Pistehitsaus on nopea ja kustannustehokas liitosmenetelmä. Se soveltuu ohutlevykomponenttien liittämiseen limiliitoksilla, jotka eivät vaadi ilmatiiviyttä. Pistehitsausta on monenlaista, kuten vastuspistehitsaus, kaaripistehitsaus, liimapistehitsaus,komposiittipistehitsausja laserpistehitsausta. Tällä hetkellä vastuspistehitsausta käytetään laajalti tuotannossa. Esimerkiksi autoteollisuudessa auton koripaneelien kokoonpanossa tarvitaan 3 000–4 000 hitsauspistettä, mikä vaatii 250–300 robottia sekä tukiohjausjärjestelmiä ja muita apulaitteita. Vastuspistehitsauksella on kuitenkin heikko joustavuus. Nopean talouskehityksen myötä autonosien geometristen muotojen ja rakenteiden päivityssykli on lyhentynyt huomattavasti. Uusien tuotteiden ja mallien päivittäminen vaatii uudenlaista tehokasta ja joustavaa pistehitsaustekniikkaa. Siksi laserpistehitsaustekniikasta on vähitellen tullut huomion keskipiste, ja sen odotetaan tulevan laajalti käyttöön autoteollisuuden tuotannossa. Myös ilmailu- ja avaruusalalla laserpistehitsausta testataan vaihtoehtoisena tekniikkana. Ilmailu- ja avaruustuotteiden limiliitoksissa on pitkään käytetty yleensä niittaamista, mikä sisältää monia tuotantoprosesseja ja suurta työmäärää. Uusien materiaalien, kuten alumiiniseosten, titaaniseosten ja komposiittimateriaalien, käytön lisääntyessä uusien hitsaustekniikoiden käyttöönotto perinteisten liitosmenetelmien korvaamiseksi on tullut valtavirtatrendiksi. Tämä ei ainoastaan paranna tuotantotehokkuutta, vaan myös vähentää rakenteellista painoa ja täyttää uudet rakennesuunnitteluvaatimukset, mikä on erittäin tärkeää ilmailu- ja avaruusteollisuuden tuotteille. Laserpistehitsauksen korkea tarkkuus ja joustavuus antavat sille merkittäviä etuja käytännön tuotannossa, erityisesti ilmailuteollisuudessa, jossa se voi korvata perinteisiä prosesseja, kuten vastuspistehitsauksen ja niittaamisen.
I. Laserpistehitsauksen määritelmä ja ominaisuudet
Määritelmä
Laserpistehitsaus tarkoittaa työkappaleiden sulattamista ja liittämistä käyttämällä yhtä laserpulssia (t > 1 ms) tai sarjaa laserpulsseja samassa kohdassa.
Laserpistehitsaus on pohjimmiltaan samanlainen kuin muut laserhitsausprosessit; ainoa ero on, että pistehitsauksen aikana lasersäteen ja työkappaleen välillä ei ole suhteellista siirtymää. Laserpistehitsaus jaetaan kahteen tyyppiin: lämpöjohtavuushitsaukseen ja tähystyshitsaukseen. Lämpöjohtavuuspistehitsauksessa laser voi vain sulattaa metallia höyrystämättä sitä. Tämä menetelmä sopii paremmin alle 0,5 mm paksuisten metallien hitsaukseen, kuten elektronisten komponenttien Nd:YAG-laserpistehitsaukseen. Tähystyslaserpistehitsauksessa laser voi päästä suoraan materiaalin sisään tähystysreiän kautta, mikä lisää laserenergian käyttöastetta ja saavuttaa suuremman tunkeutumissyvyyden. Perinteinen vastuspistehitsaus sulattaa työkappaleet hitsauspisteiksi sähkövirran tuottaman vastuslämmön avulla, kun taas laserpistehitsauksen lämmönlähde on lasersäteily, mikä johtaa merkittävästi erilaisiin hitsauspisteiden muotoihin.
Laserpistehitsauksen säädettäviä parametreja ovat yleensä laserin teho, pistehitsausaika ja epätarkennuksen määrä. Pulssitilassa tehtävässä pistehitsauksessa parametreihin kuuluvat myös pulssin aaltomuoto, taajuus ja käyttösuhde. Näistä laserin teho vaikuttaa pääasiassa hitsauspisteen tunkeutumissyvyyteen, kun taas pistehitsausajalla on suurempi vaikutus hitsauspisteen sivuttaiseen kokoon. Yleisesti ottaen, mitä pidempi laserin toiminta-aika on, sitä suurempi on hitsauspisteen ylä- ja alapintojen koko sekä sulamispinnan koko. Epätarkennuksen määrän muutokset vaikuttavat pääasiassa pisteen halkaisijaan ja työkappaleen pintaan vaikuttavaan energiatiheyteen, ja niillä on siten merkittävä vaikutus hitsauspisteen kokonaismuotoon.
Ominaisuudet
- Laserilla lämmönlähteenä toimiva pistehitsaus tarjoaa suuren nopeuden, suuren tarkkuuden, pienen lämmöntuonnin ja minimaalisen työkappaleen muodonmuutoksen.
- Pistehitsausasennoissa vapausaste on huomattavasti parempi, mikä mahdollistaa pistehitsauksen kaikissa asennoissa ja helpottaa toteutustayksipuolinen pistehitsausmikä lisää merkittävästi tuotesuunnittelun vapautta.
- Laserpistehitsauksella on alhaiset vaatimukset limitysliitosten koolle. Parametreille, kuten limitysliitosten määrälle ja hitsauspisteiden väliselle etäisyydelle, on minimaaliset rajoitukset, eikä virran ohituksen vaikutusta tarvitse ottaa huomioon.
- Epätasaisen paksuisten levyjen, erilaisten materiaalien ja erikoismateriaalien (alumiiniseokset, sinkityt levyt) hitsauksessa laserpistehitsaus on parempi kuin perinteiset pistehitsausmenetelmät.
- Se ei vaadi suurta määrää apulaitteita, pystyy sopeutumaan nopeasti tuotemuutoksiin ja vastaamaan markkinoiden vaatimuksiin.
II. Laserpistehitsauksen vika-analyysi
Halkeamat, huokoset ja roikkuminen ovat yleisimpiä laserpistehitsauksen vikoja, joita analysoidaan yksi kerrallaan alla.
1. Halkeamat
Halkeamat jaetaan pintahalkeamiin ja pitkittäisiin halkeamiin. Laserpistehitsauksessa lämmitys- ja jäähdytysnopeudet ovat erittäin nopeita, mikä johtaa suureen lämpötilaeroon lämmitetyn alueen ja ympäröivän metallin välillä, mikä johtaa helposti halkeamien muodostumiseen. Halkeamien esiintyminen liittyy läheisesti materiaaliin; esimerkiksi alumiiniseoksilla on paljon suurempi taipumus halkeilla laserpistehitsauksessa kuin ruostumattomalla teräksellä. Tehokas menetelmä halkeamien muodostumisen estämiseksi on optimoida pulssiaaltomuoto metallin jähmettymisprosessin jäähdytysnopeuden hallitsemiseksi ja sisäisen jännityksen vähentämiseksi.
2. Huokoset
Laserpistehitsausten huokoiset viat (huokoset) voidaan jakaa pieniin huokosiin ja suuriin huokosiin. Pienet huokoset johtuvat pääasiassa vedyn liukoisuuden vähenemisestä nestemäisessä metallissa metallin jähmettymisen aikana sekä metallin nopeasta haihtumisesta tähystysreiässä ja sulan altaan häiriöistä. Suuret huokoset johtuvat pääasiassa liian nopeasta jäähdytysnopeudesta laserpistehitsauksen aikana, mikä ei anna riittävästi aikaa tähystysreiän ympärillä olevan metallin täyttymiselle. Yleensä pienet huokoset ovat alttiita muodostumaan pitkäpulssipistehitsauksessa, kun taas suuret huokoset ovat todennäköisempiä lyhytpulssipistehitsauksessa.
Laserpistehitsauksessa huokosia esiintyy todennäköisimmin kahdessa kohdassa: toinen on hitsauspisteen keskellä olevan sulamisvyöhykkeen lähellä ja toinen hitsin juuressa. Röntgenkuvauksessa otetut sulamiskuvat osoittavat, että sulamisvyöhykkeen lähellä olevat huokoset syntyvät pääasiassa avaimenreiän sulkeutuessa tapahtuvasta kuroutumisesta; hitsin juuressa olevat huokoset muodostuvat pääasiassa avaimenreiän romahtamisesta, joka johtuu laserin nopeasta katoamisesta avaimenreiän muodostumisen jälkeen.
3. Roikkuminen
Laserpistehitsauksessa roikkuminen on ilmeinen ilmiö. Hitsauspisteen pinnan keskeinen roikkuminen ja sen ympärille kertynyt metalli johtuu metallin höyrystymisen aiheuttamasta rekyylivoimasta, joka työntää nestemäistä metallia hitsauspisteen pintaan. Jäähdytysprosessin aikana pinnalle kertynyt metalli jähmettyy nopeasti, eikä sitä voida täyttää kokonaan. Lisäksi metallin nopean haihtumisen ja roiskumisen aiheuttama materiaalihävikki on toinen keskeinen roikkumiseen vaikuttava tekijä. Pulssin ajalla on merkittävä vaikutus sekä hitsauspisteen pinnan roikkumiseen että huokosten muodostumiseen. Tyydyttäviä hitsauspisteitä voidaan saada optimoimalla pulssin aaltomuoto ja -aika.
4. Epätarkkuuden määrän vaikutus hitsauspisteisiin
Epätarkkuuden määrän muutokset muuttavat suoraan pisteen halkaisijaa ja energiatiheyttä. Kun epätarkkuuden määrä kasvaa sekä negatiiviseen että positiiviseen suuntaan, se tarkoittaa, että pisteen halkaisija kasvaa ja energiatiheys pienenee. Laserpistehitsauksessa pisteen halkaisijan ja lasersäteen testikappaleeseen muodostaman alkuperäisen avaimenreiän koon välillä on tietty vastaava suhde, kun taas energiatiheys määrää sulan altaan laajenemisnopeuden. Kun epätarkkuuden määrän absoluuttinen arvo on pieni, laserpisteen halkaisija on pieni, laserin tehotiheys on korkea ja hitsauspisteen sulan altaan laajenemisnopeus on nopea, mutta alkuperäisen avaimenreiän halkaisija on pieni. Päinvastoin, kun epätarkkuuden määrä on suuri, alkuperäisen avaimenreiän halkaisija on suuri, mutta sulan altaan laajenemisnopeus hidastuu, eikä tuloksena oleva hitsauspisteen koko välttämättä ole suuri. Siksi epätarkkuuden määrän muutoksen aikana pisteen halkaisijan ja hitsauspisteen pintatehotiheyden kokonaisvaikutus määrää hitsauspisteen koon.
III. Laserpistehitsaustekniikan käyttö
Laserpistehitsaukselle on ominaista suuri nopeus, suuri tunkeutumissyvyys, minimaalinen muodonmuutos, ja se voidaan suorittaa huoneenlämmössä tai erityisolosuhteissa yksinkertaisilla hitsauslaitteilla. Lisäksi korkeataajuisten pulssilasereiden (yli 40 pulssia sekunnissa) tulo on mahdollistanut laserpistehitsauksen laajan käytön mikro- ja pienkomponenttien kokoonpanossa ja hitsauksessa massatuotannossa. Pienten elektronisten komponenttien hitsauksessa, jotka vaativat pienen lämpövaikutusalueen – kuten lasin ja metallin liitokset, lämpöherkkien puolijohdepiirien liitokset ja eri metallien liitokset johtimissa – laserpistehitsaus on edullisempi kuin perinteiset pistehitsausprosessit (esim. vastuspistehitsaus), sillä se tuottaa saasteettomia hitsauspisteitä ja korkean hitsauslaadun. Kuvassa 6-60 on esimerkki laserpistehitsauksen käytöstä autojen ajovalojen valmistuksessa: 500 W:n puolijohdelaser tuottaa neljä samanlaista hitsauspistettä erittäin korkealla pulssitaajuudella.
Kun mikrorakenteille tehdään tarkkaa pistehitsausta käyttäen suurta pulssienergiaa, pulssitoimisilla Nd:YAG-lasereilla on teknisiä ja taloudellisia etuja. Useimmissa teollisissa pistehitsaussovelluksissa käytetään pääasiassa pulssitoimisia kiinteän olomuodon lasereita, joiden keskimääräinen teho on 50 W ja pulssin teho > 2 kW. Laser voi vaikuttaa suoraan työkappaleeseen optisten kuitujen tai yhdistettyjen tarkennuslinssien kautta.
Laserpistehitsausta voidaan käyttää monenlaisille materiaaleille. Esimerkiksi litium-akkujen pistehitsauksessa Nd:llä:YAG-laserpistehitsaustekniikkaEri metallien yhdistäminen on tehokkaampaa kuin TIG-hitsaus ja vastuspistehitsaus. Erityisesti koska optisia kuituja käytetään lasereiden lähettämiseen tuotannon aikana, on kätevää siirtyä nopeasti ja joustavasti eri työtasojen välillä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että laserpistehitsauksella on seuraavat ominaisuudet:
- Lasertehon kasvaessa hitsauspisteen pinnan halkaisija vaihtelee ylös ja alas, kun taas sulamispinnan ja alapinnan halkaisijat kasvavat hitaasti. Hitsauspisteen poikkileikkauksen muodon muutos ei ole ilmeinen. Keston kasvaessa hitsauspisteen koko kasvaa nopeasti, ja sulamispinnan halkaisijan muutosnopeus on suurempi kuin ylä- ja alapinnan halkaisijoiden muutosnopeus. Epätarkkuuden määrän muutoksella on merkittävä vaikutus hitsauspisteen kokoon. Se muuttaa suoraan pisteen halkaisijaa ja laserin tehotiheyttä, ja näiden kahden tekijän kokonaisvaikutus määrää hitsauspisteen koon.
- Täyden tunkeuman tapauksessa laserpistehitsauksen pinnalla on selvää roikkumista. Lasertehon ja -keston kasvaessa hitsauspisteen pinnan roikkumissyvyys kasvaa. Kun kesto tai rako on suuri, alapinnassa voi myös näkyä painaumia.
- Kun rako kasvaa, hitsauspisteen yleinen muodonmuutos, keskeinen roikkuminen ja painauma tulevat ilmeisiksi. Sulamispinta kutistuu ja lujuus heikkenee nopeasti. Nykyään vastusten, akkujen ja elektroniikan hitsauksessa käytetään yleisesti kahden pisteen samanaikaista hitsausprosessia, jossa yleensä käytetään kahta laservalonlähdettä.
Julkaisuaika: 27.10.2025
