การเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่แตกต่าง: เติมช่องว่างในวิศวกรรมสมัยใหม่

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีบทบาทในยานพาหนะไฟฟ้า การบินและอวกาศ การขนส่งทางเรือและทางรถไฟ การก่อสร้าง ภาคพลังงาน เซมิคอนดักเตอร์ เครื่องใช้ไฟฟ้า การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ และอื่นๆ แม้แต่การหลอมรวมวัสดุที่ไม่เหมือนกันซึ่งทำได้ยากด้วยเทคนิคการเชื่อมแบบเดิมๆ ก็สามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดายด้วยความยืดหยุ่นและความแม่นยำของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ และยังกลายเป็นโซลูชันที่ต้องการอีกด้วย กระบวนการนี้ซึ่งมักเรียกกันว่า "การเชื่อมที่ไม่เหมือนกัน" เป็นส่วนสำคัญในการบรรลุเป้าหมายทางวิศวกรรมสมัยใหม่

การผลิตแบตเตอรี่และส่วนประกอบไฟฟ้าสำหรับการใช้งานระบบเคลื่อนที่ด้วยพลังงานไฟฟ้ากำลังกระตุ้นให้เกิดความสนใจมากขึ้นในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของวัสดุที่ไม่เหมือนกัน เช่น ทองแดงและอลูมิเนียม

การเชื่อมที่แตกต่างกันช่วยให้มีอิสระในการออกแบบที่กว้างขึ้นเมื่อเลือกวัสดุที่แตกต่างกันที่มีคุณสมบัติที่ดี เช่น การนำไฟฟ้าและความร้อน ความเหนียว ความหนาแน่นสัมพัทธ์ จุดหลอมเหลว และความแข็ง แต่โดยทั่วไปแล้วต้องใช้กาวหรือวิธีการเชิงกลในการเชื่อมติดกัน

แม้ว่าเทคนิคนี้จะมีองค์ประกอบที่เหมือนกันกับการเชื่อมแบบทั่วไป แต่ก็ให้โอกาสพิเศษในการเพิ่มระดับอิสระในการออกแบบ ความหลากหลายของวัสดุผสม ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการผลิตและการประกอบ และปรับปรุงประสิทธิภาพของส่วนประกอบหรือระบบ

อย่างไรก็ตาม การเชื่อมวัสดุที่แตกต่างกันจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับความยาวคลื่นเลเซอร์ กำลังเฉลี่ย โปรไฟล์ลำแสง ความกว้างของพัลส์ และกำลังสูงสุด พารามิเตอร์ของระบบเลเซอร์ยังต้องได้รับการปรับแต่งให้เหมาะกับการผสมวัสดุและการใช้งานเฉพาะอีกด้วย

ขอบเขตการใช้งานที่สำคัญและเติบโตเร็วที่สุดคือการผลิตแบตเตอรี่และอุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า ความต้องการรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงสองปีที่ผ่านมา และการเชื่อมวัสดุที่ไม่เหมือนกันเป็นหัวใจสำคัญของการทำให้รถยนต์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

แม้ว่าการเชื่อมที่แตกต่างกันจะเหมือนกันมากกับการเชื่อมแบบทั่วไป แต่การปรับคุณภาพและความเร็วของการเชื่อมให้เหมาะสมนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายมากกว่า ความยืดหยุ่นของระบบการเชื่อมด้วยเลเซอร์นำเสนอโซลูชั่นที่เป็นเอกลักษณ์เพื่อขยายการใช้งานและโอกาสใหม่ๆ (สนับสนุนโดยโทโมเอ็กซ์เพรส)

Matthew Philpott ประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายการตลาดและการขายของ NUBURU ซึ่งเป็นผู้นำด้านนวัตกรรมเทคโนโลยีเลเซอร์สีฟ้าสำหรับอุตสาหกรรมที่มีกำลังสูงและความสว่างสูง กล่าวว่า "รถยนต์ไฟฟ้าคาดว่าจะมีสัดส่วนมากกว่า 20% ของตลาดในอีก 5 ถึง 10 ปีข้างหน้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคจะมีสัดส่วนระหว่าง 10% ถึง 15%"

การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) จำเป็นต้องมีความสามารถในการเชื่อมอลูมิเนียมกับทองแดงในการเชื่อมแบบฟอยล์เป็นอิเล็กโทรดหรืออิเล็กโทรดถึงอิเล็กโทรด ในแบตเตอรี่ทรงกระบอก จะต้องเชื่อมตัวเชื่อมอิเล็กโทรดทองแดงเข้ากับกระป๋องเหล็ก

ในการผลิตชุดแบตเตอรี่ เซลล์มักจะประกอบกันอยู่แล้ว และวิศวกรต้องใช้การออกแบบที่เชื่อมต่อเซลล์เพื่อให้พลังงานที่เหมาะสมที่สุด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันทำจากเหล็กรีดเย็นชุบนิกเกิล อย่างไรก็ตาม การเชื่อมโลหะที่มีความต้านทานน้อย เช่น อลูมิเนียมหรือทองแดง กับขั้วสเตนเลสสตีลมาตรฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะช่วยลดความต้านทานลง จึงสิ้นเปลืองพลังงานน้อยลงในการสูญเสียความร้อน

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเป็นปัจจัยสำคัญในการเติบโตอย่างต่อเนื่องของยอดขายรถยนต์ไฟฟ้า” มาร์ค แอล. บอยล์ ผู้จัดการอาวุโสฝ่ายวิศวกรรมผลิตภัณฑ์และการใช้งานของ AMADA WELD TECH กล่าว ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นส่วนหนึ่งมาจากการพัฒนาล่าสุดในการเชื่อมโลหะที่แตกต่างกัน ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการเพิ่มการกักเก็บพลังงาน ลดขนาด และรักษาความน่าเชื่อถือ"

นอกจากนี้ อุตสาหกรรมการต่อเรือยังเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่การเชื่อมที่ไม่เหมือนกันให้คุณค่าที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว อุตสาหกรรมใช้ส่วนเชื่อมต่อแบบเชื่อมระหว่างเหล็กและอะลูมิเนียมเป็นประจำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายน้ำหนัก ส่งผลให้ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยลงและเพิ่มความเสถียร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเชื่อมตัวถังเหล็กเข้ากับโครงสร้างส่วนบนของอะลูมิเนียมสามารถลดน้ำหนักได้

Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1 ไมโครเมตร (ภาพโดย NUBURU)

"นอกเหนือจากการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และการใช้พลังงานแล้ว จุดศูนย์ถ่วงของเรือยังสามารถลดลงได้ด้วยการจัดเรียงวัสดุอย่างชาญฉลาด ซึ่งจะช่วยปรับปรุงเสถียรภาพในการขนส่ง" Rabi Lahdo นักวิจัยในกลุ่มการเชื่อมและตัดโลหะที่ Hanover Laser Center กล่าว

แม้ว่าวัสดุที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันมักจะให้การเชื่อมที่เชื่อถือได้มากกว่า แต่ผู้เล่นรายใหญ่ เช่น AMADA WELD TECH ได้รับการร้องขอในการเชื่อมวัสดุที่แตกต่างกันจำนวนมากขึ้น

"ในเชิงพาณิชย์ การเลือกวัสดุอื่นอาจช่วยลดต้นทุนการผลิตและปรับปรุงประสิทธิภาพของส่วนประกอบหรืออุปกรณ์" Mark L. Boyle กล่าวว่า "เมื่อเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ การเลือกใช้โลหะที่แตกต่างกันสามารถใช้เป็นข้อได้เปรียบทางการแข่งขันในตลาดเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ดีกว่าในราคาที่ต่ำกว่า"

01 ความท้าทายและข้อควรพิจารณา-
เมื่อหลอมวัสดุ เช่น เหล็กหรือทองแดงเข้ากับอลูมิเนียม การเปลี่ยนแปลงจุดหลอมเหลวของวัสดุและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสามารถนำไปสู่การก่อตัวของส่วนตรงกลางที่เปราะซึ่งทำให้รอยเชื่อมอ่อนตัวลง

"โลหะมีอุณหภูมิหลอมละลายและฟิวชันต่างกัน ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงต่างกัน (โดยเฉพาะที่ความยาวคลื่นเลเซอร์บางช่วง) และการแพร่กระจายความร้อนต่างกัน ซึ่งทำให้ยากต่อการหลอมโลหะให้ได้ระดับที่เหมาะสมในเวลาเดียวกัน" Philpott จาก NUBURU กล่าวว่า "สิ่งนี้สังเกตได้ชัดเจนที่สุดในโลหะที่มีการสะท้อนแสงสูง ซึ่งสามารถมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่แตกต่างกันมากในอินฟราเรด"

สนามความเค้นที่สร้างขึ้นโดยค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันในระหว่างการทำความเย็นอาจทำให้รอยเชื่อมอ่อนตัวลงและอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของรอยเชื่อมได้ โครงสร้างที่แข็งและเปราะเหล่านี้เรียกว่า "เฟสระหว่างโลหะ" ก่อตัวในบริเวณเปลี่ยนผ่านระหว่างโลหะเชื่อมและโลหะฐาน นี่เป็นปรากฏการณ์ที่สามารถรบกวนวิธีการเชื่อมใดๆ ได้

ภาพตัดขวางของรอยเชื่อมที่ไม่เหมือนกันของเหล็กและอะลูมิเนียม (ผลงาน LZH)

การก่อตัวของเฟสระหว่างโลหะ เช่น FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 ในระบบเหล็ก-อะลูมิเนียม และ Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 ในระบบทองแดง-อะลูมิเนียม เกิดจากการละลายได้จำกัดของธาตุ" Sarah Nothdurft หัวหน้าฝ่าย การเชื่อมและการตัดโลหะกลุ่มที่ Laser Center Hannover ขั้นตอนดังกล่าวยังแสดงความต้านทานที่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับวัสดุฐาน"

การเลือกพารามิเตอร์การทำงานของเลเซอร์อย่างระมัดระวัง เช่น การรวมความเร็วในการเชื่อมสูง โหลดความร้อนต่ำ และการควบคุมกระบวนการหลอมที่แม่นยำ ช่วยให้วิศวกรสามารถบรรเทาปัญหาเหล่านี้บางส่วนได้

"แม้ว่าการก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะจะเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่ความเปราะบางของพวกมันก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้น" Alexei Markevitch ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาตลาดของ IPG Photonics กล่าวว่า "การกำหนดกระบวนการที่เหมาะสมสามารถลดการก่อตัวของสารประกอบเหล่านี้และเพิ่มความสามารถในการดัดงอได้ ส่งผลให้ได้โครงสร้างที่แข็งแรง เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น และรอยเชื่อมมีความเสถียรมากขึ้น"

02 การใช้งานสำหรับการเชื่อมวัสดุต่างๆ-

การให้ความสำคัญกับอัตราส่วนการผสมที่เหมาะสมและการจัดวางที่เหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของรอยเชื่อมที่แตกต่างกันได้ ตัวอย่างเช่น ตะเข็บ I ที่มีช่องเชื่อมแบบตักได้พิสูจน์แล้วว่ามีข้อได้เปรียบ ในวิธีนี้ แผ่นเหล็กจะถูกวางบนแผ่นอะลูมิเนียม เพื่อลดขั้นตอนระหว่างโลหะให้เหลือน้อยที่สุด การเชื่อมจะดำเนินการผ่านแผ่นเหล็กและเฉพาะแผ่นอลูมิเนียมเท่านั้น

Oliver Seffer นักวิจัยในกลุ่มการเชื่อมและตัดโลหะที่ Hanover Laser Center กล่าวว่า "เนื่องจากมีปริมาณอะลูมิเนียมต่ำ สัดส่วนของเฟสเปราะดังกล่าวในโครงสร้างจุลภาคขั้นสุดท้ายจึงค่อนข้างต่ำ"

03 ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับพารามิเตอร์เลเซอร์-
การเลือกใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ขึ้นอยู่กับวัสดุที่จะเชื่อม ช่องเชื่อมที่แตกต่างกันสำหรับแก้วและโลหะอาจต้องใช้ระบบเลเซอร์ CO2 การเชื่อมกระจกอลูมิโนซิลิเกตและโลหะชนิดต่างๆ อาจได้ประโยชน์จากระบบเลเซอร์เฟมโตวินาที ในขณะที่การเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมและกระจกทางเทคนิคมักจะประสบความสำเร็จด้วยแหล่งกำเนิดเลเซอร์พิโควินาที

เป้าหมายคือเพื่อลดการป้อนความร้อน กำจัดการกระเด็น ปรับปรุงเสถียรภาพของกระบวนการ และจัดให้มีหน้าต่างพารามิเตอร์กระบวนการที่กว้างในขณะที่เชื่อมด้วยความเร็วสูงสุดที่เป็นไปได้

"แม้ว่าโลหะผสมของเหล็กจะดูดซับได้ดีในบริเวณใกล้อินฟราเรด แม้แต่โลหะที่มีการสะท้อนแสงสูง เช่น อลูมิเนียมและทองแดง ก็มักจะถูกแปรรูปด้วยเลเซอร์ขนาด 1 µm" Markevitch ของ IPG กล่าวว่า "นี่เป็นเนื่องจากการดูดซับขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเฟสของโลหะ ที่อุณหภูมิห้อง ทองแดงและอลูมิเนียมดูดซับประมาณ 5% ที่ 1 µm และ 40% ถึง 50% ที่ 515 นาโนเมตร โดยมีการดูดซับที่สูงกว่าที่ความยาวคลื่นสีน้ำเงิน"

"การดูดซับทั้งหมดเพิ่มขึ้นสำหรับโลหะที่ให้ความร้อน และ IR จะกระโดดไปที่จุดหลอมเหลว" เขากล่าว "และโลหะหลอมเหลวก็ดูดซับความยาวคลื่นทั้งหมดได้ดีมาก ดังนั้น ความหนาแน่นของพลังงาน IR ที่สูงพอที่จะเอาชนะการสะท้อนแสงที่สูงได้"

However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.

Rabi Lahdo กล่าวว่าการลดความเข้มข้นของเอาท์พุตที่ต้องการจะช่วยลดความปั่นป่วนในบ่อหลอมเหลว ซึ่งช่วยเพิ่มความเสถียรของกระบวนการ "ความเสถียรของกระบวนการที่เพิ่มขึ้นจะมาพร้อมกับการปรับปรุงคุณภาพของการเปิดรอยเชื่อมแบบไฮบริด และการก่อตัวของการกระเด็นก็ถูกระงับ"

ในการเชื่อมรูกุญแจของวัสดุที่หนาขึ้น โดยเริ่มจากรูที่มีพันธะไมโครขนาดหลายร้อยไมโครเมตร โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์อินฟราเรดจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเลเซอร์สีเขียวหรือสีน้ำเงิน ส่งผลให้ได้รับความร้อนน้อยลง รวมถึงคุณภาพการเชื่อมที่ดีขึ้นและความเร็วที่เร็วขึ้น

Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0.65 มม.

“ความสว่างของลำแสงโหมดเดี่ยวสูงถึง 2 kW เอาชนะธรรมชาติการสะท้อนแสงของโลหะสว่าง เพื่อสร้างรอยเชื่อมรูเล็ก ๆ ที่มีความเสถียรพร้อมความลึกของฟิวชันที่อาจลึกกว่าความกว้างของรอยเชื่อมมาก” Ken Dzurko กล่าวทั่วโลก ผู้จัดการบัญชีหลักอาวุโสที่ ThruFast Laser Technology Center ในเมืองซานตาคลารา รัฐแคลิฟอร์เนีย

"การแกว่งอย่างรวดเร็วของลำแสงจะยับยั้งการก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะ ซึ่งจำกัดระยะเวลาของระยะการหลอมละลายที่ช่องเปิดของการเชื่อม" เขากล่าวว่า "นอกจากนี้ ความสว่างของไฟสูงยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเชื่อม และลดโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนได้อย่างมาก จึงทำให้มีปริมาตรการเชื่อมสูงขึ้นด้วยกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ต่ำกว่า"

อีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อการใช้พลังงานเลเซอร์คือการกระเจิงของแสงโดยไอโลหะ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังที่สี่ของความยาวคลื่น เลเซอร์ 1070 นาโนเมตรกระจายน้อยกว่าเลเซอร์ 515 นาโนเมตร 18 เท่า และน้อยกว่าเลเซอร์ 455 นาโนเมตร 30 เท่า อัตราการกระเจิงที่สูงของเลเซอร์สีน้ำเงินและสีเขียวในไอโลหะจะชดเชยอัตราการดูดซับที่สูงขึ้นเล็กน้อยในวัสดุหลอมเหลวได้อย่างง่ายดาย

ปัจจุบัน ผู้ผลิตส่วนใหญ่เลือกเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องขนาด 1 µm ซึ่งเป็นผู้นำในด้านความเร็ว คุณภาพ และการลดต้นทุนในการประมวลผล แต่ความยาวคลื่นทั้งหมดมีข้อดี ขึ้นอยู่กับสถานการณ์เฉพาะ ตัวอย่างเช่น Philpott จาก NUBURU เชื่อว่าการเปลี่ยนความยาวคลื่นเป็นแสงสีน้ำเงินหรือสีเขียวคุ้มค่าแก่การสำรวจในการใช้งานที่ได้รับประโยชน์จากการดูดซับที่เพิ่มขึ้น

"การส่งลำแสงสำหรับเลเซอร์แสงสีน้ำเงินหรือสีเขียว (เช่น เครื่องสแกน หัวประมวลผล การควบคุมลำแสง และส่วนประกอบเสริมอื่นๆ) คล้ายคลึงกับที่ใช้สำหรับเลเซอร์ NIR" Philpott กล่าวว่า "ด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนจากแสงอินฟราเรดเป็นแสงสีน้ำเงินหรือสีเขียวจึงทำได้ง่ายมาก และวิธีการจัดการพลูมก็คล้ายกัน ดังนั้นจึงไม่มีปัญหาเนื่องจากการดูดซับหรือการกระเจิง"

ระบบเลเซอร์ในปัจจุบันจำกัดอยู่ที่ 3kW ที่ 515 นาโนเมตร และ 4kW ที่ 455 นาโนเมตร และเนื่องจากคุณภาพลำแสงที่จำกัดของเลเซอร์สีน้ำเงิน ความสามารถในการโฟกัสของลำแสงและประสิทธิภาพการประมวลผลจึงมีจำกัดเช่นกัน

"เมื่อทำการเชื่อมทองแดงโดยใช้ความยาวคลื่นของลำแสงเลเซอร์ในช่วงที่มองเห็นได้ โดยเฉพาะในสเปกตรัมแสงสีน้ำเงิน ในปัจจุบัน ยังขาดกำลังของลำแสงเลเซอร์ที่เพียงพอและคุณภาพของลำแสงที่จำเป็น" Rabi Lahdo กล่าว "การบรรลุคุณภาพลำแสงสูงถือเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเมื่อ การใช้เลเซอร์ไดโอดเพื่อสร้างรังสีเลเซอร์ นอกจากนี้ เลเซอร์ที่มองเห็นยังมีแนวโน้มที่จะสร้างความเสียหายให้กับเลนส์มากกว่าแหล่งอินฟราเรด

แม้จะมีความท้าทาย Philpott คาดหวังการปรับปรุงเพิ่มเติมในด้านประสิทธิภาพและมูลค่าการบัดกรี เนื่องจากไดโอดแสงสีน้ำเงินได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในด้านความพร้อมและประสิทธิภาพ

“ไม่มีความน่าเชื่อถือหรือความเสี่ยงด้านต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานเลเซอร์ภายในเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนการออกแบบของเลนส์” เขากล่าว “ดังที่กล่าวไปแล้ว ลูกค้าอาจพบว่าผลิตภัณฑ์ของซัพพลายเออร์เลเซอร์มีอายุการใช้งานสั้น อย่างไรก็ตาม หากผู้ผลิตไม่เผยแพร่ผลิตภัณฑ์โดยไม่มีการตรวจสอบอุปกรณ์เกี่ยวกับเลนส์อย่างถูกต้อง สิ่งนี้ก็สามารถเกิดขึ้นได้ไม่ว่าจะมีความยาวคลื่นใดก็ตาม”

04
-ความเชี่ยวชาญของระบบเลเซอร์-

เลเซอร์ไฟเบอร์แบบคลื่นต่อเนื่องสามารถเชื่อมอลูมิเนียมและทองแดงด้วยการควบคุมโปรไฟล์ลำแสงที่เหมาะสม การพัฒนาโปรไฟล์ลำแสงวงแหวนหลักและระบบสแกนที่ทรงพลังยิ่งขึ้นได้ปรับปรุงคุณภาพและศักยภาพของพอร์ตการเชื่อมแบบไฮบริดอย่างมากในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา

ในระหว่างการเชื่อมรูเล็กของทองแดงและอลูมิเนียม รูจะไม่เสถียรที่ความเร็วการเชื่อมสูง วิธีหนึ่งที่จะกำจัดความไม่แน่นอนนี้คือการลดความเร็วในการเชื่อม แต่โดยปกติแล้วสิ่งนี้ไม่เป็นที่พึงปรารถนา อีกวิธีหนึ่งคือการใช้กัลวาโนมิเตอร์เพื่อเพิ่มการสั่นให้กับลำแสงเลเซอร์เพื่อปั่นป่วนบ่อหลอมเหลว สิ่งนี้จะช่วยปรับปรุงการพาความร้อนในกระแสหลอมเหลวเพื่อป้องกันไม่ให้รูเล็กๆ ยุบตัว โดยปกติแล้วจะทำให้เกิดการเชื่อมที่มีคุณภาพดีเยี่ยม แต่จะทำให้กระบวนการเชื่อมช้าลงอีก

วิธีที่สามในการกำจัดสะเก็ดกระเด็นระหว่างการเชื่อมด้วยความเร็วสูงคือการใช้เลเซอร์ Adjustable Mode Beam (AMB) ซึ่งจะปล่อยลำแสงแกนที่ล้อมรอบด้วยลำแสงวงแหวน กำลังและความเข้มของลำแสงหลักจะกำหนดความลึกของการเจาะทะลุของรูเล็กๆ ในขณะที่พลังงานของลำแสงวงแหวนจะทำให้รูเล็กๆ มีความเสถียร เพื่อลดหรือกำจัดการกระเด็น รอยแตก และความพรุนที่ไม่พึงประสงค์ออกไปโดยสิ้นเชิง

แกนที่เล็กที่สุดคือลำแสงโหมดเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 µm โดยทั่วไปแกนมัลติโหมดจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 หรือ 100 µm และคานวงแหวนโดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 300 µm

“การใช้เลเซอร์ไฟเบอร์วงแหวนแกนเป็นพื้นที่การพัฒนาเชิงรุกในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่แตกต่างด้วยอินฟราเรด และเป็นที่ต้องการของผู้เล่นหลักทุกราย” Markevitch ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาตลาดของ IPG Photonics กล่าว "เลเซอร์ AMB ที่มีแกนโหมดเดียวได้รับเลือกเนื่องจากความอเนกประสงค์ ความเร็วในการเชื่อมที่สูง และความสามารถโดยธรรมชาติในการลดการก่อตัวของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะให้เหลือน้อยที่สุด"

เลเซอร์ AMB แกนโหมดเดี่ยวขนาด 3 kW ที่มีกำลังเพิ่มเติม 3 kW ในเลเซอร์วงแหวนมีความสามารถในการเชื่อมบัสบาร์ทองแดงแบบไม่กระเด็นที่ 60 ม./นาที โดยมีการเจาะมากกว่า 0.65 มม.

เลเซอร์สีเขียวหรือสีน้ำเงินเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันไม่สามารถบรรลุความเร็วและคุณภาพการประมวลผลเท่ากันได้ Markevitch กล่าว แต่ในขณะที่เขาชี้ให้เห็น ความสม่ำเสมอในการเชื่อมยังคงได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของช่องว่างระหว่างวัสดุหรือการปนเปื้อนของวัสดุ เนื่องจากมีแนวโน้มที่ความหนาของบัสบาร์จะลดลง การยึดจับและการจับยึดจึงกลายเป็นเรื่องท้าทาย ความลึกของการหลอมละลายของการเชื่อมที่ไม่เพียงพออาจส่งผลให้มีความต้านทานสูงขึ้นและความแข็งแรงเชิงกลลดลง ในขณะที่ความลึกของการหลอมละลายหรือการเจาะที่มากเกินไปอาจทำให้เซลล์แบตเตอรี่ EV ตกอยู่ในอันตรายจากไฟไหม้

"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60 องศา”

อลูมิเนียมละลายที่ 660 องศา ทองแดงที่ 1,085 องศา และโลหะผสมที่ 1,500 องศา โลหะสองชนิดที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวแตกต่างกันมากจะต้องหลอมละลายโดยไม่ทำลายเกลือลิเธียมที่มีออร์กาโนเจลที่ติดไฟได้หรือส่วนประกอบของแบตเตอรี่ (เช่น ซีล ปะเก็น และตัวเว้นระยะ) ด้านล่าง

การควบคุมกระบวนการในสายการผลิตตามการปล่อยก๊าซกระบวนการสเปกตรัมหรือ OCT สามารถให้การวัดความลึกของการเชื่อมแบบไม่ทำลายแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการแก้ไขเพื่อให้ได้ความลึกของการหลอมคงที่