Punktsvetsning är en snabb och kostnadseffektiv sammanfogningsmetod. Den är lämplig för att sammanfoga tunnplåtskomponenter med överlappningsfogar som inte kräver lufttäthet. Det finns många typer av punktsvetsning, såsom motståndspunktsvetsning, bågpunktsvetsning, adhesiv punktsvetsning,kompositpunktsvetsning, och laserpunktsvetsning. För närvarande används motståndspunktsvetsning i stor utsträckning inom produktion. Om man tar bilindustrin som exempel behövs 3 000 till 4 000 svetspunkter vid montering av karosserikomponenter, vilket kräver 250 till 300 robotar, tillsammans med stödjande styrsystem och annan hjälputrustning. Motståndspunktsvetsning har dock dålig flexibilitet. Med den snabba ekonomiska utvecklingen har uppdateringscykeln för de geometriska formerna och strukturerna hos bilkomponenter blivit mycket kort. Uppgraderingen av nya produkter och modeller kräver en ny typ av punktsvetsningsteknik som är effektiv och flexibel. Därför har laserpunktsvetsningsteknik gradvis blivit i fokus och förväntas bli allmänt tillämpad inom fordonsindustrins produktion. Inom flyg- och rymdområdet testas laserpunktsvetsning också som en alternativ teknik. Under lång tid har överlappningsfogar i flyg- och rymdprodukter generellt använt nitning, vilket involverar många produktionsprocesser och tung arbetsbelastning. Med den ökande användningen av nya material som aluminiumlegeringar, titanlegeringar och kompositmaterial har det blivit en mainstream-trend att använda nya svetstekniker för att ersätta traditionella sammanfogningsmetoder. Detta förbättrar inte bara produktionseffektiviteten utan minskar även strukturell vikt och uppfyller nya strukturella designkrav, vilket är av stor betydelse för flyg- och rymdprodukter. Den höga precisionen och den höga flexibiliteten hos laserpunktsvetsning ger den betydande fördelar i praktisk produktion, särskilt inom flygindustrin, där den kan ersätta traditionella processer som motståndspunktsvetsning och nitning.
I. Definition och egenskaper hos laserpunktsvetsning
Definition
Lasersvetsning avser processen att smälta och sammanfoga arbetsstycken med hjälp av en enda laserpuls (t > 1 ms) eller en serie laserpulser på samma position.
Lasersvetsning liknar i princip andra lasersvetsprocesser; den enda skillnaden är att det inte finns någon relativ förskjutning mellan laserstrålen och arbetsstycket under punktsvetsning. Lasersvetsning delas in i två typer: termisk ledningssvetsning och nyckelhålssvetsning. Vid termisk ledningssvetsning kan lasern bara smälta metallen utan att förånga den. Denna metod är mer lämplig för svetsning av metaller med en tjocklek på mindre än 0,5 mm, såsom Nd:YAG-lasersvetsning av elektroniska komponenter. Vid nyckelhålslaserpunktsvetsning kan lasern direkt komma in i materialets inre genom nyckelhålet, vilket ökar utnyttjandegraden av laserenergi och uppnår ett större penetrationsdjup. Traditionell motståndspunktsvetsning smälter arbetsstycken för att bilda svetspunkter med hjälp av motståndsvärme som genereras av elektrisk ström, medan värmekällan för laserpunktsvetsning kommer från laserstrålning, vilket resulterar i betydligt olika svetspunktsformer.
De justerbara parametrarna för laserpunktsvetsning inkluderar generellt lasereffekt, punktsvetstid och mängden defokusering. För punktsvetsning med pulsläge inkluderar parametrarna även pulsvågform, frekvens och arbetscykel. Bland dessa påverkar lasereffekten främst svetspunktens penetrationsdjup, medan punktsvetstiden har större inverkan på svetspunktens laterala storlek. Generellt sett, ju längre laserverkningstiden är, desto större blir storleken på svetspunktens övre och nedre ytor och storleken på smältytan. Förändringar i mängden defokusering påverkar främst punktdiametern och energitätheten som verkar på arbetsstyckets yta, vilket har en betydande inverkan på svetspunktens övergripande form.
Egenskaper
- Med laser som värmekälla erbjuder punktsvetsning hög hastighet, hög precision, låg värmetillförsel och minimal deformation av arbetsstycket.
- Frihetsgraden i punktsvetsningspositioner förbättras avsevärt, vilket möjliggör punktsvetsning i alla positioner och enkelt realiserarensidig punktsvetsning, vilket avsevärt ökar friheten i produktdesign.
- Lasersvetsning har låga krav på storleken på överlappningsfogar. Det finns minimala begränsningar för parametrar som antal överlappningsfogar och avståndet mellan svetspunkterna, och det finns inget behov av att ta hänsyn till strömförskjutningens inverkan.
- För svetsning av plåtar med olika tjocklek, olika material och specialmaterial (aluminiumlegeringar, galvaniserade plåtar) fungerar laserpunktsvetsning bättre än traditionella punktsvetsmetoder.
- Den kräver inte ett stort antal hjälputrustningar, kan snabbt anpassa sig till produktförändringar och möta marknadens krav.
II. Defektanalys av laserpunktsvetsning
Sprickor, porer och hängighet är de vanligaste defekterna vid laserpunktsvetsning, vilka analyseras en efter en nedan.
1. Sprickor
Sprickor delas in i ytsprickor och längsgående sprickor. Uppvärmnings- och kylningshastigheterna vid laserpunktsvetsning är mycket snabba, vilket resulterar i en stor temperaturgradient mellan det uppvärmda området och den omgivande metallen, vilket lätt leder till sprickbildning. Förekomsten av sprickor är nära relaterad till materialet; till exempel har aluminiumlegeringar en mycket högre tendens att spricka vid laserpunktsvetsning än rostfritt stål. En effektiv metod för att undertrycka sprickbildning är att optimera pulsvågformen för att kontrollera kylningshastigheten för metallens stelningsprocessen och minska inre spänningar.
2. Porer
Porösa defekter (porer) i laserpunktsvetsar kan delas in i små porer och stora porer. Små porer orsakas huvudsakligen av minskad löslighet av väte i flytande metall under metallens stelning, samt snabb avdunstning av metall i nyckelhålet och störningar i smältan. Stora porer beror huvudsakligen på den för snabba kylningshastigheten under laserpunktsvetsning, vilket lämnar otillräcklig tid för metallen runt nyckelhålet att återfyllas. Generellt sett är små porer benägna att bildas vid långpulspunktsvetsning, medan stora porer sannolikt uppstår vid kortpulspunktsvetsning.
Det finns två platser där porer är mest sannolikt att uppstå vid laserpunktsvetsning: den ena är nära smältzonen mitt i svetspunkten, och den andra är vid svetsroten. Smältbilder tagna med röntgen visar att porer nära smältzonen huvudsakligen orsakas av halsning när nyckelhålet stängs; porer vid svetsroten bildas huvudsakligen av att nyckelhålet kollapsar på grund av laserns snabba försvinnande efter nyckelhålsbildning.
3. Hängande
Sackbildning är ett uppenbart fenomen vid laserpunktsvetsning. Den centrala sackbildningen på svetspunktsytan och metallansamlingen runt den orsakas av rekylkraften som genereras av metallförångning som trycker den flytande metallen mot svetspunktsytan. Under kylningsprocessen stelnar den ackumulerade metallen på ytan snabbt och kan inte helt återfyllas. Dessutom är materialförlust orsakad av snabb metallförångning och stänk en annan faktor som bidrar till central sackbildning. Pulstiden har en betydande inverkan på både sackbildningen på svetspunktsytan och bildandet av porer. Tillfredsställande svetspunkter kan erhållas genom att optimera pulsvågformen och tiden.
4. Inverkan av defokusmängd på svetspunkter
Förändringar i mängden defokus förändrar direkt punktdiametern och energitätheten. När mängden defokus ökar i både negativ och positiv riktning betyder det att punktdiametern ökar och energitätheten minskar. Vid laserpunktsvetsning finns det ett visst motsvarande förhållande mellan punktdiametern och storleken på det initiala nyckelhålet som bildas av lasern som träffar teststycket, medan energitätheten bestämmer expansionshastigheten för den smälta svetsen. När det absoluta värdet av mängden defokus är litet är laserpunktdiametern liten, lasereffekttätheten hög och expansionshastigheten för den smälta svetspunkten är snabb, men diametern på det initiala nyckelhålet är liten. Tvärtom, när mängden defokus är stor, är diametern på det initiala nyckelhålet stor, men expansionshastigheten för den smälta svetspunkten saktar ner, och den resulterande svetspunktsstorleken kanske inte är stor. Därför, under förändringen av mängden defokus, bestämmer den övergripande effekten av punktdiametern och yteffekttätheten för svetspunkten storleken på svetspunkten.
III. Tillämpning av laserpunktsvetsningsteknik
Lasersvetsning har hög hastighet, stort inträngningsdjup, minimal deformation och kan utföras vid rumstemperatur eller under speciella förhållanden med enkel svetsutrustning. Dessutom har framväxten av högfrekventa pulslasrar (med en frekvens högre än 40 pulser per sekund) möjliggjort en bred tillämpning av lasersvetsning vid montering och svetsning av mikro- och småkomponenter i massautomatiserad produktion. Vid svetsning av små elektroniska komponenter som kräver en liten värmepåverkad zon – såsom kopplingen mellan glas och metall, kopplingen av fogar i värmekänsliga halvledarkretsar och kopplingen mellan olika metaller i trådar – är lasersvetsning mer fördelaktig än traditionella punktsvetsningsprocesser (t.ex. motståndspunktsvetsning), med föroreningsfria svetspunkter och hög svetskvalitet. Figur 6-60 visar ett tillämpningsexempel på lasersvetsning vid tillverkning av bilstrålkastare: en 500 W fastfaspulslaser genererar fyra liknande svetspunkter med en mycket hög pulsfrekvens.
Vid högprecisionspunktsvetsning på mikrostrukturer med hög pulsenergi har pulserade Nd:YAG-lasrar tekniska och ekonomiska fördelar. I de flesta industriella punktsvetsningstillämpningar används i princip pulserade fastfaslasrar med en genomsnittlig effekt på 50 W och en pulseffekt > 2 kW. Lasern kan verka direkt på arbetsstycket via optiska fibrer eller kombinerade fokuseringslinser.
Lasersvetsning kan användas på en mängd olika material. Till exempel vid punktsvetsning av litiumbatterier med Nd:YAG-laserpunktsvetsningsteknikAtt sammanfoga olika metaller är effektivare än TIG-svetsning och motståndspunktsvetsning. Särskilt eftersom optiska fibrer används för att överföra lasrar under produktionen är det bekvämt att snabbt och flexibelt förflytta sig mellan olika arbetsbänkar.
Sammanfattningsvis har laserpunktsvetsning följande egenskaper:
- Med ökande lasereffekt fluktuerar svetspunktens ytdiameter upp och ner, medan diametern på smältytan och den nedre ytan ökar långsamt. Förändringen i svetspunktens tvärsnittsform är inte uppenbar. Allt eftersom svetspunktens varaktighet ökar, ökar svetspunktens storlek snabbt, och förändringshastigheten för smältytans diameter är större än för de övre och nedre ytdiametrarna. Förändringen i mängden defokusering har en betydande inverkan på svetspunktens storlek. Det förändrar direkt punktdiametern och lasereffektdensiteten, och den övergripande effekten av dessa två faktorer bestämmer svetspunktens storlek.
- Vid full penetration finns det tydlig sjunkning på ytan av laserpunktsvetsen. Med ökande lasereffekt och varaktighet ökar sjunkningsdjupet på svetspunktsytan. När varaktigheten eller spaltstorleken är stor kan den nedre ytan också uppvisa intryckningar.
- Allt eftersom mellanrummet ökar blir den totala deformationen av svetspunkten, den centrala nedböjningen och intryckningen tydlig. Smältytan krymper och hållfastheten minskar snabbt. För närvarande används ofta processen att svetsa två punkter samtidigt vid svetsning av motstånd, batterier och elektronikområdet, vilket vanligtvis innebär en design med två laserljuskällor.
Publiceringstid: 27 oktober 2025
