Η σημειακή συγκόλληση είναι μια μέθοδος συγκόλλησης υψηλής ταχύτητας και οικονομικά αποδοτική. Είναι κατάλληλη για τη σύνδεση λεπτών πλακών εξαρτημάτων με επικαλυπτόμενες ενώσεις που δεν απαιτούν αεροστεγανότητα. Υπάρχουν πολλοί τύποι σημειακής συγκόλλησης, όπως σημειακή συγκόλληση αντίστασης, σημειακή συγκόλληση τόξου, σημειακή συγκόλληση με κόλλα,σύνθετη σημειακή συγκόλλησηκαι σημειακή συγκόλληση με λέιζερ. Επί του παρόντος, η σημειακή συγκόλληση με αντίσταση χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την αυτοκινητοβιομηχανία, απαιτούνται 3.000 έως 4.000 σημεία συγκόλλησης κατά τη συναρμολόγηση των εξαρτημάτων του αμαξώματος του αυτοκινήτου, η οποία απαιτεί 250 έως 300 ρομπότ, μαζί με υποστηρικτικά συστήματα ελέγχου και άλλο βοηθητικό εξοπλισμό. Ωστόσο, η σημειακή συγκόλληση με αντίσταση έχει μικρή ευελιξία. Με την ταχεία οικονομική ανάπτυξη, ο κύκλος ενημέρωσης των γεωμετρικών σχημάτων και δομών των εξαρτημάτων αυτοκινήτων έχει γίνει πολύ σύντομος. Η αναβάθμιση νέων προϊόντων και μοντέλων απαιτεί έναν νέο τύπο τεχνολογίας σημειακής συγκόλλησης που να είναι αποτελεσματική και ευέλικτη. Επομένως, η τεχνολογία σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ έχει σταδιακά γίνει το επίκεντρο της προσοχής και αναμένεται να εφαρμοστεί ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανική παραγωγή. Στον αεροδιαστημικό τομέα, η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ δοκιμάζεται επίσης ως εναλλακτική τεχνολογία. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι αρθρώσεις επικάλυψης των αεροδιαστημικών προϊόντων χρησιμοποιούν γενικά πριτσίνια, η οποία περιλαμβάνει πολλές διαδικασίες παραγωγής και βαρύ φόρτο εργασίας. Με την αυξανόμενη εφαρμογή νέων υλικών όπως κράματα αλουμινίου, κράματα τιτανίου και σύνθετα υλικά, η υιοθέτηση νέων τεχνολογιών συγκόλλησης για την αντικατάσταση των παραδοσιακών μεθόδων σύνδεσης έχει γίνει μια κυρίαρχη τάση. Αυτό όχι μόνο βελτιώνει την αποδοτικότητα της παραγωγής, αλλά μειώνει επίσης το δομικό βάρος και πληροί τις νέες απαιτήσεις δομικού σχεδιασμού, κάτι που έχει μεγάλη σημασία για τα αεροδιαστημικά προϊόντα. Η υψηλή ακρίβεια και η υψηλή ευελιξία της σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ της δίνουν σημαντικά πλεονεκτήματα στην πρακτική παραγωγή, ειδικά στην αεροπορική βιομηχανία, όπου μπορεί να αντικαταστήσει τις παραδοσιακές διαδικασίες όπως η σημειακή συγκόλληση με αντίσταση και η πριτσίνια.
I. Ορισμός και Χαρακτηριστικά της Σημειακής Συγκόλλησης με Λέιζερ
Ορισμός
Η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ αναφέρεται στη διαδικασία τήξης και σύνδεσης τεμαχίων εργασίας χρησιμοποιώντας έναν μόνο παλμό λέιζερ (t > 1ms) ή μια σειρά παλμών λέιζερ στην ίδια θέση.
Η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ είναι βασικά παρόμοια με άλλες διαδικασίες συγκόλλησης με λέιζερ. Η μόνη διαφορά είναι ότι δεν υπάρχει σχετική μετατόπιση μεταξύ της δέσμης λέιζερ και του τεμαχίου εργασίας κατά τη σημειακή συγκόλληση. Η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ χωρίζεται σε δύο τύπους: συγκόλληση θερμικής αγωγιμότητας και συγκόλληση με οπή κλειδαριάς. Στη σημειακή συγκόλληση με θερμική αγωγιμότητα, το λέιζερ μπορεί μόνο να λιώσει το μέταλλο χωρίς να το εξατμίσει. Αυτή η μέθοδος είναι πιο κατάλληλη για τη συγκόλληση μετάλλων με πάχος μικρότερο από 0,5 mm, όπως η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ Nd:YAG ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Στη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ οπής κλειδαριάς, το λέιζερ μπορεί να εισέλθει απευθείας στο εσωτερικό του υλικού μέσω της οπής κλειδαριάς, αυξάνοντας τον ρυθμό αξιοποίησης της ενέργειας λέιζερ και επιτυγχάνοντας μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης. Η παραδοσιακή σημειακή συγκόλληση με αντίσταση λιώνει τα τεμάχια εργασίας για να σχηματίσουν σημεία συγκόλλησης χρησιμοποιώντας θερμότητα αντίστασης που παράγεται από ηλεκτρικό ρεύμα, ενώ η πηγή θερμότητας της σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ προέρχεται από την ακτινοβολία λέιζερ, με αποτέλεσμα σημαντικά διαφορετικά σχήματα σημείων συγκόλλησης.
Οι ρυθμιζόμενες παράμετροι της σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ περιλαμβάνουν γενικά την ισχύ του λέιζερ, τον χρόνο σημειακής συγκόλλησης και την ποσότητα αποεστίασης. Για τη σημειακή συγκόλληση με χρήση παλμικής λειτουργίας, οι παράμετροι περιλαμβάνουν επίσης την κυματομορφή παλμού, τη συχνότητα και τον κύκλο λειτουργίας. Μεταξύ αυτών, η ισχύς του λέιζερ επηρεάζει κυρίως το βάθος διείσδυσης του σημείου συγκόλλησης, ενώ ο χρόνος σημειακής συγκόλλησης έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στο πλευρικό μέγεθος του σημείου συγκόλλησης. Γενικά, όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος δράσης του λέιζερ, τόσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος των άνω και κάτω επιφανειών του σημείου συγκόλλησης και το μέγεθος της επιφάνειας σύντηξης. Οι αλλαγές στην ποσότητα αποεστίασης επηρεάζουν κυρίως τη διάμετρο του σημείου και την πυκνότητα ενέργειας που ασκούνται στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας, επηρεάζοντας έτσι σημαντικά το συνολικό σχήμα του σημείου συγκόλλησης.
Χαρακτηριστικά
- Με το λέιζερ ως πηγή θερμότητας, η σημειακή συγκόλληση προσφέρει υψηλή ταχύτητα, υψηλή ακρίβεια, χαμηλή εισροή θερμότητας και ελάχιστη παραμόρφωση του τεμαχίου εργασίας.
- Ο βαθμός ελευθερίας στις θέσεις σημειακής συγκόλλησης βελτιώνεται σημαντικά, επιτρέποντας τη συγκόλληση σημείων σε όλες τις θέσεις και την εύκολη πραγματοποίηση.μονόπλευρη σημειακή συγκόλληση, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την ελευθερία σχεδιασμού προϊόντων.
- Η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ έχει χαμηλές απαιτήσεις για το μέγεθος των αρμών επικάλυψης. Υπάρχουν ελάχιστοι περιορισμοί σε παραμέτρους όπως η ποσότητα επικάλυψης των αρμών και η απόσταση μεταξύ των σημείων συγκόλλησης, και δεν χρειάζεται να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της διακλάδωσης ρεύματος.
- Για τη συγκόλληση πλακών ανισότιμου πάχους, ανόμοιων υλικών και ειδικών υλικών (κράματα αλουμινίου, γαλβανισμένα φύλλα), η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ έχει καλύτερη απόδοση από τις παραδοσιακές μεθόδους σημειακής συγκόλλησης.
- Δεν απαιτεί μεγάλο αριθμό βοηθητικού εξοπλισμού, μπορεί να προσαρμοστεί γρήγορα στις αλλαγές του προϊόντος και να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της αγοράς.
II. Ανάλυση ελαττωμάτων της σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ
Οι ρωγμές, οι πόροι και η χαλάρωση είναι τα πιο συνηθισμένα ελαττώματα στη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ, τα οποία αναλύονται ένα προς ένα παρακάτω.
1. Ρωγμές
Οι ρωγμές διακρίνονται σε επιφανειακές ρωγμές και διαμήκεις ρωγμές. Οι ρυθμοί θέρμανσης και ψύξης κατά τη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ είναι πολύ γρήγοροι, με αποτέλεσμα μια μεγάλη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της θερμαινόμενης περιοχής και του περιβάλλοντος μετάλλου, η οποία εύκολα οδηγεί σε σχηματισμό ρωγμών. Η εμφάνιση ρωγμών σχετίζεται στενά με το υλικό. Για παράδειγμα, τα κράματα αλουμινίου έχουν πολύ μεγαλύτερη τάση να ραγίζουν κατά τη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ από τον ανοξείδωτο χάλυβα. Μια αποτελεσματική μέθοδος για την καταστολή του σχηματισμού ρωγμών είναι η βελτιστοποίηση της κυματομορφής παλμού για τον έλεγχο του ρυθμού ψύξης της διαδικασίας στερεοποίησης του μετάλλου και τη μείωση της εσωτερικής τάσης.
2. Πόροι
Τα πορώδη ελαττώματα (πόροι) στις σημειακές συγκολλήσεις με λέιζερ μπορούν να χωριστούν σε μικρούς πόρους και μεγάλους πόρους. Οι μικροί πόροι προκαλούνται κυρίως από τη μείωση της διαλυτότητας του υδρογόνου στο υγρό μέταλλο κατά τη στερεοποίηση του μετάλλου, καθώς και από την ταχεία εξάτμιση του μετάλλου στην κλειδαρότρυπα και τη διατάραξη της λιωμένης λίμνης. Οι μεγάλοι πόροι οφείλονται κυρίως στον πολύ γρήγορο ρυθμό ψύξης κατά τη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ, ο οποίος αφήνει ανεπαρκή χρόνο για να γεμίσει το μέταλλο γύρω από την κλειδαρότρυπα. Γενικά, οι μικροί πόροι είναι επιρρεπείς στο σχηματισμό στη σημειακή συγκόλληση μεγάλου παλμού, ενώ οι μεγάλοι πόροι είναι πιθανό να εμφανιστούν στη σημειακή συγκόλληση βραχέων παλμών.
Υπάρχουν δύο σημεία όπου οι πόροι είναι πιο πιθανό να εμφανιστούν κατά τη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ: η μία είναι κοντά στη ζώνη σύντηξης στη μέση του σημείου συγκόλλησης και η άλλη βρίσκεται στη ρίζα της συγκόλλησης. Εικόνες τήξης που καταγράφηκαν με ακτίνες Χ δείχνουν ότι οι πόροι κοντά στη ζώνη σύντηξης προκαλούνται κυρίως από το άνοιγμα του λαιμού όταν κλείνει η κλειδαρότρυπα. Για τους πόρους στη ρίζα της συγκόλλησης, σχηματίζονται κυρίως από την κατάρρευση της κλειδαρότρυπας λόγω της ταχείας εξαφάνισης του λέιζερ μετά τον σχηματισμό της κλειδαρότρυπας.
3. Χαλάρωση
Η χαλάρωση είναι ένα προφανές φαινόμενο στη σημειακή συγκόλληση με λέιζερ. Η κεντρική χαλάρωση στην επιφάνεια του σημείου συγκόλλησης και η συσσώρευση μετάλλου γύρω από αυτήν προκαλούνται από τη δύναμη ανάκρουσης που παράγεται από την εξάτμιση του μετάλλου που ωθεί το υγρό μέταλλο στην επιφάνεια του σημείου συγκόλλησης. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψύξης, το συσσωρευμένο μέταλλο στην επιφάνεια στερεοποιείται γρήγορα και δεν μπορεί να γεμιστεί πλήρως. Επιπλέον, η απώλεια υλικού που προκαλείται από την ταχεία εξάτμιση και το πιτσίλισμα του μετάλλου είναι ένας άλλος παράγοντας που συμβάλλει στην κεντρική χαλάρωση. Ο χρόνος παλμού έχει σημαντικό αντίκτυπο τόσο στη χαλάρωση της επιφάνειας του σημείου συγκόλλησης όσο και στον σχηματισμό πόρων. Ικανοποιητικά σημεία συγκόλλησης μπορούν να επιτευχθούν βελτιστοποιώντας την κυματομορφή και τον χρόνο παλμού.
4. Επίδραση του βαθμού αποεστίασης στα σημεία συγκόλλησης
Οι αλλαγές στην ποσότητα αποεστίασης αλλάζουν άμεσα τη διάμετρο του σημείου και την πυκνότητα ενέργειας. Όταν η ποσότητα αποεστίασης αυξάνεται τόσο προς την αρνητική όσο και προς τη θετική κατεύθυνση, αυτό σημαίνει ότι η διάμετρος του σημείου αυξάνεται και η πυκνότητα ενέργειας μειώνεται. Κατά τη συγκόλληση με σημείο λέιζερ, υπάρχει μια ορισμένη αντίστοιχη σχέση μεταξύ της διαμέτρου του σημείου και του μεγέθους της αρχικής οπής κλειδαριάς που σχηματίζεται από την πρόσπτωση του λέιζερ στο δοκίμιο, ενώ η πυκνότητα ενέργειας καθορίζει τον ρυθμό διαστολής της λιωμένης λίμνης. Όταν η απόλυτη τιμή της ποσότητας αποεστίασης είναι μικρή, η διάμετρος του σημείου λέιζερ είναι μικρή, η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ είναι υψηλή και ο ρυθμός διαστολής της λιωμένης λίμνης σημείου συγκόλλησης είναι γρήγορος, αλλά η διάμετρος της αρχικής οπής κλειδαριάς είναι μικρή. Αντίθετα, όταν η ποσότητα αποεστίασης είναι μεγάλη, η διάμετρος της αρχικής οπής κλειδαριάς είναι μεγάλη, αλλά ο ρυθμός διαστολής της λιωμένης λίμνης επιβραδύνεται και το προκύπτον μέγεθος του σημείου συγκόλλησης μπορεί να μην είναι μεγάλο. Επομένως, κατά την αλλαγή της ποσότητας αποεστίασης, η συνολική επίδραση της διαμέτρου του σημείου και της πυκνότητας επιφανειακής ισχύος του σημείου συγκόλλησης καθορίζει το μέγεθος του σημείου συγκόλλησης.
III. Εφαρμογή της τεχνολογίας σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ
Η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ χαρακτηρίζεται από υψηλή ταχύτητα, μεγάλο βάθος διείσδυσης, ελάχιστη παραμόρφωση και μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία δωματίου ή υπό ειδικές συνθήκες με απλό εξοπλισμό συγκόλλησης. Επιπλέον, η εμφάνιση παλμικών λέιζερ υψηλής συχνότητας (με συχνότητα υψηλότερη από 40 παλμούς ανά δευτερόλεπτο) έχει επιτρέψει την ευρεία εφαρμογή της σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ στη συναρμολόγηση και συγκόλληση μικροεξαρτημάτων και μικρών εξαρτημάτων σε μαζική αυτοματοποιημένη παραγωγή. Κατά τη συγκόλληση μικρών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που απαιτούν μια μικρή θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη - όπως η σύνδεση μεταξύ γυαλιού και μετάλλου, η σύνδεση αρμών σε θερμοευαίσθητα κυκλώματα ημιαγωγών και η σύνδεση μεταξύ διαφορετικών μετάλλων σε σύρματα - η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ είναι πιο πλεονεκτική από τις παραδοσιακές διαδικασίες σημειακής συγκόλλησης (π.χ., σημειακή συγκόλληση με αντίσταση), με σημεία συγκόλλησης χωρίς ρύπανση και υψηλή ποιότητα συγκόλλησης. Το Σχήμα 6-60 δείχνει ένα παράδειγμα εφαρμογής σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ στην παραγωγή προβολέων αυτοκινήτων: ένα παλμικό λέιζερ στερεάς κατάστασης 500W παράγει τέσσερα παρόμοια σημεία συγκόλλησης με πολύ υψηλή συχνότητα παλμών.
Κατά την εκτέλεση σημειακής συγκόλλησης υψηλής ακρίβειας σε μικροδομές χρησιμοποιώντας υψηλή ενέργεια παλμού, τα παλμικά λέιζερ Nd:YAG έχουν τεχνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα. Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές σημειακής συγκόλλησης, χρησιμοποιούνται βασικά παλμικά λέιζερ στερεάς κατάστασης με μέση ισχύ 50W και ισχύ παλμού > 2kW. Το λέιζερ μπορεί να δράσει απευθείας στο τεμάχιο εργασίας μέσω οπτικών ινών ή συνδυασμένων φακών εστίασης.
Η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ εφαρμόζεται σε ένα ευρύ φάσμα υλικών. Για παράδειγμα, κατά τη σημειακή συγκόλληση μπαταριών λιθίου, χρησιμοποιώντας Nd:Τεχνολογία σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ YAGΗ σύνδεση διαφορετικών μετάλλων είναι πιο αποτελεσματική από τη συγκόλληση TIG και τη σημειακή συγκόλληση αντίστασης. Συγκεκριμένα, επειδή οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση λέιζερ κατά την παραγωγή, είναι βολικό να μετακινείστε γρήγορα και ευέλικτα μεταξύ διαφόρων πάγκων εργασίας.
Συνοπτικά, η σημειακή συγκόλληση με λέιζερ έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- Με την αύξηση της ισχύος του λέιζερ, η διάμετρος της επιφάνειας του σημείου συγκόλλησης κυμαίνεται προς τα πάνω και προς τα κάτω, ενώ η διάμετρος της επιφάνειας σύντηξης και της κάτω επιφάνειας αυξάνεται αργά. Η αλλαγή στο σχήμα της διατομής του σημείου συγκόλλησης δεν είναι εμφανής. Καθώς αυξάνεται η διάρκεια, το μέγεθος του σημείου συγκόλλησης αυξάνεται γρήγορα και ο ρυθμός αλλαγής της διαμέτρου της επιφάνειας σύντηξης είναι μεγαλύτερος από αυτόν της άνω και κάτω διαμέτρου της επιφάνειας. Η αλλαγή στην ποσότητα αποεστίασης έχει σημαντικό αντίκτυπο στο μέγεθος του σημείου συγκόλλησης. Αλλάζει άμεσα τη διάμετρο του σημείου και την πυκνότητα ισχύος του λέιζερ και η συνολική επίδραση αυτών των δύο παραγόντων καθορίζει το μέγεθος του σημείου συγκόλλησης.
- Στην περίπτωση πλήρους διείσδυσης, υπάρχει εμφανής χαλάρωση στην επιφάνεια της σημειακής συγκόλλησης με λέιζερ. Με την αύξηση της ισχύος και της διάρκειας του λέιζερ, το βάθος χαλάρωσης στην σημειακή επιφάνεια συγκόλλησης αυξάνεται. Όταν η διάρκεια ή το μέγεθος του κενού είναι μεγάλο, η κάτω επιφάνεια μπορεί επίσης να εμφανίζει εσοχή.
- Καθώς το κενό αυξάνεται, η συνολική παραμόρφωση του σημείου συγκόλλησης, η κεντρική χαλάρωση και η εσοχή γίνονται εμφανείς. Η επιφάνεια σύντηξης συρρικνώνεται και η αντοχή μειώνεται ραγδαία. Σήμερα, στη συγκόλληση αντιστάσεων, μπαταριών και στον τομέα της ηλεκτρονικής, χρησιμοποιείται συνήθως η διαδικασία συγκόλλησης δύο σημείων ταυτόχρονα, η οποία συνήθως υιοθετεί ένα σχέδιο με δύο πηγές φωτός λέιζερ.
Ώρα δημοσίευσης: 27 Οκτωβρίου 2025
