Terwijl fiberlaser is een primaire laserbron voor lassen, maar de nabij-infrarode (IR) golflengte wordt sterk gereflecteerd door bepaalde metalen, met name koper, waardoor de effectiviteit voor het verwerken van deze materialen beperkt is. Als gevolg hiervan zijn krachtige solid-state groene lasers naar voren gekomen als een potentieel alternatief voor het lassen van koper, omdat deze golflengten gemakkelijker door koper worden geabsorbeerd. Deze groene lasers hebben echter verschillende praktische beperkingen, die uiteindelijk leiden tot hogere operationele kosten.

Dit artikel introduceert recente tests op het lassen van koper met behulp van een nieuw type fiberlaser met een centrale bundel met hoge helderheid en instelbare ringmodus (ARM). Vergeleken met commercieel verkrijgbare groene lasers van kilowattklasse is de ARM met hoge helderheid fiberlaser superieure laskwaliteit, betere penetratie bij verschillende lassnelheden en kosteneffectieve voordelen voor het lassen van koper. Deze resultaten tonen aan hoe fiberlasers bieden lage kosten, betrouwbaarheid en bruikbaarheid voor veeleisende koperlastoepassingen.

Productie van elektrische voertuigen

De bloeiende productie-industrie van elektrische voertuigen (EV) heeft de vraag naar lasoplossingen voor koper aanzienlijk gestimuleerd. Vergeleken met andere metalen heeft koper ideale elektrische, thermische, mechanische en kostentechnische eigenschappen, waardoor het veel gebruikt wordt in elektrische voertuigen voor componenten zoals statoren, batterijen en stroomdistributiesystemen. Bij veel van deze onderdelen en systemen wordt koper gelast.

Maar hoewel de hoge geleidbaarheid en thermische eigenschappen van koper het een ideaal materiaal maken voor deze toepassingen, vormen ze ook een uitdaging bij het gebruik van traditionele fiberlasers voor lassen. Specifiek resulteren de elektronische eigenschappen in een hoog reflectievermogen bij de nabij-infrarode golflengte van fiberlasers. Bovendien vereist de uitstekende thermische geleidbaarheid van koper een aanzienlijke hoeveelheid laserenergie om het materiaal te smelten en het lasproces te starten.

Dus met behulp van traditionele fiberlasers Vaak is een extreem hoog vermogen nodig om de vereiste vermogensdichtheid voor het smelten van het materiaal te bereiken. Deze “brute kracht” methode kan het lasproces echter instabiel maken en extreem gevoelig voor kleine oppervlakteveranderingen. Met name plaatselijke oxidatie van het oppervlak of kleine onregelmatigheden in het oppervlak kunnen instabiliteit van het proces veroorzaken, wat leidt tot inconsistente lassen, slechte oppervlaktekwaliteit en porositeit. Bovendien is spatten een veel voorkomend probleem, dat tijdrovende nabewerking vereist of leidt tot een lagere opbrengst.

Solid-state groene lasers

Koper absorbeert groen licht veel efficiënter dan nabij-infrarood licht, maar alleen bij kamertemperatuur. De energie van groene lasers koppelt zich effectiever aan het werkstuk, waardoor een stabieler en minder gevoelig proces mogelijk is dan bij traditionele lasers. fiberlasers. Daarom gebruiken sommige fabrikanten krachtige solid-state groene lasers, terwijl anderen het potentieel ervan evalueren.

Er zijn echter aanzienlijke praktische problemen bij het inzetten van krachtige groene lasers voor de productie van elektrische voertuigen. Sommige uitdagingen komen voort uit de inherente eigenschappen en structuur van deze groene lasers.

Groene lasers kunnen worden gegenereerd door frequentieverdubbeling van nabij-infrarood laserlicht, wat resulteert in vast groen fiberlasers of schijflasers. Hoewel deze technologie op grote schaal wordt gebruikt in toepassingen met een laag vermogen (minder dan kilowatt), ondervindt ze problemen bij de meeste industriële laswerkzaamheden aan koper waarvoor een vermogen van kilowatt nodig is. Het frequentieverdubbelingsproces heeft een efficiëntie van ongeveer 50%. Er is dus een 4 kW single-mode infraroodlaser nodig om 2 kW groen licht te produceren. De ongebruikte energie wordt warmte, die moet worden afgevoerd door waterkoelsystemen. Dit maakt deze lasers energie-inefficiënt, wat leidt tot hogere bedrijfskosten en grote hoeveelheden koelwater vereist. Bovendien degraderen de frequentieverdubbelende kristallen na verloop van tijd door het hoge vermogen, wat kan leiden tot betrouwbaarheidsproblemen en uitvaltijd zonder constante bewaking.

HighLight™ ARM fiberlaser

Vezellasers zijn veel energie-efficiënter dan solid-state groene lasers. Met andere woorden, ze hebben minder vermogen nodig om hetzelfde nominale vermogen te leveren en produceren minder afvalwarmte. Dit verlaagt de operationele kosten en vereenvoudigt de koeling. Bovendien, fiberlasers zijn zeer betrouwbaar en zenden infrarood licht efficiënt door optische vezels. Ondanks deze ideale eigenschappen, fiberlasers zijn niet op grote schaal gebruikt voor het lassen van koper vanwege de eerder genoemde uitdagingen.

Krachtig fiberlasers worden al enige tijd met succes gebruikt in de autoproductie. Voor de meest uitdagende lastaken bij de productie van EV's, vooral voor lichtgewicht materialen, is echter meer nodig dan basisenergie en hoog vermogen. In de praktijk omvatten veel toepassingen:

Zeer dunne of hittegevoelige materialen

“Moeilijk” te lassen materialen zoals aluminium, koper en hoge-sterktestalen

Verbindingen met verschillende materialen

Om deze meer uitdagende taken uit te voeren, moet de laser twee primaire functies vervullen. Ten eerste moet hij voldoende energie leveren om de vereiste output te ondersteunen. Voor dikkere onderdelen is ook een hoog vermogen nodig om voldoende materiaalpenetratie te bereiken. Ten tweede moet de laser nauwkeurig regelen hoe het vermogen wordt verdeeld over het werkoppervlak, zowel in termen van energiedichtheid per oppervlakte-eenheid als energiedichtheid per tijdseenheid.

Coherent introduceerde de HighLight-serie van instelbare ringmodus (ARM) fiberlasers, die de kosten en praktische voordelen van deze lichtbronnen naar toepassingen brengen die met traditionele technologieën niet volledig kunnen worden aangepakt. Bij deze taken is het cruciaal om de vermogensdistributie en vermogensdichtheid op het werkoppervlak zorgvuldig te regelen om lassen van hoge kwaliteit te produceren (minder spatten, minder scheuren en minder poreusheid). Typische voorbeelden zijn het lassen van gegalvaniseerd staal zonder spatten, het lassen van aandrijflijnonderdelen met weinig spatten en het lassen van aluminium ophangingsonderdelen zonder lasdraad zonder scheuren.

Deze nauwkeurige regeling van de ruimtelijke vermogensverdeling wordt bereikt door de unieke bundeluitgang van de ARM-laser, die bestaat uit een centrale spot en een extra concentrische ringvormige bundel. Het vermogen van de centrale en ringvormige bundels kan onafhankelijk van elkaar worden aangepast voor een nauwkeurige controle over de dynamica van het smeltbad.

Resultaten koperlassen met ARM fiberlaser

De applicatie-ingenieurs van Coherent voerden een reeks koperlastesten uit met behulp van de ARM fiberlaser met een centrale bundel met hoge helderheid van 22 µm en een ringvormige bundel met een binnen-/buitendiameter van 100 µm/170 µm. Het lasmateriaal was zuiver koper. Bij alle tests werd een laservermogen van 4 kW gebruikt, met 1,5 kW voor de centrale straal en 2,5 kW voor de ringvormige straal. De experimenten toonden aan dat bij het instellen van de focuspositie op 1,5 mm boven het materiaaloppervlak de beste laskwaliteit werd bereikt. Deze positie zorgt voor een goede balans tussen laspenetratiediepte en laskwaliteit.

Lasefficiëntie

Het lasrendement van de ARM fiberlaser werd gemeten en vergeleken met resultaten die gepubliceerd zijn voor een 2 kW groene laser. Beide lastesten gebruikten stikstof als beschermgas. De groene laser had een constante lasdoorsnede van 0,5 mm² en een inbranddiepte van ongeveer 1 mm. Om vergelijkbare resultaten te bereiken met de ARM laser was een uitgangsvermogen van 3,5 kW nodig en een lassnelheid van 300 mm/s, vergeleken met de lassnelheid van 200 mm/s van de groene laser.

Oppervlaktekwaliteit

Een andere belangrijke overweging is de oppervlaktekwaliteit. Traditioneel fiberlasers kunnen koper lassen, maar zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de oppervlaktekwaliteit. De ARM fiberlaser stabiele laskwaliteit op zowel geschuurde als gepolijste koperen oppervlakken.

Conclusie

Deze tests tonen aan dat Coherent's unieke ARM met hoge helderheid fiberlaser is een praktische oplossing voor de veeleisende koperlastoepassingen in elektrische voertuigen. De laspenetratiediepte en verwerkingssnelheid voldoen aan de huidige productievereisten of overtreffen deze zelfs. In het verleden beperkten de gevoeligheid van de oppervlaktekwaliteit en de instabiliteit van het proces het gebruik van fiberlasers voor koperlassen, maar ARM-lasers overwinnen deze problemen. Deze nieuwe ARM-laser, met zijn kosteneffectiviteit, betrouwbaarheid en praktische voordelen, positioneert fiberlaser technologie als de voorkeurskeuze voor vele industriële toepassingen, en brengt uiteindelijk al deze voordelen naar veeleisende koperlastaken.