I laser CO₂ combinati con laser a stato solido UV prendono la saldatura del motore del veicolo elettrico a nuove altezze
I produttori di veicoli elettrici hanno una pressione crescente per ottimizzare le operazioni, ridurre i costi e migliorare la qualità del prodotto. Questi sforzi sono fondamentali per la necessaria espansione della quota di mercato dei veicoli elettrici, in particolare in un mercato ad alto volume che è altamente sensibile al costo totale di proprietà (TCO) e in cui i veicoli alimentati a carburante sono ancora prevalenti.
Una delle principali opportunità per ottimizzare la produzione di motori per veicoli elettrici è la saldatura degli avvolgimenti per forcine, un processo fondamentale per l'affidabilità e le prestazioni del motore. I metodi tradizionali di stripping di isolamento meccanico spesso non sono all'altezza, portando a inefficienze di processo come danni alla superficie, usura degli utensili e ritardi nella produzione che aumentano i costi e influenzano l'affidabilità del processo.
Lo stripping e la pulizia laser offrono un'alternativa trasformativa che supera i limiti dello stripping meccanico, ottenendo risultati superiori a un costo complessivo inferiore. Questo articolo descrive l'innovativo processo in due fasi di Coherent che combina i laser di CO2 con laser ultravioletti (UV) per produrre avvolgimenti per capelli puliti e pronti per la saldatura. I dati presentati mostrano che questo metodo fornisce un nuovo modo economico per i produttori di veicoli elettrici di ottenere saldature a motore di pioggia di alta qualità.
Gli avvolgimenti nei motori per veicoli elettrici sono in genere realizzati con un singolo filo di rame. Questi fili di rame sono piegati in una forma "U" (da cui il nome "avvolgimento per forcellini") e quindi inseriti in un gruppo. Successivamente, le estremità degli avvolgimenti adiacenti della forcine devono essere saldati insieme per ottenere un collegamento elettrico e formare un singolo avvolgimento continuo. Inoltre, alcuni design alternativi utilizzano un filo piatto continuo che si forma in un motivo ondulato (chiamato avvolgimento d'onda o avvolgimento a forma di S) e quindi inseriti nelle fessure dello statore prima della saldatura.
Tutti i motori elettrici hanno avvolgimenti con isolamento. Nei motori di avvolgimento a forcine, l'isolamento deve essere più spesso e più forte per soddisfare il loro design compatto e i requisiti di alta tensione in genere richiesti nei veicoli elettrici.
Prima della saldatura, una piccola quantità di isolamento deve essere rimossa da entrambe le estremità di ciascuna avvolgimento. Ciò è fondamentale per garantire una connessione elettrica e meccanica di alta qualità.
Tradizionalmente, questo compito è stato realizzato principalmente usando metodi meccanici, ma ci sono anche processi laser a fasi singolo usando laser pulsati a infrarossi (1μm). Lo stripping meccanico implica l'uso di uno strumento di taglio per contattare direttamente la superficie del filo per raschiare l'isolamento. Mentre questi metodi sono stati pratici standard per molti anni, presentano sfide significative nella produzione frenetica di veicoli elettrici.
Ad esempio, il contatto fisico richiesto per lo stripping meccanico può raschiare uno strato di rame dall'avvolgimento della forcella, lasciando una superficie strutturata che può causare lacune tra avvolgimenti e problemi di montaggio dei componenti, compromettendo l'integrità e la coerenza della saldatura. Inoltre, gli strumenti meccanici possono logorarsi, portando a processi incoerenti, manutenzione frequente, tempi di inattività non pianificati e potenziali interruzioni di produzione. Questi problemi sono esacerbati dalla bassa velocità del processo, il che rende difficile soddisfare le esigenze di produzione ad alto volume della produzione di veicoli elettrici su larga scala.
I laser possono essere utilizzati per una vasta gamma di rimozione del materiale, incluso lo stripping isolante. Nelle applicazioni di stripping isolante, lo stripping laser offre i seguenti vantaggi:
- Migliore qualità della saldatura: Garantisce una superficie pulita per una qualità ottimale di saldatura rimuovendo completamente l'isolamento senza danneggiare il filo di rame.
- Ridurre la manutenzione e i tempi di inattività delle attrezzature:Non viene eliminata l'usura degli strumenti e la possibilità di inceppamento della macchina, garantendo un processo di produzione ininterrotto.
- Aumenta la produzione di produzione:Lo stripping continuo durante l'alimentazione del filo migliora l'efficienza della produzione.
- Aumentata coerenza:Senza usura o contatto, la lavorazione laser è un processo stabile e ripetibile.
Chiaramente, la lavorazione laser può portare a miglioramenti del processo. Ma la vera domanda è: "Quale laser è meglio usare?" In altre parole, delle molte possibili fonti laser e implementazioni che potrebbero essere utilizzate per eseguire questo processo, che offre il miglior equilibrio di alta qualità, alta velocità e basso costo per applicazioni di produzione di motori EV ad alto volume?
Con un ampio portafoglio di laser industriali, Coerente è stato in grado di indagare obiettivamente questa applicazione utilizzando una varietà di laser senza alcuna preferenza intrinseca per una tecnologia rispetto a un'altra.
In effetti, piuttosto che trovare un laser che era il migliore per l'isolamento di stripping a forcina, Cohent ha sviluppato un processo a doppia laser per ottenere risultati di stripping ottimizzati. Questo approccio fornisce ai clienti la migliore qualità della superficie pre-salvata disponibile oggi nel modo più economico. La motivazione principale per studiare il processo a doppio laser era superare i problemi con il processo di stripping laser a passo singolo.
Lo stripping laser a passo singolo è un compromesso tra assorbimento del rivestimento e assorbimento di rame sottostante. La lunghezza d'onda a infrarossi del laser in fibra vicino a 1μm non è facilmente assorbita dal rivestimento, con conseguente generazione di calore all'interfaccia, scintillamento del rivestimento e formazione di particelle nell'aria. Queste particelle interferiscono con il raggio laser incidente, che colpisce la pulizia dell'avvolgimento della forcella e possono intromettersi nel sistema, causando frequenti tempi di inattività per la pulizia. Inoltre, il raggio a infrarossi penetranti del laser in fibra non può rimuovere completamente il residuo di polimero dalla superficie del rame. Può sciogliere la superficie del filo di rame ed esporre la superficie del rame a componenti polimerici isolanti come idrogeno e carbonio. Ciò contamina la superficie del rame, che a sua volta influenza la successiva qualità della saldatura.
La preparazione a due passaggi a base di forcine a due fasi a base di laser coerente include:
Un laser CO2 di media potenza viene utilizzato per rimuovere rapidamente la maggior parte dello strato di isolamento. Questo tipo di laser è adatto per la rimozione del materiale non metallico ad alto rendimento.
Un laser a stato solido UV a bassa potenza pulsata viene quindi utilizzato per rimuovere qualsiasi residuo isolante presente. Ciò fornisce una superficie pulita per la saldatura. La lunghezza d'onda corta dei laser a stato solido UV eccelle nella lavorazione dei materiali ad alta precisione ed è particolarmente efficace nel rimuovere una varietà di materiali tra cui polimeri, altri materiali organici e rame.
Per il primo passaggio del processo di stripping in blocco, il laser J -5-10 {0}}. Coerent si è rivelato una fonte ideale. Sebbene una varietà di materiali diversi vengano utilizzati nello strato di isolamento dell'avvolgimento a forcine (tra cui poliimmide, polielimide, poliestere, poliesterimide, poliammide, poliethethetone, resina epossidica e vari fluoropolimeri), tutti questi materiali assorbono fortemente la lunghezza d'onda di uscita di 10,6 μm. Inoltre, per tutti questi materiali, la velocità di assorbimento a 10,6 μm è superiore a quella delle altre lunghezze d'onda laser CO2 disponibili di Coherent, come 9,4μm e 10,2 μm.
Il laser J -5-10 {0}. È un laser CO2 completamente sigillato e pulsato con una potenza media di oltre 400 W, il che significa che può eseguire operazioni di stripping ad alto rendimento. Inoltre, il suo pacchetto autonomo e compatto lo rende ideale per l'integrazione nelle apparecchiature automatizzate.
Per il secondo passaggio, il processo di pulizia finale, Avia LX di Coherent 355-30-60 ha dimostrato la giusta combinazione di parametri di output. È un laser a stato solido, a pompa di diodi, a pompa di diodi che produce 30 W di potenza media a 355 nm. Ancora più importante, supporta il funzionamento a velocità di ripetizione fino a 300kHz e energie a impulsi fino a 500μJ. Ciò consente di eseguire ablazioni ad alta precisione alle velocità richieste per questa applicazione.
Avia lx 355-30-60 È anche progettato per una facile integrazione. E integra il motore di pulizia laser attivo PureUV ™ di Coherent per una vita eccezionalmente lunga e un funzionamento senza manutenzione.
Il laboratorio di applicazioni coerente ha studiato molti processi diversi prima di stabilirsi sulla combinazione in due fasi sopra descritta. Vari laser sono stati studiati individualmente e in combinazione, tra cui laser di CO2, laser a fibra a infrarossi a infrarossi a infrarossi nanosecondi e laser UV nanosecondi. I risultati degli avvolgimenti di forcine isolati trattati sono stati analizzati in dettaglio e una volta identificate le fonti laser più promettenti, sono stati ottimizzati i parametri di processo specifici.
Come parte del test, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) è stata utilizzata per analizzare la chimica della superficie al fine di caratterizzare e quantificare i contaminanti. Fu in questa fase che coerente scoprì che un processo di stripping laser in due fasi (laser CO2 combinato con laser UV) era il modo più efficace per rimuovere tutti i residui dalla superficie di rame prima della saldatura laser.
La serie di foto in Figura 3 confronta le varie tecniche di stripping usando laser CO2, laser a fibra a infrarossi nanosecondi (FL) e laser a stato solido UV nanosecondo. Nella riga superiore delle foto, il materiale isolante è poliammide (PA) e nella riga inferiore, poliothethetone (PEEK). Anche con l'ispezione visiva da sola, si può vedere che in entrambi i casi, la combinazione di laser CO2 e laser UV ha dato i migliori risultati. Ciò è stato confermato anche da prove di saldatura effettive.
Naturalmente, la metrica più importante è la qualità della saldatura ottenuta dopo il processo di stripping isolante. La Figura 4 mostra una serie di immagini a raggi X degli avvolgimenti a forcina dopo la saldatura. Ciò indica che il processo a due fasi (Laser CO2 Laser + Laser UV) può in definitiva ottenere saldature di qualità migliore. Il processo di stripping laser Laser + UV CO2 in due fasi riduce al minimo la porosità della saldatura rimuovendo i residui di polimeri sulla superficie prima della saldatura. È noto che i residui polimerici contengono idrogeno, carbonio e altri elementi organici, che possono entrare nel pool fuso quando liquido e quindi formare i pori durante il processo di solidificazione della saldatura, che possono influire sulle proprietà meccaniche ed elettriche della saldatura.
