Laserhitsauksella on paikkansa sähköajoneuvoissa, ilmailussa, laiva- ja rautatiekuljetuksissa, rakentamisessa, energia-alalla, puolijohteissa, kulutuselektroniikassa, lääkinnällisten laitteiden valmistuksessa ja muissa. Myös perinteisillä hitsaustekniikoilla vaikea erilaisten materiaalien yhdistäminen on helposti ratkaistavissa laserhitsauksen joustavuudella ja tarkkuudella, ja siitä on tullut jopa suosituin ratkaisu. Tämä prosessi, jota usein kutsutaan "erilaishitsaukseksi", on tärkeä osa nykyaikaisten suunnittelutavoitteiden saavuttamista.
Akkujen ja sähkökomponenttien tuotanto sähköisen liikkuvuuden sovelluksiin lisää kiinnostusta erilaisten materiaalien, kuten kuparin ja alumiinin, laserhitsaukseen.
Erilaiset hitsaukset mahdollistavat laajemman suunnitteluvapauden valittaessa erilaisia materiaaleja, joilla on hyvät ominaisuudet, kuten sähkön- ja lämmönjohtavuus, sitkeys, suhteellinen tiheys, sulamispiste ja kovuus, mutta perinteisesti vaatii liimoja tai mekaanisia menetelmiä yhteenliittämiseen.
Vaikka tekniikassa on tavanomaisen hitsauksen kanssa yhteisiä elementtejä, se tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden lisätä suunnittelun vapautta ja materiaaliyhdistelmien monipuolisuutta, mikä vähentää valmistus- ja kokoonpanokustannuksia ja parantaa komponenttien tai järjestelmien suorituskykyä.
Erilaisten materiaalien hitsaus vaatii kuitenkin laseraallonpituuden, keskitehon, säteen profiilin, pulssin leveyden ja huipputehon huolellista harkintaa. Laserjärjestelmän parametrit on myös mukautettava tiettyjä materiaaliyhdistelmiä ja sovelluksia varten.
Tärkein ja nopeimmin kasvava sovellusalue on sähköajoneuvojen akkujen ja sähkökomponenttien valmistus. Sähköajoneuvojen (EV) kysyntä on kasvanut dramaattisesti viimeisen kahden vuoden aikana, ja erilaisten materiaalien hitsaus on keskeinen osa sähköautojen tehostamista ja ympäristöystävällisyyttä.
Vaikka erilaisuushitsauksella on paljon yhteistä tavanomaisen hitsauksen kanssa, hitsin laadun ja nopeuden optimointi on haastavampaa. Laserhitsausjärjestelmien joustavuus tarjoaa ainutlaatuisia ratkaisuja uusien sovellusten ja mahdollisuuksien laajentamiseen. (Tomo Expressin avustaja)
Matthew Philpott, NUBURU:n markkinointi- ja myyntijohtaja, joka on suuritehoisen ja kirkkaan teollisen sinisen laserteknologian johtava innovaattori, sanoi: "Sähköajoneuvojen ennustetaan olevan yli 20 % markkinoista seuraavien 5-10 vuoden aikana. vuotta, ja kulutuselektroniikan osuus on 10–15 prosenttia."
Litiumioniakkujen (Li-ion) valmistus edellyttää kykyä hitsata alumiinia kupariksi folio-elektrodi- tai elektrodi-elektrodi-hitsauksessa. Sylinterimäisissä akuissa kuparielektrodikorvakkeet on hitsattava teräspurkkiin.
Akkupakkausten valmistuksessa kennot on yleensä jo koottu ja insinöörien on otettava käyttöön malli, joka yhdistää kennot optimaalisen energian tuottamiseksi. Nykyiset litiumioniakut on valmistettu nikkelipinnoitetusta kylmävalssatusta teräksestä. Vähemmän resistiivisen metallin, kuten alumiinin tai kuparin, hitsaus litiumioniakun standardien ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin liittimiin kuitenkin vähentää sen vastusta, joten lämpöhäviöihin kuluu vähemmän energiaa.
Parannettu sähköajoneuvojen akkujen suorituskyky on tärkeä tekijä sähköajoneuvojen myynnin tasaisessa kasvussa", sanoi AMADA WELD TECHin tuotesuunnittelusta ja sovelluksista vastaava Mark L. Boyle. Parempi suorituskyky johtuu osittain viimeaikaisesta kehityksestä erilaisten metallien hitsauksessa. joka parantaa tehokkuutta lisäämällä energian varastointia, pienentämällä kokoa ja ylläpitämällä luotettavuutta."
Lisäksi laivanrakennusteollisuus tarjoaa toisen esimerkin, jossa erilainen hitsaus tuottaa ainutlaatuista arvoa. Teollisuus käyttää rutiininomaisesti teräs-alumiinihitsattuja rajapintoja painonjakauman optimoimiseksi, mikä vähentää CO2-päästöjä ja lisää vakautta. Erityisesti teräsrungon hitsaaminen alumiiniseen päällirakenteeseen voi vähentää kantavuutta.
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. (Kuva: NUBURU)
"CO2-päästöjen ja energiankulutuksen vähentämisen lisäksi aluksen painopistettä voidaan laskea älykkäällä materiaalijärjestelyllä, mikä parantaa kuljetusvakautta." Hannoverin laserkeskuksen metallihitsaus- ja -leikkausryhmän tutkija Rabi Lahdo kertoi.
Vaikka ominaisuuksiltaan samanlaiset materiaalit tuottavat yleensä luotettavampia hitsejä, suuret toimijat, kuten AMADA WELD TECH, saavat yhä enemmän pyyntöjä erilaisten materiaalien hitsaamisesta.
"Kaupallisesti eri materiaalin valitseminen voi vähentää valmistuskustannuksia ja parantaa komponentin tai laitteen suorituskykyä." Mark L. Boyle sanoi: "Kun näin tapahtuu, erilaisten metallien valintaa voidaan käyttää kilpailuetuna markkinoilla tarjotakseen paremman tuotteen halvemmalla."
01 Haasteet ja huomioita-
Kun materiaaleja, kuten terästä tai kuparia, sulatetaan alumiinin kanssa, materiaalin sulamispisteen ja lämpölaajenemiskertoimen muutokset voivat johtaa hauraiden väliosien muodostumiseen, jotka heikentävät hitsisaumaa.
"Metalleilla on erilaiset sulamis- ja sulamislämpötilat, erilaiset valon absorptiokertoimet (etenkin tietyillä laseraallonpituuksilla) ja erilaiset lämpödiffusiivisuudet. Tämä vaikeuttaa niiden sulattamista oikeaan asteeseen samanaikaisesti." NUBURU:n Philpott sanoo: "Tämä on havaittavissa erittäin heijastavissa metalleissa, joilla voi olla hyvin erilaiset absorptiokertoimet infrapunassa."
Erilaisten lämpölaajenemiskertoimien jäähdytyksen aikana synnyttämät jännityskentät voivat myös heikentää hitsejä ja johtaa hitsiliitoksen rikkoutumiseen. Nämä kovat, hauraat rakenteet, joita kutsutaan "metallienvälisiksi faaseiksi", muodostuvat hitsimetallin ja perusmetallin väliselle siirtymäalueelle. Tämä on ilmiö, joka voi vaivata mitä tahansa hitsausmenetelmää.
Teräksen ja alumiinin erilaisuushitsin poikkileikkaus. (LZH-osuus)
Metallien välisten faasien, kuten FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 teräs-alumiinijärjestelmässä ja Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 kupari-alumiinijärjestelmässä, muodostuminen johtuu alkuaineiden rajallisesta liukoisuudesta", sanoo yksikön johtaja Sarah Nothdurft. Liittyy ja Cutting Metals Groupiin Hannoverin Laser Centerissä. Tällaisten faasien resistiivisyys on myös huomattavasti suurempi kuin perusmateriaali."
Laserin toimintaparametrien huolellinen valinta, kuten suurten hitsausnopeuksien, alhaisten lämpökuormien ja sulatusprosessin tarkan hallinnan yhdistäminen, antaa insinööreille mahdollisuuden lieventää joitain näistä ongelmista.
"Vaikka metallien välisten yhdisteiden muodostuminen on väistämätöntä, niiden hauraus ei ole." Aleksei Markevitch, IPG Photonicsin markkinakehityspäällikkö, sanoi: "Oikea prosessiformulaatio voi minimoida näiden yhdisteiden muodostumisen ja maksimoida niiden muokattavuuden, mikä johtaa rakenteellisesti vakaampiin, johtavampiin ja vakaampiin hitseihin."
02 Sovellukset erilaisten materiaalien hitsaukseen-
Oikeisiin sekoitussuhteisiin ja oikeisiin sovitusjärjestelyihin kiinnittäminen voi edelleen parantaa erilaisten hitsausliitosten suorituskykyä. Edulliseksi on osoittautunut esimerkiksi I-sauma, jossa on litteä hitsausaukko. Tässä menetelmässä teräslevy asetetaan alumiinilevylle. Intermetallisten vaiheiden minimoimiseksi hitsaus suoritetaan teräslevyn läpi ja vain alumiinilevyyn.
Hannoverin laserkeskuksen Metal Welding and Cutting Groupin tutkija Oliver Seffer sanoo: "Matalan alumiinipitoisuuden vuoksi tällaisten hauraiden faasien osuus lopullisessa mikrorakenteessa on suhteellisen pieni."
03 Laserparametrien huomioita-
Lasertekniikan valinta riippuu hitsattavasta materiaalista. Lasin ja metallin erilaiset hitsausportit saattavat vaatia CO2-laserjärjestelmän. Alumiinisilikaattilasin ja eri metallien hitsauksessa femtosekunnin laserjärjestelmä voi olla hyödyllistä, kun taas alumiiniseosten ja teknisen lasin hitsaus onnistuu usein pikosekundisellä laserlähteellä.
Tavoitteena on minimoida lämmöntuotto, eliminoida roiskeita, parantaa prosessin vakautta ja tarjota laaja prosessiparametrien ikkuna hitsattaessa suurimmalla mahdollisella nopeudella.
"Vaikka terässeokset imevät hyvin lähi-infrapuna-alueella, jopa korkean heijastavuuden omaavia metalleja, kuten alumiinia ja kuparia, käsitellään enimmäkseen 1 µm lasereilla." IPG:n Markevitch sanoo: "Tämä johtuu siitä, että absorptio riippuu metallin lämpötilasta ja faasista. Huoneenlämmössä kupari ja alumiini absorboivat noin 5 % aallonpituudella 1 µm ja 40 % - 50 % aallonpituudella 515 nm, ja absorptio on suurempi sinisillä aallonpituuksilla."
"Kaikki absorptiokyvyt lisääntyvät kuumennetuilla metalleilla, ja IR hyppää sulamispisteessä", hän sanoo, "ja sulat metallit absorboivat kaikki aallonpituudet erittäin hyvin. Näin ollen riittävän korkea IR-tehotiheys voittaa korkean heijastavuuden."
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 sanoo, että vaaditun tehon alentaminen vaimentaa sulan turbulenssia, mikä parantaa prosessin vakautta. "Prosessin stabiilisuuden kasvuun liittyy hybridihitsin aukon laadun paraneminen ja roiskeiden muodostuminen estyy."
Paksumpien materiaalien avaimenreikähitsauksessa, alkaen satojen mikrometrien mikroliitosrei'istä, infrapunalaserit ovat tyypillisesti tehokkaampia kuin vihreät tai siniset laserit, mikä johtaa pienempään lämmöntuontiin, parempaan hitsauslaatuun ja nopeampiin nopeuksiin.
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.
"Jopa 2 kW:n yksimuotoisen säteen kirkkaus voittaa kirkkaan metallin heijastavan luonteen luoden vakaat pienireikäiset hitsit, joiden sulamissyvyys voi olla paljon syvempi kuin hitsin leveys", sanoi Ken Dzurko, kansainvälinen vanhempi avainasiakaspäällikkö ThruFast Laser Technology Centerissä Santa Clarassa, Kaliforniassa.
"Säteen nopea värähtely estää metallien välisten yhdisteiden muodostumisen ja rajoittaa siten sulamisvaiheen kestoa hitsin aukossa." Hän sanoi: "Lisäksi kaukosäteen kirkkaus lisää hitsaustehoa ja vähentää suuresti lämmön vaikutuksen alaista vyöhykettä, mikä tuottaa suuremman hitsausmäärän pienemmällä keskimääräisellä teholla."
Toinen laserenergian käyttöön vaikuttava tekijä on metallihöyrypilven valonsironta, joka on verrannollinen aallonpituuden neljänteen potenssiin. 1070 nm laserit sirottavat 18 kertaa vähemmän kuin 515 nm laserit ja 30 kertaa vähemmän kuin 455 nm laserit. Sinisten ja vihreiden laserien korkeat sirontanopeudet metallihöyrypilveissä kompensoivat helposti niiden hieman korkeammat absorptionopeudet sulassa materiaalissa.
Nykyään useimmat valmistajat valitsevat jatkuvan aallon 1 µm lasereita, jotka johtavat käsittelyn nopeuden, laadun ja kustannusten alenemiseen. Mutta kaikki aallonpituudet tarjoavat etuja tilanteesta riippuen. Esimerkiksi NUBURU:n Philpott uskoo, että aallonpituuden siirtymistä siniseen tai vihreään valoon kannattaa tutkia sovelluksissa, jotka hyötyvät lisääntyneestä absorptiosta.
"Sinisen tai vihreän valon lasereiden (esim. skannerit, käsittelypäät, säteen ohjaus ja muut apukomponentit) säteen toimitus on samanlainen kuin NIR-lasereissa." Philpott sanoo: "Tämän seurauksena muuntaminen infrapunasta siniseksi tai vihreäksi valoksi on erittäin helppoa, ja sumun hallintamenetelmä on samanlainen, joten imeytymisestä tai sironnasta ei aiheudu ongelmia."
Nykypäivän laserjärjestelmien teho on rajoitettu 3 kW:iin 515 nm:ssä ja 4 kW:iin 455 nm:ssä, ja koska sinisten laserien säteen laatu on rajallinen, säteen fokusoitavuus ja käsittelytehokkuus ovat myös rajallisia.
"Kuparia hitsattaessa lasersäteen aallonpituuksilla näkyvällä alueella, erityisesti sinisen valon spektrissä, on tällä hetkellä puute riittävästä lasersäteen tehosta ja vaaditusta säteen laadusta", Rabi Lahdo sanoo. "Korkean säteen laadun saavuttaminen on suurin haaste, kun käyttää laserdiodeja lasersäteilyn tuottamiseen. Lisäksi näkyvät laserit ovat alttiimpia vaurioittamaan optiikkaa kuin infrapunalähteet, mikä lyhentää käyttöikää ja lisää kustannuksia."
Haasteista huolimatta Philpott odottaa juotoksen suorituskyvyn ja arvon paranevan edelleen, kun sinisten valodiodien saatavuus ja suorituskyky paranevat edelleen.
"Laserien käyttöön ei liity luotettavuus- tai kustannusriskiä optiikan suunnittelutoleranssien sisällä", hän sanoi. "Asiakkaat voivat kuitenkin kokea lyhyen optiikan käyttöiän tietyn lasertoimittajan tuotteella; jos valmistaja ei kuitenkaan julkaise tuotetta ilman, että optiset laitteet on asianmukaisesti validoitu, tämä voi tapahtua millä tahansa aallonpituudella."
04
- laserjärjestelmien erikoistuminen
Jatkuvaaaltokuitulaserit voivat hitsata alumiinia ja kuparia sädeprofiilin asianmukaisella ohjauksella. Ydinrengaspalkkiprofiilien ja tehokkaampien skannausjärjestelmien kehitys on parantanut merkittävästi hybridihitsausliitäntöjen laatua ja potentiaalia viimeisen vuosikymmenen aikana.
Kuparin ja alumiinin pienireikähitsauksessa reiät muuttuvat epävakaiksi suurilla hitsausnopeuksilla. Yksi tapa poistaa tämä epävakaus on hidastaa hitsausnopeutta, mutta tämä ei yleensä ole toivottavaa. Sen sijaan toinen menetelmä on käyttää galvanometriä lisäämään värähtelyä lasersäteeseen sulan altaan sekoittamiseksi. Tämä parantaa sulatevirran konvektiota estäen pienten reikien sortumista. Se tuottaa yleensä erinomaisen laadukkaan hitsin, mutta hidastaa hitsausprosessia entisestään.
Kolmas tapa poistaa roiskeet nopean hitsauksen aikana on käyttää säädettävän tilan säteen (AMB) laseria, joka lähettää ydinsäteen, jota ympäröi rengassäde. Sydänsäteen teho ja intensiteetti määräävät pienten reikien tunkeutumissyvyyden, kun taas rengaspalkin energia stabiloi pieniä reikiä minimoimaan tai kokonaan poistamaan ei-toivotut roiskeet, halkeamat ja huokoisuus.
Pienimmät ytimet ovat yksimuotoisia palkkeja, joiden halkaisija on 14 µm. Monimuotoytimet ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 50 tai 100 µm, ja rengaspalkkien halkaisija on tyypillisesti jopa 300 µm.
"Ydinrengaskuitulaserien käyttö on aktiivinen kehitysalue infrapuna-erälaserhitsauksessa, ja se on kaikkien tärkeimpien toimijoiden haluttu", sanoo Markevitch, IPG Photonicsin markkinakehityspäällikkö. "Yksimoodiytimellä varustettu AMB-laser valittiin sen monipuolisuuden, suurten hitsausnopeuksien ja luontaisen kyvyn minimoimiseksi hauraiden metallien välisten yhdisteiden muodostumisen vuoksi."
3 kW:n yksimuotoinen AMB-laser, jossa on 3 kW lisätehoa rengaslaserissa, pystyy roiskeetta kuparikiskohitsaukseen nopeudella 60 m/min yli 0,65 mm:n tunkeutumisella.
Nykyiset kaupalliset vihreät tai siniset laserit eivät voi saavuttaa samaa käsittelynopeutta ja -laatua, Markevitch sanoo. Mutta kuten hän huomauttaa, materiaalien välisen raon tai materiaalin kontaminaatioiden vaihtelut voivat silti vaikuttaa hitsin yhtenäisyyteen. Kun virtakiskojen paksuus on taipumus pienentyä, kiristys ja kiinnitys ovat haasteita. Riittämätön hitsaussulamissyvyys voi johtaa suurempaan vastukseen ja heikompaan mekaaniseen lujuuteen, kun taas liiallinen sulamissyvyys tai lävistys voivat tehdä sähköajoneuvojen akkukennoista palovaaran.
"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 astetta."
Alumiini sulaa 660 asteessa, kupari 1 085 asteessa ja terässeokset 1 500 asteessa. Kaksi metallia, joilla on hyvin erilaiset sulamislämpötilat, on sulatettava vahingoittamatta syttyvää organogeeliä sisältäviä litiumsuoloja tai akun osia (kuten tiivisteitä, tiivisteitä ja välikappaleita).
Prosessispektrisäteilyyn tai OCT:hen perustuva in-line-prosessiohjaus voi tarjota reaaliaikaisia rikkomattomia hitsaussyvyyden mittauksia. Tämä mahdollistaa korjaavien toimenpiteiden toteuttamisen tasaisen sulamissyvyyden saavuttamiseksi.
