog točkastog zavara vidljivo je udubljenje. S povećanjem snage i trajanja lasera, dubina udubljenja na površini zavara se povećava. Kada je trajanje ili veličina razmaka velika, donja površina također može pokazati udubljenje.
- Kako se razmak povećava, ukupna deformacija mjesta zavara, središnje udubljenje i udubljenje postaju očiti. Površina taljenja se smanjuje, a čvrstoća se brzo smanjuje. Trenutno se u zavarivanju otpornika, baterija i elektroničkom području uobičajeno koristi postupak istovremenog zavarivanja dvaju točaka, koji obično usvaja dizajn s dva laserska izvora svjetlosti.
Vrijeme objave: 27. listopada 2025.
