Nghiên cứu hàn laser nhằm mục đích cho các giải pháp sản xuất EV

Hàn laser đã trở thành xu hướng sản xuất chính trong vài năm qua. Từ các tế bào mối hàn đến các mô hình cầm tay, hàn laser đang tạo ra hiệu quả cho các OEM và cửa hàng việc làm. Công nghệ cung cấp các mối hàn chất lượng cao, tốc độ sản xuất nhanh và giảm quá trình xử lý sau hàn đang thu hút nhiều sự quan tâm hơn từ các nhà chế tạo.

Trong khi đó, công nghệ laser tiếp tục trở nên phức tạp hơn. Một công ty được cho là đi đầu trong sự phát triển này là Civan Lasers có trụ sở tại Israel . Công ty đã nhận được Giải thưởng Lăng kính năm 2022 trong hạng mục laser công nghiệp từ SPIE, hiệp hội quang học và lượng tử ánh sáng quốc tế, và Photonics Media. Giải thưởng công nhận OPA 6 Weld của Civan, một công nghệ laser chùm tia động (DBL) đơn mode, sóng liên tục, công suất từ ​​7 đến 14 kW, có thể điều chỉnh hình dạng chùm tia như mong muốn ở tốc độ lên đến hàng trăm megahertz mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào.

Định hình tia tiên tiến

Trong quá trình vận hành DBL, chùm tia từ laser sợi quang hạt đơn được phân chia và truyền qua một dãy song song các bộ điều chế pha điện quang, mỗi bộ điều khiển một bộ khuếch đại quang học.

Laser sử dụng kết hợp chùm tia kết hợp mảng pha quang học để hợp nhất nhiều chùm tia laser đơn mode thành một chùm tia lớn hơn. Ánh sáng của mỗi tia laser chồng lên các chùm tia khác trong trường xa, tạo ra một mô hình nhiễu xạ cho phép điều chỉnh hình dạng chùm tia trong thời gian thực. Các bộ điều biến pha điều khiển các chùm riêng lẻ và kiểu giao thoa kết quả có thể được điều chỉnh để tối đa hóa vị trí điểm của chùm và tạo ra các mẫu hình dạng khác nhau được ghi bởi chuyển động của chùm.

Tiến sĩ Asaf Nissenbaum, nhà nghiên cứu phòng thí nghiệm ứng dụng tại Civan cho biết: “Các phương pháp định hình chùm tia khác chủ yếu liên quan đến việc lắc lư chùm tia. “Nghĩa là, bạn có thể dao động nhẹ chùm tia của mình để gây ra hiện tượng lái cục bộ và điều này được hỗ trợ bởi các phương tiện cơ học. Hạn chế của công nghệ này là bạn đang sử dụng máy quét galvo, có tần số tối đa giới hạn mà chúng có thể hoạt động và công suất chùm tia tối đa bạn có thể đưa qua chúng. Ngoài ra, cấu hình chuyển động lắc lư cũng bị hạn chế trong khi laser OPA 6 có thể hoạt động ở tần số và cấu hình hình dạng cao hơn nhiều.”

Tần số hình dạng, trình tự hình dạng và độ sâu tiêu điểm cũng có thể được kiểm soát để cho phép tối ưu hóa quá trình bay hơi trong mao quản, dòng chảy trong bể nóng chảy và đông đặc chất nóng chảy cho bất kỳ ứng dụng xử lý vật liệu laser nào. Theo báo cáo của công ty, việc kiểm soát như vậy giúp loại bỏ lỗ rỗ, bắn tóe và hình thành vết nứt đồng thời tăng tốc độ và tốc độ nạp liệu trong các ứng dụng hàn và sản xuất bồi đắp.

Câu trả lời về tế bào nhiên liệu có thể

Tốc độ mà tia laser có thể chạy và khả năng thay đổi chùm tia khi đang di chuyển đang thu hút sự quan tâm đến nghiên cứu liên quan đến sản xuất pin nhiên liệu cho xe điện (EV). Theo những phát hiện gần đây từ Dự án Eureka, có trụ sở tại Phòng thí nghiệm Fraunhofer ở Aachen, Đức, laser của công ty có thể cung cấp cho ngành công nghiệp ô tô một giải pháp công nghệ để sản xuất hàng loạt động cơ năng lượng sạch một cách kinh tế thông qua tốc độ nạp gia tăng để hàn tấm lưỡng cực.

Thách thức để sản xuất pin nhiên liệu một cách hiệu quả nằm ở việc hàn các tấm lưỡng cực—những tấm mỏng hàng trăm micron. Mỗi ô chứa 300 đến 400 tấm với đường hàn từ 3 đến 6 m. Mặc dù có nhiều nỗ lực nhằm tăng tốc độ hàn để theo kịp nhu cầu, nhưng việc tăng tốc độ nạp lên hơn 0,5 m/giây sẽ dẫn đến lỗi hàn, dẫn đến các bộ phận bị lỗi và tồn đọng vật liệu.

Ba tổ chức thúc đẩy Dự án Eureka—Civan Lasers, Viện Công nghệ Laser Fraunhofer (ILT) ở Đức và Smart Move GmbH ở Đức—nhằm mục đích giải quyết vấn đề hàn này bằng công nghệ laser của Civan.

Nissenbaum cho biết: “Trên một tốc độ nhất định trong hàn laze, một khiếm khuyết phổ biến mà bạn thấy là một thứ được gọi là ‘gù’, một vết lồi lõm định kỳ trong mối hàn,” Nissenbaum nói. “Điều này đặt ra các vấn đề về độ xốp, tính nhất quán và thiếu sự hợp nhất. Đó là vấn đề được/không được trong ngành công nghiệp pin nhiên liệu. Ví dụ, với tia laser này, chúng tôi có thể có một chuỗi nhiều hình dạng, mỗi hình hướng đến một vấn đề khác nhau trong mối hàn ở quy mô micro giây để chúng tôi có thể nhắm mục tiêu toàn bộ quá trình.”

Mặc dù công nghệ hiện tại có khả năng hoạt động nhanh hơn, nhưng các tấm lưỡng cực yêu cầu các đường nối sâu và hẹp trên các tấm 0,1 mm. Khi tốc độ nạp tăng lên trên 0,5 m/s, dòng tan chảy dẫn đến hiệu ứng humping nổi tiếng.

Mặc dù công nghệ hiện tại có khả năng hoạt động nhanh hơn, nhưng các tấm lưỡng cực yêu cầu các đường nối sâu và hẹp trên các tấm 0,1 mm. Khi tốc độ nạp tăng lên trên 0,5 m/s, dòng tan chảy dẫn đến hiệu ứng humping nổi tiếng. Fraunhofer ILT

Mục tiêu của nghiên cứu là tăng thông lượng hàn lên ít nhất 1 m/s hoặc nhiều nhất là 2 m/s trong khi tạo ra một mối hàn nhất quán mà không gặp vấn đề về độ vênh.

Nissenbaum cho biết: “Sau khi thử nghiệm công nghệ này trên các vật liệu khác, chúng tôi đã thấy những kết quả rất hứa hẹn. “Chúng tôi hiểu làm thế nào chúng ta có thể và không thể tác động đến vũng hàn, làm thế nào để đạt được kết quả chất lượng. Nó chỉ đơn giản là vấn đề tiếp tục nghiên cứu.”

Hàn các kim loại khác nhau

Nissenbaum nói rằng công ty quan tâm đến việc theo đuổi nhiều ứng dụng hơn trên thị trường xe điện vì tốc độ và độ chính xác của nó sẽ cho phép công nghệ này cạnh tranh với các hình thức tham gia khác.

Ông giải thích: “Một thị trường tiềm năng rộng lớn đang thay thế các quy trình hàn bằng các quy trình dựa trên laser. “Hàn là tốn kém và cần rất nhiều điện. Rất nhiều phương tiện điện sử dụng hàn vì hàn laser không mang lại cho họ kết quả như mong muốn.

Ông tiếp tục: “Tương tự như vậy, hàn các vật liệu khác nhau là một lĩnh vực mà công nghệ của chúng tôi sẽ rất hiệu quả. “Chúng tôi có thể cung cấp cho mỗi vật liệu cách xử lý riêng theo nghĩa là khi hàn các kim loại khác nhau, giả sử chúng có thứ tự chênh lệch về độ dẫn nhiệt, mỗi bên cần được điều chỉnh sao cho đường hàn tổng thể giống nhau. Chúng ta có thể tạo một cấu hình chùm không đối xứng sao cho bên cần nhiều năng lượng hơn sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn và bên cần ít năng lượng hơn sẽ nhận được ít năng lượng hơn. Giữa hai điều này, bạn đang tạo ra một mối hàn rất năng động.”

Tùy chọn phụ gia

Cuối cùng, đó là tất cả về quản lý lỗ khóa và vũng hàn. Việc áp dụng nguyên tắc này cho sản xuất bồi đắp là một hệ quả hiển nhiên, đó là lý do tại sao Civan cũng đang hợp tác với Smart Move để xây dựng công nghệ sản xuất bồi đắp hàn và bột nhiệt hạch (LPBF) mới. Tia laze của Civan được điều khiển bởi đầu quét laze của Smart Move, cho phép người dùng hàn và LPBF thay đổi hướng hình dạng chùm tia một cách nhanh chóng, cho phép sử dụng hình dạng chùm tia không đối xứng trong hình học phức tạp.

“Việc tích hợp tia laze động của chúng tôi với công nghệ quét hiện đại cho phép các khách hàng hàn và LPBF không chỉ cải thiện tốc độ cấp liệu hàn và tốc độ sản xuất phụ gia, mà còn biến những ứng dụng trước đây không thể thành có thể,” Giám đốc điều hành Civan, Tiến sĩ Eyal Shekel cho biết trong một thông cáo báo chí.

Nissenbaum cho biết: “Có một khoảng thời gian rất nhỏ về nhiệt độ đầu vào và tốc độ cấp liệu mà bạn có thể sử dụng để đạt được tính nhất quán từng lớp cần thiết trong một sản phẩm được chế tạo bằng chất phụ gia. “Chúng tôi đang giải quyết sự phức tạp của việc có được biên dạng mối hàn chính xác giữa phần dẫn điện và lỗ khóa. Định hình chùm tia giúp duy trì độ sâu thâm nhập lý tưởng và các mối lo ngại về tia lửa trước khi chúng tôi mở rộng quy mô và giải quyết tốc độ.”

Tăng cường nghiên cứu

Civan đã hợp tác với một số trường đại học để chứng minh cho nhiều đối tượng hơn về các ứng dụng tiềm năng của công nghệ của mình. Các nhà nghiên cứu của Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) tại Đại học Stuttgart sẽ nghiên cứu công nghệ của công ty bằng cách sử dụng cơ sở video X-quang tốc độ cao của họ để chẩn đoán xử lý vật liệu laser. Hệ thống này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu quan sát bên trong bể nóng chảy trong quá trình hàn laze, tiếp tục nghiên cứu các cơ hội sử dụng công nghệ DBL để cải thiện tính ổn định của lỗ khóa trong các ứng dụng hàn công nghiệp.

TU Wien ở Áo đã mô phỏng cách các hình dạng dầm khác nhau ảnh hưởng đến mối hàn và tại sao một số hình dạng nhất định hoạt động tốt hơn các hình dạng khác.

Điều rõ ràng là việc kiểm soát laser tốt hơn sẽ tiếp tục tác động đến ngành công nghiệp, mở rộng đề xuất giá trị của cả ứng dụng hàn và phụ gia.