Lasersko zavarivanje ima svoje mjesto u električnim vozilima, svemirskom, brodskom i željezničkom transportu, građevinarstvu, energetskom sektoru, poluvodičima, potrošačkoj elektronici, proizvodnji medicinskih uređaja i još mnogo toga. Čak i fuzija različitih materijala, što je teško s konvencionalnim tehnikama zavarivanja, može se lako riješiti fleksibilnošću i preciznošću laserskog zavarivanja, pa je čak postalo i preferirano rješenje. Ovaj proces, koji se često naziva "zavarivanjem različitosti", važan je dio postizanja modernih inženjerskih ciljeva.
Proizvodnja baterija i električnih komponenti za aplikacije e-mobilnosti izaziva veće interesovanje za lasersko zavarivanje različitih materijala kao što su bakar i aluminijum.
Različito zavarivanje omogućava širu slobodu dizajna pri odabiru različitih materijala sa dobrim svojstvima kao što su električna i toplotna provodljivost, duktilnost, relativna gustina, tačka topljenja i tvrdoća, ali tradicionalno zahteva lepkove ili mehaničke metode za spajanje.
Iako ova tehnika ima elemente zajedničke sa konvencionalnim zavarivanjem, ona nudi jedinstvenu priliku za povećanje stepena slobode dizajna, raznolikosti kombinacija materijala, čime se smanjuju troškovi proizvodnje i montaže i poboljšavaju performanse komponenti ili sistema.
Međutim, zavarivanje različitih materijala zahtijeva pažljivo razmatranje laserske talasne dužine, prosječne snage, profila snopa, širine impulsa i vršne snage. Parametri laserskog sistema također moraju biti prilagođeni 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) drastično je porasla u posljednje dvije godine, a zavarivanje različitih materijala je u središtu stvaranja EV efikasnijih i ekološki prihvatljivih.
Iako zavarivanje različitosti ima mnogo zajedničkog sa konvencionalnim zavarivanjem, optimizacija kvaliteta i brzine zavarivanja je veći izazov. Fleksibilnost sistema laserskog zavarivanja nudi jedinstvena rješenja za proširenje novih aplikacija i mogućnosti. (Doprineo Tomo Express)
Matthew Philpott, direktor marketinga i prodaje NUBURU-a, vodećeg inovatora industrijske plave laserske tehnologije velike snage i velike svjetline, rekao je: „Projektira se da će električna vozila zauzimati više od 20% tržišta u sljedećih 5 do 10 godine, a potrošačka elektronika će zauzimati između 10% i 15%.“
Proizvodnja litijum-jonskih (Li-ion) baterija zahteva mogućnost zavarivanja aluminijuma i bakra u zavaru folija-elektroda ili elektroda-elektroda. Kod cilindričnih baterija, bakrene elektrode moraju biti zavarene na čeličnu limenku.
U proizvodnji baterija, ćelije su obično već sastavljene i inženjeri moraju implementirati dizajn koji povezuje ćelije kako bi se osigurala optimalna energija. Trenutne litijum-jonske baterije su napravljene od niklovanog hladno valjanog čelika. Međutim, zavarivanje metala manjeg otpora, kao što je aluminij ili bakar, na standardne priključke od nehrđajućeg čelika litijum-jonske baterije smanjuje njen otpor, tako da se manje energije gubi na gubitke topline.
Poboljšane performanse baterija električnih vozila glavni su faktor u stalnom rastu prodaje električnih vozila", rekao je Mark L. Boyle, viši menadžer za inženjering proizvoda i primjene u AMADA WELD TECH. Bolji učinak dijelom proizlazi iz nedavnog razvoja zavarivanja različitih metala, koji poboljšava efikasnost povećanjem skladištenja energije, smanjenjem veličine i održavanjem pouzdanosti."
Osim toga, industrija brodogradnje pruža još jedan primjer gdje različito zavarivanje daje jedinstvenu vrijednost. Industrija rutinski koristi zavarene sučelje čelik-aluminij kako bi optimizirala raspodjelu težine, što rezultira nižom emisijom CO2 i povećanom stabilnošću. Konkretno, zavarivanje čeličnog trupa na aluminijsku nadgradnju može smanjiti teret.
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. (Fotografija NUBURU)
"Pored smanjenja emisije CO2 i potrošnje energije, težište plovila može se spustiti inteligentnim rasporedom materijala, čime se poboljšava stabilnost transporta." Rekao je Rabi Lahdo, istraživač u grupi za zavarivanje i rezanje metala u Hanover Laser centru.
Iako materijali sa sličnim svojstvima obično proizvode pouzdanije zavarene spojeve, glavni igrači kao što je AMADA WELD TECH primaju sve veći broj zahtjeva za zavarivanje različitih materijala.
"Komercijalno, 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 iskoristiti kao konkurentska prednost na tržištu kako bi se obezbijedio bolji proizvod po nižoj cijeni."
01 Izazovi i razmatranja-
Kada se materijali kao što su čelik ili bakar spajaju s aluminijem, promjene u tački topljenja materijala i koeficijentu toplinskog širenja mogu dovesti do stvaranja krhkih međudijelova koji slabe zavareni spoj.
"Metali imaju različite temperature topljenja i fuzije, različite koeficijente apsorpcije svjetlosti (posebno na određenim talasnim dužinama lasera) i različite toplinske difuzije. To otežava njihovo topljenje do odgovarajućeg stepena u isto vrijeme." NUBURU-ov Philpott kaže: "Ovo je najuočljivije kod visoko reflektirajućih metala, koji mogu imati vrlo različite koeficijente apsorpcije u infracrvenom zračenju."
Polja naprezanja stvorena različitim koeficijentima toplinskog širenja tokom hlađenja također mogu oslabiti zavare i dovesti do kvara zavarenog spoja. Ove tvrde, krhke strukture, nazvane "intermetalne faze", formiraju se u prijelaznoj zoni između metala šava i osnovnog metala. Ovo je fenomen koji može mučiti bilo koju metodu zavarivanja.
Poprečni presjek šava različitosti čelika i aluminija. (doprinos LZH)
Formiranje intermetalnih faza, kao što su FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 u sistemu čelik-aluminijum i Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 u sistemu bakar-aluminijum, nastaje zbog ograničene rastvorljivosti elemenata", kaže Sarah Nothdurft, šef odjela. Spajanje i rezanje metala grupe u Laser Centru Hannover. Takve faze takođe pokazuju znatno veću otpornost u odnosu na osnovni materijal."
Pažljiv odabir radnih parametara lasera, kao što je kombinacija velikih brzina zavarivanja, niskog toplotnog opterećenja i precizne kontrole procesa topljenja, omogućava inženjerima da ublaže neke od ovih problema.
"Dok je stvaranje intermetalnih spojeva neizbježno, njihova krhkost nije." Alexei Markevitch, menadžer razvoja tržišta u IPG Photonics, rekao je: "Prava formulacija procesa može minimizirati stvaranje ovih spojeva i maksimizirati njihovu savitljivost, što rezultira strukturalno zdravim, provodljivijim i stabilnijim zavarenim spojevima."
02 Primene za zavarivanje različitih materijala-
Pažnja na pravilne omjere miješanja i pravilan raspored usklađivanja mogu dodatno poboljšati performanse različitih zavarenih spojeva. Na primjer, I-šav s otvorom za preklopni zavar se pokazao kao prednost. U ovoj metodi, čelična ploča se postavlja na aluminijsku ploču. Kako bi se minimizirale intermetalne faze, zavarivanje se izvodi kroz čeličnu ploču i samo na aluminijsku ploču.
Oliver Seffer, istraživač u grupi za zavarivanje i rezanje metala u Hanover Laser centru, kaže: "Zbog niskog sadržaja aluminija, udio takvih krhkih faza u konačnoj mikrostrukturi je relativno nizak."
03 Razmatranje parametara lasera-
Izbor laserske tehnologije ovisi o materijalu koji se zavari. Različiti otvori za zavarivanje stakla i metala mogu zahtijevati CO2 laserski sistem. Zavarivanje aluminosilikatnog stakla i raznih metala može imati koristi od femtosekundnog laserskog sistema, dok zavarivanje aluminijskih legura i tehničkog stakla često može biti uspješno s pikosekundnim laserskim izvorom.
Cilj je minimizirati unos topline, eliminirati prskanje, poboljšati stabilnost procesa i pružiti široki prozor procesnih parametara pri zavarivanju pri najvećoj mogućoj brzini.
"Dok legure čelika dobro apsorbiraju u bliskom infracrvenom području, čak se i metali visoke refleksije, kao što su aluminij i bakar, uglavnom obrađuju laserima od 1 µm." Markevitch iz IPG-a kaže: "To je zato što apsorpcija zavisi od temperature metala i faze. Na sobnoj temperaturi, bakar i aluminijum apsorbuju oko 5% na 1 µm i 40% do 50% na 515 nm, sa većom apsorpcijom na plavim talasnim dužinama."
"Sve apsorpcije se povećavaju za zagrijane metale, a IC skače na tački topljenja," kaže on, "a rastopljeni metali veoma dobro apsorbuju sve talasne dužine. Dakle, dovoljno visoka gustina IR snage prevazilazi visoku refleksivnost."
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 rastopljenom bazenu, što poboljšava stabilnost procesa. "Povećanje stabilnosti procesa je praćeno poboljšanjem kvaliteta otvora hibridnog zavara, a stvaranje prskanja je potisnuto."
Kod zavarivanja debljih materijala u obliku ključaonice, počevši od rupica za mikrovezu od stotina mikrometara, infracrveni laseri su obično efikasniji od zelenih ili plavih lasera, što rezultira manjim unosom topline, kao i boljim 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 prevazilazi reflektirajuću prirodu svijetlog metala kako bi stvorila stabilne zavare s malim rupama s dubinom fuzije koja može biti mnogo dublja od širine vara," rekao je Ken Dzurko, globalno viši menadžer ključnih klijenata u ThruFast Laser Technology Centru u Santa Clari, Kalifornija.
"Brza oscilacija zraka inhibira stvaranje intermetalnih spojeva, čime se ograničava trajanje faze topljenja na otvoru zavarenog šava." On je rekao: "Pored toga, velika svjetlina snopa povećava efikasnost zavarivanja i uvelike smanjuje zonu pod utjecajem topline, čime se proizvodi veći volumen zavara uz nižu prosječnu ulaznu snagu."
Drugi faktor koji utječe na korištenje laserske energije je raspršivanje svjetlosti oblakom metalne pare, što je proporcionalno četvrtom stepenu talasne dužine. Laseri od 1070 nm rasipaju 18 puta manje od 515 nm lasera i 30 puta manje od 455 nm lasera. Visoke stope raspršenja plavih i zelenih lasera u perjanicama metalne pare lako nadoknađuju njihove nešto veće stope apsorpcije u rastopljenim materijalima.
Danas većina proizvođača bira lasere sa kontinuiranim talasom od 1 µm, koji prednjače u brzini obrade, kvalitetu i smanjenju troškova. Ali sve valne dužine nude prednosti, ovisno o specifičnoj situaciji. Na primjer, Philpott iz NUBURU-a vjeruje da je pomak valne dužine na plavo ili zeleno svjetlo vrijedan istraživanja u aplikacijama koje imaju koristi od povećane apsorpcije.
"Isporuka zraka za lasere plavog ili zelenog svjetla (npr. skenere, glave za obradu, kontrolu snopa i druge pomoćne komponente) je slična onoj koja se koristi za NIR lasere." Philpott kaže: "Kao rezultat toga, konverzija iz infracrvenog u plavo ili zeleno svjetlo je vrlo laka, a metoda upravljanja perjanicom je slična, tako da nema problema zbog apsorpcije ili raspršenja."
Današnji laserski sistemi su ograničeni na 3kW na 515nm i 4kW na 455nm, a zbog ograničenog kvaliteta snopa plavih lasera, fokus snopa i efikasnost obrade su također ograničeni.
„Prilikom zavarivanja bakra korišćenjem laserskih talasnih dužina u vidljivom opsegu, posebno u spektru plave svetlosti, trenutno postoji nedostatak dovoljne snage laserskog snopa i zahtevanog kvaliteta snopa“, kaže Rabi Lahdo, „Postizanje visokog kvaliteta snopa najveći je izazov kada koristeći laserske diode za generiranje laserskog zračenja. Osim toga, vidljivi laseri su skloniji oštećenju optike od infracrvenih izvora, što skraćuje vijek trajanja i povećava troškove."
Uprkos izazovima, Philpott predviđa dalja poboljšanja u performansama i vrijednosti lemljenja jer plave svjetlosne diode nastavljaju da poboljšavaju dostupnost i performanse.
"Ne postoji rizik od pouzdanosti ili troškova povezan s radom lasera unutar dizajnerskih tolerancija optike", rekao je. "Ipak, kupci mogu doživjeti kratak vijek trajanja optike s proizvodom određenog dobavljača lasera; međutim, ako proizvođač ne objavi proizvod bez propisne validacije optičkih uređaja, to se može dogoditi s bilo kojom valnom dužinom."
04
-Specijalizacija laserskih sistema-
Laseri sa kontinuiranim talasima mogu zavariti aluminijum i bakar uz pravilnu kontrolu profila snopa. Razvoj profila jezgra-prstena i snažnijih sistema za skeniranje značajno je poboljšao kvalitet i potencijal hibridnih spojeva za zavarivanje u protekloj deceniji.
Prilikom zavarivanja bakra i aluminija na malim otvorima, rupe postaju nestabilne pri velikim brzinama zavarivanja. Jedan od načina da se eliminiše ova nestabilnost je usporavanje brzine zavarivanja, ali to obično nije poželjno. Umjesto toga, druga metoda je korištenje galvanometra za dodavanje oscilacije laserskom snopu kako bi se uzburkao rastopljeni bazen. Ovo poboljšava konvekciju u struji taline kako bi se spriječilo urušavanje malih rupa. Obično daje odličan kvalitet vara, ali dodatno usporava proces zavarivanja.
Treći način da se eliminiše prskanje tokom zavarivanja velikom brzinom je upotreba lasera sa podesivim snopom (AMB), koji emituje jezgro snopa okruženo prstenastim snopom. Snaga i intenzitet snopa jezgre određuju dubinu prodiranja malih rupa, dok energija prstenastog snopa stabilizira male rupe kako bi se minimiziralo ili potpuno eliminiralo nepoželjno prskanje, pukotine i poroznost.
Najmanja jezgra su jednomodne zrake prečnika 14 µm. Višemodna jezgra su tipično prečnika 50 ili 100 µm, a prstenasti snopovi su tipično do 300 µm u prečniku.
"Upotreba lasera s vlaknima s jezgrom je aktivna razvojna oblast u infracrvenom laserskom zavarivanju različitosti i tražena je od strane svih glavnih igrača," kaže Markevitch, menadžer razvoja tržišta u IPG Photonics. "AMB laser s jednomodnom jezgrom odabran je zbog svoje svestranosti, velike brzine zavarivanja i inherentne sposobnosti da se minimizira stvaranje krhkih intermetalnih spojeva."
Jednomodni AMB laser od 3 kW sa 3 kW dodatne snage u prstenastom laseru je sposoban za zavarivanje bakarnih sabirnica bez prskanja pri 60 m/min sa penetracijom većom od 0,65 mm.
Trenutni komercijalni zeleni ili plavi laseri ne mogu postići istu brzinu i kvalitet obrade, kaže Markevitch. Ali kako on ističe, na konzistentnost zavara i dalje mogu uticati varijacije u razmaku između materijala ili kontaminacija materijala. Sa tendencijom smanjenja debljine sabirnica, stezanje i pričvršćivanje postaje izazov. Nedovoljna dubina taljenja zavara može rezultirati većom otpornošću i manjom mehaničkom čvrstoćom, dok prevelika dubina topljenja ili probijanje mogu učiniti ćelije akumulatora EV opasnim od požara.
"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 stepeni."
Aluminijum se topi na 660 stepeni, bakar na 1.085 stepeni, a legure čelika na 1.500 stepeni. Dva metala sa vrlo različitim temperaturama topljenja moraju se rastopiti bez oštećenja litijumovih soli koje sadrže zapaljivi organogel ili komponente baterije (kao što su zaptivke, zaptivke i odstojnici) ispod.
In-line kontrola procesa zasnovana na spektralnoj emisiji procesa ili OCT-u može pružiti nedestruktivna mjerenja dubine zavara u realnom vremenu. Ovo omogućava poduzimanje korektivnih radnji kako bi se postigla konstantna dubina taljenja.
