Točkovno varjenje je visokohitrostna in stroškovno učinkovita metoda spajanja. Primerno je za spajanje tankoploščenih komponent s prekrivajočimi spoji, ki ne zahtevajo zrakotesnosti. Obstaja veliko vrst točkovnega varjenja, kot so uporovno točkovno varjenje, obločno točkovno varjenje, lepljeno točkovno varjenje,točkovno varjenje kompozitnih materialov, in lasersko točkovno varjenje. Trenutno se uporovno točkovno varjenje pogosto uporablja v proizvodnji. V avtomobilski industriji je za primer potrebnih od 3000 do 4000 varilnih mest med sestavljanjem komponent karoserije avtomobila, kar zahteva 250 do 300 robotov, skupaj s podpornimi krmilnimi sistemi in drugo pomožno opremo. Vendar pa ima uporovno točkovno varjenje slabo fleksibilnost. Z hitrim gospodarskim razvojem je cikel posodabljanja geometrijskih oblik in struktur avtomobilskih komponent postal zelo kratek. Nadgradnja novih izdelkov in modelov zahteva novo vrsto tehnologije točkovnega varjenja, ki je učinkovita in prilagodljiva. Zato je tehnologija laserskega točkovnega varjenja postopoma postala v središču pozornosti in pričakuje se, da se bo široko uporabljala v avtomobilski industrijski proizvodnji. Na področju letalstva in vesolja se lasersko točkovno varjenje preizkuša tudi kot alternativna tehnologija. Že dolgo se za prekrivne spoje letalskih izdelkov običajno uporablja kovičenje, kar vključuje številne proizvodne procese in veliko delovno obremenitev. Z naraščajočo uporabo novih materialov, kot so aluminijeve zlitine, titanove zlitine in kompozitni materiali, je postalo prevladujoče uvajanje novih tehnologij varjenja za nadomestitev tradicionalnih metod spajanja. To ne le izboljša učinkovitost proizvodnje, temveč tudi zmanjša konstrukcijsko težo in izpolnjuje nove zahteve glede konstrukcijskega načrtovanja, kar je zelo pomembno za letalske izdelke. Visoka natančnost in velika fleksibilnost laserskega točkovnega varjenja mu dajeta znatne prednosti v praktični proizvodnji, zlasti v letalski industriji, kjer lahko nadomesti tradicionalne postopke, kot sta uporovno točkovno varjenje in kovičenje.
I. Definicija in značilnosti laserskega točkovnega varjenja
Definicija
Lasersko točkovno varjenje se nanaša na postopek taljenja in spajanja obdelovancev z uporabo enega samega laserskega impulza (t > 1 ms) ali serije laserskih impulzov na istem mestu.
Lasersko točkovno varjenje je v osnovi podobno drugim laserskim varilnim postopkom; edina razlika je v tem, da med točkovnim varjenjem ni relativnega premika med laserskim žarkom in obdelovancem. Lasersko točkovno varjenje se deli na dve vrsti: toplotno prevodno varjenje in varjenje z odprtino za ključavnico. Pri toplotno prevodnem točkovnem varjenju lahko laser kovino le tali, ne da bi jo uparil. Ta metoda je bolj primerna za varjenje kovin z debelino manj kot 0,5 mm, kot je na primer Nd:YAG lasersko točkovno varjenje elektronskih komponent. Pri laserskem točkovnem varjenju z odprtino za ključavnico lahko laser neposredno vstopi v notranjost materiala skozi odprtino za ključavnico, kar poveča izkoristek laserske energije in doseže večjo globino prodiranja. Tradicionalno uporovno točkovno varjenje tali obdelovance v varilne točke z uporabo uporovne toplote, ki jo ustvarja električni tok, medtem ko vir toplote laserskega točkovnega varjenja prihaja iz laserskega sevanja, kar ima za posledico bistveno drugačne oblike varilnih točk.
Nastavljivi parametri laserskega točkovnega varjenja običajno vključujejo moč laserja, čas točkovnega varjenja in stopnjo defokusiranja. Pri točkovnem varjenju v pulznem načinu parametri vključujejo tudi obliko valovnega vala impulza, frekvenco in delovni cikel. Med njimi moč laserja vpliva predvsem na globino prodiranja varilne točke, medtem ko ima čas točkovnega varjenja večji vpliv na prečno velikost varilne točke. Na splošno velja, da daljši kot je čas delovanja laserja, večja je velikost zgornje in spodnje površine varilne točke ter velikost talilne površine. Spremembe stopnje defokusiranja vplivajo predvsem na premer točke in gostoto energije, ki deluje na površino obdelovanca, kar pomembno vpliva na celotno obliko varilne točke.
Značilnosti
- Z laserjem kot virom toplote točkovno varjenje ponuja visoko hitrost, visoko natančnost, nizek vnos toplote in minimalno deformacijo obdelovanca.
- Stopnja svobode pri točkovnem varjenju je močno izboljšana, kar omogoča točkovno varjenje v vseh položajih in enostavno izvedboenostransko točkovno varjenje, s čimer se znatno poveča svoboda oblikovanja izdelkov.
- Lasersko točkovno varjenje ima nizke zahteve glede velikosti prekrivajočih spojev. Obstajajo minimalne omejitve glede parametrov, kot so velikost prekrivajočih spojev in razdalja med varjenimi mesti, in ni treba upoštevati vpliva prehajanja toka.
- Za varjenje plošč neenake debeline, različnih materialov in posebnih materialov (aluminijevih zlitin, pocinkanih pločevin) je lasersko točkovno varjenje boljše od tradicionalnih metod točkovnega varjenja.
- Ne zahteva veliko pomožne opreme, se lahko hitro prilagodi spremembam izdelkov in zadovolji zahteve trga.
II. Analiza napak pri laserskem točkovnem varjenju
Razpoke, pore in povešanje so najpogostejše napake pri laserskem točkovnem varjenju, ki so v nadaljevanju analizirane ena za drugo.
1. Razpoke
Razpoke delimo na površinske in vzdolžne razpoke. Hitrosti segrevanja in hlajenja med laserskim točkovnim varjenjem so zelo visoke, kar povzroči velik temperaturni gradient med segretim območjem in okoliško kovino, kar zlahka povzroči nastanek razpok. Pojav razpok je tesno povezan z materialom; na primer, aluminijeve zlitine imajo veliko večjo nagnjenost k razpokam med laserskim točkovnim varjenjem kot nerjaveče jeklo. Učinkovita metoda za preprečevanje nastajanja razpok je optimizacija impulzne valovne oblike za nadzor hitrosti hlajenja med procesom strjevanja kovine in zmanjšanje notranjih napetosti.
2. Pore
Porozne napake (pore) v laserskih točkovnih varjenjih lahko razdelimo na majhne in velike pore. Majhne pore nastanejo predvsem zaradi zmanjšanja topnosti vodika v tekoči kovini med strjevanjem kovine, pa tudi zaradi hitrega izhlapevanja kovine v ključavnici in motenj staljene talilne tekočine. Velike pore nastanejo predvsem zaradi prehitre hitrosti ohlajanja med laserskim točkovnim varjenjem, zaradi česar kovina okoli ključavnice nima dovolj časa, da bi se zapolnila. Na splošno so majhne pore nagnjene k nastanku pri točkovnem varjenju z dolgimi impulzi, medtem ko se velike pore verjetno pojavijo pri točkovnem varjenju s kratkimi impulzi.
Pri laserskem točkovnem varjenju se pore najverjetneje pojavijo na dveh mestih: eno je blizu talilne cone na sredini varilne točke, drugo pa je v korenu zvara. Slike taljenja, posnete z rentgenskimi žarki, kažejo, da pore v bližini talilne cone nastanejo predvsem zaradi ožilja, ko se ključavnica zapre; pore v korenu zvara pa nastanejo predvsem zaradi sesedanja ključavnice zaradi hitrega izginotja laserja po nastanku ključavnice.
3. Povešanje
Povesanje je očiten pojav pri laserskem točkovnem varjenju. Osrednje povesanje na površini varilnega mesta in kopičenje kovine okoli njega povzročata sila odboja, ki nastane zaradi uparjanja kovine, ki potiska tekočo kovino na površino varilnega mesta. Med postopkom hlajenja se nakopičena kovina na površini hitro strdi in je ni mogoče v celoti zapolniti. Poleg tega je izguba materiala zaradi hitrega izhlapevanja in brizganja kovine še en dejavnik, ki prispeva k osrednjemu povesanju. Čas impulza ima pomemben vpliv tako na povesanje površine varilnega mesta kot na nastanek por. Zadovoljive varilne točke je mogoče doseči z optimizacijo valovne oblike impulza in časa.
4. Vpliv količine defokusiranja na varilne lise
Spremembe stopnje defokusiranja neposredno spremenijo premer točke in gostoto energije. Ko se stopnja defokusiranja poveča tako v negativni kot pozitivni smeri, to pomeni, da se premer točke poveča in gostota energije zmanjša. Med laserskim točkovnim varjenjem obstaja določena ustrezna povezava med premerom točke in velikostjo začetne ključavnice, ki jo tvori laser, ki pada na preskušanec, medtem ko gostota energije določa hitrost širjenja taline. Ko je absolutna vrednost stopnje defokusiranja majhna, je premer laserske točke majhen, gostota laserske moči visoka in hitrost širjenja taline varilne točke je hitra, vendar je premer začetne ključavnice majhen. Nasprotno, ko je stopnja defokusiranja velika, je premer začetne ključavnice velik, vendar se hitrost širjenja taline upočasni in nastala velikost varilne točke morda ni velika. Zato pri spremembi stopnje defokusiranja celosten učinek premera točke in gostote površinske moči varilne točke določa velikost varilne točke.
III. Uporaba tehnologije laserskega točkovnega varjenja
Lasersko točkovno varjenje odlikuje visoka hitrost, velika globina prodiranja, minimalna deformacija in se lahko izvaja pri sobni temperaturi ali pod posebnimi pogoji s preprosto varilno opremo. Poleg tega je pojav visokofrekvenčnih impulznih laserjev (s frekvenco višjo od 40 impulzov na sekundo) omogočil široko uporabo laserskega točkovnega varjenja pri sestavljanju in varjenju mikro in majhnih komponent v masovni avtomatizirani proizvodnji. Pri varjenju majhnih elektronskih komponent, ki zahtevajo majhno območje toplotnega vpliva – kot so povezava med steklom in kovino, povezava spojev v toplotno občutljivih polprevodniških vezjih in povezava med različnimi kovinami v žicah – je lasersko točkovno varjenje ugodnejše od tradicionalnih postopkov točkovnega varjenja (npr. uporovno točkovno varjenje), saj zagotavlja varilne točke brez onesnaževanja in visoko kakovost varjenja. Slika 6-60 prikazuje primer uporabe laserskega točkovnega varjenja pri proizvodnji avtomobilskih žarometov: 500 W trden impulzni laser ustvari štiri podobne varilne točke z zelo visoko frekvenco impulzov.
Pri izvajanju visoko preciznega točkovnega varjenja mikrostruktur z uporabo visoke impulzne energije imajo impulzni Nd:YAG laserji tehnične in ekonomske prednosti. V večini industrijskih aplikacij točkovnega varjenja se v osnovi uporabljajo impulzni trdno-tesni laserji s povprečno močjo 50 W in impulzno močjo > 2 kW. Laser lahko deluje neposredno na obdelovanec prek optičnih vlaken ali kombiniranih fokusnih leč.
Lasersko točkovno varjenje je uporabno za širok spekter materialov. Na primer, pri točkovnem varjenju litijevih baterij z uporabo Nd:Tehnologija točkovnega varjenja z laserjem YAGSpajanje različnih kovin je učinkovitejše od TIG varjenja in točkovnega uporovnega varjenja. Predvsem zato, ker se za prenos laserjev med proizvodnjo uporabljajo optična vlakna, je priročno hitro in prilagodljivo premikanje med različnimi delovnimi mizami.
Skratka, lasersko točkovno varjenje ima naslednje značilnosti:
- Z naraščanjem moči laserja se premer površine varilne točke spreminja navzgor in navzdol, medtem ko se premer talilne površine in spodnje površine počasi povečujeta. Sprememba oblike prečnega prereza varilne točke ni očitna. Z naraščajočim trajanjem se velikost varilne točke hitro povečuje, stopnja spremembe premera talilne površine pa je večja kot pri premeru zgornje in spodnje površine. Sprememba stopnje defokusiranja ima pomemben vpliv na velikost varilne točke. Neposredno spremeni premer točke in gostoto moči laserja, celovit učinek teh dveh dejavnikov pa določa velikost varilne točke.
- V primeru popolne penetracije je na površini laserskega točkovnega varjenja opazno upogibanje. Z naraščanjem moči in trajanja laserja se globina upogibanja na površini varilne točke povečuje. Ko je trajanje ali velikost reže velika, se lahko na spodnji površini pojavi tudi vdolbina.
- Ko se reža poveča, postanejo očitne splošna deformacija varilne točke, osrednje upogibanje in vdolbina. Površina taljenja se skrči in trdnost se hitro zmanjša. Trenutno se pri varjenju uporov, baterij in na področju elektronike pogosto uporablja postopek hkratnega varjenja dveh točk, ki običajno vključuje zasnovo z dvema laserskima svetlobnima viroma.
Čas objave: 27. oktober 2025
