Punktkeevitus on kiire ja kulutõhus ühendusmeetod. See sobib õhukeste plaatide komponentide ühendamiseks kattuvate ühendustega, mis ei vaja õhutihedust. Punktkeevitust on mitut tüüpi, näiteks takistuspunktkeevitus, kaarpunktkeevitus, liimpunktkeevitus,komposiitpunktkeevitusja laserpunktkeevitus. Praegu kasutatakse tootmises laialdaselt takistuspunktkeevitust. Näiteks autotööstuses on autokere paneelide komponentide kokkupanekuks vaja 3000–4000 keevituspunkti, mis nõuab 250–300 robotit koos tugisüsteemide ja muude abiseadmetega. Takistuspunktkeevituse paindlikkus on aga väike. Kiire majandusarengu tõttu on autokomponentide geomeetriliste kujundite ja struktuuride uuendamistsükkel muutunud väga lühikeseks. Uute toodete ja mudelite täiustamine nõuab uut tüüpi tõhusat ja paindlikku punktkeevituse tehnoloogiat. Seetõttu on laserpunktkeevituse tehnoloogia järk-järgult tähelepanu keskpunktis ja eeldatavasti rakendatakse seda laialdaselt autotööstuses. Lennunduses ja kosmosetööstuses katsetatakse laserpunktkeevitust alternatiivse tehnoloogiana. Pikka aega on lennunduses ja kosmosetoodete kattega ühenduste puhul üldiselt kasutatud neetimist, mis hõlmab paljusid tootmisprotsesse ja suurt töökoormust. Uute materjalide, näiteks alumiiniumisulamite, titaanisulamite ja komposiitmaterjalide üha suureneva kasutamisega on traditsiooniliste ühendusmeetodite asendamiseks uute keevitustehnoloogiate kasutuselevõtt muutunud peavoolu trendiks. See mitte ainult ei paranda tootmise efektiivsust, vaid vähendab ka konstruktsiooni kaalu ja vastab uutele konstruktsioonide projekteerimisnõuetele, millel on suur tähtsus lennundus- ja kosmosetoodete puhul. Laserpunktkeevituse kõrge täpsus ja paindlikkus annavad sellele märkimisväärseid eeliseid praktilises tootmises, eriti lennunduses, kus see saab asendada traditsioonilisi protsesse, nagu takistuspunktkeevitus ja neetimine.
I. Laserpunktkeevituse definitsioon ja omadused
Definitsioon
Laserpunktkeevitus viitab toorikute sulatamisele ja ühendamisele ühe laserimpulsi (t > 1 ms) või laserimpulsside seeria abil samas asendis.
Laserpunktkeevitus sarnaneb põhimõtteliselt teiste laserkeevitusprotsessidega; ainus erinevus seisneb selles, et punktkeevituse ajal ei toimu laserkiire ja töödeldava detaili vahel suhtelist nihet. Laserpunktkeevitus jaguneb kahte tüüpi: soojusjuhtivusega keevitamine ja võtmeaugu keevitamine. Soojusjuhtivusega punktkeevituses saab laser metalli ainult sulatada, seda aurustamata. See meetod sobib paremini alla 0,5 mm paksuste metallide keevitamiseks, näiteks elektroonikakomponentide Nd:YAG laserpunktkeevituseks. Võtmeaugu laserpunktkeevituses pääseb laser võtmeaugu kaudu otse materjali sisemusse, suurendades laseri energia kasutusmäära ja saavutades suurema läbitungimissügavuse. Traditsiooniline takistuspunktkeevitus sulatab toorikuid keevituspunktide moodustamiseks elektrivoolu tekitatud takistussoojuse abil, samas kui laserpunktkeevituse soojusallikas tuleb laserkiirgusest, mille tulemuseks on oluliselt erinevad keevituspunktide kujud.
Laserpunktkeevituse reguleeritavate parameetrite hulka kuuluvad üldiselt laseri võimsus, punktkeevituse aeg ja fookuse hägustumise hulk. Impulssrežiimis punktkeevituse puhul hõlmavad parameetrid ka impulsi lainekuju, sagedust ja töötsüklit. Nende hulgas mõjutab laseri võimsus peamiselt keevispunkti läbitungimissügavust, samas kui punktkeevituse ajal on suurem mõju keevispunkti külgsuunalisele suurusele. Üldiselt, mida pikem on laseri toimeaeg, seda suurem on keevispunkti ülemise ja alumise pinna suurus ning sulamispinna suurus. Fokuse hägustumise hulga muutused mõjutavad peamiselt punkti läbimõõtu ja tooriku pinnale mõjuvat energiatihedust, avaldades seega olulist mõju keevispunkti üldisele kujule.
Omadused
- Laseri kui soojusallika abil pakub punktkeevitus suurt kiirust, suurt täpsust, väikest soojuskoormust ja minimaalset tooriku deformatsiooni.
- Punktkeevituse asendite vabadusaste on oluliselt paranenud, võimaldades igas asendis punktkeevitust ja hõlpsat teostamistühepoolne punktkeevitus, suurendades seega oluliselt tootekujunduse vabadust.
- Laserpunktkeevituse nõuded ülekattega ühenduste suurusele on madalad. Parameetrite, näiteks ülekattega ühenduste arvu ja keevituspunktide vahelise kauguse osas on piirangud minimaalsed ning voolu šunteerimise mõju pole vaja arvestada.
- Ebavõrdse paksusega plaatide, erinevate materjalide ja erimaterjalide (alumiiniumisulamid, tsingitud lehed) keevitamisel on laserpunktkeevitus parem kui traditsioonilised punktkeevitusmeetodid.
- See ei vaja suurt hulka abiseadmeid, saab kiiresti kohaneda tootemuudatustega ja rahuldada turu nõudmisi.
II. Laserpunktkeevituse defektide analüüs
Praod, poorid ja longus on laserpunktkeevituse kõige levinumad defektid, mida analüüsitakse allpool ükshaaval.
1. Praod
Praod jagunevad pinnapragudeks ja pikipragudeks. Laserpunktkeevituse ajal on kuumenemis- ja jahtumiskiirus väga suur, mille tulemuseks on suur temperatuurigradient kuumutatava ala ja ümbritseva metalli vahel, mis viib kergesti pragude tekkeni. Pragude teke on tihedalt seotud materjaliga; näiteks alumiiniumisulamitel on laserpunktkeevituse ajal palju suurem kalduvus praguneda kui roostevabal terasel. Tõhus meetod pragude tekke vähendamiseks on impulsi lainekuju optimeerimine, et kontrollida metalli tahkumisprotsessi jahutuskiirust ja vähendada sisemist pinget.
2. Poorid
Laserpunktkeevituste poorsed defektid (poorid) võib jagada väikesteks ja suurteks poorideks. Väikesed poorid tekivad peamiselt vesiniku lahustuvuse vähenemisest vedelas metallis metalli tahkumise ajal, samuti metalli kiirest aurustumisest võtmeavas ja sulavanni häirimisest. Suured poorid tekivad peamiselt liiga kiire jahutuskiiruse tõttu laserpunktkeevituse ajal, mis ei jäta võtmeauku ümbritseva metalli täitumiseks piisavalt aega. Üldiselt tekivad pika impulsiga punktkeevituse korral väikesed poorid, samas kui lühikese impulsiga punktkeevituse korral on tõenäolisem suurte pooride teke.
Laserpunktkeevituses tekivad poorid kõige tõenäolisemalt kahes kohas: üks on keevisõmbluse keskel asuva sulamistsooni lähedal ja teine on keevisõmbluse juures. Röntgenikiirgusega jäädvustatud sulamispildid näitavad, et sulamistsooni lähedal olevad poorid tekivad peamiselt kitsenemise tagajärjel võtmeaugu sulgumisel; keevisõmbluse juures olevad poorid tekivad peamiselt võtmeaugu kokkuvarisemise tagajärjel, mis on tingitud laserkiire kiirest kadumisest pärast võtmeaugu teket.
3. Lõtvumine
Lõtvumine on laserpunktkeevituses ilmne nähtus. Keevituskoha pinnal tekkiv keskne lämbumine ja metalli kogunemine selle ümber on põhjustatud metalli aurustumisel tekkivast tagasilöögijõust, mis surub vedela metalli keevituskoha pinnale. Jahtumisprotsessi käigus tahkestub pinnale kogunenud metall kiiresti ja seda ei saa täielikult täita. Lisaks on tsentraalse lämbumise tekkele kaasa aitav tegur ka materjali kadu, mis on põhjustatud metalli kiirest aurustumisest ja pritsimisest. Impulsi ajal on oluline mõju nii keevituskoha pinna lämbumisele kui ka pooride moodustumisele. Rahuldavaid keevituskohti saab impulsi lainekuju ja aja optimeerimise teel.
4. Fookussügavuse mõju keevituspunktidele
Defokuseerimise ulatuse muutused muudavad otseselt täpi läbimõõtu ja energiatihedust. Kui defokuseerimise ulatus suureneb nii negatiivses kui ka positiivses suunas, tähendab see täpi läbimõõdu suurenemist ja energiatiheduse vähenemist. Laserpunktkeevituse ajal on teatud vastav seos täpi läbimõõdu ja katsekehale langeva laserkiire poolt moodustatud esialgse võtmeaugu suuruse vahel, samas kui energiatihedus määrab sulavanni paisumiskiiruse. Kui defokuseerimise ulatuse absoluutväärtus on väike, on lasertäpi läbimõõt väike, laseri võimsustihedus kõrge ja keevituspunkti sulavanni paisumiskiirus on kiire, kuid esialgse võtmeaugu läbimõõt on väike. Seevastu, kui defokuseerimise ulatus on suur, on esialgse võtmeaugu läbimõõt suur, kuid sulavanni paisumiskiirus aeglustub ja sellest tulenev keevituspunkti suurus ei pruugi olla suur. Seetõttu määrab defokuseerimise ulatuse muutumise ajal keevituspunkti suuruse täpi läbimõõdu ja keevituspunkti pinna võimsustiheduse kompleksne mõju.
III. Laserpunktkeevitustehnoloogia rakendamine
Laserpunktkeevitust iseloomustab suur kiirus, suur läbitungimissügavus, minimaalne deformatsioon ning seda saab teostada toatemperatuuril või eritingimustes lihtsate keevitusseadmetega. Lisaks on kõrgsageduslike impulsslaserite (sagedusega üle 40 impulsi sekundis) tekkimine võimaldanud laserpunktkeevituse laialdast kasutamist mikro- ja väikekomponentide montaažil ja keevitamisel masstootmises. Väikeste elektroonikakomponentide keevitamisel, mis vajavad väikest kuummõjutsooni – näiteks klaasi ja metalli ühendus, vuukide ühendus kuumustundlikes pooljuhtahelates ja erinevate metallide ühendus juhtmetes – on laserpunktkeevitus soodsam kui traditsioonilised punktkeevitusprotsessid (nt takistuspunktkeevitus), pakkudes saastevabasid keevituspunkte ja kõrget keevituskvaliteeti. Joonis 6-60 näitab laserpunktkeevituse rakendusnäidet autoesitulede tootmisel: 500 W tahkisimpulsslaser genereerib neli sarnast keevituspunkti väga kõrge impulsisagedusega.
Mikrostruktuuride ülitäpse punktkeevituse teostamisel suure impulsienergia abil on impulss-Nd:YAG-laseritel tehnilised ja majanduslikud eelised. Enamikus tööstuslikes punktkeevitusrakendustes kasutatakse põhimõtteliselt impulss-tahkislasereid keskmise võimsusega 50 W ja impulsi võimsusega > 2 kW. Laser saab töödeldavale detailile otse mõjuda optiliste kiudude või kombineeritud fokuseerimisläätsede kaudu.
Laserpunktkeevitust saab kasutada paljude materjalide puhul. Näiteks liitiumpatareide punktkeevitamisel Nd abil:YAG-laserpunktkeevitustehnoloogiaErinevate metallide ühendamine on efektiivsem kui TIG-keevitus ja takistuspunktkeevitus. Eelkõige kuna tootmise ajal kasutatakse laserkiirte edastamiseks optilisi kiude, on mugav kiiresti ja paindlikult erinevate tööpinkide vahel liikuda.
Kokkuvõttes on laserpunktkeevitamisel järgmised omadused:
- Laseri võimsuse suurenemisega kõigub keevituskoha pinna läbimõõt üles-alla, samal ajal kui sulatuspinna ja alumise pinna läbimõõt suureneb aeglaselt. Keevituskoha ristlõike kuju muutus ei ole ilmne. Kestuse suurenedes suureneb keevituskoha suurus kiiresti ja sulatuspinna läbimõõdu muutuse kiirus on suurem kui ülemise ja alumise pinna läbimõõdu muutus. Fokuseerimise muutus mõjutab oluliselt keevituskoha suurust. See muudab otseselt koha läbimõõtu ja laseri võimsustihedust ning nende kahe teguri kompleksne mõju määrab keevituskoha suuruse.
- Täieliku läbitungimise korral on laserkeevituse pinnal ilmne läbipaindumine. Laseri võimsuse ja kestuse suurenemisega suureneb keevituspunkti pinna läbipainde sügavus. Kui kestus või vahe on suur, võib alumisel pinnal esineda ka süvendeid.
- Suurenedes vahe, ilmneb keevituskoha üldine deformatsioon, keskne läbipaindumine ja taane. Sulamispind kahaneb ja tugevus väheneb kiiresti. Praegu kasutatakse takistite, akude ja elektroonika keevitamisel tavaliselt kahe koha samaaegset keevitamist, mis tavaliselt kasutab kahe laservalgusallikaga konstruktsiooni.
Postituse aeg: 27. okt 2025
