Co₂-lasere kombinert med UV-solid-state-lasere tar elektriske kjøretøymotorsveising til nye høyder
Produsenter av elektriske kjøretøy er under økende press for å optimalisere driften, kutte kostnader og forbedre produktkvaliteten. Denne innsatsen er avgjørende for den nødvendige utvidelsen av markedsandelen for elektrisk kjøretøy, spesielt i et marked med høyt volum som er svært følsom for totale eierkostnader (TCO) og hvor drivstoffdrevne kjøretøyer fremdeles er utbredt.
En av de viktigste mulighetene for å optimalisere motorisk motorproduksjon er sveising av hårnålsviklinger, en prosess som er avgjørende for motorisk pålitelighet og ytelse. Tradisjonelle metoder for stripping av mekanisk isolasjon kommer ofte til kort, noe som fører til prosessen ineffektivitet som overflateskade, slitasje på verktøyet og produksjonsforsinkelser som øker kostnadene og påvirker prosessens pålitelighet.
Laserstripping og rengjøring tilbyr et transformativt alternativ som overvinner begrensningene for mekanisk stripping mens de oppnår overlegne resultater til en lavere samlet kostnad. Denne artikkelen beskriver Coherents innovative totrinns prosess som kombinerer CO2-lasere med ultrafiolett (UV) lasere for å produsere rene, sveiseklare hårnålsviklinger. Dataene som presenteres viser at denne metoden gir en ny, kostnadseffektiv måte for produsenter av elektriske kjøretøyer å oppnå hårnål med høyere kvalitet.
Viklingene i elektriske kjøretøysmotorer er vanligvis laget av en enkelt kobbertråd. Disse kobberledningene er bøyd i en "U" -form (derav navnet "hårnålsvikling") og deretter plassert i en enhet. Deretter må endene av tilstøtende hårnålviklinger sveises sammen for å oppnå en elektrisk forbindelse og danne en enkelt kontinuerlig vikling. I tillegg bruker noen alternative design en kontinuerlig flat ledning som dannes til et bølget mønster (kalt en bølgevikling eller S-formet vikling) og deretter settes inn i stator-sporene før sveising.
Alle elektriske motorer har viklinger med isolasjon. I hårnåls svingete motorer må isolasjonen være tykkere og sterkere for å imøtekomme deres kompakte design og kravene til høyspenning som vanligvis kreves i elektriske kjøretøyer.
Før sveising må en liten mengde isolasjon fjernes fra begge ender av hver svingete hårnål. Dette er avgjørende for å sikre en elektrisk og mekanisk forbindelse av høy kvalitet.
Tradisjonelt har denne oppgaven hovedsakelig blitt oppnådd ved bruk av mekaniske metoder, men det er også enkeltrinns laserprosesser ved bruk av infrarøde (1μm) pulserte lasere. Mekanisk stripping innebærer å bruke et skjæreverktøy for direkte å kontakte overflaten på ledningen for å skrape av isolasjonen. Mens disse metodene har vært standardpraksis i mange år, gir de betydelige utfordringer i den fartsfylte produksjonen av elektriske kjøretøyer.
For eksempel kan den fysiske kontakten som kreves for mekanisk stripping skrape et lag kobber fra hårnålsviklingen, og etterlater en strukturert overflate som kan forårsake gap mellom viklinger og komponentmonteringsproblemer, og kompromittere sveisens integritet og konsistens. I tillegg kan mekaniske verktøy slites ut, noe som fører til inkonsekvente prosesser, hyppig vedlikehold, uplanlagt driftsstans og potensielle produksjonsavbrudd. Disse problemene forverres av den langsomme hastigheten på prosessen, noe som gjør det vanskelig å imøtekomme høyvolumproduksjonsbehovene til storstilt elektrisk kjøretøyproduksjon.
Lasere kan brukes til et bredt spekter av materialfjerning, inkludert stripping av isolasjon. I isolasjonsstripping av isolasjon gir laserstripping følgende fordeler:
- Bedre sveisekvalitet: Sikrer en ren overflate for optimal sveisekvalitet mens du fjerner isolasjonen helt uten å skade kobbertråden.
- Reduser vedlikehold og nedetid for utstyr:Ingen verktøyslitasje og noen mulighet for maskinkjøring av maskiner elimineres, noe som sikrer en uavbrutt produksjonsprosess.
- Øk produksjonsutgangen:Kontinuerlig stripping mens du mater ledningen forbedrer produksjonseffektiviteten.
- Økt konsistens:Uten slitasje eller kontakt er laserbearbeiding en stabil og repeterbar prosess.
Det er klart at laserbearbeiding kan føre til prosessforbedringer. Men det virkelige spørsmålet er: "Hvilken laser er best å bruke?" Med andre ord, av de mange mulige laserkilder og implementeringer som kan brukes til å utføre denne prosessen, som en gir den beste balansen mellom høy kvalitet, høy hastighet og lave kostnader for høyvolum EV-motorproduksjonsapplikasjoner?
Med en bred portefølje av industrielle lasere, var Cohherent i stand til å objektivt undersøke denne applikasjonen ved bruk av en rekke lasere uten noen iboende preferanse for en teknologi fremfor en annen.
I stedet for å finne en laser som var best for isolasjonsisolering av hårnål, utviklet Coherent en dobbel-laserprosess for å oppnå optimaliserte strippingsresultater. Denne tilnærmingen gir kundene den beste overflatekvaliteten før sveiset i dag på den mest kostnadseffektive måten. Den primære motivasjonen for å undersøke den dobbelte-laserprosessen var å overvinne problemene med en-trinns laserstrippingsprosess.
En-trinns laserstripping er et kompromiss mellom beleggabsorpsjon og underliggende kobberabsorpsjon. Fiberlaserens infrarøde bølgelengde nær 1μm blir ikke lett absorbert av belegget, noe som resulterer i varmeproduksjon ved grensesnittet, belegget og dannelsen av luftbårne partikler. Disse partiklene forstyrrer den innfallende laserstrålen, og påvirker rensligheten av hårnålsvingning, og kan trenge inn i systemet og forårsake hyppig driftsstans for rengjøring. I tillegg kan ikke fiberlaserens gjennomtrengende infrarøde bjelke fjerne polymerresten helt fra kobberoverflaten. Det kan smelte kobbertrådoverflaten og eksponere kobberoverflaten for isolerende polymerkomponenter som hydrogen og karbon. Dette forurenser kobberoverflaten, som igjen påvirker den påfølgende sveisekvaliteten.
Coherents dual-laser-baserte hårnålsviklingsberedskap To-trinns prosess inkluderer:
En CO2-laser med middels kraft brukes til raskt å fjerne majoriteten av isolasjonslaget. Denne typen laser er godt egnet for fjerning av ikke-metallisk materiale.
En pulserende nanosekund UV-faststoff-laser med lav effekt blir deretter brukt til å fjerne eventuelle isolerende rester som er til stede. Dette gir en ren overflate for sveising. Den korte bølgelengden til UV-solid-state-lasere utmerker seg ved prosessering med høy presisjon, og er spesielt effektiv til å fjerne en rekke materialer, inkludert polymerer, andre organiske materialer og kobber.
For det første trinnet i bulkstripingsprosessen viste Coherent's J -5-10. 6μm laser å være en ideell kilde. Selv om en rekke forskjellige materialer brukes i hårnålsviktende isolasjonslag (inkludert polyimid, polyetherimid, polyester, polyesterimid, polyamid, polyetherreton, epoksyharpiks og forskjellige fluoropolymerer), absorberer alle disse materialene sterkt lasers 10.6μm -baksiden. For alle disse materialene er dessuten absorpsjonshastigheten ved 10,6μm høyere enn for Coherents andre tilgjengelige CO2 -laserbølgelengder, for eksempel 9,4μm og 10,2μm.
Coherent's J -5-10. 6μM laser har også ideelle praktiske egenskaper. Det er en fullstendig forseglet, pulserende CO2-laser med en gjennomsnittlig effekt på mer enn 400W, noe som betyr at den kan utføre stripping av høy gjennomstrømning. I tillegg gjør den selvstendige og kompakte pakken den ideell for integrering i automatisert utstyr.
For det andre trinnet, endelig rengjøringsprosess, demonstrerte Coherents Avia LX 355-30-60 han akkurat den rette kombinasjonen av utgangsparametere. Det er en frekvens-tripet, diode-pumped, solid-state-laser som gir ut 30W gjennomsnittlig effekt ved 355nm. Det viktigste er at den støtter drift med repetisjonshastigheter opp til 300 kHz og pulsenergier opp til 500μJ. Dette gjør det mulig for å utføre høye presisjonsoblasjoner med hastighetene som kreves for denne applikasjonen.
Avia lx 355-30-60 Han er også designet for enkel integrasjon. Og den integrerer Coherents Pureuv ™ aktive laserrensemotor for eksepsjonelt lang levetid og vedlikeholdsfri drift.
Den sammenhengende applikasjonslaboratoriet undersøkte mange forskjellige prosesser før de slo seg ned på totrinns-kombinasjonen beskrevet ovenfor. Ulike lasere ble undersøkt individuelt og i kombinasjon, inkludert CO2 -lasere, nanosekund pulserte infrarøde fiberlasere og nanosekund UV -lasere. Resultatene fra de behandlede isolerte hårnålsviklingene ble analysert i detalj, og når de mest lovende laserkildene ble identifisert, ble spesifikke prosessparametere optimalisert.
Som en del av testingen ble røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) brukt til å analysere overflatekjemi for å karakterisere og kvantifisere forurensninger. Det var på dette stadiet koherent fant at en totrinns laserstrippeprosess (CO2-laser kombinert med UV-laser) var den mest effektive måten å fjerne alle rester fra kobberoverflaten før lasersveising.
Serien med bilder i figur 3 sammenligner de forskjellige strippeteknikkene ved bruk av CO2-lasere, nanosekund infrarød fiber (FL) lasere og nanosekund UV-solid-state-lasere. I den øverste raden på bilder er isolasjonsmaterialet polyamid (PA) og i den nedre rad, polyeterherketon (PEEK). Selv ved visuell inspeksjon alene, kan det sees at kombinasjonen av CO2 -laser og UV -laser i begge tilfeller ga de beste resultatene. Dette ble også bekreftet av faktiske sveiseforsøk.
Den viktigste beregningen er selvfølgelig sveisekvaliteten oppnådd etter isolasjonsprosessen. Figur 4 viser en serie røntgenbilder av hårnålsviklingene etter sveising. Dette indikerer at totrinns (CO2 Laser + UV-laser) -prosessen til slutt kan oppnå sveiser av bedre kvalitet. Den to-trinns CO2-laser + UV-laserstrippeprosessen minimerer sveiseporøsitet ved å fjerne polymerrester på overflaten før sveising. Det er velkjent at polymerrester inneholder hydrogen, karbon og andre organiske elementer, som kan komme inn i det smeltede bassenget når det er væske og deretter danner porer under sveisestyrkningsprosessen, som kan påvirke de mekaniske og elektriske egenskapene til sveisen.
