Laserkeevitusel on oma koht elektrisõidukites, kosmosesõidukites, laeva- ja raudteetranspordis, ehituses, energeetikasektoris, pooljuhtides, olmeelektroonikas, meditsiiniseadmete tootmises ja mujal. Isegi erinevate materjalide liitmine, mis on tavapäraste keevitustehnikatega keeruline, on laserkeevituse paindlikkuse ja täpsusega hõlpsasti lahendatav ning sellest on saanud isegi eelistatud lahendus. See protsess, mida sageli nimetatakse "erinevuskeevitamiseks", on tänapäevaste insenerieesmärkide saavutamise oluline osa.
Akude ja elektrikomponentide tootmine e-mobiilsuse rakenduste jaoks tekitab suuremat huvi erinevate materjalide, näiteks vase ja alumiiniumi laserkeevitamise vastu.
Erinev keevitamine võimaldab suuremat disainivabadust, kui valite erinevaid materjale, millel on head omadused, nagu elektri- ja soojusjuhtivus, plastilisus, suhteline tihedus, sulamistemperatuur ja kõvadus, kuid traditsiooniliselt on vaja liimi või mehaanilisi meetodeid omavahel siduda.
Kuigi sellel tehnikal on tavapärase keevitusega ühiseid elemente, pakub see ainulaadset võimalust suurendada disainivabaduse astet, materjalide kombinatsioonide mitmekesisust, vähendades seeläbi tootmis- ja montaažikulusid ning parandades komponentide või süsteemi jõudlust.
Erinevate materjalide keevitamine nõuab aga laseri lainepikkuse, keskmise võimsuse, kiire profiili, impulsi laiuse ja tippvõimsuse hoolikat kaalumist. Lasersüsteemi parameetrid tuleb kohandada ka konkreetsete materjalide kombinatsioonide ja rakenduste jaoks.
Kõige olulisem ja kiiremini kasvav rakendusvaldkond on elektrisõidukite akude ja elektrikomponentide tootmine. Nõudlus elektrisõidukite (EV) järele on viimase kahe aasta jooksul järsult kasvanud ning erinevate materjalide keevitamine on elektrisõidukite tõhusamaks ja keskkonnasõbralikumaks muutmise keskmes.
Kuigi erinevuskeevitamisel on palju ühist tavapärase keevitusega, on keevisõmbluse kvaliteedi ja kiiruse optimeerimine keerulisem. Laserkeevitussüsteemide paindlikkus pakub ainulaadseid lahendusi uute rakenduste ja võimaluste laiendamiseks. (Kaasas Tomo Express)
Suure võimsusega ja suure heledusega tööstusliku sinise lasertehnoloogia juhtiva uuendaja NUBURU turundus- ja müügidirektor Matthew Philpott ütles: "Järgmise 5–10 aasta jooksul moodustavad elektrisõidukid prognooside kohaselt enam kui 20% turust. aastal ja olmeelektroonika moodustab 10–15%.
Liitiumioonakude (Li-ioon) akude valmistamiseks on vaja alumiiniumi keevitamiseks vaseks foolium-elektroodi või elektrood-elektroodi keevisõmbluses. Silindriliste akude puhul tuleb vaskelektroodi kõrvad keevitada teraspurgi külge.
Akupaki valmistamisel on elemendid tavaliselt juba kokku pandud ja insenerid peavad rakendama konstruktsiooni, mis ühendab elemendid optimaalse energia saamiseks. Praegused liitiumioonakud on valmistatud nikeldatud külmvaltsitud terasest. Vähema takistusega metalli, näiteks alumiiniumi või vase keevitamine liitiumioonaku standardsete roostevabast terasest klemmide külge vähendab aga selle takistust, seega kulub soojuskadudele vähem energiat.
Elektrisõidukite akude parem jõudlus on elektrisõidukite müügi pideva kasvu peamine tegur," ütles AMADA WELD TECHi tootetehnoloogia ja rakenduste vanemjuht Mark L. Boyle. Parem jõudlus tuleneb osaliselt hiljutistest arengutest erinevate metallide keevitamises. mis parandab tõhusust, suurendades energia salvestamist, vähendades suurust ja säilitades töökindluse."
Lisaks on laevaehitustööstus veel üks näide, kus erinev keevitamine annab ainulaadset väärtust. Tööstus kasutab regulaarselt teras-alumiinium keevitatud liideseid, et optimeerida kaalujaotust, mille tulemuseks on väiksem CO2 heitkogus ja suurem stabiilsus. Eelkõige võib terasest kere keevitamine alumiiniumist pealisehitusele vähendada kandevõimet.
Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1 µm. (Foto NUBURU)
"Lisaks CO2 emissiooni ja energiatarbimise vähendamisele saab aluse raskuskeset langetada läbi materjali intelligentse paigutuse, parandades seeläbi transpordi stabiilsust." Hannoveri laserikeskuse metalli keevitamise ja lõikamise rühma teadur Rabi Lahdo ütles.
Kuigi sarnaste omadustega materjalid toodavad tavaliselt usaldusväärsemaid keevisõmblusi, saavad sellised suured tegijad nagu AMADA WELD TECH üha rohkem taotlusi erinevate materjalide keevitamiseks.
"Kaubanduslikult võib muu materjali valimine vähendada tootmiskulusid ja parandada komponendi või seadme jõudlust." Mark L. Boyle ütles: "Kui see juhtub, saab erinevate metallide valikut kasutada konkurentsieelisena turul, et pakkuda paremat toodet madalama hinnaga."
01 Väljakutsed ja kaalutlused-
Materjalide, nagu teras või vask, sulatamisel alumiiniumiga võivad materjali sulamistemperatuuri ja soojuspaisumisteguri muutused põhjustada rabedate vaheosade moodustumist, mis nõrgendavad keevisliidet.
"Metallidel on erinevad sulamis- ja sulamistemperatuurid, erinevad valguse neeldumiskoefitsiendid (eriti teatud laseri lainepikkustel) ja erinevad termilised difusioonid. See muudab nende samaaegse sulatamise õigel määral keeruliseks." NUBURU Philpott ütleb: "See on kõige märgatavam väga peegeldavate metallide puhul, mille infrapunakiirguse neeldumiskoefitsiendid võivad olla väga erinevad."
Erinevatest soojuspaisumisteguritest jahtumisel tekkivad pingeväljad võivad samuti nõrgendada keevisõmblusi ja põhjustada keevisliidete purunemist. Need kõvad, rabedad struktuurid, mida nimetatakse "metallidevahelisteks faasideks", moodustuvad üleminekutsoonis keevismetalli ja mitteväärismetalli vahel. See on nähtus, mis võib kimbutada kõiki keevitusmeetodeid.
Terase ja alumiiniumi erinevusega keevisõmbluse ristlõige. (LZH panus)
Metallidevaheliste faaside, nagu FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 teras-alumiinium süsteemis ja Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 moodustumine vask-alumiinium süsteemis, on tingitud elementide piiratud lahustuvusest,“ ütleb Sarah Nothdurft, osakonna juhataja. Hannoveri laserikeskuses liitumine ja lõikamise metallide kontserniga. Sellistel faasidel on ka alusmaterjaliga võrreldes oluliselt suurem takistus."
Laseri tööparameetrite hoolikas valimine, näiteks suure keevituskiiruse, madala soojuskoormuse ja sulamisprotsessi täpse juhtimise kombineerimine, võimaldab inseneridel mõnda neist probleemidest leevendada.
"Kuigi intermetalliliste ühendite moodustumine on vältimatu, ei ole nende haprus." IPG Photonicsi turuarendusjuht Aleksei Markevitš ütles: "Õige protsessi koostis võib minimeerida nende ühendite moodustumist ja maksimeerida nende vormitavust, mille tulemuseks on struktuurselt kindlad, juhtivamad ja stabiilsemad keevisõmblused."
02 Rakendused erinevate materjalide keevitamiseks-
Tähelepanu õigele segamissuhtele ja õigele sobituskorraldusele võib erinevate keevisliidete jõudlust veelgi parandada. Näiteks on osutunud soodsaks I-õmblus, millel on ristkeevitusava. Selle meetodi puhul asetatakse terasplaat alumiiniumplaadile. Intermetalliliste faaside minimeerimiseks keevitatakse terasplaadi kaudu ja ainult alumiiniumplaadi külge.
Hannoveri laserkeskuse metalli keevitamise ja lõikamise rühma teadur Oliver Seffer ütleb: "Madala alumiiniumisisalduse tõttu on selliste rabedate faaside osakaal lõplikus mikrostruktuuris suhteliselt väike."
03 Laserparameetrite kaalutlused –
Lasertehnoloogia valik sõltub keevitatavast materjalist. Erinevad klaasi ja metalli keevispordid võivad vajada CO2 lasersüsteemi. Alumosilikaatklaasi ja erinevate metallide keevitamisel on kasulik femtosekundiline lasersüsteem, samas kui alumiiniumisulamite ja tehnilise klaasi keevitamine võib sageli õnnestuda pikosekundilise laseriallikaga.
Eesmärk on minimeerida soojuse sisendit, kõrvaldada pritsmed, parandada protsessi stabiilsust ja pakkuda laia valikut protsessi parameetreid võimalikult suurel kiirusel keevitamisel.
"Kuigi terasesulamid neelavad hästi infrapuna-lähedases piirkonnas, töödeldakse isegi suure peegeldusvõimega metalle, nagu alumiinium ja vask, enamasti 1 µm laseritega." IPG Markevitch ütleb: "Selle põhjuseks on asjaolu, et neeldumine sõltub metalli temperatuurist ja faasist. Toatemperatuuril neelavad vask ja alumiinium umbes 5% 1 µm juures ja 40% kuni 50% 515 nm juures, kusjuures neeldumine on suurem sinise lainepikkuse korral."
"Kuumutatud metallide puhul suurenevad kõik neeldumisvõimed ja IR hüppab sulamistemperatuuril," ütleb ta, "ja sulametallid neelavad kõik lainepikkused väga hästi. Seega ületab piisavalt kõrge infrapunakiirguse võimsustihedus suure peegelduvuse."
However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.
Rabi Lahdo ütleb, et nõutava väljundi intensiivsuse alandamine vähendab sulabasseinis turbulentsi, mis parandab protsessi stabiilsust. "Protsessi stabiilsuse suurenemisega kaasneb hübriidse keevisõmbluse ava kvaliteedi paranemine ja pritsmete teke on maha surutud."
Paksemate materjalide võtmeaukude keevitamisel, alustades sadade mikromeetrite suuruste mikrosidemetega aukudest, on infrapunalaserid tavaliselt tõhusamad kui rohelised või sinised laserid, mille tulemuseks on väiksem soojuse sisend, samuti parem keevisõmbluse kvaliteet ja suurem kiirus.
Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0,65 mm.
"Ühemoodiline valgusvihu heledus kuni 2 kW ületab heleda metalli peegeldava olemuse, et luua stabiilsed väikeste aukudega keevisõmblused, mille sulamissügavus võib olla palju sügavam kui keevisõmbluse laius," ütles Ken Dzurko, globaalne. vanem võtmekliendihaldur Californias Santa Claras asuvas ThruFasti lasertehnoloogiakeskuses.
"Kiire kiire võnkumine pärsib intermetalliliste ühendite teket, piirates seega sulamisfaasi kestust keevisõmbluse avauses." Ta ütles: "Lisaks suurendab kaugtulede heledus keevitamise efektiivsust ja vähendab oluliselt kuumusest mõjutatud tsooni, tekitades seeläbi suurema keevitusmahu väiksema keskmise võimsuse sisendiga."
Teine laserenergia kasutamist mõjutav tegur on metalliaurude valguse hajumine, mis on võrdeline lainepikkuse neljanda astmega. 1070 nm laserid hajutavad 18 korda vähem kui 515 nm laserid ja 30 korda vähem kui 455 nm laserid. Siniste ja roheliste laserite kõrge hajumiskiirus metalliaurude voolikutes kompenseerib kergesti nende veidi kõrgemat neeldumiskiirust sulamaterjalides.
Tänapäeval valib enamik tootjaid pidevlaine 1 µm lasereid, mis on töötlemiskiiruse, kvaliteedi ja kulude vähendamise teejuhiks. Kuid kõik lainepikkused pakuvad eeliseid, olenevalt konkreetsest olukorrast. Näiteks usub NUBURU Philpott, et lainepikkuse nihkumist sinisele või rohelisele valgusele tasub uurida rakendustes, mis saavad kasu suuremast neeldumisest.
"Sinise või rohelise valguse laserite (nt skannerid, töötlemispead, kiire juhtimine ja muud abikomponendid) kiirte edastamine on sarnane NIR laserite puhul kasutatavaga." Philpott ütleb: "Selle tulemusel on infrapunast siniseks või roheliseks valguseks üleminek väga lihtne ja tulva haldamise meetod on sarnane, nii et neeldumise või hajumise tõttu pole probleeme."
Tänapäeva lasersüsteemide võimsus on 515 nm juures 3 kW ja 455 nm juures 4 kW ning siniste laserite piiratud kiire kvaliteedi tõttu on ka kiire teravustamine ja töötlemise efektiivsus piiratud.
"Vase keevitamisel laserkiire lainepikkuste abil nähtavas vahemikus, eriti sinise valguse spektris, puudub praegu piisav laserkiire võimsus ja vajalik kiire kvaliteet," ütleb Rabi Lahdo. "Kõrge kiire kvaliteedi saavutamine on suurim väljakutse, kui laserdioodide kasutamine laserkiirguse tekitamiseks. Lisaks kahjustavad nähtavad laserid optikat rohkem kui infrapunaallikad, mis lühendab eluiga ja suurendab kulusid."
Vaatamata väljakutsetele eeldab Philpott jootmise jõudluse ja väärtuse edasist paranemist, kuna siniste valgusdioodide kättesaadavus ja jõudlus paranevad.
"Optika konstruktsiooni tolerantside piires laserite kasutamisega ei kaasne usaldusväärsust ega kuluriski," ütles ta. "Sellele vaatamata võivad kliendid kogeda konkreetse laseritarnija tootega optika lühikest kasutusiga, kuid kui tootja ei anna toodet välja ilma, et optikaseadmed oleksid korralikult kinnitatud, võib see juhtuda mis tahes lainepikkusega."
04
- lasersüsteemide spetsialiseerumine
Pidevlaine kiudlaserid suudavad keevitada alumiiniumi ja vaske, kui tala profiili korralikult juhtida. Südamikust moodustavate talade profiilide ja võimsamate skaneerimissüsteemide arendamine on viimase kümnendi jooksul oluliselt parandanud hübriidkeevitusportide kvaliteeti ja potentsiaali.
Vase ja alumiiniumi väikeste aukude keevitamisel muutuvad augud suurel keevituskiirusel ebastabiilseks. Üks võimalus selle ebastabiilsuse kõrvaldamiseks on keevituskiiruse aeglustamine, kuid see pole tavaliselt soovitav. Selle asemel on veel üks meetod galvanomeetri kasutamine, et lisada laserkiirele võnkumine, et segada sulabasseini. See parandab konvektsiooni sulamisvoolus, et vältida väikeste aukude kokkuvarisemist. Tavaliselt annab see suurepärase kvaliteediga keevisõmbluse, kuid aeglustab keevitusprotsessi veelgi.
Kolmas viis kiirel keevitamisel tekkivate pritsmete kõrvaldamiseks on kasutada reguleeritava režiimiga laserit (AMB), mis kiirgab rõngaskiirega ümbritsetud südamikukiirt. Südamiku võimsus ja intensiivsus määravad väikeste aukude läbitungimissügavuse, samas kui rõngastala energia stabiliseerib väikseid auke, et minimeerida või täielikult kõrvaldada soovimatud pritsmed, praod ja poorsus.
Väiksemad südamikud on ühemoodilised talad läbimõõduga 14 µm. Mitmemoodilised südamikud on tavaliselt 50 või 100 µm läbimõõduga ja rõngastalade läbimõõt on tavaliselt kuni 300 µm.
"Südamikuga kiudlaserite kasutamine on infrapuna-erinevusega laserkeevituse aktiivne arendusvaldkond ja seda otsivad kõik suuremad tegijad," ütleb Markevitch, IPG Photonicsi turu arendusjuht. "Ühemoodilise südamikuga AMB laser valiti selle mitmekülgsuse, suure keevituskiiruse ja loomupärase võime tõttu minimeerida haprate intermetalliliste ühendite teket."
3 kW ühemoodiline AMB-laser, millel on 3 kW lisavõimsust rõngaslaseris, on võimeline pritsmevabalt keevitama vasksiinid kiirusel 60 m/min, läbilaskvusega üle 0,65 mm.
Markevitš ütleb, et praegused kaubanduslikud rohelised või sinised laserid ei suuda saavutada sama töötlemiskiirust ja -kvaliteeti. Kuid nagu ta märgib, võivad keevisõmbluse konsistentsi siiski mõjutada materjalide vahe või materjali saastumine. Kuna siini paksused kipuvad vähenema, muutub klammerdamine ja kinnitamine väljakutseks. Ebapiisav keevissulatussügavus võib põhjustada suurema takistuse ja väiksema mehaanilise tugevuse, samas kui liigne sulamissügavus või läbitorkamine võivad muuta elektrisõidukite akuelemendid tuleohuks.
"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60 kraadi."
Alumiinium sulab 660 kraadi juures, vask 1085 kraadi juures ja terasesulamid 1500 kraadi juures. Kaks väga erineva sulamistemperatuuriga metalli tuleb sulatada, kahjustamata allpool süttivat organogeeli või aku komponente (nt tihendid, tihendid ja vahetükid) sisaldavaid liitiumisooli.
Protsessisisese protsessi juhtimine, mis põhineb protsessi spektraalsel emissioonil või OCT-l, võib pakkuda reaalajas mittepurustavaid keevisõmbluse sügavuse mõõtmisi. See võimaldab võtta parandusmeetmeid, et saavutada konstantne sulamissügavus.
