Spawanie laserowe ma zastosowanie w pojazdach elektrycznych, przemyśle lotniczym, transporcie morskim i kolejowym, budownictwie, sektorze energetycznym, półprzewodnikach, elektronice użytkowej, produkcji urządzeń medycznych i nie tylko. Nawet łączenie różnych materiałów, co jest trudne w przypadku konwencjonalnych technik spawania, można łatwo rozwiązać dzięki elastyczności i precyzji spawania laserowego, a nawet stało się rozwiązaniem preferowanym. Proces ten, często nazywany „spawaniem różnicowym”, jest ważną częścią osiągnięcia współczesnych celów inżynieryjnych.
Produkcja akumulatorów i komponentów elektrycznych do zastosowań w elektromobilności powoduje większe zainteresowanie spawaniem laserowym różnych materiałów, takich jak miedź i aluminium.
Spawanie odmienne pozwala na większą swobodę projektowania przy wyborze różnych materiałów o dobrych właściwościach, takich jak przewodność elektryczna i cieplna, ciągliwość, gęstość względna, temperatura topnienia i twardość, ale tradycyjnie wymaga klejów lub metod mechanicznych do łączenia ze sobą.
Chociaż technika ta ma elementy wspólne ze spawaniem konwencjonalnym, oferuje wyjątkową możliwość zwiększenia stopnia swobody projektowania i różnorodności kombinacji materiałów, zmniejszając w ten sposób koszty produkcji i montażu oraz poprawiając wydajność komponentów lub systemów.
Jednakże spawanie różnych materiałów wymaga dokładnego rozważenia długości fali lasera, średniej mocy, profilu wiązki, szerokości impulsu i mocy szczytowej. Parametry systemu laserowego muszą być również dostosowane do konkretnych kombinacji materiałów i zastosowań.
Najważniejszym i najszybciej rozwijającym się obszarem zastosowań jest produkcja akumulatorów i podzespołów elektrycznych do pojazdów elektrycznych. Zapotrzebowanie na pojazdy elektryczne (EV) dramatycznie wzrosło w ciągu ostatnich dwóch lat, a spawanie różnych materiałów leży u podstaw zwiększania wydajności i przyjazności dla środowiska pojazdów elektrycznych.
Chociaż spawanie różnicowe ma wiele wspólnego ze spawaniem konwencjonalnym, optymalizacja jakości i szybkości spoiny stanowi większe wyzwanie. Elastyczność systemów spawania laserowego oferuje unikalne rozwiązania poszerzające nowe zastosowania i możliwości. (Nadesłane przez Tomo Express)
Matthew Philpott, dyrektor ds. marketingu i sprzedaży w firmie NUBURU, wiodącym innowatorze w dziedzinie technologii przemysłowego niebieskiego lasera o dużej mocy i jasności, powiedział: „Przewiduje się, że pojazdy elektryczne będą stanowić ponad 20% rynku w ciągu najbliższych 5–10 lat. lat, a elektronika użytkowa będzie stanowić od 10% do 15%.”
Produkcja akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion) wymaga umiejętności spawania aluminium z miedzią metodą spoiny folia-elektroda lub elektroda-elektroda. W akumulatorach cylindrycznych miedziane końcówki elektrod muszą być przyspawane do stalowej puszki.
Podczas produkcji akumulatorów ogniwa są zwykle już zmontowane i inżynierowie muszą wdrożyć projekt łączący ogniwa w celu zapewnienia optymalnej energii. Obecne akumulatory litowo-jonowe wykonane są z niklowanej stali walcowanej na zimno. Jednak spawanie metalu o mniejszej oporności, takiego jak aluminium lub miedź, do standardowych zacisków ze stali nierdzewnej akumulatora litowo-jonowego zmniejsza jego rezystancję, a zatem mniej energii marnuje się na straty ciepła.
Zwiększona wydajność akumulatorów pojazdów elektrycznych jest głównym czynnikiem stałego wzrostu sprzedaży pojazdów elektrycznych” – powiedział Mark L. Boyle, starszy menedżer ds. inżynierii produktów i zastosowań w firmie AMADA WELD TECH. Lepsza wydajność wynika częściowo z ostatnich osiągnięć w spawaniu metali różnoimiennych, co poprawia wydajność poprzez zwiększenie magazynowania energii, zmniejszenie rozmiaru i utrzymanie niezawodności.”
Ponadto przemysł stoczniowy stanowi kolejny przykład, w którym spawanie różnoimienne zapewnia wyjątkową wartość. W branży rutynowo stosuje się złącza spawane stal-aluminium, aby zoptymalizować rozkład masy, co skutkuje niższą emisją CO2 i zwiększoną stabilnością. W szczególności spawanie stalowego kadłuba z aluminiową nadbudówką może zmniejszyć ciężar własny.
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. (Zdjęcie: NUBURU)
„Oprócz zmniejszenia emisji CO2 i zużycia energii, środek ciężkości statku można obniżyć poprzez inteligentne ułożenie materiału, poprawiając w ten sposób stabilność transportu”. Rabi Lahdo, badacz w Grupie Spawania i Cięcia Metali w Centrum Laserowym w Hanowerze, powiedział.
Chociaż materiały o podobnych właściwościach zwykle dają bardziej niezawodne spoiny, główni gracze, tacy jak AMADA WELD TECH, otrzymują coraz większą liczbę zamówień na spawanie różnych materiałów.
„Z komercyjnego punktu widzenia wybór innego materiału może obniżyć koszty produkcji i poprawić wydajność komponentu lub urządzenia”. Mark L. Boyle powiedział: „Kiedy tak się stanie, wybór różnych metali można wykorzystać jako przewagę konkurencyjną na rynku i zapewnić lepszy produkt po niższej cenie”.
01 Wyzwania i rozważania-
Podczas stapiania materiałów takich jak stal czy miedź z aluminium zmiany temperatury topnienia materiału i współczynnika rozszerzalności cieplnej mogą prowadzić do powstawania kruchych części pośrednich, które osłabiają złącze spawane.
„Metale mają różne temperatury topnienia i topnienia, różne współczynniki absorpcji światła (szczególnie przy pewnych długościach fal lasera) i różną dyfuzyjność cieplną. To sprawia, że trudno jest je jednocześnie stopić w odpowiednim stopniu”. Philpott z NUBURU mówi: „Jest to najbardziej zauważalne w przypadku metali o wysokim współczynniku odbicia światła, które w podczerwieni mogą mieć bardzo różne współczynniki absorpcji”.
Pola naprężeń powstające w wyniku różnych współczynników rozszerzalności cieplnej podczas chłodzenia mogą również osłabiać spoiny i prowadzić do uszkodzenia złącza spawanego. Te twarde, kruche struktury, zwane „fazami międzymetalicznymi”, tworzą się w strefie przejściowej pomiędzy metalem spoiny a metalem nieszlachetnym. Jest to zjawisko, które może nękać każdą metodę spawania.
Przekrój spoiny różnicowej stali i aluminium. (wkład LZH)
Tworzenie się faz międzymetalicznych, takich jak FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 w układzie stal-aluminium oraz Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 w układzie miedź-aluminium, wynika z ograniczonej rozpuszczalności pierwiastków” – mówi Sarah Nothdurft, kierownik ds. Grupa Łączenia i Cięcia Metali w Centrum Laserowym w Hanowerze. Takie fazy wykazują również znacznie wyższą rezystywność w porównaniu z materiałem podstawowym.
Staranny dobór parametrów pracy lasera, takich jak połączenie dużych prędkości spawania, niskich obciążeń cieplnych i precyzyjnej kontroli procesu topienia, pozwala inżynierom złagodzić część z tych problemów.
„Chociaż tworzenie się związków międzymetalicznych jest nieuniknione, ich kruchość już nie”. Alexei Markevitch, kierownik ds. rozwoju rynku w IPG Photonics, powiedział: „Właściwa formuła procesu może zminimalizować tworzenie się tych związków i zmaksymalizować ich plastyczność, co skutkuje strukturalnie solidnymi, bardziej przewodzącymi i stabilniejszymi spoinami”.
02 Zastosowania do spawania różnych materiałów-
Zwracanie uwagi na właściwe proporcje mieszania i właściwe dopasowywanie układów może jeszcze bardziej poprawić wydajność różnych połączeń spawanych. Na przykład korzystny okazał się szew I z otworem w spoinie zakładkowej. W tej metodzie stalową płytkę umieszcza się na aluminiowej płycie. Aby zminimalizować fazy międzymetaliczne, spawanie odbywa się przez blachę stalową i tylko do blachy aluminiowej.
Oliver Seffer, badacz z Metal Welding and Cutting Group w Hanover Laser Center, mówi: „Ze względu na niską zawartość aluminium udział takich kruchych faz w końcowej mikrostrukturze jest stosunkowo niski”.
03 Rozważania dotyczące parametrów lasera-
Wybór technologii laserowej zależy od spawanego materiału. Różne porty spawalnicze do szkła i metali mogą wymagać systemu lasera CO2. Spawanie szkła glinokrzemianowego i różnych metali może być korzystne dzięki systemowi lasera femtosekundowego, natomiast spawanie stopów aluminium i szkła technicznego często może być skuteczne przy użyciu źródła lasera pikosekundowego.
Celem jest minimalizacja dopływu ciepła, eliminacja odprysków, poprawa stabilności procesu i zapewnienie szerokiego okna parametrów procesu podczas spawania z najwyższą możliwą prędkością.
„Chociaż stopy stali dobrze absorbują w zakresie bliskiej podczerwieni, nawet metale o wysokim współczynniku odbicia, takie jak aluminium i miedź, są najczęściej przetwarzane za pomocą laserów o długości fali 1 µm”. Markevitch z IPG twierdzi: „Dzieje się tak, ponieważ absorpcja zależy od temperatury i fazy metalu. W temperaturze pokojowej miedź i aluminium absorbują około 5% przy 1 µm i 40% do 50% przy 515 nm, przy wyższej absorpcji przy długościach fali niebieskiej”.
„W przypadku podgrzanych metali wzrasta każda absorpcyjność, a podczerwień podskakuje w temperaturze topnienia” – mówi – „a stopione metale bardzo dobrze absorbują wszystkie długości fal. Zatem wystarczająco wysoka gęstość mocy podczerwieni pokonuje wysoki współczynnik odbicia”.
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 twierdzi, że obniżenie wymaganej intensywności wyjściowej łagodzi turbulencje w jeziorku stopionego materiału, co poprawia stabilność procesu. „Wzrostowi stabilności procesu towarzyszy poprawa jakości rozwarcia spoiny hybrydowej, a powstawanie odprysków zostaje stłumione.”
Podczas spawania grubszych materiałów metodą dziurki od klucza, zaczynając od otworów mikropołączonych o średnicy setek mikrometrów, lasery na podczerwień są zazwyczaj bardziej skuteczne niż lasery zielone lub niebieskie, co skutkuje mniejszym dopływem ciepła, a także lepszą jakością spoiny i większą szybkością.
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.
„Jasność wiązki w trybie jednomodowym wynosząca do 2 kW pokonuje odblaskową naturę jasnego metalu, tworząc stabilne spoiny o małych otworach i głębokości wtopienia, która może być znacznie większa niż szerokość spoiny” – powiedział Ken Dzurko, globalny starszy menedżer ds. kluczowych klientów w ThruFast Laser Technology Center w Santa Clara w Kalifornii.
„Gwałtowne oscylacje wiązki hamują powstawanie związków międzymetalicznych, ograniczając w ten sposób czas trwania fazy topienia w miejscu otwarcia spoiny.” Powiedział: „Ponadto jasność świateł drogowych zwiększa wydajność spawania i znacznie zmniejsza strefę wpływu ciepła, tworząc w ten sposób większą objętość spoiny przy niższym średnim poborze mocy”.
Kolejnym czynnikiem wpływającym na wykorzystanie energii lasera jest rozpraszanie światła przez chmurę par metalu, które jest proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali. Lasery 1070 nm rozpraszają 18 razy mniej niż lasery 515 nm i 30 razy mniej niż lasery 455 nm. Wysokie współczynniki rozpraszania niebieskich i zielonych laserów w oparach metali z łatwością równoważą ich nieco wyższe współczynniki absorpcji w stopionych materiałach.
Obecnie większość producentów wybiera lasery o fali ciągłej 1 µm, które przodują w szybkości przetwarzania, jakości i redukcji kosztów. Jednak wszystkie długości fal mają zalety, w zależności od konkretnej sytuacji. Na przykład Philpott z NUBURU uważa, że warto zbadać zmianę długości fali na światło niebieskie lub zielone w zastosowaniach, które korzystają ze zwiększonej absorpcji.
„Dostarczanie wiązki w przypadku laserów światła niebieskiego i zielonego (np. skanerów, głowic przetwarzających, sterowania wiązką i innych elementów pomocniczych) jest podobne do tego stosowanego w przypadku laserów NIR”. Philpott mówi: „W rezultacie konwersja światła podczerwonego na światło niebieskie lub zielone jest bardzo łatwa, a metoda zarządzania chmurą jest podobna, więc nie ma problemów związanych z absorpcją lub rozpraszaniem”.
Dzisiejsze systemy laserowe są ograniczone do 3 kW przy 515 nm i 4 kW przy 455 nm, a ze względu na ograniczoną jakość wiązki niebieskich laserów, zdolność skupiania wiązki i wydajność przetwarzania są również ograniczone.
„Podczas spawania miedzi przy użyciu długości fali wiązki laserowej w zakresie widzialnym, szczególnie w widmie światła niebieskiego, obecnie brakuje wystarczającej mocy wiązki laserowej i wymaganej jakości wiązki”, mówi Rabi Lahdo, „Osiągnięcie wysokiej jakości wiązki jest największym wyzwaniem podczas spawania wykorzystanie diod laserowych do generowania promieniowania laserowego. Ponadto lasery widzialne są bardziej podatne na uszkodzenia optyki niż źródła podczerwieni, co skraca żywotność i zwiększa koszty.”
Pomimo wyzwań Philpott przewiduje dalszą poprawę wydajności i wartości lutowania w miarę ciągłego poprawiania dostępności i wydajności diod niebieskiego światła.
„Obsługa laserów w ramach tolerancji projektowych optyki nie wiąże się z żadnym ryzykiem związanym z niezawodnością ani kosztami” – stwierdził. „To powiedziawszy, klienci mogą doświadczyć krótkiej żywotności optyki w przypadku produktu określonego dostawcy lasera, jednak jeśli producent nie wypuści produktu bez odpowiedniej walidacji urządzeń optycznych, może się to zdarzyć w przypadku dowolnej długości fali”.
04
-Specjalizacja systemów laserowych-
Lasery światłowodowe o fali ciągłej umożliwiają spawanie aluminium i miedzi przy odpowiedniej kontroli profilu wiązki. Rozwój profili belek rdzeniowo-pierścieniowych i wydajniejszych systemów skanujących znacząco poprawił jakość i potencjał hybrydowych portów spawalniczych w ciągu ostatniej dekady.
Podczas spawania małych otworów w miedzi i aluminium otwory stają się niestabilne przy dużych prędkościach spawania. Jednym ze sposobów wyeliminowania tej niestabilności jest zmniejszenie prędkości spawania, ale zwykle nie jest to pożądane. Zamiast tego inną metodą jest użycie galwanometru w celu dodania oscylacji do wiązki laserowej w celu poruszenia stopionego basenu. Poprawia to konwekcję w strumieniu stopu, aby zapobiec zapadaniu się małych otworów. Zwykle zapewnia spoinę doskonałej jakości, ale dodatkowo spowalnia proces spawania.
Trzecim sposobem eliminacji odprysków podczas spawania z dużą prędkością jest zastosowanie lasera z wiązką o regulowanym trybie (AMB), który emituje wiązkę rdzeniową otoczoną wiązką pierścieniową. Moc i intensywność wiązki rdzeniowej określa głębokość wnikania małych otworów, natomiast energia wiązki pierścieniowej stabilizuje małe otwory, minimalizując lub całkowicie eliminując niepożądane odpryski, pęknięcia i porowatość.
Najmniejsze rdzenie to wiązki jednomodowe o średnicy 14 µm. Rdzenie wielomodowe mają zazwyczaj średnicę 50 lub 100 µm, a belki pierścieniowe mają zazwyczaj średnicę do 300 µm.
„Zastosowanie laserów światłowodowych z pierścieniem rdzeniowym jest aktywnym obszarem rozwoju spawania laserowego różnicowego w podczerwieni i jest poszukiwane przez wszystkich głównych graczy” – mówi Markevitch, menedżer ds. rozwoju rynku w IPG Photonics. „Laser AMB z rdzeniem jednomodowym został wybrany ze względu na jego wszechstronność, duże prędkości spawania i naturalną zdolność do minimalizowania tworzenia kruchych związków międzymetalicznych”.
Jednomodowy laser rdzeniowy AMB o mocy 3 kW z dodatkową mocą 3 kW w laserze pierścieniowym umożliwia spawanie szyn miedzianych bez odprysków z szybkością 60 m/min przy penetracji większej niż 0,65 mm.
Obecne komercyjne lasery zielone i niebieskie nie są w stanie osiągnąć tej samej szybkości i jakości przetwarzania, mówi Markevitch. Jak jednak wskazuje, na konsystencję spoiny mogą w dalszym ciągu wpływać różnice w szczelinie pomiędzy materiałami lub zanieczyszczenie materiału. Wraz z tendencją do zmniejszania się grubości szyn zbiorczych, zaciskanie i mocowanie staje się wyzwaniem. Niewystarczająca głębokość stopu spoiny może skutkować wyższą rezystancją i niższą wytrzymałością mechaniczną, natomiast nadmierna głębokość stopu lub przekłucie może sprawić, że ogniwa akumulatorów pojazdów elektrycznych staną się zagrożeniem pożarowym.
"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 stopni.”
Aluminium topi się w temperaturze 660 stopni, miedź w temperaturze 1085 stopni, a stopy stali w temperaturze 1500 stopni. Należy stopić dwa metale o bardzo różnych temperaturach topnienia, nie uszkadzając soli litu zawierających łatwopalny organożel lub elementy akumulatora (takie jak uszczelki, uszczelki i przekładki) poniżej.
Kontrola procesu na linii w oparciu o spektralną emisję procesu lub OCT może zapewnić nieniszczące pomiary głębokości spoiny w czasie rzeczywistym. Umożliwia to podjęcie działań korygujących w celu osiągnięcia stałej głębokości stopienia.
