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未來激光焊接主流是什么?如何瓜分這塊蛋糕?--激光微焊接的工藝

發布:2022-05-11 10:22作者:www.yattendonparish.com點擊:733次

未來激光焊接主流是什么?如何瓜分這塊蛋糕?激光焊接作為一種成熟的連接技術早已進入工業加工行業,最近也被用于燃料電池技術中的接觸線圈或雙極板焊接等重要用途。不同的連接設計要求和概念需要能夠可靠滿足邊界條件的靈活連接技術。借助空間和時間力調制,可以擴展過程的自由度,并影響釘子的形狀和過程的穩定性。
多年來,激光微焊接在世界各地的研究和工業中引起了越來越多的關注。高亮度近紅外激光束源的發展和光纖激光器價格的持續下降推動了這一發展。使用這些可以清晰聚焦的輻射源,光束的直徑只有 10 μm,由于最大可用激光功率的不斷增加,導致強度更高。今天,使用緊湊的 19 英寸機架可以獲得大于 400 MW / cm2 的功率。這些高強度特性特別適用于焊接銅和鋁。由于材料的特性,高強度保證了深度蒸騰效果,即使低近紅外吸收。這些高強度特性與較短的焦距相結合,導致焊接面積減少,這通常對導電接頭有害。
一方面,這種情況對于電池技術和電力電子領域的觸點來說是不希望的,因為要傳輸的電流很大,因此需要大的結直徑和連接表面。 .電池供電車輛的充電時間與電池組中可以流過的最大電流直接相關,而不會出現熱過熱和隨之而來的電池損壞。
另一方面,當在燃料電池技術中使用雙極密封板時,這些小焦距和由此產生的小焊接寬度需要調整通量場設計以提高效率,即使焊接是電氣連接的一部分。這是因為較小的焊縫直徑會導致流動區域中的結構孔更緊密,從而產生更大的反應面積,從而提高最終燃料電池的效率。
大連接區域的空間功率調制
那么如何在不犧牲深熔焊接工藝所需的力的情況下增加焊縫中焊道的表面積呢?解決方案是調制空間功率。它是一種沿線性行進方向的環形振動,可產生激光束的螺旋軌道運動。這種類型的運動直接帶來了幾個積極的影響:首先,已經熔化的材料通過激光束通過運動軌跡進行再加工。因此,材料吸收的能量被部分回收。這導致比僅使用線性焊盤幾何形狀的傳??統焊接更大的罐體積。其次,由于高振蕩頻率(f = 1000 Hz),獲得了很高的卷材速度(v> 700 mm / s),這會影響針孔的傾斜度,從而使深焊的持續時間增加幾倍。了解更多 ? 光與物質的相互作用 能源消耗。第三,用于描述激光束的振蕩螺旋路徑的兩個附加參數,振幅和頻率,為焊接幾何形狀的設計提供了自由度。因此,傳統的 V 型焊縫變成了 U 型焊縫。這意味著焊縫寬度實際上不受焊接過程中局部波動的影響。
總之,空間功率調制的這些積極方面導致過程效率的顯著提高。與焊接和激光強度同時,可以增加熔化量。在分析減少二氧化碳排放的有效性時,這一方面尤為重要。因此,提高工藝效率的同時最大限度地減少能源消耗將是未來全球研究的最重要方面之一。
然而,激光束的非對稱螺旋路徑的缺點是線能量與振動不同。激光束在行進方向上的更大軌道運動導致更少的局部能量供應,反之亦然。這會在進給方向的焊縫深度處引起振動。
調制的時間效應及其對過程的影響
影響激光束焊接過程的另一種可能性是隨時間調制。在激光束加工過程中,連續激光束源的脈沖形狀與激光功率的時間分布之間存在很大差異。
雖然時間脈沖整形主要用于脈沖輻射源,以影響凝固過程中的熱和冶金性能,但它用于整個焊縫長度的連續焊接。直流功率調制的最常見實現之一是正弦調制與激光功率的疊加。研究表明,焊接質量得到改善,焊接深度變化減少,尤其是在頻率 <1 kHz 時。
拉伸位移試驗后,鋁板表現出明顯的塑性變形,表明接頭具有塑性。盡管金屬間化合物結構復雜,但斷層遠離接頭(富 IMC),可能位于鋁熱沖擊區(HAZ)。需要對這些領域的性質進行具體研究。然而,在幾種金屬間化合物中,Cu-Al結構中的粘合強度高于Al基金屬(1230n)。調制脈沖的剪切力具有可比性,主要結果是強調這樣一個事實,即盡管有 Cu-Al 控制混合物,但它仍然提供了文獻中描述的 Al-Cu 配置中的塑性參考行為。成為。
微觀結構分析是通過剪切焊接然后研磨和拋光進行的。對于銅鋁配置,建議使用高攪拌速度。盡管金屬間化合物結構復雜,但通過振蕩激光脈沖可以實現有效的接頭塑性。
無限形狀的脈沖激光束的振蕩導致 Cu-Al 熔化區的界面不連續。從而得到具有不同程度的銅和鋁相互擴散的區域。這導致脆性和延展性金屬間化合物沿焊縫的橫截面分裂。脈沖形式 A、B、C 和 D 會導致不同程度的混合。由于所有類型的脈沖 (4.02 J) 的能量相同,因此作為脈沖時間函數引入的效應明顯影響了混合物。由于有限的主動焊接時間為 1.75 ms,具有預熱區、主動焊接和冷卻的脈沖 A 顯示出比具有方形截面的脈沖 D 更低的銅和鋁的相互擴散水平。 Pulse D 的總造口面積最大??椎拇笮?10m 到 60m 不等。 Pulse A 的孔隙面積最小。
Cu-Al混合物的體積與孔的數量成正比。盡管所有類型的脈沖能量相同,但內部擴散和缺陷(如氣孔和裂紋)會隨著有效焊接時間的增加而增加。因此,脈沖A可以有效去除銅鋁混合物。
從 Cu-Al 橫截面的顯微圖像中出現了不同的形態。光學顯微鏡和切口被用來解釋這些結構。在焊縫中存在以I、II、III和IV為代表的樹枝狀結構。根據文獻中的描述,可能存在各種金屬間化合物。在 Al-Cu 鍵合工藝中發現的主要 IMC 成分是 Al2Cu、Al4Cu9、AlCu 和 Al3Cu4。由于Cu-Al的快速激光焊接過程,在焊接過程中會出現復雜的Al-Cu形貌。在界面區域可以看到尺寸在 5 到 20 μm 之間的金屬間化合物結構 II。 Cu-Al 界面富含 Al-Cu 金屬間化合物的所有變體。在靠近賤金屬Al的熔化區末端,形成了尺寸約為4.4μm的樹枝狀結構II。
在銅鋁激光焊接中,(無限)光束振蕩和脈沖調制的結合提高了接頭的延展性。在這種結構中,當銅在頂部并且大部分金屬間相在焊料中時,銅和鋁的相互擴散非常高。然而,這些相在較大焊縫寬度上的分布(通過梁振動)導致接頭更具延展性。含有富含金屬間化合物的混合熔體和含有有限量金屬間化合物相的熔體的不連續界面有助于提高機械強度。脈沖的形狀,即功率隨脈沖持續時間的調制,會影響應力水平和形成的孔隙數量。與矩形脈沖 D 相比,脈沖 A 在預熱、主動焊接和冷卻的某些階段有助于提高剪切強度和減少無孔互擴散。
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