Suvirinimas lazeriu turi vietą elektromobilių, kosmoso, laivų ir geležinkelių transporte, statybose, energetikos sektoriuje, puslaidininkių, plataus vartojimo elektronikos, medicinos prietaisų gamyboje ir kt. Netgi skirtingų medžiagų suliejimas, kurį sunku taikant įprastus suvirinimo būdus, gali būti lengvai išspręstas naudojant lazerinio suvirinimo lankstumą ir tikslumą, ir netgi tapo pageidaujamu sprendimu. Šis procesas, dažnai vadinamas „nepanašiu suvirinimu“, yra svarbi dalis siekiant šiuolaikinių inžinerinių tikslų.
Baterijų ir elektrinių komponentų, skirtų e. mobilumo programoms, gamyba skatina didesnį susidomėjimą skirtingų medžiagų, tokių kaip varis ir aliuminis, suvirinimu lazeriu.
Skirtingas suvirinimas suteikia platesnę projektavimo laisvę renkantis skirtingas medžiagas, pasižyminčias geromis savybėmis, tokiomis kaip elektros ir šilumos laidumas, plastiškumas, santykinis tankis, lydymosi temperatūra ir kietumas, tačiau tradiciškai reikia klijų arba mechaninių metodų, kad būtų galima sujungti.
Nors ši technika turi bendrų elementų su įprastiniu suvirinimu, ji suteikia unikalią galimybę padidinti projektavimo laisvės laipsnį, medžiagų derinių įvairovę, taip sumažinant gamybos ir surinkimo išlaidas bei pagerinant komponentų ar sistemos veikimą.
Tačiau suvirinant skirtingas medžiagas reikia atidžiai apsvarstyti lazerio bangos ilgį, vidutinę galią, pluošto profilį, impulso plotį ir didžiausią galią. Lazerio sistemos parametrai taip pat turi būti pritaikyti tam tikriems medžiagų deriniams ir pritaikymui.
Svarbiausia ir greičiausiai auganti pritaikymo sritis yra akumuliatorių ir elektrinių komponentų, skirtų elektromobiliams, gamyba. Elektra varomų transporto priemonių (EV) paklausa per pastaruosius dvejus metus labai išaugo, o skirtingų medžiagų suvirinimas yra vienas iš svarbiausių dalykų, kad elektromobiliai būtų veiksmingesni ir ekologiškesni.
Nors nepanašus suvirinimas turi daug bendro su įprastu suvirinimu, suvirinimo kokybės ir greičio optimizavimas yra sudėtingesnis. Lazerinio suvirinimo sistemų lankstumas siūlo unikalius sprendimus, leidžiančius išplėsti naujas taikymo sritis ir galimybes. (Prisidėjo Tomo Express)
Matthew Philpottas, NUBURU, pirmaujančios didelės galios ir didelio ryškumo pramoninių mėlynųjų lazerių technologijos novatoriaus, rinkodaros ir pardavimų vadovas, sakė: „Prognozuojama, kad elektrinės transporto priemonės per ateinančius 5–10 metų sudarys daugiau nei 20 % rinkos. metų, o plataus vartojimo elektronika sudarys nuo 10 iki 15 proc.
Ličio jonų (Li-ion) akumuliatorių gamybai reikalinga galimybė suvirinti aliuminį su variu folijos-elektrodo arba elektrodo-elektrodo suvirinimo siūlėje. Cilindrinėse baterijose vario elektrodų antgaliai turi būti privirinti prie plieninės skardinės.
Gaminant akumuliatorių, elementai paprastai jau yra surinkti, o inžinieriai turi įdiegti konstrukciją, kuri sujungia elementus, kad būtų užtikrinta optimali energija. Dabartinės ličio jonų baterijos yra pagamintos iš nikeliuoto šalto valcavimo plieno. Tačiau suvirinant mažiau atsparų metalą, pavyzdžiui, aliuminį ar varį, prie standartinių ličio jonų akumuliatoriaus nerūdijančio plieno gnybtų sumažėja jo atsparumas, todėl šilumos nuostoliams sunaudojama mažiau energijos.
Patobulintas elektromobilių akumuliatoriaus veikimas yra pagrindinis veiksnys, lemiantis nuolatinį elektromobilių pardavimų augimą“, – sakė AMADA WELD TECH produktų inžinerijos ir taikomųjų programų vyresnysis vadovas Markas L. Boyle'as. Geresnis veikimas iš dalies priklauso nuo naujausių skirtingų metalų suvirinimo pokyčių. kuris pagerina efektyvumą didinant energijos kaupimą, mažinant dydį ir išlaikant patikimumą.
Be to, laivų statybos pramonė yra dar vienas pavyzdys, kai skirtingas suvirinimas suteikia unikalią vertę. Pramonė reguliariai naudoja plieno ir aliuminio suvirintas sąsajas, kad optimizuotų svorio pasiskirstymą, todėl sumažėja CO2 emisija ir padidėja stabilumas. Visų pirma, plieninio korpuso suvirinimas prie aliuminio antstato gali sumažinti savo svorį.
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. (NUBURU nuotrauka)
"Be CO2 emisijos ir energijos suvartojimo mažinimo, laivo svorio centras gali būti sumažintas protingai išdėstant medžiagą, taip pagerinant transporto stabilumą." Rabi Lahdo, Hanoverio lazerių centro Metalo suvirinimo ir pjovimo grupės tyrėjas.
Nors panašių savybių medžiagos paprastai gamina patikimesnes suvirinimo siūles, pagrindiniai žaidėjai, tokie kaip AMADA WELD TECH, sulaukia vis daugiau užklausų suvirinti skirtingas medžiagas.
"Komerciniu požiūriu kitos medžiagos pasirinkimas gali sumažinti gamybos sąnaudas ir pagerinti komponento ar įrenginio veikimą." Markas L. Boyle'as sakė: „Kai tai atsitiks, skirtingų metalų pasirinkimas gali būti naudojamas kaip konkurencinis pranašumas rinkoje, siekiant užtikrinti geresnį produktą už mažesnę kainą“.
01 Iššūkiai ir svarstymai –
Lydant tokias medžiagas kaip plienas ar varis su aliuminiu, pasikeitus medžiagos lydymosi temperatūrai ir šiluminio plėtimosi koeficientui, gali susidaryti trapios tarpinės dalys, kurios susilpnina suvirinimo jungtį.
"Metalai turi skirtingą lydymosi ir lydymosi temperatūrą, skirtingus šviesos sugerties koeficientus (ypač esant tam tikriems lazerio bangų ilgiams) ir skirtingą šiluminę difuziją. Dėl to sunku juos išlydyti iki reikiamo laipsnio vienu metu." NUBURU Philpott sako: "Tai labiausiai pastebima labai atspindinčiame metaluose, kurių infraraudonųjų spindulių absorbcijos koeficientai gali būti labai skirtingi."
Įtempių laukai, atsirandantys dėl skirtingų šiluminio plėtimosi koeficientų aušinimo metu, taip pat gali susilpninti suvirinimo siūles ir sukelti suvirinimo jungčių gedimą. Šios kietos, trapios struktūros, vadinamos „intermetalinėmis fazėmis“, susidaro pereinamojoje zonoje tarp suvirinimo metalo ir netauriojo metalo. Tai reiškinys, galintis kamuoti bet kokį suvirinimo būdą.
Plieno ir aliuminio skirtumų siūlės skerspjūvis. (LZH indėlis)
Tarpmetalinės fazės, tokios kaip FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 plieno-aliuminio sistemoje ir Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 vario-aliuminio sistemoje, susidaro dėl riboto elementų tirpumo“, – sako Sarah Nothdurft. Prisijungimas prie Hanoverio lazerių centro ir pjovimo metalų grupės. Tokios fazės taip pat pasižymi žymiai didesne varža, palyginti su pagrindine medžiaga.
Kruopštus lazerio veikimo parametrų pasirinkimas, pvz., didelio suvirinimo greičio, mažų šilumos apkrovų ir tikslaus lydymosi proceso valdymo derinys, leidžia inžinieriams sušvelninti kai kurias iš šių problemų.
"Nors intermetalinių junginių susidarymas yra neišvengiamas, jų trapumas nėra." Aleksejus Markevičius, „IPG Photonics“ rinkos plėtros vadovas, sakė: „Tinkama proceso formulė gali sumažinti šių junginių susidarymą ir padidinti jų lankstumą, todėl suvirinimo siūlės bus struktūriškai patikimos, laidesnės ir stabilesnės.
02 Taikymas įvairių medžiagų suvirinimui-
Dėmesys tinkamam maišymo santykiui ir tinkamam derinimo išdėstymui gali dar labiau pagerinti skirtingų suvirinimo jungčių veikimą. Pavyzdžiui, I-siūlė su suvirinimo anga pasirodė esanti pranašesnė. Šiuo metodu plieninė plokštė dedama ant aliuminio plokštės. Siekiant sumažinti intermetalines fazes, suvirinimas atliekamas per plieno plokštę ir tik iki aliuminio plokštės.
Hanoverio lazerių centro Metalo suvirinimo ir pjovimo grupės mokslininkas Oliveris Sefferis sako: „Dėl mažo aliuminio kiekio tokių trapių fazių dalis galutinėje mikrostruktūroje yra palyginti nedidelė“.
03 Lazerio parametrų svarstymai-
Lazerinės technologijos pasirinkimas priklauso nuo suvirinamos medžiagos. Skirtingoms stiklo ir metalų suvirinimo angoms gali prireikti CO2 lazerinės sistemos. Suvirinant aliuminio silikatinį stiklą ir įvairius metalus, gali būti naudinga femtosekundinė lazerio sistema, o aliuminio lydinių ir techninio stiklo suvirinimas dažnai gali būti sėkmingas naudojant pikosekundinį lazerio šaltinį.
Tikslas yra sumažinti šilumos sąnaudas, pašalinti purslus, pagerinti proceso stabilumą ir suteikti platų proceso parametrų langą suvirinant didžiausiu įmanomu greičiu.
„Nors plieno lydiniai gerai sugeria infraraudonųjų spindulių sritį, net metalai, turintys didelį atspindį, tokie kaip aliuminis ir varis, dažniausiai apdorojami 1 µm lazeriais. IPG Markevitch sako: "Taip yra todėl, kad absorbcija priklauso nuo metalo temperatūros ir fazės. Kambario temperatūroje varis ir aliuminis sugeria apie 5% esant 1 µm ir 40% iki 50% prie 515 nm, o sugertis yra didesnė esant mėlynos bangos ilgiams."
"Visi įkaitusių metalų sugerčiai didėja, o IR šokinėja lydymosi taške, - sako jis, - ir išlydyti metalai labai gerai sugeria visus bangos ilgius. Taigi pakankamai didelis IR galios tankis įveikia didelį atspindį."
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 teigia, kad sumažinus reikiamą išėjimo intensyvumą, susilpnėja turbulencija išlydytame baseine, o tai pagerina proceso stabilumą. „Padidėjus proceso stabilumui, pagerėja hibridinio suvirinimo angos kokybė, o purslų susidarymas slopinamas.
Suvirinant storesnes medžiagas, pradedant nuo šimtų mikrometrų mikrosujungimo skylių, infraraudonieji lazeriai paprastai yra efektyvesni nei žali arba mėlyni lazeriai, todėl sunaudojama mažiau šilumos, taip pat geresnė suvirinimo kokybė ir greitis.
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.
„Iki 2 kW vieno režimo pluošto ryškumas įveikia šviesaus metalo atspindį, kad būtų sukurtos stabilios mažos skylės suvirinimo siūlės, kurių lydymosi gylis gali būti daug gilesnis nei siūlės plotis“, – sakė Kenas Dzurko, pasaulinis. vyresnysis pagrindinių klientų vadovas ThruFast Laser Technology centre Santa Klaroje, Kalifornijoje.
"Spartus pluošto svyravimas stabdo intermetalinių junginių susidarymą, taip apribodamas lydymosi fazės trukmę suvirinimo angoje." Jis sakė: "Be to, didelės šviesos šviesumas padidina suvirinimo efektyvumą ir labai sumažina karščio paveiktą zoną, todėl suvirinimo tūris yra didesnis, esant mažesnei vidutinei galiai."
Kitas veiksnys, turintis įtakos lazerio energijos naudojimui, yra metalo garų srauto šviesos sklaida, kuri yra proporcinga ketvirtajai bangos ilgio galiai. 1070 nm lazeriai išsklaido 18 kartų mažiau nei 515 nm lazeriai ir 30 kartų mažesni nei 455 nm lazeriai. Didelis mėlynų ir žalių lazerių sklaidos greitis metalo garų spūstyse lengvai atsveria šiek tiek didesnį jų absorbcijos greitį išlydytose medžiagose.
Šiandien dauguma gamintojų renkasi nuolatinių bangų 1 µm lazerius, kurie pirmauja apdorojimo greičio, kokybės ir sąnaudų mažinimo srityje. Tačiau visi bangos ilgiai turi pranašumų, priklausomai nuo konkrečios situacijos. Pavyzdžiui, NUBURU „Philpott“ mano, kad bangos ilgio poslinkį į mėlyną arba žalią šviesą verta ištirti programose, kurioms naudinga didesnė absorbcija.
"Mėlynos arba žalios šviesos lazerių (pvz., skaitytuvų, apdorojimo galvučių, pluošto valdymo ir kitų pagalbinių komponentų) pluošto tiekimas yra panašus į naudojamą NIR lazeriuose." Philpottas sako: „Todėl infraraudonųjų spindulių konvertavimas į mėlyną arba žalią šviesą yra labai paprastas, o stulpelio valdymo metodas yra panašus, todėl nėra jokių problemų dėl absorbcijos ar sklaidos.
Šiuolaikinės lazerinės sistemos ribojamos iki 3 kW esant 515 nm ir 4 kW prie 455 nm, o dėl ribotos mėlynų lazerių spindulių kokybės spindulių fokusavimas ir apdorojimo efektyvumas taip pat yra riboti.
„Suvirinant varį naudojant lazerio spindulio bangos ilgius matomame diapazone, ypač mėlynos šviesos spektre, šiuo metu trūksta pakankamai lazerio spindulio galios ir reikiamos pluošto kokybės“, – sako Rabi Lahdo. „Pasiekti aukšto pluošto kokybę yra didžiausias iššūkis naudojant lazerinius diodus lazerio spinduliuotei generuoti. Be to, matomi lazeriai labiau linkę pažeisti optiką nei infraraudonųjų spindulių šaltiniai, o tai sutrumpina tarnavimo laiką ir padidina išlaidas."
Nepaisant iššūkių, Philpott tikisi toliau gerinti litavimo našumą ir vertę, nes mėlynos šviesos diodų prieinamumas ir našumas ir toliau gerėja.
„Nėra jokios patikimumo ar sąnaudų rizikos, susijusios su lazerių eksploatavimu pagal optikos projektinius nuokrypius“, - sakė jis. „Vis dėlto klientai gali patirti trumpą optikos tarnavimo laiką naudodami konkretų lazerio tiekėjo gaminį; tačiau jei gamintojas neišleidžia gaminio be tinkamai patvirtintų optinių įrenginių, tai gali nutikti esant bet kokiam bangos ilgiui.
04
- Lazerinių sistemų specializacija
Nepertraukiamos bangos pluošto lazeriai gali suvirinti aliuminį ir varį tinkamai valdydami pluošto profilį. Per pastarąjį dešimtmetį sukūrus šerdies žiedo pluošto profilius ir galingesnes skenavimo sistemas, labai pagerėjo hibridinių suvirinimo angų kokybė ir potencialas.
Suvirinant varį ir aliuminį mažomis skylutėmis, esant dideliam suvirinimo greičiui, skylės tampa nestabilios. Vienas iš būdų pašalinti šį nestabilumą yra sulėtinti suvirinimo greitį, tačiau dažniausiai tai nėra pageidautina. Vietoj to, kitas būdas yra naudoti galvanometrą, kad lazerio spindulys būtų virpinamas, kad sumaišytų išlydytą baseiną. Tai pagerina konvekciją lydalo sraute, kad išvengtų mažų skylių griūties. Paprastai suvirinama puikios kokybės siūlė, tačiau suvirinimo procesas dar labiau sulėtėja.
Trečias būdas pašalinti purslų greitį suvirinant yra naudoti reguliuojamo režimo spindulio (AMB) lazerį, kuris skleidžia šerdies spindulį, apsuptą žiedo spinduliu. Šerdies pluošto galia ir intensyvumas lemia mažų skylučių įsiskverbimo gylį, o žiedinio pluošto energija stabilizuoja mažas skylutes, kad sumažintų arba visiškai pašalintų nepageidaujamus purslus, įtrūkimus ir poringumą.
Mažiausios šerdys yra vienmodės sijos, kurių skersmuo yra 14 µm. Daugiamodės šerdys paprastai yra 50 arba 100 µm skersmens, o žiedinių sijų skersmuo paprastai yra iki 300 µm.
„Šerdies žiedinių skaidulinių lazerių naudojimas yra aktyvi infraraudonųjų spindulių skirtumų lazerinio suvirinimo plėtros sritis ir yra pageidaujama visų pagrindinių žaidėjų“, – sako Markevitch, IPG Photonics rinkos plėtros vadovas. „AMB lazeris su vieno režimo šerdimi buvo pasirinktas dėl jo universalumo, didelio suvirinimo greičio ir būdingo gebėjimo sumažinti trapių intermetalinių junginių susidarymą.
3 kW vienos šerdies AMB lazeris su 3 kW papildomos galios žiediniame lazeryje gali suvirinti vario šynas be purslų 60 m/min greičiu, o prasiskverbimas didesnis nei 0,65 mm.
Dabartiniai komerciniai žali arba mėlyni lazeriai negali pasiekti tokio paties apdorojimo greičio ir kokybės, sako Markevičius. Tačiau, kaip jis pažymi, suvirinimo nuoseklumą vis tiek gali paveikti tarpo tarp medžiagų skirtumai arba medžiagų užterštumas. Kadangi šynų storis mažėja, užveržimas ir tvirtinimas tampa iššūkiu. Dėl nepakankamo suvirinimo lydymosi gylio gali padidėti atsparumas ir sumažėti mechaninis stiprumas, o dėl per didelio lydymosi gylio ar pradurimo gali kilti gaisro pavojus EV baterijų elementams.
"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 laipsnių“.
Aliuminis lydosi 660 laipsnių, varis – 1085 laipsnių, o plieno lydiniai – 1500 laipsnių. Du metalai, kurių lydymosi temperatūra labai skiriasi, turi būti išlydyti nepažeidžiant toliau esančių ličio druskų, kuriose yra degių organogelių arba akumuliatoriaus komponentų (tokių kaip sandarikliai, tarpikliai ir tarpikliai).
Tiesioginis proceso valdymas, pagrįstas spektriniu proceso spinduliavimu arba UŠT, gali suteikti realiu laiku neardomojo suvirinimo gylio matavimus. Tai leidžia imtis korekcinių veiksmų, kad būtų pasiektas pastovus lydymosi gylis.
