Vaikka kuitulaser on ensisijainen laserlähde hitsauksessa, mutta sen lähi-infrapuna-aallonpituus (IR) heijastuu voimakkaasti tietyistä metalleista, erityisesti kuparista, mikä rajoittaa sen tehokkuutta näiden materiaalien työstössä. Tämän seurauksena suuritehoiset vihreät puolijohdelaserit ovat nousseet potentiaaliseksi vaihtoehdoksi kuparin hitsaukselle, koska kupari absorboi nämä aallonpituudet helpommin. Näillä vihreillä lasereilla on kuitenkin useita käytännön rajoituksia, jotka lopulta johtavat korkeampiin käyttökustannuksiin.

Tässä artikkelissa esitellään uusimpia kuparihitsauskokeita, joissa käytetään uudentyyppistä kuitulaser jossa on kirkas keskisäde ja säädettävä rengastila (ARM). Verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin kilowattiluokan vihreisiin lasereihin, kirkas ARM kuitulaser saavutti erinomaisen hitsauslaadun, paremman tunkeuman eri hitsausnopeuksilla ja kustannustehokkaita etuja kuparin hitsaustehtävissä. Nämä tulokset osoittavat, miten kuitulaserit tarjoavat edullisia, luotettavia ja käytännöllisiä ominaisuuksia vaativiin kuparin hitsaussovelluksiin.

Sähköajoneuvojen valmistus

Sähköajoneuvojen (EV) valmistusteollisuuden kukoistava kasvu on merkittävästi lisännyt kuparin hitsausratkaisujen kysyntää. Verrattuna muihin metalleihin kuparilla on ihanteelliset sähköiset, lämpö-, mekaaniset ja kustannusominaisuudet, minkä ansiosta sitä käytetään laajalti sähköajoneuvojen komponenteissa, kuten staattoreissa, akuissa ja sähkönjakelujärjestelmissä. Monet näistä komponenteista ja järjestelmistä sisältävät kuparihitsausta.

Vaikka kuparin korkea johtavuus ja lämmönkestävyys tekevät siitä ihanteellisen materiaalin näihin sovelluksiin, ne asettavat myös haasteita perinteisten materiaalien käytössä. kuitulaserit hitsaukseen. Tarkemmin sanottuna sen elektroniset ominaisuudet johtavat korkeaan heijastavuuteen lähi-infrapuna-aallonpituudella kuitulaseritLisäksi kuparin erinomainen lämmönjohtavuus vaatii huomattavan määrän laserenergiaa materiaalin sulattamiseen ja hitsausprosessin aloittamiseen.

Näin ollen käyttämällä perinteistä kuitulaserit Usein tarvitaan erittäin suuri teho materiaalin sulattamiseen tarvittavan tehotiheyden saavuttamiseksi. Tämä "raaka voima" -menetelmä voi kuitenkin tehdä hitsausprosessista epävakaan ja erittäin herkän pienille pinnan muutoksille. Erityisesti paikallinen pinnan hapettuminen tai pienet pinnan epätasaisuudet voivat aiheuttaa prosessin epävakautta, mikä johtaa epätasaisiin hitsauksiin, huonoon pinnanlaatuun ja huokoisuuteen. Lisäksi roiskuminen on yleinen ongelma, joka vaatii aikaa vievää jälkikäsittelyä tai johtaa alhaisempaan saantoon.

Vihreät kiinteän tilan laserit

Kupari absorboi vihreää valoa paljon tehokkaammin kuin lähi-infrapunavaloa, mutta vain huoneenlämmössä. Vihreiden lasereiden energia kytkeytyy tehokkaammin työkappaleeseen, mikä mahdollistaa vakaamman ja vähemmän herkän prosessin kuin perinteiset laserit. kuitulaseritSiksi jotkut valmistajat käyttävät suuritehoisia vihreitä puolijohdelasereita, kun taas toiset arvioivat niiden potentiaalia.

Sähköajoneuvojen valmistuksessa suurtehoisten vihreiden lasereiden käyttöönotossa on kuitenkin merkittäviä käytännön ongelmia. Jotkin haasteet johtuvat näiden vihreiden lasereiden luontaisista ominaisuuksista ja rakenteesta.

Vihreitä lasereita voidaan tuottaa lähi-infrapunalaservalon taajuuden kaksinkertaistamisella, mikä johtaa kiinteän olomuodon vihreään valoon. kuitulaserit tai kiekkolasereita. Vaikka tätä tekniikkaa käytetään laajalti pienitehoisissa (alle kilowattien) sovelluksissa, se kohtaa vaikeuksia useimmissa teollisissa kuparin hitsaustehtävissä, jotka vaativat kilowattitason tehoa. Tarkemmin sanottuna taajuuden kaksinkertaistamisprosessin hyötysuhde on noin 50 %. Näin ollen 4 kW:n yksimuotoinen infrapunalaser tarvitaan tuottamaan 2 kW:n vihreä valoteho. Käyttämätön energia muuttuu lämmöksi, joka on poistettava vesijäähdytysjärjestelmillä. Tämä tekee näistä lasereista energiatehottomia, mikä johtaa korkeampiin käyttökustannuksiin ja vaatii suuria määriä jäähdytysvettä. Lisäksi suuren tehon vuoksi taajuuden kaksinkertaistavat kiteet heikkenevät ajan myötä, mikä voi aiheuttaa luotettavuus- ja seisokkiaikoja ilman jatkuvaa valvontaa.

HighLight™ ARM -kuitulaser

Kuitulaserit ovat paljon energiatehokkaampia kuin vihreät puolijohdelaserit. Toisin sanoen ne tarvitsevat vähemmän tehoa saman nimellistehon tuottamiseen, mikä tuottaa vähemmän hukkalämpöä. Tämä alentaa käyttökustannuksia ja yksinkertaistaa jäähdytystä. Lisäksi kuitulaserit ovat erittäin luotettavia ja lähettävät infrapunavaloa tehokkaasti optisten kuitujen kautta. Näistä ihanteellisista ominaisuuksista huolimatta kuitulaserit ei ole laajalti käytetty kuparin hitsaukseen aiemmin mainittujen haasteiden vuoksi.

Korkeajännite kuitulaserit on käytetty menestyksekkäästi autoteollisuudessa jo jonkin aikaa. Sähköautojen valmistuksen haastavimmat hitsaustehtävät, erityisesti kevyiden materiaalien hitsauksessa, vaativat kuitenkin enemmän kuin vain perusenergiaa ja suurta tehoa. Käytännössä monia sovelluksia ovat:

Hyvin ohuet tai lämpöherkät materiaalit

"Vaikeasti hitsattavat" materiaalit, kuten alumiini, kupari ja suurlujuusteräkset

Eri materiaalien liitokset

Näiden haastavampien tehtävien ratkaisemiseksi laserin on suoritettava kaksi päätoimintoa. Ensinnäkin sen on tarjottava riittävästi energiaa vaaditun tehon tukemiseen. Paksumpien osien työstämiseen tarvitaan myös suurta tehoa riittävän materiaalin läpäisyn saavuttamiseksi. Toiseksi laserin on hallittava tarkasti, miten teho jakautuu työstettävälle pinnalle – sekä energiatiheyden suhteen pinta-alayksikköä kohti että energiatiheyden suhteen aikayksikköä kohti.

Coherent esitteli HighLight-sarjan säädettävän soittoäänen (ARM) kuitulaserit, jotka tuovat näiden valonlähteiden kustannukset ja käytännön hyödyt sovelluksiin, joihin perinteiset teknologiat eivät pysty täysin vastaamaan. Näissä tehtävissä on ratkaisevan tärkeää hallita huolellisesti tehon jakautumista ja tehotiheyttä työpinnalla korkealaatuisten hitsien tuottamiseksi (roiskeiden vähentäminen, halkeamien minimoiminen ja huokoisuuden vähentäminen). Tyypillisiä esimerkkejä ovat sinkityn teräksen rakohitsaus, voimansiirron osien vähäroiskeinen hitsaus ja alumiinijousituksen osien halkeamaton hitsaus ilman lisäainelankaa.

Tämä tarkka alueellisen tehonjakauman säätö saavutetaan ARM-laserin ainutlaatuisen säteen ansiosta, joka koostuu keskipisteestä ja toisesta samankeskisestä rengasmaisesta säteestä. Keski- ja rengasmaisten säteiden tehoa voidaan säätää ja mukauttaa erikseen sulan altaan dynamiikan hienosäätämiseksi.

Kuparin hitsaustulokset ARM-kuitulaserilla

Coherentin sovellusinsinöörit suorittivat sarjan kuparin hitsaustestejä ARM-laitteella. kuitulaser jossa oli kirkas 22 µm:n keskussäde ja rengasmaisen säteen sisä- ja ulkohalkaisija 100 µm/170 µm. Hitsausmateriaalina oli puhdasta kuparia. Kaikissa kokeissa käytettiin 4 kW:n lasertehoa, jonka keskussäteen teho oli 1.5 kW ja rengasmaisen säteen teho 2.5 kW. Kokeet osoittivat, että paras hitsauslaatu saavutettiin, kun polttoväli säädettiin 1.5 mm materiaalin pinnan yläpuolelle. Tämä asento löytää hyvän tasapainon hitsauksen tunkeutumissyvyyden ja laadun välillä.

Hitsaustehokkuus

ARM-laitteen hitsaustehokkuus kuitulaser mitattiin ja verrattiin 2 kW:n vihreälle laserille julkaistuihin tuloksiin. Molemmissa hitsaustesteissä käytettiin typpeä suojakaasuna. Vihreän laserin raportoitiin omaavan vakiohitsauspoikkileikkauksen 0.5 mm² ja tunkeutumissyvyyden noin 1 mm. Samanlaisten tulosten saavuttamiseksi ARM-laserilla vaadittiin 3.5 kW:n lähtöteho ja 300 mm/s hitsausnopeus, kun taas vihreän laserin hitsausnopeus oli 200 mm/s.

Pintalaatu

Toinen tärkeä näkökohta on pinnan laatu. Perinteinen kuitulaserit voi hitsata kuparia, mutta ovat erittäin herkkiä pinnanlaadun muutoksille. Kirkas ARM-himmennin kuitulaser säilytti vakaan hitsauslaadun sekä hiotuilla että kiillotetuilla kuparipinnoilla.

Yhteenveto

Nämä testit osoittavat, että Coherentin ainutlaatuinen kirkas ARM-näyttö kuitulaser on käytännöllinen ratkaisu sähköajoneuvojen vaativiin kuparin hitsaussovelluksiin. Hitsaussuunnassa tunkeutumissyvyys ja prosessointinopeus täyttävät tai ylittävät nykyiset tuotantovaatimukset. Historiallisesti pinnanlaadun herkkyys ja prosessin epävakaus ovat rajoittaneet käyttöä kuitulaserit kuparin hitsaukseen, mutta ARM-laserit ratkaisevat nämä ongelmat. Tämä uusi ARM-laser kustannustehokkuutensa, luotettavuutensa ja käytännön etujensa ansiosta sijoittuu kuitulaser teknologiaa ensisijaisena valintana monissa teollisissa sovelluksissa, ja se tuo kaikki nämä edut lopulta vaativiin kuparin hitsaustehtäviin.