L-iwweldjar bil-lejżer għandu post f'vetturi elettriċi, aerospazjali, trasport bil-vapur u bil-ferrovija, kostruzzjoni, settur tal-enerġija, semikondutturi, elettronika għall-konsumatur, manifattura ta 'apparat mediku u aktar. Anke l-fużjoni ta 'materjali differenti, li hija diffiċli b'tekniki ta' wweldjar konvenzjonali, tista 'tiġi solvuta faċilment bil-flessibilità u l-preċiżjoni tal-iwweldjar bil-lejżer, u saħansitra saret is-soluzzjoni preferuta. Dan il-proċess, li spiss jissejjaħ "iwweldjar ta 'differenza," huwa parti importanti mill-kisba ta' miri moderni ta 'inġinerija.
Il-produzzjoni ta 'batteriji u komponenti elettriċi għal applikazzjonijiet ta' mobilità elettronika qed tmexxi interess akbar fl-iwweldjar bil-lejżer ta 'materjali differenti bħar-ram u l-aluminju.
L-iwweldjar mhux simili jippermetti libertà tad-disinn usa 'meta tagħżel materjali differenti bi proprjetajiet tajbin bħal konduttività elettrika u termali, duttilità, densità relattiva, punt ta' tidwib u ebusija, iżda tradizzjonalment teħtieġ adeżivi jew metodi mekkaniċi biex jgħaqqdu flimkien.
Għalkemm it-teknika għandha elementi komuni ma 'l-iwweldjar konvenzjonali, toffri opportunità unika biex jiżdied il-grad ta' libertà tad-disinn, il-varjetà ta 'kombinazzjonijiet ta' materjali, u b'hekk tnaqqas l-ispejjeż tal-manifattura u l-assemblaġġ u ttejjeb il-prestazzjoni tal-komponent jew tas-sistema.
Madankollu, l-iwweldjar ta 'materjali differenti jeħtieġ konsiderazzjoni bir-reqqa tal-wavelength tal-lejżer, qawwa medja, profil tar-raġġ, wisa' tal-polz u qawwa massima. Il-parametri tas-sistema tal-lejżer għandhom ukoll ikunu personalizzati għal kombinazzjonijiet u applikazzjonijiet speċifiċi ta 'materjal.
L-aktar żona ta 'applikazzjoni importanti u li qed tikber b'rata mgħaġġla hija l-produzzjoni ta' batteriji u komponenti elettriċi għal vetturi elettriċi. Id-domanda għall-vetturi elettriċi (EVs) żdiedet b'mod drammatiku f'dawn l-aħħar sentejn, u l-iwweldjar ta 'materjali differenti huwa fil-qalba li jagħmlu l-EVs aktar effiċjenti u favur l-ambjent.
Filwaqt li l-iwweldjar b'differenza għandha ħafna komuni ma 'l-iwweldjar konvenzjonali, l-ottimizzazzjoni tal-kwalità u l-veloċità tal-weldjatura hija aktar ta' sfida. Il-flessibbiltà tas-sistemi tal-iwweldjar bil-lejżer toffri soluzzjonijiet uniċi biex jespandu applikazzjonijiet u opportunitajiet ġodda. (Kontribut minn Tomo Express)
Matthew Philpott, Uffiċjal Kap tal-Marketing u Bejgħ ta 'NUBURU, innovatur ewlieni tat-teknoloġija tal-laser blu industrijali ta' qawwa għolja u ta 'luminożità għolja, qal, "Il-vetturi elettriċi huma pproġettati li jammontaw għal aktar minn 20% tas-suq fil-5 sa 10 li jmiss. snin, u l-elettronika tal-konsumatur se tammonta għal bejn 10% u 15%."
Il-manifattura ta 'batteriji tal-jone tal-litju (Li-ion) tirrikjedi l-abbiltà li tiwweldja l-aluminju mar-ram f'weldjatura minn fojl għal elettrodu jew elettrodu għal elettrodu. Fil-batteriji ċilindriċi, il-lugs tal-elettrodu tar-ram għandhom jiġu wweldjati ma 'bott tal-azzar.
Fil-manifattura tal-pakketti tal-batteriji, iċ-ċelloli huma ġeneralment diġà mmuntati u l-inġiniera għandhom jimplimentaw disinn li jgħaqqad iċ-ċelloli biex jipprovdu l-aħjar enerġija. Il-batteriji tal-jone tal-litju attwali huma magħmula minn azzar irrumblat fil-kesħa miksi b'nikil. Madankollu, l-iwweldjar ta 'metall inqas reżistenti, bħall-aluminju jew ir-ram, mat-terminals standard tal-istainless steel ta' batterija tal-jone tal-litju inaqqas ir-reżistenza tiegħu, għalhekk tinħela inqas enerġija fit-telf tas-sħana.
Il-prestazzjoni mtejba tal-batterija tal-vetturi elettriċi hija fattur ewlieni fit-tkabbir kostanti tal-bejgħ tal-vetturi elettriċi, "qal Mark L. Boyle, maniġer anzjan tal-inġinerija tal-prodott u applikazzjonijiet f'AMADA WELD TECH. Prestazzjoni aħjar ġejja parzjalment minn żviluppi reċenti fl-iwweldjar tal-metall differenti, li ttejjeb l-effiċjenza billi żżid il-ħażna tal-enerġija, tnaqqas id-daqs u żżomm l-affidabbiltà."
Barra minn hekk, l-industrija tal-bini tal-vapuri tipprovdi eżempju ieħor fejn l-iwweldjar mhux simili qed jagħti valur uniku. L-industrija regolarment tuża interfaces iwweldjati azzar-aluminju biex tottimizza d-distribuzzjoni tal-piż, li tirriżulta f'emissjonijiet ta 'CO2 aktar baxxi u stabbiltà akbar. B'mod partikolari, l-iwweldjar ta 'buq ta' l-azzar ma 'sovrastruttura ta' l-aluminju jista 'jnaqqas il-piż mejjet.
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. (Ritratt minn NUBURU)
"Barra li tnaqqas l-emissjonijiet tas-CO2 u l-konsum tal-enerġija, iċ-ċentru tal-gravità tal-bastiment jista 'jitbaxxa permezz ta' arranġament intelliġenti tal-materjal, u b'hekk titjieb l-istabbiltà tat-trasport." Rabi Lahdo, riċerkatur fil-Grupp tal-Iwweldjar u l-Qtugħ tal-Metall fiċ-Ċentru tal-Laser ta 'Hanover, qal.
Għalkemm materjali bi proprjetajiet simili ġeneralment jipproduċu weldjaturi aktar affidabbli, atturi ewlenin bħal AMADA WELD TECH qed jirċievu numru dejjem jikber ta 'talbiet biex iwweldjaw materjali differenti.
"Kummerċjalment, l-għażla ta 'materjal differenti tista' tnaqqas l-ispejjeż tal-manifattura u ttejjeb il-prestazzjoni ta 'komponent jew apparat." Mark L. Boyle qal, "Meta jiġri dan, l-għażla ta 'metalli differenti jistgħu jintużaw bħala vantaġġ kompetittiv fis-suq biex jipprovdu prodott aħjar bi prezz aktar baxx."
01 Sfidi u Konsiderazzjonijiet-
Meta tgħaqqad materjali bħall-azzar jew ir-ram ma 'l-aluminju, bidliet fil-punt tat-tidwib tal-materjal u l-koeffiċjent ta' espansjoni termali jistgħu jwasslu għall-formazzjoni ta 'porzjonijiet intermedji fraġli li jdgħajfu l-ġonta tal-weldjatura.
"Il-metalli għandhom temperaturi differenti ta 'tidwib u fużjoni, koeffiċjenti differenti ta' assorbiment tad-dawl (speċjalment f'ċerti wavelengths tal-laser), u diffusivities termali differenti. Dan jagħmilha diffiċli biex jiddewwebhom fil-grad it-tajjeb fl-istess ħin." Philpott ta 'NUBURU jgħid, "Dan huwa l-aktar notevoli f'metalli li jirriflettu ħafna, li jista' jkollhom koeffiċjenti ta 'assorbiment differenti ħafna fl-infra-aħmar."
L-oqsma ta 'tensjoni maħluqa minn koeffiċjenti differenti ta' espansjoni termali waqt it-tkessiħ jistgħu wkoll idgħajfu l-weldjaturi u jistgħu jwasslu għal falliment tal-ġonta tal-weldjatura. Dawn l-istrutturi iebsa u fraġli, imsejħa "fażijiet intermetalliċi", jiffurmaw fiż-żona ta 'tranżizzjoni bejn il-metall tal-weldjatura u l-metall bażiku. Dan huwa fenomenu li jista' jolqot kwalunkwe metodu ta 'wweldjar.
Sezzjoni trasversali ta 'weldjatura ta' nuqqas ta 'similarità ta' l-azzar u l-aluminju. (Kontribuzzjoni LZH)
Il-formazzjoni ta 'fażijiet intermetalliċi, bħal FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 fis-sistema tal-azzar-aluminju u Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 fis-sistema tar-ram-aluminju, hija dovuta għas-solubilità limitata tal-elementi," tgħid Sarah Nothdurft, Kap tal- Jingħaqdu u Qtugħ Metals Group fil-Laser Center Hannover. Fażijiet bħal dawn juru wkoll resistività ogħla b'mod sinifikanti meta mqabbla mal-materjal bażi."
Għażla bir-reqqa tal-parametri operattivi tal-lejżer, bħall-kombinazzjoni ta 'veloċitajiet għolja ta' wweldjar, tagħbijiet ta 'sħana baxxa, u kontroll preċiż tal-proċess tat-tidwib, tippermetti lill-inġiniera biex itaffu xi wħud minn dawn il-kwistjonijiet.
"Filwaqt li l-formazzjoni ta 'komposti intermetalliċi hija inevitabbli, il-fraġilità tagħhom mhix." Alexei Markevitch, Maniġer tal-Iżvilupp tas-Suq f'IPG Photonics, qal, "Il-formulazzjoni tal-proċess it-tajba tista 'timminimizza l-formazzjoni ta' dawn il-komposti u timmassimizza l-malleabbiltà tagħhom, li tirriżulta f'weldjaturi strutturalment sodi, aktar konduttivi, u aktar stabbli."
02 Applikazzjonijiet għall-iwweldjar ta’ materjali differenti-
Attenzjoni għal proporzjonijiet xierqa ta 'taħlit u arranġamenti xierqa ta' tqabbil jistgħu jtejbu aktar il-prestazzjoni ta 'ġonot ta' weldjatura differenti. Pereżempju, ħjata I b'fetħa tal-weldjatura tal-ħoġor uriet li hija vantaġġuża. F'dan il-metodu, pjanċa tal-azzar titqiegħed fuq pjanċa tal-aluminju. Sabiex jiġu minimizzati l-fażijiet intermetalliċi, l-iwweldjar isir permezz tal-pjanċa tal-azzar u biss mal-pjanċa tal-aluminju.
Oliver Seffer, riċerkatur fil-Grupp tal-Iwweldjar u l-Qtugħ tal-Metall fiċ-Ċentru tal-Laser ta 'Hanover, jgħid: "Minħabba l-kontenut baxx ta' aluminju, il-proporzjon ta 'fażijiet fraġli bħal dawn fil-mikrostruttura finali huwa relattivament baxx."
03 Konsiderazzjonijiet tal-Parametri tal-Laser-
L-għażla tat-teknoloġija tal-lejżer tiddependi fuq il-materjal li għandu jiġi wweldjat. Portijiet tal-weldjatura differenti għall-ħġieġ u l-metalli jistgħu jeħtieġu sistema tal-laser CO2. L-iwweldjar tal-ħġieġ aluminosilikat u metalli varji jistgħu jibbenefikaw minn sistema tal-laser femtosecond, filwaqt li l-iwweldjar ta 'ligi tal-aluminju u ħġieġ tekniku ħafna drabi jista' jkun ta 'suċċess b'sors tal-lejżer picosecond.
L-għan huwa li jiġi minimizzat l-input tas-sħana, jiġi eliminat it-tixqiq, ittejjeb l-istabbiltà tal-proċess u tipprovdi tieqa wiesgħa ta 'parametri tal-proċess waqt l-iwweldjar bl-ogħla veloċità possibbli.
"Filwaqt li l-ligi tal-azzar jassorbu sew fir-reġjun tal-infra-aħmar qrib, anke metalli b'riflettività għolja, bħall-aluminju u r-ram, huma l-aktar ipproċessati b'lejżers ta '1 µm." Markevitch tal-IPG jgħid, "Dan huwa minħabba li l-assorbiment jiddependi fuq it-temperatura u l-fażi tal-metall. F'temperatura tal-kamra, ir-ram u l-aluminju jassorbu madwar 5% f'1 µm u 40% sa 50% f'515 nm, b'assorbiment ogħla f'tul ta 'mewġ blu."
"L-assorbimenti kollha jiżdiedu għall-metalli msaħħna, u l-IR jaqbeż fil-punt tat-tidwib," jgħid, "u l-metalli mdewba jassorbu l-wavelengths kollha tajjeb ħafna. Għalhekk, densità ta 'qawwa IR għolja biżżejjed tegħleb ir-riflettività għolja."
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 jgħid li t-tnaqqis tal-intensità tal-produzzjoni meħtieġa jnaqqas it-turbolenza fil-pool imdewweb, li jtejjeb l-istabbiltà tal-proċess. "Iż-żieda fl-istabbiltà tal-proċess hija akkumpanjata minn titjib fil-kwalità tal-ftuħ tal-weldjatura ibrida, u l-formazzjoni ta 'spatter hija mrażżna."
Fl-iwweldjar ta 'keyhole ta' materjali eħxen, li jibdew b'toqob mikro-bond ta 'mijiet ta' mikrometri, lejżers infra-aħmar huma tipikament aktar effettivi minn lejżers ħodor jew blu, li jirriżultaw f'inqas input tas-sħana, kif ukoll kwalità aħjar ta 'weldjatura u veloċitajiet aktar mgħaġġla.
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.
"Il-luminożità tar-raġġ b'mod wieħed sa 2 kW tegħleb in-natura riflessiva tal-metall qawwi biex toħloq weldjaturi ta 'toqba żgħar stabbli b'fond ta' fużjoni li jista 'jkun ħafna aktar profond mill-wisa' tal-weldjatura," qal Ken Dzurko, globali maniġer anzjan tal-kont ewlieni fiċ-Ċentru tat-Teknoloġija tal-Laser ThruFast f'Santa Clara, Calif.
"L-oxxillazzjoni rapida tar-raġġ jinibixxi l-formazzjoni ta 'komposti intermetalliċi, u b'hekk tillimita t-tul tal-fażi tat-tidwib fil-ftuħ tal-weldjatura." Huwa qal, "Barra minn hekk, il-luminożità tar-raġġ għoli żżid l-effiċjenza tal-iwweldjar u tnaqqas ħafna ż-żona affettwata mis-sħana, u b'hekk tipproduċi volum ta 'weldjatura ogħla b'input ta' enerġija medja aktar baxxa."
Fattur ieħor li jaffettwa l-użu tal-enerġija tal-lejżer huwa t-tifrix tad-dawl mill-plume tal-fwar tal-metall, li huwa proporzjonali għar-raba 'qawwa tal-wavelength. Lejżers 1070nm iferrxu 18-il darba inqas minn lasers 515nm u 30 darba inqas minn lasers 455nm. Ir-rati għolja ta 'tifrix ta' lejżers blu u ħodor f'plumes tal-fwar tal-metall faċilment jikkumpensaw ir-rati ta 'assorbiment kemmxejn ogħla tagħhom f'materjali mdewba.
Illum, il-biċċa l-kbira tal-manifatturi jagħżlu lejżers ta 'mewġ kontinwu ta' 1 µm, li jmexxu t-triq fil-veloċità tal-ipproċessar, il-kwalità u t-tnaqqis tal-ispejjeż. Iżda l-wavelengths kollha joffru vantaġġi, skont is-sitwazzjoni speċifika. Pereżempju, Philpott ta 'NUBURU jemmen li bidla ta' wavelength għal dawl blu jew aħdar ta 'min jesplora f'applikazzjonijiet li jibbenefikaw minn assorbiment akbar.
"Il-kunsinna tar-raġġ għal lejżers tad-dawl blu jew aħdar (eż. skaners, irjus tal-ipproċessar, kontroll tar-raġġ u komponenti awżiljarji oħra) hija simili għal dik użata għal lejżers NIR." Philpott jgħid, "Bħala riżultat, il-konverżjoni minn dawl infra-aħmar għal dawl blu jew aħdar hija faċli ħafna, u l-metodu ta 'ġestjoni tal-plume huwa simili, għalhekk m'hemm l-ebda problemi minħabba l-assorbiment jew it-tifrix."
Is-sistemi tal-lejżer tal-lum huma limitati għal 3kW f'515nm u 4kW f'455nm, u minħabba l-kwalità limitata tar-raġġ tal-lejżers blu, l-iffukar tar-raġġ u l-effiċjenza tal-ipproċessar huma wkoll limitati.
"Meta l-iwweldjar tar-ram bl-użu ta 'wavelengths tar-raġġ tal-lejżer fil-medda viżibbli, speċjalment fl-ispettru tad-dawl blu, bħalissa hemm nuqqas ta' qawwa suffiċjenti tar-raġġ tal-lejżer u kwalità meħtieġa tar-raġġ," jgħid Rabi Lahdo, "Il-kisba ta 'kwalità għolja tar-raġġ hija l-akbar sfida meta bl-użu tad-dijodi tal-lejżer biex jiġġenera radjazzjoni tal-lejżer . Barra minn hekk, il-lejżers viżibbli huma aktar suxxettibbli għal ħsara lill-ottika minn sorsi infra-aħmar, li jqassar il-ħajja u jżid l-ispejjeż."
Minkejja l-isfidi, Philpott jantiċipa aktar titjib fil-prestazzjoni u l-valur tal-issaldjar hekk kif dajowds tad-dawl blu jkomplu jitjiebu fid-disponibbiltà u l-prestazzjoni.
"M'hemm l-ebda affidabilità jew riskju ta 'spejjeż assoċjati mat-tħaddim tal-lejżers fi ħdan it-tolleranzi tad-disinn tal-ottika," huwa qal. "Dan qal, il-klijenti jistgħu jesperjenzaw ħajja qasira ta 'l-ottika bi prodott partikolari ta' fornitur tal-laser; madankollu, jekk manifattur ma jirrilaxxax prodott mingħajr l-apparati ottiċi validati sew, allura dan jista 'jiġri bi kwalunkwe wavelength."
04
-Speċjalizzazzjoni ta' sistemi tal-laser-
Lejżers tal-fibra tal-mewġ kontinwu jistgħu iwweldjaw l-aluminju u r-ram b'kontroll xieraq tal-profil tar-raġġ. L-iżvilupp ta 'profili tar-raġġ taċ-ċirku tal-qalba u sistemi ta' skanjar aktar qawwija tejbu b'mod sinifikanti l-kwalità u l-potenzjal tal-portijiet tal-weldjatura ibridi matul l-aħħar għaxar snin.
Waqt l-iwweldjar ta 'toqba żgħar tar-ram u l-aluminju, it-toqob isiru instabbli f'veloċitajiet għoljin ta' wweldjar. Mod wieħed biex tiġi eliminata din l-instabilità huwa li titnaqqas il-veloċità tal-iwweldjar, iżda dan ġeneralment mhuwiex mixtieq. Minflok, metodu ieħor huwa li tuża galvanometru biex iżżid l-oxxillazzjoni mar-raġġ tal-lejżer biex tħawwad il-pool imdewweb. Dan itejjeb il-konvezzjoni fil-fluss tat-tidwib biex jipprevjeni toqob żgħar milli jiġġarrfu. Normalment tipproduċi weldjatura ta 'kwalità eċċellenti, iżda tnaqqas aktar il-proċess tal-iwweldjar.
It-tielet mod biex jiġi eliminat it-tixrib waqt l-iwweldjar b'veloċità għolja huwa l-użu ta 'lejżer ta' Raġġ ta 'Modalità Aġġustabbli (AMB), li jarmi raġġ tal-qalba mdawwar b'raġġ ta' ċirku. Il-qawwa u l-intensità tar-raġġ tal-qalba jiddeterminaw il-fond tal-penetrazzjoni tat-toqob żgħar, filwaqt li l-enerġija tar-raġġ taċ-ċirku tistabbilizza t-toqob żgħar biex timminimizza jew telimina kompletament it-tixqiq, xquq u porożità mhux mixtieqa.
L-iżgħar qlub huma travi single-mode b'dijametru ta' 14 µm. Il-qlub multimodali huma tipikament 50 jew 100 µm fid-dijametru, u r-raġġi taċ-ċirku huma tipikament sa 300 µm fid-dijametru.
"L-użu tal-lejżers tal-fibra taċ-ċirku tal-qalba huwa żona ta 'żvilupp attiv fl-iwweldjar bil-lejżer b'differenza infrared u huwa mfittex mill-atturi ewlenin kollha," jgħid Markevitch, maniġer tal-iżvilupp tas-suq f'IPG Photonics. "Il-laser AMB b'qalba ta 'modalità waħda ntgħażel għall-versatilità tiegħu, veloċitajiet għolja ta' wweldjar, u kapaċità inerenti li timminimizza l-formazzjoni ta 'komposti intermetalliċi fraġli."
Lejżer AMB tal-qalba b'mod wieħed ta' 3 kW b'3 kW ta' qawwa addizzjonali f'laser ring huwa kapaċi li jwweldja l-busbar tar-ram mingħajr spatter f'60 m/min b'penetrazzjoni akbar minn 0.65 mm.
Lejżers ħodor jew blu kummerċjali attwali ma jistgħux jiksbu l-istess veloċità u kwalità tal-ipproċessar, jgħid Markevitch. Iżda kif jindika, il-konsistenza tal-weldjatura xorta tista 'tiġi affettwata minn varjazzjonijiet fid-distakk bejn il-materjali jew il-kontaminazzjoni tal-materjal. Bit-tendenza li l-ħxuna tal-busbar jonqsu, l-ikklampjar u t-twaħħil isiru sfida. Fond insuffiċjenti ta 'tidwib tal-weldjatura jista' jirriżulta f'reżistenza ogħla u saħħa mekkanika aktar baxxa, filwaqt li fond eċċessiv ta 'tidwib jew titqib jistgħu jagħmlu ċ-ċelloli tal-batterija EV periklu tan-nar.
"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 grad."
L-aluminju jiddewweb f'660 grad, ram f'1,085 grad, u ligi tal-azzar f'1,500 grad. Żewġ metalli b'temperaturi ta 'tidwib differenti ħafna jeħtieġ li jiddewweb mingħajr ma ssir ħsara lill-imluħa tal-litju li fihom organogel fjammabbli jew komponenti tal-batterija (bħal siġilli, gaskits, u spacers) hawn taħt.
Kontroll tal-proċess in-line ibbażat fuq emissjoni tal-proċess spettrali jew OCT jista 'jipprovdi kejl tal-fond tal-weldjatura mhux distruttiv f'ħin reali. Dan jippermetti li tittieħed azzjoni korrettiva biex jinkiseb fond kostanti tat-tidwib.
