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"e-모빌리티 강화: 조정 가능한 링 모드 광섬유 레이저로 구리 용접
개요
그동안섬유 레이저은 용접에 주로 사용되는 레이저 소스이며 적외선 출력은 일부 금속, 특히 구리에 의해 많이 반사되어 이러한 재료의 효과가 제한됩니다. 그 결과, 이러한 파장이 금속에 더 강하게 흡수되기 때문에 고출력 고체 녹색 레이저가 구리 용접의 가능한 대안으로 떠올랐습니다. 그러나 이러한 녹색 레이저에는 몇 가지 실질적인 제한 사항이 있어 궁극적으로 소유 비용이 높아집니다. 이 문서는 새로운 유형의 용접으로 성공적으로 수행된 최근 구리 용접 테스트 결과를 제시합니다.조정 가능한 링 모드(ARM) 파이버 레이저고휘도 중앙 빔이 있습니다. 여기서 고휘도 ARM 레이저는 시중에서 판매되는 kW급 녹색 레이저보다 우수한 용접 품질과 다양한 용접 속도에서 더 나은 침투력을 제공했습니다. 이러한 결과는 이 기술이 까다로운 구리 용접 작업에 파이버 레이저의 모든 비용, 신뢰성 및 실질적인 이점을 가져올 수 있음을 나타냅니다.
E-모빌리티 제조
붐이 일고 있음E-모빌리티 제조은 구리 용접 솔루션에 대한 수요가 크게 증가하는 주요 요인입니다. 구리는 다른 금속에 비해 여러 가지 바람직한 전기적, 열적, 기계적 및 비용적 특성을 갖고 있으며, 이것이 바로 전기 자동차 전체, 즉 전기 모터 자체의 고정자, 배전 시스템(버스바 등) 및 배터리 내부에 사용되는 이유입니다. 그리고 이러한 구성 요소와 시스템의 대부분을 제조하려면 구리 용접이 필요합니다.
그러나 구리를 이러한 응용 분야에 이상적으로 만드는 동일한 높은 전기 및 열 전도성 특성으로 인해 기존 광섬유 레이저로 용접하기가 어려워집니다. 특히 전자적 특성으로 인해 파이버 레이저의 근적외선 파장에서 반사율이 높습니다. 그리고 열 전도성이 뛰어나 재료를 녹이고 용접 공정을 시작하려면 많은 양의 레이저 에너지를 입력해야 합니다.
결과적으로 기존의 광섬유 레이저를 사용할 때 초기에 재료를 녹이는 데 필요한 전력 밀도를 달성하려면 일반적으로 매우 높은 전력이 필요합니다. 그러나 이러한 "무차별적인 힘" 접근 방식은 용접 공정을 불안정하게 만들고 작업 표면의 사소한 변화에 극도로 민감하게 만듭니다. 특히, 국부적인 표면 산화 또는 소규모 표면 구조의 불균일성이 존재하면 공정이 불안정해질 수 있습니다. 최종 결과는 일관되지 않은 용접, 열악한 표면 품질 및 다공성일 수 있습니다.
고체 녹색 레이저
구리는 근적외선보다 녹색에서 거의 10배 더 흡수력이 높습니다. 따라서 녹색 레이저의 에너지가 작업물에 더 효율적으로 결합될 수 있어 기존 광섬유 레이저보다 더 안정적이고 덜 민감한 프로세스가 가능합니다. 결과적으로 고출력 고체 녹색 레이저는 몇몇 제조업체에서 활용되고 있으며 더 많은 제조업체에서 평가되고 있습니다.
그러나 e-모빌리티 제조에 고출력 녹색 레이저를 배치하는 데에는 몇 가지 중요한 실제 문제가 있습니다. 이들 중 일부는 녹색 레이저 자체의 고유한 특성과 구성에서 파생됩니다.
고체 녹색 광섬유 또는 디스크 레이저에 사용되는 레이저 재료는 근적외선을 생성합니다. 주파수 배가는 적외선을 녹색 출력으로 변환하는 데 사용됩니다. 이 프로세스는 저전력(sub-kW)에서 널리 사용되어 큰 성공을 거두었지만 대부분의 산업용 구리 용접 작업에 필요한 다중 kW 전력 수준에서는 몇 가지 어려움에 직면하기 시작합니다. 특히 주파수 변환 프로세스 자체의 효율성은 약 50%에 불과합니다. 따라서 2kW의 녹색 출력을 생성하려면 4kW, 단일 모드, IR 레이저가 필요합니다. 변환되지 않은 에너지는 열이 되며 수냉식 방열판을 통해 제거해야 합니다. 이는 이러한 레이저를 에너지 비효율적으로 만들고(더 높은 전력 소비로 인해 작동 비용이 높아짐) 많은 양의 냉각수가 필요합니다. 또한, 이중 결정은 관련된 높은 전력으로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하되며 주의 깊게 관리하지 않으면 신뢰성 및 가동 중지 시간 문제가 발생할 수 있습니다. 일부 설계에서는 이를 보상하기 위해 복잡한 빔 시프터와 수정 온도 안정기를 활용합니다.
"…2kW의 녹색 출력을 생성하려면 4kW, 단일 모드, IR 레이저가 필요합니다."
녹색 레이저의 또 다른 실질적인 문제는 빔 전달에 사용되는 표준 광섬유가 녹색 빛에 의해 더 쉽게 어두워져 유효 수명이 단축된다는 것입니다. 녹색광을 위한 특수 섬유는 이 문제를 극복할 수 있지만 가격이 더 비싸고 쉽게 구할 수 없습니다. 섬유의 길이에 따라 암색화 효과도 증가합니다. 이는 현재 섬유 길이를 10m로 제한하므로 생산 환경에서 레이저 배치의 유연성이 줄어듭니다. 또한 시중에서 판매되는 녹색 고출력 CW 레이저는 현재 최대 출력이 2kW로 제한되어 있습니다.
대부분의 산업용 레이저는 근적외선으로 출력되므로 이를 지원하기 위한 전체 인프라는 이 파장을 기반으로 합니다. 예를 들어, 녹색 레이저용으로 사용할 수 있는 프로세스 헤드 선택은 제한되어 있으며 종종 맞춤화해야 합니다. 마찬가지로 보조 렌즈, 보호 커버 안경 및 기타 광학 부품은 대부분 적외선 레이저용입니다. 따라서 이미 적외선 레이저를 사용하고 있는 제조업체는 서비스 지연이나 가동 중지 시간 없이 작업에 녹색 레이저를 사용할 수 있도록 더 많은 예비 부품 및 소모품 재고를 유지해야 할 수도 있습니다.
하이라이트 ARM 파이버 레이저
광섬유 레이저는 고체 녹색 레이저보다 전기적으로 훨씬 더 효율적입니다. 즉, 주어진 출력 전력을 전달하기 위해 더 적은 전력이 필요하고 더 적은 폐열이 발생합니다. 이를 통해 소유 비용이 절감되고 냉각이 단순화됩니다. 게다가 파이버 레이저는 매우 안정적입니다. 그리고 적외선 출력은 쉽게 광섬유로 전달됩니다. 그러나 이러한 바람직한 기능에도 불구하고 특히 이전에 확인된 문제로 인해 구리 용접에 널리 사용되지 않았습니다.
바카라 카지노 출시HighLight 시리즈 조정 가능한 링 모드(ARM) 파이버 레이저몇 년 전, 기존 기술로는 적절하게 처리되지 않았던 애플리케이션에 이러한 소스의 비용과 실질적인 이점을 제공했습니다. 일반적으로 이는 우수한 용접 품질(낮은 스패터, 최소 균열 및 감소된 다공성)을 얻기 위해 작업 표면에서 출력 및 출력 밀도의 공간적 분포를 신중하게 제어해야 하는 작업입니다. 대표적인 예로는 아연도금강판의 제로 갭 용접, 파워트레인 부품의 스패터 프리 용접, 필러 와이어를 사용하지 않고 균열 없이 알루미늄 행온 부품 용접 등이 있습니다.
공간 전력 분포에 대한 이러한 정밀한 제어는 레이저 광의 또 다른 동심원 링으로 둘러싸인 중앙 지점으로 구성된 ARM 레이저의 고유한 출력 빔을 통해 달성됩니다. 중앙과 링의 전력은 필요에 따라 독립적으로 조정 및 변조될 수 있으며 이를 통해 용융 풀 역학을 매우 세심하게 제어할 수 있습니다.
바카라 카지노 HighLight ARM 레이저는 특정 응용 분야에 맞게 조정할 수 있는 다양한 중심 대 링 비율과 출력 레벨을 제공합니다. 중심 직경은 22μm~100μm로 구성할 수 있으며, 링 외경은 140μm~200μm까지 다양하게 구성할 수 있습니다.
구리 용접에는 고강도, 고출력 센터 빔이 필요합니다. 이는 상대적으로 낮은 흡수 계수에도 불구하고 재료를 쉽게 녹이는 데 필요한 에너지를 제공하는 동시에 링 빔은 열쇠 구멍을 안정화하는 데 도움이 됩니다. 그 결과 작업물의 표면 변화에 관계없이 용접 프로세스가 일관되게 시작되고 유지되므로 기존 파이버 레이저에서 경험했던 한계를 극복할 수 있습니다.
그림 1:하이라이트 FL4000CSM-ARM 파이버 레이저.
"구리 용접에는 고강도, 고출력 중앙 빔이 필요합니다."
구리 용접 결과
바카라 카지노 애플리케이션 엔지니어는 직경 22μm의 고휘도 중앙 빔과 내부/외부 직경이 100μm/170μm인 링 빔을 사용하는 ARM 레이저를 사용하여 일련의 구리 용접 테스트를 수행했습니다. 레이저는 1.4 배율의 원격 처리 헤드를 사용하여 집중되었으며, 질소를 차폐 가스로 사용하고 크로스 제트를 사용했습니다. 용접된 재료는 순동이었습니다. 레이저 출력은 모든 테스트에서 중앙에 1.5kW, 링에 2.5kW로 4kW였습니다. 사진(그림 2)은 실험 설정을 보여줍니다.
초점 위치가 다양해졌으며 재료 표면 위 1.5mm에 초점이 설정되었을 때 최고의 용접 품질이 발생한 것으로 판단되었습니다. 특히 이 위치는 용접 펜테이션과 용접 품질 사이에서 가장 좋은 절충안이었습니다. ARM 레이저는 재료 표면에 직접 초점을 맞추면 더 깊은 용접 침투를 생성하지만 결과적인 용접 표면 품질과 스패터는 일반적인 e-모빌리티 응용 분야에 충분하지 않습니다. 최적의 빔 초점 위치(표면 위 1.5mm)를 사용하는 작업 표면의 빔 프로파일이 그래픽에 표시됩니다.
"적외선 ARM 레이저는 2배의 용접 관통력을 제공합니다"
그래프는 방금 설명한 조건에서 속도의 함수로 2mm 두께의 구리에 대한 용접 침투를 표시합니다. 2kW 녹색 레이저도 비교를 위해 동일한 조건에서 테스트되었습니다. 4kW 적외선 광섬유 레이저는 2kW의 녹색 출력만 생성하므로 더 낮은 녹색 전력이 사용되었습니다. 비교 결과에 따르면 적외선 ARM 레이저는 다양한 용접 속도에서 두 배의 용접 관통력을 제공합니다.
그림 2:스캐너와 차폐 노즐을 갖춘 고휘도 ARM 파이버 레이저 용접 스테이션.
그림 3:작업 표면 위 1.5mm에 초점을 맞춘 레이저를 사용하여 작업 표면(중앙 1.5kW 및 2.5kW 링)에 있는 ARM의 빔 프로필.
그림 4:2kW 녹색 광섬유 레이저와 비교한 4kW, 고휘도 ARM의 용접 침투.
용접 효율성
ARM 레이저의 용접 효율도 측정되었으며 이전에 발표된 2kW 녹색 레이저의 용접 결과와 비교되었습니다. 두 용접 모두에 대해 보호 가스로 질소가 사용되었습니다. 녹색 레이저에 대해 공개된 데이터는 0.5mm²의 (일정한) 용접 단면과 약 1mm의 침투 깊이를 보여주었습니다. ARM 레이저는 이와 동일한 결과를 제공하도록 구성되었습니다. 특히 이를 위해서는 3.5kW의 출력 전력과 300mm/s의 용접 속도가 필요했는데, 이는 2kW 녹색 레이저의 용접 속도가 200mm/s초인 것과 비교됩니다. 이러한 결과를 정규화하면 녹색 레이저의 경우 11.8J/mm인 것과 비교하여 ARM 레이저의 경우 10J/mm의 선형 레이저 출력이 제공됩니다. 따라서 녹색 레이저는 용접 효율이 약간 더 높습니다. 그러나 ARM 레이저에서 사용할 수 있는 총 출력이 높기 때문에 이러한 작은 효율성 차이에도 불구하고 훨씬 더 빠른 용접 속도에서 작동할 수 있습니다.
표면 품질
또 다른 중요한 고려사항은 표면 품질입니다. 기존의 파이버 레이저는 구리를 용접할 수 있지만 표면 품질 변화에 매우 민감합니다. 사진은 샌딩 및 광택 처리된 구리에 고휘도 ARM 레이저 용접을 위한 용접 비드를 보여줍니다. 용접 품질의 변화 없이 양쪽 표면에서 공정이 안정적으로 유지됩니다.
그림 5: 출력 전력 3.5kW, 용접 속도 300mm/s의 고휘도 적외선 ARM 레이저로 생성된 구리 용접 단면.
그림 6: 그림 6: 다양한 속도(위에서 아래까지 300~150mm/s)에서 4kW ARM 레이저를 사용하여 매끄럽고 샌딩된 구리에 일관된 용접 비드