NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO XE ĐIỆN: HÀN ĐỒNG BẰNG LASER FIBER CÓ KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH CHẤT LƯỢNG TIA (ARM)

TỔNG QUAN

Mặc dù laser fiber là nguồn laser chủ yếu để hàn, nhưng tia hồng ngoại của chúng bị phản xạ mạnh bởi một số kim loại sáng màu, đặc biệt là đồng, vì vậy khi hàn các chất liệu đồng thường không mang lại hiệu quả cao. Kết quả là, với năng lượng cao, nguồn laser green ở thể rắn đã nổi lên như một giải pháp thay thế khả thi cho hàn đồng vì bước sóng của nó được đồng hấp thụ mạnh hơn. Tuy nhiên, những tia green laser này có một số hạn chế thực tế dẫn đến chi phí sở hữu cao hơn. Tài liệu này trình bày kết quả của các thử nghiệm hàn đồng gần đây đã được thực hiện thành công với một loại laser ARM mới có chùm tia trung tâm có độ sáng cao. Ở đây, tia laser ARM có độ sáng cao mang lại chất lượng mối hàn tuyệt vời và độ thẩm thấu tốt hơn ở các tốc độ hàn khác nhau, so với các loại laser green công suất lớn trên thị trường. Những kết quả này chỉ ra rằng công nghệ này giúp giảm chi phí, tăng độ tin cậy và lợi thế thực tế của laser fiber cho nhiệm vụ hàn đồng đòi hỏi khắt khe về chất lượng.

NGÀNH SẢN XUẤT XE ĐIỆN

Sự bùng nổ trong lĩnh vực sản xuất xe điện là yếu tố chính thúc đẩy nhu cầu về các giải pháp hàn đồng tăng lên đáng kể, đặc biệt là hàn laser. Đồng có một số tính chất nổi bật như tính dẫn điện, nhiệt, cơ tính và các đặc tính cơ bản so với những kim loại khác, đó là lý do tại sao nó được sử dụng trong các loại xe điện – trong stato của động cơ điện, trong hệ thống phân phối điện (thanh cái, v.v.). ), và trong pin. Việc sản xuất nhiều bộ phận và hệ thống này liên quan đến việc hàn đồng.

Tuy nhiên, Việc tạo ra loại đồng lý tưởng với các đặc tính dẫn điện, nhiệt cao cũng tạo ra trở ngại trong việc hàn cho các loại laser fiber truyền thống. Cụ thể, các đặc tính về điện của nó làm cho nó có độ phản xạ cao ở bước sóng hồng ngoại gần của laser fiber. Và tính dẫn nhiệt tuyệt vời của nó đòi hỏi công suất laser lớn để làm tan chảy vật liệu và bắt đầu quá trình hàn.

Do đó, khi sử dụng laser fiber truyền thống, thường cần có công suất rất cao để đạt được mật độ công suất cần thiết để làm tan chảy vật liệu ban đầu. Tuy nhiên, cách tiếp cận “mạnh” này làm cho quá trình hàn không ổn định và cực kỳ nhạy cảm với những thay đổi nhỏ trên bề mặt làm việc. Đặc biệt, sự hiện diện của quá trình oxy hóa bề mặt cục bộ hoặc sự không đồng nhất về cấu trúc bề mặt quy mô nhỏ có thể dẫn đến sự mất ổn định của quá trình. Kết quả cuối cùng có thể là các mối hàn không đều, chất lượng bề mặt kém và rỗ khí.

GREEN LASER THỂ RẮN

Đồng gần như có độ hấp thụ vùng green laser cao hơn so với vùng laser hồng ngoại. Do đó, năng lượng từ tia green laser có thể được kết hợp hiệu quả hơn với chi tiết gia công, dẫn đến quy trình ổn định hơn và ít nhạy cảm hơn so với khả năng có thể của laser fiber truyền thống. Kết quả là,  green laser ở thể rắn, công suất cao đang được các doanh nghiệp trong ngành lựa chọn sử dụng và đánh giá rất cao.

Tuy nhiên, có một số vấn đề thực tế quan trọng khi triển khai green laser công suất cao trong sản xuất xe điện. Một số trong số này bắt nguồn từ các đặc tính vốn có và cấu trúc của chính các tia green laser này; Các vật liệu sử dụng chế tạo  cho laser Green Fiber ở thể rắn hoặc ở dạng đĩa; gấp đôi tần số được sử dụng để chuyển đổi đầu ra hồng ngoại thành màu xanh lá cây. Mặc dù quy trình này được sử dụng rộng rãi ở công suất thấp hơn (dưới kW) với thành công lớn, nhưng nó bắt đầu gặp một số khó khăn ở mức công suất vài kW cần thiết cho hầu hết các nhiệm vụ hàn đồng công nghiệp. Cụ thể, bản thân quá trình chuyển đổi tần số chỉ đạt hiệu suất khoảng 50%. Vì vậy, cần có tia laser hồng ngoại 4 kW, chế độ đơn, để tạo ra green laser với năng lượng 2 kW. Năng lượng không được chuyển đổi trở thành nhiệt phải được loại bỏ bằng bộ tản nhiệt làm mát bằng nước. Điều này làm cho công suất của các laser này trở nên kém hiệu quả (dẫn đến chi phí vận hành cao hơn do tiêu thụ điện năng cao hơn) và cần một lượng lớn nước làm mát. Ngoài ra, các tinh thể nhân đôi xuống cấp theo thời gian do có liên quan đến công suất cao và có thể tạo ra các vấn đề về độ tin cậy và thời gian ngừng hoạt động nếu không được quản lý cẩn thận. Một số thiết kế sử dụng bộ chuyển chùm tia phức hợp và bộ ổn định nhiệt độ tinh thể để bù cho điều này.

Một vấn đề thực tế khác với green laser là các loại ống dẫn fiber thông thường không dẫn chuyền tốt đối với ánh sáng xanh, do đó làm giảm đi hiệu năng. Sợi chuyên dụng cho ánh sáng xanh có thể khắc phục vấn đề này, nhưng đắt hơn và ít sẵn có hơn. Hiệu ứng sẫm màu cũng tăng theo chiều dài của sợi fiber. Điều này hiện giới hạn chiều dài ống dẫn fiber ở mức 10 m, làm giảm tính linh hoạt trong việc bố trí laser trong môi trường sản xuất. Ngoài ra, green laser CW, công suất cao, có bán trên thị trường hiện bị giới hạn ở công suất tối đa 2 kW. 

Đa số các dòng laser công nghiệp có bước sóng gần hồng ngoại, nên các cấu kiện hầu hết được sản xuất nhằm đáp ứng cho bước sóng này. Ví dụ: việc lựa chọn đầu xử lý dành cho tia green laser có sẵn bị hạn chế và chúng thường cần được tùy chỉnh. Tương tự như vậy, các thấu kính phụ trợ, kính che bảo vệ và các thành phần quang học khác chủ yếu dành cho laser hồng ngoại. Do đó, một nhà sản xuất chọn sử dụng dòng laser hồng ngoại thay vì laser green vì phụ tùng và vật tư thay thế luôn có sẵn mà không phải chờ hoặc ngừng hoạt động lâu.

THE HIGHLIGHT™ ARM FIBER LASER

Laser fiber tiết kiệm điện hơn nhiều so với green laser thể rắn. Nghĩa là, để cung cấp một công suất đầu ra nhất định, chúng cần ít điện năng hơn và tạo ra ít nhiệt thải hơn. Điều này làm giảm chi phí sở hữu và đơn giản hóa việc làm mát. Thêm vào đó, laser fiber rất đáng tin cậy. Và, đầu ra hồng ngoại của chúng dễ dàng được cung cấp bằng sợi fiber. Tuy nhiên, mặc dù có những tính năng mong muốn này, chúng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi để hàn đồng nói riêng vì các vấn đề đã được xác định trước đó.

Coherent đã giới thiệu “The highlight™ arm fiber laser để mang lại lợi ích thiết thực với chi phí tốt cho các ứng dụng mà công nghệ truyền thống chưa giải quyết thỏa đáng. Thông thường, đó là các vấn đề trong việc phân bổ công suất và mật độ tập trung năng lượng Thông thường, đó là các vấn đề trong việc phân bổ công suất và mật độ tập trung năng lượng tại bề mặt làm việc phải được kiểm soát cẩn thận để mang lại chất lượng mối hàn tốt (ít văng xỉ, hạn chế nứt và giảm lỗ khí). Các ví dụ điển hình là hàn mép cho khung thép mạ kẽm, hàn không lỗ khí các bộ phận của hệ thống truyền động và hàn các bộ phận treo bằng nhôm không bị nứt mà không dùng dây bù.

Khả năng kiểm soát chính xác đối với sự phân bố năng lượng trong vùng không gian đạt được thông qua chùm tia đầu ra duy nhất của laser ARM, chùm tia này bao gồm một điểm trung tâm, được bao quanh bởi một vòng ánh sáng laser đồng tâm khác. Công suất ở trung tâm và vòng ngoài có thể được điều chỉnh và thay đổi độc lập theo yêu cầu, và điều này cho phép kiểm soát chặt chẽ động lực học của vũng hàn.

Laser Coherent HighLight ARM có sẵn nhiều loại với nhiều công suất khác nhau và tỷ lệ tâm – vòng tròn có thể điều chỉnh cho phù hợp với các ứng dụng hàn cụ thể. Đường kính của tâm có thể được cấu hình từ 22 µm đến 100 µm và đường kính ngoài của vòng có thể thay đổi từ 140 µm đến 200 µm.

Để hàn đồng, cần công suất và mức tập trung năng lượng tại tâm lớn. Điều này cung cấp năng lượng cần thiết để làm tan chảy vật liệu một cách dễ dàng, mặc dù hệ số hấp thụ tương đối thấp của nó, trong khi chùm vòng ngoài giúp ổn định lỗ khóa. Kết quả là quá trình hàn được bắt đầu và duy trì một cách nhất quán, bất kể sự thay đổi bề mặt của chi tiết gia công, do đó khắc phục được những hạn chế gặp phải với laser fiber truyền thống.

Hình 1: HighLight FL4000CSM-ARM fiber laser

KẾT QUẢ HÀN ĐỒNG

Một loạt các thử nghiệm hàn đồng đã được thực hiện bởi các kỹ sư ứng dụng Coherent bằng cách sử dụng tia laser ARM có chùm tia trung tâm có độ sáng cao với đường kính 22 µm và chùm tia vòng có đường kính trong/ngoài là 100 µm/170 µm. Tia laser được tập trung bằng cách sử dụng đầu laser FL163mm có độ phóng đại 1,4, với khí nitơ bảo vệ và phản lực chéo. Vật liệu hàn là đồng nguyên chất. Công suất laser là 4 kW, với 1,5 kW ở trung tâm và 2,5 kW ở vòng cho tất cả các thử nghiệm. Hình 2 cho thấy thiết lập thử nghiệm.

Vị trí tiêu điểm rất đa dạng và người ta xác định rằng chất lượng mối hàn tốt nhất xảy ra với tiêu điểm đặt cách bề mặt vật liệu 1,5 mm. Cụ thể, vị trí này là sự cân bằng tốt nhất giữa mối hàn và chất lượng mối hàn. Tia laser ARM tạo ra sự thâm nhập mối hàn sâu hơn nếu tập trung trực tiếp vào bề mặt vật liệu, nhưng chất lượng bề mặt mối hàn và độ bắn tóe thu được là không đủ cho các ứng dụng xe điện điển hình. Biên dạng chùm tia tại bề mặt làm việc sử dụng vị trí hội tụ chùm tia tối ưu (1,5 mm trên bề mặt) được hiển thị trong biểu đồ.

Biểu đồ biểu thị độ ngấu của mối hàn trên đồng dày 2 mm dưới dạng hàm của tốc độ trong các điều kiện vừa mô tả. Một tia  green laser 2 kW cũng được thử nghiệm trong cùng điều kiện để so sánh. Công suất green laser thấp hơn đã được sử dụng vì tia laser fiber hồng ngoại 4 kW chỉ tạo ra 2 kW công suất green laser. So sánh cho thấy rằng laser ARM hồng ngoại mang lại khả năng thẩm thấu mối hàn gấp đôi trên một dải tốc độ hàn rộng.

Hình 2: Trạm hàn laser fiber ARM độ sáng cao với máy quét và đầu phun che chắn.

Hình 3: Cấu hình chùm tia của ARM tại bề mặt làm việc (trung tâm 1,5 kW và vòng 2,5 kW) với tia laser hội tụ tại điểm phía trên bề mặt vật liệu 1,5 mm.

Hình 4: Độ thẩm thấu mối hàn của ARM 4 kW, độ sáng cao so với green fiber laser 2 kW.

HIỆU QUẢ HÀN

Hiệu suất mối hàn của tia laser ARM cũng được đo và so sánh với kết quả mối hàn được công bố trước đó đối với tia green laser 2 kW. Nitơ được sử dụng làm khí bảo vệ cho cả hai mối hàn. Dữ liệu được công bố cho tia green laser cho thấy tiết diện mối hàn (không đổi) là 0,5 mm² và độ sâu ngấu khoảng 1 mm. Laser ARM đã được cấu hình để mang lại những kết quả tương tự. Cụ thể, điều này yêu cầu công suất đầu ra là 3,5 kW và tốc độ mối hàn là 300 mm/giây, so với tốc độ mối hàn là 200 mm/giây giây đối với tia green laser 2 kW. Bình thường hóa các kết quả này sẽ cho công suất laser tuyến tính là 10 J/mm đối với laser ARM, so với 11,8 J/mm đối với green laser. Do đó, green laser mang lại hiệu quả hàn cao hơn một chút. Tuy nhiên, tổng công suất cao hơn có sẵn từ laser ARM cho phép nó hoạt động ở tốc độ hàn cao hơn nhiều, mặc dù có sự khác biệt nhỏ về hiệu quả.

CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

Một xem xét quan trọng khác là chất lượng bề mặt. Laser fiber truyền thống có thể hàn đồng nhưng rất nhạy cảm với những thay đổi về chất lượng bề mặt. Bức ảnh cho thấy các hạt hàn dùng để hàn laser ARM có độ sáng cao trên đồng được chà nhám và đánh bóng. Quá trình vẫn ổn định trên cả hai bề mặt mà không thay đổi chất lượng mối hàn.

Hình 5: Mặt cắt ngang của mối hàn đồng được tạo ra bởi Laser ARM hồng ngoại, độ sáng cao, với công suất đầu ra 3,5 kW, ở tốc độ hàn 300 mm/s.

Hình 6: Các hạt hàn nhất quán trên đồng nhẵn và được đánh bóng bằng tia laser ARM 4kW ở các tốc độ khác nhau (300-150 mm/giây từ trên xuống dưới)

KẾT LUẬN

Những thử nghiệm này chứng minh rằng tia laser ARM độ sáng cao, độc nhất là một giải pháp thiết thực cho các ứng dụng hàn đồng đòi hỏi khắt khe trong lĩnh vực xe điện. Độ ngấu của mối hàn và tốc độ xử lý phù hợp hoặc vượt quá yêu cầu sản xuất hiện tại. Laser ARM tránh được sự nhạy cảm đối với chất lượng bề mặt và các vấn đề về tính không ổn định của quá trình đã hạn chế việc sử dụng laser fiber cho đồng trong quá khứ. Do đó, loại laser ARM mới này cuối cùng đã mang lại tất cả các ưu điểm về chi phí, độ tin cậy và thực tế đã khiến laser fiber trở thành lựa chọn cho rất nhiều ứng dụng công nghiệp khác đối với nhiệm vụ hàn đồng đòi hỏi khắt khe.