La investigación de soldadura láser apunta a soluciones de fabricación de vehículos eléctricos

Nrqemi/iStock/Getty Images Plus

Nota del editor: esta característica apareció originalmente en la edición de junio de 2022 de Canadian Fabricating & Welding.

La soldadura láser ha llegado a la corriente principal de fabricación en los últimos años. Desde celdas de soldadura hasta modelos portátiles, la soldadura láser genera eficiencias para los OEM y los talleres. La tecnología, que ofrece soldaduras de alta calidad, velocidades de producción rápidas y un procesamiento posterior a la soldadura reducido, atrae cada vez más el interés de los fabricantes.

Mientras tanto, la tecnología láser continúa volviéndose más sofisticada. Una empresa que se dice que está a la vanguardia de este desarrollo es Civan Lasers, con sede en Israel. La empresa recibió el Premio Prism 2022 en la categoría de láseres industriales de SPIE, la sociedad internacional de óptica y fotónica, y Photonics Media. El premio reconoce OPA 6 Weld de Civan, una tecnología de láser de haz dinámico (DBL) de modo único, de onda continua y de 7 a 14 kW que modula la forma del haz según se desee a velocidades de hasta cientos de megahercios sin partes móviles.

El láser utiliza una combinación de haz coherente de matriz en fase óptica para fusionar muchos haces láser monomodo en un haz más grande. La luz de cada láser se superpone con otros haces en el campo lejano, creando un patrón de difracción que permite la manipulación de la forma del haz en tiempo real. Los moduladores de fase controlan los haces individuales y el patrón de interferencia resultante se puede ajustar para maximizar la posición del punto del haz y producir varios patrones de forma inscritos por el movimiento del haz.

"Otros métodos de formación de haz se ocupan principalmente de la oscilación del haz", dijo el Dr. Asaf Nissenbaum, investigador del laboratorio de aplicaciones de Civan. "Es decir, puede fluctuar levemente su haz para provocar una dirección localizada, y esto es compatible con medios mecánicos. El inconveniente de esta tecnología es que está utilizando escáneres galvo, que tienen una frecuencia máxima limitada a la que pueden operar y un haz máximo. potencia que puede pasar a través de ellos. Además, el perfil de movimiento tambaleante también es limitado, mientras que el láser OPA 6 puede funcionar a frecuencias y perfiles de forma mucho más altos".

La frecuencia de formas, la secuencia de formas y la profundidad de enfoque también se pueden controlar para permitir la optimización de la evaporación en el capilar, el flujo en el baño fundido y la solidificación de la masa fundida para cualquier aplicación de procesamiento de materiales con láser. Dicho control elimina la formación de poros, salpicaduras y grietas al mismo tiempo que aumenta las tasas y velocidades de avance en las aplicaciones de soldadura y fabricación aditiva, informa la compañía.

La velocidad a la que se puede ejecutar el láser y la capacidad de alterar el haz sobre la marcha están generando interés en la investigación relacionada con la fabricación de celdas de combustible de vehículos eléctricos (EV). Según hallazgos recientes del Proyecto Eureka, con sede en Fraunhofer Labs en Aquisgrán, Alemania, los láseres de la compañía pueden proporcionar a la industria automotriz una solución tecnológica para producir motores de energía limpia de forma económica en masa a través de una mayor velocidad de alimentación para la soldadura bipolar de placas.

El desafío para producir celdas de combustible de manera eficiente radica en soldar las placas bipolares, placas delgadas de cientos de micrones. Cada celda contiene de 300 a 400 placas con un cordón de soldadura de 3 a 6 m. Si bien hay muchos esfuerzos para aumentar la velocidad de soldadura para satisfacer la demanda, aumentar la velocidad de avance a más de 0,5 m/s da como resultado defectos de soldadura, lo que genera piezas defectuosas y una acumulación de materiales.

Las tres organizaciones que impulsan el Proyecto Eureka (Civan Lasers, el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser (ILT) en Alemania y Smart Move GmbH en Alemania) tienen como objetivo resolver este problema de soldadura utilizando la tecnología láser de Civan.

"Por encima de cierta velocidad en la soldadura láser, un defecto común que se ve es algo conocido como 'joroba', una protuberancia periódica en la soldadura", dijo Nissenbaum. "Esto plantea problemas de porosidad, consistencia y falta de fusión. Es un problema de si o no en la industria de las celdas de combustible. Con este láser podemos, por ejemplo, tener una secuencia de varias formas, cada una dirigida a abordar un problema diferente en la soldadura en una escala de microsegundos para que podamos enfocarnos en todo el proceso".

Mientras que la tecnología existente tiene la capacidad de ir más rápido, las placas bipolares requieren costuras estrechas y profundas en hojas de 0,1 mm. Cuando la velocidad de alimentación aumenta por encima de 0,5 m/s, la corriente de fusión resultante conduce al conocido efecto humping. ILT de Fraunhofer

El objetivo de la investigación es aumentar el rendimiento de la soldadura a por lo menos 1 m/s o hasta 2 m/s mientras se crea una soldadura consistente sin problemas de joroba.

"Habiendo probado la tecnología en otros materiales, hemos visto resultados muy prometedores", dijo Nissenbaum. "Entendemos cómo podemos y no podemos afectar el baño de fusión, cómo lograr resultados de calidad. Es simplemente una cuestión de llevar la investigación más allá".

Nissenbaum dice que la empresa está interesada en buscar más aplicaciones en el mercado de vehículos eléctricos porque su velocidad y precisión deberían permitir que la tecnología compita con otras formas de unión.

"Un gran mercado potencial está reemplazando los procesos de soldadura fuerte con procesos basados ​​en láser", explicó. “La soldadura fuerte es costosa y requiere mucha electricidad. Muchos vehículos eléctricos usan soldadura fuerte porque la soldadura láser no les estaba dando los resultados que querían.

"Del mismo modo, la soldadura de materiales diferentes es un área en la que nuestra tecnología debería ser muy eficaz", continuó. "Podemos proporcionar a cada material su propio tratamiento en el sentido de que al soldar metales diferentes, digamos que tienen una diferencia de orden de magnitud en la conductividad térmica, cada lado debe ajustarse de manera que la costura de soldadura general sea la misma. Podemos cree un perfil de haz asimétrico de modo que el lado que necesita más potencia obtenga más potencia, y el lado que necesita menos obtenga menos. Entre los dos, está creando una dinámica de soldadura muy nivelada".

En última instancia, se trata de la gestión de pozos de soldadura y pozos de cerradura. La aplicación de este principio a la fabricación aditiva es un corolario obvio, razón por la cual Civan también está trabajando con Smart Move para desarrollar una nueva tecnología de fabricación aditiva de soldadura y fusión de lecho de polvo láser (LPBF). El láser de Civan está dirigido por el cabezal de escaneo láser de Smart Move, lo que permite a los usuarios de soldadura y LPBF cambiar la orientación de la forma del haz sobre la marcha, lo que permite el uso de formas de haz asimétricas en geometrías complejas.

"La integración de nuestro láser de haz dinámico con tecnología de escáner de última generación permite a los clientes de soldadura y LPBF no solo mejorar las tasas de alimentación de soldadura y las velocidades de fabricación aditiva, sino también hacer posibles aplicaciones que antes eran imposibles", dijo el Dr. Eyal Shekel, director ejecutivo de Civan. dijo en un comunicado de prensa.

"Hay una ventana muy pequeña de entrada de calor y tasa de alimentación que puede usar para obtener la consistencia capa por capa necesaria en un producto construido con aditivos", dijo Nissenbaum. "Estamos lidiando con las complejidades de obtener el perfil de soldadura correcto entre la conducción y el ojo de la cerradura. La conformación del haz ayuda a mantener una profundidad de penetración ideal y las preocupaciones sobre salpicaduras antes de escalar y abordar la velocidad".

Civan se ha asociado con varias universidades para demostrar a un público más amplio las posibles aplicaciones de su tecnología. Investigadores del Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) de la Universidad de Stuttgart estudiarán la tecnología de la compañía utilizando su instalación de video de rayos X de alta velocidad para diagnósticos de procesamiento de materiales con láser. El sistema permitirá a los investigadores ver el interior de la piscina fundida durante los procesos de soldadura por láser, investigando más a fondo las oportunidades de utilizar la tecnología DBL para mejorar la estabilidad del ojo de cerradura en las aplicaciones de soldadura industrial.

TU Wien en Austria ha simulado cómo las diferentes formas de haz afectan una soldadura y por qué ciertas formas funcionan mejor que otras.

Lo que está claro es que un control más preciso de los láseres seguirá afectando a la industria, ampliando la propuesta de valor de las aplicaciones de soldadura y aditivos.