相較于汽油和柴油動(dòng)力汽車(chē),電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展仍處于初期階段(例如在性能和范圍方面)。因此,電動(dòng)汽車(chē)在技術(shù)方面顯得更加靈活多變,并且往往集中在基礎(chǔ)組件級(jí)別。這意味著金屬和金屬元件的應(yīng)用正發(fā)生翻天覆地的變化,有時(shí)甚至需要挑戰(zhàn)材料的極限。
與此同時(shí),汽車(chē)制造商和配件供應(yīng)商只愿意采用具備可擴(kuò)展性和較高成本效益的制造技術(shù)。綜合上述各種原因,激光技術(shù)因具有非接觸、無(wú)磨損、加工一致性高、速度快等特點(diǎn),而成為焊接、切割、硬化、釬焊和其他應(yīng)用中的首選技術(shù)。然而,傳統(tǒng)激光工藝往往無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)先進(jìn)功能組件的需求。
在本文中,我們將探討專(zhuān)門(mén)面向電動(dòng)汽車(chē)零部件的兩項(xiàng)激光焊接技術(shù)創(chuàng)新,其中均應(yīng)用了我們面向光纖激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域推出的全新 CleanWeld 技術(shù)。
鋁制電池蓋板焊接
在電動(dòng)汽車(chē)所用的鋰電池生產(chǎn)中,其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是焊接電池外殼。此焊接過(guò)程形成的氣密封口必須能保證在部件的使用過(guò)程不出問(wèn)題。尤為重要的是,鋰電池需要此密封來(lái)阻隔水分入滲,以防水會(huì)與鋰元素發(fā)生劇烈反應(yīng),致使產(chǎn)生的氣體和壓力毀壞設(shè)備。此外,焊接工藝本身不能產(chǎn)生任何飛濺,因?yàn)榻饘兕w粒(以及水分)會(huì)造成內(nèi)部漏電流,致使電池短路。最后,焊縫必須具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度,能耐受住粗暴處理,甚至要能夠經(jīng)受住碰撞的沖擊。
在傳統(tǒng)工藝中,由于電池壁很薄 (< 1 mm),這種鋁電池殼體的密封是使用激光傳導(dǎo)焊接實(shí)現(xiàn)的。然而,傳導(dǎo)焊接的穿透力不足,焊接的孔隙率較高且強(qiáng)度也不夠,無(wú)法阻隔水分滲入。但是,使用更高的激光功率實(shí)現(xiàn)更深穿透(匙孔)的焊接有產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險(xiǎn),會(huì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不夠,并且?guī)缀蹩偸菚?huì)存在一定程度的飛濺。
相干公司的大量研發(fā)工作證明,通過(guò)改變聚焦激光光斑在工件上的強(qiáng)度分布,使之明顯偏離傳統(tǒng)的單峰高斯分布,即可實(shí)現(xiàn)高速且無(wú)飛濺的金屬深加工解決方案。具體來(lái)說(shuō),這項(xiàng)研發(fā)工作表明,如果采用環(huán)繞在另一個(gè)激光同心環(huán)中、由中心高斯分布點(diǎn)構(gòu)成的光束,可以取得理想效果。
我們可以使用相干公司 HighLight 系列的可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器 (FL-ARM) 可讓聚焦光纖激光光斑實(shí)現(xiàn)這種特殊配置。該激光器的傳輸光纖強(qiáng)化了傳統(tǒng)的圓形纖芯,外覆另一層環(huán)形截面的光纖纖芯。
HighLight FL-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器可提供2.5 kW 到 10 kW的輸出功率??筛鶕?jù)需要單獨(dú)調(diào)節(jié)中心和環(huán)形的功率,調(diào)節(jié)范圍可從 1% 到 100%。纖芯和環(huán)形光束甚至可以獨(dú)立調(diào)節(jié),重復(fù)頻率高達(dá) 5 kHz。
在這種布局中,內(nèi)部光束與外部光束二者間的功率比實(shí)際上有無(wú)限種可能的組合。然而,所有這些組合大致上均可分組為圖 1 中所示的配置。這些基本模式可以變化調(diào)整來(lái)提供廣泛的工藝特性,從而以最優(yōu)方式滿(mǎn)足各種應(yīng)用的需求。
圖 1.簡(jiǎn)化的 ARM 光纖示意圖以及聚焦激光光斑中可能出現(xiàn)的五種基本功率模式。
光纖激光器焊接鋁材時(shí),挑戰(zhàn)之一在于材料對(duì)近紅外線(xiàn)的吸收率相對(duì)較低。吸收率可能存在較小的不可預(yù)知的較小變化,這也會(huì)導(dǎo)致穿透深度發(fā)生變化,進(jìn)而造成焊接不均勻。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,以及優(yōu)化控制鋁電池殼體匙孔焊接,F(xiàn)L-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器光束的中心和環(huán)形部分的光束功率均可配置。通過(guò)使用這種特殊的功率配置方法,光束前緣能夠充分提高鋁材溫度,進(jìn)而提高相應(yīng)激光波長(zhǎng)下的吸收率。此外,光束中心部分會(huì)形成匙孔,而由于經(jīng)過(guò)預(yù)熱,匙孔相當(dāng)穩(wěn)定。環(huán)形光束的后緣讓熔池可以在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持開(kāi)放,使氣體逸出。由于匙孔較為穩(wěn)定,材料不會(huì)迅速重新凝固,因此整個(gè)加工過(guò)程更加一致,工藝區(qū)間也更大。 最終得到均勻一致的材料穿透,以及低飛濺,低孔隙率的更高質(zhì)量的焊接。
“銅制發(fā)卡繞組”焊接
將桿式銅制發(fā)卡繞組焊接到電機(jī)定子中是生產(chǎn)汽車(chē)電動(dòng)馬達(dá)的一個(gè)重要步驟。銅制發(fā)卡繞組(形狀為“U”型,因此被稱(chēng)為“銅制發(fā)卡繞組”)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)中使用的線(xiàn)繞繞組。因?yàn)楸冉饘俳z硬得多,我們可以更精確地控制銅質(zhì)發(fā)卡繞組在電機(jī)中的方向,最終實(shí)現(xiàn)更大的熱應(yīng)力和更高的電機(jī)效率。
在組裝過(guò)程中,首先會(huì)將各個(gè)銅制發(fā)卡繞組裝載到定子槽中。然后,將相鄰銅制發(fā)卡繞組的末端焊接在一起,實(shí)現(xiàn)電路連接;焊接整個(gè)電機(jī)后,像傳統(tǒng)電機(jī)的繞組一樣,所有發(fā)卡將形成一條較長(zhǎng)的絞合導(dǎo)線(xiàn)。
圖 2.未焊接的銅制定子
圖 3.焊接后的銅制發(fā)卡繞組
這個(gè)過(guò)程的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是焊接必須保持銅制發(fā)卡繞組的機(jī)械定位精準(zhǔn),并且沒(méi)有任何雜質(zhì)和顆粒物。銅制發(fā)卡繞組對(duì)齊非常重要,因?yàn)槔@組形狀準(zhǔn)確將直接影響電機(jī)效率。如果存在瑕疵,繞組成品的阻力就會(huì)增大,這不僅會(huì)降低電效率,還可能會(huì)降低組件的機(jī)械強(qiáng)度。
相干公司研發(fā)了一種使用光纖激光器來(lái)進(jìn)行銅制發(fā)卡繞組焊接改善加工效果。基于標(biāo)準(zhǔn) HighLight? 系列光纖激光器的工藝的第一個(gè)關(guān)鍵因素就是“光束擺動(dòng)”的使用。尤其是在這種情況下,我們可以有意縮小工件表面上聚焦光束的大小,使其小于焊接區(qū)域的總面積。但是,整個(gè)區(qū)域可以通過(guò)快速掃描(擺動(dòng))光斑的位置來(lái)進(jìn)行覆蓋。
正如 FL-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器,光束擺動(dòng)的優(yōu)勢(shì)就是可以更精確地控制熔池的溫度動(dòng)態(tài)。具體而言,通過(guò)讓光束反復(fù)快速地在工件上移動(dòng)而不做停留,基本上能夠以高度可控的方式(而不是一次輸出所有功率)對(duì)工件實(shí)施預(yù)加熱,在提高光束效率的同時(shí)也不會(huì)減少有效功率。與傳統(tǒng)激光器焊接方法相比,F(xiàn)L-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器有助于穩(wěn)定熔池,減少飛濺、避免瑕疵并降低焊接孔隙率。
相干公司還可提供改善激光焊接銅制發(fā)卡繞組加工效果的相關(guān)工具例如,激光焊接子系統(tǒng)包含可視系統(tǒng)來(lái)控制聚焦激光光束和銅質(zhì)發(fā)卡繞組的位置。
總結(jié)
總之,研發(fā)和操作成功的激生產(chǎn)流程涉及研究參數(shù)、設(shè)置和技術(shù)組合,只有這樣,才能最終實(shí)現(xiàn)出色的焊接效果。CleanWeld凈焊技術(shù)將相干公司在多個(gè)不同技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)(包括光纖激光器、傳輸光纖、聚焦光學(xué)器件和加工頭),以及我們廣泛的焊接工藝知識(shí)和內(nèi)部應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力熔于一爐,由此改善優(yōu)化了加工效果。 CleanWeld凈焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確管理激光器功率在特定情形中的應(yīng)用方式,從而最大程度提高工藝可控性和穩(wěn)定性,確保始終保持一致的卓越加工效果。
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