光纖激光焊接技術最新進展
2018-07-17   2841

光纖激光焊接繼續在可焊接的材料和應用方面不斷拓展。激光技術和光束傳輸器件領域的創新,正在克服激光焊接在過去所面臨的應用挑戰,例如焊接銅、異種材料、薄金屬箔或裝配不良的零件

 

光纖激光器正在提供越來越多的光束特性、波長、輸出功率和脈沖持續時間選擇。結合先進的擺動焊接技術,光纖激光器已經通過“改善與高反射率材料的耦合效果、改善熔池的凝固行為、消除缺陷、改善穿透深度控制以及補償裝配不良的零件”等進步,大大緩解了過去面臨的應用挑戰。

此外,集成的全過程監測技術,如相干成像技術(ICI)允許在焊接過程中實時收集大量信息,幫助制造商嚴格控制焊接質量,提高生產率。這些驅動型技術正在共同促進無缺陷激光焊接技術在各行各業的先進應用中快速采用。


標準焊接頭被設計成將準直的激光束聚焦到所需的光斑尺寸,并在光束傳輸過程中保持光束路徑呈靜態,在焦平面上呈現一個靜態光斑。這種標準配置,導致每種設置僅限于面向特定的應用。相比之下,擺動焊接頭在標準焊接頭內整合了掃描振鏡技術通過用內部反射鏡來移動光束,焦斑不再是靜態的,并且可以通過改變各種圖案的形狀(圖1a)、振幅和頻率來動態地調節。光束速度Vc可以由擺動頻率f和擺動直徑D控制,Vc=π D f。

圖1:擺動模式(a)和環形擺動圖案(b)


提供最佳結果的頻率設置取決于光斑尺寸、擺動直徑(以及因此產生的圓周速度Vc)和線性焊接速度。雖然有效的光束速度也取決于焊接的線速度Vw,但在大多數情況下,光束速度Vc遠高于決定焊接動態的焊接速度Vw(圖1b)。此外,這種焊接技術與標準的同軸噴嘴和輔助氣體端口兼容,這能夠抑制焊接時產生的金屬蒸氣,并有助于抑制等離子體云,控制飛濺產生,這些飛濺技術與遠程焊接中使用的掃描頭不兼容。

 

當使用較小的光斑時,這種擺動焊接方法的益處更加明顯。當使用近紅外(NIR)波長時,較小的光斑實現了巨大的功率密度,克服了諸如銅和鋁等材料的高反射率,從而形成具有寬加工窗口的穩定匙孔,并且在使用最佳擺動參數時,避免了氣孔和裂紋的產生。這為1μm光纖激光器在電動汽車和電池制造領域開辟了新應用,消除了對倍頻綠光激光器的需求。

連續焊


隨著新電池技術的發展以及電池容量越來越高,電池制造行業對焊接技術的需求正在不斷提升。電動汽車尤其是這一趨勢的主推手,汽車行業及汽車供應商正在尋找穩健、高效的焊接工藝,以大批量生產銅鋁接頭,這種接頭在電動汽車(EV)電池和電力存儲產品中有著廣泛需求。

 

激光焊接銅和銅合金所面臨的挑戰,主要源于材料的兩個主要物理屬性——對大多數工業級高功率激光類型的低吸收率,以及在加工過程中的高導熱現象。固體銅對近紅外激光的吸收,在焊接剛開始時非常差,僅為4%,因此將光耦合到材料中非常困難。采用較短波長(如532nm的綠光激光器)可以提高銅對激光能量的吸收,但是在這個波段,達到深熔焊所需要的高功率或是經過工業驗證的激光器,目前還不完備。

 

單模和低階模近紅外1μm光纖激光器為此提供了答案,這些激光器可以將光斑聚焦到20μm的小光斑,1kW單模激光器能實現超過1MW/cm2的功率密度。利用這種高功率密度,可以迅速克服材料對激光的吸收不足,熔融銅或蒸發銅的吸收增加到60%以上,以建立穩定的匙孔。

 

銅焊接中的另一個問題是不穩定性,因為熔化金屬的低粘度和表面張力,在低速焊接時會導致飛濺和氣孔。[1] 將速度增加到超過10m/min,以最小化這些不穩定因素,形成穩定的焊接過程。然而,這意味著最好的焊接參數在傳統的運動系統(如機器人)達到極限的范圍內。此外,熔深隨著速度的增加而減小,而且焊縫變得非常窄。這必須要通過增加激光功率來補償,而增加功率則需要對系統進行更高的資本投資。

 

新的工藝研究表明上述現象可以避免,穩定焊接過程不僅僅可以通過增加焊接速度來實現,而且還可以通過動態定位激光技術來實現,例如用擺動焊接頭實現穩定的焊接。[2]這種擺動技術允許以低線性焊接速度實現穩定焊接,并且對熔深影響最小。例如,只利用一臺1kW單模光纖激光器,便可以獲得熔深達1.5mm的高品質銅焊縫(見圖2)

圖2:用單模光纖激光器焊接三根扁平的1100銅線


同樣的技術也可用于高亮度多模激光器,并已廣泛用于改善鋁制外殼(圖3a)的焊接質量和焊接一致性。溫度和冷卻速率的變化梯度比傳統的激光焊接慢,這有助于消除缺陷和抑制飛濺產生。比較用標準焊接技術和擺動焊接技術焊接5000系列鋁外殼(圖3b),使用的功率同為3.5kW,比較顯示,擺動焊接可實現更為穩定的無氣孔焊接。焊縫熔深為2mm,可以明顯看出在整體焊接質量方面,擺動焊接技術更勝一籌。

圖3:焊接1100和3003鋁電池外殼(a)。用擺動焊接技術(左)和非擺動焊接技術(右)獲得的5000系列鋁制外殼的焊接質量(b)。


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