Sudarea cu laser are loc în vehiculele electrice, aerospațiale, transportul naval și feroviar, construcții, sectorul energetic, semiconductori, electronice de larg consum, fabricarea de dispozitive medicale și multe altele. Chiar și fuziunea materialelor diferite, care este dificilă cu tehnicile convenționale de sudare, poate fi rezolvată cu ușurință cu flexibilitatea și precizia sudării cu laser și chiar a devenit soluția preferată. Acest proces, denumit adesea „sudare prin disimilaritate”, este o parte importantă a atingerii obiectivelor ingineriei moderne.
Producția de baterii și componente electrice pentru aplicații de mobilitate electrică determină un interes mai mare pentru sudarea cu laser a materialelor diferite, cum ar fi cuprul și aluminiul.
Sudarea diferită permite o mai mare libertate de proiectare atunci când se selectează diferite materiale cu proprietăți bune, cum ar fi conductivitatea electrică și termică, ductilitatea, densitatea relativă, punctul de topire și duritatea, dar în mod tradițional necesită adezivi sau metode mecanice pentru a lipi.
Deși tehnica are elemente în comun cu sudarea convențională, oferă o oportunitate unică de a crește gradul de libertate de proiectare, varietatea combinațiilor de materiale, reducând astfel costurile de producție și asamblare și îmbunătățind performanța componentelor sau a sistemului.
Cu toate acestea, sudarea diferitelor materiale necesită o luare în considerare atentă a lungimii de undă laser, a puterii medii, a profilului fasciculului, a lățimii impulsului și a puterii de vârf. Parametrii sistemului laser trebuie, de asemenea, personalizați pentru combinații de materiale și aplicații specifice.
Zona de aplicare cea mai importantă și cu cea mai rapidă creștere este producția de baterii și componente electrice pentru vehicule electrice. Cererea de vehicule electrice (EV) a crescut dramatic în ultimii doi ani, iar sudarea materialelor diferite este esențială pentru a face vehiculele electrice mai eficiente și mai ecologice.
În timp ce sudarea prin diferențe are multe în comun cu sudarea convențională, optimizarea calității și vitezei sudurii este mai dificilă. Flexibilitatea sistemelor de sudare cu laser oferă soluții unice pentru a extinde noi aplicații și oportunități. (Contribuție de Tomo Express)
Matthew Philpott, Chief Marketing and Sales Officer al NUBURU, un inovator principal al tehnologiei laser albastru industrial de mare putere și luminozitate ridicată, a declarat: „Se estimează că vehiculele electrice vor reprezenta mai mult de 20% din piață în următoarele 5 până la 10. ani, iar electronicele de larg consum vor reprezenta între 10% și 15%”.
Fabricarea bateriilor litiu-ion (Li-ion) necesită capacitatea de a suda aluminiu cu cupru într-o sudură folie-electrod sau electrod-la-electrod. În bateriile cilindrice, urechile electrodului de cupru trebuie sudate la o cutie de oțel.
În producția de baterii, celulele sunt de obicei deja asamblate, iar inginerii trebuie să implementeze un design care să conecteze celulele pentru a furniza energie optimă. Bateriile actuale litiu-ion sunt fabricate din oțel laminat la rece placat cu nichel. Cu toate acestea, sudarea unui metal mai puțin rezistiv, cum ar fi aluminiul sau cuprul, la bornele standard din oțel inoxidabil ale unei baterii litiu-ion reduce rezistența acestuia, astfel încât se irosește mai puțină energie în pierderea de căldură.
Performanța îmbunătățită a bateriei vehiculelor electrice este un factor major în creșterea constantă a vânzărilor de vehicule electrice”, a declarat Mark L. Boyle, senior manager de inginerie de produs și aplicații la AMADA WELD TECH. Performanța mai bună rezultă în parte din evoluțiile recente în sudarea metalelor diferite, care îmbunătățește eficiența prin creșterea stocării de energie, reducerea dimensiunii și menținerea fiabilității.”
În plus, industria construcțiilor navale oferă un alt exemplu în care sudarea diferită oferă o valoare unică. Industria folosește în mod obișnuit interfețe sudate oțel-aluminiu pentru a optimiza distribuția greutății, rezultând emisii mai mici de CO2 și o stabilitate sporită. În special, sudarea unei carcase de oțel la o suprastructură din aluminiu poate reduce greutatea proprie.
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. (Fotografia de NUBURU)
„Pe lângă reducerea emisiilor de CO2 și a consumului de energie, centrul de greutate al navei poate fi coborât prin aranjarea inteligentă a materialului, îmbunătățind astfel stabilitatea transportului”. Rabi Lahdo, cercetător în Grupul de sudare și tăiere a metalelor de la Centrul Laser din Hanovra, a spus.
Deși materialele cu proprietăți similare produc de obicei suduri mai fiabile, jucători importanți precum AMADA WELD TECH primesc un număr tot mai mare de solicitări de sudare a materialelor diferite.
„Din punct de vedere comercial, alegerea unui material diferit poate reduce costurile de producție și poate îmbunătăți performanța unei componente sau dispozitiv”. Mark L. Boyle a spus: „Când se întâmplă acest lucru, alegerea metalelor diferite poate fi folosită ca un avantaj competitiv pe piață pentru a oferi un produs mai bun la un preț mai mic”.
01 Provocări și considerații-
La topirea materialelor precum oțelul sau cuprul cu aluminiul, modificările punctului de topire ale materialului și ale coeficientului de dilatare termică pot duce la formarea de porțiuni intermediare fragile care slăbesc îmbinarea de sudură.
„Metalele au temperaturi de topire și fuziune diferite, coeficienți diferiți de absorbție a luminii (în special la anumite lungimi de undă laser) și difuzivitati termice diferite. Acest lucru face dificilă topirea lor la gradul potrivit în același timp”. Philpott de la NUBURU spune: „Acest lucru este cel mai vizibil în metalele cu o mare reflectare, care pot avea coeficienți de absorbție foarte diferiți în infraroșu”.
Câmpurile de tensiune create de diferiți coeficienți de dilatare termică în timpul răcirii pot, de asemenea, să slăbească sudurile și pot duce la defectarea îmbinărilor de sudură. Aceste structuri dure, casante, numite „faze intermetalice”, se formează în zona de tranziție dintre metalul de sudură și metalul de bază. Acesta este un fenomen care poate afecta orice metodă de sudare.
Secțiunea transversală a unei suduri de diferențe din oțel și aluminiu. (contribuție LZH)
Formarea fazelor intermetalice, cum ar fi FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 în sistemul oțel-aluminiu și Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 în sistemul cupru-aluminiu, se datorează solubilității limitate a elementelor", spune Sarah Nothdurft, șeful departamentului. Joining and Cutting Metals Group la Laser Center Hannover. Astfel de faze prezintă, de asemenea, o rezistivitate semnificativ mai mare în comparație cu materialul de bază.”
Selectarea atentă a parametrilor de operare ai laserului, cum ar fi combinarea vitezelor mari de sudare, a încărcăturilor termice scăzute și a controlului precis al procesului de topire, le permite inginerilor să atenueze unele dintre aceste probleme.
„În timp ce formarea compușilor intermetalici este inevitabilă, fragilitatea lor nu este.” Alexei Markevitch, Manager de dezvoltare a pieței la IPG Photonics, a declarat: „Formularea corectă a procesului poate minimiza formarea acestor compuși și poate maximiza maleabilitatea acestora, rezultând suduri mai solide din punct de vedere structural, mai conductoare și mai stabile”.
02 Aplicații pentru sudarea diferitelor materiale-
Atenția acordată rapoartelor de amestecare adecvate și aranjamentelor de potrivire adecvate pot îmbunătăți și mai mult performanța îmbinărilor de sudură diferite. De exemplu, o cusătură în I cu o deschidere de sudură prin suprapunere s-a dovedit a fi avantajoasă. În această metodă, o placă de oțel este plasată pe o placă de aluminiu. Pentru a minimiza fazele intermetalice, sudarea se realizeaza prin placa de otel si numai pe placa de aluminiu.
Oliver Seffer, cercetător în Grupul de sudare și tăiere a metalelor de la Centrul Laser din Hanovra, spune: „Datorită conținutului scăzut de aluminiu, proporția unor astfel de faze fragile în microstructura finală este relativ scăzută”.
03 Considerații privind parametrii laserului-
Alegerea tehnologiei laser depinde de materialul de sudat. Porturile de sudură diferite pentru sticlă și metale pot necesita un sistem laser CO2. Sudarea sticlei aluminosilicate și a diferitelor metale poate beneficia de un sistem laser de femtosecundă, în timp ce sudarea aliajelor de aluminiu și a sticlei tehnice poate avea adesea succes cu o sursă laser de picosecundă.
Scopul este de a minimiza aportul de căldură, de a elimina stropii, de a îmbunătăți stabilitatea procesului și de a oferi o fereastră largă de parametri ai procesului în timp ce se sudează la cea mai mare viteză posibilă.
„În timp ce aliajele de oțel absorb bine în regiunea infraroșu apropiat, chiar și metalele cu reflectivitate ridicată, cum ar fi aluminiul și cuprul, sunt în mare parte prelucrate cu lasere de 1 µm”. Markevitch de la IPG spune: "Acest lucru se datorează faptului că absorbția depinde de temperatura și faza metalului. La temperatura camerei, cuprul și aluminiul absorb aproximativ 5% la 1 µm și 40% până la 50% la 515 nm, cu o absorbție mai mare la lungimi de undă albastre."
„Toate absorbțiile cresc pentru metalele încălzite, iar IR-ul sare la punctul de topire”, spune el, „și metalele topite absorb toate lungimile de undă foarte bine. Astfel, o densitate de putere IR suficient de mare depășește reflectivitatea ridicată”.
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 spune că scăderea intensității de ieșire necesară atenuează turbulențele din bazinul de topire, ceea ce îmbunătățește stabilitatea procesului. „Creșterea stabilității procesului este însoțită de o îmbunătățire a calității deschiderii sudurii hibride, iar formarea stropilor este suprimată”.
În sudarea prin gaura cheii a materialelor mai groase, începând cu găurile de micro-legare de sute de micrometri, laserele cu infraroșu sunt de obicei mai eficiente decât laserele verzi sau albastre, rezultând un aport de căldură mai mic, precum și o calitate mai bună a sudurii și viteze mai mari.
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.
„Luminozitatea fasciculului cu un singur mod de până la 2 kW depășește natura reflexivă a metalului strălucitor pentru a crea suduri stabile cu găuri mici, cu o adâncime de fuziune care poate fi mult mai adâncă decât lățimea sudurii”, a spus Ken Dzurko, global. manager senior de cont cheie la ThruFast Laser Technology Center din Santa Clara, California.
„Oscilația rapidă a fasciculului inhibă formarea compușilor intermetalici, limitând astfel durata fazei de topire la deschiderea sudurii”. El a spus: „În plus, luminozitatea fasciculului mare crește eficiența sudării și reduce foarte mult zona afectată de căldură, producând astfel un volum mai mare de sudare la o putere medie de intrare mai mică.”
Un alt factor care afectează utilizarea energiei laser este împrăștierea luminii de către pluma de vapori de metal, care este proporțională cu puterea a patra a lungimii de undă. Laserele de 1070 nm împrăștie de 18 ori mai puțin decât laserele de 515 nm și de 30 de ori mai puțin decât laserele de 455 nm. Ratele ridicate de împrăștiere ale laserelor albastre și verzi în vaporii metalici compensează cu ușurință ratele lor de absorbție ușor mai mari în materialele topite.
Astăzi, majoritatea producătorilor aleg lasere cu undă continuă de 1 µm, care conduc la viteza de procesare, calitate și reducerea costurilor. Dar toate lungimile de undă oferă avantaje, în funcție de situația specifică. De exemplu, Philpott de la NUBURU consideră că o schimbare a lungimii de undă la lumină albastră sau verde merită explorată în aplicațiile care beneficiază de o absorbție crescută.
„Livrarea fasciculului pentru laserele cu lumină albastră sau verde (de exemplu, scanere, capete de procesare, controlul fasciculului și alte componente auxiliare) este similară cu cea utilizată pentru laserele NIR”. Philpott spune: „Ca urmare, conversia de la lumina infraroșu la lumină albastră sau verde este foarte ușoară, iar metoda de gestionare a penei este similară, deci nu există probleme din cauza absorbției sau împrăștierii”.
Sistemele laser de astăzi sunt limitate la 3kW la 515nm și 4kW la 455nm și, din cauza calității limitate a fasciculului laserelor albastre, focalizarea fasciculului și eficiența procesării sunt, de asemenea, limitate.
„La sudarea cuprului utilizând lungimi de undă ale fasciculului laser în domeniul vizibil, în special în spectrul luminii albastre, există în prezent o lipsă de putere suficientă a fasciculului laser și a calității necesare a fasciculului”, spune Rabi Lahdo, „Atingerea unei calități ridicate a fasciculului este cea mai mare provocare atunci când folosind diode laser pentru a genera radiații laser. În plus, laserele vizibile sunt mai predispuse la deteriorarea opticii decât sursele în infraroșu, ceea ce scurtează durata de viață și crește costurile.”
În ciuda provocărilor, Philpott anticipează îmbunătățiri suplimentare ale performanței și valorii lipirii, deoarece diodele cu lumină albastră continuă să se îmbunătățească în disponibilitate și performanță.
„Nu există niciun risc de fiabilitate sau de cost asociat cu operarea laserelor în limitele toleranțelor de proiectare ale opticii”, a spus el. „Aceasta fiind spuse, clienții pot experimenta o durată scurtă de viață a opticii cu un anumit produs al unui furnizor de laser; cu toate acestea, dacă un producător nu lansează un produs fără dispozitivele optice validate corespunzător, atunci acest lucru se poate întâmpla cu orice lungime de undă”.
04
-Specializarea sistemelor laser-
Laserele cu fibre cu undă continuă pot suda aluminiul și cuprul cu un control adecvat al profilului fasciculului. Dezvoltarea profilelor fasciculului cu inel de miez și a sistemelor de scanare mai puternice a îmbunătățit semnificativ calitatea și potențialul porturilor de sudură hibride în ultimul deceniu.
În timpul sudării cu găuri mici a cuprului și aluminiului, găurile devin instabile la viteze mari de sudare. O modalitate de a elimina această instabilitate este de a încetini viteza de sudare, dar acest lucru nu este de obicei de dorit. În schimb, o altă metodă este utilizarea unui galvanometru pentru a adăuga oscilație fasciculului laser pentru a agita bazinul topit. Acest lucru îmbunătățește convecția în fluxul de topire pentru a preveni prăbușirea găurilor mici. De obicei, produce o sudură de calitate excelentă, dar încetinește și mai mult procesul de sudare.
O a treia modalitate de a elimina stropii în timpul sudării de mare viteză este utilizarea unui laser cu fascicul în mod reglabil (AMB), care emite un fascicul central înconjurat de un fascicul inel. Puterea și intensitatea fasciculului miez determină adâncimea de penetrare a găurilor mici, în timp ce energia fasciculului inel stabilizează găurile mici pentru a minimiza sau elimina complet stropii, fisurile și porozitatea nedorite.
Cele mai mici miezuri sunt fascicule monomodale cu un diametru de 14 µm. Miezurile multimodale au de obicei un diametru de 50 sau 100 µm, iar fasciculele inelare au, de obicei, un diametru de până la 300 µm.
„Utilizarea laserelor cu fibre cu inel de miez este o zonă activă de dezvoltare în sudarea cu laser cu diferențe în infraroșu și este căutată de toți jucătorii importanți”, spune Markevitch, manager de dezvoltare a pieței la IPG Photonics. „Laserul AMB cu un miez monomod a fost ales pentru versatilitatea sa, vitezele mari de sudare și capacitatea inerentă de a minimiza formarea de compuși intermetalici fragili”.
Un laser AMB cu miez monomod de 3 kW cu 3 kW de putere suplimentară într-un laser inel este capabil să sudeze bare colectoare de cupru fără stropi la 60 m/min cu o penetrare mai mare de 0,65 mm.
Laserele verzi sau albastre comerciale actuale nu pot atinge aceeași viteză și calitate de procesare, spune Markevitch. Dar, după cum subliniază el, consistența sudurii poate fi încă afectată de variațiile decalajului dintre materiale sau de contaminarea materialului. Odată cu tendința de scădere a grosimii barelor colectoare, prinderea și fixarea devin o provocare. Adâncimea insuficientă de topire a sudurii poate duce la o rezistență mai mare și o rezistență mecanică mai scăzută, în timp ce adâncimea excesivă de topire sau perforarea poate face ca celulele bateriei EV să fie un pericol de incendiu.
"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 de grade.”
Aluminiul se topește la 660 de grade, cuprul la 1.085 de grade și aliajele de oțel la 1.500 de grade. Două metale cu temperaturi de topire foarte diferite trebuie să fie topite fără a deteriora sărurile de litiu care conțin organogel inflamabil sau componente ale bateriei (cum ar fi garnituri, garnituri și distanțiere) de mai jos.
Controlul procesului în linie bazat pe emisia spectrală a procesului sau OCT poate oferi măsurători nedistructive în timp real a adâncimii de sudură. Acest lucru permite luarea de măsuri corective pentru a obține o adâncime constantă de topire.
