Lasersvetsning har en plats inom elfordon, flyg-, fartygs- och järnvägstransporter, konstruktion, energisektorn, halvledare, hemelektronik, tillverkning av medicintekniska produkter och mer. Även sammansmältningen av olika material, vilket är svårt med konventionella svetstekniker, kan enkelt lösas med lasersvetsningens flexibilitet och precision, och har till och med blivit den föredragna lösningen. Denna process, ofta kallad "olikhetssvetsning", är en viktig del av att uppnå moderna tekniska mål.
Produktionen av batterier och elektriska komponenter för e-mobilitetstillämpningar driver ett större intresse för lasersvetsning av olika material som koppar och aluminium.
Olik svetsning ger större designfrihet vid val av olika material med goda egenskaper såsom elektrisk och värmeledningsförmåga, duktilitet, relativ densitet, smältpunkt och hårdhet, men kräver traditionellt lim eller mekaniska metoder för att binda samman.
Även om tekniken har gemensamma element med konventionell svetsning, erbjuder den en unik möjlighet att öka graden av designfrihet, mångfalden av materialkombinationer, och därigenom minska tillverknings- och monteringskostnaderna och förbättra komponent- eller systemprestanda.
Men att svetsa olika material kräver noggrann hänsyn till laservåglängd, medeleffekt, strålprofil, pulsbredd och toppeffekt. Lasersystemparametrar måste också anpassas för specifika materialkombinationer och applikationer.
Det viktigaste och snabbast växande applikationsområdet är tillverkning av batterier och elektriska komponenter till elfordon. Efterfrågan på elfordon (EV) har ökat dramatiskt under de senaste två åren, och svetsning av olika material är kärnan i att göra elbilar mer effektiva och miljövänliga.
Även om olikhetssvetsning har mycket gemensamt med konventionell svetsning, är det mer utmanande att optimera svetsens kvalitet och hastighet. Flexibiliteten hos lasersvetssystem erbjuder unika lösningar för att utöka nya applikationer och möjligheter. (Bidragen av Tomo Express)
Matthew Philpott, Chief Marketing and Sales Officer för NUBURU, en ledande innovatör av industriell blålaserteknologi med hög effekt och hög ljusstyrka, sa: "Elfordon förväntas stå för mer än 20 % av marknaden under de kommande 5 till 10 år, och hemelektronik kommer att stå för mellan 10 % och 15 %."
Tillverkningen av litiumjonbatterier (Li-ion) kräver förmågan att svetsa aluminium till koppar i en folie-till-elektrod- eller elektrod-till-elektrod-svets. I cylindriska batterier måste kopparelektrodklackarna svetsas till en stålburk.
Vid tillverkning av batteripaket är cellerna vanligtvis redan monterade och ingenjörer måste implementera en design som kopplar ihop cellerna för att ge optimal energi. Nuvarande litiumjonbatterier är gjorda av nickelpläterat kallvalsat stål. Men att svetsa en mindre resistiv metall, såsom aluminium eller koppar, till de vanliga polerna i rostfritt stål på ett litiumjonbatteri minskar dess motstånd, så att mindre energi går till spillo vid värmeförlust.
Förbättrad prestanda för elfordonsbatterier är en viktig faktor i den stadiga tillväxten av elfordonsförsäljningen", säger Mark L. Boyle, senior manager för produktteknik och applikationer på AMADA WELD TECH. Bättre prestanda beror delvis på den senaste utvecklingen inom olik metallsvetsning, som förbättrar effektiviteten genom att öka energilagringen, minska storleken och bibehålla tillförlitligheten."
Dessutom ger varvsindustrin ytterligare ett exempel där olik svetsning ger unikt värde. Industrin använder rutinmässigt stål-aluminiumsvetsade gränssnitt för att optimera viktfördelningen, vilket resulterar i lägre CO2-utsläpp och ökad stabilitet. I synnerhet kan svetsning av ett stålskrov till en aluminiumöverbyggnad minska dödvikten.
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)
"Förutom att minska CO2-utsläppen och energiförbrukningen kan fartygets tyngdpunkt sänkas genom intelligent arrangemang av materialet, vilket förbättrar transportstabiliteten." Rabi Lahdo, forskare i Metal Welding and Cutting Group vid Hannover Laser Center, sa.
Även om material med liknande egenskaper vanligtvis ger mer tillförlitliga svetsar, får stora aktörer som AMADA WELD TECH ett ökande antal förfrågningar om att svetsa olika material.
"Kommersiellt kan valet av ett annat material minska tillverkningskostnaderna och förbättra prestandan för en komponent eller enhet." Mark L. Boyle sa: "När detta händer kan valet av olika metaller användas som en konkurrensfördel på marknaden för att tillhandahålla en bättre produkt till ett lägre pris."
01 Utmaningar och överväganden-
Vid sammansmältning av material som stål eller koppar med aluminium kan förändringar i materialets smältpunkt och värmeutvidgningskoefficient leda till att det bildas spröda mellanpartier som försvagar svetsfogen.
"Metaller har olika smält- och smälttemperaturer, olika ljusabsorptionskoefficienter (särskilt vid vissa laservåglängder) och olika termisk diffusivitet. Detta gör det svårt att smälta dem till rätt grad samtidigt." NUBURUs Philpott säger: "Detta är mest märkbart i högreflekterande metaller, som kan ha väldigt olika absorptionskoefficienter i det infraröda."
Spänningsfält som skapas av olika värmeutvidgningskoefficienter under kylning kan också försvaga svetsar och kan leda till svetsfogbrott. Dessa hårda, spröda strukturer, kallade "intermetalliska faser", bildas i övergångszonen mellan svetsmetallen och basmetallen. Detta är ett fenomen som kan plåga vilken svetsmetod som helst.
Tvärsnitt av en olikhetssvets av stål och aluminium. (LZH-bidrag)
Bildandet av intermetalliska faser, såsom FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 i stål-aluminium-systemet och Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 i koppar-aluminium-systemet, beror på den begränsade lösligheten av elementen", säger Sarah Nothdurft, chef för Join and Cutting Metals Group vid Laser Center Hannover. Sådana faser uppvisar också betydligt högre resistivitet jämfört med basmaterialet."
Noggrant val av laserns driftsparametrar, som att kombinera höga svetshastigheter, låga värmebelastningar och exakt kontroll av smältprocessen, gör att ingenjörer kan lindra några av dessa problem.
"Medan bildandet av intermetalliska föreningar är oundvikligt, är deras sprödhet det inte." Alexei Markevitch, marknadsutvecklingschef på IPG Photonics, sa: "Rätt processformulering kan minimera bildningen av dessa föreningar och maximera deras formbarhet, vilket resulterar i strukturellt sunda, mer ledande och stabilare svetsar."
02 Applikationer för svetsning av olika material-
Uppmärksamhet på korrekta blandningsförhållanden och korrekt matchningsarrangemang kan ytterligare förbättra prestandan hos olika svetsfogar. Till exempel har en I-söm med överlappssvetsöppning visat sig vara fördelaktig. I denna metod placeras en stålplåt på en aluminiumplåt. För att minimera intermetalliska faser utförs svetsningen genom stålplåten och endast till aluminiumplåten.
Oliver Seffer, en forskare i Metal Welding and Cutting Group vid Hannover Laser Center, säger: "På grund av den låga aluminiumhalten är andelen sådana spröda faser i den slutliga mikrostrukturen relativt låg."
03 Laserparameteröverväganden-
Valet av laserteknik beror på vilket material som ska svetsas. Olika svetsportar för glas och metaller kan kräva ett CO2-lasersystem. Svetsning av aluminiumsilikatglas och olika metaller kan dra nytta av ett femtosekundlasersystem, medan svetsning av aluminiumlegeringar och tekniskt glas ofta kan vara framgångsrikt med en pikosekundlaserkälla.
Målet är att minimera värmetillförseln, eliminera stänk, förbättra processstabiliteten och tillhandahålla ett brett fönster av processparametrar samtidigt som man svetsar med högsta möjliga hastighet.
"Medan stållegeringar absorberar bra i det nära-infraröda området, bearbetas även metaller med hög reflektivitet, såsom aluminium och koppar, oftast med 1 µm lasrar." IPG:s Markevitch säger: "Detta beror på att absorptionen beror på metalltemperaturen och fasen. Vid rumstemperatur absorberar koppar och aluminium cirka 5% vid 1 µm och 40% till 50% vid 515 nm, med högre absorption vid blå våglängder."
"All absorptionsförmåga ökar för upphettade metaller, och IR hoppar vid smältpunkten", säger han, "och smälta metaller absorberar alla våglängder mycket väl. En tillräckligt hög IR-effekttäthet övervinner alltså den höga 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 säger att en sänkning av den erforderliga utmatningsintensiteten dämpar turbulensen i den smälta poolen, vilket förbättrar processstabiliteten. "Ökningen i processstabilitet åtföljs av en förbättring av kvaliteten på hybridsvetsöppningen, och stänkbildning undertrycks."
Vid nyckelhålssvetsning av tjockare material, med början med mikrobindningshål på hundratals mikrometer, är infraröda lasrar vanligtvis mer effektiva än gröna eller blå lasrar, vilket resulterar i mindre värmetillförsel, samt bättre svetskvalitet och snabbare 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.
"Single-mode strålens ljusstyrka på upp till 2 kW övervinner den reflekterande naturen hos den ljusa metallen för att skapa stabila småhålssvetsar med ett smältdjup som kan vara mycket djupare än svetsens bredd", säger Ken Dzurko, global senior key account manager på ThruFast Laser Technology Center i Santa Clara, Kalifornien.
"Den snabba oscillationen av strålen hämmar bildningen av intermetalliska föreningar, vilket begränsar varaktigheten av smältfasen vid svetsöppningen." Han sa, "Dessutom ökar ljusstyrkan med hög ljusstyrka svetseffektiviteten och minskar den värmepåverkade zonen avsevärt, vilket ger en högre svetsvolym vid en lägre medeleffekt."
En annan faktor som påverkar användningen av laserenergi är ljusspridningen av metallångplymen, som är proportionell mot våglängdens fjärde potens. 1070nm lasrar sprider 18 gånger mindre än 515nm lasrar och 30 gånger mindre än 455nm lasrar. De höga spridningshastigheterna för blå och gröna lasrar i metallångplymer uppväger lätt deras något högre absorptionshastigheter i smält material.
Idag väljer de flesta tillverkare kontinuerliga våg 1 µm lasrar, som leder vägen när det gäller bearbetningshastighet, kvalitet och kostnadsreduktion. Men alla våglängder erbjuder fördelar, beroende på den specifika situationen. Till exempel anser NUBURUs Philpott att en våglängdsförskjutning till blått eller grönt ljus är värt att utforska i applikationer som drar nytta av ökad absorption.
"Strålleveransen för lasrar för blått eller grönt ljus (t.ex. skannrar, bearbetningshuvuden, strålstyrning och andra hjälpkomponenter) liknar den som används för NIR-lasrar." Philpott säger, "Som ett resultat är konvertering från infrarött till blått eller grönt ljus mycket lätt, och metoden för att hantera plymen är liknande, så det finns inga problem på grund av absorption eller spridning."
Dagens lasersystem är begränsade till 3kW vid 515nm och 4kW vid 455nm, och på grund av den begränsade strålkvaliteten hos blå lasrar är strålens fokuseringsförmåga och bearbetningseffektivitet också begränsad.
"När man svetsar koppar med laserstrålevåglängder i det synliga området, speciellt i det blå ljusspektrumet, finns det för närvarande en brist på tillräcklig laserstråleeffekt och erforderlig strålkvalitet", säger Rabi Lahdo, "Att uppnå hög strålkvalitet är den största utmaningen när använder laserdioder för att generera laserstrålning. Dessutom är synliga lasrar mer benägna att skada optik än infraröda källor, vilket förkortar livslängden och ökar kostnaderna."
Trots utmaningarna förutser Philpott ytterligare förbättringar av lödningsprestanda och värde då blåljusdioder fortsätter att förbättras i tillgänglighet och prestanda.
"Det finns ingen tillförlitlighet eller kostnadsrisk förknippad med att använda lasrar inom designtoleranserna för optiken," sa han. "Som sagt, kunder kan uppleva kort optiklivslängd med en viss laserleverantörs produkt, men om en tillverkare inte släpper en produkt utan att optikenheterna är korrekt validerade, kan detta hända med vilken våglängd som helst."
04
-Specialisering av lasersystem-
Fiberlasrar med kontinuerliga vågor kan svetsa aluminium och koppar med korrekt kontroll av strålprofilen. Utvecklingen av kärn-ringsbalkprofiler och kraftfullare skanningssystem har avsevärt förbättrat kvaliteten och potentialen hos hybridsvetsportar under det senaste decenniet.
Vid småhålssvetsning av koppar och aluminium blir hålen instabila vid höga svetshastigheter. Ett sätt att eliminera denna instabilitet är att sakta ner svetshastigheten, men detta är vanligtvis inte önskvärt. Istället är en annan metod att använda en galvanometer för att lägga till oscillation till laserstrålen för att agitera den smälta poolen. Detta förbättrar konvektionen i smältströmmen för att förhindra att små hål kollapsar. Det ger vanligtvis en svets av utmärkt kvalitet, men saktar ner svetsprocessen ytterligare.
Ett tredje sätt att eliminera stänk under höghastighetssvetsning är att använda en AMB-laser (Adjustable Mode Beam), som avger en kärnstråle omgiven av en ringstråle. Kärnstrålens kraft och intensitet bestämmer penetrationsdjupet för de små hålen, medan energin från ringstrålen stabiliserar de små hålen för att minimera eller helt eliminera oönskade stänk, sprickor och porositet.
De minsta kärnorna är single-mode balkar med en diameter på 14 µm. Multimod-kärnor är typiskt 50 eller 100 µm i diameter, och ringstrålar är vanligtvis upp till 300 µm i diameter.
"Användningen av kärnringfiberlasrar är ett aktivt utvecklingsområde inom lasersvetsning med infraröd olikhet och är eftertraktad av alla stora aktörer", säger Markevitch, marknadsutvecklingschef på IPG Photonics. "AMB-lasern med en enkellägeskärna valdes för dess mångsidighet, höga svetshastigheter och inneboende förmåga att minimera bildningen av spröda intermetalliska föreningar."
En 3 kW singelmodskärna AMB-laser med 3 kW extra effekt i en ringlaser klarar av stänkfri kopparsamlesvetsning med 60 m/min med mer än 0,65 mm penetration.
Nuvarande kommersiella gröna eller blå lasrar kan inte uppnå samma bearbetningshastighet och kvalitet, säger Markevitch. Men som han påpekar kan svetskonsistensen fortfarande påverkas av variationer i gapet mellan material eller materialföroreningar. Med tendensen att tjockleken på samlingsskenorna minskar blir fastspänning och fixering en utmaning. Otillräckligt svetssmältdjup kan resultera i högre motstånd och lägre mekanisk hållfasthet, medan överdrivet smältdjup eller håltagning kan göra EV-battericeller till en brandrisk.
"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 smälter vid 660 grader, koppar vid 1 085 grader och stållegeringar vid 1 500 grader. Två metaller med mycket olika smälttemperaturer måste smältas utan att skada litiumsalterna som innehåller brandfarlig organogel eller batterikomponenter (som tätningar, packningar och distanser) nedan.
In-line processtyrning baserad på spektral processemission eller OCT kan ge icke-förstörande svetsdjupsmätningar i realtid. Detta gör att korrigerande åtgärder kan vidtas för att uppnå ett konstant smältdjup.
