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

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Nota del editor: esta función 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 está generando eficiencias para los fabricantes de equipos originales y los talleres. La tecnología, que ofrece soldaduras de alta calidad, velocidades de producción rápidas y un procesamiento posterior a la soldadura reducido, está atrayendo cada vez más el interés de los fabricantes.

Mientras tanto, la tecnología láser sigue 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 láser de haz dinámico (DBL) de onda continua, monomodo, de 7 a 14 kW que modula la forma del haz según se desee a velocidades de hasta cientos de megahercios sin piezas móviles.

El láser utiliza una combinación de haces coherentes de matriz óptica en fase 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 formas inscritos por el movimiento del haz.

"Otros métodos de conformación del haz se ocupan principalmente de la oscilación del haz", dijo el Dr. Asaf Nissenbaum, investigador del laboratorio de aplicaciones de Civan. “Es decir, puedes fluctuar ligeramente el haz para provocar una dirección localizada, y esto se logra mediante medios mecánicos. El inconveniente de esta tecnología es que se utilizan escáneres galvo, que tienen una frecuencia máxima limitada a la que pueden funcionar y la potencia máxima del haz que se puede transmitir a través de ellos. Además, el perfil de movimiento oscilante también es limitado, mientras que el láser OPA 6 puede funcionar a frecuencias y perfiles de forma mucho más altos”.

La frecuencia de la forma, la secuencia de la forma 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 tiempo que aumenta las tasas de avance y las velocidades en aplicaciones de soldadura y fabricación aditiva, informa la empresa.

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 pilas de combustible para vehículos eléctricos (EV). Según hallazgos recientes del Proyecto Eureka, con sede en los laboratorios Fraunhofer en Aquisgrán, Alemania, los láseres de la compañía pueden proporcionar a la industria automotriz una solución tecnológica para la producción económica en masa de motores de energía limpia a través de una mayor velocidad de avance para la soldadura de placas bipolares.

El desafío de producir pilas 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 una costura 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 genera 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', un bulto elevado periódico en la soldadura", dijo Nissenbaum. “Esto plantea problemas de porosidad, consistencia y falta de fusión. Es una cuestión de ir o no en la industria de las pilas 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”.

Si bien la tecnología existente tiene la capacidad de funcionar más rápido, las placas bipolares requieren costuras profundas y estrechas en láminas 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 de joroba. Instituto Fraunhofer

El objetivo de la investigación es aumentar el rendimiento de la soldadura a al menos 1 m/s o hasta 2 m/s y al mismo tiempo crear una soldadura consistente sin problemas de jorobas.

"Después de haber probado la tecnología en otros materiales, hemos visto resultados muy prometedores", dijo Nissenbaum. “Entendemos cómo podemos y no podemos afectar el baño de soldadura, 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 es la sustitución de los procesos de soldadura fuerte por procesos basados ​​en láser", explicó. “La soldadura fuerte es cara y requiere mucha electricidad. Muchos vehículos eléctricos utilizan soldadura fuerte porque la soldadura láser no les daba los resultados que querían.

"Del mismo modo, soldar 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 conductividad térmica de un orden de magnitud, cada lado debe ajustarse de manera que la costura de soldadura general sea la misma. Podemos crear un perfil de viga asimétrico de modo que el lado que necesita más potencia obtenga más potencia y el lado que necesita menos obtenga menos. Entre los dos, se crea una dinámica de soldadura muy nivelada”.

En última instancia, se trata de gestionar los agujeros de cerradura y los baños de soldadura. Aplicar este principio a la fabricación aditiva es un corolario obvio, razón por la cual Civan también está trabajando con Smart Move para construir una nueva tecnología de fabricación aditiva de soldadura y fusión láser de lecho de polvo (LPBF). El láser de Civan es 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 velocidad de alimentación que se puede utilizar para obtener la consistencia capa por capa necesaria en un producto elaborado con aditivos", dijo Nissenbaum. “Estamos lidiando con las complejidades de obtener el perfil de soldadura correcto entre la conducción y el ojo de cerradura. La configuración del haz ayuda a mantener una profundidad de penetración ideal y a evitar las salpicaduras antes de aumentar la escala y abordar la velocidad”.

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

TU Wien en Austria ha simulado cómo las diferentes formas de vigas 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 impactando a la industria, ampliando la propuesta de valor de las aplicaciones de soldadura y aditivos.