A soldagem a laser tem lugar em veículos elétricos, aeroespacial, transporte naval e ferroviário, construção, setor de energia, semicondutores, eletrônicos de consumo, fabricação de dispositivos médicos e muito mais. Mesmo a fusão de materiais diferentes, que é difícil com as técnicas de soldadura convencionais, pode ser facilmente resolvida com a flexibilidade e precisão da soldadura a laser, e tornou-se até a solução preferida. Este processo, muitas vezes referido como “soldagem por dissimilaridade”, é uma parte importante para atingir os objetivos da engenharia moderna.
A produção de baterias e componentes elétricos para aplicações de mobilidade elétrica está gerando maior interesse na soldagem a laser de materiais diferentes, como cobre e alumínio.
A soldagem dissimilar permite maior liberdade de projeto ao selecionar diferentes materiais com boas propriedades, como condutividade elétrica e térmica, ductilidade, densidade relativa, ponto de fusão e dureza, mas tradicionalmente requer adesivos ou métodos mecânicos para unirem-se.
Embora a técnica tenha elementos em comum com a soldagem convencional, ela oferece uma oportunidade única de aumentar o grau de liberdade de projeto, a variedade de combinações de materiais, reduzindo assim os custos de fabricação e montagem e melhorando o desempenho de componentes ou sistemas.
No entanto, a soldagem de diferentes materiais requer uma consideração cuidadosa do comprimento de onda do laser, potência média, perfil do feixe, largura de pulso e potência de pico. Os parâmetros do sistema laser também devem ser personalizados para combinações e aplicações específicas de materiais.
A área de aplicação mais importante e de crescimento mais rápido é a produção de baterias e componentes elétricos para veículos elétricos. A procura por veículos eléctricos (VE) aumentou dramaticamente nos últimos dois anos, e a soldadura de materiais diferentes está no centro de tornar os VE mais eficientes e ecológicos.
Embora a soldagem por dissimilaridade tenha muito em comum com a soldagem convencional, otimizar a qualidade e a velocidade da solda é mais desafiador. A flexibilidade dos sistemas de soldagem a laser oferece soluções exclusivas para expandir novas aplicações e oportunidades. (Contribuição de Tomo Express)
Matthew Philpott, diretor de marketing e vendas da NUBURU, um inovador líder em tecnologia de laser azul industrial de alta potência e alto brilho, disse: "Projeta-se que os veículos elétricos representarão mais de 20% do mercado nos próximos 5 a 10 anos, e os produtos eletrônicos de consumo representarão entre 10% e 15%."
A fabricação de baterias de íon-lítio (Li-ion) requer a capacidade de soldar alumínio ao cobre em uma solda folha-eletrodo ou eletrodo-eletrodo. Nas baterias cilíndricas, os terminais do eletrodo de cobre devem ser soldados a uma lata de aço.
Na fabricação de baterias, as células geralmente já estão montadas e os engenheiros devem implementar um projeto que conecte as células para fornecer energia ideal. As atuais baterias de íons de lítio são feitas de aço laminado a frio niquelado. No entanto, soldar um metal menos resistivo, como o alumínio ou o cobre, aos terminais padrão de aço inoxidável de uma bateria de iões de lítio reduz a sua resistência, pelo que é desperdiçada menos energia na perda de calor.
O desempenho aprimorado da bateria de veículos elétricos é um fator importante no crescimento constante das vendas de veículos elétricos", disse Mark L. Boyle, gerente sênior de engenharia de produto e aplicações da AMADA WELD TECH. O melhor desempenho decorre em parte dos desenvolvimentos recentes na soldagem de metais diferentes, o que melhora a eficiência aumentando o armazenamento de energia, reduzindo o tamanho e mantendo a confiabilidade."
Além disso, a indústria da construção naval fornece outro exemplo em que a soldadura diferente proporciona um valor único. A indústria utiliza rotineiramente interfaces soldadas de aço-alumínio para otimizar a distribuição de peso, resultando em menores emissões de CO2 e maior estabilidade. Em particular, soldar um casco de aço a uma superestrutura de alumínio pode reduzir o peso morto.
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 µm. (Foto de NUBURU)
“Além de reduzir as emissões de CO2 e o consumo de energia, o centro de gravidade da embarcação pode ser reduzido através da disposição inteligente do material, melhorando assim a estabilidade do transporte.” Rabi Lahdo, pesquisador do Grupo de Soldagem e Corte de Metal do Hanover Laser Center, disse.
Embora materiais com propriedades semelhantes geralmente produzam soldas mais confiáveis, grandes players como a AMADA WELD TECH estão recebendo um número crescente de solicitações para soldar materiais diferentes.
“Comercialmente, a escolha de um material diferente pode reduzir os custos de fabricação e melhorar o desempenho de um componente ou dispositivo”. Mark L. Boyle disse: "Quando isso acontece, a escolha de metais diferentes pode ser usada como uma vantagem competitiva no mercado para fornecer um produto melhor a um preço mais baixo."
01 Desafios e Considerações-
Ao fundir materiais como aço ou cobre com alumínio, alterações no ponto de fusão do material e no coeficiente de expansão térmica podem levar à formação de porções intermediárias frágeis que enfraquecem a junta soldada.
"Os metais têm diferentes temperaturas de fusão e fusão, diferentes coeficientes de absorção de luz (especialmente em certos comprimentos de onda do laser) e diferentes difusividades térmicas. Isso torna difícil derretê-los no grau certo ao mesmo tempo." Philpott da NUBURU diz: “Isso é mais perceptível em metais altamente reflexivos, que podem ter coeficientes de absorção muito diferentes no infravermelho”.
Os campos de tensão criados por diferentes coeficientes de expansão térmica durante o resfriamento também podem enfraquecer as soldas e levar à falha da junta soldada. Estas estruturas duras e frágeis, chamadas “fases intermetálicas”, formam-se na zona de transição entre o metal de solda e o metal base. Este é um fenômeno que pode afetar qualquer método de soldagem.
Seção transversal de uma solda por dissimilaridade de aço e alumínio. (Contribuição LZH)
A formação de fases intermetálicas, como FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 no sistema aço-alumínio e Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 no sistema cobre-alumínio, é devida à solubilidade limitada dos elementos", diz Sarah Nothdurft, Chefe do Grupo de Junção e Corte de Metais no Laser Center Hannover. Essas fases também apresentam resistividade significativamente maior em comparação com o material de base."
A seleção cuidadosa dos parâmetros operacionais do laser, como a combinação de altas velocidades de soldagem, baixas cargas térmicas e controle preciso do processo de fusão, permite que os engenheiros mitiguem alguns desses problemas.
"Embora a formação de compostos intermetálicos seja inevitável, sua fragilidade não é." Alexei Markevitch, gerente de desenvolvimento de mercado da IPG Photonics, disse: “A formulação correta do processo pode minimizar a formação desses compostos e maximizar sua maleabilidade, resultando em soldas estruturalmente sólidas, mais condutivas e mais estáveis”.
02 Aplicações para soldagem de diferentes materiais-
A atenção às proporções de mistura adequadas e aos arranjos de correspondência adequados pode melhorar ainda mais o desempenho de juntas soldadas diferentes. Por exemplo, uma costura em I com abertura para solda sobreposta provou ser vantajosa. Neste método, uma placa de aço é colocada sobre uma placa de alumínio. Para minimizar as fases intermetálicas, a soldagem é realizada através da chapa de aço e somente na chapa de alumínio.
Oliver Seffer, pesquisador do Grupo de Soldagem e Corte de Metal do Hanover Laser Center, diz: “Devido ao baixo teor de alumínio, a proporção dessas fases frágeis na microestrutura final é relativamente baixa”.
03 Considerações sobre parâmetros do laser-
A escolha da tecnologia laser depende do material a ser soldado. Portas de solda diferentes para vidro e metais podem exigir um sistema de laser CO2. A soldagem de vidro de aluminossilicato e vários metais pode se beneficiar de um sistema de laser de femtosegundo, enquanto a soldagem de ligas de alumínio e vidro técnico pode muitas vezes ser bem-sucedida com uma fonte de laser de picossegundo.
O objetivo é minimizar a entrada de calor, eliminar respingos, melhorar a estabilidade do processo e fornecer uma ampla janela de parâmetros do processo durante a soldagem na velocidade mais alta possível.
"Embora as ligas de aço absorvam bem na região do infravermelho próximo, mesmo metais com alta refletividade, como alumínio e cobre, são processados principalmente com lasers de 1 µm." Markevitch do IPG diz: "Isso ocorre porque a absorção depende da temperatura e da fase do metal. À temperatura ambiente, o cobre e o alumínio absorvem cerca de 5% a 1 µm e 40% a 50% a 515 nm, com maior absorção nos comprimentos de onda azuis."
"Todas as absortividades aumentam para metais aquecidos, e o IR salta no ponto de fusão", diz ele, "e os metais fundidos absorvem todos os comprimentos de onda muito bem. Assim, uma densidade de potência de IR alta o suficiente supera a alta refletividade."
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 diz que a redução da intensidade de saída necessária atenua a turbulência na poça fundida, o que melhora a estabilidade do processo. “O aumento na estabilidade do processo é acompanhado por uma melhoria na qualidade da abertura da solda híbrida, e a formação de respingos é suprimida.”
Na soldagem tipo buraco de fechadura de materiais mais espessos, começando com furos de microligação de centenas de micrômetros, os lasers infravermelhos são normalmente mais eficazes que os lasers verdes ou azuis, resultando em menor entrada de calor, bem como melhor qualidade de solda e velocidades mais rápidas.
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 >0,65mm.
"O brilho do feixe monomodo de até 2 kW supera a natureza reflexiva do metal brilhante para criar soldas estáveis de pequenos furos com uma profundidade de fusão que pode ser muito mais profunda do que a largura da solda", disse Ken Dzurko, global gerente sênior de contas principais no ThruFast Laser Technology Center em Santa Clara, Califórnia.
“A rápida oscilação do feixe inibe a formação de compostos intermetálicos, limitando assim a duração da fase de fusão na abertura da solda.” Ele disse: "Além disso, o alto brilho do feixe aumenta a eficiência da soldagem e reduz bastante a zona afetada pelo calor, produzindo assim um maior volume de solda com uma entrada de energia média mais baixa."
Outro fator que afeta o uso da energia do laser é a dispersão da luz pela pluma de vapor metálico, que é proporcional à quarta potência do comprimento de onda. Os lasers de 1070 nm espalham 18 vezes menos que os lasers de 515 nm e 30 vezes menos que os lasers de 455 nm. As altas taxas de dispersão dos lasers azuis e verdes nas plumas de vapor metálico compensam facilmente suas taxas de absorção ligeiramente mais altas em materiais fundidos.
Hoje, a maioria dos fabricantes escolhe lasers de onda contínua de 1 µm, que são líderes em velocidade de processamento, qualidade e redução de custos. Mas todos os comprimentos de onda oferecem vantagens, dependendo da situação específica. Por exemplo, Philpott da NUBURU acredita que vale a pena explorar uma mudança de comprimento de onda para luz azul ou verde em aplicações que se beneficiam de maior absorção.
"A entrega do feixe para lasers de luz azul ou verde (por exemplo, scanners, cabeçotes de processamento, controle de feixe e outros componentes auxiliares) é semelhante àquela usada para lasers NIR." Philpott diz: "Como resultado, a conversão de luz infravermelha para luz azul ou verde é muito fácil, e o método de gerenciamento da pluma é semelhante, portanto não há problemas devido à absorção ou dispersão."
Os sistemas de laser atuais são limitados a 3 kW a 515 nm e 4 kW a 455 nm e, devido à qualidade limitada do feixe dos lasers azuis, a capacidade de foco do feixe e a eficiência de processamento também são limitadas.
"Ao soldar cobre usando comprimentos de onda de feixe de laser na faixa visível, especialmente no espectro de luz azul, atualmente falta potência de feixe de laser suficiente e qualidade de feixe necessária", diz Rabi Lahdo, "Alcançar alta qualidade de feixe é o maior desafio quando usando diodos laser para gerar radiação laser. Além disso, os lasers visíveis são mais propensos a danificar a óptica do que as fontes infravermelhas, o que reduz a vida útil e aumenta os custos.
Apesar dos desafios, Philpott antecipa novas melhorias no desempenho e no valor da soldagem, à medida que os diodos de luz azul continuam a melhorar em disponibilidade e desempenho.
“Não há confiabilidade ou risco de custo associado à operação de lasers dentro das tolerâncias de projeto da óptica”, disse ele. "Dito isto, os clientes podem experimentar uma vida ótica curta com o produto de um fornecedor de laser específico; no entanto, se um fabricante não lançar um produto sem os dispositivos óticos devidamente validados, isso pode acontecer com qualquer comprimento de onda."
04
-Especialização em sistemas laser-
Os lasers de fibra de onda contínua podem soldar alumínio e cobre com controle adequado do perfil do feixe. O desenvolvimento de perfis de feixe núcleo-anel e sistemas de digitalização mais potentes melhorou significativamente a qualidade e o potencial das portas de solda híbridas na última década.
Durante a soldagem de pequenos furos de cobre e alumínio, os furos tornam-se instáveis em altas velocidades de soldagem. Uma maneira de eliminar esta instabilidade é diminuir a velocidade de soldagem, mas isso geralmente não é desejável. Em vez disso, outro método é usar um galvanômetro para adicionar oscilação ao feixe de laser para agitar a poça fundida. Isto melhora a convecção na corrente de fusão para evitar o colapso de pequenos orifícios. Geralmente produz uma solda de excelente qualidade, mas retarda ainda mais o processo de soldagem.
Uma terceira maneira de eliminar respingos durante a soldagem de alta velocidade é usar um laser de feixe de modo ajustável (AMB), que emite um feixe central cercado por um feixe circular. A potência e intensidade do feixe central determinam a profundidade de penetração dos pequenos furos, enquanto a energia do feixe anelar estabiliza os pequenos furos para minimizar ou eliminar completamente respingos, rachaduras e porosidade indesejáveis.
Os menores núcleos são feixes monomodo com diâmetro de 14 µm. Os núcleos multimodo têm normalmente 50 ou 100 µm de diâmetro e os feixes em anel têm normalmente até 300 µm de diâmetro.
“O uso de lasers de fibra de anel central é uma área de desenvolvimento ativo na soldagem a laser por dissimilaridade infravermelha e é procurado por todos os principais participantes”, diz Markevitch, gerente de desenvolvimento de mercado da IPG Photonics. "O laser AMB com núcleo monomodo foi escolhido por sua versatilidade, altas velocidades de soldagem e capacidade inerente de minimizar a formação de compostos intermetálicos frágeis."
Um laser AMB de núcleo monomodo de 3 kW com 3 kW de potência adicional em um laser de anel é capaz de soldar barramentos de cobre sem respingos a 60 m/min com penetração superior a 0,65 mm.
Os atuais lasers verdes ou azuis comerciais não conseguem atingir a mesma velocidade e qualidade de processamento, diz Markevitch. Mas, como ele ressalta, a consistência da solda ainda pode ser afetada por variações na folga entre os materiais ou pela contaminação do material. Com a tendência de diminuição da espessura dos barramentos, a fixação e a fixação tornam-se um desafio. A profundidade de fusão insuficiente da solda pode resultar em maior resistência e menor resistência mecânica, enquanto a profundidade excessiva de fusão ou perfuração pode tornar as células da bateria EV um risco de incêndio.
"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 graus."
O alumínio derrete a 660 graus, o cobre a 1.085 graus e as ligas de aço a 1.500 graus. Dois metais com temperaturas de fusão muito diferentes precisam ser derretidos sem danificar os sais de lítio contendo organogel inflamável ou componentes da bateria (como vedações, juntas e espaçadores) abaixo.
O controle de processo em linha baseado na emissão espectral do processo ou OCT pode fornecer medições não destrutivas da profundidade da solda em tempo real. Isto permite que ações corretivas sejam tomadas para atingir uma profundidade de fusão constante.
