Лазерная сварка находит применение в электромобилях, аэрокосмической отрасли, судоходном и железнодорожном транспорте, строительстве, энергетическом секторе, производстве полупроводников, бытовой электроники, производстве медицинского оборудования и т. д. Даже сварка разнородных материалов, которая затруднительна при использовании традиционных методов сварки, может быть легко решена благодаря гибкости и точности лазерной сварки, и она даже стала предпочтительным решением. Этот процесс, часто называемый «сваркой разнородностей», является важной частью достижения современных инженерных целей.
Производство аккумуляторов и электрических компонентов для электромобилей повышает интерес к лазерной сварке разнородных материалов, таких как медь и алюминий.
Разнородная сварка обеспечивает более широкую свободу проектирования при выборе различных материалов с хорошими свойствами, такими как электро- и теплопроводность, пластичность, относительная плотность, температура плавления и твердость, но традиционно требует использования клеев или механических методов для соединения друг с другом.
Хотя этот метод имеет общие элементы с традиционной сваркой, он предлагает уникальную возможность увеличить степень свободы проектирования, разнообразие комбинаций материалов, тем самым снижая затраты на производство и сборку и улучшая характеристики компонентов или систем.
Однако сварка различных материалов требует тщательного учета длины волны лазера, средней мощности, профиля луча, ширины импульса и пиковой мощности. Параметры лазерной системы также необходимо настраивать для конкретных комбинаций материалов и применений.
Наиболее важной и быстрорастущей областью применения является производство аккумуляторов и электрических компонентов для электромобилей. Спрос на электромобили (EV) резко возрос за последние два года, а сварка разнородных материалов лежит в основе повышения эффективности и экологичности электромобилей.
Хотя сварка разнородных поверхностей имеет много общего с традиционной сваркой, оптимизация качества и скорости сварки является более сложной задачей. Гибкость систем лазерной сварки предлагает уникальные решения для расширения новых приложений и возможностей. (Предоставлено Томо Экспресс)
Мэтью Филпотт, директор по маркетингу и продажам компании NUBURU, ведущего новатора в области технологий промышленного синего лазера высокой мощности и высокой яркости, сказал: «По прогнозам, в ближайшие 5–10 лет электромобили будут занимать более 20% рынка. лет, а на бытовую электронику будет приходиться от 10% до 15%».
Производство литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов требует умения сваривать алюминий с медью методом сварки фольга-электрод или электрод-электрод. В цилиндрических батареях наконечники медных электродов необходимо приваривать к стальной банке.
При производстве аккумуляторных батарей элементы обычно уже собраны, и инженеры должны реализовать конструкцию, которая соединяет элементы для обеспечения оптимальной энергии. Современные литий-ионные аккумуляторы изготавливаются из никелированной холоднокатаной стали. Однако приварка менее резистивного металла, такого как алюминий или медь, к стандартным клеммам литий-ионного аккумулятора из нержавеющей стали снижает его сопротивление, поэтому на потери тепла тратится меньше энергии.
Повышенная производительность аккумуляторов электромобилей является основным фактором устойчивого роста продаж электромобилей», — сказал Марк Л. Бойл, старший менеджер по разработке продуктов и приложений в AMADA WELD TECH. Улучшение производительности частично обусловлено недавними разработками в области сварки разнородных металлов. что повышает эффективность за счет увеличения запаса энергии, уменьшения размера и поддержания надежности».
Кроме того, судостроительная промышленность представляет собой еще один пример того, как сварка разнородными материалами имеет уникальную ценность. В отрасли регулярно используются сварные соединения сталь-алюминий для оптимизации распределения веса, что приводит к снижению выбросов CO2 и повышению стабильности. В частности, сварка стального корпуса с алюминиевой надстройкой может снизить дедвейт.
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 мкм. (Фото НУБУРУ)
«Помимо снижения выбросов CO2 и энергопотребления, центр тяжести судна можно понизить за счет разумного расположения материала, что повышает устойчивость при транспортировке». Об этом рассказал Раби Лахдо, научный сотрудник группы сварки и резки металлов Ганноверского лазерного центра.
Хотя материалы со схожими свойствами обычно обеспечивают более надежные сварные швы, крупные игроки, такие как AMADA WELD TECH, получают все больше запросов на сварку разнородных материалов.
«С коммерческой точки зрения выбор другого материала может снизить производственные затраты и улучшить характеристики компонента или устройства». Марк Л. Бойл сказал: «Когда это произойдет, выбор разнородных металлов может быть использован как конкурентное преимущество на рынке, чтобы обеспечить лучший продукт по более низкой цене».
01 Проблемы и соображения-
При сплавлении таких материалов, как сталь или медь, с алюминием изменения температуры плавления материала и коэффициента теплового расширения могут привести к образованию хрупких промежуточных участков, ослабляющих сварное соединение.
«Металлы имеют разные температуры плавления и плавления, разные коэффициенты поглощения света (особенно при определенных длинах волн лазера) и разную температуропроводность. Это затрудняет одновременное плавление их до нужной степени». Филпотт из NUBURU говорит: «Это наиболее заметно в металлах с высокой отражающей способностью, которые могут иметь очень разные коэффициенты поглощения в инфракрасном диапазоне».
Поля напряжений, создаваемые различными коэффициентами теплового расширения во время охлаждения, также могут ослабить сварные швы и привести к разрушению сварного соединения. Эти твердые, хрупкие структуры, называемые «интерметаллическими фазами», образуются в переходной зоне между металлом сварного шва и основным металлом. Это явление может помешать любому методу сварки.
Поперечное сечение разнородного сварного шва стали и алюминия. (вклад ЛЖ)
Образование интерметаллических фаз, таких как FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 в системе сталь-алюминий и Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 в системе медь-алюминий, обусловлено ограниченной растворимостью элементов», — говорит Сара Нотдерфт, руководитель Группа соединений и резки металлов в Лазерном центре Ганновера. Такие фазы также демонстрируют значительно более высокое удельное сопротивление по сравнению с основным материалом».
Тщательный выбор рабочих параметров лазера, таких как сочетание высоких скоростей сварки, низких тепловых нагрузок и точного контроля процесса плавления, позволяет инженерам смягчить некоторые из этих проблем.
«Хотя образование интерметаллидов неизбежно, их хрупкость — нет». Алексей Маркевич, менеджер по развитию рынка компании IPG Photonics, сказал: «Правильная формулировка процесса может свести к минимуму образование этих соединений и максимизировать их пластичность, что приведет к структурно прочным, более проводящим и более стабильным сварным швам».
02 Применение для сварки различных материалов-
Внимание к правильным соотношениям смешивания и правильному согласованию может еще больше улучшить характеристики разнородных сварных соединений. Например, предпочтительным оказался двутавровый шов с отверстием для сварки внахлест. В этом методе стальная пластина помещается на алюминиевую пластину. Чтобы свести к минимуму количество интерметаллидов, сварка выполняется через стальную пластину и только к алюминиевой пластине.
Оливер Сеффер, исследователь группы сварки и резки металлов Ганноверского лазерного центра, говорит: «Из-за низкого содержания алюминия доля таких хрупких фаз в конечной микроструктуре относительно невелика».
03 Рекомендации по параметрам лазера-
Выбор лазерной технологии зависит от свариваемого материала. Для разных сварочных портов для стекла и металлов может потребоваться лазерная система CO2. При сварке алюмосиликатного стекла и различных металлов можно использовать фемтосекундную лазерную систему, а при сварке алюминиевых сплавов и технического стекла часто можно успешно использовать пикосекундный лазерный источник.
Целью является минимизация подвода тепла, устранение брызг, повышение стабильности процесса и обеспечение широкого диапазона параметров процесса при сварке на максимально возможной скорости.
«Хотя стальные сплавы хорошо поглощают ближнюю инфракрасную область, даже металлы с высокой отражательной способностью, такие как алюминий и медь, в основном обрабатываются лазерами с длиной волны 1 мкм». Маркевич из IPG говорит: «Это потому, что поглощение зависит от температуры и фазы металла. При комнатной температуре медь и алюминий поглощают около 5% на длине волны 1 мкм и от 40% до 50% на длине волны 515 нм, с более высоким поглощением на синих длинах волн».
«У нагретых металлов все коэффициенты поглощения увеличиваются, а ИК-излучение скачет при температуре плавления, — говорит он, — а расплавленные металлы очень хорошо поглощают все длины волн. Таким образом, достаточно высокая плотность мощности ИК-излучения преодолевает высокую отражательную способность».
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.
Раби Лахдо говорит, что снижение требуемой выходной мощности снижает турбулентность в ванне расплава, что повышает стабильность процесса. «Повышение стабильности процесса сопровождается улучшением качества раскрытия гибридного сварного шва и подавлением образования брызг».
При сварке замочных скважин более толстых материалов, начиная с микроотверстий размером в сотни микрометров, инфракрасные лазеры обычно более эффективны, чем зеленые или синие лазеры, что приводит к меньшему погонному теплу, а также к лучшему качеству сварки и более высокой скорости.
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 мм.
«Яркость одномодового луча до 2 кВт преодолевает отражающую природу блестящего металла и позволяет создавать стабильные сварные швы с небольшими отверстиями, глубина проплавления которых может быть намного глубже, чем ширина сварного шва», — сказал Кен Дзурко, глобальный эксперт. старший менеджер по работе с ключевыми клиентами в Центре лазерных технологий ThruFast в Санта-Кларе, Калифорния.
«Быстрые колебания луча препятствуют образованию интерметаллических соединений, тем самым ограничивая продолжительность фазы плавления в сварном отверстии». Он сказал: «Кроме того, высокая яркость луча повышает эффективность сварки и значительно уменьшает зону термического влияния, тем самым обеспечивая больший объем сварного шва при более низкой средней потребляемой мощности».
Другим фактором, влияющим на использование энергии лазера, является рассеяние света шлейфом паров металла, которое пропорционально четвертой степени длины волны. Лазеры с длиной волны 1070 нм рассеивают в 18 раз меньше, чем лазеры с длиной волны 515 нм, и в 30 раз меньше, чем лазеры с длиной волны 455 нм. Высокие скорости рассеяния синих и зеленых лазеров в шлейфах паров металлов легко компенсируют их немного более высокие скорости поглощения в расплавленных материалах.
Сегодня большинство производителей выбирают лазеры непрерывного действия с длиной волны 1 мкм, которые лидируют в скорости обработки, качестве и снижении затрат. Но все длины волн имеют преимущества в зависимости от конкретной ситуации. Например, Филпотт из NUBURU считает, что сдвиг длины волны в сторону синего или зеленого света стоит изучить в приложениях, которые выигрывают от увеличения поглощения.
«Передача луча для лазеров синего или зеленого света (например, сканеров, обрабатывающих головок, управления лучом и других вспомогательных компонентов) аналогична той, которая используется для NIR-лазеров». Филпотт говорит: «В результате преобразование инфракрасного света в синий или зеленый становится очень простым, а метод управления шлейфом аналогичен, поэтому не возникает проблем из-за поглощения или рассеяния».
Сегодняшние лазерные системы ограничены мощностью 3 кВт при длине волны 515 нм и 4 кВт при длине волны 455 нм, а из-за ограниченного качества луча синих лазеров фокусируемость луча и эффективность обработки также ограничены.
«При сварке меди с использованием длин волн лазерного луча видимого диапазона, особенно в спектре синего света, в настоящее время не хватает достаточной мощности лазерного луча и необходимого качества луча», — говорит Раби Лахдо. «Достижение высокого качества луча является самой большой проблемой, когда использование лазерных диодов для генерации лазерного излучения. Кроме того, лазеры видимого диапазона более склонны к повреждению оптики, чем инфракрасные источники, что сокращает срок службы и увеличивает затраты».
Несмотря на проблемы, Филпотт ожидает дальнейшего улучшения характеристик и стоимости пайки, поскольку доступность и производительность синих светодиодов продолжает улучшаться.
«Эксплуатация лазеров в пределах проектных допусков оптики не связана с риском надежности или затратами», — сказал он. «Тем не менее, клиенты могут столкнуться с коротким сроком службы оптики продукта конкретного поставщика лазеров; однако, если производитель не выпускает продукт без надлежащей проверки оптических устройств, то это может произойти с любой длиной волны».
04
-Специализация лазерных систем-
Волоконные лазеры непрерывного действия могут сваривать алюминий и медь при правильном контроле профиля луча. Разработка профилей балок «сердечник-кольцо» и более мощных систем сканирования значительно улучшила качество и потенциал гибридных сварочных портов за последнее десятилетие.
При сварке небольших отверстий меди и алюминия отверстия становятся нестабильными при высоких скоростях сварки. Одним из способов устранения этой нестабильности является снижение скорости сварки, но обычно это нежелательно. Вместо этого другой метод заключается в использовании гальванометра для добавления колебаний к лазерному лучу для перемешивания расплавленной ванны. Это улучшает конвекцию в потоке расплава и предотвращает схлопывание небольших отверстий. Обычно он обеспечивает сварку превосходного качества, но еще больше замедляет процесс сварки.
Третий способ устранения брызг во время высокоскоростной сварки — использование лазера с регулируемым режимом луча (AMB), который излучает основной луч, окруженный кольцевым лучом. Мощность и интенсивность стержневого луча определяют глубину проникновения небольших отверстий, в то время как энергия кольцевого луча стабилизирует маленькие отверстия, сводя к минимуму или полностью устраняя нежелательные брызги, трещины и пористость.
Самые маленькие сердцевины представляют собой одномодовые пучки диаметром 14 мкм. Многомодовые сердечники обычно имеют диаметр 50 или 100 мкм, а кольцевые лучи обычно имеют диаметр до 300 мкм.
«Использование волоконных лазеров с сердечником и кольцом является активной областью развития инфракрасной лазерной сварки неоднородностей и востребовано всеми основными игроками», — говорит Маркевич, менеджер по развитию рынка компании IPG Photonics. «Лазер AMB с одномодовым сердечником был выбран из-за его универсальности, высоких скоростей сварки и способности минимизировать образование хрупких интерметаллических соединений».
Одномодовый сердечниковый лазер AMB мощностью 3 кВт с дополнительной мощностью 3 кВт в кольцевом лазере способен сваривать медные шины без брызг при скорости 60 м/мин с проваром более 0,65 мм.
По словам Маркевича, современные коммерческие зеленые или синие лазеры не могут обеспечить такую же скорость и качество обработки. Но, как он отмечает, на однородность сварного шва могут влиять различия в зазоре между материалами или загрязнение материала. В связи с тенденцией к уменьшению толщины шин зажим и фиксация становятся проблемой. Недостаточная глубина плавления сварного шва может привести к более высокому сопротивлению и снижению механической прочности, в то время как чрезмерная глубина плавления или прокалывание могут сделать элементы аккумуляторной батареи электромобиля опасными для пожара.
"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 градусов».
Алюминий плавится при 660 градусах, медь - при 1085 градусах, а стальные сплавы - при 1500 градусах. Два металла с очень разными температурами плавления необходимо расплавить, не повредив соли лития, содержащие легковоспламеняющийся органогель, или компоненты батареи (такие как уплотнения, прокладки и прокладки), указанные ниже.
Поточное управление процессом на основе спектрального излучения процесса или ОКТ может обеспечить неразрушающее измерение глубины сварного шва в режиме реального времени. Это позволяет принять корректирующие меры для достижения постоянной глубины расплава.
