Trong khi sợi laser Laser laser là nguồn laser chính dùng trong hàn, nhưng bước sóng cận hồng ngoại (IR) của nó bị phản xạ mạnh bởi một số kim loại, đặc biệt là đồng, điều này hạn chế hiệu quả của nó trong việc gia công các vật liệu này. Do đó, laser xanh trạng thái rắn công suất cao đã nổi lên như một giải pháp thay thế tiềm năng cho việc hàn đồng, vì các bước sóng này dễ bị đồng hấp thụ hơn. Tuy nhiên, các laser xanh này có một số hạn chế thực tế, cuối cùng dẫn đến chi phí vận hành cao hơn.

Bài viết này giới thiệu các thử nghiệm gần đây về hàn đồng sử dụng một loại vật liệu mới. sợi laser Với chùm tia trung tâm có độ sáng cao và chế độ vòng điều chỉnh được (ARM). So với các laser xanh lá cây công suất kilowatt hiện có trên thị trường, ARM có độ sáng cao hơn. sợi laser Đạt được chất lượng hàn vượt trội, độ xuyên thấu tốt hơn ở nhiều tốc độ hàn khác nhau và lợi thế về chi phí cho các công việc hàn đồng. Những kết quả này chứng minh cách thức... laser sợi quang Cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí, độ tin cậy và tính thực tiễn cho các ứng dụng hàn đồng đòi hỏi khắt khe.

Sản xuất xe điện

Ngành công nghiệp sản xuất xe điện (EV) đang bùng nổ đã thúc đẩy đáng kể nhu cầu về các giải pháp hàn đồng. So với các kim loại khác, đồng có các đặc tính điện, nhiệt, cơ học và chi phí lý tưởng, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong xe điện cho các bộ phận như stato, pin và hệ thống phân phối điện. Nhiều bộ phận và hệ thống này liên quan đến việc hàn đồng.

Tuy nhiên, mặc dù độ dẫn điện cao và đặc tính dẫn nhiệt tốt của đồng khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng này, nhưng chúng cũng đặt ra những thách thức khi sử dụng các vật liệu truyền thống. laser sợi quang dùng cho hàn. Cụ thể, các đặc tính điện tử của nó dẫn đến độ phản xạ cao ở bước sóng cận hồng ngoại. laser sợi quangHơn nữa, tính dẫn nhiệt tuyệt vời của đồng đòi hỏi một lượng năng lượng laser đáng kể để làm tan chảy vật liệu và bắt đầu quá trình hàn.

Do đó, việc sử dụng phương pháp truyền thống laser sợi quang Phương pháp này thường đòi hỏi công suất cực cao để đạt được mật độ công suất cần thiết cho việc làm nóng chảy vật liệu. Tuy nhiên, phương pháp "cưỡng bức" này có thể làm cho quá trình hàn không ổn định và cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi nhỏ trên bề mặt. Cụ thể, quá trình oxy hóa cục bộ trên bề mặt hoặc các bất thường nhỏ trên bề mặt có thể gây ra sự không ổn định của quá trình, dẫn đến các mối hàn không đồng nhất, chất lượng bề mặt kém và rỗ khí. Ngoài ra, hiện tượng bắn tóe là một vấn đề thường gặp, đòi hỏi phải xử lý sau hàn tốn thời gian hoặc dẫn đến giảm năng suất.

Laser xanh trạng thái rắn

Đồng hấp thụ ánh sáng xanh lục hiệu quả hơn nhiều so với ánh sáng cận hồng ngoại, nhưng chỉ ở nhiệt độ phòng. Năng lượng từ tia laser xanh lục tương tác hiệu quả hơn với vật liệu gia công, cho phép quy trình ổn định hơn và ít nhạy cảm hơn so với các phương pháp truyền thống. laser sợi quangDo đó, một số nhà sản xuất đang sử dụng laser xanh trạng thái rắn công suất cao, trong khi những nhà sản xuất khác đang đánh giá tiềm năng của chúng.

Tuy nhiên, việc triển khai laser xanh công suất cao trong sản xuất xe điện gặp phải nhiều vấn đề thực tiễn đáng kể. Một số thách thức phát sinh từ các đặc tính và cấu trúc vốn có của các laser xanh này.

Có thể tạo ra laser xanh bằng cách nhân đôi tần số ánh sáng laser cận hồng ngoại, dẫn đến laser xanh trạng thái rắn. laser sợi quang hoặc laser dạng đĩa. Mặc dù công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công suất thấp (dưới kilowatt), nhưng nó gặp khó khăn trong hầu hết các công việc hàn đồng công nghiệp đòi hỏi công suất ở mức kilowatt. Cụ thể, quá trình nhân đôi tần số có hiệu suất khoảng 50%. Do đó, cần một laser hồng ngoại đơn mode 4 kW để tạo ra đầu ra ánh sáng xanh 2 kW. Năng lượng không sử dụng sẽ chuyển thành nhiệt, cần được tản nhiệt bằng hệ thống làm mát bằng nước. Điều này làm cho các laser này hoạt động kém hiệu quả về năng lượng, dẫn đến chi phí vận hành cao hơn và cần lượng nước làm mát lớn. Ngoài ra, do công suất cao, các tinh thể nhân đôi tần số bị suy giảm theo thời gian, có khả năng gây ra các vấn đề về độ tin cậy và thời gian ngừng hoạt động nếu không được giám sát liên tục.

Laser sợi quang HighLight™ ARM

Laser sợi quang Chúng tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với laser xanh trạng thái rắn. Nói cách khác, chúng cần ít năng lượng hơn để tạo ra cùng một công suất định mức, tạo ra ít nhiệt thải hơn. Điều này giúp giảm chi phí vận hành và đơn giản hóa việc làm mát. Hơn nữa, laser sợi quang Chúng có độ tin cậy cao và truyền ánh sáng hồng ngoại hiệu quả qua các sợi quang. Tuy nhiên, bất chấp những đặc điểm lý tưởng này, laser sợi quang Chúng chưa được sử dụng rộng rãi trong hàn đồng do những khó khăn đã đề cập trước đó.

Năng lượng cao laser sợi quang Công nghệ hàn đã được sử dụng thành công trong sản xuất ô tô trong một thời gian. Tuy nhiên, những nhiệm vụ hàn khó khăn nhất trong sản xuất xe điện, đặc biệt là đối với vật liệu nhẹ, đòi hỏi nhiều hơn chỉ là năng lượng cơ bản và công suất cao. Trên thực tế, nhiều ứng dụng bao gồm:

Vật liệu rất mỏng hoặc nhạy cảm với nhiệt

Các vật liệu “khó” hàn như nhôm, đồng và thép cường độ cao.

Các mối nối liên quan đến các vật liệu khác nhau

Để giải quyết những nhiệm vụ khó khăn hơn này, laser phải thực hiện hai chức năng chính. Thứ nhất, nó phải cung cấp đủ năng lượng để hỗ trợ công suất đầu ra cần thiết. Đối với các chi tiết dày hơn, công suất cao cũng cần thiết để đạt được khả năng xuyên thấu vật liệu thích hợp. Thứ hai, laser phải kiểm soát chính xác cách phân bổ năng lượng trên bề mặt làm việc—cả về mật độ năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích và mật độ năng lượng trên mỗi đơn vị thời gian.

Coherent đã giới thiệu dòng sản phẩm HighLight với chế độ vòng điều chỉnh được (ARM). laser sợi quangĐiều này mang lại lợi ích về chi phí và tính thực tiễn của các nguồn sáng này cho những ứng dụng mà các công nghệ truyền thống không thể đáp ứng đầy đủ. Trong những nhiệm vụ này, việc kiểm soát cẩn thận sự phân bố năng lượng và mật độ năng lượng trên bề mặt làm việc là rất quan trọng để tạo ra các mối hàn chất lượng cao (giảm bắn tóe, giảm thiểu nứt và giảm độ rỗ). Các ví dụ điển hình bao gồm hàn không khe hở thép mạ kẽm, hàn ít bắn tóe các bộ phận hệ thống truyền động và hàn các bộ phận treo bằng nhôm không nứt mà không cần dây hàn phụ.

Việc kiểm soát chính xác sự phân bố công suất trong không gian này đạt được thông qua chùm tia phát ra độc đáo của laser ARM, bao gồm một điểm trung tâm và một chùm tia hình vành khuyên đồng tâm bổ sung. Công suất của chùm tia trung tâm và chùm tia hình vành khuyên có thể được điều chỉnh và tùy chỉnh độc lập để đạt được sự kiểm soát tinh tế đối với động lực của vùng nóng chảy.

Kết quả hàn đồng bằng laser sợi quang ARM

Các kỹ sư ứng dụng của Coherent đã tiến hành một loạt các thử nghiệm hàn đồng bằng cách sử dụng ARM. sợi laser Sử dụng chùm tia trung tâm có độ sáng cao 22 µm và chùm tia vòng có đường kính trong/ngoài 100 µm/170 µm. Vật liệu hàn là đồng nguyên chất. Tất cả các thử nghiệm đều sử dụng công suất laser 4 kW, với 1.5 kW cho chùm tia trung tâm và 2.5 kW cho chùm tia vòng. Các thí nghiệm cho thấy khi điều chỉnh vị trí tiêu điểm ở độ cao 1.5 mm phía trên bề mặt vật liệu, chất lượng hàn tốt nhất đạt được. Vị trí này đạt được sự cân bằng tốt giữa độ sâu thâm nhập mối hàn và chất lượng.

Hiệu quả hàn

Hiệu suất hàn của ARM sợi laser Đã tiến hành đo đạc và so sánh với các kết quả đã công bố cho laser xanh 2 kW. Cả hai thử nghiệm hàn đều sử dụng nitơ làm khí bảo vệ. Laser xanh được báo cáo là có tiết diện mối hàn không đổi là 0.5 mm² và độ xuyên sâu khoảng 1 mm. Để đạt được kết quả tương tự với laser ARM, cần công suất đầu ra 3.5 kW và tốc độ hàn 300 mm/s, so với tốc độ hàn 200 mm/s của laser xanh.

Chất lượng bề mặt

Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét là chất lượng bề mặt. Truyền thống laser sợi quang Có thể hàn đồng nhưng rất nhạy cảm với sự thay đổi chất lượng bề mặt. ARM có độ sáng cao. sợi laser Đảm bảo chất lượng hàn ổn định trên cả bề mặt đồng đã được mài và đánh bóng.

Kết luận

Các thử nghiệm này chứng minh rằng ARM độ sáng cao độc đáo của Coherent hoạt động hiệu quả. sợi laser Đây là giải pháp thiết thực cho các ứng dụng hàn đồng đòi hỏi khắt khe trong xe điện. Độ sâu thâm nhập mối hàn và tốc độ xử lý đáp ứng hoặc vượt quá các yêu cầu sản xuất hiện tại. Trước đây, độ nhạy cảm về chất lượng bề mặt và sự không ổn định của quy trình đã hạn chế việc sử dụng... laser sợi quang Đối với hàn đồng, laser ARM khắc phục được những vấn đề này. Laser ARM mới này, với hiệu quả về chi phí, độ tin cậy và những ưu điểm thực tiễn, định vị sợi laser Công nghệ này là sự lựa chọn ưu tiên cho nhiều ứng dụng công nghiệp, cuối cùng mang lại tất cả những lợi thế này cho các nhiệm vụ hàn đồng đòi hỏi khắt khe.