Punktmetināšana ir ātrdarbīga un rentabla savienošanas metode. Tā ir piemērota plānu plākšņu komponentu savienošanai ar pārlaiduma savienojumiem, kuriem nav nepieciešama hermētiskums. Ir daudz punktu metināšanas veidu, piemēram, pretestības punktu metināšana, loka punktu metināšana, līmes punktu metināšana,kompozītmateriālu punktmetināšana, un lāzera punktmetināšana. Pašlaik ražošanā plaši izmanto pretestības punktmetināšanu. Piemēram, autobūves nozarē automašīnas virsbūves paneļu detaļu montāžai ir nepieciešami 3000 līdz 4000 metināšanas punkti, un tam nepieciešami 250 līdz 300 roboti, kā arī atbalsta vadības sistēmas un citas palīgiekārtas. Tomēr pretestības punktmetināšanai ir slikta elastība. Straujās ekonomikas attīstības dēļ automobiļu detaļu ģeometrisko formu un konstrukciju atjaunināšanas cikls ir kļuvis ļoti īss. Jaunu produktu un modeļu modernizēšanai ir nepieciešama jauna veida punktmetināšanas tehnoloģija, kas ir efektīva un elastīga. Tāpēc lāzera punktmetināšanas tehnoloģija pakāpeniski ir nonākusi uzmanības centrā, un paredzams, ka tā tiks plaši pielietota autobūves rūpnieciskajā ražošanā. Arī kosmosa jomā lāzera punktmetināšana tiek testēta kā alternatīva tehnoloģija. Ilgu laiku kosmosa izstrādājumu savienojumos parasti tiek izmantota kniedēšana, kas ietver daudzus ražošanas procesus un lielu darba slodzi. Pieaugot jaunu materiālu, piemēram, alumīnija sakausējumu, titāna sakausējumu un kompozītmateriālu, pielietošanai, jaunu metināšanas tehnoloģiju ieviešana, lai aizstātu tradicionālās savienošanas metodes, ir kļuvusi par galveno tendenci. Tas ne tikai uzlabo ražošanas efektivitāti, bet arī samazina konstrukcijas svaru un atbilst jaunām konstrukcijas projektēšanas prasībām, kam ir liela nozīme kosmosa izstrādājumos. Lāzera punktmetināšanas augstā precizitāte un elastība sniedz tai ievērojamas priekšrocības praktiskajā ražošanā, īpaši aviācijas nozarē, kur tā var aizstāt tradicionālos procesus, piemēram, pretestības punktmetināšanu un kniedēšanu.
I. Lāzera punktmetināšanas definīcija un raksturojums
Definīcija
Lāzera punktmetināšana attiecas uz sagatavju kausēšanas un savienošanas procesu, izmantojot vienu lāzera impulsu (t > 1ms) vai lāzera impulsu sēriju vienā un tajā pašā pozīcijā.
Lāzera punktmetināšana būtībā ir līdzīga citiem lāzermetināšanas procesiem; vienīgā atšķirība ir tā, ka punktmetināšanas laikā nav relatīvas nobīdes starp lāzera staru un sagatavi. Lāzera punktmetināšana tiek iedalīta divos veidos: termiski vadāmā metināšana un atslēgas cauruma metināšana. Termiski vadāmā punktmetināšanā lāzers var tikai izkausēt metālu, to neiztvaicējot. Šī metode ir piemērotāka metālu metināšanai, kuru biezums ir mazāks par 0,5 mm, piemēram, elektronisko komponentu Nd:YAG lāzera punktmetināšanai. Atslēgas cauruma lāzera punktmetināšanā lāzers var tieši iekļūt materiāla iekšpusē caur atslēgas caurumu, palielinot lāzera enerģijas izmantošanas ātrumu un panākot lielāku iespiešanās dziļumu. Tradicionālā pretestības punktmetināšana izkausē sagataves, veidojot metināšanas punktus, izmantojot elektriskās strāvas radīto pretestības siltumu, savukārt lāzera punktmetināšanas siltuma avots ir lāzera starojums, kā rezultātā metināšanas punktu formas ievērojami atšķiras.
Lāzera punktmetināšanas regulējamie parametri parasti ietver lāzera jaudu, punktmetināšanas laiku un defokusēšanas apjomu. Punktmetināšanai, izmantojot impulsa režīmu, parametri ietver arī impulsa viļņu formu, frekvenci un darba ciklu. Starp tiem lāzera jauda galvenokārt ietekmē metināšanas vietas iespiešanās dziļumu, savukārt punktmetināšanas laikam ir lielāka ietekme uz metināšanas vietas sānu izmēru. Parasti, jo ilgāks lāzera darbības laiks, jo lielāks ir metināšanas vietas augšējās un apakšējās virsmas izmērs, kā arī kušanas virsmas izmērs. Defokusēšanas apjoma izmaiņas galvenokārt ietekmē vietas diametru un enerģijas blīvumu, kas iedarbojas uz sagataves virsmu, tādējādi būtiski ietekmējot metināšanas vietas kopējo formu.
Raksturojums
- Izmantojot lāzeru kā siltuma avotu, punktmetināšana nodrošina lielu ātrumu, augstu precizitāti, zemu siltuma ievadi un minimālu sagataves deformāciju.
- Punktmetināšanas pozīciju brīvības pakāpe ir ievērojami uzlabota, nodrošinot visu pozīciju punktmetināšanu un viegli realizējamuvienpusēja punktmetināšanatādējādi ievērojami palielinot produktu dizaina brīvību.
- Lāzera punktmetināšanai ir zemas prasības attiecībā uz pārlaiduma savienojumu izmēru. Pastāv minimāli ierobežojumi tādiem parametriem kā pārlaiduma savienojumu skaits un attālums starp metināšanas punktiem, un nav nepieciešams ņemt vērā strāvas šuntēšanas ietekmi.
- Nevienāda biezuma plākšņu, atšķirīgu materiālu un īpašu materiālu (alumīnija sakausējumu, cinkotu loksņu) metināšanai lāzera punktmetināšana ir efektīvāka nekā tradicionālās punktmetināšanas metodes.
- Tam nav nepieciešams liels skaits palīgiekārtu, tas var ātri pielāgoties produktu izmaiņām un apmierināt tirgus pieprasījumu.
II. Lāzera punktmetināšanas defektu analīze
Plaisas, poras un noslīdējums ir visbiežāk sastopamie lāzera punktmetināšanas defekti, kas tiek analizēti pa vienam turpmāk.
1. Plaisas
Plaisas iedala virsmas plaisās un gareniskajās plaisās. Lāzera punktmetināšanas laikā sakaršanas un atdzišanas ātrums ir ļoti liels, kā rezultātā rodas liela temperatūras gradients starp sakarsto zonu un apkārtējo metālu, kas viegli noved pie plaisu veidošanās. Plaisu rašanās ir cieši saistīta ar materiālu; piemēram, alumīnija sakausējumiem ir daudz lielāka tendence plaisāt lāzera punktmetināšanas laikā nekā nerūsējošajam tēraudam. Efektīva metode plaisu veidošanās novēršanai ir impulsa viļņa formas optimizācija, lai kontrolētu metāla sacietēšanas procesa atdzišanas ātrumu un samazinātu iekšējo spriegumu.
2. Poras
Lāzera punktmetināšanas šuvju porainos defektus (poras) var iedalīt mazās porās un lielās porās. Mazas poras galvenokārt rodas ūdeņraža šķīdības samazināšanās šķidrā metālā metāla sacietēšanas laikā, kā arī metāla straujās iztvaikošanas dēļ atslēgas caurumā un izkausētā metāla telpas traucējumu dēļ. Lielas poras galvenokārt rodas pārāk ātra dzesēšanas ātruma dēļ lāzera punktmetināšanas laikā, kā rezultātā metālam ap atslēgas caurumu nav pietiekami daudz laika, lai aizpildītu poru. Parasti mazas poras veidojas garo impulsu punktmetināšanā, savukārt lielas poras, visticamāk, rodas īso impulsu punktmetināšanā.
Lāzera punktmetināšanā poras visbiežāk rodas divās vietās: viena atrodas netālu no kušanas zonas metināšanas vietas vidū, bet otra - metinājuma saknē. Ar rentgena stariem uzņemtie kušanas attēli liecina, ka poras kušanas zonas tuvumā galvenokārt rodas sašaurināšanās dēļ, kad atslēgas caurums aizveras; poras metinājuma saknē galvenokārt veidojas, atslēgas caurumam sabrūkot lāzera starojumam strauji izzūdot pēc atslēgas cauruma izveidošanās.
3. Nokarāšanās
Noslīdēšana ir acīmredzama parādība lāzera punktmetināšanā. Centrālo noslīdēšanu uz metinājuma vietas virsmas un metāla uzkrāšanos ap to izraisa atsitiena spēks, ko rada metāla iztvaikošana, kas spiež šķidro metālu uz metinājuma vietas virsmu. Dzesēšanas procesā uz virsmas uzkrājušais metāls ātri sacietē un to nevar pilnībā aizpildīt. Turklāt materiāla zudumi, ko izraisa strauja metāla iztvaikošana un šļakatas, ir vēl viens faktors, kas veicina centrālo noslīdēšanu. Impulsa laikam ir būtiska ietekme gan uz metinājuma vietas virsmas noslīdēšanu, gan poru veidošanos. Apmierinošus metināšanas punktus var iegūt, optimizējot impulsa viļņu formu un laiku.
4. Defokusēšanas apjoma ietekme uz metināšanas punktiem
Izmaiņas defokusēšanas daudzumā tieši ietekmē punkta diametru un enerģijas blīvumu. Kad defokusēšanas daudzums palielinās gan negatīvā, gan pozitīvā virzienā, tas nozīmē, ka punkta diametrs palielinās un enerģijas blīvums samazinās. Lāzera punktmetināšanas laikā pastāv noteikta atbilstoša sakarība starp punkta diametru un sākotnējā atslēgas cauruma izmēru, ko veido lāzera stars, kas krīt uz testa paraugu, savukārt enerģijas blīvums nosaka izkausētās vielas izplešanās ātrumu. Ja defokusēšanas daudzuma absolūtā vērtība ir maza, lāzera punkta diametrs ir mazs, lāzera jaudas blīvums ir augsts un metināšanas vietas izkausētās vielas izplešanās ātrums ir liels, bet sākotnējā atslēgas cauruma diametrs ir mazs. Turpretī, ja defokusēšanas daudzums ir liels, sākotnējā atslēgas cauruma diametrs ir liels, bet izkausētās vielas izplešanās ātrums palēninās, un iegūtais metināšanas vietas izmērs var nebūt liels. Tāpēc, mainot defokusēšanas daudzumu, metināšanas vietas izmēru nosaka punkta diametra un metināšanas vietas virsmas jaudas blīvuma visaptverošā ietekme.
III. Lāzera punktmetināšanas tehnoloģijas pielietojums
Lāzera punktmetināšanai ir raksturīgs liels ātrums, liels iespiešanās dziļums, minimāla deformācija, un to var veikt istabas temperatūrā vai īpašos apstākļos ar vienkāršu metināšanas aprīkojumu. Turklāt augstfrekvences impulsu lāzeru (ar frekvenci, kas augstāka par 40 impulsiem sekundē) parādīšanās ir ļāvusi plaši pielietot lāzera punktmetināšanu mikro un mazu komponentu montāžā un metināšanā masveida automatizētā ražošanā. Metinot mazus elektroniskus komponentus, kuriem nepieciešama neliela termiski ietekmētā zona, piemēram, stikla un metāla savienojumus, savienojumu savienojumus siltumjutīgās pusvadītāju shēmās un dažādu metālu savienojumus vados, lāzera punktmetināšana ir izdevīgāka nekā tradicionālie punktmetināšanas procesi (piemēram, pretestības punktmetināšana), nodrošinot metināšanas punktus bez piesārņojuma un augstu metināšanas kvalitāti. 6.-60. attēlā parādīts lāzera punktmetināšanas pielietojuma piemērs automašīnu priekšējo lukturu ražošanā: 500 W cietvielu impulsu lāzers ģenerē četrus līdzīgus metināšanas punktus ar ļoti augstu impulsa frekvenci.
Veicot augstas precizitātes punktmetināšanu mikrostruktūrās, izmantojot augstu impulsa enerģiju, impulsa Nd:YAG lāzeriem ir tehniskas un ekonomiskas priekšrocības. Vairumā rūpniecisko punktmetināšanas pielietojumu pamatā tiek izmantoti impulsa cietvielu lāzeri ar vidējo jaudu 50 W un impulsa jaudu > 2 kW. Lāzers var tieši iedarboties uz sagatavi, izmantojot optiskās šķiedras vai kombinētas fokusēšanas lēcas.
Lāzera punktmetināšana ir piemērojama plašam materiālu klāstam. Piemēram, veicot litija akumulatoru punktmetināšanu, izmantojot Nd:YAG lāzera punktmetināšanas tehnoloģijaDažādu metālu savienošana ir efektīvāka nekā TIG metināšana un pretestības punktmetināšana. Jo īpaši tāpēc, ka optiskās šķiedras tiek izmantotas lāzeru pārraidei ražošanas laikā, ir ērti ātri un elastīgi pārvietoties starp dažādiem darbagaldiem.
Rezumējot, lāzera punktmetināšanai ir šādas īpašības:
- Palielinoties lāzera jaudai, metināšanas vietas virsmas diametrs svārstās uz augšu un uz leju, savukārt kušanas virsmas un apakšējās virsmas diametrs palielinās lēni. Metināšanas vietas šķērsgriezuma formas izmaiņas nav acīmredzamas. Palielinoties ilgumam, metināšanas vietas izmērs strauji palielinās, un kušanas virsmas diametra izmaiņu ātrums ir lielāks nekā augšējās un apakšējās virsmas diametra izmaiņu ātrums. Defokusa daudzuma izmaiņām ir būtiska ietekme uz metināšanas vietas izmēru. Tās tieši maina vietas diametru un lāzera jaudas blīvumu, un abu faktoru kopīgā ietekme nosaka metināšanas vietas izmēru.
- Pilnīgas iespiešanās gadījumā lāzera punktmetinājuma virsmā ir redzama noslīdēšana. Palielinoties lāzera jaudai un ilgumam, metinājuma vietas noslīdēšanas dziļums palielinās. Ja ilgums vai spraugas izmērs ir liels, apakšējā virsmā var būt arī iespiedums.
- Palielinoties spraugai, kļūst redzama metinājuma vietas kopējā deformācija, centrālā noslīdēšana un iespiedums. Sakausēšanas virsma saraujas, un izturība strauji samazinās. Pašlaik rezistoru, akumulatoru un elektronikas metināšanā parasti tiek izmantots divu punktu vienlaicīgas metināšanas process, parasti izmantojot divus lāzera gaismas avotus.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 27. oktobris
