Точкове зварювання – це високошвидкісний та економічно ефективний метод з'єднання. Він підходить для з'єднання тонких пластинчастих компонентів нахлесточними з'єднаннями, які не потребують герметичності. Існує багато видів точкового зварювання, таких як контактне точкове зварювання, дугове точкове зварювання, клейове точкове зварювання,точкове зварювання композитних матеріалів, а також лазерне точкове зварювання. Наразі контактне точкове зварювання широко використовується у виробництві. Візьмемо, наприклад, автомобільну промисловість, то під час складання компонентів панелей кузова автомобіля потрібно від 3000 до 4000 зварних точок, що вимагає від 250 до 300 роботів, а також допоміжних систем керування та іншого допоміжного обладнання. Однак контактне точкове зварювання має низьку гнучкість. Зі швидким економічним розвитком цикл оновлення геометричних форм та структур автомобільних компонентів став дуже коротким. Модернізація нових продуктів та моделей вимагає нового типу технології точкового зварювання, яка є ефективною та гнучкою. Тому технологія лазерного точкового зварювання поступово стає центром уваги та очікується, що вона широко застосовується в автомобільному промисловому виробництві. В аерокосмічній галузі лазерне точкове зварювання також випробовується як альтернативна технологія. Протягом тривалого часу для нахлесточного з'єднання аерокосмічної продукції зазвичай використовувалися заклепки, що включає багато виробничих процесів та велике робоче навантаження. Зі зростанням застосування нових матеріалів, таких як алюмінієві сплави, титанові сплави та композитні матеріали, впровадження нових технологій зварювання для заміни традиційних методів з'єднання стало основною тенденцією. Це не лише підвищує ефективність виробництва, але й зменшує вагу конструкції та відповідає новим вимогам до проектування конструкцій, що має велике значення для аерокосмічної продукції. Висока точність і висока гнучкість лазерного точкового зварювання надають йому значні переваги у практичному виробництві, особливо в авіаційній промисловості, де воно може замінити традиційні процеси, такі як контактне точкове зварювання та клепки.
I. Визначення та характеристики лазерного точкового зварювання
Визначення
Лазерне точкове зварювання – це процес плавлення та з'єднання заготовок за допомогою одного лазерного імпульсу (t > 1 мс) або серії лазерних імпульсів в одному й тому ж положенні.
Лазерне точкове зварювання в основному схоже на інші процеси лазерного зварювання; єдина відмінність полягає в тому, що під час точкового зварювання немає відносного зміщення між лазерним променем і заготовкою. Лазерне точкове зварювання поділяється на два типи: термопровідне зварювання та зварювання у замкову щілину. При термопровідному точковому зварюванні лазер може лише плавити метал, не випаровуючи його. Цей метод більше підходить для зварювання металів товщиною менше 0,5 мм, таких як точкове зварювання електронних компонентів лазером Nd:YAG. При точковому зварюванні у замкову щілину лазер може безпосередньо проникати всередину матеріалу через замкову щілину, збільшуючи коефіцієнт використання лазерної енергії та досягаючи більшої глибини проникнення. Традиційне контактне точкове зварювання плавить заготовки для формування зварних плям за допомогою тепла опору, що генерується електричним струмом, тоді як джерелом тепла лазерного точкового зварювання є лазерне випромінювання, що призводить до суттєво відмінних форм зварних плям.
До регульованих параметрів лазерного точкового зварювання зазвичай належать потужність лазера, час точкового зварювання та ступінь розфокусування. Для точкового зварювання в імпульсному режимі параметри також включають форму хвилі імпульсу, частоту та робочий цикл. Серед них потужність лазера головним чином впливає на глибину проникнення зварної плями, тоді як час точкового зварювання має більший вплив на поперечний розмір зварної плями. Як правило, чим довший час дії лазера, тим більший розмір верхньої та нижньої поверхонь зварної плями та розмір поверхні зварювання. Зміни ступеня розфокусування головним чином впливають на діаметр плями та щільність енергії, що діє на поверхню заготовки, тим самим суттєво впливаючи на загальну форму зварної плями.
Характеристики
- Завдяки лазеру як джерелу тепла, точкове зварювання забезпечує високу швидкість, високу точність, низьке теплове навантаження та мінімальну деформацію заготовки.
- Ступінь свободи в положеннях точкового зварювання значно покращено, що дозволяє виконувати точкове зварювання в усіх положеннях та легко його реалізувати.одностороннє точкове зварювання, що значно розширює свободу дизайну продукції.
- Лазерне точкове зварювання має низькі вимоги до розміру нахлестоподібних з'єднань. Існують мінімальні обмеження на такі параметри, як кількість нахлестоподібних з'єднань та відстань між зварними точками, і немає потреби враховувати вплив шунтування струму.
- Для зварювання пластин різної товщини, різнорідних матеріалів та спеціальних матеріалів (алюмінієвих сплавів, оцинкованих листів) лазерне точкове зварювання працює краще, ніж традиційні методи точкового зварювання.
- Він не потребує великої кількості допоміжного обладнання, може швидко адаптуватися до змін продукту та відповідати вимогам ринку.
II. Аналіз дефектів лазерного точкового зварювання
Тріщини, пори та провисання є найпоширенішими дефектами лазерного точкового зварювання, які аналізуються нижче по одному.
1. Тріщини
Тріщини поділяються на поверхневі та поздовжні. Швидкість нагрівання та охолодження під час лазерного точкового зварювання дуже висока, що призводить до великого градієнта температури між нагрітою ділянкою та навколишнім металом, що легко призводить до утворення тріщин. Виникнення тріщин тісно пов'язане з матеріалом; наприклад, алюмінієві сплави мають набагато вищу схильність до розтріскування під час лазерного точкового зварювання, ніж нержавіюча сталь. Ефективним методом придушення утворення тріщин є оптимізація форми імпульсної хвилі для контролю швидкості охолодження в процесі затвердіння металу та зменшення внутрішніх напружень.
2. Пори
Пористі дефекти (пори) у лазерному точковому зварюванні можна розділити на дрібні та великі пори. Дрібні пори в основному спричинені зменшенням розчинності водню в рідкому металі під час його затвердіння, а також швидким випаровуванням металу в замковій щілині та порушенням розплавленої ванни. Великі пори в основному зумовлені занадто швидкою швидкістю охолодження під час лазерного точкового зварювання, що залишає недостатньо часу для заповнення металом навколо замкової щілини. Як правило, дрібні пори схильні до утворення при довгоімпульсному точковому зварюванні, тоді як великі пори ймовірніше утворюються при короткоімпульсному точковому зварюванні.
Існує два місця, де пори найчастіше з'являються під час лазерного точкового зварювання: одне знаходиться поблизу зони сплавлення посередині плями зварювання, а інше — біля кореня шва. Зображення плавлення, отримані за допомогою рентгенівських променів, показують, що пори поблизу зони сплавлення в основному утворюються через утворення шийки під час закриття замкової щілини; пори в корені шва в основному утворюються внаслідок руйнування замкової щілини через швидке зникнення лазера після утворення замкової щілини.
3. Провисання
Провисання – це очевидне явище під час лазерного точкового зварювання. Центральне провисання на поверхні зварної плями та накопичення металу навколо неї спричинені силою віддачі, що виникає внаслідок випаровування металу, що проштовхує рідкий метал до поверхні зварної плями. Під час процесу охолодження накопичений метал на поверхні швидко твердне і не може бути повністю заповнений. Крім того, втрата матеріалу, спричинена швидким випаровуванням та розбризкуванням металу, є ще одним фактором, що сприяє центральному провисанню. Час імпульсу суттєво впливає як на провисання поверхні зварної плями, так і на утворення пор. Задовільної якості зварних плям можна отримати, оптимізуючи форму хвилі імпульсу та час.
4. Вплив величини дефокусування на зварні плями
Зміни величини дефокусування безпосередньо змінюють діаметр плями та густину енергії. Коли величина дефокусування збільшується як у негативному, так і в позитивному напрямках, це означає, що діаметр плями збільшується, а густина енергії зменшується. Під час лазерного точкового зварювання існує певний відповідний зв'язок між діаметром плями та розміром початкової замкової щілини, утвореної лазером, що падає на випробуваний зразок, тоді як густина енергії визначає швидкість розширення розплавленої ванни. Коли абсолютне значення величини дефокусування мале, діаметр лазерної плями малий, густина лазерної потужності висока, а швидкість розширення розплавленої ванни зварної плями висока, але діаметр початкової замкової щілини малий. І навпаки, коли величина дефокусування велика, діаметр початкової замкової щілини великий, але швидкість розширення розплавленої ванни сповільнюється, і результуючий розмір зварної плями може бути невеликим. Тому під час зміни величини дефокусування комплексний вплив діаметра плями та поверхневої густини потужності зварної плями визначає розмір зварної плями.
III. Застосування технології лазерного точкового зварювання
Лазерне точкове зварювання характеризується високою швидкістю, великою глибиною проникнення, мінімальною деформацією та може виконуватися за кімнатної температури або за спеціальних умов за допомогою простого зварювального обладнання. Крім того, поява високочастотних імпульсних лазерів (з частотою вище 40 імпульсів за секунду) дозволила широке застосування лазерного точкового зварювання при складанні та зварюванні мікро- та малих компонентів у масовому автоматизованому виробництві. Під час зварювання малих електронних компонентів, які потребують невеликої зони термічного впливу, таких як з'єднання між склом і металом, з'єднання стиків у термочутливих напівпровідникових схемах та з'єднання між різними металами в дротах, лазерне точкове зварювання є більш вигідним, ніж традиційні процеси точкового зварювання (наприклад, контактне точкове зварювання), завдяки чистим зварним точкам та високій якості зварювання. На рисунку 6-60 показано приклад застосування лазерного точкового зварювання у виробництві автомобільних фар: твердотільний імпульсний лазер потужністю 500 Вт генерує чотири однакові зварні точки з дуже високою частотою імпульсів.
Під час виконання високоточного точкового зварювання мікроструктур з використанням високої енергії імпульсів імпульсні Nd:YAG лазери мають технічні та економічні переваги. У більшості промислових застосувань точкового зварювання в основному використовуються імпульсні твердотільні лазери із середньою потужністю 50 Вт та імпульсною потужністю > 2 кВт. Лазер може впливати безпосередньо на заготовку через оптичні волокна або комбіновані фокусуючі лінзи.
Лазерне точкове зварювання застосовується до широкого спектру матеріалів. Наприклад, під час точкового зварювання літієвих акумуляторів з використанням Nd:Технологія точкового лазерного зварювання YAGЗ'єднання різних металів є ефективнішим, ніж TIG-зварювання та контактне точкове зварювання. Зокрема, оскільки оптичні волокна використовуються для передачі лазерів під час виробництва, зручно швидко та гнучко переміщатися між різними робочими столами.
Коротко кажучи, лазерне точкове зварювання має такі характеристики:
- Зі збільшенням потужності лазера діаметр поверхні зварної плями коливається вгору та вниз, тоді як діаметр поверхні сплавлення та нижньої поверхні збільшується повільно. Зміна форми поперечного перерізу зварної плями не є очевидною. Зі збільшенням тривалості випромінювання розмір зварної плями швидко збільшується, а швидкість зміни діаметра поверхні сплавлення більша, ніж діаметрів верхньої та нижньої поверхонь. Зміна ступеня розфокусування суттєво впливає на розмір зварної плями. Це безпосередньо змінює діаметр плями та щільність потужності лазера, і комплексний вплив цих двох факторів визначає розмір зварної плями.
- У разі повного проплавлення на поверхні лазерного точкового зварювання спостерігається очевидне провисання. Зі збільшенням потужності та тривалості лазера глибина провисання на поверхні зварної плями збільшується. Коли тривалість або розмір зазору великі, на нижній поверхні також може бути вм'ятина.
- Зі збільшенням зазору стають очевидними загальна деформація зварної точки, центральне провисання та вдавлення. Поверхня зварювання стискається, а міцність швидко падає. Наразі в зварюванні резисторів, батарей та в електроніці зазвичай використовується процес одночасного зварювання двох точок, який зазвичай передбачає використання двох джерел лазерного світла.
Час публікації: 27 жовтня 2025 р.
