При производстве аккумуляторов, используемых в электромобилях, медные материалы необходимо сваривать на высоких скоростях и без брызг. Обычно используются инфракрасные лазеры с длиной волны около 1000 нм, однако это создает две основные проблемы при сварке медных материалов: низкое поглощение энергии и нестабильность процесса. Поглощение инфракрасного лазерного света медными материалами увеличивается с температурой. Когда мощный ИК-лазер облучает медную поверхность, скорость поглощения энергии медной поверхностью внезапно увеличивается после образования небольших отверстий; отверстия нестабильны, и легко образуются брызги. В то же время, поскольку мощность инфракрасного лазера будет большой, это приведет к повреждению лазера. Поглощение синего лазера медным материалом составляет около 60%, что намного эффективнее, чем у ИК-лазера. В некоторой литературе сообщалось о возможности использования синих диодных лазеров для обработки меди. Синие лазеры позволяют сваривать медную фольгу или листы с высокой эффективностью и качеством. Однако стоимость синих лазеров намного выше, чем у NIR-лазеров, а максимальная выходная мощность ограничена 2000 Вт. Объединив недостатки низкого поглощения энергии ИК-лазера, нестабильности процесса и низкой выходной мощности синего лазера, мы можем предложить процесс композитной лазерной сварки в синем ИК-диапазоне. В этом процессе сварки мы можем сначала расплавить поверхность основного материала синим лазером с высоким поглощением, а затем увеличить глубину ванны расплава с помощью инфракрасного лазера. Ян и др. исследовал композитную лазерную сварку медной пластины толщиной 3 мм в ближнем инфракрасном диапазоне на основе экспериментов и численного моделирования; сначала медную пластину нагревали маломощным синим лазером, а затем мощный инфракрасный лазер облучал высокотемпературную поверхность пластины, образуя небольшое глубокое отверстие. Фудзио и др. разработала систему сварки композитов с помощью синего инфракрасного лазера и обнаружила, что эффективность сварки гибридным лазером в 1,45 раза выше, чем у инфракрасного лазера. Канеко и др. использовали коаксиальный композитный синий инфракрасный лазер для увеличения расплавленной ванны и небольших отверстий и стабилизации внутренней тепловой конвекции. При сварке композитов синим инфракрасным лазером поглощение лазерной энергии влияет не только на стабильность процесса сварки, но и на срок службы оборудования. Если температура медной поверхности низкая после воздействия синего лазера, энергия ИК-лазера, отраженная от медной поверхности, будет высокой, что может привести к повреждению лазерной головки.
Фудзио, С. и др. исследовал и разработал композитную лазерную систему, использующую полупроводниковый лазер синего света в качестве источника света для предварительного нагрева и одномодовый волоконный лазер в качестве источника сварочного света. Сварочные испытания проводились на медных проволоках сечением 2,5 × 3,0 × 50 мм с использованием этой композитной лазерной системы. На рис. 1 показана кинетика плавления и затвердевания чистой меди, снятая высокоскоростной камерой при {{10}}.1, 0.2 и 0.3 с. под (а) композитным лазером и (б) одномодовым волоконным лазером. Для одномодового волоконного лазера с выходной мощностью 1 кВт плавление меди начинается примерно с 0,3 с. Кинетика плавления одномодового волоконного лазера представлена на рис. 2.1.2. С другой стороны, для гибридного лазера с одномодовым волоконным лазером с выходной мощностью 1 кВт и синим диодным лазером с выходной мощностью 200 Вт плавление меди начинается с 0,2 секунды. Поэтому, как показано на рис. 2, объем плавления меди в гибридном лазере становится больше, чем в одномодовом волоконном лазере.
Из-за предварительного нагрева синим диодным лазером температура меди повышается примерно до 800 градусов. Температура меди увеличивается примерно до 1,5 градуса F (0,5 градуса F). Повышение температуры приводит к локальному увеличению оптического поглощения меди в волоконном лазере. В то же время композитный лазер обеспечивает больший объем плавления меди, чем одномодовый волоконный лазер. Таким образом, делается вывод, что при предварительном нагреве синего диодного лазера светопоглощение меди одномодовым волоконным лазером увеличивается и эффективность сварки увеличивается.
Ву и др. использовал процесс коаксиальной композитной лазерной сварки в синем инфракрасном свете для медных материалов толщиной 0,5 мм, создал новую модель источника тепла лазера в синем инфракрасном свете и численно смоделировал динамическое поведение расплавленной ванны и поглощение лазерной энергии в сочетании с методом измельчения виртуальной сетки. По сравнению со сваркой синим лазером максимальная температура плавления и скорость коаксиальной композитной сварки синим ИК-лазером колеблются сильнее, а общая энергоэффективность лазера ниже, но хорошие сварные швы все же можно получить. По сравнению с инфракрасной лазерной сваркой при коаксиальной композитной сварке синим ИК-лазером синий лазер улучшил и стабилизировал энергоэффективность инфракрасного лазера.
Новое моделирование с мощностью синего лазера {{{{10}}}} Вт, мощностью ИК-лазера 1400 Вт и скоростью сварки 1,2 м/мин было перезапущено с коаксиального композита. Случай лазерной сварки синим ИК-диапазоном при t=0.1 с. Новое моделирование показано на рис. 3(а). Как показано на рис. 3(а), образуется лишь небольшая сварочная масса. Максимальная температура плавления составляет 1798 К, максимальная скорость плавления — 0,11 м/с. Как показано на рис. 3(б), поглощенная мощность и эффективность ИК-лазера составляют 190,4 Вт и 13,60% соответственно после t=0,232 с. Мощность ИК-лазера и эффективность свариваемого материала также показаны на рис. 3(в). По сравнению с ИК-лазерной сваркой, энергоэффективность ИК-лазера при коаксиальной композитной сварке синим ИК-лазером была увеличена на 16,99%, а общая энергоэффективность лазера увеличилась на 165,22%. Как показано на рис. 3(c), стандартные отклонения эффективности ИК-лазера при коаксиальной сварке композитов синим светом и ИК-лазером и ИК-лазерной сварке составляли 0,014% и 0,215% соответственно. Можно сделать вывод, что синий лазер улучшает и стабилизирует энергоэффективность инфракрасного лазера при сварке композитов синим ИК-лазером.
Учитывая стоимость синего света, а также ограничение максимальной мощности и недостатки инфракрасного лазера, скорость поглощения энергии низкого и нестабильный процесс, предлагается процесс композитной лазерной сварки синим светом и красным светом. Высокая скорость поглощения синего света для предварительного нагрева материала, достижения повышения скорости поглощения красного света и в то же время, поскольку плотность мощности синего света мала по сравнению с волоконным лазером, это можно реализовать объединить стабильную сварку теплопроводности и сварку глубокого плавления, чтобы добиться высокоэффективной сварки высокоантисплавных сплавов (алюминий, медь).
