Bodové zváranie je vysokorýchlostná a nákladovo efektívna metóda spájania. Je vhodné na spájanie tenkovrstvových komponentov s prekrývajúcimi sa spojmi, ktoré nevyžadujú vzduchotesnosť. Existuje mnoho typov bodového zvárania, ako napríklad odporové bodové zváranie, oblúkové bodové zváranie, bodové zváranie lepidlom,bodové zváranie kompozitných materiálov, a laserové bodové zváranie. V súčasnosti sa odporové bodové zváranie široko používa vo výrobe. Napríklad v automobilovom priemysle je potrebných 3 000 až 4 000 zvarových bodov počas montáže komponentov karosérie, čo si vyžaduje 250 až 300 robotov spolu s podpornými riadiacimi systémami a ďalším pomocným zariadením. Odporové bodové zváranie má však nízku flexibilitu. S rýchlym hospodárskym rozvojom sa cyklus aktualizácie geometrických tvarov a štruktúr automobilových komponentov veľmi skrátil. Modernizácia nových produktov a modelov si vyžaduje nový typ technológie bodového zvárania, ktorá je efektívna a flexibilná. Preto sa technológia laserového bodového zvárania postupne stala stredobodom pozornosti a očakáva sa, že sa bude široko uplatňovať v automobilovej priemyselnej výrobe. V leteckom priemysle sa laserové bodové zváranie testuje aj ako alternatívna technológia. Preplátované spoje leteckých a kozmických výrobkov sa už dlho všeobecne vyrábajú nitovaním, čo zahŕňa mnoho výrobných procesov a vysokú pracovnú záťaž. S rastúcim používaním nových materiálov, ako sú hliníkové zliatiny, titánové zliatiny a kompozitné materiály, sa stalo hlavným trendom prijímanie nových technológií zvárania, ktoré nahrádzajú tradičné metódy spájania. Toto nielen zlepšuje efektivitu výroby, ale tiež znižuje hmotnosť konštrukcie a spĺňa nové požiadavky na konštrukčný dizajn, čo má veľký význam pre letecké a kozmické produkty. Vysoká presnosť a vysoká flexibilita laserového bodového zvárania mu dávajú významné výhody v praktickej výrobe, najmä v leteckom priemysle, kde môže nahradiť tradičné procesy, ako je odporové bodové zváranie a nitovanie.
I. Definícia a charakteristiky laserového bodového zvárania
Definícia
Bodové laserové zváranie označuje proces tavenia a spájania obrobkov pomocou jedného laserového impulzu (t > 1 ms) alebo série laserových impulzov na rovnakom mieste.
Bodové zváranie laserom je v podstate podobné iným procesom laserového zvárania; jediný rozdiel je v tom, že počas bodového zvárania nedochádza k relatívnemu posunu medzi laserovým lúčom a obrobkom. Bodové zváranie laserom sa delí na dva typy: tepelnovodivé zváranie a bodové zváranie kľúčovou dierkou. Pri bodovom zváraní tepelnovodivým laserom sa kov iba roztaví bez jeho odparovania. Táto metóda je vhodnejšia na zváranie kovov s hrúbkou menšou ako 0,5 mm, ako je napríklad bodové zváranie elektronických súčiastok laserom Nd:YAG. Pri bodovom zváraní kľúčovou dierkou môže laser priamo preniknúť do vnútra materiálu cez kľúčovú dierku, čím sa zvyšuje miera využitia laserovej energie a dosahuje sa väčšia hĺbka prieniku. Tradičné odporové bodové zváranie roztavuje obrobky a vytvára zvarové body pomocou odporového tepla generovaného elektrickým prúdom, zatiaľ čo zdroj tepla pri laserovom bodovom zváraní pochádza z laserového žiarenia, čo vedie k výrazne odlišným tvarom zvarových bodov.
Medzi nastaviteľné parametre laserového bodového zvárania vo všeobecnosti patrí výkon laseru, čas bodového zvárania a miera rozostrenia. Pri bodovom zváraní v pulznom režime patria medzi parametre aj priebeh impulzného vlnenia, frekvencia a pracovný cyklus. Výkon laseru ovplyvňuje najmä hĺbku prieniku zvarového bodu, zatiaľ čo čas bodového zvárania má väčší vplyv na priečnu veľkosť zvarového bodu. Vo všeobecnosti platí, že čím dlhší je čas pôsobenia laseru, tým väčšia je veľkosť horného a dolného povrchu zvarového bodu a veľkosť tavného povrchu. Zmeny miery rozostrenia ovplyvňujú najmä priemer bodu a hustotu energie pôsobiacu na povrch obrobku, a tým majú významný vplyv na celkový tvar zvarového bodu.
Charakteristiky
- Vďaka laseru ako zdroju tepla ponúka bodové zváranie vysokú rýchlosť, vysokú presnosť, nízky tepelný príkon a minimálnu deformáciu obrobku.
- Stupeň voľnosti v polohách bodového zvárania sa výrazne zlepšil, čo umožňuje bodové zváranie vo všetkých polohách a jednoduchú realizáciu.jednostranné bodové zváranie, čím sa výrazne zvyšuje sloboda dizajnu produktov.
- Bodové zváranie laserom má nízke požiadavky na veľkosť prekrytých spojov. Existujú minimálne obmedzenia týkajúce sa parametrov, ako je počet prekrytí spojov a vzdialenosť medzi zvarovými bodmi, a nie je potrebné zohľadňovať vplyv posunu prúdu.
- Pri zváraní plechov s nerovnakou hrúbkou, rozdielnych materiálov a špeciálnych materiálov (hliníkové zliatiny, pozinkované plechy) dosahuje laserové bodové zváranie lepšie výsledky ako tradičné metódy bodového zvárania.
- Nevyžaduje veľké množstvo pomocných zariadení, dokáže sa rýchlo prispôsobiť zmenám produktu a splniť požiadavky trhu.
II. Analýza defektov laserového bodového zvárania
Trhliny, póry a prehýbanie sú najčastejšími chybami pri laserovom bodovom zváraní, ktoré sú ďalej analyzované jeden po druhom.
1. Trhliny
Trhliny sa delia na povrchové trhliny a pozdĺžne trhliny. Rýchlosti ohrevu a chladenia počas laserového bodového zvárania sú veľmi rýchle, čo má za následok veľký teplotný gradient medzi zahrievanou oblasťou a okolitým kovom, čo ľahko vedie k tvorbe trhlín. Výskyt trhlín úzko súvisí s materiálom; napríklad hliníkové zliatiny majú oveľa vyššiu tendenciu k praskaniu počas laserového bodového zvárania ako nehrdzavejúca oceľ. Účinnou metódou na potlačenie tvorby trhlín je optimalizácia pulzného tvaru vlny na riadenie rýchlosti chladenia procesu tuhnutia kovu a zníženie vnútorného napätia.
2. Póry
Pórovité defekty (póry) v laserových bodových zvaroch možno rozdeliť na malé póry a veľké póry. Malé póry sú spôsobené najmä znížením rozpustnosti vodíka v tekutom kove počas tuhnutia kovu, ako aj rýchlym odparovaním kovu v kľúčovej dierke a narušením roztaveného kúpeľa. Veľké póry sú spôsobené najmä príliš rýchlou rýchlosťou chladenia počas laserového bodového zvárania, čo neponecháva dostatok času na zaplnenie kovu okolo kľúčovej dierky. Vo všeobecnosti sú malé póry náchylné na tvorbu pri dlhopulznom bodovom zváraní, zatiaľ čo veľké póry sa pravdepodobne vyskytujú pri krátkopulznom bodovom zváraní.
Pri laserovom bodovom zváraní sa póry s najväčšou pravdepodobnosťou vyskytujú na dvoch miestach: jedno je v blízkosti taviacej zóny v strede zvarového bodu a druhé je v koreni zvaru. Snímky tavenia zachytené röntgenovým žiarením ukazujú, že póry v blízkosti taviacej zóny sú spôsobené najmä zúžením pri zatváraní kľúčovej dierky; póry v koreni zvaru vznikajú najmä kolapsom kľúčovej dierky v dôsledku rýchleho zmiznutia laseru po vytvorení kľúčovej dierky.
3. Ovisnutie
Prehýbanie je zrejmý jav pri laserovom bodovom zváraní. Centrálne prehýbanie na povrchu zvarového bodu a hromadenie kovu okolo neho sú spôsobené spätnou silou generovanou odparovaním kovu, ktorá tlačí tekutý kov k povrchu zvarového bodu. Počas procesu chladenia nahromadený kov na povrchu rýchlo tuhne a nedá sa úplne zaplniť. Okrem toho je ďalším faktorom prispievajúcim k centrálnemu prehýbaniu strata materiálu spôsobená rýchlym odparovaním a rozstrekovaním kovu. Čas impulzu má významný vplyv na prehýbanie povrchu zvarového bodu aj na tvorbu pórov. Uspokojivé zvarové body je možné dosiahnuť optimalizáciou tvaru vlny impulzu a času.
4. Vplyv miery rozostrenia na zvarové miesta
Zmeny v miere rozostrenia priamo menia priemer bodu a hustotu energie. Keď sa miera rozostrenia zvyšuje v negatívnom aj pozitívnom smere, znamená to, že priemer bodu sa zvyšuje a hustota energie sa znižuje. Počas laserového bodového zvárania existuje určitý zodpovedajúci vzťah medzi priemerom bodu a veľkosťou počiatočnej kľúčovej dierky vytvorenej laserom dopadajúcim na skúšobný kus, pričom hustota energie určuje rýchlosť expanzie roztaveného kúpeľa. Keď je absolútna hodnota miery rozostrenia malá, priemer laserového bodu je malý, hustota výkonu laseru je vysoká a rýchlosť expanzie roztaveného kúpeľa zvarového bodu je rýchla, ale priemer počiatočnej kľúčovej dierky je malý. Naopak, keď je miera rozostrenia veľká, priemer počiatočnej kľúčovej dierky je veľký, ale rýchlosť expanzie roztaveného kúpeľa sa spomaľuje a výsledná veľkosť zvarového bodu nemusí byť veľká. Preto pri zmene miery rozostrenia komplexný vplyv priemeru bodu a hustoty povrchového výkonu zvarového bodu určuje veľkosť zvarového bodu.
III. Aplikácia technológie laserového bodového zvárania
Bodové laserové zváranie sa vyznačuje vysokou rýchlosťou, veľkou hĺbkou prieniku, minimálnou deformáciou a možno ho vykonávať pri izbovej teplote alebo za špeciálnych podmienok s jednoduchým zváracím zariadením. Okrem toho, vznik vysokofrekvenčných pulzných laserov (s frekvenciou vyššou ako 40 impulzov za sekundu) umožnil široké uplatnenie laserového bodového zvárania pri montáži a zváraní mikro a malých súčiastok v hromadnej automatizovanej výrobe. Pri zváraní malých elektronických súčiastok, ktoré vyžadujú malú tepelne ovplyvnenú zónu – ako je spojenie medzi sklom a kovom, spojenie spojov v tepelne citlivých polovodičových obvodoch a spojenie medzi rôznymi kovmi v drôtoch – je laserové bodové zváranie výhodnejšie ako tradičné procesy bodového zvárania (napr. odporové bodové zváranie), s bezznečisťujúcimi zvarovými bodmi a vysokou kvalitou zvárania. Obrázok 6-60 znázorňuje príklad použitia laserového bodového zvárania pri výrobe automobilových svetlometov: 500W pulzný laser v pevnej fáze generuje štyri podobné zvarové body s veľmi vysokou pulznou frekvenciou.
Pri vykonávaní vysoko presného bodového zvárania mikroštruktúr s použitím vysokej pulznej energie majú pulzné Nd:YAG lasery technické a ekonomické výhody. Vo väčšine priemyselných aplikácií bodového zvárania sa v podstate používajú pulzné pevnolátkové lasery s priemerným výkonom 50 W a pulzným výkonom > 2 kW. Laser môže pôsobiť priamo na obrobok prostredníctvom optických vlákien alebo kombinovaných zaostrovacích šošoviek.
Bodové zváranie laserom je vhodné pre širokú škálu materiálov. Napríklad pri bodovom zváraní lítiových batérií s použitím Nd:Technológia bodového zvárania YAG laseromSpájanie rôznych kovov je efektívnejšie ako TIG zváranie a bodové odporové zváranie. Najmä preto, že sa na prenos laserov počas výroby používajú optické vlákna, je pohodlné rýchlo a flexibilne sa pohybovať medzi rôznymi pracovnými stolmi.
Stručne povedané, laserové bodové zváranie má nasledujúce vlastnosti:
- So zvyšujúcim sa výkonom laseru sa priemer zvarového bodu mení smerom nahor a nadol, zatiaľ čo priemer tavného povrchu a spodného povrchu sa pomaly zväčšuje. Zmena tvaru prierezu zvarového bodu nie je zrejmá. S predlžujúcim sa trvaním sa veľkosť zvarového bodu rýchlo zväčšuje a rýchlosť zmeny priemeru tavného povrchu je väčšia ako priemer horného a spodného povrchu. Zmena stupňa rozostrenia má významný vplyv na veľkosť zvarového bodu. Priamo mení priemer bodu a hustotu výkonu laseru a komplexný vplyv týchto dvoch faktorov určuje veľkosť zvarového bodu.
- V prípade úplného prevarenia je na povrchu laserového bodového zvaru zjavné previsnutie. So zvyšujúcim sa výkonom a trvaním laseru sa hĺbka previsnutia na povrchu zvarového bodu zväčšuje. Ak je trvanie alebo veľkosť medzery veľká, môže sa na spodnom povrchu objaviť aj vrúbkovanie.
- S rastúcou medzerou sa prejavuje celková deformácia zvarového bodu, prehýbanie v strede a vtlačenie. Zvarová plocha sa zmenšuje a pevnosť rýchlo klesá. V súčasnosti sa pri zváraní rezistorov, batérií a v elektronickom priemysle bežne používa proces súčasného zvárania dvoch bodov, ktorý zvyčajne využíva konštrukciu s dvoma laserovými zdrojmi svetla.
Čas uverejnenia: 27. októbra 2025
