Coherent SMARTWELD + 助力TEAMTECHNIK填补量产焊接空白

时间： 2024-07-15 来源：COHERENT官网

技术问答

当生产自动化专家 teamtechnik 签约开发量产焊接系统时，他们希望 COHERENT 提供激光专业知识。他们最终找到了一个合作伙伴，帮助他们为客户提供持续支持。

生产自动化专家 teamtechnik 提供从手动到全自动的完整系统，可用于制造、装配和测试。他们的专业知识涵盖范众多技术，包括零件处理、各种测试方法和焊接工艺，主要用于电动汽车行业。 2019 年，一家手持电动工具电池组制造商要求他们开发一种量产焊接系统。

teamtechnik 特别受命为焊接 11 种不同的接头提供自动化解决方案。这些解决方案包括将多种不同材料焊接在一起。他们在激光焊接方面没有足够的专业知识，但又必须在短期内开发出这么多种工艺，所以他们联系了 Coherent 实验室协助他们。

更智能的焊接方式

Coherent 团队获得了材料样品。他们进行了一系列测试，证明通过使用 Coherent SmartWeld + 加工头，再加上 1 kW 单模光纤激光器 (the HighLight FL1000CSM)，就可以成功完成所有这些工艺。

SmartWeld+ 是一种专业焊接工具，采用先进的光束整形形式，包括各种摆动模式。它还可以在焊接过程中精确控制输出的激光能量。这样一来，焊缝的宽度、深度和熔深轮廓就能得到精心管理。这尤其适合热敏材料和异种材料（例如铜与铝或钢）的焊接。此外，这种工艺能够更好地焊接高反射性或挥发性材料，有效减少飞溅和裂纹，并降低孔隙率。

困难材料

SmartWeld+ 甚至可以加工“困难”材料，即传统上不适合激光焊接的材料。电池组结构中使用的一些材料就属于此类。

例如，一种焊接需要将一块 0.5 mm 厚的镀锌铜片焊接到一块 1.0 mm 厚的镀镍铜片上。过去，由于锌的熔点低，使用激光焊接就要面临许多问题。特别是，当温度达到熔化铜所需的温度时，锌会大量起泡。这会导致成品焊缝中出现空隙和孔隙，并产生大量飞溅。

图 1. 0.5 mm 镀锌铜与 1.0 mm 镀镍铜焊缝的横截面和俯视图。

这种零件需要在两端进行焊接。一端是平的，另一端则弯曲了 90°。这些条件差异很大，因此必须分别制定两组参数来优化每个焊缝。另外，零件中还嵌入了一个塑料件，而这个塑料件在焊接过程中绝对不能加热。

使用 SmartWeld+ 精确调整焊缝形状能力在这种情况下非常有用。借助这种能力，可以创造出一个足够大的接头，提供所需水平的电气连接和机械强度，而不会偏离到距塑料零件太近的位置。虽然零件的每一侧都使用相似的焊接路径，但它们的焊接方向不同。 teamtechnik Poland 和 Coherent 的开发团队还发现，对于其中一种焊缝，在零件间隙很小的情况下获得了理想的焊接结果。

对于这两种焊接，解决方案的关键在于动态功率调制。这种功能能够在焊接过程中稳定熔池并消除气孔。它还大大减少了飞溅。

应对工艺变化

另一种焊接涉及连接两块 0.3 mm 厚的 SIGMA_CLAD®。 SIGMA_CLAD 是一种复合材料，专门设计用于在电池组中对锂离子电池进行电气连接。它是由镍-不锈钢-铜-不锈钢-镍组成的五层夹层结构。这种组合的特性比任何单一金属都更为优良。具体而言，铜具有出色的导电性和导热性（用于散热），而不锈钢层则改善了材料的焊接性能并提高焊缝强度。外部镍层方便焊接并具有良好的耐腐蚀性。

图 2. 3mm SIGMA_CLAD 与 3mm SIGMA_CLAD 焊缝的横截面和俯视图。

因为 SIGMA_CLAD 专为激光焊接设计，teamtechnik 和 Coherent 的开发团队都没有预料到这种焊接会带来很大的挑战。但是，在实践中，他们发现材料厚度变化、单层厚度变化和较低的总体零件尺寸公差会导致工艺偏差和装配不一致。测试确定，为了实现 100% 的焊接成功率，必须使用夹具将两个零件的间隙保持在 0.05 mm 以下。

这种情况下，整体焊缝为 1 mm x 2.5 mm。聚焦的激光束远小于这个尺寸，因此 SmartWeld+ 会来回跟踪光束数次，同时在每次扫描之间沿垂直方向略微步进以覆盖整个区域。此外测试表明，在移动的同时必须调制激光，否则在扫描结束时会出现过多的飞溅。

即使在最终用户的工厂安装设备并完成调试后，一些工艺也会发生更改。因此，Coherent 应用小组继续提供支持以应对此种情况。

例如，在一种焊接工艺中，0.3 mm 厚的 SIGMA_CLAD 焊接到了 1.0 mm 厚的镀镍铜上。最终用户成功安装设备并运行两年后，才出现问题。然后材料供应商改变了他们的配方，并且还引入了关于铜清洁度的问题。在这种情况下，他们还是沿用了最初采用的工艺配方，结果导致了大量飞溅。

图 3. 3mm SIGMA_CLAD 与 1.0 mm 镀镍铜焊缝的横截面和俯视图。

实践证明，在这种情况下，SmartWeld+ 的灵活性特别有价值。特别是它能够通过软件控制轻松改变焊接参数，而无需对夹具硬件进行任何更改。 Coherent 的新一轮测试表明，在此过程中实施激光功率调制可以解决问题。

携手迈向成功

通过与 Coherent 开发团队合作，teamtechnik 能够专注于他们最擅长的领域：自动化。 teamtechnik POLAND 的焊接技术专家 Maciej Zaborowski 指出：“我们需要一个合作伙伴，帮助我们按照客户规定的时间和成本限制，开发所有这些激光焊接工艺。” “特别是我们想找到具有专业知识和设施的人来测试材料，并确定它们是否可以全部采用激光焊接，然后开发可在生产中使用的特定工艺配方。”

“Coherent 满足了所有这些要求。此外，我们之间的合作在初步工艺开发完成之后并没有结束。他们继续支持我们，因为材料的变化在一直运行良好的工艺中造成了生产差异。其他激光器供应商无法承担这种级别的流程责任。”

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