LaVa-X推新型真空激光焊接方案显著优化铜焊接的电流动性

来源:火狐直播app下载安装    发布时间:2024-02-12 12:13:50

  汽车行业向电气化的技术发展提供了许多机会,但它也带来了一些挑战,比如铜材料的加工慢慢的变多。而铜消耗量的增长,对连接工艺的自动化能力、连接质量和加工速度也提出了新的要求。

  幸运的是,在这方面,激光焊接具有精度高、强度大、易于自动化等优点,潜力可谓巨大。真空激光焊接(下文将以LaVa-X的焊接方案为例)就更是能大展拳脚了,这种工艺使用低能量输入实现了高质量、大批量的输出,即便是焊接难熔材料——如电解韧度(ETP)铜也能轻松处理。

  基于其本身的特性,铜材料目前成为了电池、电动机和电动汽车中的高性能电子科技类产品的基本组成部分。而ETP铜由于其良好的可加工性以及良好的导电性,已在电气工程中确立了自己作为材料的地位。但问题就在于,这些铜材料(比如ETP铜)只适合在非常有限的范围内进行焊接。

  针对这些挑战,近日来自德国真空激光束焊接设备供应商LaVa-X的克里斯蒂安·奥滕(Christian Otten)博士展示了一种用于替代蓝色和绿色激光技术的方案,用于在电动汽车生产中的铜焊接操作,能够明显提升焊接效果,带来一系列加工处理优势。

  到目前为止,用红外激光焊接铜时还存在着各种各样的挑战,例如重复输出稳定的质量、减少孔隙和飞溅形成率。

  气孔的形成,是电解韧度(ETP)铜材料中常见的典型缺陷。小孔的形成也被绝缘层上的残留物所强化,这些残留物由于激光产生的热量而蒸发并溶解在熔池中。然而,由于熔体的低粘度而产生的强溅射是更大的问题。除了质量损失外,随之而来的飞溅现象还会促进破坏绝缘层,造成短路等危害。此外,由于ETP铜的残余氧含量,在焊接过程中容易吸收氢,导致铜部件产生脆性甚至开裂。

  在处理红外波长时,铜的高反射特性产生的热量也是一个问题。使用传统的红外激光焊接,由于铜具有高导热性,它会损失大量的能量。因此,许多公司近年来一直在寻找替代工艺,并专注于使用绿色和蓝色激光作为铜焊接的新解决方案。不过,利用这些方案进行材料加工在带来一系列优势的同时,也代表着公司要在昂贵的激光器之外注入高昂的投资成本。

  而之后LaVa-X团队发现,真空激光焊接(Laser welding in a vacuum)成为了一种既能提高质量,又能提高生产率的选择,而且其成本也得以显著降低。它往往使用的是红外激光,不过特别之处就在于整一个完整的过程是在真空中进行的。由于使用红外激光源进行熔岩焊接具有特殊的环境特性,因此铜焊接不再需要用可见光范围内波长的激光,也就是蓝色和绿色的激光。

  通过降低环境压力和蒸发温度,焊接过程的稳定极大的提升,避免了飞溅、裂纹和气孔的形成。传统的红外激光铜焊接需要较高的激光功率进行深焊,而LaVa的焊接工艺明显提高了工艺效率,以至于能达到≥1mm/1000W的焊接深度。

  例如,厚度为6mm的铜板,其焊接功率约为6kW,可自由形成无气孔的基底。此外,处理后的焊缝结垢非常细,也没有喷射和粘附飞溅。根据目前的研究,12kW束流功率下ETP铜的最大焊接深度可达11mm。

  ①用于焊接电池组的铜母线:为制造锂离子电池组,单个电池组焊接有所谓的电池组连接器,也被称为母线(busbars)。在加入单个锂离子电池时,一定要注意确保电池的完整性不受损害,电池体加热不超过80℃。采用2kW单模光纤激光器在线mbar)进行激光焊接,在50mm/s的焊接速度下,功率仅为1kW的Cu-ETP母线就可以在一定程度上完成几乎无气孔的焊接。

  ②用于焊接燃料电池的双极板:除了锂离子电池,燃料电池被认为是能源转型的关键技术,预计每年将生产数千万块燃料电池。也正因如此,外界对焊接工艺的成本效益要求越来越严格。然而,当使用传统的单模光纤激光器时,焊接速度大约为700毫米/秒,这种影响会导致焊缝质量不足。与传统的激光束焊接相比,熔岩焊接的优点是其所需的能量可降低高达60%,这也使得焊接不易发生变形——这是它的一个主要优势,特别是对于通常用于双极板的80μm厚不锈钢箔。

  在特有的大气环境下,激光真空焊接还能轻松实现无氧化物焊接,并通过改变保护气体成分的组成对熔体产生针对性的影响。采用熔岩焊接时,光束功率仅为150W,焊接速度可达900mm/s。据试验显示,大约100mbar的线秒内得到快速疏释。压力级系统的使用也推进了组件的连续流动,因此双极板可以几近于实时地进行高速焊接,无需再花时间去移除其他部件或者基底等。

  ③用于焊接电机的铜发卡(hairpins):在电机定子中,单个导体的两端焊接成所谓的发卡。然而,传统的带绝缘涂层的ETP铜发卡激光焊接会产生许多气孔和飞溅。而对于ETP铜发卡的处理,LaVa的焊接方案会更具显著优势,激光束所需的能量可降低高达50%。通过降低蒸发温度,熔池温度降低并稳定下来,从而显著减少飞溅。此外,气孔的形成也减少了,因为熔体在真空中会更易排出气体。举个例子,使用2kW单模光纤激光器在20mbar压力下进行熔接,熔接时间仅为3秒。最后,这样的处理方案还能显著减少能耗。