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            世強
            焊接

            激光焊接的新趨勢——汽車應用如何驅動激光技術的未來

            轉載 :  zaoche168.com   2022年04月15日

                   束焊接(LBW)是進入工業4.0的理想選擇。激光制造商和系統集成公司憑借光電子界的承諾,在技術方面取得了許多進步,推動它們的應用之一是汽車動力,尤其是電子移動。歐盟委員會的項目是促進激光技術進入數字化世界的合適平臺。
                   在整個材料加工行業中,以激光為基礎的技術行業在2019年的收入最高,占總收入的三分之一以上。盡管在過去幾年里,該行業的總體收入有所下降。在大功率材料加工領域,雖然焊接應用增長較快,但切割仍然貢獻最大。電池焊接在汽車工業中的應用越來越多,這是焊接比切割速度加快的原因之一。


                   在汽車制造業,連接材料的主要挑戰之一是不同材料的連接。一百多年來,汽車制造業一直在試圖解決這一挑戰。目前,在這一領域,人們正在努力將鋼鐵和鋁結合起來,并引進新材料,如塑料和碳纖維增強聚合物。此外,遵守最新的二氧化碳排放和安全法規至關重要。
                   影響車輛油耗的因素23%是由于車輛的重量。反過來,它主要受底盤重量、車身和機構的影響。這意味著這個市場需要更安全、更輕的汽車,以符合法規同時仍保持成本競爭力。在這方面,激光焊接技術可以提供可行的和有競爭力的解決方案。
                   Gestamp公司專門從事BiW、汽車沖壓和裝配。鋼和鋁的遠程激光焊接技術是它們研發中心廣泛應用的一項技術。來自Trumpf的系統和來自IPG、Blackbird、Precitec、Coherent和Lessmüll的基于激光的機器是最常用的設備。觸覺激光焊接也是連接相同材料的常用方法,Gestamp有幾個工業裝置在運行,也在內部開發新的技術創新。他們的特長之一是自行開發的“BiW BKT激光軟化技術”或“Ges/ soft bend”。該技術利用半導體激光器,通過激光加熱,可以制造出部分硬化區域的新材料等級。這些特殊的區域將防止諸如點焊斷裂等故障,并提高零件在碰撞中的性能。在碰撞情況下,可以獲得新的彎曲解決方案,從完全硬化解決方案開始,創建具有更多延展性等級的部分軟化區域,可以提供無與倫比的彎曲性能。將不同硬度的鋼與鋁結合也是可能的。
                   他們的許多合作伙伴都專注于開發用于不同材料連接的新技術。目前的主要挑戰是鋁和壓力硬化鋼的機械連接,碳纖維和鋼等新材料的熱連接,以及粘合劑在所有這些過程中的作用。在光纖到光纖連接的情況下,如果使用合適的粘合劑,BKT系統可能是一個可行的解決方案。目前正在研究幾種鋼纖維連接的潛在解決方案。Gestamp研發中心也使用其他基于激光的技術,如燒蝕和熔覆。
                   盡管目前主要采用的是觸覺激光焊接技術,但Gestamp相信,遠程激光焊接技術在未來將成為一項更強大的技術,通過優化材料連接工藝,將使車輛變得更輕。這是因為遠程激光焊接可以顯著減少蓋法蘭的寬度,這將導致更輕的零件,同時保持相同的性能。焊接過程將加快:遠程激光焊接不需要填充材料。
                   展望未來,像Gestamp這樣的公司對激光公司有一個要求:更多的輸出功率。
                   該激光制造商的汽車用LBW的方法將其產品組合的一部分用于汽車的移動性應用,即電動動力總成、功率控制模塊、電池芯、電池組和各種其他大電流設備(圖1)。要求焊縫在汽車的整個使用壽命內承受熱膨脹和振動。應用中的典型材料是鋁和銅。采用1μm激光器,特別是可調環形光纖激光器,輸出功率高達10 kW。在一根工藝電纜中有兩束1μm激光束,其中一束來自光纖中心的傳統高亮度激光束,由環形光束同軸環繞。兩個梁在動態上相互獨立,可以在整個焊接過程中進行調整,例如在功率方面。


            圖1 電動汽車焊接應用是銅和鋁激光焊接增長的主要驅動因素(來源:Coherent)

                   例如,利用環形激光器對材料進行預熱,當表面條件充分且1μm光束的吸收率特別高時,可以發射中心光束。獨立調制范圍從cw到5 kHz。這些激光器具有抗反反射能力,這意味著無需傾斜光學元件即可進行垂直焊接。它們可以減少飛濺和氣孔,并且在焊接時可以很好地控制熔深。此外,可以在不過度加熱材料的情況下將不同材料(如鋁和銅)焊接在一起。這樣可以確保接頭相對空隙、飛濺和無氣孔,從而改善電氣和機械特性。Concert已經掌握了異種材料的焊接技術,并愿意在鈦、黃銅和鍍鋅鋼焊接以及任何與可移動性相關的應用方面進行合作。
                   Trumpf還致力于汽車和電子移動應用的LBW,尤其是電力電子、電池、模塊和容器、發夾式電子驅動器和傳動系部件以及燃料電池。在這一領域,除了傳統的鋁和鋼焊接外,銅焊接也受到了極大的關注。Trumpf使用基于TruDisk系列倍頻薄盤激光器的綠色激光器,輸出功率高達2千瓦,光束質量非常高。這是他們最好的工具,與遠程掃描光學相結合,用于在不同且穩定的焊接深度下快速焊接銅。綠色激光還可以應用于箔焊和混合金屬焊接接頭,特別是鋁和銅,這需要非常穩定的焊接深度。
                   此外,多點激光焊接是當今的一個重要趨勢,Trumpf憑借其獲得專利的BrightLineweld技術(一種基于2合1光纖的系統,以1μm的速度提供高達16 kW的輸出功率)維持了這一趨勢(參見圖2中的應用示例)。這種特殊的波導結構可同時提供兩種焊點尺寸,具有完全可調的功率分布,可穩定所有材料的焊接過程并減少飛濺。鋼焊接可以以每分鐘超過20到30米的速度實現,而且效率很高。銅焊接的一個特別優點是能夠低速或高速運行,確保焊縫光滑。Trumpf可以與光電子界合作,特別是與監控系統、傳感器、數據處理等方面的專家合作,還可以與光學制造商合作,他們能夠處理切割和焊接應用中的高功率、亮度和紅外亮度(>20 kW),以及綠色波長下的高功率。


            圖2 BrightLine焊接在銅、鋁和鋼焊接中的應用實例(來源:Trumpf)

                   Nuburu的藍色激光器在LBW中發揮著特殊作用,尤其是在電動汽車和電池的銅和鋁焊接中。他們還擁有釬焊和熱處理方面的專業知識。就汽車應用而言,使用如此短的波長是因為銅具有特別高的吸收率,從而實現高質量、無飛濺和無氣孔的焊接,而無需應用光束抖動。這也適用于異種材料焊接,如電池中的鋼和銅,具有一致且可控的穿透深度,由于僅使用幾百瓦的藍色激光功率,因此熱負荷較低。

            激光集成商在電子移動性方面的經驗
                   Comau是FCA集團的成員之一,是先進工業自動化產品和系統的全球供應商。其產品組合包括用于電動、混合動力和傳統車輛制造的技術和系統、工業機器人、協作和可穿戴機器人、自主物流、專用加工中心以及能夠傳輸、闡述和分析機器和過程數據的互聯數字服務和產品。他們是焊接頭等復雜設備中激光系統的集成商,將混合熱成像技術應用于在線實時質量監控和大數據處理。他們開發了一種軟件,在錄制的視頻上使用人工神經網絡,能夠在不需要任何破壞性測試的情況下評估關節的質量。他們還致力于通過定制的軟件設計提高過程穩定性。
                   Precitec是激光材料加工和光學計量的專家。他們的主要產品是用于切割和焊接的加工頭,采用完全集成的傳感器技術來監控工業應用中的激光過程。Precitec設備可應用于電子移動性的許多應用中,其中激光工具可用于多個過程,如電池接觸焊接(銅/鋁)的實時過程控制,或檢測故障等。通過將OCT技術應用于激光材料加工,展示了公司的創新能力。該公司是OCT從醫療技術向工業生產轉移的先驅者和推動者,他們的成功證明了他們的正確性。OCT傳感器的使用使客戶能夠以μm分辨率實時測量熔深和/或地形,而不受焊接排放的影響。成熟的turn-key系統,如鑰匙孔導向器或Weld Master,是奧迪工業應用中運行的工具,用于焊接鋁6xxx系列,無需額外填充焊絲。該應用的核心是連續測量焊縫幾何形狀,并在此基礎上調整振蕩頻率和寬度以及激光功率。其中一個應用是使用Weld Master關閉電池單元模塊,該模塊安裝在奧迪e-tron下方,在那里,電子束振蕩和功率控制確保焊縫無裂紋和氣孔。由于通過在線控制將質量檢查整合到生產過程中,沒有填充焊絲會導致熱量減少47%,并顯著降低運行成本和生產時間。

            新技術和歐洲資助項目的作用
                   許多因素對實現有效和精確的焊接起著作用。其中之一是激光束如何到達待治療區域。Civan公司已將這方面的創新技術推向市場。它們提供1μm和532 nm的單模激光器,輸出功率分別為10至30千瓦和500瓦。兩種波長的高功率都是通過相干光束組合實現的,在相干光束組合中,許多光束可以被放大,然后組合成一個單模輸出,并控制光束形狀、位置和焦距。他們使用光學相位陣列技術來實現這一點,通過多個激光器產生遠場衍射圖案,通過不同的相位調制器控制相對相位,可以任意定義輸出最大值的形狀和位置。該系統由特定軟件驅動,能夠非常動態地實現從kHz到MHz的振蕩頻率,并實時改變光束形狀、焦距或速度,實時調整鉆孔、焊接和切割不同材料(見圖3中的示例)。未來,他們計劃增加一個動態監測系統,該系統與動態參數變化一起,將允許實時閉環監測。


            圖3利用Civan的動態梁和三個相應的關節輪廓的可能光束整形示例。(來源:Civan)

                   這項技術是工業4.0的一個明顯先兆,歐盟委員會在支持此類開發方面表現出了極大的興趣。因此,歐洲層面的許多集體倡議也在“先進制造”的保護傘下推動LBW。其中一個被稱為PULSATE,這是最近根據GA 951998在Horizon 2020年批準的歐洲項目,將于2020年秋季啟動。該項目的目的是將歐洲的許多數字創新中心與基于激光的制造技術(包括LBW)方面的專業知識聯系起來,并惠及所有希望適應數字制造和工業4.0環境的中小企業,他們將激光視為關鍵的使能技術,但由于缺乏測試能力而無法實施。
                   該項目的第一年將提供由歐洲資助的激光設備快速簡單測試。將有兩種案例:技術轉移實驗(TTE)和采用者用戶案例(AUC)。第一個項目通過一個非??焖俚某绦蛞淮涡垣@得高達15萬美元的資金,外加來自歐洲頂級研究中心的額外支持。第二項是經濟可行性研究和指導,旨在向最終用戶保證,實施將在他們的環境中有效。

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