Punktsvejsning er en hurtig og omkostningseffektiv samlingsmetode. Den er velegnet til at forbinde tyndpladekomponenter med overlapningssamlinger, der ikke kræver lufttæthed. Der findes mange typer punktsvejsning, såsom modstandspunktsvejsning, lysbuepunktsvejsning, klæbende punktsvejsning,kompositpunktsvejsning, og laserpunktsvejsning. I øjeblikket anvendes modstandspunktsvejsning i vid udstrækning i produktionen. Tager vi bilindustrien som eksempel, er der behov for 3.000 til 4.000 svejsepunkter under samling af karosseridele, hvilket kræver 250 til 300 robotter sammen med understøttende styresystemer og andet hjælpeudstyr. Modstandspunktsvejsning har dog dårlig fleksibilitet. Med den hurtige økonomiske udvikling er opdateringscyklussen for de geometriske former og strukturer af bilkomponenter blevet meget kort. Opgraderingen af nye produkter og modeller kræver en ny type punktsvejsningsteknologi, der er effektiv og fleksibel. Derfor er laserpunktsvejsningsteknologi gradvist blevet fokuspunkt og forventes at blive bredt anvendt i bilindustrien. Inden for luftfartsområdet testes laserpunktsvejsning også som en alternativ teknologi. I lang tid har overlapningsforbindelser i luftfartsprodukter generelt brugt nitning, hvilket involverer mange produktionsprocesser og tung arbejdsbyrde. Med den stigende anvendelse af nye materialer såsom aluminiumlegeringer, titanlegeringer og kompositmaterialer er det blevet en mainstream-trend at anvende nye svejseteknologier til at erstatte traditionelle samlingsmetoder. Dette forbedrer ikke blot produktionseffektiviteten, men reducerer også den strukturelle vægt og opfylder nye krav til strukturelt design, hvilket er af stor betydning for luftfartsprodukter. Den høje præcision og store fleksibilitet ved laserpunktsvejsning giver den betydelige fordele i praktisk produktion, især i luftfartsindustrien, hvor den kan erstatte traditionelle processer som modstandspunktsvejsning og nitning.
I. Definition og karakteristika for laserpunktsvejsning
Definition
Lasersvejsning refererer til processen med at smelte og sammenføje emner ved hjælp af en enkelt laserpuls (t > 1 ms) eller en serie af laserpulser på samme position.
Lasersvejsning minder grundlæggende om andre lasersvejseprocesser; den eneste forskel er, at der ikke er nogen relativ forskydning mellem laserstrålen og emnet under punktsvejsning. Lasersvejsning er opdelt i to typer: termisk ledningssvejsning og nøglehulssvejsning. Ved termisk ledningssvejsning kan laseren kun smelte metallet uden at fordampe det. Denne metode er mere egnet til svejsning af metaller med en tykkelse på mindre end 0,5 mm, såsom Nd:YAG-lasersvejsning af elektroniske komponenter. Ved nøglehulssvejsning kan laseren trænge direkte ind i materialets indre gennem nøglehullet, hvilket øger udnyttelsesgraden af laserenergi og opnår en større indtrængningsdybde. Traditionel modstandssvejsning smelter emner for at danne svejsepunkter ved hjælp af modstandsvarme genereret af elektrisk strøm, mens varmekilden til lasersvejsning kommer fra laserstråling, hvilket resulterer i markant forskellige svejsepunktformer.
De justerbare parametre for laserpunktsvejsning omfatter generelt lasereffekt, punktsvejsetid og defokusmængde. For punktsvejsning med pulstilstand omfatter parametrene også pulsbølgeform, frekvens og duty cycle. Blandt disse påvirker lasereffekten primært svejsepunktets indtrængningsdybde, mens punktsvejsetiden har en større indflydelse på svejsepunktets laterale størrelse. Generelt gælder det, at jo længere laserens aktionstid er, desto større er størrelsen på svejsepunktets øvre og nedre overflader og størrelsen på smelteoverfladen. Ændringer i defokusmængden påvirker primært punktdiameteren og energitætheden, der virker på emneoverfladen, og har dermed en betydelig indflydelse på svejsepunktets overordnede form.
Karakteristika
- Med laser som varmekilde tilbyder punktsvejsning høj hastighed, høj præcision, lav varmetilførsel og minimal deformation af emnet.
- Frihedsgraden i punktsvejsepositioner er betydeligt forbedret, hvilket muliggør punktsvejsning i alle positioner og gør det nemt at realisereensidig punktsvejsning, hvilket øger friheden i produktdesign betydeligt.
- Lasersvejsning har lave krav til størrelsen af overlapningsfuger. Der er minimale begrænsninger på parametre som antal overlapningsfuger og afstanden mellem svejsepunkter, og der er ingen grund til at tage hensyn til virkningen af strømshunting.
- Til svejsning af plader med ulige tykkelse, forskellige materialer og specialmaterialer (aluminiumlegeringer, galvaniserede plader) fungerer laserpunktsvejsning bedre end traditionelle punktsvejsemetoder.
- Det kræver ikke et stort antal hjælpeudstyr, kan hurtigt tilpasse sig produktændringer og imødekomme markedets efterspørgsel.
II. Fejlanalyse af laserpunktsvejsning
Revner, porer og nedsænkning er de mest almindelige defekter ved laserpunktsvejsning, som analyseres en efter en nedenfor.
1. Revner
Revner opdeles i overfladerevner og langsgående revner. Opvarmnings- og afkølingshastighederne under laserpunktsvejsning er meget hurtige, hvilket resulterer i en stor temperaturgradient mellem det opvarmede område og det omgivende metal, hvilket let fører til revnedannelse. Forekomsten af revner er tæt forbundet med materialet; for eksempel har aluminiumlegeringer en meget højere tendens til at revne under laserpunktsvejsning end rustfrit stål. En effektiv metode til at undertrykke revnedannelse er at optimere pulsbølgeformen for at kontrollere afkølingshastigheden af metallets størkningsprocessen og reducere indre spændinger.
2. Porer
Porøse defekter (porer) i laserpunktsvejsninger kan opdeles i små porer og store porer. Små porer skyldes hovedsageligt faldet i hydrogenopløseligheden i flydende metal under metalstørkning, samt den hurtige fordampning af metal i nøglehullet og forstyrrelse af smeltebadet. Store porer skyldes hovedsageligt den for hurtige afkølingshastighed under laserpunktsvejsning, hvilket giver metallet omkring nøglehullet utilstrækkelig tid til at genopfylde sig. Generelt er små porer tilbøjelige til at dannes ved langpulspunktsvejsning, mens store porer sandsynligvis forekommer ved kortpulspunktsvejsning.
Der er to steder, hvor porer er mest sandsynlige at forekomme ved laserpunktsvejsning: det ene er nær smeltezonen midt i svejsepunktet, og det andet er ved roden af svejsningen. Smeltebilleder taget med røntgen viser, at porer nær smeltezonen primært skyldes indsnævring, når nøglehullet lukker sig; porer ved svejseroden dannes primært ved, at nøglehullet kollapser på grund af laserens hurtige forsvinden efter nøglehullets dannelse.
3. Hængende
Nedhængning er et tydeligt fænomen ved laserpunktsvejsning. Den centrale nedhængning på svejsepunktets overflade og metalophobningen omkring den skyldes rekylkraften, der genereres af metalfordampning, som presser det flydende metal mod svejsepunktets overflade. Under afkølingsprocessen størkner det akkumulerede metal på overfladen hurtigt og kan ikke helt genopfyldes. Derudover er materialetab forårsaget af hurtig metalfordampning og sprøjtning en anden faktor, der bidrager til central nedhængning. Pulstiden har en betydelig indflydelse på både nedhængningen af svejsepunktets overflade og dannelsen af porer. Tilfredsstillende svejsepunkter kan opnås ved at optimere pulsbølgeformen og tiden.
4. Indvirkning af defokusmængde på svejsepunkter
Ændringer i mængden af defokus ændrer direkte punktdiameteren og energitætheden. Når mængden af defokus øges i både negativ og positiv retning, betyder det, at punktdiameteren øges, og energitætheden falder. Under laserpunktsvejsning er der en vis tilsvarende sammenhæng mellem punktdiameteren og størrelsen af det oprindelige nøglehul, der dannes af laseren, der rammer teststykket, mens energitætheden bestemmer udvidelseshastigheden af smeltebadet. Når den absolutte værdi af mængden af defokus er lille, er laserpunktdiameteren lille, lasereffekttætheden høj, og udvidelseshastigheden af svejsepunktets smeltebad er hurtig, men diameteren af det oprindelige nøglehul er lille. Omvendt, når mængden af defokus er stor, er diameteren af det oprindelige nøglehul stor, men udvidelseshastigheden af smeltebadet aftager, og den resulterende svejsepunktstørrelse er muligvis ikke stor. Derfor bestemmer den samlede effekt af punktdiameteren og overfladeeffekttætheden af svejsepunktet størrelsen af svejsepunktet under ændringen af mængden af defokus.
III. Anvendelse af laserpunktsvejsningsteknologi
Lasersvejsning har høj hastighed, stor indtrængningsdybde, minimal deformation og kan udføres ved stuetemperatur eller under særlige forhold med simpelt svejseudstyr. Derudover har fremkomsten af højfrekvente pulslasere (med en frekvens højere end 40 pulser pr. sekund) muliggjort en bred anvendelse af lasersvejsning i samling og svejsning af mikro- og småkomponenter i masseautomatiseret produktion. Ved svejsning af små elektroniske komponenter, der kræver en lille varmepåvirket zone - såsom forbindelsen mellem glas og metal, forbindelsen af samlinger i varmefølsomme halvlederkredsløb og forbindelsen mellem forskellige metaller i ledninger - er lasersvejsning mere fordelagtig end traditionelle punktsvejsningsprocesser (f.eks. modstandspunktsvejsning) med forureningsfri svejsepunkter og høj svejsekvalitet. Figur 6-60 viser et anvendelseseksempel på lasersvejsning i produktionen af billygter: en 500 W solid-state pulslaser genererer fire lignende svejsepunkter med en meget høj pulsfrekvens.
Når man udfører højpræcisionspunktsvejsning på mikrostrukturer med høj pulsenergi, har pulserede Nd:YAG-lasere tekniske og økonomiske fordele. I de fleste industrielle punktsvejsningsapplikationer anvendes grundlæggende pulserede faststoflasere med en gennemsnitlig effekt på 50 W og en pulseffekt > 2 kW. Laseren kan virke direkte på emnet via optiske fibre eller kombinerede fokuseringslinser.
Lasersvejsning kan anvendes på en bred vifte af materialer. For eksempel ved punktsvejsning af litiumbatterier med Nd:YAG laserpunktsvejsningsteknologiAt forbinde forskellige metaller er mere effektivt end TIG-svejsning og modstandspunktsvejsning. Især fordi optiske fibre bruges til at overføre lasere under produktionen, er det praktisk at bevæge sig hurtigt og fleksibelt mellem forskellige arbejdsbænke.
Kort sagt har laserpunktsvejsning følgende egenskaber:
- Med stigende lasereffekt svinger svejsepunktets overfladediameter op og ned, mens diameteren af smelteoverfladen og den nedre overflade øges langsomt. Ændringen i svejsepunktets tværsnitsform er ikke tydelig. Efterhånden som varigheden øges, øges svejsepunktets størrelse hurtigt, og ændringshastigheden af smelteoverfladediameteren er større end ændringen af de øvre og nedre overfladediametre. Ændringen i mængden af defokusering har en betydelig indflydelse på svejsepunktets størrelse. Det ændrer direkte punktdiameteren og lasereffekttætheden, og den samlede effekt af disse to faktorer bestemmer svejsepunktets størrelse.
- Ved fuld penetration er der tydelig nedbøjning på overfladen af laserpunktsvejsningen. Med stigende lasereffekt og varighed øges nedbøjningsdybden på svejsepunktets overflade. Når varigheden eller mellemrummet er stort, kan den nedre overflade også vise indrykning.
- Efterhånden som mellemrummet øges, bliver den samlede deformation af svejsepunktet, den centrale nedbøjning og indrykningen tydelig. Svejsefladen krymper, og styrken falder hurtigt. I øjeblikket anvendes processen med at svejse to punkter samtidigt almindeligvis inden for svejsning af modstande, batterier og elektronik, hvilket normalt anvender et design med to laserlyskilder.
Opslagstidspunkt: 27. oktober 2025
