Laserové zváranie má miesto v elektrických vozidlách, letectve, lodnej a železničnej doprave, stavebníctve, energetike, polovodičoch, spotrebnej elektronike, výrobe zdravotníckych pomôcok a ďalších. Dokonca aj tavenie odlišných materiálov, ktoré je pri konvenčných zváracích technikách náročné, sa dá jednoducho vyriešiť flexibilitou a presnosťou laserového zvárania a stalo sa dokonca preferovaným riešením. Tento proces, často označovaný ako „nepodobné zváranie“, je dôležitou súčasťou dosahovania cieľov moderného inžinierstva.
Výroba batérií a elektrických komponentov pre aplikácie e-mobility vyvoláva zvýšený záujem o laserové zváranie rôznych materiálov, ako je meď a hliník.
Rozdielne zváranie umožňuje širšiu konštrukčnú voľnosť pri výbere rôznych materiálov s dobrými vlastnosťami, ako je elektrická a tepelná vodivosť, ťažnosť, relatívna hustota, bod topenia a tvrdosť, ale tradične si vyžaduje lepidlá alebo mechanické metódy na vzájomné spojenie.
Aj keď má táto technika prvky spoločné s konvenčným zváraním, ponúka jedinečnú príležitosť zvýšiť mieru voľnosti dizajnu, rôznorodosť kombinácií materiálov, čím sa znížia výrobné a montážne náklady a zlepší sa výkon komponentov alebo systému.
Zváranie rôznych materiálov však vyžaduje starostlivé zváženie vlnovej dĺžky lasera, priemerného výkonu, profilu lúča, šírky impulzu a špičkového výkonu. Parametre laserového systému musia byť tiež prispôsobené pre špecifické kombinácie materiálov a aplikácie.
Najdôležitejšou a najrýchlejšie rastúcou aplikačnou oblasťou je výroba batérií a elektrických komponentov pre elektromobily. Dopyt po elektrických vozidlách (EV) sa za posledné dva roky dramaticky zvýšil a zváranie odlišných materiálov je základom toho, aby boli elektromobily efektívnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu.
Zatiaľ čo rozdielne zváranie má veľa spoločného s konvenčným zváraním, optimalizácia kvality a rýchlosti zvaru je náročnejšia. Flexibilita laserových zváracích systémov ponúka jedinečné riešenia na rozšírenie nových aplikácií a príležitostí. (Prispel Tomo Express)
Matthew Philpott, hlavný marketingový a obchodný riaditeľ spoločnosti NUBURU, popredného inovátora vysokovýkonnej a vysokojasnej priemyselnej modrej laserovej technológie, povedal: „Predpokladá sa, že elektrické vozidlá budú v najbližších 5 až 10 predstavovať viac ako 20 % trhu. rokov a spotrebná elektronika bude predstavovať 10 % až 15 %.
Výroba lítium-iónových (Li-ion) batérií vyžaduje schopnosť zvárať hliník s meďou zvarom medzi fóliou a elektródou alebo elektródou s elektródou. Pri cylindrických batériách musia byť medené oká elektródy privarené k oceľovej plechovke.
Pri výrobe batériových blokov sú články zvyčajne už zmontované a inžinieri musia implementovať dizajn, ktorý spája články, aby poskytovali optimálnu energiu. Súčasné lítium-iónové batérie sú vyrobené z poniklovanej ocele valcovanej za studena. Privarením menej odolného kovu, ako je hliník alebo meď, na štandardné nerezové svorky lítium-iónovej batérie sa však znižuje jej odpor, takže sa stráca menej energie pri tepelných stratách.
Vylepšený výkon batérie elektrických vozidiel je hlavným faktorom stabilného rastu predaja elektrických vozidiel,“ povedal Mark L. Boyle, senior manažér produktového inžinierstva a aplikácií v AMADA WELD TECH. Lepší výkon čiastočne pramení z nedávneho vývoja v oblasti zvárania odlišných kovov, ktorý zlepšuje efektivitu zvýšením skladovania energie, zmenšením veľkosti a zachovaním spoľahlivosti."
Okrem toho, lodiarsky priemysel poskytuje ďalší príklad, kde rozdielne zváranie prináša jedinečnú hodnotu. Priemysel bežne používa zvárané rozhrania oceľ-hliník na optimalizáciu rozloženia hmotnosti, výsledkom čoho sú nižšie emisie CO2 a zvýšená stabilita. Najmä privarenie oceľového trupu k hliníkovej nadstavbe môže znížiť vlastnú hmotnosť.
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 um. (Foto: NUBURU)
"Okrem zníženia emisií CO2 a spotreby energie je možné pomocou inteligentného usporiadania materiálu znížiť ťažisko plavidla, čím sa zlepší stabilita prepravy." Rabi Lahdo, výskumník v skupine pre zváranie a rezanie kovov v hannoverskom laserovom centre, povedal.
Hoci materiály s podobnými vlastnosťami zvyčajne vytvárajú spoľahlivejšie zvary, hlavní hráči ako AMADA WELD TECH dostávajú čoraz väčší počet požiadaviek na zváranie odlišných materiálov.
"Z obchodného hľadiska môže výber iného materiálu znížiť výrobné náklady a zlepšiť výkon komponentu alebo zariadenia." Mark L. Boyle povedal: "Keď sa to stane, výber odlišných kovov môže byť použitý ako konkurenčná výhoda na trhu na poskytnutie lepšieho produktu za nižšiu cenu."
01 Výzvy a úvahy-
Pri spájaní materiálov, ako je oceľ alebo meď, s hliníkom môžu zmeny teploty topenia a koeficientu tepelnej rozťažnosti materiálu viesť k tvorbe krehkých medzičastí, ktoré oslabujú zvarový spoj.
"Kovy majú rôznu teplotu topenia a fúzie, rôzne koeficienty absorpcie svetla (najmä pri určitých vlnových dĺžkach lasera) a rôznu tepelnú difuzivitu. To sťažuje ich súčasné roztavenie do správnej miery." Philpott zo spoločnosti NUBURU hovorí: "Toto je najpozoruhodnejšie vo vysoko reflexných kovoch, ktoré môžu mať veľmi odlišné absorpčné koeficienty v infračervenom svetle."
Napäťové polia vytvorené rôznymi koeficientmi tepelnej rozťažnosti počas chladenia môžu tiež oslabiť zvary a môžu viesť k poruche zvarového spoja. Tieto tvrdé, krehké štruktúry, nazývané "intermetalické fázy", sa tvoria v prechodovej zóne medzi zvarovým kovom a základným kovom. Toto je jav, ktorý môže potrápiť akúkoľvek metódu zvárania.
Prierez oceľového a hliníkového rozdielneho zvaru. (príspevok LZH)
Tvorba intermetalických fáz, ako sú FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 v systéme oceľ-hliník a Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 v systéme meď-hliník, je spôsobená obmedzenou rozpustnosťou prvkov,“ hovorí Sarah Nothdurft, vedúca oddelenia. Spojenie a rezanie kovov Group v Laser Center Hannover. Takéto fázy tiež vykazujú výrazne vyšší odpor v porovnaní so základným materiálom."
Starostlivý výber prevádzkových parametrov lasera, ako je kombinácia vysokých rýchlostí zvárania, nízkeho tepelného zaťaženia a presného riadenia procesu tavenia, umožňuje inžinierom zmierniť niektoré z týchto problémov.
"Zatiaľ čo tvorba intermetalických zlúčenín je nevyhnutná, ich krehkosť nie." Alexei Markevitch, manažér pre rozvoj trhu v IPG Photonics, povedal: "Správna formulácia procesu môže minimalizovať tvorbu týchto zlúčenín a maximalizovať ich tvárnosť, výsledkom čoho sú štrukturálne zdravé, vodivejšie a stabilnejšie zvary."
02 Aplikácie na zváranie rôznych materiálov-
Pozornosť na správne zmiešavacie pomery a správne prispôsobenie môže ešte viac zlepšiť výkonnosť rozdielnych zvarových spojov. Ako výhodný sa ukázal napríklad I-šev s otvorom pre preplátovaný zvar. Pri tejto metóde sa oceľová platňa položí na hliníkovú platňu. Aby sa minimalizovali intermetalické fázy, zváranie sa vykonáva cez oceľový plech a iba na hliníkový plech.
Oliver Seffer, výskumník zo skupiny Metal Welding and Cutting Group v Hannoverskom laserovom centre, hovorí: "Vzhľadom na nízky obsah hliníka je podiel takýchto krehkých fáz vo finálnej mikroštruktúre relatívne nízky."
03 Úvahy o parametroch lasera-
Výber laserovej technológie závisí od materiálu, ktorý sa má zvárať. Rozdielne zváracie otvory pre sklo a kovy môžu vyžadovať CO2 laserový systém. Zváranie hlinitokremičitanového skla a rôznych kovov môže profitovať z femtosekundového laserového systému, zatiaľ čo zváranie hliníkových zliatin a technického skla môže byť často úspešné s pikosekundovým laserovým zdrojom.
Cieľom je minimalizovať vstup tepla, eliminovať rozstrekovanie, zlepšiť stabilitu procesu a poskytnúť široké okno procesných parametrov pri zváraní pri najvyššej možnej rýchlosti.
"Zatiaľ čo oceľové zliatiny dobre absorbujú v blízkej infračervenej oblasti, dokonca aj kovy s vysokou odrazivosťou, ako je hliník a meď, sa väčšinou spracovávajú pomocou 1 µm laserov." Markevitch z IPG hovorí: "Je to preto, že absorpcia závisí od teploty kovu a fázy. Pri izbovej teplote absorbuje meď a hliník asi 5% pri 1 µm a 40% až 50% pri 515 nm, s vyššou absorpciou pri modrých vlnových dĺžkach."
"Všetky absorbcie sa zvyšujú pre zahriate kovy a IR skoky pri bode topenia," hovorí, "a roztavené kovy veľmi dobre absorbujú všetky vlnové dĺžky. Dostatočne vysoká hustota IR výkonu prekoná vysokú odrazivosť."
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 hovorí, že zníženie požadovanej výstupnej intenzity tlmí turbulencie v roztavenom bazéne, čo zlepšuje stabilitu procesu. "Zvýšenie stability procesu je sprevádzané zlepšením kvality otvorenia hybridného zvaru a je potlačená tvorba rozstrekov."
Pri zváraní hrubších materiálov kľúčovou dierkou, počínajúc otvormi pre mikrospojky s veľkosťou stoviek mikrometrov, sú infračervené lasery zvyčajne účinnejšie ako zelené alebo modré lasery, čo vedie k menšiemu prívodu tepla, ako aj lepšej kvalite zvaru a vyššej rýchlosti.
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.
„Jas jednorežimového lúča až do 2 kW prekonáva reflexnú povahu lesklého kovu a vytvára stabilné zvary malých otvorov s hĺbkou roztavenia, ktorá môže byť oveľa hlbšia ako šírka zvaru,“ povedal Ken Dzurko, globálny senior key account manager v ThruFast Laser Technology Center v Santa Clara, Kalifornia.
"Rýchla oscilácia lúča inhibuje tvorbu intermetalických zlúčenín, čím obmedzuje trvanie fázy tavenia pri otvore zvaru." Povedal: "Okrem toho jas vysokého lúča zvyšuje účinnosť zvárania a výrazne znižuje tepelne ovplyvnenú zónu, čím vytvára vyšší objem zvaru pri nižšom priemernom príkone."
Ďalším faktorom ovplyvňujúcim využitie laserovej energie je rozptyl svetla oblakom kovových pár, ktorý je úmerný štvrtej mocnine vlnovej dĺžky. 1070nm lasery rozptyľujú 18-krát menej ako 515nm lasery a 30-krát menej ako 455nm lasery. Vysoké rýchlosti rozptylu modrých a zelených laserov v oblakoch kovových pár ľahko kompenzujú ich mierne vyššie rýchlosti absorpcie v roztavených materiáloch.
Dnes si väčšina výrobcov vyberá 1 µm lasery s kontinuálnou vlnou, ktoré vedú k rýchlosti spracovania, kvalite a znižovaniu nákladov. Všetky vlnové dĺžky však ponúkajú výhody v závislosti od konkrétnej situácie. Napríklad Philpott zo spoločnosti NUBURU verí, že posun vlnovej dĺžky k modrému alebo zelenému svetlu stojí za preskúmanie v aplikáciách, ktoré ťažia zo zvýšenej absorpcie.
"Dodávanie lúča pre lasery s modrým alebo zeleným svetlom (napr. skenery, spracovateľské hlavy, ovládanie lúča a iné pomocné komponenty) je podobné tomu, ktorý sa používa pre lasery NIR." Philpott hovorí: "Výsledkom je, že konverzia z infračerveného na modré alebo zelené svetlo je veľmi jednoduchá a metóda riadenia oblaku je podobná, takže neexistujú žiadne problémy v dôsledku absorpcie alebo rozptylu."
Dnešné laserové systémy sú obmedzené na 3 kW pri 515 nm a 4 kW pri 455 nm a kvôli obmedzenej kvalite lúča modrých laserov je obmedzená aj zaostriteľnosť lúča a efektivita spracovania.
„Pri zváraní medi pomocou vlnových dĺžok laserového lúča vo viditeľnom rozsahu, najmä v spektre modrého svetla, v súčasnosti chýba dostatočný výkon laserového lúča a požadovaná kvalita lúča,“ hovorí Rabi Lahdo, „dosiahnutie kvality vysokého lúča je najväčšou výzvou pri použitie laserových diód na generovanie laserového žiarenia. Okrem toho sú viditeľné lasery náchylnejšie na poškodenie optiky ako infračervené zdroje, čo skracuje životnosť a zvyšuje náklady.“
Napriek výzvam spoločnosť Philpott očakáva ďalšie zlepšenia výkonu a hodnoty spájkovania, pretože diódy modrého svetla sa neustále zlepšujú v dostupnosti a výkonnosti.
„S prevádzkou laserov v rámci konštrukčných tolerancií optiky nie je spojené žiadne riziko spoľahlivosti ani nákladov,“ povedal. "To znamená, že zákazníci môžu mať krátku životnosť optiky s konkrétnym produktom dodávateľa lasera; ak však výrobca neuvoľní produkt bez riadne overených optických zariadení, môže sa to stať pri akejkoľvek vlnovej dĺžke."
04
-špecializácia laserových systémov-
Vláknové lasery s kontinuálnou vlnou dokážu zvárať hliník a meď pri správnej kontrole profilu lúča. Vývoj profilov lúčov jadra a výkonnejších skenovacích systémov výrazne zlepšil kvalitu a potenciál hybridných zváracích portov za posledné desaťročie.
Počas zvárania malých otvorov medi a hliníka sa otvory stávajú nestabilnými pri vysokých rýchlostiach zvárania. Jedným zo spôsobov, ako odstrániť túto nestabilitu, je spomalenie rýchlosti zvárania, čo však zvyčajne nie je žiaduce. Namiesto toho je ďalšou metódou použitie galvanometra na pridanie oscilácie do laserového lúča na miešanie roztaveného kúpeľa. To zlepšuje konvekciu v prúde taveniny, aby sa zabránilo zrúteniu malých otvorov. Zvyčajne vytvára zvar vynikajúcej kvality, ale ďalej spomaľuje proces zvárania.
Tretím spôsobom, ako eliminovať rozstrekovanie pri vysokorýchlostnom zváraní, je použiť laser s nastaviteľným lúčom (AMB), ktorý vyžaruje jadrový lúč obklopený prstencovým lúčom. Výkon a intenzita jadrového lúča určuje hĺbku prieniku malých otvorov, zatiaľ čo energia prstencového lúča stabilizuje malé otvory, aby sa minimalizoval alebo úplne eliminoval nežiaduci rozstrek, praskliny a pórovitosť.
Najmenšie jadrá sú jednovidové lúče s priemerom 14 µm. Multimódové jadrá majú typicky priemer 50 alebo 100 µm a prstencové lúče majú typicky priemer až 300 µm.
„Používanie vláknových laserov s jadrom a prstencom je aktívnou vývojovou oblasťou v oblasti zvárania infračerveným laserom s odlišnosťou a vyhľadávajú ho všetci hlavní hráči,“ hovorí Markevitch, manažér rozvoja trhu v IPG Photonics. "Lasér AMB s jednorežimovým jadrom bol vybraný pre jeho všestrannosť, vysokú rýchlosť zvárania a prirodzenú schopnosť minimalizovať tvorbu krehkých intermetalických zlúčenín."
Jednomódový jadrový laser AMB s výkonom 3 kW s 3 kW dodatočného výkonu v prstencovom laseri je schopný bezrozstrekového zvárania medených prípojníc rýchlosťou 60 m/min s penetráciou väčšou ako 0,65 mm.
Súčasné komerčné zelené alebo modré lasery nedokážu dosiahnuť rovnakú rýchlosť a kvalitu spracovania, hovorí Markevitch. Ako však zdôrazňuje, konzistencia zvaru môže byť stále ovplyvnená odchýlkami medzi materiálmi alebo kontamináciou materiálu. S tendenciou zmenšovania hrúbky prípojníc sa upínanie a upevňovanie stáva výzvou. Nedostatočná hĺbka taveniny zvaru môže viesť k vyššej odolnosti a nižšej mechanickej pevnosti, zatiaľ čo nadmerná hĺbka taveniny alebo prepichnutie môže spôsobiť, že články batérie EV predstavujú nebezpečenstvo požiaru.
"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 stupňov."
Hliník sa topí pri 660 stupňoch, meď pri 1 085 stupňoch a zliatiny ocele pri 1 500 stupňoch. Dva kovy s veľmi rozdielnymi teplotami topenia je potrebné roztaviť bez poškodenia lítiových solí obsahujúcich horľavý organogél alebo súčasti batérií (ako sú tesnenia, tesnenia a rozpery) nižšie.
In-line riadenie procesu založené na emisii spektrálneho procesu alebo OCT môže poskytnúť nedeštruktívne merania hĺbky zvaru v reálnom čase. To umožňuje vykonať nápravné opatrenia na dosiahnutie konštantnej hĺbky topenia.
