Lasersko varjenje ima svoje mesto v električnih vozilih, letalstvu, ladijskem in železniškem prometu, gradbeništvu, energetskem sektorju, polprevodnikih, potrošniški elektroniki, proizvodnji medicinskih naprav in še več. Celo spajanje različnih materialov, ki je težko pri običajnih varilnih tehnikah, je mogoče zlahka rešiti s prilagodljivostjo in natančnostjo laserskega varjenja in je postalo celo prednostna rešitev. Ta postopek, ki ga pogosto imenujemo "različno varjenje", je pomemben del doseganja sodobnih inženirskih ciljev.
Proizvodnja baterij in električnih komponent za aplikacije e-mobilnosti spodbuja večje zanimanje za lasersko varjenje različnih materialov, kot sta baker in aluminij.
Različno varjenje omogoča večjo svobodo oblikovanja pri izbiri različnih materialov z dobrimi lastnostmi, kot so električna in toplotna prevodnost, duktilnost, relativna gostota, tališče in trdota, vendar tradicionalno zahteva lepila ali mehanske metode za medsebojno povezovanje.
Čeprav ima tehnika skupne elemente s konvencionalnim varjenjem, ponuja edinstveno priložnost za povečanje stopnje svobode oblikovanja, raznolikost kombinacij materialov, s čimer se zmanjšajo stroški izdelave in montaže ter izboljša učinkovitost komponente ali sistema.
Vendar pa varjenje različnih materialov zahteva skrbno upoštevanje valovne dolžine laserja, povprečne moči, profila žarka, širine impulza in konične moči. Parametre laserskega sistema je treba prilagoditi tudi za posebne kombinacije materialov in aplikacije.
Najpomembnejše in najhitreje rastoče področje uporabe je proizvodnja baterij in električnih komponent za električna vozila. Povpraševanje po električnih vozilih (EV) se je v zadnjih dveh letih močno povečalo, varjenje različnih materialov pa je v središču učinkovitejših in okolju prijaznejših električnih vozil.
Medtem ko ima raznovrstno varjenje veliko skupnega z običajnim varjenjem, je optimizacija kakovosti in hitrosti zvara zahtevnejša. Prilagodljivost laserskih varilnih sistemov ponuja edinstvene rešitve za razširitev novih aplikacij in priložnosti. (Prispeval Tomo Express)
Matthew Philpott, direktor trženja in prodaje podjetja NUBURU, vodilnega inovatorja industrijske modre laserske tehnologije visoke moči in svetlosti, je dejal: "Električna vozila naj bi v naslednjih 5 do 10 letih predstavljala več kot 20 % trga. let, potrošniška elektronika pa bo predstavljala med 10 % in 15 %."
Proizvodnja litij-ionskih (Li-ion) baterij zahteva zmožnost varjenja aluminija z bakrom v zvaru folija-elektroda ali elektroda-elektroda. Pri cilindričnih baterijah je treba bakrene elektrode privariti na jekleno pločevinko.
Pri izdelavi baterijskih paketov so celice običajno že sestavljene in inženirji morajo izvesti načrt, ki povezuje celice za zagotavljanje optimalne energije. Trenutne litij-ionske baterije so izdelane iz ponikljanega hladno valjanega jekla. Vendar pa varjenje kovine z manj upora, kot je aluminij ali baker, na standardne sponke iz nerjavečega jekla litij-ionske baterije zmanjša njen upor, zato se izgubi manj energije zaradi izgube toplote.
Izboljšana zmogljivost akumulatorja električnih vozil je glavni dejavnik pri vztrajni rasti prodaje električnih vozil," je dejal Mark L. Boyle, višji vodja produktnega inženiringa in aplikacij pri AMADA WELD TECH. Boljša zmogljivost delno izhaja iz nedavnega razvoja pri varjenju različnih kovin, ki izboljša učinkovitost s povečanjem shranjevanja energije, zmanjšanjem velikosti in ohranjanjem zanesljivosti."
Poleg tega je ladjedelniška industrija še en primer, ko različno varjenje prinaša edinstveno vrednost. Industrija redno uporablja varjene vmesnike iz jekla in aluminija za optimizacijo porazdelitve teže, kar ima za posledico nižje emisije CO2 in večjo stabilnost. Zlasti varjenje jeklenega trupa na aluminijasto nadgradnjo lahko zmanjša lastno težo.
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. (Avtor fotografije: NUBURU)
"Poleg zmanjšanja emisij CO2 in porabe energije je mogoče znižati težišče plovila z inteligentno razporeditvijo materiala in tako izboljšati transportno stabilnost." Rabi Lahdo, raziskovalec v skupini za varjenje in rezanje kovin v laserskem centru v Hannovru, je dejal.
Čeprav materiali s podobnimi lastnostmi običajno dajejo bolj zanesljive zvare, glavni akterji, kot je AMADA WELD TECH, prejemajo vse več zahtev za varjenje različnih materialov.
"Komercialno gledano lahko izbira drugačnega materiala zmanjša proizvodne stroške in izboljša delovanje komponente ali naprave." Mark L. Boyle je dejal: "Ko se to zgodi, se lahko izbira različnih kovin uporabi kot konkurenčna prednost na trgu, da se zagotovi boljši izdelek po nižji ceni."
01 Izzivi in premisleki -
Pri taljenju materialov, kot je jeklo ali baker z aluminijem, lahko spremembe tališča materiala in koeficienta toplotnega raztezanja povzročijo nastanek krhkih vmesnih delov, ki oslabijo zvarni spoj.
"Kovine imajo različne temperature taljenja in fuzije, različne koeficiente absorpcije svetlobe (zlasti pri določenih valovnih dolžinah laserja) in različne toplotne difuzivnosti. Zaradi tega jih je težko istočasno stopiti do prave stopnje." Philpott iz NUBURU pravi: "To je najbolj opazno pri zelo odbojnih kovinah, ki imajo lahko zelo različne koeficiente absorpcije v infrardečem sevanju."
Napetostna polja, ki jih ustvarijo različni koeficienti toplotnega raztezanja med ohlajanjem, lahko prav tako oslabijo zvare in lahko povzročijo odpoved zvarov. Te trde, krhke strukture, imenovane "intermetalne faze", nastanejo v prehodnem območju med zvarom in osnovno kovino. To je pojav, ki lahko prizadene katero koli metodo varjenja.
Prerez raznovrstnega zvara jekla in aluminija. (prispevek LZH)
Nastanek intermetalnih faz, kot so FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 v sistemu jeklo-aluminij in Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 v sistemu baker-aluminij, je posledica omejene topnosti elementov,« pravi Sarah Nothdurft, vodja Joining and Cutting Metals Group v Laser Center Hannover. Takšne faze imajo tudi znatno večjo upornost v primerjavi z osnovnim materialom."
Skrbna izbira delovnih parametrov laserja, kot je kombinacija visokih hitrosti varjenja, nizkih toplotnih obremenitev in natančnega nadzora procesa taljenja, omogoča inženirjem, da ublažijo nekatere od teh težav.
"Medtem ko je tvorba intermetalnih spojin neizogibna, njihova krhkost ni." Alexei Markevitch, vodja razvoja trga pri IPG Photonics, je dejal: "Pravilna formulacija postopka lahko zmanjša nastajanje teh spojin in poveča njihovo kovnost, kar ima za posledico strukturno zdrave, bolj prevodne in stabilnejše zvare."
02 Aplikacije za varjenje različnih materialov-
Pozornost na ustrezna mešalna razmerja in pravilne ureditve ujemanja lahko dodatno poveča učinkovitost različnih zvarnih spojev. Na primer, I-šiv z zvarjeno odprtino se je izkazal za prednostnega. Pri tej metodi je jeklena plošča nameščena na aluminijasto ploščo. Da bi zmanjšali intermetalne faze, se varjenje izvaja skozi jekleno ploščo in samo na aluminijasto ploščo.
Oliver Seffer, raziskovalec v skupini za varjenje in rezanje kovin v laserskem centru v Hannovru, pravi: "Zaradi nizke vsebnosti aluminija je delež tako krhkih faz v končni mikrostrukturi relativno nizek."
03 Premisleki o laserskih parametrih-
Izbira laserske tehnologije je odvisna od materiala, ki ga varimo. Različna varjena vrata za steklo in kovine bodo morda zahtevala laserski sistem CO2. Varjenje alumosilikatnega stekla in različnih kovin lahko koristi femtosekundni laserski sistem, medtem ko je lahko varjenje aluminijevih zlitin in tehničnega stekla pogosto uspešno s pikosekundnim laserskim virom.
Cilj je zmanjšati vnos toplote, odpraviti brizganje, izboljšati stabilnost procesa in zagotoviti široko okno procesnih parametrov med varjenjem pri najvišji možni hitrosti.
"Medtem ko jeklene zlitine dobro absorbirajo v bližnjem infrardečem območju, se tudi kovine z visoko odbojnostjo, kot sta aluminij in baker, večinoma obdelujejo z 1 µm laserji." Markevitch iz IPG pravi: "To je zato, ker je absorpcija odvisna od temperature in faze kovine. Pri sobni temperaturi baker in aluminij absorbirata približno 5 % pri 1 µm in 40 % do 50 % pri 515 nm, z večjo absorpcijo pri modrih valovnih dolžinah."
"Vse absorpcije se povečajo za segrete kovine in IR skoči na tališče," pravi, "in staljene kovine zelo dobro absorbirajo vse valovne dolžine. Tako dovolj visoka gostota moči IR premaga visoko odbojnost."
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 pravi, da znižanje zahtevane izhodne intenzivnosti zmanjša turbulenco v bazenu staline, kar izboljša stabilnost procesa. "Povečanje stabilnosti procesa spremlja izboljšanje kakovosti odpiranja hibridnega zvara, tvorba brizganja pa je zatrta."
Pri varjenju debelejših materialov v ključavnico, začenši z luknjami za mikro vez na stotine mikrometrov, so infrardeči laserji običajno učinkovitejši od zelenih ali modrih laserjev, kar ima za posledico manjši vnos toplote, pa tudi boljšo kakovost zvara in višje hitrosti.
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.
"Svetlost žarka v enem načinu do 2 kW premaga odsevno naravo svetle kovine in ustvari stabilne zvare z majhnimi luknjami z globino zlivanja, ki je lahko veliko globlja od širine zvara," je povedal Ken Dzurko, globalni višji vodja ključnih strank v ThruFast Laser Technology Center v Santa Clari v Kaliforniji.
"Hitro nihanje žarka zavira tvorbo intermetalnih spojin in tako omejuje trajanje faze taljenja na odprtini zvara." Rekel je: "Poleg tega svetilnost dolgega snopa poveča učinkovitost varjenja in močno zmanjša območje, ki ga prizadene toplota, s čimer proizvede večjo prostornino zvara pri nižji povprečni vhodni moči."
Drug dejavnik, ki vpliva na uporabo laserske energije, je sipanje svetlobe na kovinski pari, ki je sorazmerno s četrto potenco valovne dolžine. 1070nm laserji razpršijo 18-krat manj kot 515nm laserji in 30-krat manj kot 455nm laserji. Visoke stopnje sipanja modrih in zelenih laserjev v oblakih kovinskih hlapov zlahka izravnajo njihove nekoliko višje stopnje absorpcije v staljenih materialih.
Danes večina proizvajalcev izbere laserje z neprekinjenimi valovi 1 µm, ki vodijo v hitrosti obdelave, kakovosti in znižanju stroškov. Toda vse valovne dolžine ponujajo prednosti, odvisno od specifične situacije. Na primer, Philpott iz NUBURU verjame, da je premik valovne dolžine na modro ali zeleno svetlobo vredno raziskati v aplikacijah, ki imajo koristi od povečane absorpcije.
"Dostava žarka za laserje z modro ali zeleno svetlobo (npr. skenerji, obdelovalne glave, nadzor žarka in druge pomožne komponente) je podobna tisti, ki se uporablja za laserje NIR." Philpott pravi: "Posledično je pretvorba iz infrardeče v modro ali zeleno svetlobo zelo enostavna, metoda upravljanja oblaka pa je podobna, tako da ni težav zaradi absorpcije ali sipanja."
Današnji laserski sistemi so omejeni na 3 kW pri 515 nm in 4 kW pri 455 nm, zaradi omejene kakovosti žarka modrih laserjev pa sta omejeni tudi fokus žarka in učinkovitost obdelave.
»Pri varjenju bakra z uporabo valovnih dolžin laserskega žarka v vidnem območju, zlasti v spektru modre svetlobe, trenutno primanjkuje zadostne moči laserskega žarka in zahtevane kakovosti žarka,« pravi Rabi Lahdo, »doseganje visoke kakovosti žarka je največji izziv, ko uporaba laserskih diod za ustvarjanje laserskega sevanja. Poleg tega so vidni laserji bolj nagnjeni k poškodbam optike kot infrardeči viri, kar skrajša življenjsko dobo in poveča stroške."
Kljub izzivom Philpott pričakuje nadaljnje izboljšave v učinkovitosti in vrednosti spajkanja, saj se razpoložljivost in učinkovitost diod modre svetlobe še naprej izboljšujeta.
"Ni zanesljivosti ali stroškovnega tveganja, povezanega z delovanjem laserjev znotraj konstrukcijskih toleranc optike," je dejal. "Kljub temu lahko kupci doživijo kratko življenjsko dobo optike z izdelkom določenega dobavitelja laserja; če pa proizvajalec ne izda izdelka brez ustrezno validiranih optičnih naprav, se to lahko zgodi pri kateri koli valovni dolžini."
04
-Specializacija laserskih sistemov-
Laserji z neprekinjenimi valovi lahko varijo aluminij in baker z ustreznim nadzorom profila žarka. Razvoj profilov žarka jedro-obroč in zmogljivejši sistemi skeniranja so v zadnjem desetletju znatno izboljšali kakovost in potencial hibridnih zvarnih vrat.
Pri varjenju bakra in aluminija z majhnimi luknjami postanejo luknje pri visokih hitrostih varjenja nestabilne. Eden od načinov za odpravo te nestabilnosti je upočasnitev hitrosti varjenja, vendar to običajno ni zaželeno. Namesto tega je druga metoda uporaba galvanometra za dodajanje nihanja laserskemu žarku za vznemirjanje staljenega bazena. To izboljša konvekcijo v toku taline, da prepreči zrušitev majhnih lukenj. Običajno ustvari zvar odlične kakovosti, vendar dodatno upočasni postopek varjenja.
Tretji način za odpravo brizganja med hitrim varjenjem je uporaba laserja z nastavljivim žarkom (AMB), ki oddaja jedrni žarek, obdan z obročastim žarkom. Moč in intenzivnost jedrnega žarka določata globino prodiranja majhnih lukenj, medtem ko energija obročastega žarka stabilizira majhne luknje, da zmanjša ali popolnoma odpravi neželeno brizganje, razpoke in poroznost.
Najmanjša jedra so enomodni žarki s premerom 14 µm. Večmodna jedra imajo običajno premer 50 ali 100 µm, obročasti žarki pa imajo običajno premer do 300 µm.
»Uporaba laserjev z vlakni z jedrom in obročem je aktivno razvojno področje infrardečega laserskega varjenja z raznovrstnostjo in jo iščejo vsi večji igralci,« pravi Markevitch, vodja tržnega razvoja pri IPG Photonics. "Laser AMB z enomodnim jedrom je bil izbran zaradi svoje vsestranskosti, visokih hitrosti varjenja in inherentne sposobnosti zmanjšanja tvorbe krhkih intermetalnih spojin."
3 kW enomodni jedrni AMB laser s 3 kW dodatne moči v obročnem laserju je zmožen varjenja bakrene zbiralke brez brizganja pri 60 m/min s prebojem več kot 0,65 mm.
Trenutni komercialni zeleni ali modri laserji ne morejo doseči enake hitrosti in kakovosti obdelave, pravi Markevitch. Toda kot poudarja, lahko na konsistenco zvara še vedno vplivajo razlike v vrzeli med materiali ali kontaminacija materiala. Zaradi težnje po zmanjševanju debeline zbiralk postaja vpenjanje in pritrjevanje izziv. Nezadostna globina taljenja zvara lahko povzroči višjo odpornost in nižjo mehansko trdnost, medtem ko lahko prevelika globina taljenja ali prebadanje povzroči požarne celice EV.
"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 stopinj."
Aluminij se tali pri 660 stopinjah, baker pri 1085 stopinjah, jeklene zlitine pa pri 1500 stopinjah. Dve kovini z zelo različnima temperaturama taljenja je treba stopiti, ne da bi pri tem poškodovali litijeve soli, ki vsebujejo vnetljiv organogel, ali komponente baterije (kot so tesnila, tesnila in distančniki) spodaj.
In-line nadzor procesa na podlagi spektralne procesne emisije ali OCT lahko zagotovi nedestruktivne meritve globine zvara v realnem času. To omogoča korektivne ukrepe za doseganje konstantne globine taline.
