Τα λέιζερ CO₂ σε συνδυασμό με τα λέιζερ στερεάς κατάστασης UV παίρνουν τη συγκόλληση του κινητήρα ηλεκτρικού οχήματος σε νέα ύψη
Οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων βρίσκονται υπό αυξανόμενη πίεση για να βελτιστοποιήσουν τις λειτουργίες, να μειώσουν το κόστος και να βελτιώσουν την ποιότητα των προϊόντων. Αυτές οι προσπάθειες είναι κρίσιμες για την απαραίτητη επέκταση του μεριδίου αγοράς των ηλεκτρικών οχημάτων, ειδικά σε μια αγορά μεγάλου όγκου που είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας (TCO) και όπου τα οχήματα που τροφοδοτούνται με καύσιμα εξακολουθούν να επικρατούν.
Μία από τις βασικές ευκαιρίες για τη βελτιστοποίηση της παραγωγής κινητήρα ηλεκτρικών οχημάτων είναι η συγκόλληση των περιελίξεων της φουρκέτας, μια διαδικασία που είναι κρίσιμη για την αξιοπιστία και την απόδοση του κινητήρα. Οι παραδοσιακές μέθοδοι απογύμνωσης μηχανικής μόνωσης συχνά υπολείπονται, οδηγώντας σε αναποτελεσματικότητα της διαδικασίας, όπως η βλάβη της επιφάνειας, η φθορά των εργαλείων και οι καθυστερήσεις παραγωγής που αυξάνουν το κόστος και επηρεάζουν την αξιοπιστία της διαδικασίας.
Η απογύμνωση και ο καθαρισμός με λέιζερ προσφέρει μια μετασχηματιστική εναλλακτική λύση που ξεπερνά τους περιορισμούς της μηχανικής απογύμνωσης, ενώ επιτυγχάνει ανώτερα αποτελέσματα με χαμηλότερο συνολικό κόστος. Αυτό το άρθρο περιγράφει την καινοτόμο διαδικασία δύο σταδίων της COERENT που συνδυάζει λέιζερ CO2 με λέιζερ υπεριώδους (UV) για την παραγωγή καθαρών περιελίξεων φουρκέτας έτοιμων για συγκόλληση. Τα δεδομένα που παρουσιάζονται δείχνουν ότι αυτή η μέθοδος παρέχει έναν νέο, οικονομικά αποδοτικό τρόπο για τους κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων για την επίτευξη συγκολλήσεων μηχανών φουρκέτας υψηλότερης ποιότητας.
Οι περιελίξεις σε κινητήρες ηλεκτρικών οχημάτων είναι συνήθως κατασκευασμένες από ένα μόνο σύρμα χαλκού. Αυτά τα καλώδια χαλκού λυγίζονται σε σχήμα "U" (εξ ου και το όνομα "φουρκέτα φουρκέτα") και στη συνέχεια τοποθετείται σε συγκρότημα. Στη συνέχεια, τα άκρα των παρακείμενων περιελίξεων της φουρκέτας πρέπει να συγκολληθούν μαζί για να επιτευχθούν μια ηλεκτρική σύνδεση και να σχηματίζουν μια ενιαία συνεχή περιέλιξη. Επιπλέον, ορισμένα εναλλακτικά σχέδια χρησιμοποιούν ένα συνεχές επίπεδο σύρμα που σχηματίζεται σε ένα κυματιστό μοτίβο (που ονομάζεται περιέλιξη κύματος ή σε σχήμα S) και στη συνέχεια εισάγεται στις υποδοχές του στάτορα πριν από τη συγκόλληση.
Όλοι οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν περιελίξεις με μόνωση. Στους κινητήρες περιέλιξης φουρκέτας, η μόνωση πρέπει να είναι παχύτερη και ισχυρότερη για να φιλοξενήσει το συμπαγές τους σχεδιασμό και τις απαιτήσεις υψηλής τάσης που συνήθως απαιτούνται σε ηλεκτρικά οχήματα.
Πριν από τη συγκόλληση, πρέπει να αφαιρεθεί μια μικρή ποσότητα μόνωσης και από τα δύο άκρα κάθε περιέλιξης φουρκέτας. Αυτό είναι κρίσιμο για να εξασφαλιστεί μια ηλεκτρική και μηχανική σύνδεση υψηλής ποιότητας.
Παραδοσιακά, αυτό το καθήκον έχει επιτευχθεί κυρίως χρησιμοποιώντας μηχανικές μεθόδους, αλλά υπάρχουν επίσης διαδικασίες λέιζερ ενός βήματος που χρησιμοποιούν υπερύθμονα (1μm) παλμικά λέιζερ. Η μηχανική απογύμνωση περιλαμβάνει τη χρήση ενός εργαλείου κοπής για να επικοινωνήσετε απευθείας με την επιφάνεια του καλωδίου για να ξύνετε τη μόνωση. Ενώ αυτές οι μέθοδοι ήταν τυποποιημένες πρακτικές εδώ και πολλά χρόνια, παρουσιάζουν σημαντικές προκλήσεις στην ταχεία παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων.
Για παράδειγμα, η φυσική επαφή που απαιτείται για τη μηχανική απογύμνωση μπορεί να ξύσει ένα στρώμα χαλκού από την περιέλιξη της φουρκέτας, αφήνοντας μια επιφάνεια με υφή που μπορεί να προκαλέσει κενά μεταξύ των περιελίξεων και των προβλημάτων τοποθέτησης εξαρτημάτων, θέτοντας σε κίνδυνο την ακεραιότητα και τη συνοχή της συγκόλλησης. Επιπλέον, τα μηχανικά εργαλεία μπορούν να φθαρούν, οδηγώντας σε ασυνεπείς διαδικασίες, συχνή συντήρηση, μη προγραμματισμένο χρόνο διακοπής και πιθανές διακοπές παραγωγής. Αυτά τα ζητήματα επιδεινώνονται από την αργή ταχύτητα της διαδικασίας, γεγονός που καθιστά δύσκολη την κάλυψη των αναγκών παραγωγής μεγάλου όγκου της παραγωγής ηλεκτρικών οχημάτων μεγάλης κλίμακας.
Τα λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ένα ευρύ φάσμα απομάκρυνσης υλικού, συμπεριλαμβανομένης της απογύμνωσης μόνωσης. Σε εφαρμογές απογύμνωσης μόνωσης, η απογύμνωση με λέιζερ παρέχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
- Καλύτερη ποιότητα συγκόλλησης: Εξασφαλίζει μια καθαρή επιφάνεια για βέλτιστη ποιότητα συγκόλλησης ενώ αφαιρεί πλήρως τη μόνωση χωρίς να καταστρέφει το σύρμα χαλκού.
- Μειώστε το χρόνο συντήρησης και εξοπλισμού:Δεν εξαλείφεται η φθορά εργαλείων και οποιαδήποτε πιθανότητα παρεμβολής μηχανής, εξασφαλίζοντας μια αδιάλειπτη παραγωγική διαδικασία.
- Αύξηση της παραγωγής παραγωγής:Η συνεχής απογύμνωση κατά τη διατροφή του καλωδίου βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της παραγωγής.
- Αυξημένη συνέπεια:Χωρίς φθορά ή επαφή, η κατεργασία με λέιζερ είναι μια σταθερή και επαναλαμβανόμενη διαδικασία.
Σαφώς, η κατεργασία με λέιζερ μπορεί να οδηγήσει σε βελτιώσεις της διαδικασίας. Αλλά το πραγματικό ερώτημα είναι: "Ποιο λέιζερ είναι καλύτερο να χρησιμοποιηθεί;" Με άλλα λόγια, από τις πολλές πιθανές πηγές λέιζερ και υλοποιήσεις που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση αυτής της διαδικασίας, η οποία προσφέρει την καλύτερη ισορροπία υψηλής ποιότητας, υψηλής ταχύτητας και χαμηλού κόστους για εφαρμογές παραγωγής κινητήρα EV υψηλού όγκου;
Με ένα ευρύ χαρτοφυλάκιο βιομηχανικών λέιζερ, η συνεκτική ήταν σε θέση να διερευνήσει αντικειμενικά αυτή την εφαρμογή χρησιμοποιώντας μια ποικιλία λέιζερ χωρίς καμία εγγενή προτίμηση για μια τεχνολογία έναντι άλλης.
Στην πραγματικότητα, αντί να βρεθεί ένα λέιζερ που ήταν καλύτερο για τη μόνωση απογύμνωσης της φουρκέτας, η Coherent ανέπτυξε μια διαδικασία διπλού λέιζερ για να επιτύχει βελτιστοποιημένα αποτελέσματα απογύμνωσης. Αυτή η προσέγγιση παρέχει στους πελάτες την καλύτερη προ-συγκολλητική επιφάνεια που διατίθεται σήμερα με τον πιο οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Το κύριο κίνητρο για τη διερεύνηση της διαδικασίας διπλού λέιζερ ήταν να ξεπεραστούν τα ζητήματα με τη διαδικασία απογύμνωσης λέιζερ ενός βήματος.
Η απογύμνωση λέιζερ ενός βήματος είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ της απορρόφησης επικάλυψης και της υποκείμενης απορρόφησης χαλκού. Το υπέρυθρο μήκος κύματος του λέιζερ ινών κοντά στο 1μm δεν απορροφάται εύκολα από την επικάλυψη, με αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας στη διεπαφή, την απολέπιση της επίστρωσης και τον σχηματισμό αερομεταφερόμενων σωματιδίων. Αυτά τα σωματίδια παρεμποδίζουν τη δέσμη λέιζερ προσπίπτοντος, επηρεάζοντας την καθαριότητα της περιέλιξης της φουρκέτας και μπορεί να εισβάλει στο σύστημα, προκαλώντας συχνές διακοπές για τον καθαρισμό. Επιπλέον, η διεισδυτική υπέρυθρη δέσμη των ινών δεν μπορεί να απομακρύνει πλήρως το υπολείμματα πολυμερούς από την επιφάνεια του χαλκού. Μπορεί να λιώσει την επιφάνεια του καλωδίου χαλκού και να εκθέσει την επιφάνεια του χαλκού σε μονωτικά συστατικά πολυμερούς όπως το υδρογόνο και τον άνθρακα. Αυτό μολύνει την επιφάνεια του χαλκού, η οποία με τη σειρά του επηρεάζει την επακόλουθη ποιότητα συγκόλλησης.
Η διεργασία δύο βημάτων που βασίζεται στο διπλό λέιζερ με βάση το διπλό λέιζερ του Coneerent περιλαμβάνει:
Ένα λέιζερ CO2 μεσαίας ισχύος χρησιμοποιείται για να αφαιρέσει γρήγορα την πλειονότητα του στρώματος μόνωσης. Αυτός ο τύπος λέιζερ είναι κατάλληλος για την απομάκρυνση μη μεταλλικού υλικού υψηλής απόδοσης.
Στη συνέχεια χρησιμοποιείται ένα παλμικό λέιζερ με χαμηλή ισχύς νανοσέπον με υπεριώδη ακτινοβολία για την απομάκρυνση οποιουδήποτε μονωτικού υπολείμματος που υπάρχει. Αυτό παρέχει μια καθαρή επιφάνεια για συγκόλληση. Το σύντομο μήκος κύματος των λέιζερ στερεάς κατάστασης UV υπερέχει σε επεξεργασία υλικών υψηλής ακρίβειας και είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην αφαίρεση ποικίλων υλικών, συμπεριλαμβανομένων των πολυμερών, άλλων οργανικών υλικών και του χαλκού.
Για το πρώτο βήμα της διαδικασίας απομάκρυνσης χύδην, το λέιζερ J -5-10. 6μm αποδείχθηκε ιδανική πηγή. Αν και μια ποικιλία διαφορετικών υλικών χρησιμοποιούνται στο στρώμα μόνωσης της φουρκέτας (συμπεριλαμβανομένου του πολυαιμιδίου, του πολυαιθεϊνιδίου, του πολυεστέρα, του πολυεστμιδίου, του πολυαμιδίου, της πολυαιθυκεθκετόνης, της εποξειδικής ρητίνης και των διαφόρων φθοριοπολυμερών), όλα αυτά τα υλικά απορροφούν έντονα το μήκος εξόδου 10,6μm λέιζερ. Επιπλέον, για όλα αυτά τα υλικά, ο ρυθμός απορρόφησης στα 10,6 μm είναι υψηλότερος από εκείνον των άλλων διαθέσιμων μήκους κύματος Laser CO2 του CO2, όπως 9,4 μm και 10,2 μm.
Το LASER COERERENT's J -5-10. 6μm έχει επίσης ιδανικά πρακτικά χαρακτηριστικά. Πρόκειται για ένα πλήρως σφραγισμένο, παλμικό λέιζερ CO2 με μέση ισχύ μεγαλύτερη από 400W, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να εκτελέσει λειτουργίες απογύμνωσης υψηλής απόδοσης. Επιπλέον, το αυτοτελές και συμπαγές πακέτο του καθιστά ιδανικό για ενσωμάτωση σε αυτοματοποιημένο εξοπλισμό.
Για το δεύτερο βήμα, η τελική διαδικασία καθαρισμού, η Avia LX 355-30-60, έδειξε ακριβώς τον σωστό συνδυασμό παραμέτρων εξόδου. Πρόκειται για ένα λέιζερ με τραβές με συρματόσχοινα, με βάση τη δίοδο, που εξάγει 30W μέσης ισχύος στα 355nm. Το πιο σημαντικό είναι ότι υποστηρίζει τη λειτουργία σε ποσοστά επανάληψης έως και 300kHz και ενέργειες παλμών μέχρι 500 μj. Αυτό του δίνει τη δυνατότητα να εκτελέσει αφαίρεσης υψηλής ακρίβειας στις ταχύτητες που απαιτούνται για αυτήν την εφαρμογή.
Το Avia LX 355-30-60 Είναι επίσης σχεδιασμένος για εύκολη ενσωμάτωση. Και, ενσωματώνει τον ενεργό μηχανισμό καθαρισμού λέιζερ PureUv ™ της COERENT για εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής και χωρίς συντήρηση.
Το Εργαστήριο Cooke Applications διερεύνησε πολλές διαφορετικές διαδικασίες πριν εγκατασταθεί στον συνδυασμό δύο σταδίων που περιγράφηκε παραπάνω. Διάφορα λέιζερ ερευνήθηκαν μεμονωμένα και σε συνδυασμό, συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ CO2, των λέιζερ υπέρυθρων ινών με νανοδευτερόλεπτα και των λέιζερ UV νανοδευτερόλεπτα. Τα αποτελέσματα των περιελίξεων με μονωμένη φουρκέτα που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία αναλύθηκαν λεπτομερώς και μόλις ταυτοποιήθηκαν οι πιο ελπιδοφόρες πηγές λέιζερ, βελτιστοποιήθηκαν συγκεκριμένες παράμετροι διεργασίας.
Στο πλαίσιο των δοκιμών, χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) για την ανάλυση της χημείας της επιφάνειας προκειμένου να χαρακτηρίσει και να ποσοτικοποιηθεί οι μολυσματικές ουσίες. Σε αυτό το στάδιο διαπίστωσε ότι μια διαδικασία απογύμνωσης λέιζερ δύο σταδίων (λέιζερ CO2 σε συνδυασμό με λέιζερ UV) ήταν ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να απομακρυνθούν όλα τα υπολείμματα από την επιφάνεια του χαλκού πριν από τη συγκόλληση με λέιζερ.
Η σειρά φωτογραφιών στο Σχήμα 3 συγκρίνει τις διάφορες τεχνικές απογύμνωσης χρησιμοποιώντας λέιζερ CO2, λέιζερ υπέρυθρων ινών (FL) και λέιζερ σε υδαγωγά με UV. Στην επάνω σειρά φωτογραφιών, το υλικό μόνωσης είναι πολυαμίδιο (PA) και στην κάτω σειρά, πολυαιθερμεκεκετόνη (PEEK). Ακόμη και μόνο με οπτική επιθεώρηση, μπορεί να φανεί ότι και στις δύο περιπτώσεις, ο συνδυασμός λέιζερ CO2 και λέιζερ UV έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα. Αυτό επιβεβαιώθηκε επίσης από πραγματικές δοκιμές συγκόλλησης.
Φυσικά, η πιο σημαντική μέτρηση είναι η ποιότητα συγκόλλησης που λαμβάνεται μετά τη διαδικασία απομάκρυνσης μόνωσης. Το σχήμα 4 δείχνει μια σειρά εικόνων ακτίνων Χ των περιελίξεων της φουρκέτας μετά τη συγκόλληση. Αυτό υποδεικνύει ότι η διαδικασία δύο σταδίων (Laser + UV Laser) μπορεί τελικά να επιτύχει συγκολλήσεις καλύτερης ποιότητας. Η διαδικασία απογύμνωσης λέιζερ CO2 δύο σταδίων CO2 + UV ελαχιστοποιεί το πορώδες συγκόλλησης αφαιρώντας τα υπολείμματα πολυμερούς στην επιφάνεια πριν από τη συγκόλληση. Είναι γνωστό ότι τα υπολείμματα πολυμερούς περιέχουν υδρογόνο, άνθρακα και άλλα οργανικά στοιχεία, τα οποία μπορούν να εισέλθουν στη λιωμένη δεξαμενή όταν είναι υγρό και στη συνέχεια σχηματίζουν πόρους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στερεοποίησης συγκόλλησης, η οποία μπορεί να επηρεάσει τις μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες της συγκόλλησης.
