جوشکاری لیزری ناهمگن: پر کردن شکاف در مهندسی مدرن

جوشکاری لیزری در وسایل نقلیه الکتریکی، هوافضا، حمل‌ونقل کشتی و ریلی، ساخت‌وساز، بخش انرژی، نیمه‌رساناها، لوازم الکترونیکی مصرفی، تولید تجهیزات پزشکی و موارد دیگر جایگاهی دارد. حتی ادغام مواد غیرمشابه که با تکنیک های جوشکاری معمولی دشوار است، با انعطاف و دقت جوش لیزری به راحتی قابل حل است و حتی به راه حل ترجیحی تبدیل شده است. این فرآیند که اغلب به عنوان "جوشکاری عدم تشابه" شناخته می شود، بخش مهمی از دستیابی به اهداف مهندسی مدرن است.

تولید باتری‌ها و قطعات الکتریکی برای کاربردهای حمل‌ونقل الکترونیکی، علاقه بیشتری به جوشکاری لیزری مواد غیرمشابه مانند مس و آلومینیوم دارد.

جوشکاری غیرمشابه باعث آزادی طراحی بیشتر در هنگام انتخاب مواد مختلف با خواص خوب مانند رسانایی الکتریکی و حرارتی، شکل‌پذیری، چگالی نسبی، نقطه ذوب و سختی می‌شود، اما به طور سنتی به چسب‌ها یا روش‌های مکانیکی برای اتصال به یکدیگر نیاز دارد.

اگرچه این تکنیک دارای عناصر مشترک با جوشکاری معمولی است، اما فرصتی منحصر به فرد برای افزایش درجه آزادی طراحی، تنوع ترکیبات مواد، در نتیجه کاهش هزینه های ساخت و مونتاژ و بهبود عملکرد جزء یا سیستم ارائه می دهد.

با این حال، جوشکاری مواد مختلف نیاز به بررسی دقیق طول موج لیزر، توان متوسط، پروفیل پرتو، عرض پالس و توان پیک دارد. پارامترهای سیستم لیزر نیز باید برای ترکیبات و کاربردهای خاص مواد سفارشی شود.

مهم ترین و سریع ترین حوزه کاربرد، تولید باتری و قطعات الکتریکی برای خودروهای الکتریکی است. تقاضا برای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) در دو سال اخیر به طور چشمگیری افزایش یافته است و جوشکاری مواد غیر مشابه در قلب کارآمدتر کردن خودروهای الکتریکی و سازگار با محیط زیست است.

در حالی که جوشکاری ناهمسانی وجه مشترک زیادی با جوشکاری معمولی دارد، بهینه سازی کیفیت و سرعت جوش چالش برانگیزتر است. انعطاف پذیری سیستم های جوشکاری لیزری راه حل های منحصر به فردی را برای گسترش کاربردها و فرصت های جدید ارائه می دهد. (مشارکت توسط تومو اکسپرس)

متیو فیلپات، مدیر ارشد بازاریابی و فروش NUBURU، یکی از مبتکران برجسته فناوری لیزر آبی صنعتی با قدرت و روشنایی بالا، گفت: "پیش بینی می شود که خودروهای برقی بیش از 20 درصد از بازار را در 5 تا 10 سال آینده به خود اختصاص دهند. سال‌ها، و لوازم الکترونیکی مصرفی بین 10 تا 15 درصد خواهد بود.

ساخت باتری های لیتیوم یونی (Li-ion) نیاز به قابلیت جوشکاری آلومینیوم به مس در جوش فویل به الکترود یا جوش الکترود به الکترود دارد. در باتری‌های استوانه‌ای، شاخه‌های الکترود مسی باید به قوطی فولادی جوش داده شوند.

در تولید بسته باتری، سلول‌ها معمولاً از قبل مونتاژ شده‌اند و مهندسان باید طرحی را اجرا کنند که سلول‌ها را به هم متصل کند تا انرژی بهینه ارائه شود. باتری های لیتیوم یون فعلی از فولاد نورد سرد با روکش نیکل ساخته شده اند. با این حال، جوش دادن فلزی با مقاومت کمتر، مانند آلومینیوم یا مس، به پایانه های استاندارد فولاد ضد زنگ باتری لیتیوم یونی، مقاومت آن را کاهش می دهد، بنابراین انرژی کمتری در از دست دادن گرما هدر می رود.

مارک ال بویل، مدیر ارشد مهندسی محصول و برنامه های کاربردی در AMADA WELD TECH، گفت: بهبود عملکرد باتری خودروهای الکتریکی عامل اصلی رشد مداوم فروش خودروهای الکتریکی است. که با افزایش ذخیره انرژی، کاهش اندازه و حفظ قابلیت اطمینان، کارایی را بهبود می بخشد."

علاوه بر این، صنعت کشتی سازی مثال دیگری را ارائه می دهد که در آن جوشکاری غیرمشابه ارزش منحصر به فردی را ارائه می دهد. این صنعت به طور معمول از رابط های جوش داده شده فولاد و آلومینیوم برای بهینه سازی توزیع وزن استفاده می کند که منجر به انتشار کمتر CO2 و افزایش پایداری می شود. به طور خاص، جوش دادن بدنه فولادی به روبنای آلومینیومی می تواند وزن مرده را کاهش دهد.

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 میکرومتر (عکس از NUBURU)

علاوه بر کاهش انتشار دی‌اکسید کربن و مصرف انرژی، مرکز ثقل کشتی را می‌توان با چیدمان هوشمند مواد کاهش داد و در نتیجه ثبات حمل‌ونقل را بهبود بخشید. ربیع لاهدو، محقق گروه جوش و برش فلزات در مرکز لیزر هانوفر، گفت.

اگرچه مواد با خواص مشابه معمولا جوش های قابل اعتمادتری تولید می کنند، بازیگران اصلی مانند AMADA WELD TECH تعداد فزاینده ای از درخواست ها برای جوش دادن مواد غیر مشابه دریافت می کنند.

از نظر تجاری، انتخاب یک ماده متفاوت ممکن است هزینه های ساخت را کاهش دهد و عملکرد یک قطعه یا دستگاه را بهبود بخشد. مارک ال بویل گفت: "وقتی این اتفاق می افتد، انتخاب فلزات غیرمشابه می تواند به عنوان یک مزیت رقابتی در بازار برای ارائه محصول بهتر با قیمت کمتر مورد استفاده قرار گیرد."

01 چالش ها و ملاحظات-
هنگام ذوب موادی مانند فولاد یا مس با آلومینیوم، تغییر در نقطه ذوب مواد و ضریب انبساط حرارتی می تواند منجر به تشکیل بخش های میانی شکننده شود که اتصال جوش را ضعیف می کند.

"فلزات دارای دمای ذوب و همجوشی متفاوت، ضرایب جذب نور متفاوت (به ویژه در طول موج های لیزری خاص) و انتشار حرارتی متفاوتی هستند. فیلپات از NUBURU می‌گوید: «این در فلزات با انعکاس زیاد قابل توجه است، که می‌توانند ضرایب جذب بسیار متفاوتی در مادون قرمز داشته باشند.

میدان های تنش ایجاد شده توسط ضرایب مختلف انبساط حرارتی در طول سرد شدن نیز می توانند جوش ها را ضعیف کرده و منجر به شکست اتصالات جوش شوند. این ساختارهای سخت و شکننده که "فازهای بین فلزی" نامیده می شوند، در ناحیه انتقال بین فلز جوش و فلز پایه تشکیل می شوند. این پدیده ای است که می تواند هر روش جوشکاری را آزار دهد.

مقطع جوش ناهمسانی فولاد و آلومینیوم. (سهم LZH)

سارا نوث دورفت، رئیس بخش می گوید: تشکیل فازهای بین فلزی مانند FeAl2، Fe2Al5، FeAl3 در سیستم فولاد-آلومینیوم و Cu9AL4، CuAl2، Cu4Al3 در سیستم مس-آلومینیوم، به دلیل حلالیت محدود عناصر است. گروه اتصال و برش فلزات در مرکز لیزر هانوفر. چنین فازهایی همچنین مقاومت قابل توجهی بالاتری نسبت به مواد پایه از خود نشان می دهند.

انتخاب دقیق پارامترهای عملیاتی لیزر، مانند ترکیب سرعت های جوشکاری بالا، بارهای حرارتی کم و کنترل دقیق فرآیند ذوب، به مهندسان اجازه می دهد تا برخی از این مسائل را کاهش دهند.

در حالی که تشکیل ترکیبات بین فلزی اجتناب ناپذیر است، شکنندگی آنها اجتناب ناپذیر است. الکسی مارکویچ، مدیر توسعه بازار در IPG Photonics، گفت: "فرمولاسیون فرآیند مناسب می تواند تشکیل این ترکیبات را به حداقل برساند و چکش خواری آنها را به حداکثر برساند و در نتیجه جوش هایی از نظر ساختاری سالم، رساناتر و پایدارتر ایجاد شود."

02 کاربردهای جوشکاری مواد مختلف

توجه به نسبت‌های اختلاط مناسب و ترتیب‌های تطبیق مناسب می‌تواند عملکرد اتصالات جوش غیرمشابه را افزایش دهد. به عنوان مثال، یک درز I با دهانه جوش لبه ای سودمند است. در این روش یک صفحه فولادی روی صفحه آلومینیومی قرار می گیرد. به منظور به حداقل رساندن فازهای بین فلزی، جوشکاری از طریق صفحه فولادی و فقط به صفحه آلومینیومی انجام می شود.

اولیور سیفر، محقق گروه جوش و برش فلزات در مرکز لیزر هانوفر، می گوید: "به دلیل محتوای کم آلومینیوم، نسبت چنین فازهای شکننده در ریزساختار نهایی نسبتا کم است."

03 ملاحظات پارامتر لیزر-
انتخاب تکنولوژی لیزر به موادی که قرار است جوش داده شود بستگی دارد. پورت های جوش غیرمشابه برای شیشه و فلزات ممکن است به سیستم لیزر CO2 نیاز داشته باشد. جوشکاری شیشه آلومینوسیلیکات و فلزات مختلف ممکن است از سیستم لیزر فمتوثانیه بهره مند شود، در حالی که جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم و شیشه های فنی اغلب می تواند با یک منبع لیزر پیکو ثانیه ای موفقیت آمیز باشد.

هدف به حداقل رساندن حرارت ورودی، حذف پاشش، بهبود پایداری فرآیند و ارائه پنجره وسیعی از پارامترهای فرآیند در حین جوشکاری با بالاترین سرعت ممکن است.

در حالی که آلیاژهای فولادی در ناحیه مادون قرمز نزدیک به خوبی جذب می شوند، حتی فلزات با بازتاب بالا، مانند آلومینیوم و مس، عمدتاً با لیزرهای 1 میکرومتری پردازش می شوند. مارکویچ از IPG می گوید: "این به این دلیل است که جذب به دمای فلز و فاز بستگی دارد. در دمای اتاق، مس و آلومینیوم حدود 5٪ در 1 میکرومتر و 40٪ تا 50٪ در 515 نانومتر جذب می شوند، با جذب بالاتر در طول موج های آبی."

او می‌گوید: «همه قابلیت‌های جذب برای فلزات گرم شده افزایش می‌یابد، و IR در نقطه ذوب می‌پرد، و فلزات مذاب تمام طول موج‌ها را به خوبی جذب می‌کنند. بنابراین، چگالی توان IR به اندازه کافی بالا بر بازتابش بالا غلبه می‌کند».

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.

ربیع لحدو می‌گوید که کاهش شدت خروجی مورد نیاز، تلاطم در حوضچه مذاب را کاهش می‌دهد که ثبات فرآیند را بهبود می‌بخشد. "افزایش پایداری فرآیند با بهبود کیفیت دهانه جوش ترکیبی همراه است و تشکیل پاشش سرکوب می شود."

در جوشکاری سوراخ کلید مواد ضخیم‌تر، که با سوراخ‌های ریز پیوند صدها میکرومتری شروع می‌شود، لیزرهای مادون قرمز معمولاً مؤثرتر از لیزرهای سبز یا آبی هستند و در نتیجه گرمای ورودی کمتر و همچنین کیفیت جوش بهتر و سرعت‌های بالاتر را به همراه دارند.

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 میلی متر.

کن دزورکو، کارشناس جهانی می‌گوید: «درخشندگی پرتو تک حالته تا 2 کیلو وات بر ماهیت بازتابی فلز درخشان غلبه می‌کند تا جوش‌هایی با سوراخ‌های کوچک پایدار با عمق همجوشی ایجاد کند که می‌تواند بسیار عمیق‌تر از عرض جوش باشد». مدیر ارشد حساب کلیدی در مرکز فناوری لیزر ThruFast در سانتا کلارا، کالیفرنیا.

"نوسان سریع تیر از تشکیل ترکیبات بین فلزی جلوگیری می کند، بنابراین مدت زمان فاز ذوب در دهانه جوش را محدود می کند." وی گفت: "علاوه بر این، روشنایی پرتو بالا راندمان جوشکاری را افزایش می دهد و ناحیه متاثر از حرارت را تا حد زیادی کاهش می دهد و در نتیجه حجم جوش بالاتری را با متوسط ​​توان ورودی کمتر تولید می کند."

یکی دیگر از عوامل موثر بر استفاده از انرژی لیزر، پراکندگی نور توسط ستون بخار فلزی است که متناسب با توان چهارم طول موج است. لیزرهای 1070 نانومتری 18 برابر کمتر از لیزرهای 515 نانومتری و 30 برابر کمتر از لیزرهای 455 نانومتری پراکنده می شوند. نرخ پراکندگی بالای لیزرهای آبی و سبز در توده های بخار فلزی به راحتی نرخ جذب کمی بالاتر آنها را در مواد مذاب جبران می کند.

امروزه، اکثر تولیدکنندگان لیزرهای موج پیوسته 1 میکرومتری را انتخاب می‌کنند که در سرعت پردازش، کیفیت و کاهش هزینه پیشرو هستند. اما همه طول موج ها بسته به موقعیت خاص، مزایایی را ارائه می دهند. به عنوان مثال، فیلپات NUBURU معتقد است که تغییر طول موج به نور آبی یا سبز در کاربردهایی که از افزایش جذب سود می برند، ارزش بررسی دارد.

"تولید پرتو برای لیزرهای نور آبی یا سبز (به عنوان مثال، اسکنرها، هدهای پردازش، کنترل پرتو و سایر اجزای کمکی) مشابه آنچه برای لیزرهای NIR استفاده می شود است." فیلپات می گوید: «در نتیجه تبدیل نور مادون قرمز به نور آبی یا سبز بسیار آسان است و روش مدیریت ستون نیز مشابه است، بنابراین هیچ مشکلی به دلیل جذب یا پراکندگی وجود ندارد.

سیستم‌های لیزری امروزی به ۳ کیلووات در ۵۱۵ نانومتر و ۴ کیلووات در ۴۵۵ نانومتر محدود شده‌اند و به دلیل کیفیت پرتو محدود لیزرهای آبی، قابلیت تمرکز پرتو و کارایی پردازش نیز محدود است.

ربیع لحدو می گوید: «در زمان جوشکاری مس با استفاده از طول موج های پرتو لیزر در محدوده مرئی، به ویژه در طیف نور آبی، در حال حاضر کمبود پرتو لیزر کافی و کیفیت پرتو مورد نیاز وجود ندارد. استفاده از دیودهای لیزر برای تولید تابش لیزر. علاوه بر این، لیزرهای مرئی نسبت به منابع مادون قرمز بیشتر مستعد آسیب به اپتیک هستند که باعث کوتاه شدن عمر و افزایش هزینه ها می شود.

علی‌رغم چالش‌ها، فیلپات پیشرفت‌های بیشتری را در عملکرد و ارزش لحیم کاری پیش‌بینی می‌کند زیرا دیودهای نور آبی همچنان در دسترس بودن و عملکرد بهبود می‌یابند.

او گفت: "هیچ قابلیت اطمینان یا ریسک هزینه مرتبط با لیزرهای عملیاتی در محدوده تحمل طراحی اپتیک وجود ندارد." "با این حال، مشتریان ممکن است عمر کوتاه نوری را با یک محصول خاص تامین کننده لیزر تجربه کنند؛ با این حال، اگر یک سازنده محصولی را بدون اعتبارسنجی مناسب دستگاه های اپتیکی عرضه نکند، این امر می تواند با هر طول موجی اتفاق بیفتد."

04
-تخصص سیستم های لیزری-

لیزرهای فیبر موج پیوسته می توانند آلومینیوم و مس را با کنترل مناسب پروفیل پرتو جوش دهند. توسعه پروفیل های پرتو حلقه هسته و سیستم های اسکن قدرتمندتر به طور قابل توجهی کیفیت و پتانسیل پورت های جوش هیبریدی را در دهه گذشته بهبود بخشیده است.

در حین جوشکاری سوراخ کوچک مس و آلومینیوم، سوراخ ها در سرعت های جوشکاری بالا ناپایدار می شوند. یکی از راه های از بین بردن این ناپایداری، کاهش سرعت جوش است، اما این معمولاً مطلوب نیست. در عوض، روش دیگر استفاده از یک گالوانومتر برای اضافه کردن نوسان به پرتو لیزر برای هم زدن حوضچه مذاب است. این امر همرفت را در جریان مذاب بهبود می بخشد تا از فرو ریختن سوراخ های کوچک جلوگیری کند. معمولاً یک جوش با کیفیت عالی تولید می کند، اما روند جوشکاری را بیشتر کند می کند.

راه سوم برای از بین بردن پاشش در حین جوشکاری با سرعت بالا، استفاده از لیزر پرتو حالت قابل تنظیم (AMB) است که یک پرتو هسته ای را منتشر می کند که توسط یک پرتو حلقه ای احاطه شده است. قدرت و شدت پرتو هسته، عمق نفوذ سوراخ‌های کوچک را تعیین می‌کند، در حالی که انرژی پرتو حلقه‌ای، سوراخ‌های کوچک را تثبیت می‌کند تا پاشش، ترک‌ها و تخلخل نامطلوب را به حداقل برساند یا کاملاً از بین ببرد.

کوچکترین هسته ها پرتوهای تک حالته با قطر 14 میکرومتر هستند. هسته های چند حالته معمولاً 50 یا 100 میکرومتر قطر دارند و پرتوهای حلقه معمولاً تا 300 میکرومتر قطر دارند.

مارکویچ، مدیر توسعه بازار در IPG Photonics می گوید: «استفاده از لیزرهای فیبر حلقه هسته یک منطقه توسعه فعال در جوشکاری لیزر ناهمسانی مادون قرمز است و همه بازیگران اصلی به دنبال آن هستند. لیزر AMB با هسته تک حالته به دلیل تطبیق پذیری، سرعت جوش بالا و توانایی ذاتی آن در به حداقل رساندن تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده انتخاب شده است.

یک لیزر AMB تک حالته 3 کیلوواتی با 3 کیلووات توان اضافی در لیزر حلقه ای قادر به جوشکاری شینه مسی بدون پاشش با سرعت 6 0 متر در دقیقه با نفوذ بیشتر از 0.65 میلی متر است.

مارکویچ می گوید لیزرهای تجاری سبز یا آبی فعلی نمی توانند به سرعت و کیفیت پردازش یکسانی دست یابند. اما همانطور که او اشاره می کند، قوام جوش هنوز هم می تواند تحت تأثیر تغییرات در شکاف بین مواد یا آلودگی مواد باشد. با تمایل به کاهش ضخامت شینه، گیره و فیکسچر تبدیل به یک چالش می شود. عمق مذاب جوش ناکافی ممکن است منجر به مقاومت بیشتر و مقاومت مکانیکی کمتر شود، در حالی که عمق مذاب یا سوراخ شدن بیش از حد ممکن است سلول‌های باتری EV را به خطر آتش سوزی تبدیل کند.

"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 درجه."

آلومینیوم در 660 درجه، مس در 1085 درجه و آلیاژهای فولاد در 1500 درجه ذوب می شوند. دو فلز با دمای ذوب بسیار متفاوت باید بدون آسیب رساندن به نمک های لیتیوم حاوی ارگانوژل قابل اشتعال یا اجزای باتری (مانند مهر و موم، واشر و اسپیسر) ذوب شوند.

کنترل فرآیند درون خطی بر اساس گسیل فرآیند طیفی یا OCT می‌تواند اندازه‌گیری عمق جوش غیرمخرب را در زمان واقعی ارائه دهد. این اجازه می دهد تا اقدامات اصلاحی برای دستیابی به عمق ذوب ثابت انجام شود.