Проблемы лазерной сварки меди были преодолены благодаря появлению мощных импульсных зелёных лазеров

Зелёные лазеры обеспечивают высокую стабильность, а также эффективность процесса за счёт высокой абсорбции лазерного излучения при сварке электрических элементов из меди.

Благодаря высокой производительности, комфорту, простоте эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат и экологичности в течение последних пяти лет в автомобильной промышленности во всем мире существенно растет спрос на электрифицированные машины. Законодательство также способствует электрификации на автомобильном рынке.

Одной из задач для OEM-производителей, поставщиков и машиностроителей в автомобильной промышленности является создание надежных технологий и наращивание производства электронных компонентов. Это включает в себя все аспекты производства, связанного с электрифицированной трансмиссией. Одной из величайших задач является создание новых компонентов и материалов в электрифицированной трансмиссии для автомобильной промышленности. Например, объемы производства, требуют от батарей высокой емкости и подходящие электродвигатели - беспрецедентные не только для автомобильной промышленности, но и для любой отрасли в целом.

Наиболее важным компонентом является аккумулятор. Необходимы надежные системы управления батареями, а также корпуса для ячеек и модулей для интеграции батарей в автомобиле. Требуются различные другие электрические компоненты, например, для зарядки, преобразования и для датчиков, систем управления электрической энергией внутри автомобиля. Один из основных материалов в этих компонентах - медь.

Производство всех этих частей включает в себя много проблем с огромным количеством возможностей. И здесь есть много места для инноваций — лазер, как очень гибкий инструмент, может быть ключом для eMobility. С помощью этого инструмента можно выполнить новые требования с точки зрения производительности и качества, масштабов производства - от текущих объемов, небольшого производства сегодня и больших объемов в ближайшем будущем.

Количество возможных лазеров и объем производимых компонентов увеличивается с eMobility рынком. Особенно в области силовой электроники, трансмиссии и батарей. Лазеры позволяют быстро сваривать и резать с минимальным тепловложением. Однако требования в каждой из этих областей значительно отличаются. Сварка электронных контактов кабелей с медными пластинами (DBC) требует точной сварки по глубине, минимальных брызг и подводимого тепла, так как окружающие компоненты находятся очень близко к зоне сварки и будут выведены из строя, если этот процесс не будет точным и стабильным.

В трансмиссии сварка шпилек требует высокой лазерной энергии и скорости сварки, с минимальными порами, для обеспечения хороших электрических свойств. Точная сварка, высокое качество и высокая производительность являются ключевыми факторами в производстве контактов батарей. Большинство eMobility компонентов содержат детали, изготовленные из меди — хороший фронт работы для зелёных лазеров (см.рисунок).

Самое большое преимущество меди - ее высокая электрическая и тепловая проводимость, в свою очередь, они являются большой проблемой для сварки. Теплопроводность у меди на порядок выше, чем в распространенных сталях и, соответственно, требуется очень интенсивный ввод энергии.

Эта проблема может быть решена применением лазеров, так как эта технология обеспечивает высокую концентрацию и плотность мощности в малых зонах обработки. Однако аналогичные свойства материала, которые приводят к высокой электрической проводимости, также приводят к высокой отражательной способности.

Лазеры поставляют энергию на заготовки в виде света, обычно в ближней ИК-области спектра (рядом IR). Светоотражающие металлы (такие как медь) обычно поглощают только небольшую часть ИК лазерного света и создают проблемы для ИК лазеров отражённым излучением. Только около 5% лазерной энергии может использоваться для нагрева меди при сварке ИК лазерами.

Высокая интенсивность необходима, чтобы инициировать процесс сварки, а поглощение лазерного излучения медью при комнатной температуры является низким. Поверхность меди отражает почти всю мощность лазера в окружающую среду, включая оптику. Это очень неэффективно с точки зрения передачи энергии, а также повреждает некоторые оптические элементы.

Поглощение ИК лазерного излучения увеличивается до 15% (и более) с повышением температуры меди до температуры плавления, но этот переход трудно контролировать3. Этот процесс нуждается в высокой интенсивности в начале, но с увеличением абсорбции, материал может перегреваться. Глубокое проплавление проблематично, особенно при низкой скорости, возникают дефекты сварного шва. Из-за поверхностного натяжения и вязкости, характерных для меди, по сравнению со сталью, расплав сварочной ванны является менее стабильным.

Поглощение же излучения зеленого лазера с длиной волны 515 нм для меди составляет 35 – 40%, поэтому процесс сварки может быть очень стабильным, без проблем с начальным поглощением и последующим перегревом. Зеленые лазеры компании Trumpf основаны на лазерной технологии тонких дисков и лазерные системы уже готовы для промышленного использования. Полученное лазерное излучение по волокну легко передаётся в сварочную установку. Благодаря хорошему поглощению зеленого лазерного луча медью, появилась возможность сварки даже фольги и мелких медных деталей толщиной до 0,4 мм. В отсутствие парогазового канала (ПГК), шов был полностью свободен от брызг при сварке меди зеленым лазером, (см.рис.2 в статье)

Это подтверждает высокоскоростной видеофильм, в котором можно было видеть расплав с идеально гладкой поверхностью. ИК лазерами сварка меди невозможна, т.к. поглощение лазерного излучения зависит от температуры обрабатываемой детали и процесс легко переходит от теплопроводностного режима сварки в режим глубокого проплавления с ПГК.

Поддержание температуры процесса постоянно между температурой плавления и испарения невозможно при сварке ИК лазерами. Высокая степень абсорбции излучения зеленого спектра волны снижает потери тепла от теплопроводности. Теплопроводностная сварка фольги и соединение небольших медных деталей в электрических компонентах показана на рис.3 (в статье).

Для очень чувствительных к перегреву деталей, таких как DBC пластины, рекомендуется использовать микросекундный импульсный зеленый лазер. Импульсный режим предлагает больше возможностей для управления термическими процессами. Пауза импульса эффективно уменьшает тепловую нагрузку на детали и окружающий материал. Паузы до 0,1 мм просты в применении, обеспечивая импульсное перекрытие сварных точек зеленым лазером. Материал будет остывать после каждого импульса и ввод тепла в сварной шов может быть уменьшен. В отличие от ИК лазеров сварка с зеленым лазерным лучом не представляет проблем с охлаждением между импульсами. Упрощает технологию и отсутствие зависимости абсорбции от температуры поверхности обрабатываемой детали.

Сварка более толстых компонентов из меди также возможна, (см.рис.4 в статье). Медь сварена с высоким качеством, толщиной до 0,8 мм. Максимальная глубина сварки зависит от теплоемкости детали (и мощности, технических характеристик лазера). Мелкие детали и тонкие листы проще сваривать потому, что тепловая проводимость окружающего материала ограничена. Эта технологическая особенность не зависит от длины волны.

Поглощение ИК лазерного луча может быть улучшено покрытием поверхности, окислением.

Покрытие меди для сварки не требуется при использовании зелёных лазеров. Поглощение эффективно даже при комнатной температуре, и вне зависимости от состояния поверхности. Тесты с полированной, шлифованной, кислотно травленной, и окисленной поверхностью показывают аналогичные результаты сварки (см.рис.5 в статье). Детали с окисленной или полированной поверхностью могут быть сварены с теми же результатами, что очень важно в производственных условиях.

Сварка меди стала одним из наиболее важных направлений исследований в современной автомобильной промышленности.

Новый метод необходим производству благодаря высокому качеству сварных швов и малому разбрызгиванию при сварке меди зелёными лазерами. Мгновенное поглощение излучения поверхностью меди в сочетании с стабильностью процесса является большим преимуществом при сварке электрических компонентов в батареях и электронике. Учитывая отсутствие брызг, даже предварительно собранные электронные компоненты, могут быть успешно сварены без необходимости их последующей обработки/очистки.

Промышленные импульсные лазеры со средней мощностью 400 Вт и 4 кВт пиковой мощности - теперь доступны (а также непрерывные CW лазеры мощностью до 1 кВт).

Проблемы лазерной сварки меди были преодолены благодаря появлению новых лазерных источников – мощных импульсных зелёных лазеров.

На рисунке показан внешний вид сварных швов.

HENRIKKI PANTSAR, EVA-MARIA DOLD, MARC KIRCHHOFF, OLIVER BOCKSROCKER - все сотрудники фирмы Trumpf, Ditzingen, Germany; www.trumpf.com .

Источник: Laser welding at the green wavelength benefits electrified mobility applications / HENRIKKI PANTSAR, EVA-MARIA DOLD, MARC KIRCHHOFF, OLIVER BOCKSROCKER // Industrial Laser Solutions, 2019, JANUARY / FEBRUARY, p.30-32; www.industrial-lasers.com

Примечание: В ближайшие десятилетия планируется перейти на электромобили, а автомашины с бензиновыми и дизельными двигателями - запретить (начиная с 2030 года) - см.https://auto.mail.ru/article/72790-kogda_zapretyat_benzinovye_mashiny_i_pochemu/.