Ласерско заваривање има своје место у електричним возилима, ваздухопловству, бродском и железничком саобраћају, грађевинарству, енергетском сектору, полупроводницима, потрошачкој електроници, производњи медицинских уређаја и још много тога. Чак и фузија различитих материјала, што је тешко са конвенционалним техникама заваривања, може се лако решити флексибилношћу и прецизношћу ласерског заваривања, и чак је постало пожељно решење. Овај процес, који се често назива „заваривањем различитости“, важан је део постизања савремених инжењерских циљева.
Производња батерија и електричних компоненти за апликације е-мобилности изазива веће интересовање за ласерско заваривање различитих материјала као што су бакар и алуминијум.
Различито заваривање омогућава ширу слободу дизајна при одабиру различитих материјала са добрим својствима као што су електрична и топлотна проводљивост, дуктилност, релативна густина, тачка топљења и тврдоћа, али традиционално захтева лепкове или механичке методе за спајање.
Иако техника има заједничке елементе са конвенционалним заваривањем, она нуди јединствену прилику да се повећа степен слободе дизајна, разноврсност комбинација материјала, чиме се смањују трошкови производње и монтаже и побољшавају перформансе компоненти или система.
Међутим, заваривање различитих материјала захтева пажљиво разматрање таласне дужине ласера, просечне снаге, профила снопа, ширине импулса и вршне снаге. Параметри ласерског система такође морају бити прилагођени за специфичне комбинације материјала и примене.
Најважнија и најбрже растућа област примене је производња батерија и електричних компоненти за електрична возила. Потражња за електричним возилима (ЕВ) драматично се повећала у последње две године, а заваривање различитих материјала је у средишту стварања ЕВ ефикаснијих и еколошки прихватљивих.
Док заваривање различитости има много заједничког са конвенционалним заваривањем, оптимизација квалитета и брзине завара је изазовнија. Флексибилност система за ласерско заваривање нуди јединствена решења за проширење нових апликација и могућности. (Допринео Томо Екпресс)
Метју Филпот, директор маркетинга и продаје компаније НУБУРУ, водећег иноватора индустријске плаве ласерске технологије велике снаге и светлине, рекао је: „Предвиђа се да ће електрична возила заузимати више од 20% тржишта у наредних 5 до 10 године, а потрошачка електроника ће чинити између 10% и 15%.“
Производња литијум-јонских (Ли-јонских) батерија захтева могућност заваривања алуминијума са бакром у завару фолија-електрода или електрода-електрода. У цилиндричним батеријама, умеци бакарне електроде морају бити заварени на челичну конзерву.
У производњи батеријских пакета, ћелије су обично већ састављене и инжењери морају имплементирати дизајн који повезује ћелије како би се обезбедила оптимална енергија. Тренутне литијум-јонске батерије су направљене од никлованог хладно ваљаног челика. Међутим, заваривање метала мањег отпора, као што је алуминијум или бакар, на стандардне прикључке од нерђајућег челика литијум-јонске батерије смањује њен отпор, тако да се мање енергије губи на губитке топлоте.
Побољшане перформансе батерија електричних возила су главни фактор у сталном расту продаје електричних возила“, рекао је Марк Л. Боиле, виши менаџер инжињеринга производа и апликација у АМАДА ВЕЛД ТЕЦХ. Бољи учинак делимично произилази из недавног развоја заваривања различитих метала, што побољшава ефикасност повећањем складиштења енергије, смањењем величине и одржавањем поузданости."
Поред тога, индустрија бродоградње пружа још један пример где различито заваривање даје јединствену вредност. Индустрија рутински користи заварене интерфејсе челик-алуминијум да би оптимизовала расподелу тежине, што доводи до ниже емисије ЦО2 и повећане стабилности. Конкретно, заваривање челичног трупа на алуминијумску надградњу може смањити терет.
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 µм. (Фотографија НУБУРУ)
„Поред смањења емисије ЦО2 и потрошње енергије, центар гравитације пловила може се спустити интелигентним распоредом материјала, чиме се побољшава стабилност транспорта.“ Рекао је Раби Лахдо, истраживач у групи за заваривање и резање метала у Хановер Ласер центру.
Иако материјали са сличним својствима обично производе поузданије заварене спојеве, главни играчи као што је АМАДА ВЕЛД ТЕЦХ примају све већи број захтева за заваривање различитих материјала.
„Комерцијално, избор другог материјала може смањити трошкове производње и побољшати перформансе компоненте или уређаја.“ Марк Л. Боиле је рекао: „Када се то догоди, избор различитих метала може се искористити као конкурентска предност на тржишту да би се обезбедио бољи производ по нижој цени.“
01 Изазови и разматрања-
Када се материјали као што су челик или бакар спајају са алуминијумом, промене у тачки топљења материјала и коефицијенту топлотног ширења могу довести до стварања крхких међуделова који слабе заварени спој.
"Метали имају различите температуре топљења и фузије, различите коефицијенте апсорпције светлости (посебно на одређеним таласним дужинама ласера) и различите топлотне дифузије. То отежава њихово истовремени раст до одговарајућег степена." НУБУРУ-ов Пхилпотт каже: „Ово је најуочљивије код високо рефлектујућих метала, који могу имати веома различите коефицијенте апсорпције у инфрацрвеном зрачењу.
Поља напрезања настала различитим коефицијентима топлотног ширења током хлађења такође могу ослабити заварене спојеве и довести до квара завареног споја. Ове тврде, крхке структуре, назване "интерметалне фазе", формирају се у прелазној зони између метала шава и основног метала. Ово је феномен који може да мучи било коју методу заваривања.
Попречни пресек шава различитости челика и алуминијума. (допринос ЛЗХ)
Формирање интерметалних фаза, као што су ФеАл2, Фе2Ал5, ФеАл3 у систему челик-алуминијум и Цу9АЛ4, ЦуАл2, Цу4Ал3 у систему бакар-алуминијум, настаје због ограничене растворљивости елемената“, каже Сара Нотхдурфт, шеф одељења. Спајање и резање метала групе у Ласер Центру Хановер. Такве фазе такође показују знатно већу отпорност у поређењу са основним материјалом."
Пажљив одабир радних параметара ласера, као што је комбиновање великих брзина заваривања, ниског топлотног оптерећења и прецизне контроле процеса топљења, омогућава инжењерима да ублаже неке од ових проблема.
"Док је стварање интерметалних једињења неизбежно, њихова крхкост није." Алексеј Маркевич, менаџер развоја тржишта у ИПГ Пхотоницс, рекао је: „Права формулација процеса може да минимизира формирање ових једињења и максимизира њихову савитљивост, што резултира структурално здравим, проводљивијим и стабилнијим завареним спојевима.
02 Примене за заваривање различитих материјала-
Пажња о правилним односима мешања и правилном распореду подударања може додатно побољшати перформансе различитих заварених спојева. На пример, И-шав са отвором за преклопни завар се показао као предност. У овој методи, челична плоча се поставља на алуминијумску плочу. Да би се минимизирале интерметалне фазе, заваривање се врши кроз челичну плочу и само на алуминијумску плочу.
Оливер Сефер, истраживач у групи за заваривање и резање метала у Хановер Ласер центру, каже: „Због ниског садржаја алуминијума, удео таквих крхких фаза у коначној микроструктури је релативно низак.“
03 Разматрање параметара ласера-
Избор ласерске технологије зависи од материјала који се завари. Различити отвори за заваривање стакла и метала могу захтевати систем ЦО2 ласера. Заваривање алуминосиликатног стакла и разних метала може имати користи од фемтосекундног ласерског система, док заваривање легура алуминијума и техничког стакла често може бити успешно са пикосекундним ласерским извором.
Циљ је минимизирати унос топлоте, елиминисати прскање, побољшати стабилност процеса и обезбедити широк прозор процесних параметара током заваривања при највећој могућој брзини.
"Док легуре челика добро апсорбују у блиском инфрацрвеном региону, чак се и метали са високом рефлексијом, као што су алуминијум и бакар, углавном обрађују ласерима од 1 µм." Маркевитцх из ИПГ-а каже: "То је зато што апсорпција зависи од температуре метала и фазе. На собној температури, бакар и алуминијум апсорбују око 5% на 1 µм и 40% до 50% на 515 нм, са већом апсорпцијом на плавим таласним дужинама."
"Све апсорпције се повећавају за загрејане метале, а ИЦ скаче на тачки топљења", каже он, "а растопљени метали веома добро апсорбују све таласне дужине. Дакле, довољно висока густина ИР снаге превазилази високу рефлексивност."
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 каже да смањење потребног излазног интензитета смањује турбуленцију у растопљеном базену, што побољшава стабилност процеса. „Повећање стабилности процеса је праћено побољшањем квалитета отвора хибридног завара, а стварање прскања је потиснуто.
Код заваривања дебљих материјала у облику кључаонице, почевши од рупица за микровезе од стотина микрометара, инфрацрвени ласери су обично ефикаснији од зелених или плавих ласера, што резултира мањим уносом топлоте, као и бољим квалитетом завара и већим брзинама.
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.
„Осветљеност зрака у једном режиму до 2 кВ превазилази рефлектујућу природу светлог метала како би створила стабилне заваре са малим рупама са дубином фузије која може бити много дубља од ширине шава“, рекао је Кен Дзурко, глобално виши менаџер кључних клијената у ТхруФаст Ласер Тецхнологи Центру у Санта Клари, Калифорнија.
„Брзо осциловање снопа инхибира формирање интерметалних једињења, чиме се ограничава трајање фазе топљења на отвору завара.“ Он је рекао: „Поред тога, велика осветљеност снопа повећава ефикасност заваривања и у великој мери смањује зону погођену топлотом, чиме се производи већа запремина заваривања уз нижу просечну улазну снагу.“
Још један фактор који утиче на коришћење ласерске енергије је расејање светлости од стране металне паре, што је пропорционално четвртом степену таласне дужине. Ласери од 1070 нм расипају 18 пута мање од 515 нм ласера и 30 пута мање од 455 нм ласера. Високе стопе расејања плавих и зелених ласера у перјаницама металне паре лако надокнађују њихове нешто веће стопе апсорпције у растопљеним материјалима.
Данас већина произвођача бира ласере са континуираним таласима од 1 µм, који предњаче у брзини обраде, квалитету и смањењу трошкова. Али све таласне дужине нуде предности, у зависности од специфичне ситуације. На пример, НУБУРУ-ов Пхилпотт верује да је промена таласне дужине на плаво или зелено светло вредно истраживања у апликацијама које имају користи од повећане апсорпције.
„Испорука зрака за ласере плаве или зелене светлости (нпр. скенере, главе за обраду, контролу снопа и друге помоћне компоненте) је слична оној која се користи за НИР ласере.“ Пхилпотт каже: „Као резултат тога, конверзија из инфрацрвеног у плаво или зелено светло је веома лака, а метод управљања перјаницом је сличан, тако да нема проблема због апсорпције или расејања.
Данашњи ласерски системи су ограничени на 3кВ на 515нм и 4кВ на 455нм, а због ограниченог квалитета зрака плавих ласера, фокус снопа и ефикасност обраде су такође ограничени.
„Приликом заваривања бакра коришћењем таласних дужина ласерског снопа у видљивом опсегу, посебно у спектру плаве светлости, тренутно постоји недостатак довољне снаге ласерског зрака и потребног квалитета зрака“, каже Раби Лахдо, „Постизање високог квалитета снопа је највећи изазов када коришћење ласерских диода за генерисање ласерског зрачења. Осим тога, видљиви ласери су склонији оштећењу оптике него инфрацрвени извори, што скраћује животни век и повећава трошкове."
Упркос изазовима, Пхилпотт предвиђа даља побољшања у перформансама и вредности лемљења јер плаве светлеће диоде настављају да побољшавају доступност и перформансе.
„Не постоји ризик од поузданости или трошкова повезан са радом ласера у оквиру толеранција дизајна оптике“, рекао је он. „Ипак, купци могу доживети кратак век трајања оптике са производом одређеног добављача ласера; међутим, ако произвођач не објави производ без правилно валидираних оптичких уређаја, онда се то може догодити са било којом таласном дужином.
04
-Специјализација ласерских система-
Ласери са континуалним таласима могу заварити алуминијум и бакар уз правилну контролу профила зрака. Развој профила језгра-прстена и снажнијих система за скенирање значајно је побољшао квалитет и потенцијал хибридних спојева за заваривање током протекле деценије.
Током заваривања малих рупа бакра и алуминијума, рупе постају нестабилне при великим брзинама заваривања. Један од начина да се елиминише ова нестабилност је успоравање брзине заваривања, али то обично није пожељно. Уместо тога, други метод је коришћење галванометра за додавање осцилације ласерском зраку да би се узбуркао растопљени базен. Ово побољшава конвекцију у струји талине како би се спречило урушавање малих рупа. Обично производи заваре одличног квалитета, али додатно успорава процес заваривања.
Трећи начин да се елиминише прскање током заваривања великом брзином је коришћење ласера са подесивим снопом (АМБ), који емитује сноп језгра окружен прстенастим снопом. Снага и интензитет снопа језгра одређују дубину продирања малих рупа, док енергија прстенастог снопа стабилизује мале рупе како би се минимизирало или потпуно елиминисало нежељено прскање, пукотине и порозност.
Најмања језгра су једномодни снопови пречника 14 µм. Мултимодна језгра су типично пречника 50 или 100 µм, а прстенасти снопови су типично до 300 µм у пречнику.
„Употреба ласера са влакнима са језгром је активна развојна област у инфрацрвеном ласерском заваривању и тражена је од стране свих главних играча“, каже Маркевитцх, менаџер развоја тржишта у ИПГ Пхотоницс. „АМБ ласер са једномодним језгром изабран је због своје свестраности, великих брзина заваривања и инхерентне способности да се минимизира стварање крхких интерметалних једињења.“
Једномодни АМБ ласер од 3 кВ са 3 кВ додатне снаге у прстенастом ласеру је способан за заваривање бакарних сабирница без прскања при 60 м/мин са пенетрацијом већом од 0,65 мм.
Тренутни комерцијални зелени или плави ласери не могу постићи исту брзину и квалитет обраде, каже Маркевитцх. Али како он истиче, на конзистентност завара и даље могу утицати варијације у размаку између материјала или контаминације материјала. Са тенденцијом смањења дебљине сабирница, стезање и причвршћивање постају изазов. Недовољна дубина растапања завара може резултирати већом отпорношћу и мањом механичком чврстоћом, док прекомерна дубина топљења или пробијање могу да доведу до опасности од пожара ћелије ЕВ батерије.
"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 степени."
Алуминијум се топи на 660 степени, бакар на 1.085 степени, а легуре челика на 1.500 степени. Два метала са веома различитим температурама топљења треба да се истопе без оштећења литијумових соли које садрже запаљиви органогел или компоненте батерије (као што су заптивке, заптивке и одстојници) испод.
Ин-лине контрола процеса заснована на спектралној емисији процеса или ОЦТ може обезбедити недеструктивна мерења дубине завара у реалном времену. Ово омогућава предузимање корективних радњи за постизање константне дубине топљења.
