Bodové svařování je vysokorychlostní a cenově efektivní metoda spojování. Je vhodné pro spojování tenkovrstvých součástí s přeplátovanými spoji, které nevyžadují vzduchotěsnost. Existuje mnoho typů bodového svařování, jako je odporové bodové svařování, obloukové bodové svařování, bodové svařování lepidlem,bodové svařování kompozitních materiálů, a laserové bodové svařování. V současné době se odporové bodové svařování široce používá ve výrobě. Vezměme si například automobilový průmysl, kde je při montáži komponentů karoserie automobilu zapotřebí 3 000 až 4 000 svarových bodů, což vyžaduje 250 až 300 robotů, spolu s podpůrnými řídicími systémy a dalším pomocným zařízením. Odporové bodové svařování má však nízkou flexibilitu. S rychlým ekonomickým rozvojem se cyklus aktualizace geometrických tvarů a struktur automobilových komponentů velmi zkrátil. Modernizace nových produktů a modelů vyžaduje nový typ technologie bodového svařování, která je efektivní a flexibilní. Technologie laserového bodového svařování se proto postupně stala středem pozornosti a očekává se, že bude široce používána v automobilové průmyslové výrobě. V leteckém průmyslu se laserové bodové svařování testuje také jako alternativní technologie. Přeplátované spoje leteckých výrobků se již dlouhou dobu obecně provádějí nýtováním, což zahrnuje mnoho výrobních procesů a vysokou pracovní zátěž. S rostoucím používáním nových materiálů, jako jsou hliníkové slitiny, titanové slitiny a kompozitní materiály, se stalo běžným trendem zavádění nových svařovacích technologií, které nahrazují tradiční metody spojování. To nejen zlepšuje efektivitu výroby, ale také snižuje hmotnost konstrukce a splňuje nové požadavky na konstrukční návrh, což má velký význam pro letecké a kosmické produkty. Vysoká přesnost a vysoká flexibilita laserového bodového svařování mu dává značné výhody v praktické výrobě, zejména v leteckém průmyslu, kde může nahradit tradiční procesy, jako je odporové bodové svařování a nýtování.
I. Definice a charakteristiky laserového bodového svařování
Definice
Bodové laserové svařování označuje proces tavení a spojování obrobků pomocí jediného laserového pulzu (t > 1 ms) nebo série laserových pulzů ve stejném místě.
Bodové svařování laserem je v podstatě podobné jiným laserovým svařovacím procesům; jediný rozdíl spočívá v tom, že během bodového svařování nedochází k žádnému relativnímu posunu mezi laserovým paprskem a obrobkem. Bodové svařování laserem se dělí na dva typy: tepelně vodivé svařování a svařování klíčovou dírkou. Při tepelně vodivém bodovém svařování může laser kov pouze tavit, aniž by ho odpařoval. Tato metoda je vhodnější pro svařování kovů o tloušťce menší než 0,5 mm, jako je například bodové svařování elektronických součástek Nd:YAG laserem. Při bodovém svařování klíčovou dírkou může laser přímo proniknout do materiálu klíčovou dírkou, čímž se zvyšuje míra využití laserové energie a dosahuje se větší hloubky průniku. Tradiční odporové bodové svařování taví obrobky za účelem vytvoření svarových bodů pomocí odporového tepla generovaného elektrickým proudem, zatímco zdroj tepla laserového bodového svařování pochází z laserového záření, což má za následek výrazně odlišné tvary svarových bodů.
Mezi nastavitelné parametry bodového svařování laserem obecně patří výkon laseru, doba bodového svařování a míra rozostření. U bodového svařování v pulzním režimu zahrnují parametry také tvar vlny pulzu, frekvenci a pracovní cyklus. Mezi nimi výkon laseru ovlivňuje především hloubku průniku svarového bodu, zatímco doba bodového svařování má větší vliv na boční velikost svarového bodu. Obecně platí, že čím delší je doba působení laseru, tím větší je velikost horního a dolního povrchu svarového bodu a velikost tavného povrchu. Změny míry rozostření ovlivňují především průměr bodu a hustotu energie působící na povrch obrobku, a tím mají významný vliv na celkový tvar svarového bodu.
Charakteristiky
- S laserem jako zdrojem tepla nabízí bodové svařování vysokou rychlost, vysokou přesnost, nízký tepelný příkon a minimální deformaci obrobku.
- Stupeň volnosti v bodových svařovacích polohách je výrazně zlepšen, což umožňuje bodové svařování ve všech polohách a snadnou realizacijednostranné bodové svařování, čímž se výrazně zvyšuje svoboda designu produktů.
- Bodové svařování laserem má nízké požadavky na velikost přeplátovaných spojů. Existují minimální omezení parametrů, jako je množství přeplátovaných spojů a vzdálenost mezi svarovými body, a není třeba zohledňovat vliv posunu proudu.
- Pro svařování plechů nestejné tloušťky, rozdílných materiálů a speciálních materiálů (hliníkové slitiny, pozinkované plechy) je laserové bodové svařování lepší než tradiční metody bodového svařování.
- Nevyžaduje velké množství pomocného zařízení, dokáže se rychle přizpůsobit změnám produktu a splňovat požadavky trhu.
II. Analýza vad laserového bodového svařování
Trhliny, póry a prohýbání jsou nejčastějšími vadami při laserovém bodovém svařování, které jsou níže analyzovány jeden po druhém.
1. Trhliny
Trhliny se dělí na povrchové trhliny a podélné trhliny. Rychlost ohřevu a chlazení během bodového laserového svařování je velmi vysoká, což má za následek velký teplotní gradient mezi ohřátou oblastí a okolním kovem, což snadno vede ke vzniku trhlin. Výskyt trhlin úzce souvisí s materiálem; například hliníkové slitiny mají při bodovém laserovém svařování mnohem vyšší sklon k praskání než nerezová ocel. Účinnou metodou pro potlačení tvorby trhlin je optimalizace pulzního tvaru vlny pro řízení rychlosti chlazení procesu tuhnutí kovu a snížení vnitřního pnutí.
2. Póry
Porézní vady (póry) v laserových bodových svarech lze rozdělit na malé póry a velké póry. Malé póry jsou způsobeny především snížením rozpustnosti vodíku v tekutém kovu během tuhnutí kovu, stejně jako rychlým odpařováním kovu v klíčové dírce a narušením roztavené lázně. Velké póry jsou způsobeny především příliš rychlou rychlostí ochlazování během laserového bodového svařování, což neponechává dostatek času na zaplnění kovu kolem klíčové dírky. Obecně platí, že malé póry jsou náchylné k tvorbě při bodovém svařování s dlouhým pulzem, zatímco velké póry se pravděpodobněji vyskytují při bodovém svařování s krátkým pulzem.
Při laserovém bodovém svařování se póry nejčastěji objevují na dvou místech: jedno je poblíž tavné zóny uprostřed svarového bodu a druhé je u kořene svaru. Snímky tavení pořízené rentgenovým zářením ukazují, že póry v blízkosti tavné zóny jsou způsobeny především zúžením při uzavírání klíčové dírky; póry u kořene svaru vznikají především zhroucením klíčové dírky v důsledku rychlého zmizení laseru po vytvoření klíčové dírky.
3. Prověšení
Prohýbání je zřejmý jev při laserovém bodovém svařování. Centrální prohýbání na povrchu svarového bodu a hromadění kovu kolem něj jsou způsobeny zpětnou silou generovanou odpařováním kovu, která tlačí tekutý kov k povrchu svarového bodu. Během procesu chlazení nahromaděný kov na povrchu rychle tuhne a nelze jej plně zasypat. Dalším faktorem přispívajícím k centrálnímu prohýbání je ztráta materiálu způsobená rychlým odpařováním a rozstřikováním kovu. Doba pulzu má významný vliv jak na prohýbání povrchu svarového bodu, tak na tvorbu pórů. Uspokojivých svarových bodů lze dosáhnout optimalizací tvaru vlny a času pulzu.
4. Vliv míry rozostření na svarové skvrny
Změny míry rozostření přímo mění průměr bodu a hustotu energie. Když se míra rozostření zvyšuje v negativním i kladném směru, znamená to, že se průměr bodu zvětšuje a hustota energie klesá. Během laserového bodového svařování existuje určitý odpovídající vztah mezi průměrem bodu a velikostí počátečního klíčového otvoru vytvořeného laserem dopadajícím na zkušební vzorek, zatímco hustota energie určuje rychlost rozpínání taveniny. Pokud je absolutní hodnota míry rozostření malá, je průměr laserového bodu malý, hustota laserového výkonu je vysoká a rychlost rozpínání taveniny svarového bodu je rychlá, ale průměr počátečního klíčového otvoru je malý. Naopak, když je míra rozostření velká, je průměr počátečního klíčového otvoru velký, ale rychlost rozpínání taveniny se zpomaluje a výsledná velikost svarového bodu nemusí být velká. Proto při změně míry rozostření určuje velikost svarového bodu komplexní vliv průměru bodu a hustoty povrchového výkonu svarového bodu.
III. Aplikace technologie laserového bodového svařování
Bodové laserové svařování se vyznačuje vysokou rychlostí, velkou hloubkou průniku, minimální deformací a lze jej provádět při pokojové teplotě nebo za speciálních podmínek s jednoduchým svařovacím zařízením. Kromě toho, vznik vysokofrekvenčních pulzních laserů (s frekvencí vyšší než 40 pulzů za sekundu) umožnil široké použití laserového bodového svařování při montáži a svařování mikro a malých součástek v hromadné automatizované výrobě. Při svařování malých elektronických součástek, které vyžadují malou tepelně ovlivněnou zónu – jako je spojení mezi sklem a kovem, spojení spojů v tepelně citlivých polovodičových obvodech a spojení mezi různými kovy v drátech – je laserové bodové svařování výhodnější než tradiční bodové svařovací procesy (např. odporové bodové svařování), s neznečišťujícími svarovými body a vysokou kvalitou svařování. Obrázek 6-60 ukazuje příklad použití laserového bodového svařování při výrobě automobilových světlometů: 500W pulzní laser v pevné fázi generuje čtyři podobné svarové body s velmi vysokou frekvencí pulzů.
Při provádění vysoce přesného bodového svařování mikrostruktur s použitím vysoké pulzní energie mají pulzní Nd:YAG lasery technické a ekonomické výhody. Ve většině průmyslových aplikací bodového svařování se v zásadě používají pulzní pevnolátkové lasery s průměrným výkonem 50 W a pulzním výkonem > 2 kW. Laser může působit přímo na obrobek prostřednictvím optických vláken nebo kombinovaných zaostřovacích čoček.
Bodové svařování laserem je použitelné pro širokou škálu materiálů. Například při bodovém svařování lithiových baterií s použitím Nd:Technologie bodového svařování YAG laseremSpojování různých kovů je efektivnější než TIG svařování a bodové odporové svařování. Zejména proto, že se během výroby k přenosu laserů používají optická vlákna, je pohodlné se rychle a flexibilně pohybovat mezi různými pracovními stoly.
Stručně řečeno, laserové bodové svařování má následující vlastnosti:
- Se zvyšujícím se výkonem laseru kolísá průměr svarového bodu nahoru a dolů, zatímco průměr tavného povrchu a spodního povrchu se pomalu zvětšuje. Změna tvaru průřezu svarového bodu není zřejmá. S prodlužující se dobou trvání se velikost svarového bodu rychle zvětšuje a rychlost změny průměru tavného povrchu je větší než rychlost změny průměru horního a spodního povrchu. Změna míry rozostření má významný vliv na velikost svarového bodu. Přímo mění průměr bodu a hustotu výkonu laseru a komplexní vliv těchto dvou faktorů určuje velikost svarového bodu.
- V případě úplného provaření je na povrchu laserového bodového svaru patrné prověšení. Se zvyšujícím se výkonem a dobou trvání laseru se hloubka prověšení na povrchu svarového bodu zvětšuje. Pokud je doba trvání nebo velikost mezery velká, může se na spodním povrchu také objevit vtlačení.
- S rostoucí mezerou se projevuje celková deformace svarového bodu, prohýbání uprostřed a vtlačení. Svarová plocha se zmenšuje a pevnost prudce klesá. V současné době se při svařování rezistorů, baterií a v elektronické oblasti běžně používá proces současného svařování dvou bodů, který obvykle využívá konstrukci se dvěma laserovými zdroji světla.
Čas zveřejnění: 27. října 2025
