Laserlassen heeft een plaats in elektrische voertuigen, lucht- en ruimtevaart, scheeps- en spoorvervoer, de bouw, de energiesector, halfgeleiders, consumentenelektronica, de productie van medische apparatuur en meer. Zelfs het samensmelten van ongelijksoortige materialen, wat moeilijk is bij conventionele lastechnieken, kan eenvoudig worden opgelost met de flexibiliteit en precisie van laserlassen, en is zelfs de voorkeursoplossing geworden. Dit proces, vaak 'ongelijkheidslassen' genoemd, is een belangrijk onderdeel van het bereiken van moderne technische doelen.
De productie van batterijen en elektrische componenten voor e-mobiliteitstoepassingen zorgt voor een grotere belangstelling voor het laserlassen van ongelijksoortige materialen zoals koper en aluminium.
Verschillend lassen zorgt voor een grotere ontwerpvrijheid bij het selecteren van verschillende materialen met goede eigenschappen zoals elektrische en thermische geleidbaarheid, ductiliteit, relatieve dichtheid, smeltpunt en hardheid, maar vereist traditioneel lijm of mechanische methoden om aan elkaar te hechten.
Hoewel de techniek elementen gemeen heeft met conventioneel lassen, biedt het een unieke kans om de mate van ontwerpvrijheid en de verscheidenheid aan materiaalcombinaties te vergroten, waardoor de productie- en assemblagekosten worden verlaagd en de prestaties van componenten of systemen worden verbeterd.
Het lassen van verschillende materialen vereist echter een zorgvuldige afweging van de lasergolflengte, het gemiddelde vermogen, het straalprofiel, de pulsbreedte en het piekvermogen. Lasersysteemparameters moeten ook worden aangepast voor specifieke materiaalcombinaties en toepassingen.
Het belangrijkste en snelst groeiende toepassingsgebied is de productie van batterijen en elektrische componenten voor elektrische voertuigen. De vraag naar elektrische voertuigen (EV’s) is de afgelopen twee jaar dramatisch toegenomen, en het lassen van ongelijksoortige materialen vormt de kern van het efficiënter en milieuvriendelijker maken van elektrische voertuigen.
Hoewel ongelijkheidslassen veel gemeen heeft met conventioneel lassen, is het optimaliseren van de kwaliteit en snelheid van de las een grotere uitdaging. De flexibiliteit van laserlassystemen biedt unieke oplossingen om nieuwe toepassingen en mogelijkheden uit te breiden. (Bijgedragen door Tomo Express)
Matthew Philpott, Chief Marketing en Sales Officer van NUBURU, een toonaangevende innovator van krachtige en heldere industriële blauwe lasertechnologie, zei: "Elektrische voertuigen zullen naar verwachting in de komende 5 tot 10 jaar meer dan 20% van de markt voor hun rekening nemen. jaren, en consumentenelektronica zal tussen de 10% en 15% verantwoordelijk zijn."
De vervaardiging van lithium-ion (Li-ion) batterijen vereist de mogelijkheid om aluminium aan koper te lassen in een folie-naar-elektrode- of elektrode-naar-elektrode-las. Bij cilindrische batterijen moeten de koperen elektrodelippen aan een stalen bus worden gelast.
Bij de productie van accupakketten zijn de cellen meestal al geassembleerd en moeten ingenieurs een ontwerp implementeren dat de cellen met elkaar verbindt om optimale energie te leveren. De huidige lithium-ionbatterijen zijn gemaakt van vernikkeld koudgewalst staal. Het lassen van een minder resistief metaal, zoals aluminium of koper, aan de standaard roestvrijstalen aansluitingen van een lithium-ionbatterij vermindert echter de weerstand, zodat er minder energie wordt verspild aan warmteverlies.
Verbeterde accuprestaties van elektrische voertuigen zijn een belangrijke factor in de gestage groei van de verkoop van elektrische voertuigen”, zegt Mark L. Boyle, senior manager product engineering en toepassingen bij AMADA WELD TECH. Betere prestaties zijn gedeeltelijk te danken aan recente ontwikkelingen op het gebied van het lassen van ongelijksoortige metalen, wat de efficiëntie verbetert door de energieopslag te vergroten, de omvang te verkleinen en de betrouwbaarheid te behouden."
Daarnaast biedt de scheepsbouwsector nog een voorbeeld waarbij ongelijksoortig lassen unieke waarde oplevert. De industrie maakt routinematig gebruik van staal-aluminium gelaste interfaces om de gewichtsverdeling te optimaliseren, wat resulteert in lagere CO2-uitstoot en verhoogde stabiliteit. Met name het lassen van een stalen romp aan een aluminium bovenbouw kan het eigen gewicht verminderen.
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 µm. (Foto door NUBURU)
"Naast het verminderen van de CO2-uitstoot en het energieverbruik, kan het zwaartepunt van het schip worden verlaagd door een intelligente opstelling van het materiaal, waardoor de transportstabiliteit wordt verbeterd." Rabi Lahdo, onderzoeker bij de Metal Welding and Cutting Group van het Hanover Laser Center, zegt.
Hoewel materialen met vergelijkbare eigenschappen doorgaans betrouwbaardere lassen opleveren, ontvangen grote spelers zoals AMADA WELD TECH steeds meer verzoeken om ongelijksoortige materialen te lassen.
"Commercieel gezien kan het kiezen van een ander materiaal de productiekosten verlagen en de prestaties van een onderdeel of apparaat verbeteren." Mark L. Boyle zei: "Als dit gebeurt, kan de keuze voor verschillende metalen worden gebruikt als een concurrentievoordeel op de markt om een beter product tegen een lagere prijs te leveren."
01 Uitdagingen en overwegingen-
Bij het versmelten van materialen zoals staal of koper met aluminium kunnen veranderingen in het smeltpunt en de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal leiden tot de vorming van broze tussengedeelten die de lasverbinding verzwakken.
"Metalen hebben verschillende smelt- en smelttemperaturen, verschillende lichtabsorptiecoëfficiënten (vooral bij bepaalde lasergolflengten) en verschillende thermische diffusiviteiten. Dit maakt het moeilijk om ze tegelijkertijd in de juiste mate te smelten." Philpott van NUBURU zegt: "Dit is het meest merkbaar bij sterk reflecterende metalen, die in het infrarood zeer verschillende absorptiecoëfficiënten kunnen hebben."
Spanningsvelden die ontstaan door verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten tijdens het afkoelen kunnen ook lassen verzwakken en kunnen leiden tot het falen van de lasverbinding. Deze harde, brosse structuren, "intermetallische fasen" genoemd, vormen zich in de overgangszone tussen het lasmetaal en het basismetaal. Dit is een fenomeen waar elke lasmethode last van kan hebben.
Dwarsdoorsnede van een ongelijksoortige las van staal en aluminium. (LZH-bijdrage)
De vorming van intermetallische fasen, zoals FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 in het staal-aluminiumsysteem en Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 in het koper-aluminiumsysteem, is te wijten aan de beperkte oplosbaarheid van de elementen”, zegt Sarah Nothdurft, hoofd van het Joining and Cutting Metals Group in het Laser Center Hannover. Dergelijke fasen vertonen ook een aanzienlijk hogere weerstand vergeleken met het basismateriaal."
Zorgvuldige selectie van de bedrijfsparameters van de laser, zoals het combineren van hoge lassnelheden, lage hittebelastingen en nauwkeurige controle van het smeltproces, stelt ingenieurs in staat een aantal van deze problemen te verzachten.
"Hoewel de vorming van intermetaalverbindingen onvermijdelijk is, is hun broosheid dat niet." Alexei Markevitch, Market Development Manager bij IPG Photonics, zei: "De juiste procesformulering kan de vorming van deze verbindingen minimaliseren en hun kneedbaarheid maximaliseren, wat resulteert in structureel gezonde, meer geleidende en stabielere lassen."
02 Toepassingen voor het lassen van verschillende materialen-
Aandacht voor de juiste mengverhoudingen en de juiste afstemming kunnen de prestaties van ongelijksoortige lasverbindingen verder verbeteren. Een I-naad met een laplasopening is bijvoorbeeld voordelig gebleken. Bij deze methode wordt een stalen plaat op een aluminium plaat geplaatst. Om intermetallische fasen te minimaliseren, wordt het lassen uitgevoerd door de stalen plaat heen en alleen naar de aluminium plaat.
Oliver Seffer, onderzoeker bij de Metal Welding and Cutting Group van het Hanover Laser Center, zegt: "Vanwege het lage aluminiumgehalte is het aandeel van dergelijke brosse fasen in de uiteindelijke microstructuur relatief laag."
03 Overwegingen bij laserparameters-
De keuze voor de lasertechnologie is afhankelijk van het te lassen materiaal. Voor afwijkende laspoorten voor glas en metalen kan een CO2-lasersysteem nodig zijn. Het lassen van aluminosilicaatglas en verschillende metalen kan baat hebben bij een femtoseconde-lasersysteem, terwijl het lassen van aluminiumlegeringen en technisch glas vaak succesvol kan zijn met een picoseconde-laserbron.
Het doel is om de warmte-inbreng te minimaliseren, spatten te elimineren, de processtabiliteit te verbeteren en een breed scala aan procesparameters te bieden tijdens het lassen met de hoogst mogelijke snelheid.
"Terwijl staallegeringen goed absorberen in het nabij-infrarode gebied, worden zelfs metalen met een hoge reflectiviteit, zoals aluminium en koper, meestal verwerkt met 1 µm lasers." Markevitch van IPG zegt: "Dit komt omdat de absorptie afhankelijk is van de temperatuur en fase van het metaal. Bij kamertemperatuur absorberen koper en aluminium ongeveer 5% bij 1 µm en 40% tot 50% bij 515 nm, met een hogere absorptie bij blauwe golflengten."
"Alle absorptievermogens nemen toe voor verwarmde metalen, en IR springt op het smeltpunt", zegt hij, "en gesmolten metalen absorberen alle golflengten heel goed. Een voldoende hoge IR-vermogensdichtheid overwint dus de hoge reflectiviteit."
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.
Rabi Lahdo zegt dat het verlagen van de vereiste outputintensiteit de turbulentie in het smeltbad vermindert, wat de processtabiliteit verbetert. "De toename van de processtabiliteit gaat gepaard met een verbetering van de kwaliteit van de hybride lasopening en spatvorming wordt onderdrukt."
Bij sleutelgatlassen van dikkere materialen, te beginnen met micro-bondgaten van honderden micrometers, zijn infraroodlasers doorgaans effectiever dan groene of blauwe lasers, wat resulteert in minder warmte-inbreng, evenals een betere laskwaliteit en hogere snelheden.
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 mm.
"De single-mode straalhelderheid van maximaal 2 kW overwint de reflecterende aard van het heldere metaal om stabiele lassen met kleine gaten te creëren met een smeltdiepte die veel dieper kan zijn dan de breedte van de las", zegt Ken Dzurko, global senior key accountmanager bij het ThruFast Laser Technology Center in Santa Clara, Californië.
"De snelle oscillatie van de straal remt de vorming van intermetallische verbindingen, waardoor de duur van de smeltfase bij de lasopening wordt beperkt." Hij zei: "Bovendien verhoogt de helderheid van de hoge bundel de lasefficiëntie en verkleint de door hitte beïnvloede zone aanzienlijk, waardoor een hoger lasvolume wordt geproduceerd bij een lager gemiddeld opgenomen vermogen."
Een andere factor die het gebruik van laserenergie beïnvloedt, is de lichtverstrooiing door de metaaldamppluim, die evenredig is met de vierde macht van de golflengte. 1070 nm-lasers verstrooien 18 keer minder dan 515 nm-lasers en 30 keer minder dan 455 nm-lasers. De hoge verstrooiingssnelheden van blauwe en groene lasers in metaaldamppluimen compenseren gemakkelijk hun iets hogere absorptiesnelheden in gesmolten materialen.
Tegenwoordig kiezen de meeste fabrikanten voor continue golflasers van 1 µm, die toonaangevend zijn op het gebied van verwerkingssnelheid, kwaliteit en kostenbesparing. Maar alle golflengten bieden voordelen, afhankelijk van de specifieke situatie. Philpott van NUBURU is bijvoorbeeld van mening dat een golflengteverschuiving naar blauw of groen licht de moeite waard is om te onderzoeken in toepassingen die profiteren van een verhoogde absorptie.
"De straalafgifte voor blauw- of groenlichtlasers (bijvoorbeeld scanners, verwerkingskoppen, straalcontrole en andere hulpcomponenten) is vergelijkbaar met die gebruikt voor NIR-lasers." Philpott zegt: "Als gevolg hiervan is de conversie van infrarood naar blauw of groen licht heel eenvoudig, en de methode om de pluim te beheersen is vergelijkbaar, dus er zijn geen problemen als gevolg van absorptie of verstrooiing."
De huidige lasersystemen zijn beperkt tot 3 kW bij 515 nm en 4 kW bij 455 nm, en vanwege de beperkte straalkwaliteit van blauwe lasers zijn de focusseerbaarheid van de straal en de verwerkingsefficiëntie ook beperkt.
"Bij het lassen van koper met behulp van laserstraalgolflengten in het zichtbare bereik, vooral in het blauwe lichtspectrum, is er momenteel een gebrek aan voldoende laserstraalvermogen en de vereiste straalkwaliteit", zegt Rabi Lahdo. "Het bereiken van een hoge straalkwaliteit is de grootste uitdaging wanneer het gebruik van laserdiodes om laserstraling te genereren. Bovendien zijn zichtbare lasers gevoeliger voor beschadiging van de optica dan infraroodbronnen, wat de levensduur verkort en de kosten verhoogt. "
Ondanks de uitdagingen verwacht Philpott verdere verbeteringen in de soldeerprestaties en -waarde, aangezien de beschikbaarheid en prestaties van blauwlichtdiodes blijven verbeteren.
"Er zijn geen betrouwbaarheids- of kostenrisico's verbonden aan het bedienen van lasers binnen de ontwerptoleranties van de optica", zei hij. "Dat gezegd hebbende, kunnen klanten een korte levensduur van de optica ervaren met het product van een bepaalde laserleverancier; als een fabrikant echter geen product op de markt brengt zonder dat de optische apparaten correct zijn gevalideerd, kan dit bij elke golflengte gebeuren."
04
-Specialisatie van lasersystemen-
Continugolfvezellasers kunnen aluminium en koper lassen met de juiste controle van het straalprofiel. De ontwikkeling van kern-ringbundelprofielen en krachtigere scansystemen heeft de kwaliteit en het potentieel van hybride laspoorten de afgelopen tien jaar aanzienlijk verbeterd.
Bij het lassen van kleine gaten in koper en aluminium worden de gaten bij hoge lassnelheden instabiel. Eén manier om deze instabiliteit te elimineren is door de lassnelheid te verlagen, maar dit is meestal niet wenselijk. In plaats daarvan is een andere methode het gebruik van een galvanometer om oscillatie aan de laserstraal toe te voegen om het gesmolten bad in beweging te brengen. Dit verbetert de convectie in de smeltstroom om te voorkomen dat kleine gaatjes instorten. Het levert doorgaans een las van uitstekende kwaliteit op, maar vertraagt het lasproces verder.
Een derde manier om spatten tijdens hogesnelheidslassen te elimineren is het gebruik van een AMB-laser (Adjustable Mode Beam), die een kernstraal uitzendt omgeven door een ringstraal. Het vermogen en de intensiteit van de kernbundel bepalen de penetratiediepte van de kleine gaten, terwijl de energie van de ringbundel de kleine gaten stabiliseert om ongewenste spatten, scheuren en porositeit te minimaliseren of volledig te elimineren.
De kleinste kernen zijn single-mode balken met een diameter van 14 µm. Multimode-kernen hebben doorgaans een diameter van 50 of 100 µm, en ringbundels hebben doorgaans een diameter tot 300 µm.
"Het gebruik van core-ring fiberlasers is een actief ontwikkelingsgebied bij het infrarood-dissimilariteitslaserlassen en is gewild bij alle grote spelers", zegt Markevitch, marktontwikkelingsmanager bij IPG Photonics. "De AMB-laser met een single-mode kern werd gekozen vanwege zijn veelzijdigheid, hoge lassnelheden en inherente vermogen om de vorming van broze intermetallische verbindingen te minimaliseren."
Een 3 kW single-mode core AMB-laser met 3 kW extra vermogen in een ringlaser is in staat om spatvrij koperen raillassen te lassen bij 60 m/min met een penetratie van meer dan 0,65 mm.
De huidige commerciële groene of blauwe lasers kunnen niet dezelfde verwerkingssnelheid en kwaliteit bereiken, zegt Markevitch. Maar zoals hij opmerkt, kan de lasconsistentie nog steeds worden beïnvloed door variaties in de opening tussen materialen of materiaalverontreiniging. Omdat de dikte van de rail steeds kleiner wordt, wordt klemmen en fixeren een uitdaging. Een onvoldoende smeltdiepte van de las kan resulteren in een hogere weerstand en een lagere mechanische sterkte, terwijl een te grote smeltdiepte of doorboring ervoor kan zorgen dat EV-batterijcellen brandgevaarlijk worden.
"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 graden."
Aluminium smelt bij 660 graden, koper bij 1085 graden en staallegeringen bij 1500 graden. Twee metalen met zeer verschillende smelttemperaturen moeten worden gesmolten zonder de lithiumzouten te beschadigen die brandbare organogel of batterijcomponenten (zoals afdichtingen, pakkingen en afstandhouders) bevatten.
In-line procescontrole op basis van spectrale procesemissie of OCT kan real-time niet-destructieve lasdieptemetingen opleveren. Hierdoor kunnen corrigerende maatregelen worden genomen om een constante smeltdiepte te bereiken.
