Punktsveising er en høyhastighets og kostnadseffektiv sammenføyningsmetode. Den er egnet for å koble sammen tynnplatekomponenter med overlappende skjøter som ikke krever lufttetthet. Det finnes mange typer punktsveising, for eksempel motstandspunktsveising, lysbuepunktsveising, limpunktsveising,kompositt punktsveising, og laserpunktsveising. For tiden er motstandspunktsveising mye brukt i produksjon. Hvis vi tar bilindustrien som et eksempel, er det behov for 3000 til 4000 sveisepunkter under montering av karosserikomponenter, noe som krever 250 til 300 roboter, sammen med støttende kontrollsystemer og annet tilleggsutstyr. Motstandspunktsveising har imidlertid dårlig fleksibilitet. Med den raske økonomiske utviklingen har oppdateringssyklusen for de geometriske formene og strukturene til bilkomponenter blitt svært kort. Oppgraderingen av nye produkter og modeller krever en ny type punktsveiseteknologi som er effektiv og fleksibel. Derfor har laserpunktsveiseteknologi gradvis blitt fokus for oppmerksomheten og forventes å bli mye brukt i bilindustrien. Innen luftfartsfeltet testes laserpunktsveising også som en alternativ teknologi. I lang tid har overlappingsforbindelser i luftfartsprodukter generelt brukt nagling, noe som involverer mange produksjonsprosesser og tung arbeidsmengde. Med den økende bruken av nye materialer som aluminiumslegeringer, titanlegeringer og komposittmaterialer, har det blitt en vanlig trend å ta i bruk nye sveiseteknologier for å erstatte tradisjonelle sammenføyningsmetoder. Dette forbedrer ikke bare produksjonseffektiviteten, men reduserer også strukturvekten og oppfyller nye krav til strukturell design, noe som er av stor betydning for luftfartsprodukter. Den høye presisjonen og den høye fleksibiliteten til laserpunktsveising gir den betydelige fordeler i praktisk produksjon, spesielt i luftfartsindustrien, hvor den kan erstatte tradisjonelle prosesser som motstandspunktsveising og nagling.
I. Definisjon og egenskaper ved laserpunktsveising
Definisjon
Lasersveising refererer til prosessen med å smelte og sammenføye arbeidsstykker ved hjelp av en enkelt laserpuls (t > 1 ms) eller en serie laserpulser på samme posisjon.
Lasersveising er i utgangspunktet lik andre lasersveiseprosesser; den eneste forskjellen er at det ikke er noen relativ forskyvning mellom laserstrålen og arbeidsstykket under punktsveising. Lasersveising er delt inn i to typer: termisk ledningssveising og nøkkelhullsveising. Ved termisk ledningssveising kan laseren bare smelte metallet uten å fordampe det. Denne metoden er mer egnet for sveising av metaller med en tykkelse på mindre enn 0,5 mm, for eksempel Nd:YAG-lasersveising av elektroniske komponenter. Ved nøkkelhullslasersveising kan laseren trenge direkte inn i materialets indre gjennom nøkkelhullet, noe som øker utnyttelsesgraden av laserenergien og oppnår en større penetrasjonsdybde. Tradisjonell motstandspunktsveising smelter arbeidsstykker for å danne sveisepunkter ved hjelp av motstandsvarme generert av elektrisk strøm, mens varmekilden til laserpunktsveising kommer fra laserstråling, noe som resulterer i betydelig forskjellige sveisepunktformer.
De justerbare parametrene for laserpunktsveising inkluderer vanligvis lasereffekt, punktsveisingstid og defokusmengde. For punktsveising med pulsmodus inkluderer parameterne også pulsbølgeform, frekvens og driftssyklus. Blant disse påvirker lasereffekten hovedsakelig penetrasjonsdybden til sveisepunktet, mens punktsveisingstid har større innvirkning på den laterale størrelsen på sveisepunktet. Generelt sett, jo lengre laservirkningstiden er, desto større er størrelsen på de øvre og nedre overflatene av sveisepunktet og størrelsen på smelteflaten. Endringer i defokusmengde påvirker hovedsakelig punktdiameteren og energitettheten som virker på arbeidsstykkets overflate, og har dermed en betydelig innvirkning på den generelle formen på sveisepunktet.
Kjennetegn
- Med laser som varmekilde tilbyr punktsveising høy hastighet, høy presisjon, lav varmetilførsel og minimal deformasjon av arbeidsstykket.
- Frihetsgraden i punktsveiseposisjoner er betraktelig forbedret, noe som muliggjør punktsveising i alle posisjoner og gjør det enkelt å realisereensidig punktsveising, noe som forbedrer friheten i produktdesign betraktelig.
- Lasersveising har lave krav til størrelsen på overlappingsfuger. Det er minimale begrensninger på parametere som antall overlappingsfuger og avstanden mellom sveisepunktene, og det er ikke nødvendig å vurdere virkningen av strømfordeling.
- For sveising av plater med ulik tykkelse, forskjellige materialer og spesialmaterialer (aluminiumslegeringer, galvaniserte plater), fungerer laserpunktsveising bedre enn tradisjonelle punktsveisemetoder.
- Den krever ikke et stort antall tilleggsutstyr, kan raskt tilpasse seg produktendringer og møte markedets etterspørsel.
II. Feilanalyse av laserpunktsveising
Sprekker, porer og siging er de vanligste feilene ved laserpunktsveising, som analyseres én etter én nedenfor.
1. Sprekker
Sprekker deles inn i overflatesprekker og langsgående sprekker. Oppvarmings- og avkjølingshastighetene under laserpunktsveising er svært raske, noe som resulterer i en stor temperaturgradient mellom det oppvarmede området og det omkringliggende metallet, noe som lett fører til sprekkdannelse. Forekomsten av sprekker er nært knyttet til materialet; for eksempel har aluminiumslegeringer en mye høyere tendens til å sprekke under laserpunktsveising enn rustfritt stål. En effektiv metode for å undertrykke sprekkdannelse er å optimalisere pulsbølgeformen for å kontrollere avkjølingshastigheten til metallstørkningsprosessen og redusere indre spenninger.
2. Porer
Porøse defekter (porer) i laserpunktsveiser kan deles inn i små porer og store porer. Små porer skyldes hovedsakelig reduksjonen i løseligheten av hydrogen i flytende metall under metallstørkning, samt rask fordampning av metall i nøkkelhullet og forstyrrelse av smeltebadet. Store porer skyldes hovedsakelig den for raske avkjølingshastigheten under laserpunktsveising, noe som gir utilstrekkelig tid for metallet rundt nøkkelhullet til å fylles opp igjen. Generelt er små porer utsatt for dannelse i langpulspunktsveising, mens store porer sannsynligvis oppstår i kortpulspunktsveising.
Det er to steder hvor porer mest sannsynlig oppstår i laserpunktsveising: det ene er nær smeltesonen midt i sveisepunktet, og det andre er ved roten av sveisen. Smeltebilder tatt med røntgen viser at porer nær smeltesonen hovedsakelig er forårsaket av innsnevring når nøkkelhullet lukkes; for porer ved sveiseroten dannes de hovedsakelig ved at nøkkelhullet kollapser på grunn av laserens raske forsvinning etter nøkkelhulldannelse.
3. Hengende
Siging er et åpenbart fenomen i laserpunktsveising. Den sentrale sigingen på sveisepunktoverflaten og metallopphopningen rundt den er forårsaket av rekylkraften som genereres av metallfordampning som presser det flytende metallet mot sveisepunktoverflaten. Under avkjølingsprosessen størkner det akkumulerte metallet på overflaten raskt og kan ikke fylles helt tilbake. I tillegg er materialtap forårsaket av rask metallfordampning og spruting en annen faktor som bidrar til sentral siging. Pulstiden har en betydelig innvirkning på både sigingen av sveisepunktoverflaten og dannelsen av porer. Tilfredsstillende sveisepunkter kan oppnås ved å optimalisere pulsbølgeformen og tiden.
4. Virkning av defokusmengde på sveisepunkter
Endringer i mengden defokusering endrer direkte punktdiameteren og energitettheten. Når mengden defokusering øker i både negativ og positiv retning, betyr det at punktdiameteren øker og energitettheten reduseres. Under laserpunktsveising er det et visst tilsvarende forhold mellom punktdiameteren og størrelsen på det første nøkkelhullet som dannes av laseren som faller inn på teststykket, mens energitettheten bestemmer ekspansjonshastigheten til smeltebadet. Når den absolutte verdien av defokuseringsmengden er liten, er laserpunktdiameteren liten, lasereffekttettheten høy, og ekspansjonshastigheten til smeltebadet i sveisepunktet er rask, men diameteren til det første nøkkelhullet er liten. Tvert imot, når defokuseringsmengden er stor, er diameteren til det første nøkkelhullet stor, men ekspansjonshastigheten til smeltebadet avtar, og den resulterende sveisepunktstørrelsen er kanskje ikke stor. Derfor, under endringen av defokuseringsmengden, bestemmer den omfattende effekten av punktdiameteren og overflateeffekttettheten til sveisepunktet størrelsen på sveisepunktet.
III. Anvendelse av laserpunktsveiseteknologi
Lasersveising har høy hastighet, stor penetrasjonsdybde, minimal deformasjon og kan utføres ved romtemperatur eller under spesielle forhold med enkelt sveiseutstyr. I tillegg har fremveksten av høyfrekvente pulslasere (med en frekvens høyere enn 40 pulser per sekund) muliggjort bred anvendelse av lasersveising i montering og sveising av mikro- og småkomponenter i masseautomatisert produksjon. Ved sveising av små elektroniske komponenter som krever en liten varmepåvirket sone – for eksempel forbindelsen mellom glass og metall, forbindelsen av skjøter i varmefølsomme halvlederkretser og forbindelsen mellom forskjellige metaller i ledninger – er lasersveising mer fordelaktig enn tradisjonelle punktsveiseprosesser (f.eks. motstandssveising), med forurensningsfrie sveisepunkter og høy sveisekvalitet. Figur 6-60 viser et eksempel på bruk av lasersveising i produksjonen av billykter: en 500 W faststoffpulslaser genererer fire lignende sveisepunkter med en veldig høy pulsfrekvens.
Når man utfører høypresisjonspunktsveising på mikrostrukturer med høy pulsenergi, har pulserte Nd:YAG-lasere tekniske og økonomiske fordeler. I de fleste industrielle punktsveiseapplikasjoner brukes i hovedsak pulserte faststofflasere med en gjennomsnittlig effekt på 50 W og en pulseffekt > 2 kW. Laseren kan virke direkte på arbeidsstykket gjennom optiske fibre eller kombinerte fokuseringslinser.
Lasersveising kan brukes på et bredt spekter av materialer. For eksempel, ved punktsveising av litiumbatterier med Nd:YAG-laserpunktsveiseteknologiÅ koble sammen forskjellige metaller er mer effektivt enn TIG-sveising og motstandspunktsveising. Spesielt siden optiske fibre brukes til å overføre lasere under produksjon, er det praktisk å bevege seg raskt og fleksibelt mellom forskjellige arbeidsbenker.
Oppsummert har laserpunktsveising følgende egenskaper:
- Med økningen i lasereffekt svinger overflatediameteren til sveisepunktet opp og ned, mens diameteren på smelteflaten og den nedre overflaten øker sakte. Endringen i tverrsnittsformen til sveisepunktet er ikke åpenbar. Etter hvert som varigheten øker, øker størrelsen på sveisepunktet raskt, og endringshastigheten for smelteflatens diameter er større enn for øvre og nedre overflatediametere. Endringen i mengden defokusering har en betydelig innvirkning på størrelsen på sveisepunktet. Det endrer direkte punktdiameteren og lasereffekttettheten, og den omfattende effekten av disse to faktorene bestemmer størrelsen på sveisepunktet.
- Ved full penetrasjon er det tydelig siging på overflaten av laserpunktsveisen. Med økningen i laserkraft og varighet øker sigedybden på sveisepunktoverflaten. Når varigheten eller gapet er stort, kan den nedre overflaten også vise innrykk.
- Etter hvert som gapet øker, blir den generelle deformasjonen av sveisepunktet, den sentrale sigingen og innrykningen tydelig. Smelteflaten krymper, og styrken avtar raskt. For tiden brukes ofte prosessen med å sveise to punkter samtidig i sveising av motstander, batterier og elektronikkfeltet, som vanligvis bruker en design med to laserlyskilder.
Publisert: 27. oktober 2025
