Марк Бойл, менеджер по продукции Amada Weld Tech, отвечает на пять ключевых вопросов, касающихся автомобильной лазерной сварки. Amada Weld Tech - производитель оборудования и систем для контактной сварки, лазерной сварки, маркировки, резки и микрообработки.
Каковы основные области применения лазерной сварки в автомобилестроении, и когда и почему лазерная сварка может быть лучшим выбором для этих целей?
В автомобильной промышленности наблюдается огромный рост использования лазерной сварки в производстве. Сейчас это обычное дело для многих автомобильных приложений, включая крупномасштабную сварку каркасов кузова (кузов в белом цвете), дверных рам, багажников, автомобильных капотов и шасси; и лазерная сварка пластика для передних и задних фонарей и корпусов электроники.
Лазерная сварка, о которой иногда забывают, поскольку сварные швы являются внутренними для автомобилей, а иногда и очень небольшими по размеру, также широко используется для сварки металлов многих компонентов, включая инициаторы подушек безопасности; обмотки катушек двигателя; соединения клемм аккумуляторной батареи с шиной для автомобильной электроники; и электрические соединения внутри автомобиля.
В прошлом сварка для этих применений осуществлялась с использованием множества других технологий, включая контактную сварку (RW), вольфрамовый инертный газ (TIG или GTAW) и металлический инертный газ (MIG или GMAW). Лазеры заменяют эти технологии во многих применениях в автомобильной сварке, прежде всего потому, что в процессе сварки выделяется меньше тепла, что приводит к более локализованному нагреву с меньшей зоной термического влияния (HAZ). Кроме того, с переходом автомобильной промышленности к более легким и более проводящим материалам сваривать их легче лазерной сваркой, чем, например, контактной сваркой (RW). Поскольку при лазерной сварке выделяется локализованное тепло, операторы могут обрабатывать более мелкие детали. Лучшая доступность и меньшее количество ограничений для деталей повышают гибкость дизайна, позволяя подходы, которые, возможно, были невозможны с другими методами.
Наконец, другие методы сварки могут оставлять видимые следы сварных швов на некоторых деталях, что может быть проблемой с точки зрения дизайна или эстетики. В лазерах не так много тепла, и один не обеспечивает такой большой тепловой сигнатуры, что значительно увеличивает гибкость конструкции.
Какие тенденции оказали наибольшее влияние на лазерную сварку на автомобильном рынке?
Безусловно, самая большая тенденция сегодня - это электрификация двигателей, о чем свидетельствует растущее количество гибридов и полностью электрических автомобилей на улицах. Эти автомобили требуют сварки компонентов электродвигателей, включая соединения трансмиссии и шпильки статора. Сварка аккумуляторов и соединения аккумуляторов - дополнительные ключевые области применения в электрификации транспортных средств. Сварка требуется для создания аккумуляторной ячейки, соединения ячеек для создания модуля или блока, а иногда и для соединения модулей для создания полной аккумуляторной сборки.
Соединения при производстве электродвигателя и аккумуляторной батареи обычно выполняются из токопроводящих материалов, для которых подходит лазерная сварка. Кроме того, сварные соединения требуют высокой прочности, высокой проводимости и высокой надежности в неблагоприятных условиях, что означает, что эти сварные швы должны соответствовать этим критериям и быть отслеживаемыми.
Еще одна тенденция в пользу лазерной сварки - повсеместное увеличение использования электроники в транспортных средствах по сравнению с тем, что было 20–30 лет назад. В настоящее время почти все управляется компьютером; Практически единственное, что может сделать водитель транспортного средства вручную - это долить жидкость в стеклоочиститель!
Лазерная сварка соединений электроники зарекомендовала себя с очень высокой степенью безопасности. Кроме того, обеспечивается высокая производительность без большого количества брака, что способствует повышению экономических показателей технологии лазерной сварки. Эта тенденция также включает в себя увеличение оборудования для обеспечения безопасности транспортных средств, особенно передовых систем помощи водителю (ADAS), подключающих оборудование безопасности на основе датчиков. Хотя некоторые соединения выполняются пайкой оплавлением - как гибкая цепь к печатной плате, часто корпуса датчиков герметизируются с помощью лазерной сварки.
Наконец, технология лазерной сварки хорошо подходит для высокоскоростных производственных линий, особенно для волоконных лазеров, которые не имеют расходных материалов и снижения мощности. Эти лазеры составляют основу новых автомобильных производственных линий.
Какие типы оборудования и технологий для лазерной сварки используются в автомобилях, и каковы преимущества и недостатки существующих технологий / вариантов оборудования?
Используются различные лазерные технологии, в том числе импульсный, легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат (Nd: YAG) для небольших компонентов, точечной и шовной сварки; голубые прямые диодные лазеры; волоконные лазеры; и импульсные дисковые лазеры.
Волоконные лазеры в последнее время получили все большее распространение и находят широкое применение в автомобильной промышленности. Волоконный лазер генерируется внутри гибкого легированного стекловолокна, которое обычно имеет длину от 10 до 30 футов и диаметр сердцевины волокна от 10 до 50 микрон. Иттербий используется в качестве легирующего элемента, поскольку он обеспечивает хорошую эффективность преобразования и длину волны на выходе около 1 микрона, что хорошо сочетается с существующими компонентами доставки лазера.
Доступное для приложений, требующих всего от нескольких ватт до десятков киловатт, оптоволокно обеспечивает простоту использования, обращения и долговечность (если оно не повреждено в результате неправильного обращения). Волокна также экономичны и относительно дешевы для эксплуатации на заводе, поскольку они не потребляют столько электроэнергии, как YAG или импульсный дисковый лазер.
Какой процесс вы используете, чтобы консультироваться с клиентами по вопросам, связанным со сваркой в автомобилях?
Клиенты отправляют или привозят образцы деталей для сварки в наш технический центр, который состоит из 25 000 квадратных футов лабораторных площадей, расположенных на производственном предприятии площадью 85 000 квадратных футов. В техническом центре есть специализированные лаборатории, которые поддерживают каждую линейку продуктов компании и различные технологии соединения.
Эксперты в прикладных лабораториях определяют решение, которое лучше всего подходит для приложения и бюджета. Эти прикладные инженеры предоставляют варианты и разрабатывают отчет с информацией, показывающей, как объединить эти две технологии - по всем технологиям, - а также предоставляют информацию о многих различных технологиях и дают советы о том, какой источник будет лучше всего, помогая клиентам выбрать оборудование для надежного процесса. Сравнивая и сравнивая лазерную сварку со сваркой сопротивлением, сваркой в режиме микро-TIG и другими платформами, эксперты по приложениям помогают клиентам принимать обоснованные решения.
Помимо гибкого выбора технологии, клиенты могут видеть варианты оборудования в рамках технологии. Что касается лазерной обработки, то в прикладных лабораториях есть аппараты для сварки Nd: YAG и волокна. Например, варианты контактной сварки включают переменный ток, емкостный разряд, высокочастотный и линейный постоянный ток. Для резки и микрообработки клиенты могут увидеть реализации системы, показывающие, что именно будет куплено.
Мы также отметили интерес к переходу на лазерную сварку и можем помочь клиентам, переходящим на эту технологию.
Можете ли вы привести пример или примеры недавнего сложного автомобильного применения и описать процесс лазерной сварки, который был разработан для решения этой проблемы?
Недавно мы увидели три интересных применения в автомобильной промышленности: герметизация инициаторов подушек безопасности; сварка аккумуляторных батарей между контактами и шинами; и приварка медной шпильки в электродвигателе. Каждое из этих приложений может быть достигнуто с помощью волоконного лазера непрерывного действия (CW).
Инициатор подушки безопасности
В применении инициатора подушки безопасности сварной шов используется для герметизации пороха внутри контейнера инициатора. Если водитель попадает в аварию, ток проходит через провода на банке с порохом, который нагревается и взрывается, чтобы запустить процесс открытия подушки безопасности. Мы поставили ряд лазеров для систем сварки инициаторов подушек безопасности, использующих как импульсную технологию Nd: YAG, так и технологию волоконного лазера. За последние пять-семь лет промышленность перешла на технологию волоконного лазера, которая является гораздо более быстрым процессом и увеличивает производительность - процесс сварки выполняется в 10 раз быстрее!
Tab-to-cell и tab-to-bus bar
Еще одним растущим рынком являются соединения аккумуляторных элементов, аккумуляторных блоков и аккумуляторных модулей. Поскольку популярность гибридных и полностью электрических транспортных средств продолжает расти, спрос на сварку аккумуляторных батарей между контактами и шинами будет продолжать расти. Мы разработали несколько решений для соединения табуляции с ячейкой и от табуляции с шиной.
По мере того, как промышленность продолжала развиваться, для вкладок стал использоваться более проводящий материал. Однако материал аккумуляторной батареи (при использовании цилиндрических батарей) не изменился. Теперь нас часто просят приварить Cu к холоднокатаной стали (CRS) или, что еще хуже, алюминий к CRS. Новые лазерные источники делают возможным соединение разнородных металлов.
Например, мы использовали микросварочные аппараты с одномодовым волоконным лазером непрерывного действия мощностью 500-1000 Вт, чтобы сконцентрировать энергию в небольшом пятне, чтобы способствовать передаче энергии в материал и последующему проникновению. Этот новый метод показывает многообещающие возможности соединения разнородных металлов, которые можно найти в приложении «вкладка-к-ячейке».
В одном тематическом исследовании механические испытания показали, что прочность на отслаивание является хорошей - после термической выдержки и удара 50 образцов сварного шва отслоились в пределах ± 2 Н. Эта узкая полоса результатов отслаивания показывает воспроизводимость и надежность, необходимые при производстве. Высокая мощность позволяет лучше подключать более толстые язычки к шине.
Заколка для волос из меди
В настоящее время стало обычным делом использовать штыри вместо традиционной медной обмотки, находящейся внутри статора электродвигателя, как способ улучшения характеристик двигателя. Однако штифты сделаны из меди, которую сложно сваривать. Медь обладает высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне, поэтому соединение с материалом для создания ванны расплава требует значительной плотности энергии.
С развитием одномодовых волоконных лазеров и систем доставки сканирующего луча мы смогли успешно сваривать этот сложный материал и геометрию. В зависимости от размера контактов обычно используется от 1000 до 4000 Вт. Ключом к успеху был контроль ванны расплава и предотвращение пористости.
