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激光焊接技术再一次有了重大突破!激光束微焊接自由度的扩展

发布:2022-05-13 14:39作者:www.huyunjituan.com点击:720次

在工艺效率、焊接质量和焊接几何形状方面,必须在局部和时间功率的调制方面实现新的自由度,这对于电池和电力电子制造不断增长的电动要求尤为重要。通过故意同步两种补偿方法,可以利用协同效应并克服任何限制。
激光焊接长期以来一直是行业领先的连接技术,最近已用于重要应用,例如接触线圈或双极板焊接与燃料电池技术。不同的接口设计和概念要求需要灵活的接口技术来可靠地满足边界条件。通过局部和时间力的调制,可以扩大过程的自由度并影响指甲的形状和过程的稳定性。
多年来,激光微焊接越来越受到世界各国研究和工业界的关注。这一发展受到高亮度近红外激光源的发展和光纤激光器价格持续下降的推动。使用这些强聚焦辐射源,光束直径仅为 10 µm,由于最大激光功率不断增加,因此强度更高。现在可以使用紧凑的 19 英寸机架实现超过 400 MW / cm² 的效率。这些高强度特性在铜和铝焊接中特别有用。高强度,这通常对导电接头有害。
另一方面,这种情况对于电池技术和电力电子领域的触点来说是不可取的,在这些领域,由于传输电流大,需要大的连接直径和接口。 .电池供电车辆的充电时间与电池组中可以流过的最大电流成正比,而不会过热并因此损坏电池。
另一方面,当在燃料电池技术中使用双极密封板时,这些小燃料直径和由此产生的小焊接宽度需要对流场设计进行调整以提高效率,即使焊接是电气连接的一部分。这是因为较小的焊缝直径会导致流动范围内的结构孔更紧密,从而导致反应范围更广,从而提高最终燃料电池的效率。
大连接区域的空间功率调制
那么如何在焊接过程中增加焊接焦点的表面积而不影响深熔焊接过程所需的力呢?解决方案是功率的空间调制。它是一种环形振荡,沿线性行进方向并产生激光束的螺旋轨道运动。这种类型的运动直接带来了几个积极的影响:首先,激光束通过轨迹对熔融材料进行再加工。因此,材料吸收的能量被部分回收。与仅使用线性焊盘几何形状的传​​统焊接相比,这导致了更大的罐体积。其次,由于高振荡频率(f = 1000 Hz),实现了高幅材速度(v> 700 mm / s),这会影响针孔的倾斜度,从而显着增加深度冲击的持续时间。焊接。 .阅读更多 • 光与物质的相互作用 能源消耗。第三,用于描述激光束振荡螺旋路径的两个附加参数,振幅和频率,为焊接几何形状的设计提供了自由度。这就是传统的 V 型焊变成 U 型焊的方式。这意味着焊接过程中的局部变化对焊缝宽度几乎没有影响。
总之,空间功率调制的这些积极方面导致过程效率的显着提高。与焊接和激光强度同时,可以增加熔化量。在分析减少二氧化碳排放的有效性时,这一方面尤为重要。因此,提高工艺效率的同时最大限度地减少能源消耗将是未来全球研究的最重要方面之一。
然而,激光束的非对称螺旋路径的缺点是线能量与振动不同。激光束在行进方向上的更大轨道运动导致更少的局部能量供应,反之亦然。这会在进给方向的焊缝深度处引起振动。
调制的时间效应及其对过程的影响
用激光束影响焊接过程的另一种方法是随时间调节功率。在激光束加工过程中,连续激光束源的脉冲形状与激光功率的时间分布之间存在很大差异。
虽然时间脉冲整形主要用于脉冲辐射源,以影响凝固过程中的热和冶金性能,但它适用于沿焊缝的整个长度的连续焊接。直流功率调制的最常见实现之一是正弦调制与激光功率的叠加。研究表明,焊接质量得到改善,焊接深度变化减少,尤其是在频率 <1 kHz 时。
除了质量和精度补偿特性外,焊接深度还会受到功率时间调制的影响,并且像上面提到的功率斜坡一样,适用于应用。
空间和时间功率的同步调制控制焊缝深度测量因此,现在可以证明两种不同的补偿技术可以用于激光束焊接,这可以大大提高精度和稳定性质量。然而,由于路径的不对称几何形状,空间功率的调制具有明显的缺点。该功率可以通过使用时间同步功率调制来降低。这样,不仅可以获得对称匹配的焊缝截面,而且可以通过组合不同的材料来调整焊缝材料的性能。所得焊缝的几何形状很大程度上取决于材料的特性,例如吸收、导热性、熔点和比热容。
同步两种功率调制在技术上是困难的。由于空间功率调制可以达到高达 4 kHz 的频率,因此时间功率调制必须在相同的频率范围内工作。因此,两个控制信号都必须校准到最接近的微秒,这需要有关扫描镜位置和激光器辐射功率水平的准确信息。
通过有意识地叠加空间和时间功率调制,以及增加接头的横截面,可以在横截面中创建另一种焊接几何形状(W 或 V 形)。原始几何图形(图 a)显示横截面右侧的斜率。通过将重叠从局部功率调制扩展到时间功率调制,可以获得罐横截面的 W 形和 V 形轮廓 (b, c)。例如,它能够以更精确的功率分配将敏感组件连接到 I 型接头。这些措施还将异质材料系统的渗透差异从 58% 降低到 17.7% (d, e)。然而,在某些工艺参数和材料组合中,局部功率调制会导致孔形状误差。这需要根据材料和化合物的组合对激光参数进行详细调整。
激光微焊接的新设计可能性
时间和空间功率调制两种补偿方法提高了处理效率和质量。这两种方法的结合以及这两种变化方法的精确同步,赋予了美甲设计一个全新的自由度。尽管材料的性质不同,但可以有针对性地控制对每个伙伴的能量供应,以实现均匀混合和永久粘合。此外,单独功率调制的优势也发挥了作用,例如提高了处理效率和稳定性。
将来,在激光焊接中,我们将看到经典圆形焦点几何形状的一些变化。最近的发展包括将光束的形状转换为动态调整或组合的圆形和环形焦点。我们将看到新的发展如何开启过程动力学调整的新篇章,并在焊接几何形状方面提供更大的设计自由度:始终存在与同时功率调制进行额外组合的可能性。
深紫外半连续激光光源广泛应用于表面材料检测(磁盘缺陷检测等)、激光诱导衰减光谱(LIBS)、激光荧光(LIF)、紫外拉曼光谱仪、激光。直接精细激光加工、烘烤)具有独特的技术优势。这些应用对光源有相似的要求:短波长、窄线宽、高功率、良好的重复率、高稳定性和高可靠性。
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