Während Faserlaser Als primäre Laserquelle zum Schweißen ist der Nahinfrarot-Laser (NIR) zwar gut geeignet, seine Strahlung wird jedoch von bestimmten Metallen, insbesondere Kupfer, stark reflektiert, was seine Effektivität bei der Bearbeitung dieser Materialien einschränkt. Daher haben sich leistungsstarke grüne Festkörperlaser als mögliche Alternative zum Kupferschweißen etabliert, da diese Wellenlängen von Kupfer besser absorbiert werden. Allerdings weisen diese grünen Laser einige praktische Einschränkungen auf, die letztendlich zu höheren Betriebskosten führen.

Dieser Artikel stellt aktuelle Tests zum Kupferschweißen mit einer neuen Art von Schweißverfahren vor. Faserlaser mit einem hochbrillanten Zentralstrahl und einstellbarem Ringmodus (ARM). Im Vergleich zu handelsüblichen grünen Lasern der Kilowattklasse bietet der hochbrillante ARM Faserlaser Sie erzielten eine überlegene Schweißqualität, eine bessere Einbrandtiefe bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten und Kostenvorteile bei Kupferschweißarbeiten. Diese Ergebnisse zeigen, wie Faserlaser bieten niedrige Kosten, Zuverlässigkeit und Praktikabilität für anspruchsvolle Kupferschweißanwendungen.

Herstellung von Elektrofahrzeugen

Die boomende Elektrofahrzeugindustrie hat die Nachfrage nach Kupferschweißlösungen deutlich gesteigert. Kupfer besitzt im Vergleich zu anderen Metallen ideale elektrische, thermische, mechanische und wirtschaftliche Eigenschaften und wird daher in Elektrofahrzeugen häufig für Komponenten wie Statoren, Batterien und Stromverteilungssysteme eingesetzt. Viele dieser Komponenten und Systeme erfordern Kupferschweißen.

Kupfer ist zwar aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und seiner thermischen Eigenschaften ein ideales Material für diese Anwendungen, stellt aber bei der Verwendung herkömmlicher Verfahren auch eine Herausforderung dar. Faserlaser zum Schweißen. Insbesondere führen seine elektronischen Eigenschaften zu einer hohen Reflektivität im nahen Infrarotbereich. FaserlaserDarüber hinaus erfordert die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Kupfer eine beträchtliche Menge an Laserenergie, um das Material zu schmelzen und den Schweißprozess einzuleiten.

Daher die Verwendung traditioneller Faserlaser Um die zum Schmelzen des Materials erforderliche Leistungsdichte zu erreichen, ist oft eine extrem hohe Leistung notwendig. Diese Methode, die mit hoher Kraft arbeitet, kann den Schweißprozess jedoch instabil machen und ihn extrem empfindlich gegenüber geringfügigen Oberflächenveränderungen reagieren lassen. Insbesondere lokale Oberflächenoxidation oder kleine Oberflächenunebenheiten können zu Prozessinstabilitäten führen, was wiederum ungleichmäßige Schweißnähte, eine schlechte Oberflächenqualität und Porosität zur Folge hat. Darüber hinaus ist Spritzerbildung ein häufiges Problem, das eine zeitaufwändige Nachbearbeitung erfordert oder zu einer geringeren Ausbeute führt.

Festkörper-Grünlaser

Kupfer absorbiert grünes Licht deutlich effizienter als Nahinfrarotlicht, allerdings nur bei Raumtemperatur. Die Energie grüner Laser koppelt effektiver mit dem Werkstück und ermöglicht so einen stabileren und weniger empfindlichen Prozess als herkömmliche Verfahren. FaserlaserDaher setzen einige Hersteller auf leistungsstarke grüne Festkörperlaser, während andere deren Potenzial ausloten.

Die Verwendung von Hochleistungs-Grünlasern in der Elektrofahrzeugproduktion birgt jedoch erhebliche praktische Probleme. Einige Herausforderungen ergeben sich aus den inhärenten Eigenschaften und der Struktur dieser Grünlaser.

Grüne Laser können durch Frequenzverdopplung von Nahinfrarot-Laserlicht erzeugt werden, was zu grünem Festkörperlicht führt. Faserlaser oder Scheibenlaser. Obwohl diese Technologie in Anwendungen mit geringer Leistung (Sub-Kilowatt) weit verbreitet ist, stößt sie bei den meisten industriellen Kupferschweißprozessen, die Leistungen im Kilowattbereich erfordern, an ihre Grenzen. Insbesondere weist der Frequenzverdopplungsprozess einen Wirkungsgrad von etwa 50 % auf. Daher ist ein 4-kW-Einmoden-Infrarotlaser erforderlich, um eine grüne Lichtleistung von 2 kW zu erzeugen. Die ungenutzte Energie wird zu Wärme umgewandelt, die durch Wasserkühlung abgeführt werden muss. Dies macht diese Laser energieineffizient, was zu höheren Betriebskosten und einem hohen Kühlwasserbedarf führt. Aufgrund der hohen Leistung degradieren die Frequenzverdopplungskristalle zudem mit der Zeit, was ohne ständige Überwachung zu Zuverlässigkeitsproblemen und Ausfallzeiten führen kann.

HighLight™ ARM Faserlaser

Faserlaser sind deutlich energieeffizienter als Festkörperlaser für grünes Laserlicht. Das heißt, sie benötigen weniger Leistung, um die gleiche Nennleistung zu erzielen, und erzeugen dadurch weniger Abwärme. Dies senkt die Betriebskosten und vereinfacht die Kühlung. Darüber hinaus Faserlaser Sie sind äußerst zuverlässig und übertragen Infrarotlicht effizient durch optische Fasern. Trotz dieser idealen Eigenschaften jedoch Faserlaser Aufgrund der zuvor genannten Herausforderungen wurden sie für das Kupferschweißen nicht weit verbreitet eingesetzt.

Hohe Energie Faserlaser werden in der Automobilproduktion bereits seit einiger Zeit erfolgreich eingesetzt. Die anspruchsvollsten Schweißaufgaben in der Elektrofahrzeugproduktion, insbesondere bei Leichtbaumaterialien, erfordern jedoch mehr als nur Grundenergie und hohe Leistung. In der Praxis umfassen viele Anwendungen Folgendes:

Sehr dünne oder wärmeempfindliche Materialien

„Schwierig“ zu schweißende Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer und hochfeste Stähle

Verbindungen aus unterschiedlichen Materialien

Um diese anspruchsvolleren Aufgaben zu bewältigen, muss der Laser zwei Hauptfunktionen erfüllen. Erstens muss er ausreichend Energie für die erforderliche Leistung bereitstellen. Bei dickeren Werkstücken ist zudem eine hohe Leistung notwendig, um eine ausreichende Materialdurchdringung zu erzielen. Zweitens muss der Laser die Leistungsverteilung auf der Bearbeitungsfläche präzise steuern – sowohl hinsichtlich der Energiedichte pro Flächeneinheit als auch der Energiedichte pro Zeiteinheit.

Coherent hat die HighLight-Serie mit einstellbarem Ringmodus (ARM) vorgestellt. FaserlaserDadurch werden die Kosten- und Praxisvorteile dieser Lichtquellen für Anwendungen nutzbar, die mit herkömmlichen Technologien nicht vollständig abgedeckt werden können. Bei diesen Aufgaben ist die präzise Steuerung der Leistungsverteilung und Leistungsdichte auf der Werkstückoberfläche entscheidend, um qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzielen (Reduzierung von Spritzern, Minimierung von Rissen und Verringerung der Porosität). Typische Beispiele sind das spaltfreie Schweißen von verzinktem Stahl, das spritzerarme Schweißen von Antriebskomponenten und das rissfreie Schweißen von Aluminium-Fahrwerksteilen ohne Zusatzdraht.

Diese präzise Steuerung der räumlichen Leistungsverteilung wird durch den einzigartigen Strahlausgang des ARM-Lasers erreicht, der aus einem zentralen Spot und einem zusätzlichen konzentrischen Ringstrahl besteht. Die Leistung des zentralen und des Ringstrahls lässt sich unabhängig voneinander einstellen und individuell anpassen, um die Dynamik des Schmelzbades fein zu steuern.

Ergebnisse des Kupferschweißens mit dem ARM-Faserlaser

Die Anwendungstechniker von Coherent führten eine Reihe von Kupferschweißtests mit dem ARM durch. Faserlaser Mit einem hochbrillanten Zentralstrahl von 22 µm und einem Ringstrahl mit einem Innen-/Außendurchmesser von 100 µm bzw. 170 µm wurde geschweißt. Als Schweißmaterial diente Reinkupfer. Alle Versuche wurden mit einer Laserleistung von 4 kW durchgeführt, davon 1.5 kW für den Zentralstrahl und 2.5 kW für den Ringstrahl. Die Experimente zeigten, dass die beste Schweißqualität durch eine Fokuspositionierung von 1.5 mm über der Materialoberfläche erzielt wurde. Diese Position bietet ein optimales Verhältnis zwischen Schweißnahttiefe und -qualität.

Schweißeffizienz

Die Schweißeffizienz des ARM Faserlaser Die Ergebnisse wurden gemessen und mit veröffentlichten Daten für einen 2-kW-Grünlaser verglichen. Bei beiden Schweißversuchen wurde Stickstoff als Schutzgas verwendet. Der Grünlaser wies laut Literaturangaben einen konstanten Schweißnahtquerschnitt von 0.5 mm² und eine Eindringtiefe von etwa 1 mm auf. Um mit dem ARM-Laser vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, waren eine Ausgangsleistung von 3.5 kW und eine Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/s erforderlich, im Vergleich zu den 200 mm/s des Grünlasers.

Oberflächenqualität

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Oberflächenqualität. Traditionell Faserlaser Kupfer kann zwar geschweißt werden, reagiert aber sehr empfindlich auf Veränderungen der Oberflächenqualität. Die hochglänzenden ARM-Schweißgeräte Faserlaser gleichbleibende Schweißqualität sowohl auf geschliffenen als auch auf polierten Kupferoberflächen.

Fazit

Diese Tests belegen, dass Coherents einzigartige ARM-Technologie mit hoher Helligkeit Faserlaser ist eine praktische Lösung für die anspruchsvollen Kupferschweißanwendungen in Elektrofahrzeugen. Schweißtiefe und Verarbeitungsgeschwindigkeit erfüllen oder übertreffen die aktuellen Produktionsanforderungen. Bisher schränkten Empfindlichkeit gegenüber der Oberflächenqualität und Prozessinstabilität den Einsatz von ein. Faserlaser Für das Kupferschweißen gab es bisher Probleme, doch ARM-Laser überwinden diese Schwierigkeiten. Dieser neue ARM-Laser positioniert sich aufgrund seiner Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und praktischen Vorteile neu. Faserlaser Diese Technologie ist die bevorzugte Wahl für viele industrielle Anwendungen und bringt letztendlich all diese Vorteile auch bei anspruchsvollen Kupferschweißaufgaben zum Tragen.