Co₂ лазеры в сочетании с ультрафиолетовыми твердотельными лазерами сварки двигателя электромобилей до новой высоты
Производители электромобилей находятся под растущим давлением для оптимизации операций, сокращения затрат и улучшения качества продукции. Эти усилия имеют решающее значение для необходимого расширения доли рынка электромобилей, особенно на рынке большого объема, который очень чувствителен к общей стоимости владения (TCO) и где транспортные средства с топливом все еще распространены.
Одной из ключевых возможностей для оптимизации производства двигателя электромобилей является сварка намотков шпильки, процесс, который имеет решающее значение для надежности и производительности двигателя. Традиционные методы механической изоляции часто терпят неудачу, что приводит к неэффективности процессов, таким как повреждение поверхности, износ инструмента и задержки производства, которые увеличивают затраты и влияют на надежность процесса.
Лазерная очистка и очистка предлагает преобразующую альтернативу, которая преодолевает ограничения механического снятия при достижении превосходных результатов при более низкой общей стоимости. В этой статье описывается инновационный двухэтапный процесс Coherent, который сочетает в себе лазеры CO2 с ультрафиолетовыми (УФ) лазерами для производства чистых, готовых к сварным шпилькам. Представленные данные показывают, что этот метод обеспечивает новый, экономичный способ для производителей электромобилей для достижения более качественных моторных швов шпильки.
Обмотки в двигателях электромобилей обычно изготовлены из одного медного провода. Эти медные провода согнуты в форму «U» (отсюда и название «обмотка шпильки»), а затем помещают в сборку. Далее, концы смежных обмоток шпильки должны быть сварены вместе для достижения электрического соединения и сформировать одну непрерывную обмотку. Кроме того, в некоторых альтернативных конструкциях используется непрерывный плоский провод, который образуется в волнистый рисунок (называемый волновой обмоткой или S-образной обмоткой), а затем вставлен в слоты статора перед сваркой.
Все электродвигатели имеют обмотки с изоляцией. В моторных моторах парикмахеры изоляция должна быть более толстой и более сильной, чтобы приспособить их компактную конструкцию, а требования высокого напряжения, обычно требуемые в электромобилях.
Перед сваркой необходимо удалить небольшое количество изоляции с обоих концов каждой намотки шпильки. Это важно для обеспечения высококачественного электрического и механического соединения.
Традиционно эта задача была в основном выполнена с использованием механических методов, но существуют также одноэтапные лазерные процессы с использованием импульсных лазеров инфракрасных (1 мкм). Механическое урезание включает в себя использование режущего инструмента для непосредственного контакта с поверхностью провода, чтобы вырвать изоляцию. Хотя эти методы были стандартной практикой в течение многих лет, они представляют значительные проблемы при быстро меняющемся производстве электромобилей.
Например, физический контакт, необходимый для механического снятия, может соскрести слой меди из обмотки шпильки, оставляя текстурированную поверхность, которая может вызвать промежутки между обмотками и проблемами с установкой компонентов, ставя под угрозу целостность и консистенцию сварного шва. Кроме того, механические инструменты могут изнашиваться, что приводит к непоследовательным процессам, частым техническому обслуживанию, незапланированному времени простоя и потенциальным прерываниям производства. Эти проблемы усугубляются медленной скоростью процесса, что затрудняет удовлетворение потребностей масштабного производства электромобилей с большим объемом.
Лазеры могут быть использованы для широкого спектра удаления материала, включая изоляцию. В приложениях для очистки изоляции лазерная очистка предоставляет следующие преимущества:
- Лучшее качество сварки: Обеспечивает чистую поверхность для оптимального качества сварки, полностью удаляя изоляцию, не повреждая медную проволоку.
- Уменьшить техническое обслуживание и простоя оборудования:Никакого износа инструмента и какой -либо возможности для машинного заклина не устраняется, обеспечивая непрерывное производственное процесс.
- Увеличьте производительность производства:Непрерывная очистка при подаче провода повышает эффективность производства.
- Повышенная последовательность:Без износа или контакта лазерная обработка является стабильным и повторяющимся процессом.
Очевидно, что лазерная обработка может привести к улучшению процессов. Но реальный вопрос: «Какой лазер лучше всего использовать?» Другими словами, из многих возможных лазерных источников и реализаций, которые могут быть использованы для выполнения этого процесса, который предлагает наилучший баланс высокого качества, высокой скорости и низкой стоимости для применений моторного производства с высокой объемом электромобилей?
Благодаря широкому портфелю промышленных лазеров, когерент смог объективно исследовать это приложение, используя различные лазеры без каких -либо неотъемлемых предпочтений одной технологии над другой.
Фактически, вместо того, чтобы найти один лазер, который был бы лучше всего подходил для изоляции для стрижки шпильки, Coherent разработал процесс двойного лазера для достижения оптимизированных результатов снятия. Этот подход предоставляет клиентам лучшее предварительное качество поверхности, доступное сегодня наиболее экономичным образом. Основной мотивацией для изучения процесса с двойным лазером было преодоление проблем с одноэтапным процессом лазерной очистки.
Одностадийное лазерное покрытие-это компромисс между поглощением покрытия и базовым поглощением меди. Инфракрасная длина волны волоконно -лазера вблизи 1 мкм не легко поглощается покрытием, что приводит к тепловой обработке на границе раздела, разловке покрытия и образованию воздушных частиц. Эти частицы мешают падающему лазерному лучу, влияя на чистоту обмотки шпильки, и могут вторгаться в систему, вызывая частое время простоя для очистки. Кроме того, проникающий инфракрасный луча волоконно -лазера не может полностью удалить полимерные остатки с медной поверхности. Он может растопить поверхность медного провода и подвергать поверхность меди на изоляционные полимерные компоненты, такие как водород и углерод. Это загрязняет медную поверхность, которая, в свою очередь, влияет на качество сварки.
Двухэтапный процесс на основе двойной лазерной на основе когерентного приготовления.
Лазер CO2 средней мощности используется для быстрого удаления большинства изоляционного слоя. Этот тип лазера хорошо подходит для высокопроизводительного удаления неметаллического материала.
Затем для удаления любого изолирующего остатка, который присутствует, используется импульсный наносекундный ультрафиолетовый лазер наносекундного ультрафиолета. Это обеспечивает чистую поверхность для сварки. Короткая длина волны ультрафиолетовых лазеров отличается при обработке высокой устойчивости и особенно эффективна при удалении различных материалов, включая полимеры, другие органические материалы и медь.
Для первого этапа процесса объемного очистки j -5-10. 6 мкм лазер оказался идеальным источником. Хотя различные различные материалы используются в изоляционном слое намоткой шпильки (включая полиимид, полиэфиримид, полиэфир, полиэстеримид, полиамид, полиэфитеркетоне, эпоксидную смолу и различные фторополимеры), все эти материалы сильно поглощают выходной длины выходной волны 10,6 мкм. Более того, для всех этих материалов скорость поглощения при 10,6 мкм выше, чем у других доступных длинных волн лазерных волн CO2, таких как 9,4 мкм и 10,2 мкм.
J -5-10. Laser 6 мкм также имеет идеальные практические характеристики. Это полностью герметичный, импульсный лазер CO2 со средней мощностью более 400 Вт, что означает, что он может выполнять высокопроизводительные операции. Кроме того, его автономный и компактный пакет делает его идеальным для интеграции в автоматизированное оборудование.
Для второго шага, окончательного процесса очистки, Avia LX 355-30-60 он продемонстрировал только правильную комбинацию выходных параметров. Это частота, накапливаемый диодом, твердотельный лазер, который выводит 30 Вт средней мощности при 355 нм. Самое главное, что он поддерживает работу при скорости повторения до 300 кГц и энергии импульса до 500 мкДж. Это позволяет ему выполнять высокие абляции на скорости, необходимых для этого приложения.
Avia lx 355-30-60 Он также предназначен для легкой интеграции. И он интегрирует активное лазерное очищающее двигатель Coherent PureUV ™ для исключительно долгого срока службы и эксплуатации без технического обслуживания.
Лаборатория когерентных приложений исследовала множество различных процессов, прежде чем установить двухэтапную комбинацию, описанную выше. Различные лазеры были исследованы индивидуально и в комбинации, включая лазеры CO2, наносекундные импульсные инфракрасные волокно -лазеры и наносекундные ультрафиолетовые лазеры. Результаты обработанных изолированных обмоток шпильки были подробно проанализированы, и после того, как были идентифицированы наиболее перспективные лазерные источники, были оптимизированы конкретные параметры процесса.
В рамках тестирования рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) использовалась для анализа химии поверхности для характеристики и количественной оценки загрязняющих веществ. Именно на этом этапе когерентный обнаружил, что двухэтапный процесс снятия лазера (лазер CO2 в сочетании с ультрафиолетовым лазером) был наиболее эффективным способом удаления всех остатков с медной поверхности перед лазерной сваркой.
Серия фотографий на рисунке 3 сравнивается различные методы снятия с использованием лазеров CO2, лазеров наносекундного инфракрасного волокна (FL) и наносекундных твердотельных лазеров УФ. В верхнем ряду фотографий изоляционным материалом является полиамид (PA) и в нижнем ряду, полиэфитеркетоне (PEEK). Даже только визуальным осмотром можно видеть, что в обоих случаях комбинация лазера CO2 и ультрафиолетового лазера дала наилучшие результаты. Это также было подтверждено фактическими сварочными испытаниями.
Конечно, наиболее важной метрикой является качество сварного шва, полученное после процесса утечки изоляции. На рисунке 4 показана серия рентгеновских изображений обмоток шпильки после сварки. Это указывает на то, что двухэтапный (CO2 Laser + UV Laser) может в конечном итоге достичь более качественных сварных швов. Двухэтапный процесс ультрафиолетовой лазерной лазерной лазерной лазера CO2 минимизирует пористость сварки путем удаления полимерных остатков на поверхности перед сваркой. Хорошо известно, что полимерные остатки содержат водород, углерод и другие органические элементы, которые могут попадать в расплавленную бассейн, когда жидкость, а затем образуют поры во время процесса затвердевания сварного шва, которые могут влиять на механические и электрические свойства сварного шва.
