Точечная сварка — это высокоскоростной и экономичный метод соединения. Она подходит для соединения тонкостенных деталей внахлест, не требующих герметичности. Существует множество видов точечной сварки, таких как контактная точечная сварка, дуговая точечная сварка, клеевая точечная сварка.композитная точечная сваркаи лазерной точечной сваркой. В настоящее время контактная точечная сварка широко используется в производстве. В качестве примера можно привести автомобильную промышленность, где при сборке компонентов кузова автомобиля требуется от 3000 до 4000 сварочных точек, что предполагает использование от 250 до 300 роботов, а также вспомогательных систем управления и другого оборудования. Однако контактная точечная сварка обладает низкой гибкостью. С быстрым экономическим развитием цикл обновления геометрических форм и конструкций автомобильных компонентов стал очень коротким. Модернизация новых продуктов и моделей требует нового типа технологии точечной сварки, которая была бы эффективной и гибкой. Поэтому технология лазерной точечной сварки постепенно становится предметом пристального внимания и, как ожидается, будет широко применяться в автомобильной промышленности. В аэрокосмической отрасли лазерная точечная сварка также тестируется в качестве альтернативной технологии. Долгое время для соединения деталей внахлест в аэрокосмической продукции обычно использовалась клепка, что включает в себя множество производственных процессов и большую трудозатрату. С увеличением применения новых материалов, таких как алюминиевые сплавы, титановые сплавы и композитные материалы, внедрение новых технологий сварки для замены традиционных методов соединения стало основной тенденцией. Это не только повышает эффективность производства, но и снижает вес конструкции, а также отвечает новым требованиям к конструктивному проектированию, что имеет большое значение для аэрокосмической продукции. Высокая точность и гибкость лазерной точечной сварки дают ей значительные преимущества в практическом производстве, особенно в авиационной промышленности, где она может заменить традиционные процессы, такие как контактная точечная сварка и клепка.
I. Определение и характеристики лазерной точечной сварки
Определение
Лазерная точечная сварка — это процесс плавления и соединения заготовок с использованием одного лазерного импульса (t > 1 мс) или серии лазерных импульсов в одной и той же точке.
Лазерная точечная сварка в основном аналогична другим процессам лазерной сварки; единственное отличие заключается в отсутствии относительного смещения между лазерным лучом и заготовкой во время точечной сварки. Лазерная точечная сварка делится на два типа: теплопроводящая сварка и сварка с образованием сквозного отверстия. При теплопроводящей точечной сварке лазер только расплавляет металл, не испаряя его. Этот метод больше подходит для сварки металлов толщиной менее 0,5 мм, например, для точечной сварки электронных компонентов лазером Nd:YAG. При лазерной точечной сварке с образованием сквозного отверстия лазер может напрямую проникать внутрь материала через сквозное отверстие, увеличивая коэффициент использования энергии лазера и обеспечивая большую глубину проплавления. Традиционная контактная точечная сварка расплавляет заготовки для образования сварных швов за счет сопротивления, генерируемого электрическим током, в то время как источником тепла при лазерной точечной сварке является лазерное излучение, что приводит к значительно отличающейся форме сварных швов.
Регулируемые параметры лазерной точечной сварки обычно включают мощность лазера, время точечной сварки и величину расфокусировки. Для точечной сварки в импульсном режиме параметры также включают форму импульса, частоту и коэффициент заполнения. Среди них мощность лазера в основном влияет на глубину проплавления сварочного пятна, в то время как время точечной сварки оказывает большее влияние на поперечный размер сварочного пятна. Как правило, чем дольше время воздействия лазера, тем больше размер верхней и нижней поверхностей сварочного пятна и размер поверхности сплавления. Изменения величины расфокусировки в основном влияют на диаметр пятна и плотность энергии, действующей на поверхность заготовки, тем самым оказывая существенное влияние на общую форму сварочного пятна.
Характеристики
- При использовании лазера в качестве источника тепла точечная сварка обеспечивает высокую скорость, высокую точность, низкий подвод тепла и минимальную деформацию заготовки.
- Значительно улучшена степень свободы позиционирования при точечной сварке, что позволяет выполнять точечную сварку во всех положениях и легко реализовывать различные варианты.односторонняя точечная сваркаТаким образом, значительно расширяется свобода проектирования продукции.
- Лазерная точечная сварка предъявляет низкие требования к размеру нахлесточных соединений. Существуют минимальные ограничения по таким параметрам, как количество нахлесточных соединений и расстояние между точками сварки, и нет необходимости учитывать влияние шунтирования тока.
- При сварке пластин неравной толщины, разнородных материалов и специальных материалов (алюминиевых сплавов, оцинкованных листов) лазерная точечная сварка демонстрирует лучшие результаты, чем традиционные методы точечной сварки.
- Оно не требует большого количества вспомогательного оборудования, может быстро адаптироваться к изменениям в продукции и удовлетворять требованиям рынка.
II. Анализ дефектов лазерной точечной сварки
Трещины, поры и провисания — наиболее распространенные дефекты лазерной точечной сварки, которые подробно рассматриваются ниже.
1. Трещины
Трещины делятся на поверхностные и продольные. Скорость нагрева и охлаждения при лазерной точечной сварке очень высока, что приводит к большому температурному градиенту между нагретой областью и окружающим металлом, и это легко вызывает образование трещин. Возникновение трещин тесно связано с материалом; например, алюминиевые сплавы имеют гораздо большую склонность к растрескиванию при лазерной точечной сварке, чем нержавеющая сталь. Эффективным методом подавления образования трещин является оптимизация формы импульса для контроля скорости охлаждения в процессе затвердевания металла и снижения внутренних напряжений.
2. Поры
Пористые дефекты (поры) в лазерной точечной сварке можно разделить на малые и большие поры. Малые поры в основном образуются из-за уменьшения растворимости водорода в жидком металле во время затвердевания металла, а также из-за быстрого испарения металла в сквозном отверстии и нарушения целостности расплавленной ванны. Большие поры в основном возникают из-за слишком высокой скорости охлаждения во время лазерной точечной сварки, что оставляет недостаточно времени для заполнения расплавленного металла вокруг сквозного отверстия. Как правило, малые поры склонны к образованию при точечной сварке с длинным импульсом, тогда как большие поры чаще встречаются при точечной сварке с коротким импульсом.
При лазерной точечной сварке поры чаще всего образуются в двух местах: вблизи зоны плавления в середине сварного шва и у корня шва. Рентгеновские снимки показывают, что поры вблизи зоны плавления в основном образуются в результате сужения шва при закрытии сквозного отверстия; поры у корня шва образуются главным образом в результате схлопывания сквозного отверстия из-за быстрого исчезновения лазерного луча после его образования.
3. Провисание
Провисание — очевидное явление при лазерной точечной сварке. Центральное провисание на поверхности сварочного пятна и скопление металла вокруг него вызваны силой отдачи, возникающей при испарении металла и выталкивающей жидкий металл к поверхности сварочного пятна. В процессе охлаждения скопившийся на поверхности металл быстро затвердевает и не может быть полностью заполнен. Кроме того, потеря материала, вызванная быстрым испарением металла и разбрызгиванием, является еще одним фактором, способствующим центральному провисанию. Время импульса оказывает существенное влияние как на провисание поверхности сварочного пятна, так и на образование пор. Удовлетворительные сварочные пятна могут быть получены путем оптимизации формы и времени импульса.
4. Влияние величины расфокусировки на сварочные пятна.
Изменение величины расфокусировки напрямую влияет на диаметр пятна и плотность энергии. Увеличение величины расфокусировки как в отрицательном, так и в положительном направлении означает увеличение диаметра пятна и уменьшение плотности энергии. При лазерной точечной сварке существует определенная взаимосвязь между диаметром пятна и размером начального сварочного шва, образующегося под воздействием лазерного луча на образце, при этом плотность энергии определяет скорость расширения расплавленной ванны. Когда абсолютное значение величины расфокусировки мало, диаметр лазерного пятна мал, плотность мощности лазера высока, а скорость расширения сварочной ванны высока, но диаметр начального сварочного шва мал. Напротив, когда величина расфокусировки велика, диаметр начального сварочного шва велик, но скорость расширения расплавленной ванны замедляется, и размер результирующего сварочного пятна может быть небольшим. Таким образом, при изменении величины расфокусировки размер сварочного пятна определяется комплексным воздействием диаметра пятна и поверхностной плотности мощности.
III. Применение технологии лазерной точечной сварки
Лазерная точечная сварка отличается высокой скоростью, большой глубиной проплавления, минимальной деформацией и может выполняться при комнатной температуре или в специальных условиях с использованием простого сварочного оборудования. Кроме того, появление высокочастотных импульсных лазеров (с частотой более 40 импульсов в секунду) позволило широко применять лазерную точечную сварку при сборке и сварке микро- и малых компонентов в массовом автоматизированном производстве. При сварке небольших электронных компонентов, требующих малой зоны термического воздействия, таких как соединение стекла и металла, соединение элементов в термочувствительных полупроводниковых схемах и соединение различных металлов в проводах, лазерная точечная сварка более выгодна, чем традиционные методы точечной сварки (например, контактная точечная сварка), благодаря отсутствию загрязнения сварочных пятен и высокому качеству сварки. На рисунке 6-60 показан пример применения лазерной точечной сварки при производстве автомобильных фар: твердотельный импульсный лазер мощностью 500 Вт генерирует четыре одинаковых сварочных пятна с очень высокой частотой импульсов.
При выполнении высокоточной точечной сварки микроструктур с использованием высокой энергии импульса импульсные Nd:YAG лазеры обладают техническими и экономическими преимуществами. В большинстве промышленных применений точечной сварки в основном используются импульсные твердотельные лазеры со средней мощностью 50 Вт и мощностью импульса > 2 кВт. Лазер может воздействовать непосредственно на заготовку через оптические волокна или комбинированные фокусирующие линзы.
Лазерная точечная сварка применима к широкому спектру материалов. Например, при точечной сварке литиевых батарей с использованием Nd:технология точечной лазерной сварки YAGСоединение различных металлов более эффективно, чем TIG-сварка и контактная точечная сварка. В частности, поскольку для передачи лазерного излучения в процессе производства используются оптические волокна, это позволяет быстро и гибко перемещаться между различными рабочими столами.
В заключение можно сказать, что лазерная точечная сварка обладает следующими характеристиками:
- С увеличением мощности лазера диаметр сварочного пятна колеблется вверх и вниз, в то время как диаметр поверхности сплавления и нижней поверхности увеличивается медленно. Изменение формы поперечного сечения сварочного пятна не является существенным. С увеличением длительности лазерного воздействия размер сварочного пятна быстро увеличивается, при этом скорость изменения диаметра поверхности сплавления больше, чем скорость изменения диаметров верхней и нижней поверхностей. Изменение величины расфокусировки оказывает значительное влияние на размер сварочного пятна. Оно напрямую изменяет диаметр пятна и плотность мощности лазера, и совокупное воздействие этих двух факторов определяет размер сварочного пятна.
- В случае полного проплавления на поверхности лазерного точечного шва наблюдается явное провисание. С увеличением мощности и длительности лазерного воздействия глубина провисания на поверхности сварного шва увеличивается. При большой длительности или размере зазора на нижней поверхности также могут наблюдаться вмятины.
- По мере увеличения зазора становится очевидной общая деформация сварочного пятна, провисание в центре и образование вмятин. Поверхность сплавления сжимается, и прочность быстро снижается. В настоящее время в сварке резисторов, батарей и в области электроники широко используется процесс одновременной сварки двух точек, обычно с применением конструкции с двумя лазерными источниками света.
Дата публикации: 27 октября 2025 г.
