先辈激光技能在电动车的使用——利用可调环形模态光纤激光举行铜焊接

 西安j9九游激光     |      2022-08-08

      固然光纤激光是焊接的次要激光源,但它们的近红外(IR)波长输入会被某些金属(尤其是铜)高度反射,这限定了它们对这些质料的无效加工性。因而,高功率固态绿光激光已成为铜焊接的一种大概替换方案,由于这些波长更容易被该金属吸取。但,这些绿光激光有多种实践限定,终极招致了更高的利用本钱。

  本文介绍了近来利用具有高亮度中心光束的新型可调环形模态 (ARM) 光纤激光乐成实行的铜焊接测试的后果。与市售千瓦级绿光激光相比,高亮度 ARM 激光在这些测试中完成了精彩的焊接质量,并在种种焊接速率下具有更好的浸透结果。这些后果表现,这项技能可以为要求严苛的铜焊接义务带来光纤激光的低本钱、牢靠性和适用性的上风。




  电动车制造

  电动车制造业的发达开展是推进铜焊接办理方案需求明显增加的次要要素。与其他金属相比,铜具有很多抱负的电气、热、机器和本钱特征,这便是它在电动汽车中普遍利用的缘故原由(用于电动马达的定子、电池、以及配电体系即总线等)。并且,此中很多部件和体系的制造都触及铜焊接。

  不外,固然高导电性和导热性特征可以让铜成为这些使用的抱负选择,但异样会给利用传统光纤激光举行焊接带来应战。详细来说,它的电子特征使其在光纤激光的近红外波永劫具有高反射性。别的,它具有精彩的导热性,因而必要输出少量激光能量才干熔化质料并开端焊接历程。

  因而,在利用传统光纤激光时,通常必要十分高的功率才干到达开端熔化质料所需的功率密度。但,这种“蛮力”办法会使焊接历程变得不波动,而且对事情外表的巨大变革极为敏感。分外是,存在的部分外表氧化或小范围外表布局不匀称性会招致历程不波动。终极大概会失掉纷歧致的焊缝、很差的外表质量和孔隙度。并且喷溅征象也广泛存在,招致费时的后处置步伐或良率降落。

  固态绿光激光

  铜的绿光吸取率比近红外光吸取率超过跨过近一个级数,但,在室温下才云云。来自绿光激光的能量可以更无效地耦合到工件中,从而完成比传统光纤激光更波动且更不敏感的历程。因而,一些制造商正在利用高功率固态绿光激光,而更多制造商正在对其举行评价。

  不外,在电动汽车制造中摆设高功率绿光激光存在一些严重的实践题目。一些题目源于这些绿光激光自己的固有特征和布局。

  可由近红外光的激光利用倍频功效将红外光转换为绿光输入,发生固态绿光光纤激光或碟形激光。固然该技能在低功率(低于千瓦级)使用中普遍接纳,但在大少数产业铜焊接义务必要千瓦功率程度上,它开端遇到一些难。详细来说,倍频历程自己的服从只要 50% 左右。因而,必要 4 kW 单模红外激光才干发生 2 kW 的绿光输入功率。未转换的能量将变为热量,必需经过水冷散热器移除。这使得这些激光的动力服从低下(更高的电力斲丧招致更高的运转本钱),而且必要少量的冷却水。别的,由于利用高功率,倍频晶领会在颠末一段工夫后产生退步,假如没有随时监看,大概会发生牢靠性和停机题目。一些设计使用庞大的光束偏移器和晶体温度波动器对此举行赔偿。

  “…必要 4 kW 单模红外激光才干发生 2 kW 的绿光输入功率。”

  绿光激光的另一个实践题目是用于光束传输的尺度光纤更容易因绿光而变暗,从而延长其无效利用寿命。用于绿光的公用光纤可以克制这个题目,但代价更高且不易取得。变暗结果还随着光纤长度的增长而加强。由于这一题目,现在的光纤长度不克不及凌驾 10 m,这低落了激光在消费情况中的部署机动性。别的,市售的绿光高功率一连波激光的输入功率下限现在限定为 2 kW。

  大少数产业激光均输入近红外光,因而支持它们的整个底子办法都基于此波长。比方,绿光激光加领班的可用选择有限,而且通常必要订制。异样,帮助透镜、掩护罩玻璃等光学元件也多用于红外激光。因而,曾经利用红外激光的制造商大概必要保存更多的备品和斲丧品库存,以便在其操纵中顺应绿光激光的利用,而不会呈现办事耽误和停机。

  HighLight™ ARM 光纤激光

  光纤激光的电服从比固态绿光激光高得多。也便是说,为了提供额外的输入功率,它们必要更少的电力并发生更少的废热。这低落了利用本钱并简化了冷却。别的,光纤激光十分牢靠。并且,它们的红外光输入可及时经过光纤举行传输。但,由于后面所述的题目,只管有这些抱负特征,它们并没有被普遍用于铜焊接。

  高功率光纤激光已乐成用于汽车消费一段工夫,但如今消费线上增援电动车和轻量化的最顺手的焊接技能必要的不但仅是根本能量和高功率。只管实践上有相称多样的差别单一使用步伐,但此中大少数通常包括了:

  • 十分薄或热敏感的质料;

  • 铝、铜和高强度钢等“难”焊接质料;

  • 差别质料的联合。

  为了完成这些更具应战性的义务,激光必需提供两种次要功效。起首是充足的能量来增援须要的产出率。在处置较厚的部件时,还必要高功率来完成充足的质料穿透率。第二个是准确控制激光功率在事情外表散布方法的才能——无论是在单元面积能量密度上照旧单元工夫的能量密度。

  Coherent 几年前推出了 HighLight 系列可调环形模态 (ARM) 光纤激光,已将这些光源的本钱和适用上风引入传统技能无法充实办理的使用。通常,在这些义务中必需细心控制事情外表的功率空间散布和功率密度,以发生精良的焊接质量(增加飞溅、明显增加裂纹并低落孔隙率)。典范示例包罗镀锌钢板的零间隙焊接、动力总成部件的低飞溅焊接以及在不利用添补焊丝的状况下无裂纹铝制悬挂部件的焊接。

  空间功率散布的这种准确控制是经过 ARM 激光的共同输入光束完成的,该光束包括一其中心光斑,四周是另一个同心环形光束。中心和环形光束的功率可以依据必要独立调解和订制,从而完成对熔池动力学的精密控制。

  Coherent 的 HighLight ARM 激光可提供差别的中心/环形光束比率和功率程度,最大功率高达 10 kW,可针对特定使用举行订制。中心的直径可设置装备摆设为 22 µm 至 100 µm,环形光束外径可设置装备摆设为 140 µm 至 200 µm。这足以实行简直一切更要害的焊接义务在充足的产出量。现实上,大少数最精密和最严苛的条件通常利用不到一半的能量。

  关于铜焊接,必要高强度、高能量密度的中心光束。这提供了轻松熔化质料所需的能量,只管它的吸取系数绝对较低,一旦铜被加热它就会很好地吸取红外线,在环形光束加热质料直到它消融,接上去,一个大功率的中心光束来创建 Keyhole,在焊接历程中,环形光束坚持了一些功率,这波动了 Keyhole 使其不那么湍流和杂乱,少量增加了飞溅。然后,IR 较低的吸取率实践上成为一个上风,一旦创建了 Keyhole,它就会变得更容易穿透,从而更容易焊接较厚的底材。后果是,无论工件的外表变革怎样或上下质料的厚度差别几多,都可以从激光肇始点开端一直如一地维持焊接质量,以发明一个洁净、匀称的焊接质量,增加少量的喷溅,从而克制传统光纤激光的范围性。

  这种相反的才能可以依据质料制定加热曲线 (Temperature profile),以最大限制地进步Keyhole 的波动性和分歧性,包罗在焊缝双方末了,在焊接其他难质料(如铝和镀锌钢)时具有相似的利益。并且,它可以对薄、细或热敏质料举行高精度焊接。

  “关于铜焊接,必要高强度、高功率的中心光束。”



  图 1:HighLight FL4000CSM-ARM 光纤激光设置装备摆设

  铜焊接后果

  Coherent使用工程师利用 ARM 激光举行了一系列铜焊接测试,该激光具有直径为 22 µm 的高亮度中心光束和内径/外径为 100 µm/170 µm 的环形光束。利用缩小倍率为1.4 的远端加领班聚焦激光,并利用氮气作为掩护气体和横向射流。焊接的质料是纯铜。一切测试的激光功率均为 4 kW,中心为 1.5 kW,环形光束为 2.5 kW。照片(图 2)表现了实行安装。

  经过改动核心地位,最初确定核心设置到质料外表上方 1.5 mm 时的焊接质量最好。详细来说,此地位是焊透深度和焊接质量之间的相宜折衷。假如间接聚焦在质料外表上,ARM 激光会发生更深的焊透深度,但由此发生的焊缝外表质量和飞溅关于典范的电动车使用来说是不敷的。利用相宜光束核心地位(外表上方 1.5 mm)时,事情外表上的光束表面如图所示。

  “ARM (IR) 激光提供 2 倍的焊透深度”



  图 2:装备扫描头和屏障喷嘴的高亮度 ARM 光纤激光焊接站

  图中刻画了方才所述条件下厚度为 2 mm 的铜焊透深度与速率的干系。为了举行比力,还在相反条件下测试了 2 kW 绿光激光。由于 4 kW 红外光纤激光仅发生 2 kW 的绿光输入,因而利用了较低的绿光功率。比力后果标明,红外 ARM 激光在差别焊接速率下可失掉两倍的焊透深度。



  图 3: 激光聚焦在事情外表上方 1.5 mm 时 ARM 在事情外表的光束表面(中心1.5 kW,环 2.5 kW)



  图 4:与 2 kW 绿光光纤激光相比,4 kW 高亮度 ARM 的焊透深度

  焊接服从

  还丈量了 ARM 激光的焊接服从,并与之前发布的 2 kW 绿光激光的焊接后果举行了比力。两个焊缝均利用氮气作为掩护气体。绿光激光的发布材料表现了 0.5 mm² 的(恒定)焊缝横截面,焊透深度约为 1 mm。ARM 激光设置装备摆设为提供这些相反后果。详细来说,这必要 3.5 kW 的输入功率和 300 mm/s 的焊接速率,相比而言,2 kW 绿光激光的焊接速率为 200 mm/s。对这些后果举行剖析后,失掉的 ARM 激光芒性激光功率为10 J/mm,相比之下,绿光激光的线性激光功率为 11.8 J/mm。因而,绿光激光的焊接服从略高。不外,只管服从存在这一巨大差别,但 ARM 激光提供的总功率更高,因而可以以高得多的焊接速率事情。

  外表质量

  另一个紧张的思索要素是外表质量。传统光纤激光可以焊接铜,但对外表质量的变革十分敏感。照片表现了高亮度 ARM 激光在喷砂和抛光铜外表上焊接的焊道。该技能在两个外表上都坚持波动,焊接质量没有变革。



  图 5:输入功率为 3.5 kW、焊接速率为 300 mm/s 的高亮度红外 ARM 激光发生的铜焊缝横截面



  图 6:平滑和喷砂铜外表上利用 4 kW ARM 激光以差别速率(从上到下 300-150 mm/s)失掉的分歧焊道


  结 论

  这些测试标明,Coherent 共同的高亮度 ARM 激光是电动车中要求严苛的铜焊策应用的适用办理方案。焊透深度和加工速率切合或凌驾以后的消费要求。已往,对外表品格敏感和历程不波动题目限定了光纤激光铜焊接中的利用,ARM 激光制止了这些题目。这种新型 ARM 激光具有本钱低、牢靠性和适用上风,使得光纤激光成为很多产业使用的首选,并终极将一切这些上风引入到了要求严苛的铜焊接义务中。

  泉源:激光制造网