La soldadura làser té un lloc en vehicles elèctrics, aeroespacial, transport marítim i ferroviari, construcció, sector energètic, semiconductors, electrònica de consum, fabricació de dispositius mèdics i molt més. Fins i tot la fusió de materials diferents, que és difícil amb les tècniques de soldadura convencionals, es pot resoldre fàcilment amb la flexibilitat i precisió de la soldadura làser, i fins i tot s'ha convertit en la solució preferida. Aquest procés, sovint anomenat "soldadura per dissemblança", és una part important per assolir els objectius d'enginyeria moderna.
La producció de bateries i components elèctrics per a aplicacions de mobilitat elèctrica està impulsant un major interès en la soldadura làser de materials diferents com el coure i l'alumini.
La soldadura diferent permet una llibertat de disseny més àmplia a l'hora de seleccionar diferents materials amb bones propietats, com ara conductivitat elèctrica i tèrmica, ductilitat, densitat relativa, punt de fusió i duresa, però tradicionalment requereix adhesius o mètodes mecànics per unir-se.
Tot i que la tècnica té elements en comú amb la soldadura convencional, ofereix una oportunitat única per augmentar el grau de llibertat de disseny, la varietat de combinacions de materials, reduint així els costos de fabricació i muntatge i millorant el rendiment dels components o del sistema.
Tanmateix, la soldadura de diferents materials requereix una consideració acurada de la longitud d'ona del làser, la potència mitjana, el perfil del feix, l'amplada del pols i la potència màxima. Els paràmetres del sistema làser també s'han de personalitzar per a combinacions de materials i aplicacions específiques.
L'àrea d'aplicació més important i de més ràpid creixement és la producció de bateries i components elèctrics per a vehicles elèctrics. La demanda de vehicles elèctrics (VE) ha augmentat dràsticament en els darrers dos anys, i la soldadura de materials diferents és el centre per fer que els vehicles elèctrics siguin més eficients i respectuosos amb el medi ambient.
Tot i que la soldadura de dissimilaritat té molt en comú amb la soldadura convencional, optimitzar la qualitat i la velocitat de la soldadura és més difícil. La flexibilitat dels sistemes de soldadura làser ofereix solucions úniques per ampliar noves aplicacions i oportunitats. (Contribuït per Tomo Express)
Matthew Philpott, director de màrqueting i vendes de NUBURU, un innovador líder en tecnologia làser blau industrial d'alta potència i brillantor, va dir: "Es preveu que els vehicles elèctrics representin més del 20% del mercat en els propers 5 a 10 anys. anys, i l'electrònica de consum representarà entre un 10% i un 15%".
La fabricació de bateries d'ions de liti (Li-ion) requereix la capacitat de soldar alumini a coure en una soldadura de làmina a elèctrode o d'elèctrode a elèctrode. En les bateries cilíndriques, les puntes de l'elèctrode de coure s'han de soldar a una llauna d'acer.
En la fabricació de bateries, les cèl·lules normalment ja estan muntades i els enginyers han d'implementar un disseny que connecti les cèl·lules per proporcionar una energia òptima. Les bateries d'ió de liti actuals estan fetes d'acer laminat en fred niquelat. Tanmateix, soldar un metall menys resistiu, com l'alumini o el coure, als terminals estàndard d'acer inoxidable d'una bateria d'ions de liti redueix la seva resistència, de manera que es malgasta menys energia en la pèrdua de calor.
El rendiment millorat de la bateria dels vehicles elèctrics és un factor important en el creixement constant de les vendes de vehicles elèctrics", va dir Mark L. Boyle, director sènior d'enginyeria de productes i aplicacions d'AMADA WELD TECH. El millor rendiment es deriva en part dels desenvolupaments recents en soldadures metàl·liques diferents. que millora l'eficiència augmentant l'emmagatzematge d'energia, reduint la mida i mantenint la fiabilitat".
A més, la indústria de la construcció naval ofereix un altre exemple on la soldadura diferent ofereix un valor únic. La indústria utilitza habitualment interfícies soldades d'acer-alumini per optimitzar la distribució del pes, donant lloc a menors emissions de CO2 i una major estabilitat. En particular, la soldadura d'un casc d'acer a una superestructura d'alumini pot reduir el pes mort.
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 de NUBURU)
"A més de reduir les emissions de CO2 i el consum d'energia, el centre de gravetat del vaixell es pot baixar mitjançant la disposició intel·ligent del material, millorant així l'estabilitat del transport". Rabi Lahdo, investigador del grup de soldadura i tall de metalls del Hannover Laser Center, va dir.
Tot i que els materials amb propietats similars solen produir soldadures més fiables, els principals actors com AMADA WELD TECH estan rebent un nombre creixent de sol·licituds per soldar materials diferents.
"Comercialment, escollir un material diferent pot reduir els costos de fabricació i millorar el rendiment d'un component o dispositiu". Mark L. Boyle va dir: "Quan això passa, l'elecció de metalls diferents es pot utilitzar com a avantatge competitiu al mercat per oferir un producte millor a un preu més baix".
01 Reptes i consideracions-
Quan es fusionen materials com l'acer o el coure amb l'alumini, els canvis en el punt de fusió del material i el coeficient d'expansió tèrmica poden provocar la formació de parts intermèdies fràgils que debiliten la junta de soldadura.
"Els metalls tenen diferents temperatures de fusió i fusió, diferents coeficients d'absorció de llum (sobretot a determinades longituds d'ona làser) i diferents difusivitats tèrmiques. Això fa que sigui difícil fondre'ls en el grau correcte al mateix temps". Philpott de NUBURU diu: "Això es nota més en metalls altament reflectants, que poden tenir coeficients d'absorció molt diferents a l'infraroig".
Els camps d'esforç creats per diferents coeficients d'expansió tèrmica durant el refredament també poden debilitar les soldadures i poden provocar una fallada de la junta de soldadura. Aquestes estructures dures i trencadisses, anomenades "fases intermetàl·liques", es formen a la zona de transició entre el metall de soldadura i el metall base. Aquest és un fenomen que pot afectar qualsevol mètode de soldadura.
Secció transversal d'una soldadura de dissimilaritat d'acer i alumini. (aportació LZH)
La formació de fases intermetàl·liques, com ara FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 en el sistema acer-alumini i Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 en el sistema coure-alumini, es deu a la solubilitat limitada dels elements", diu Sarah Nothdurft, cap de la Unió i tall del grup de metalls al Laser Center Hannover. Aquestes fases també presenten una resistivitat significativament més alta en comparació amb el material base".
La selecció acurada dels paràmetres de funcionament del làser, com ara la combinació de velocitats de soldadura elevades, càrregues de calor baixes i un control precís del procés de fusió, permet als enginyers mitigar alguns d'aquests problemes.
"Si bé la formació de compostos intermetàl·lics és inevitable, la seva fragilitat no ho és". Alexei Markevitch, gerent de desenvolupament de mercat d'IPG Photonics, va dir: "La formulació del procés adequada pot minimitzar la formació d'aquests compostos i maximitzar la seva mal·leabilitat, donant lloc a soldadures estructuralment sòlides, més conductores i més estables".
02 Aplicacions per a la soldadura de diferents materials-
L'atenció a les proporcions de mescla adequades i els arranjaments adequats de concordança poden millorar encara més el rendiment de les juntes de soldadura diferents. Per exemple, una costura en I amb una obertura de soldadura solapada ha demostrat ser avantatjosa. En aquest mètode, es col·loca una placa d'acer sobre una placa d'alumini. Per tal de minimitzar les fases intermetàl·liques, la soldadura es realitza a través de la placa d'acer i només a la placa d'alumini.
Oliver Seffer, investigador del Grup de soldadura i tall de metalls del Hannover Laser Center, diu: "A causa del baix contingut d'alumini, la proporció d'aquestes fases fràgils a la microestructura final és relativament baixa".
03 Consideracions dels paràmetres làser-
L'elecció de la tecnologia làser depèn del material a soldar. Els ports de soldadura diferents per a vidre i metalls poden requerir un sistema làser de CO2. La soldadura de vidre d'aluminosilicat i diversos metalls es pot beneficiar d'un sistema làser de femtosegon, mentre que la soldadura d'aliatges d'alumini i vidre tècnic sovint pot tenir èxit amb una font làser de picosegundo.
L'objectiu és minimitzar l'entrada de calor, eliminar esquitxades, millorar l'estabilitat del procés i proporcionar una àmplia finestra de paràmetres de procés mentre es solda a la velocitat més alta possible.
"Si bé els aliatges d'acer absorbeixen bé a la regió de l'infraroig proper, fins i tot els metalls amb alta reflectivitat, com l'alumini i el coure, es processen majoritàriament amb làsers d'1 µm". Markevitch d'IPG diu: "Això es deu al fet que l'absorció depèn de la temperatura i la fase del metall. A temperatura ambient, el coure i l'alumini absorbeixen aproximadament un 5% a 1 µm i entre un 40% i un 50% a 515 nm, amb una major absorció a les longituds d'ona blaves".
"Totes les absorcions augmenten per als metalls escalfats i l'IR salta al punt de fusió", diu, "i els metalls fosos absorbeixen molt bé totes les longituds d'ona. Així, una densitat de potència IR prou alta supera l'alta reflectivitat".
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 diu que reduir la intensitat de sortida requerida atenua la turbulència a la piscina fosa, la qual cosa millora l'estabilitat del procés. "L'augment de l'estabilitat del procés s'acompanya d'una millora en la qualitat de l'obertura de soldadura híbrida i la formació d'esquitxades es suprimeix".
En la soldadura de panys de materials més gruixuts, començant amb forats de micro-enllaç de centenars de micròmetres, els làsers infrarojos solen ser més efectius que els làsers verds o blaus, donant lloc a menys entrada de calor, així com una millor qualitat de soldadura i velocitats més ràpides.
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.
"La brillantor del feix monomode de fins a 2 kW supera la naturalesa reflectant del metall brillant per crear soldadures estables de forats petits amb una profunditat de fusió que pot ser molt més profunda que l'amplada de la soldadura", va dir Ken Dzurko, global. gerent sènior de comptes clau al ThruFast Laser Technology Center de Santa Clara, Calif.
"La ràpida oscil·lació del feix inhibeix la formació de compostos intermetàl·lics, limitant així la durada de la fase de fusió a l'obertura de la soldadura". Va dir: "A més, la brillantor del feix elevat augmenta l'eficiència de la soldadura i redueix molt la zona afectada per la calor, produint així un volum de soldadura més gran amb una potència mitjana d'entrada més baixa".
Un altre factor que afecta l'ús de l'energia làser és la dispersió de la llum pel plomall de vapor metàl·lic, que és proporcional a la quarta potència de la longitud d'ona. Els làsers de 1070 nm es dispersen 18 vegades menys que els làsers de 515 nm i 30 vegades menys que els làsers de 455 nm. Les altes taxes de dispersió dels làsers blaus i verds en plomes de vapor metàl·lic compensen fàcilment les seves taxes d'absorció lleugerament més altes en materials fosos.
Avui en dia, la majoria de fabricants trien làsers d'ona contínua d'1 µm, que lideren el camí en velocitat de processament, qualitat i reducció de costos. Però totes les longituds d'ona ofereixen avantatges, depenent de la situació concreta. Per exemple, Philpott de NUBURU creu que val la pena explorar un canvi de longitud d'ona a la llum blava o verda en aplicacions que es beneficien d'una major absorció.
"El lliurament del feix per a làsers de llum blava o verda (per exemple, escàners, capçals de processament, control de feix i altres components auxiliars) és similar al que s'utilitza per als làsers NIR". Philpott diu: "Com a resultat, la conversió de llum infraroja a llum blava o verda és molt fàcil i el mètode de gestió del plomall és similar, de manera que no hi ha problemes per absorció o dispersió".
Els sistemes làser actuals estan limitats a 3 kW a 515 nm i 4 kW a 455 nm, i a causa de la qualitat del feix limitada dels làsers blaus, la focalització del feix i l'eficiència de processament també són limitades.
"Quan es solda coure amb longituds d'ona del raig làser en el rang visible, especialment en l'espectre de la llum blava, actualment hi ha una manca de potència del raig làser suficient i la qualitat del feix requerida", diu Rabi Lahdo, "Aconseguir una alta qualitat del feix és el repte més gran quan utilitzant díodes làser per generar radiació làser. A més, els làsers visibles són més propensos a danyar l'òptica que les fonts d'infrarojos, la qual cosa redueix la vida útil i augmenta els costos".
Malgrat els reptes, Philpott preveu més millores en el rendiment i el valor de la soldadura, ja que els díodes de llum blava continuen millorant en la disponibilitat i el rendiment.
"No hi ha cap risc de fiabilitat o cost associat amb el funcionament dels làsers dins de les toleràncies de disseny de l'òptica", va dir. "Dit això, els clients poden experimentar una vida òptica curta amb el producte d'un proveïdor de làser concret; tanmateix, si un fabricant no llança un producte sense els dispositius òptics validats correctament, això pot passar amb qualsevol longitud d'ona".
04
-Especialització de sistemes làser-
Els làsers de fibra d'ona contínua poden soldar alumini i coure amb un control adequat del perfil del feix. El desenvolupament de perfils de feix d'anell central i sistemes d'escaneig més potents ha millorat significativament la qualitat i el potencial dels ports de soldadura híbrids durant l'última dècada.
Durant la soldadura de forats petits de coure i alumini, els forats es tornen inestables a altes velocitats de soldadura. Una manera d'eliminar aquesta inestabilitat és reduir la velocitat de soldadura, però això normalment no és desitjable. En lloc d'això, un altre mètode és utilitzar un galvanòmetre per afegir oscil·lació al feix làser per agitar la piscina fosa. Això millora la convecció en el corrent de fusió per evitar que els petits forats es col·lapsin. Normalment produeix una soldadura d'excel·lent qualitat, però alenteix encara més el procés de soldadura.
Una tercera manera d'eliminar les esquitxades durant la soldadura a alta velocitat és utilitzar un làser de feix de mode ajustable (AMB), que emet un feix central envoltat d'un feix d'anell. La potència i la intensitat del feix central determinen la profunditat de penetració dels forats petits, mentre que l'energia del feix d'anell estabilitza els forats petits per minimitzar o eliminar completament les esquitxades, esquerdes i porositat no desitjables.
Els nuclis més petits són feixos monomode amb un diàmetre de 14 µm. Els nuclis multimode solen tenir 50 o 100 µm de diàmetre i els feixos d'anell solen tenir fins a 300 µm de diàmetre.
"L'ús de làsers de fibra d'anell central és una àrea de desenvolupament actiu en la soldadura làser de dissimilaritat infraroja i és buscat per tots els principals actors", diu Markevitch, director de desenvolupament de mercat d'IPG Photonics. "El làser AMB amb un nucli monomode es va escollir per la seva versatilitat, les seves altes velocitats de soldadura i la seva capacitat inherent per minimitzar la formació de compostos intermetàl·lics trencadissos".
Un làser AMB de nucli monomode de 3 kW amb 3 kW de potència addicional en un làser d'anell és capaç de soldar barres de coure sense esquitxades a 60 m/min amb una penetració superior a 0,65 mm.
Els làsers verds o blaus comercials actuals no poden aconseguir la mateixa velocitat i qualitat de processament, diu Markevitch. Però, com assenyala, la consistència de la soldadura encara es pot veure afectada per les variacions de la bretxa entre els materials o la contaminació del material. Amb la tendència a disminuir el gruix de les barres, la subjecció i la fixació esdevenen un repte. Una profunditat de fusió insuficient de la soldadura pot provocar una major resistència i una menor resistència mecànica, mentre que una profunditat de fusió excessiva o una perforació poden fer que les cèl·lules de la bateria EV siguin un perill d'incendi.
"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 graus".
L'alumini es fon a 660 graus, el coure a 1.085 graus i els aliatges d'acer a 1.500 graus. S'han de fondre dos metalls amb temperatures de fusió molt diferents sense danyar les sals de liti que contenen organogels inflamables o components de la bateria (com ara segells, juntes i separadors) a continuació.
El control de procés en línia basat en l'emissió de processos espectrals o OCT pot proporcionar mesures de profunditat de soldadura no destructives en temps real. Això permet prendre mesures correctores per aconseguir una profunditat de fusió constant.
