Lasersveising har en plass innen elektriske kjøretøy, romfart, skips- og jernbanetransport, konstruksjon, energisektoren, halvledere, forbrukerelektronikk, produksjon av medisinsk utstyr og mer. Selv sammensmelting av forskjellige materialer, som er vanskelig med konvensjonelle sveiseteknikker, kan enkelt løses med fleksibiliteten og presisjonen til lasersveising, og har til og med blitt den foretrukne løsningen. Denne prosessen, ofte referert til som "ulikhetssveising", er en viktig del av å nå moderne ingeniørmål.
Produksjonen av batterier og elektriske komponenter for e-mobilitetsapplikasjoner skaper større interesse for lasersveising av forskjellige materialer som kobber og aluminium.
Ulik sveising gir større designfrihet ved valg av forskjellige materialer med gode egenskaper som elektrisk og termisk ledningsevne, duktilitet, relativ tetthet, smeltepunkt og hardhet, men krever tradisjonelt lim eller mekaniske metoder for å binde sammen.
Selv om teknikken har elementer til felles med konvensjonell sveising, gir den en unik mulighet til å øke graden av designfrihet, variasjonen av materialkombinasjoner, og dermed redusere produksjons- og monteringskostnadene og forbedre komponent- eller systemytelsen.
Sveising av forskjellige materialer krever imidlertid nøye vurdering av laserbølgelengde, gjennomsnittlig effekt, stråleprofil, pulsbredde og toppeffekt. Lasersystemparametere må også tilpasses for spesifikke materialkombinasjoner og bruksområder.
Det viktigste og raskest voksende bruksområdet er produksjon av batterier og elektriske komponenter til elektriske kjøretøy. Etterspørselen etter elektriske kjøretøy (EV-er) har økt dramatisk de siste to årene, og sveising av forskjellige materialer er kjernen i å gjøre elbiler mer effektive og miljøvennlige.
Mens ulikhetssveising har mye til felles med konvensjonell sveising, er det mer utfordrende å optimalisere kvaliteten og hastigheten på sveisen. Fleksibiliteten til lasersveisesystemer tilbyr unike løsninger for å utvide nye bruksområder og muligheter. (Bidraget av Tomo Express)
Matthew Philpott, Chief Marketing and Sales Officer i NUBURU, en ledende innovatør innen industriell blålaserteknologi med høy effekt og høy lysstyrke, sa: "Elektriske kjøretøy er anslått å stå for mer enn 20 % av markedet i løpet av de neste 5 til 10 år, og forbrukerelektronikk vil utgjøre mellom 10 % og 15 %."
Produksjonen av litium-ion (Li-ion) batterier krever evnen til å sveise aluminium til kobber i en folie-til-elektrode eller elektrode-til-elektrode sveis. I sylindriske batterier må kobberelektrodenene sveises til en stålboks.
Ved produksjon av batteripakker er cellene vanligvis allerede satt sammen og ingeniører må implementere et design som kobler sammen cellene for å gi optimal energi. Nåværende litium-ion-batterier er laget av nikkelbelagt kaldvalset stål. Sveising av et mindre motstandsdyktig metall, for eksempel aluminium eller kobber, til standard polene i rustfritt stål på et litiumionbatteri reduserer motstanden, slik at mindre energi går til spille i varmetap.
Forbedret batteriytelse for elektriske kjøretøy er en viktig faktor i den jevne veksten i salget av elektriske kjøretøy," sa Mark L. Boyle, seniorleder for produktutvikling og applikasjoner hos AMADA WELD TECH. Bedre ytelse stammer delvis fra nylige utviklinger innen ulik metallsveising, som forbedrer effektiviteten ved å øke energilagringen, redusere størrelsen og opprettholde påliteligheten."
I tillegg gir skipsbyggingsindustrien et annet eksempel der ulik sveising gir unik verdi. Industrien bruker rutinemessig stål-aluminium-sveisede grensesnitt for å optimalisere vektfordelingen, noe som resulterer i lavere CO2-utslipp og økt stabilitet. Spesielt kan sveising av stålskrog til en aluminiumsoverbygning redusere dødvekten.
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 av NUBURU)
"I tillegg til å redusere CO2-utslipp og energiforbruk, kan fartøyets tyngdepunkt senkes gjennom intelligent arrangement av materialet, og dermed forbedre transportstabiliteten." Rabi Lahdo, forsker i Metal Welding and Cutting Group ved Hannover Laser Center, sa.
Selv om materialer med lignende egenskaper vanligvis produserer mer pålitelige sveiser, mottar store aktører som AMADA WELD TECH et økende antall forespørsler om å sveise forskjellige materialer.
"Kommersielt kan valg av et annet materiale redusere produksjonskostnadene og forbedre ytelsen til en komponent eller enhet." Mark L. Boyle sa: "Når dette skjer, kan valget av forskjellige metaller brukes som et konkurransefortrinn på markedet for å gi et bedre produkt til en lavere pris."
01 Utfordringer og vurderinger-
Ved sammensmelting av materialer som stål eller kobber med aluminium kan endringer i materialets smeltepunkt og termiske ekspansjonskoeffisient føre til dannelse av sprø mellompartier som svekker sveiseskjøten.
"Metaller har forskjellige smelte- og fusjonstemperaturer, forskjellige lysabsorpsjonskoeffisienter (spesielt ved visse laserbølgelengder), og forskjellige termiske diffusiviteter. Dette gjør det vanskelig å smelte dem til riktig grad samtidig." NUBURUs Philpott sier: "Dette er mest merkbart i svært reflekterende metaller, som kan ha svært forskjellige absorpsjonskoeffisienter i det infrarøde."
Spenningsfelt skapt av forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter under kjøling kan også svekke sveiser og kan føre til sveisebrudd. Disse harde, sprø strukturene, kalt "intermetalliske faser", dannes i overgangssonen mellom sveisemetallet og basismetallet. Dette er et fenomen som kan plage enhver sveisemetode.
Tverrsnitt av en ulikhetssveis i stål og aluminium. (LZH-bidrag)
Dannelsen av intermetalliske faser, som FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 i stål-aluminium-systemet og Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 i kobber-aluminium-systemet, skyldes den begrensede løseligheten til elementene," sier Sarah Nothdurft, leder for Joining and Cutting Metals Group ved Laser Center Hannover. Slike faser viser også betydelig høyere resistivitet sammenlignet med basismaterialet."
Nøye valg av laserens driftsparametere, som å kombinere høye sveisehastigheter, lave varmebelastninger og presis kontroll av smelteprosessen, gjør at ingeniører kan redusere noen av disse problemene.
"Mens dannelsen av intermetalliske forbindelser er uunngåelig, er ikke deres sprøhet." Alexei Markevitch, markedsutviklingssjef i IPG Photonics, sa: "Riktig prosessformulering kan minimere dannelsen av disse forbindelsene og maksimere deres formbarhet, noe som resulterer i strukturelt solide, mer ledende og mer stabile sveiser."
02 Bruksområder for sveising av forskjellige materialer-
Oppmerksomhet på riktige blandingsforhold og riktige matchende arrangementer kan ytterligere forbedre ytelsen til ulik sveiseskjøt. For eksempel har en I-søm med rundsveiseåpning vist seg å være fordelaktig. I denne metoden legges en stålplate på en aluminiumsplate. For å minimere intermetalliske faser utføres sveisingen gjennom stålplaten og kun til aluminiumsplaten.
Oliver Seffer, en forsker i Metal Welding and Cutting Group ved Hannover Laser Center, sier: "På grunn av det lave aluminiuminnholdet er andelen av slike sprø faser i den endelige mikrostrukturen relativt lav."
03 Laserparameterhensyn-
Valget av laserteknologi avhenger av materialet som skal sveises. Ulike sveiseporter for glass og metaller kan kreve et CO2-lasersystem. Sveising av aluminiumsilikatglass og ulike metaller kan ha nytte av et femtosekundlasersystem, mens sveising av aluminiumslegeringer og teknisk glass ofte kan være vellykket med en pikosekundlaserkilde.
Målet er å minimere varmetilførselen, eliminere sprut, forbedre prosessstabiliteten og gi et bredt vindu av prosessparametere mens sveising med høyest mulig hastighet.
"Mens stållegeringer absorberer godt i det nær-infrarøde området, blir selv metaller med høy reflektivitet, som aluminium og kobber, for det meste behandlet med 1 µm lasere." IPGs Markevitch sier: "Dette er fordi absorpsjonen avhenger av metalltemperaturen og fasen. Ved romtemperatur absorberer kobber og aluminium omtrent 5 % ved 1 µm og 40 % til 50 % ved 515 nm, med høyere absorpsjon ved blå bølgelengder."
"Alle absorpsjonsevner øker for oppvarmede metaller, og IR hopper ved smeltepunktet," sier han, "og smeltede metaller absorberer alle bølgelengder veldig godt. Dermed overvinner en høy nok IR-effekttetthet den høye reflektiviteten."
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 sier at å senke den nødvendige utgangsintensiteten demper turbulensen i det smeltede bassenget, noe som forbedrer prosessstabiliteten. "Økningen i prosessstabilitet er ledsaget av en forbedring i kvaliteten på hybridsveiseåpningen, og sprutdannelse undertrykkes."
Ved nøkkelhullsveising av tykkere materialer, starter med mikrobindingshull på hundrevis av mikrometer, er infrarøde lasere vanligvis mer effektive enn grønne eller blå lasere, noe som resulterer i mindre varmetilførsel, samt bedre sveisekvalitet og høyere hastigheter.
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.
"Enkelmodusstrålelysstyrken på opptil 2 kW overvinner den reflekterende naturen til det lyse metallet for å skape stabile småhullssveiser med en fusjonsdybde som kan være mye dypere enn sveisens bredde," sa Ken Dzurko, global senior key account manager ved ThruFast Laser Technology Center i Santa Clara, California.
"Den raske oscillasjonen av strålen hemmer dannelsen av intermetalliske forbindelser, og begrenser dermed varigheten av smeltefasen ved sveiseåpningen." Han sa, "I tillegg øker den store lysstyrken sveiseeffektiviteten og reduserer den varmepåvirkede sonen betraktelig, og produserer dermed et høyere sveisevolum ved en lavere gjennomsnittlig effekttilførsel."
En annen faktor som påvirker bruken av laserenergi er lysspredning av metalldampplommen, som er proporsjonal med bølgelengdens fjerde potens. 1070nm lasere sprer 18 ganger mindre enn 515nm lasere og 30 ganger mindre enn 455nm lasere. De høye spredningshastighetene til blå og grønne lasere i metalldampplumer oppveier lett deres litt høyere absorpsjonshastigheter i smeltede materialer.
I dag velger de fleste produsenter kontinuerlig bølge 1 µm lasere, som leder an når det gjelder prosesseringshastighet, kvalitet og kostnadsreduksjon. Men alle bølgelengder gir fordeler, avhengig av den spesifikke situasjonen. For eksempel mener NUBURUs Philpott at et bølgelengdeskift til blått eller grønt lys er verdt å utforske i applikasjoner som drar nytte av økt absorpsjon.
"Stråleleveransen for lasere med blått eller grønt lys (f.eks. skannere, prosesseringshoder, strålekontroll og andre hjelpekomponenter) er lik den som brukes for NIR-lasere." Philpott sier: "Som et resultat er konvertering fra infrarødt til blått eller grønt lys veldig enkelt, og metoden for å håndtere skyen er lik, så det er ingen problemer på grunn av absorpsjon eller spredning."
Dagens lasersystemer er begrenset til 3kW ved 515nm og 4kW ved 455nm, og på grunn av den begrensede strålekvaliteten til blå lasere, er strålefokuserbarhet og prosesseringseffektivitet også begrenset.
"Ved sveising av kobber ved bruk av laserstrålebølgelengder i det synlige området, spesielt i det blå lysspekteret, er det for tiden mangel på tilstrekkelig laserstråleeffekt og nødvendig strålekvalitet," sier Rabi Lahdo, "å oppnå høy strålekvalitet er den største utfordringen når bruke laserdioder for å generere laserstråling. I tillegg er synlige lasere mer utsatt for å skade optikk enn infrarøde kilder, noe som forkorter levetiden og øker kostnadene."
Til tross for utfordringene, forventer Philpott ytterligere forbedringer i loddeytelse og verdi ettersom blålysdioder fortsetter å forbedre tilgjengeligheten og ytelsen.
"Det er ingen pålitelighet eller kostnadsrisiko forbundet med å bruke lasere innenfor designtoleransene til optikken," sa han. "Når det er sagt, kan kunder oppleve kort optikklevetid med en bestemt laserleverandørs produkt, men hvis en produsent ikke utgir et produkt uten at optikkenhetene er riktig validert, kan dette skje med hvilken som helst bølgelengde."
04
- Spesialisering av lasersystemer-
Kontinuerlig bølge fiberlasere kan sveise aluminium og kobber med riktig kontroll av stråleprofilen. Utviklingen av kjerneringstråleprofiler og kraftigere skanningssystemer har forbedret kvaliteten og potensialet til hybrid sveiseporter betydelig det siste tiåret.
Ved småhullsveising av kobber og aluminium blir hullene ustabile ved høye sveisehastigheter. En måte å eliminere denne ustabiliteten på er å redusere sveisehastigheten, men dette er vanligvis ikke ønskelig. I stedet er en annen metode å bruke et galvanometer for å legge til oscillasjon til laserstrålen for å agitere det smeltede bassenget. Dette forbedrer konveksjonen i smeltestrømmen for å forhindre at små hull kollapser. Det produserer vanligvis en sveise av utmerket kvalitet, men bremser sveiseprosessen ytterligere.
En tredje måte å eliminere sprut under høyhastighetssveising er å bruke en AMB-laser (Adjustable Mode Beam), som sender ut en kjernestråle omgitt av en ringstråle. Kjernestrålens kraft og intensitet bestemmer penetrasjonsdybden til de små hullene, mens energien til ringstrålen stabiliserer de små hullene for å minimere eller helt eliminere uønsket sprut, sprekker og porøsitet.
De minste kjernene er enkeltmodusbjelker med en diameter på 14 µm. Multimoduskjerner er typisk 50 eller 100 µm i diameter, og ringstråler er vanligvis opptil 300 µm i diameter.
"Bruken av kjerneringfiberlasere er et aktivt utviklingsområde innen lasersveising med infrarød ulikhet og er ettertraktet av alle de store aktørene," sier Markevitch, markedsutviklingssjef i IPG Photonics. "AMB-laseren med en enkeltmoduskjerne ble valgt for sin allsidighet, høye sveisehastigheter og iboende evne til å minimere dannelsen av sprø intermetalliske forbindelser."
En 3 kW singelmodus kjerne AMB-laser med 3 kW tilleggseffekt i en ringlaser er i stand til sprutfri kobberskinnesveising ved 60 m/min med mer enn 0,65 mm penetrering.
Nåværende kommersielle grønne eller blå lasere kan ikke oppnå samme prosesseringshastighet og kvalitet, sier Markevitch. Men som han påpeker, kan sveisekonsistensen fortsatt påvirkes av variasjoner i gapet mellom materialer eller materialforurensning. Med tendensen til at samleskinnetykkelsen minker, blir spenning og feste en utfordring. Utilstrekkelig sveisesmeltedybde kan resultere i høyere motstand og lavere mekanisk styrke, mens overdreven smeltedybde eller gjennomhulling kan gjøre EV-battericeller til en brannfare.
"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 grader."
Aluminium smelter ved 660 grader, kobber ved 1085 grader og stållegeringer ved 1500 grader. To metaller med svært forskjellige smeltetemperaturer må smeltes uten å skade litiumsaltene som inneholder brennbare organogel- eller batterikomponenter (som tetninger, pakninger og avstandsstykker) nedenfor.
In-line prosesskontroll basert på spektral prosessutslipp eller OCT kan gi ikke-destruktive sveisedybdemålinger i sanntid. Dette gjør det mulig å iverksette korrigerende tiltak for å oppnå en konstant smeltedybde.
