Lasersko zavarivanje ima svoje mjesto u električnim vozilima, zrakoplovstvu, brodskom i željezničkom prijevozu, građevinarstvu, energetskom sektoru, poluvodičima, potrošačkoj elektronici, proizvodnji medicinskih uređaja itd. Čak se i stapanje različitih materijala, koje je teško s konvencionalnim tehnikama zavarivanja, može lako riješiti uz fleksibilnost i preciznost laserskog zavarivanja, i čak je postalo preferirano rješenje. Ovaj proces, koji se često naziva "različitost zavarivanja", važan je dio postizanja suvremenih inženjerskih ciljeva.
Proizvodnja baterija i električnih komponenti za aplikacije e-mobilnosti potiče sve veći interes za lasersko zavarivanje različitih materijala kao što su bakar i aluminij.
Različito zavarivanje omogućuje veću slobodu dizajna pri odabiru različitih materijala s dobrim svojstvima kao što su električna i toplinska vodljivost, duktilnost, relativna gustoća, talište i tvrdoća, ali tradicionalno zahtijeva ljepila ili mehaničke metode za spajanje.
Iako tehnika ima zajedničke elemente s konvencionalnim zavarivanjem, ona nudi jedinstvenu priliku za povećanje stupnja slobode dizajna, raznolikosti kombinacija materijala, čime se smanjuju troškovi proizvodnje i montaže i poboljšava performanse komponenti ili sustava.
Međutim, zavarivanje različitih materijala zahtijeva pažljivo razmatranje valne duljine lasera, prosječne snage, profila snopa, širine impulsa i vršne snage. Parametri laserskog sustava također se moraju prilagoditi za specifične kombinacije materijala i primjene.
Najvažnije i najbrže rastuće područje primjene je proizvodnja baterija i električnih komponenti za električna vozila. Potražnja za električnim vozilima (EV) dramatično je porasla u posljednje dvije godine, a zavarivanje različitih materijala u središtu je stvaranja učinkovitijih i ekološki prihvatljivijih električnih vozila.
Iako različito zavarivanje ima mnogo toga zajedničkog s konvencionalnim zavarivanjem, optimizacija kvalitete i brzine zavarivanja je izazovnija. Fleksibilnost sustava laserskog zavarivanja nudi jedinstvena rješenja za proširenje novih aplikacija i mogućnosti. (Doprinio Tomo Express)
Matthew Philpott, direktor marketinga i prodaje tvrtke NUBURU, vodećeg inovatora industrijske plave laserske tehnologije velike snage i svjetline, rekao je: "Predviđa se da će električna vozila činiti više od 20% tržišta u sljedećih 5 do 10 godina. godina, a potrošačka elektronika će činiti između 10% i 15%."
Proizvodnja litij-ionskih (Li-ion) baterija zahtijeva sposobnost zavarivanja aluminija i bakra u zavarivanju folije na elektrodu ili elektrode na elektrodu. U cilindričnim baterijama, bakrene elektrode moraju biti zavarene na čeličnu limenku.
U proizvodnji paketa baterija, ćelije su obično već sastavljene i inženjeri moraju implementirati dizajn koji povezuje ćelije kako bi se osigurala optimalna energija. Sadašnje litij-ionske baterije izrađene su od poniklanog hladno valjanog čelika. Međutim, zavarivanje metala manjeg otpora, kao što je aluminij ili bakar, na standardne priključke od nehrđajućeg čelika litij-ionske baterije smanjuje njen otpor, tako da se gubi manje energije na gubitak topline.
Poboljšana izvedba baterije električnih vozila glavni je čimbenik u stalnom rastu prodaje električnih vozila," rekao je Mark L. Boyle, viši menadžer proizvodnog inženjeringa i aplikacija u tvrtki AMADA WELD TECH. Bolja izvedba dijelom proizlazi iz nedavnih razvoja u zavarivanju različitih metala, što poboljšava učinkovitost povećanjem pohrane energije, smanjenjem veličine i održavanjem pouzdanosti."
Osim toga, brodograđevna industrija pruža još jedan primjer gdje različito zavarivanje daje jedinstvenu vrijednost. Industrija rutinski koristi sučelja zavarena čelik-aluminij za optimizaciju raspodjele težine, što rezultira nižim emisijama CO2 i povećanom stabilnošću. Konkretno, zavarivanje čeličnog trupa na aluminijsko nadgrađe može smanjiti nosivost.
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. (Foto: NUBURU)
"Osim smanjenja emisije CO2 i potrošnje energije, središte gravitacije plovila može se spustiti inteligentnim rasporedom materijala, čime se poboljšava stabilnost transporta." Rabi Lahdo, istraživač u Grupi za zavarivanje i rezanje metala u Laserskom centru u Hannoveru, rekao je.
Iako materijali sa sličnim svojstvima obično daju pouzdanije zavare, glavni igrači kao što je AMADA WELD TECH primaju sve veći broj zahtjeva za zavarivanje različitih materijala.
"Komercijalno gledano, odabir drugog materijala može smanjiti troškove proizvodnje i poboljšati performanse komponente ili uređaja." Mark L. Boyle je rekao: "Kada se to dogodi, izbor različitih metala može se koristiti kao konkurentska prednost na tržištu kako bi se osigurao bolji proizvod po nižoj cijeni."
01 Izazovi i razmatranja-
Kod stapanja materijala kao što su čelik ili bakar s aluminijem, promjene u talištu materijala i koeficijentu toplinskog širenja mogu dovesti do stvaranja krhkih međudijelova koji slabe zavareni spoj.
"Metali imaju različite temperature taljenja i taljenja, različite koeficijente apsorpcije svjetlosti (posebno na određenim valnim duljinama lasera) i različitu toplinsku difuznost. To otežava njihovo istovremeno taljenje do odgovarajućeg stupnja." Philpott iz NUBURU-a kaže: "Ovo je najuočljivije u metalima s visokom refleksijom, koji mogu imati vrlo različite koeficijente apsorpcije u infracrvenom zračenju."
Polja naprezanja stvorena različitim koeficijentima toplinskog širenja tijekom hlađenja također mogu oslabiti zavare i dovesti do kvara zavara. Ove tvrde, krhke strukture, nazvane "intermetalne faze", nastaju u prijelaznoj zoni između metala šava i osnovnog metala. Ovo je pojava koja može mučiti svaku metodu zavarivanja.
Poprečni presjek različitog zavara čelika i aluminija. (prilog LZH)
Formiranje intermetalnih faza, kao što su FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 u sustavu čelik-aluminij i Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 u sustavu bakar-aluminij, posljedica je ograničene topljivosti elemenata", kaže Sarah Nothdurft, voditeljica Grupa za spajanje i rezanje metala u Laser Center Hannover. Takve faze također pokazuju značajno veću otpornost u usporedbi s osnovnim materijalom."
Pažljiv odabir radnih parametara lasera, kao što je kombinacija velikih brzina zavarivanja, niskih toplinskih opterećenja i precizne kontrole procesa taljenja, omogućuje inženjerima da ublaže neke od ovih problema.
"Dok je stvaranje intermetalnih spojeva neizbježno, njihova krtost nije." Alexei Markevitch, menadžer za razvoj tržišta u tvrtki IPG Photonics, rekao je: "Prava formulacija procesa može minimizirati stvaranje ovih spojeva i maksimizirati njihovu savitljivost, što rezultira strukturno zdravim, vodljivijim i stabilnijim zavarima."
02 Primjene za zavarivanje različitih materijala-
Obraćanje pozornosti na odgovarajuće omjere miješanja i pravilno podudaranje može dodatno poboljšati izvedbu različitih zavarenih spojeva. Na primjer, I-šav s preklopnim zavarenim otvorom pokazao se kao prednost. Kod ove metode čelična ploča se postavlja na aluminijsku ploču. Kako bi se intermetalne faze svele na minimum, zavarivanje se izvodi kroz čeličnu ploču i samo na aluminijsku ploču.
Oliver Seffer, istraživač u Grupi za zavarivanje i rezanje metala u Laserskom centru u Hannoveru, kaže: "Zbog niskog sadržaja aluminija, udio takvih krhkih faza u konačnoj mikrostrukturi je relativno nizak."
03 Razmatranja laserskih parametara-
Izbor laserske tehnologije ovisi o materijalu koji se zavaruje. Različiti zavareni otvori za staklo i metale mogu zahtijevati CO2 laserski sustav. Zavarivanje aluminosilikatnog stakla i raznih metala može imati koristi od femtosekundnog laserskog sustava, dok zavarivanje aluminijskih legura i tehničkog stakla često može biti uspješno s izvorom pikosekundnog lasera.
Cilj je minimizirati unos topline, eliminirati prskanje, poboljšati stabilnost procesa i pružiti širok prozor parametara procesa tijekom zavarivanja pri najvećoj mogućoj brzini.
"Dok legure čelika dobro apsorbiraju u bliskom infracrvenom području, čak i metali s visokom refleksijom, poput aluminija i bakra, uglavnom se obrađuju laserima od 1 µm." Markevitch iz IPG-a kaže: "To je zato što apsorpcija ovisi o temperaturi i fazi metala. Na sobnoj temperaturi, bakar i aluminij apsorbiraju oko 5% na 1 µm i 40% do 50% na 515 nm, s većom apsorpcijom na plavim valnim duljinama."
"Sva apsorpcija se povećava za zagrijane metale, a IR skače na točki taljenja," kaže on, "i rastaljeni metali vrlo dobro apsorbiraju sve valne duljine. Dakle, dovoljno visoka gustoća IR snage nadmašuje visoku refleksiju."
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 kaže da smanjenje potrebnog izlaznog intenziteta smanjuje turbulenciju u bazenu rastaljevine, što poboljšava stabilnost procesa. "Povećanje stabilnosti procesa popraćeno je poboljšanjem kvalitete otvaranja hibridnog zavara, a stvaranje prskanja je potisnuto."
U zavarivanju debljih materijala kroz ključanicu, počevši s rupama za mikrospoje od stotina mikrometara, infracrveni laseri obično su učinkovitiji od zelenih ili plavih lasera, što rezultira manjim unosom topline, kao i boljom kvalitetom zavara i većim brzinama.
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.
"Svjetlina jednomodnog snopa do 2 kW nadilazi reflektirajuću prirodu svijetlog metala kako bi stvorila stabilne zavare s malim rupama s dubinom fuzije koja može biti mnogo dublja od širine zavara", rekao je Ken Dzurko, globalni viši upravitelj ključnih kupaca u ThruFast Laser Technology Centeru u Santa Clari, Kalifornija.
"Brzo osciliranje snopa inhibira stvaranje intermetalnih spojeva, čime se ograničava trajanje faze taljenja na otvoru zavara." Rekao je: "Osim toga, svjetlina dugog svjetla povećava učinkovitost zavarivanja i uvelike smanjuje zonu utjecaja topline, čime se proizvodi veći volumen zavara uz manju prosječnu ulaznu snagu."
Još jedan čimbenik koji utječe na korištenje laserske energije je raspršenje svjetlosti na struju metalne pare, koje je proporcionalno četvrtoj potenciji valne duljine. Laseri od 1070 nm raspršuju 18 puta manje od lasera od 515 nm i 30 puta manje od lasera od 455 nm. Visoke stope raspršenja plavih i zelenih lasera u oblaku metalne pare lako nadoknađuju njihove malo veće stope apsorpcije u rastaljenim materijalima.
Danas većina proizvođača bira lasere s kontinuiranim valom od 1 µm, koji vode u brzini obrade, kvaliteti i smanjenju troškova. Ali sve valne duljine nude prednosti, ovisno o specifičnoj situaciji. Na primjer, Philpott iz NUBURU-a vjeruje da je pomak valne duljine prema plavom ili zelenom svjetlu vrijedan istraživanja u aplikacijama koje imaju koristi od povećane apsorpcije.
"Isporuka snopa za lasere plave ili zelene svjetlosti (npr. skeneri, glave za obradu, kontrola snopa i druge pomoćne komponente) slična je onoj koja se koristi za NIR lasere." Philpott kaže: "Kao rezultat toga, pretvorba iz infracrvenog u plavo ili zeleno svjetlo vrlo je jednostavna, a metoda upravljanja oblakom je slična, tako da nema problema zbog apsorpcije ili raspršenja."
Današnji laserski sustavi ograničeni su na 3kW na 515nm i 4kW na 455nm, a zbog ograničene kvalitete snopa plavih lasera, mogućnost fokusiranja snopa i učinkovitost obrade također su ograničeni.
"Prilikom zavarivanja bakra korištenjem valnih duljina laserske zrake u vidljivom rasponu, posebno u spektru plave svjetlosti, trenutno postoji nedostatak dovoljne snage laserske zrake i potrebne kvalitete zrake", kaže Rabi Lahdo, "Postizanje visoke kvalitete zrake najveći je izazov kada korištenje laserskih dioda za generiranje laserskog zračenja. Osim toga, vidljivi laseri skloniji su oštećenju optike od infracrvenih izvora, što skraćuje životni vijek i povećava troškove."
Unatoč izazovima, Philpott predviđa daljnja poboljšanja u izvedbi lemljenja i vrijednosti budući da plave svjetlosne diode nastavljaju poboljšavati dostupnost i performanse.
"Ne postoji pouzdanost ili troškovni rizik povezan s radom lasera unutar dozvoljenih odstupanja optike", rekao je. "Bez obzira na to, korisnici mogu iskusiti kratak životni vijek optike s proizvodom određenog dobavljača lasera; međutim, ako proizvođač ne izda proizvod bez odgovarajuće validacije optičkih uređaja, to se može dogoditi s bilo kojom valnom duljinom."
04
-Specijalizacija laserskih sustava-
Laseri s vlaknima s kontinuiranim valovima mogu zavarivati aluminij i bakar uz odgovarajuću kontrolu profila snopa. Razvoj profila jezgre i prstenastih greda i snažnijih sustava za skeniranje značajno je poboljšao kvalitetu i potencijal hibridnih zavarenih otvora tijekom prošlog desetljeća.
Tijekom zavarivanja malih rupa bakra i aluminija, rupe postaju nestabilne pri velikim brzinama zavarivanja. Jedan od načina za uklanjanje ove nestabilnosti je usporavanje brzine zavarivanja, ali to obično nije poželjno. Umjesto toga, druga metoda je korištenje galvanometra za dodavanje oscilacija laserskoj zraki kako bi se uzburkala rastaljena lonca. To poboljšava konvekciju u mlazu taline kako bi se spriječilo urušavanje malih rupa. Obično daje zavar izvrsne kvalitete, ali dodatno usporava proces zavarivanja.
Treći način za uklanjanje prskanja tijekom zavarivanja velikom brzinom je korištenje lasera s podesivim načinom snopa (AMB), koji emitira jezgreni snop okružen prstenastim snopom. Snaga i intenzitet središnje zrake određuju dubinu prodiranja malih rupa, dok energija prstenaste zrake stabilizira male rupe kako bi se smanjilo ili potpuno eliminiralo nepoželjno prskanje, pukotine i poroznost.
Najmanje jezgre su jednomodne zrake promjera 14 µm. Višemodne jezgre obično imaju promjer od 50 ili 100 µm, a prstenaste zrake obično imaju promjer do 300 µm.
"Korištenje vlaknastih lasera s jezgrom i prstenom aktivno je razvojno područje u infracrvenom laserskom zavarivanju različitosti i traže ga svi glavni igrači", kaže Markevitch, menadžer za razvoj tržišta u IPG Photonics. "AMB laser s jednomodnom jezgrom odabran je zbog svoje svestranosti, velikih brzina zavarivanja i svojstvene sposobnosti da minimizira stvaranje krhkih intermetalnih spojeva."
Jednomodni jezgreni AMB laser od 3 kW s dodatnom snagom od 3 kW u prstenastom laseru može zavarivati bakrenu sabirnicu bez prskanja pri 60 m/min s penetracijom većom od 0,65 mm.
Sadašnji komercijalni zeleni ili plavi laseri ne mogu postići istu brzinu i kvalitetu obrade, kaže Markevitch. No, kako ističe, na konzistenciju zavara još uvijek mogu utjecati varijacije u razmaku između materijala ili kontaminacija materijala. S tendencijom smanjenja debljine sabirnica, stezanje i pričvršćivanje postaje izazov. Nedovoljna dubina taljenja zavara može rezultirati većom otpornošću i nižom mehaničkom čvrstoćom, dok prekomjerna dubina taljenja ili probijanje mogu dovesti do opasnosti od požara od baterijskih ćelija električnih vozila.
"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 stupnjeva."
Aluminij se tali na 660 stupnjeva, bakar na 1085 stupnjeva, a legure čelika na 1500 stupnjeva. Dva metala s vrlo različitim temperaturama taljenja moraju se rastaliti bez oštećenja litijevih soli koje sadrže zapaljivi organogel ili komponente baterije (kao što su brtve, brtve i odstojnici) ispod.
In-line procesna kontrola temeljena na spektralnoj procesnoj emisiji ili OCT-u može pružiti nerazorna mjerenja dubine zavara u stvarnom vremenu. To omogućuje poduzimanje korektivnih radnji kako bi se postigla konstantna dubina taljenja.
