A lézeres hegesztésnek helye van az elektromos járművekben, az űrhajózásban, a hajó- és vasúti szállításban, az építőiparban, az energiaszektorban, a félvezetőgyártásban, a fogyasztói elektronikában, az orvostechnikai eszközök gyártásában stb. A lézeres hegesztés rugalmasságával és precizitásával a különböző anyagok hagyományos hegesztési technikákkal nehézkes összeolvasztása is könnyen megoldható, sőt a preferált megoldássá vált. Ez az eljárás, amelyet gyakran "különböző hegesztésnek" neveznek, fontos része a modern mérnöki célok elérésének.
Az e-mobilitási alkalmazásokhoz használt akkumulátorok és elektromos alkatrészek gyártása nagyobb érdeklődést vált ki a különböző anyagok, például a réz és az alumínium lézeres hegesztése iránt.
Az eltérő hegesztés nagyobb tervezési szabadságot tesz lehetővé, amikor különböző jó tulajdonságokkal rendelkező anyagokat választanak ki, mint például az elektromos és hővezető képesség, a hajlékonyság, a relatív sűrűség, az olvadáspont és a keménység, de hagyományosan ragasztókra vagy mechanikai módszerekre van szükség az összeragasztáshoz.
Bár a technikának vannak a hagyományos hegesztéssel közös elemei, egyedülálló lehetőséget kínál a tervezési szabadság fokának, az anyagkombinációk változatosságának növelésére, ezáltal csökkentve a gyártási és összeszerelési költségeket, valamint javítva az alkatrészek vagy rendszerek teljesítményét.
A különböző anyagok hegesztése azonban megköveteli a lézer hullámhosszának, átlagos teljesítményének, sugárprofiljának, impulzusszélességének és csúcsteljesítményének alapos mérlegelését. A lézerrendszer paramétereit is testre kell szabni az adott anyagkombinációkhoz és alkalmazásokhoz.
A legfontosabb és leggyorsabban növekvő alkalmazási terület az elektromos járművek akkumulátorainak és elektromos alkatrészeinek gyártása. Az elektromos járművek iránti kereslet drámaian megnőtt az elmúlt két évben, és a különböző anyagok hegesztése az elektromos járművek hatékonyabbá és környezetbarátabbá tételének középpontjában áll.
Míg az eltérő hegesztésnek sok közös vonása van a hagyományos hegesztéssel, a varrat minőségének és sebességének optimalizálása nagyobb kihívást jelent. A lézeres hegesztőrendszerek rugalmassága egyedülálló megoldásokat kínál az új alkalmazások és lehetőségek bővítésére. (A Tomo Express közreműködésével)
Matthew Philpott, a NUBURU marketing- és értékesítési igazgatója, a nagy teljesítményű és nagy fényerejű ipari kék lézertechnológia vezető innovátora elmondta: "Az előrejelzések szerint az elektromos járművek a piac több mint 20%-át fogják képviselni a következő 5-10 évben. évre, a fogyasztói elektronika pedig 10 és 15% közé fog tartozni."
A lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok gyártásához az alumínium rézre hegesztésének képességére van szükség fólia-elektróda vagy elektróda-elektróda hegesztési varratban. A hengeres akkumulátorokban a rézelektróda-sarukat egy acéldobozhoz kell hegeszteni.
Az akkumulátorcsomag gyártása során a cellák általában már össze vannak szerelve, és a mérnököknek olyan tervezést kell megvalósítaniuk, amely összeköti a cellákat az optimális energia biztosítása érdekében. A jelenlegi lítium-ion akkumulátorok nikkelezett hidegen hengerelt acélból készülnek. Azonban egy kevésbé ellenálló fém, például alumínium vagy réz hegesztése a lítium-ion akkumulátor szabványos rozsdamentes acél érintkezőihez csökkenti az ellenállást, így kevesebb energia megy kárba a hőveszteségben.
A megnövelt elektromos járművek akkumulátorának teljesítménye fontos tényező az elektromos járművek értékesítésének folyamatos növekedésében" – mondta Mark L. Boyle, az AMADA WELD TECH termékfejlesztési és alkalmazási vezető menedzsere. A jobb teljesítmény részben a különböző fémhegesztések legújabb fejlesztéseinek köszönhető. amely az energiatárolás növelésével, a méret csökkentésével és a megbízhatóság fenntartásával javítja a hatékonyságot."
Ezen túlmenően a hajóépítő ipar egy másik példa arra, hogy a különböző hegesztések egyedi értéket képviselnek. Az ipar rutinszerűen használ acél-alumínium hegesztett interfészeket a súlyelosztás optimalizálására, ami alacsonyabb CO2-kibocsátást és nagyobb stabilitást eredményez. Különösen az acél hajótest alumínium felépítményre hegesztése csökkentheti az önsúlyt.
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. (Fotó: NUBURU)
"A CO2-kibocsátás és az energiafogyasztás csökkentése mellett az anyag intelligens elrendezésével a hajó tömegközéppontja lejjebb kerülhet, így javítva a szállítási stabilitást." Rabi Lahdo, a Hannoveri Lézerközpont Fémhegesztési és Vágási Csoportjának kutatója mondta.
Bár a hasonló tulajdonságokkal rendelkező anyagok általában megbízhatóbb hegesztési varratokat eredményeznek, a főbb szereplők, például az AMADA WELD TECH egyre több kérést kapnak különböző anyagok hegesztésére.
"Kereskedelmi szempontból egy másik anyag választása csökkentheti a gyártási költségeket és javíthatja az alkatrész vagy eszköz teljesítményét." Mark L. Boyle azt mondta: "Amikor ez megtörténik, a különböző fémek választása versenyelőnyként használható fel a piacon, hogy jobb terméket biztosítsanak alacsonyabb áron."
01 Kihívások és megfontolások-
Az olyan anyagok, mint például acél vagy réz alumíniummal való olvasztásakor az anyag olvadáspontjának és hőtágulási együtthatójának változása törékeny köztes részek képződéséhez vezethet, amelyek gyengítik a hegesztési kötést.
"A fémek olvadási és olvadási hőmérséklete eltérő, fényelnyelési együtthatójuk (különösen bizonyos lézerhullámhosszakon) és hődiffúzivitása is eltérő. Ez megnehezíti a megfelelő fokos megolvasztást egy időben." A NUBURU Philpottja azt mondja: "Ez leginkább a nagy fényvisszaverő képességű fémeknél figyelhető meg, amelyek infravörös abszorpciós együtthatói nagyon eltérőek lehetnek."
A hűtés során a különböző hőtágulási együtthatók által létrehozott feszültségmezők szintén gyengíthetik a varratokat, és hegesztési kötések meghibásodásához vezethetnek. Ezek a kemény, rideg szerkezetek, az úgynevezett "intermetallikus fázisok", a hegesztési fém és az alapfém közötti átmeneti zónában alakulnak ki. Ez egy olyan jelenség, amely bármilyen hegesztési módszert megviselhet.
Acél és alumínium eltérő hegesztési varrat keresztmetszete. (LZH hozzájárulás)
Az intermetallikus fázisok, mint például a FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 az acél-alumínium rendszerben és a Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 a réz-alumínium rendszerben, az elemek korlátozott oldhatóságának köszönhető" - mondja Sarah Nothdurft, a kereskedelem vezetője. A hannoveri lézerközpontban a fémek vágása és csatlakozása. Az ilyen fázisok lényegesen nagyobb ellenállást mutatnak az alapanyaghoz képest."
A lézer működési paramétereinek gondos megválasztása, mint például a nagy hegesztési sebesség, az alacsony hőterhelés és az olvasztási folyamat pontos szabályozása, lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy enyhítsenek ezen problémák némelyikén.
"Bár az intermetallikus vegyületek képződése elkerülhetetlen, ridegségük nem." Alekszej Markevics, az IPG Photonics piacfejlesztési menedzsere elmondta: "A megfelelő eljárási összetétel minimálisra csökkentheti ezeknek a vegyületeknek a képződését és maximalizálhatja alakíthatóságukat, ami szerkezetileg szilárdabb, vezetőbb és stabilabb hegesztési varratokat eredményez."
02 Alkalmazások különböző anyagok hegesztésére-
A megfelelő keverési arányok és a megfelelő illeszkedési elrendezések odafigyelése tovább javíthatja a különböző hegesztési kötések teljesítményét. Előnyösnek bizonyult például egy átlapolt hegesztési nyílással ellátott I-varrat. Ennél a módszernél egy acéllemezt helyeznek egy alumíniumlemezre. Az intermetallikus fázisok minimalizálása érdekében a hegesztés az acéllemezen keresztül történik, és csak az alumíniumlemezig.
Oliver Seffer, a Hannoveri Lézerközpont Fémhegesztési és Vágási Csoportjának kutatója szerint: "Az alacsony alumíniumtartalom miatt az ilyen rideg fázisok aránya a végső mikroszerkezetben viszonylag alacsony."
03 A lézerparaméterekre vonatkozó szempontok-
A lézeres technológia megválasztása a hegesztendő anyagtól függ. Az üvegek és fémek eltérő hegesztési nyílásaihoz CO2 lézerrendszerre lehet szükség. Alumínium-szilikát üveg és különféle fémek hegesztésére előnyös lehet a femtoszekundumos lézerrendszer, míg az alumíniumötvözetek és a műszaki üvegek hegesztése gyakran sikeres lehet pikoszekundumos lézerforrással.
A cél a hőbevitel minimalizálása, a fröcskölés megszüntetése, a folyamat stabilitásának javítása és a folyamatparaméterek széles ablakának biztosítása a lehető legnagyobb sebességű hegesztés közben.
"Míg az acélötvözetek jól elnyelik a közeli infravörös tartományt, még a nagy fényvisszaverő képességű fémeket is, mint például az alumíniumot és a rezet, többnyire 1 µm-es lézerekkel dolgozzák fel." Az IPG Markevitch munkatársa azt mondja: "Ez azért van, mert az abszorpció a fém hőmérsékletétől és fázisától függ. Szobahőmérsékleten a réz és az alumínium körülbelül 5%-ot nyel el 1 µm-en, és 40-50%-ot 515 nm-en, kék hullámhosszon pedig nagyobb abszorpcióval."
"Minden abszorpciós képesség növekszik a felhevített fémeknél, és az IR ugrik az olvadásponton" - mondja -, és az olvadt fémek nagyon jól elnyelik az összes hullámhosszt. Így a kellően nagy infravörös teljesítménysűrűség legyőzi a nagy visszaverőképességet.
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 szerint a szükséges kimeneti intenzitás csökkentése csökkenti a turbulenciát az olvadékban, ami javítja a folyamat stabilitását. "A folyamatstabilitás növekedése a hibrid hegesztési nyílás minőségének javulásával jár, és a fröccsenésképződés visszaszorul."
Vastagabb anyagok kulcslyuk-hegesztésénél, kezdve a több száz mikrométeres mikrokötésű lyukakkal, az infravörös lézerek jellemzően hatékonyabbak, mint a zöld vagy kék lézerek, ami kisebb hőbevitelt, valamint jobb hegesztési minőséget és nagyobb sebességet eredményez.
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.
"Az akár 2 kW-os egymódusú fénysugár felülmúlja a fényes fém fényvisszaverő jellegét, és stabil kis lyukú hegesztési varratokat hoz létre, amelyek olvadási mélysége sokkal mélyebb is lehet, mint a hegesztési varrat szélessége" - mondta Ken Dzurko, globális vezető kulcsfontosságú ügyfélmenedzser a ThruFast Laser Technology Centerben Santa Clarában, Kaliforniában.
"A sugár gyors oszcillációja gátolja az intermetallikus vegyületek képződését, így korlátozza az olvadási fázis időtartamát a hegesztési nyílásnál." Azt mondta: "Ezenkívül a nagy fénysugár növeli a hegesztési hatékonyságot, és nagymértékben csökkenti a hő által érintett zónát, ezáltal nagyobb hegesztési térfogatot eredményez alacsonyabb átlagos teljesítményfelvétel mellett."
A lézerenergia felhasználását befolyásoló másik tényező a fémgőz csóva általi fényszórás, amely arányos a hullámhossz negyedik hatványával. Az 1070 nm-es lézerek 18-szor kevesebbet szórnak, mint az 515 nm-es, és 30-szor kevesebbet, mint a 455 nm-es lézerek. A kék és zöld lézerek nagy szórási sebessége a fémgőzben könnyen ellensúlyozza a kissé magasabb abszorpciós sebességüket az olvadt anyagokban.
Ma a legtöbb gyártó a folyamatos hullámú 1 µm-es lézereket választja, amelyek vezető szerepet töltenek be a feldolgozási sebesség, a minőség és a költségcsökkentés terén. De az adott helyzettől függően minden hullámhossznak van előnye. Például a NUBURU Philpottja úgy véli, hogy a kék vagy zöld fényre való hullámhossz-eltolást érdemes megvizsgálni olyan alkalmazásokban, amelyekben előnyös a megnövekedett abszorpció.
"A kék vagy zöld fényű lézerek (pl. szkennerek, feldolgozófejek, sugárvezérlés és egyéb kiegészítő alkatrészek) sugártovábbítása hasonló a NIR lézereknél használthoz." Philpott azt mondja: "Ennek eredményeként az infravörösről kék vagy zöld fénnyel való átalakítás nagyon egyszerű, és a csóva kezelésének módja is hasonló, így nincs probléma az elnyelés vagy a szóródás miatt."
A mai lézerrendszerek 515 nm-en 3 kW-ra és 455 nm-en 4 kW-ra korlátozódnak, és a kék lézerek korlátozott sugárminősége miatt a sugár fókuszálhatósága és feldolgozási hatékonysága is korlátozott.
"A látható tartományban, különösen a kék fény spektrumában lévő lézersugaras hullámhosszúságú réz hegesztésénél jelenleg nincs elegendő lézersugár teljesítmény és szükséges sugárminőség" - mondja Rabi Lahdo. "A magas sugárminőség elérése a legnagyobb kihívás, amikor lézerdiódák használata lézersugárzás generálására. Ezenkívül a látható lézerek hajlamosabbak az optika károsodására, mint az infravörös források, ami lerövidíti az élettartamot és növeli a költségeket."
A kihívások ellenére a Philpott a forrasztási teljesítmény és érték további javulására számít, mivel a kék fénydiódák elérhetősége és teljesítménye folyamatosan javul.
"Az optika tervezési tűrésein belül a lézerek üzemeltetése nem jár megbízhatósággal vagy költségkockázattal" - mondta. "Egyébként előfordulhat, hogy az ügyfelek rövid optika élettartamot tapasztalhatnak egy adott lézerszállító termékével; ha azonban a gyártó nem ad ki egy terméket az optikai eszközök megfelelően érvényesítve, akkor ez bármilyen hullámhosszon megtörténhet."
04
- Lézeres rendszerek specializációja
A folyamatos hullámú szálas lézerek a sugárprofil megfelelő szabályozásával alumíniumot és rezet hegeszthetnek. A maggyűrűs gerendaprofilok és az erősebb letapogató rendszerek fejlesztése az elmúlt évtizedben jelentősen javította a hibrid hegesztési portok minőségét és lehetőségeit.
Réz és alumínium kis lyukú hegesztése során a furatok instabillá válnak nagy hegesztési sebességnél. Az instabilitás kiküszöbölésének egyik módja a hegesztési sebesség lelassítása, de ez általában nem kívánatos. Ehelyett egy másik módszer az, hogy galvanométerrel oszcillációt adnak a lézersugárhoz az olvadt medence keveréséhez. Ez javítja a konvekciót az olvadékáramban, hogy megakadályozza a kis lyukak összeomlását. Általában kiváló minőségű varratokat hoz létre, de tovább lassítja a hegesztési folyamatot.
A nagysebességű hegesztés során a fröcskölés megszüntetésének harmadik módja az Adjustable Mode Beam (AMB) lézer használata, amely gyűrűs sugárral körülvett magsugarat bocsát ki. A magsugár teljesítménye és intenzitása határozza meg a kis lyukak behatolási mélységét, míg a gyűrűs sugár energiája stabilizálja a kis lyukakat, hogy minimalizálja vagy teljesen kiküszöbölje a nemkívánatos fröcskölést, repedéseket és porozitást.
A legkisebb magok 14 µm átmérőjű egymódusú nyalábok. A többmódusú magok általában 50 vagy 100 µm átmérőjűek, a gyűrűs gerendák pedig jellemzően legfeljebb 300 µm átmérőjűek.
"A maggyűrűs szálas lézerek alkalmazása aktív fejlesztési terület az infravörös különbözőségű lézerhegesztésben, és minden nagyobb szereplő keresett" - mondja Markevitch, az IPG Photonics piacfejlesztési vezetője. "Az egymódusú maggal rendelkező AMB lézert sokoldalúsága, nagy hegesztési sebessége és a rideg intermetallikus vegyületek képződésének minimalizálására való képessége miatt választották."
Egy 3 kW-os egymódusú AMB lézer 3 kW többletteljesítménnyel egy gyűrűs lézerben 60 m/perc sebességgel, 0,65 mm-nél nagyobb áthatolással fröcskölésmentes rézsínhegesztésre képes.
A jelenlegi kereskedelmi forgalomban lévő zöld vagy kék lézerek nem tudják elérni ugyanazt a feldolgozási sebességet és minőséget, mondja Markevitch. De amint rámutat, a hegesztési varrat konzisztenciáját továbbra is befolyásolhatja az anyagok közötti rés eltérései vagy az anyagszennyeződés. A gyűjtősín vastagság csökkenésének tendenciája miatt a befogás és rögzítés kihívást jelent. Az elégtelen hegesztési olvadékmélység nagyobb ellenállást és alacsonyabb mechanikai szilárdságot eredményezhet, míg a túlzott olvadékmélység vagy átlyukasztás az elektromos járművek akkumulátorcelláit tűzveszélyessé teheti.
"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 fok."
Az alumínium 660 fokon, a réz 1085 fokon, az acélötvözetek 1500 fokon olvad meg. Két nagyon eltérő olvadási hőmérsékletű fémet kell megolvasztani anélkül, hogy károsítaná a gyúlékony szerves gélt tartalmazó lítium-sókat vagy az akkumulátorkomponenseket (például tömítéseket, tömítéseket és távtartókat).
A spektrális folyamatkibocsátáson vagy az OCT-n alapuló, soron belüli folyamatvezérlés valós idejű, roncsolásmentes hegesztési mélységmérést biztosít. Ez lehetővé teszi a korrekciós intézkedések megtételét az állandó olvadási mélység elérése érdekében.
