Pengelasan laser mempunyai tempat di kendaraan listrik, ruang angkasa, transportasi kapal dan kereta api, konstruksi, sektor energi, semikonduktor, elektronik konsumen, manufaktur perangkat medis dan banyak lagi. Bahkan peleburan material yang berbeda, yang sulit dilakukan dengan teknik pengelasan konvensional, dapat dengan mudah diselesaikan dengan fleksibilitas dan presisi pengelasan laser, dan bahkan telah menjadi solusi pilihan. Proses ini, yang sering disebut sebagai "pengelasan ketidaksamaan", merupakan bagian penting dalam mencapai tujuan teknik modern.
Produksi baterai dan komponen listrik untuk aplikasi e-mobilitas mendorong minat yang lebih besar terhadap pengelasan laser pada material yang berbeda seperti tembaga dan aluminium.
Pengelasan yang berbeda memungkinkan kebebasan desain yang lebih luas ketika memilih bahan yang berbeda dengan sifat yang baik seperti konduktivitas listrik dan termal, keuletan, kepadatan relatif, titik leleh dan kekerasan, namun secara tradisional memerlukan perekat atau metode mekanis untuk merekatkannya.
Meskipun teknik ini memiliki elemen yang sama dengan pengelasan konvensional, teknik ini menawarkan peluang unik untuk meningkatkan derajat kebebasan desain, variasi kombinasi material, sehingga mengurangi biaya produksi dan perakitan serta meningkatkan kinerja komponen atau sistem.
Namun, pengelasan bahan yang berbeda memerlukan pertimbangan yang cermat terhadap panjang gelombang laser, daya rata-rata, profil sinar, lebar pulsa, dan daya puncak. Parameter sistem laser juga harus disesuaikan untuk kombinasi material dan aplikasi tertentu.
Area aplikasi yang paling penting dan paling cepat berkembang adalah produksi baterai dan komponen listrik untuk kendaraan listrik. Permintaan kendaraan listrik (EV) telah meningkat secara dramatis dalam dua tahun terakhir, dan pengelasan material yang berbeda merupakan inti dari pembuatan EV lebih efisien dan ramah lingkungan.
Meskipun pengelasan ketidaksamaan memiliki banyak kesamaan dengan pengelasan konvensional, mengoptimalkan kualitas dan kecepatan pengelasan lebih menantang. Fleksibilitas sistem pengelasan laser menawarkan solusi unik untuk memperluas aplikasi dan peluang baru. (Dikontribusikan oleh Tomo Express)
Matthew Philpott, Chief Marketing and Sales Officer, NUBURU, inovator terkemuka dalam teknologi laser biru industri berkekuatan tinggi dan kecerahan tinggi, mengatakan, "Kendaraan listrik diproyeksikan akan menguasai lebih dari 20% pasar dalam 5 hingga 10 tahun ke depan. tahun, dan barang elektronik konsumen akan menyumbang antara 10% dan 15%."
Pembuatan baterai lithium-ion (Li-ion) memerlukan kemampuan untuk mengelas aluminium menjadi tembaga dalam pengelasan foil-ke-elektroda atau elektroda-ke-elektroda. Pada baterai berbentuk silinder, lug elektroda tembaga harus dilas ke kaleng baja.
Dalam pembuatan paket baterai, sel-sel biasanya sudah dirakit dan para insinyur harus menerapkan desain yang menghubungkan sel-sel tersebut untuk menghasilkan energi yang optimal. Baterai litium-ion saat ini terbuat dari baja canai dingin berlapis nikel. Namun, mengelas logam yang kurang resistif, seperti aluminium atau tembaga, ke terminal baja tahan karat standar pada baterai litium-ion akan mengurangi resistansinya, sehingga lebih sedikit energi yang terbuang karena kehilangan panas.
Peningkatan kinerja baterai kendaraan listrik merupakan faktor utama dalam pertumbuhan penjualan kendaraan listrik yang stabil,” kata Mark L. Boyle, manajer senior teknik produk dan aplikasi di AMADA WELD TECH. Kinerja yang lebih baik sebagian berasal dari perkembangan terkini dalam pengelasan logam yang berbeda, yang meningkatkan efisiensi dengan meningkatkan penyimpanan energi, mengurangi ukuran dan menjaga keandalan."
Selain itu, industri pembuatan kapal memberikan contoh lain di mana pengelasan yang berbeda memberikan nilai unik. Industri ini secara rutin menggunakan antarmuka las baja-aluminium untuk mengoptimalkan distribusi bobot, sehingga menghasilkan emisi CO2 yang lebih rendah dan peningkatan stabilitas. Secara khusus, pengelasan lambung baja ke superstruktur aluminium dapat mengurangi bobot mati.
Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1 mikron. (Foto oleh NUBURU)
“Selain mengurangi emisi CO2 dan konsumsi energi, pusat gravitasi kapal dapat diturunkan melalui pengaturan material yang cerdas, sehingga meningkatkan stabilitas transportasi.” Rabi Lahdo, peneliti di Kelompok Pengelasan dan Pemotongan Logam di Hanover Laser Center, mengatakan.
Meskipun material dengan sifat serupa biasanya menghasilkan pengelasan yang lebih andal, pemain besar seperti AMADA WELD TECH menerima semakin banyak permintaan untuk mengelas material yang berbeda.
“Secara komersial, memilih material yang berbeda dapat mengurangi biaya produksi dan meningkatkan kinerja komponen atau perangkat.” Mark L. Boyle berkata, "Jika hal ini terjadi, pilihan logam yang berbeda dapat digunakan sebagai keunggulan kompetitif di pasar untuk menyediakan produk yang lebih baik dengan harga lebih rendah."
01 Tantangan dan Pertimbangan-
Saat memadukan material seperti baja atau tembaga dengan aluminium, perubahan titik leleh material dan koefisien muai panas dapat menyebabkan terbentuknya bagian antara yang rapuh yang melemahkan sambungan las.
“Logam memiliki suhu leleh dan fusi yang berbeda, koefisien penyerapan cahaya yang berbeda (terutama pada panjang gelombang laser tertentu), dan difusivitas termal yang berbeda. Hal ini membuat sulit untuk meleburnya ke tingkat yang tepat pada waktu yang bersamaan.” Philpott dari NUBURU mengatakan, "Hal ini paling terlihat pada logam yang sangat reflektif, yang dapat memiliki koefisien penyerapan yang sangat berbeda dalam inframerah."
Medan tegangan yang diciptakan oleh koefisien muai panas yang berbeda selama pendinginan juga dapat melemahkan lasan dan dapat menyebabkan kegagalan sambungan las. Struktur yang keras dan rapuh ini, disebut “fase intermetalik”, terbentuk di zona transisi antara logam las dan logam dasar. Ini adalah fenomena yang dapat mengganggu metode pengelasan apa pun.
Penampang las ketidaksamaan baja dan aluminium. (kontribusi LZH)
Pembentukan fase intermetalik, seperti FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 dalam sistem baja-aluminium dan Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 dalam sistem tembaga-aluminium, disebabkan oleh terbatasnya kelarutan unsur-unsur tersebut,” kata Sarah Nothdurft, Kepala Penelitian. Bergabung dan Memotong Grup Logam di Laser Center Hannover. Fase tersebut juga menunjukkan resistivitas yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan bahan dasar."
Pemilihan parameter operasi laser yang cermat, seperti menggabungkan kecepatan pengelasan yang tinggi, beban panas yang rendah, dan kontrol proses peleburan yang tepat, memungkinkan para insinyur untuk mengurangi beberapa masalah ini.
Meskipun pembentukan senyawa intermetalik tidak dapat dihindari, namun kerapuhannya tidak dapat dihindari. Alexei Markevitch, Manajer Pengembangan Pasar di IPG Photonics, mengatakan, "Formulasi proses yang tepat dapat meminimalkan pembentukan senyawa ini dan memaksimalkan kelenturannya, sehingga menghasilkan pengelasan yang lebih kuat secara struktural, lebih konduktif, dan lebih stabil."
02 Aplikasi untuk mengelas bahan yang berbeda-
Perhatian terhadap rasio pencampuran yang tepat dan pengaturan pencocokan yang tepat dapat lebih meningkatkan kinerja sambungan las yang berbeda. Misalnya, jahitan I dengan bukaan las pangkuan telah terbukti menguntungkan. Pada metode ini, pelat baja diletakkan di atas pelat aluminium. Untuk meminimalkan fasa intermetalik, pengelasan dilakukan melalui pelat baja dan hanya pada pelat aluminium.
Oliver Seffer, peneliti di Kelompok Pengelasan dan Pemotongan Logam di Hanover Laser Center, mengatakan: "Karena kandungan aluminium yang rendah, proporsi fase rapuh dalam struktur mikro akhir relatif rendah."
03 Pertimbangan Parameter Laser-
Pemilihan teknologi laser tergantung pada material yang akan dilas. Port las yang berbeda untuk kaca dan logam mungkin memerlukan sistem laser CO2. Pengelasan kaca aluminosilikat dan berbagai logam dapat memperoleh manfaat dari sistem laser femtosecond, sedangkan pengelasan paduan aluminium dan kaca teknis seringkali berhasil dengan sumber laser pikodetik.
Tujuannya adalah untuk meminimalkan masukan panas, menghilangkan percikan, meningkatkan stabilitas proses, dan memberikan rentang parameter proses yang luas saat mengelas pada kecepatan setinggi mungkin.
“Meskipun paduan baja menyerap dengan baik di wilayah inframerah dekat, bahkan logam dengan reflektifitas tinggi, seperti aluminium dan tembaga, sebagian besar diproses dengan laser 1 µm.” Markevitch dari IPG mengatakan, "Ini karena penyerapan bergantung pada suhu dan fase logam. Pada suhu kamar, tembaga dan aluminium menyerap sekitar 5% pada 1 µm dan 40% hingga 50% pada 515 nm, dengan penyerapan lebih tinggi pada panjang gelombang biru."
“Semua daya serap meningkat pada logam yang dipanaskan, dan IR melonjak pada titik lelehnya,” katanya, “dan logam cair menyerap semua panjang gelombang dengan sangat baik. Dengan demikian, kepadatan daya IR yang cukup tinggi dapat mengatasi reflektifitas yang tinggi.”
However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.
Rabi Lahdo mengatakan bahwa menurunkan intensitas keluaran yang diperlukan akan melemahkan turbulensi di kolam cair, sehingga meningkatkan stabilitas proses. “Peningkatan stabilitas proses disertai dengan peningkatan kualitas pembukaan las hibrid, dan pembentukan percikan dapat ditekan.”
Dalam pengelasan lubang kunci pada material yang lebih tebal, dimulai dengan lubang ikatan mikro berukuran ratusan mikrometer, laser inframerah biasanya lebih efektif dibandingkan laser hijau atau biru, sehingga menghasilkan masukan panas yang lebih sedikit, serta kualitas las yang lebih baik dan kecepatan yang lebih cepat.
Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0,65 mm.
“Kecerahan pancaran mode tunggal hingga 2 kW mengatasi sifat reflektif logam terang untuk menciptakan las lubang kecil yang stabil dengan kedalaman fusi yang bisa jauh lebih dalam daripada lebar las,” kata Ken Dzurko, global manajer akun kunci senior di Pusat Teknologi Laser ThruFast di Santa Clara, California.
“Osilasi cepat pada balok menghambat pembentukan senyawa intermetalik, sehingga membatasi durasi fase leleh pada pembukaan las.” Dia berkata, "Selain itu, kecerahan sinar yang tinggi meningkatkan efisiensi pengelasan dan sangat mengurangi zona yang terkena dampak panas, sehingga menghasilkan volume pengelasan yang lebih tinggi dengan input daya rata-rata yang lebih rendah."
Faktor lain yang mempengaruhi penggunaan energi laser adalah hamburan cahaya oleh gumpalan uap logam, yang sebanding dengan pangkat empat panjang gelombang. Laser 1070nm tersebar 18 kali lebih kecil dari laser 515nm dan 30 kali lebih kecil dari laser 455nm. Tingginya tingkat hamburan laser biru dan hijau dalam gumpalan uap logam dengan mudah mengimbangi tingkat penyerapan yang sedikit lebih tinggi pada bahan cair.
Saat ini, sebagian besar produsen memilih laser gelombang kontinu 1 µm, yang terdepan dalam kecepatan pemrosesan, kualitas, dan pengurangan biaya. Namun semua panjang gelombang menawarkan keuntungan, tergantung pada situasi spesifik. Misalnya, Philpott dari NUBURU percaya bahwa pergeseran panjang gelombang ke cahaya biru atau hijau perlu ditelusuri dalam aplikasi yang mendapat manfaat dari peningkatan penyerapan.
“Pengiriman sinar untuk laser cahaya biru atau hijau (misalnya pemindai, kepala pemrosesan, kontrol sinar, dan komponen tambahan lainnya) serupa dengan yang digunakan untuk laser NIR.” Philpott mengatakan, "Hasilnya, konversi dari inframerah ke cahaya biru atau hijau menjadi sangat mudah, dan metode pengelolaan bulu-bulunya serupa, sehingga tidak ada masalah akibat penyerapan atau hamburan."
Sistem laser saat ini dibatasi hingga 3kW pada 515nm dan 4kW pada 455nm, dan karena kualitas pancaran laser biru yang terbatas, kemampuan fokus pancaran dan efisiensi pemrosesan juga terbatas.
“Saat mengelas tembaga menggunakan panjang gelombang sinar laser dalam rentang cahaya tampak, terutama dalam spektrum cahaya biru, saat ini terdapat kekurangan daya sinar laser yang memadai dan kualitas sinar yang dibutuhkan,” kata Rabi Lahdo, “Mencapai kualitas sinar laser yang tinggi adalah tantangan terbesar ketika menggunakan dioda laser untuk menghasilkan radiasi laser. Selain itu, laser tampak lebih rentan terhadap kerusakan optik dibandingkan sumber inframerah, sehingga memperpendek masa pakai dan meningkatkan biaya."
Terlepas dari tantangan tersebut, Philpott mengantisipasi peningkatan lebih lanjut dalam kinerja dan nilai penyolderan karena dioda cahaya biru terus meningkat dalam ketersediaan dan kinerja.
“Tidak ada risiko keandalan atau biaya yang terkait dengan pengoperasian laser dalam toleransi desain optik,” katanya. “Meskipun demikian, pelanggan mungkin mengalami masa pakai optik yang singkat dengan produk pemasok laser tertentu; namun, jika produsen tidak merilis produk tanpa perangkat optiknya divalidasi dengan benar, maka hal ini dapat terjadi pada panjang gelombang apa pun.”
04
-Spesialisasi sistem laser-
Laser serat gelombang kontinu dapat mengelas aluminium dan tembaga dengan kontrol profil sinar yang tepat. Pengembangan profil balok inti-cincin dan sistem pemindaian yang lebih kuat telah meningkatkan kualitas dan potensi port las hibrid secara signifikan selama dekade terakhir.
Selama pengelasan lubang kecil pada tembaga dan aluminium, lubang menjadi tidak stabil pada kecepatan pengelasan tinggi. Salah satu cara untuk menghilangkan ketidakstabilan ini adalah dengan memperlambat kecepatan pengelasan, namun hal ini biasanya tidak diinginkan. Sebaliknya, metode lain adalah dengan menggunakan galvanometer untuk menambahkan osilasi pada sinar laser untuk mengaduk kolam cair. Hal ini meningkatkan konveksi dalam aliran lelehan untuk mencegah lubang-lubang kecil runtuh. Biasanya menghasilkan kualitas las yang sangat baik, namun memperlambat proses pengelasan lebih lanjut.
Cara ketiga untuk menghilangkan percikan selama pengelasan kecepatan tinggi adalah dengan menggunakan laser Adjustable Mode Beam (AMB), yang memancarkan sinar inti yang dikelilingi oleh sinar cincin. Kekuatan dan intensitas sinar inti menentukan kedalaman penetrasi lubang-lubang kecil, sedangkan energi sinar cincin menstabilkan lubang-lubang kecil untuk meminimalkan atau sepenuhnya menghilangkan percikan, retakan, dan porositas yang tidak diinginkan.
Inti terkecil adalah sinar mode tunggal dengan diameter 14 mikron. Inti multimode biasanya berdiameter 50 atau 100 µm, dan ring beam biasanya berdiameter hingga 300 µm.
“Penggunaan laser serat cincin inti merupakan area pengembangan aktif dalam pengelasan laser ketidaksamaan inframerah dan banyak dicari oleh semua pemain utama,” kata Markevitch, manajer pengembangan pasar di IPG Photonics. “Laser AMB dengan inti mode tunggal dipilih karena keserbagunaannya, kecepatan pengelasan yang tinggi, dan kemampuannya untuk meminimalkan pembentukan senyawa intermetalik yang rapuh.”
Laser AMB inti mode tunggal 3 kW dengan daya tambahan 3 kW dalam laser cincin mampu melakukan pengelasan busbar tembaga bebas percikan pada kecepatan 60 m/mnt dengan penetrasi lebih dari 0,65 mm.
Laser hijau atau biru komersial saat ini tidak dapat mencapai kecepatan dan kualitas pemrosesan yang sama, kata Markevitch. Namun seperti yang dia tunjukkan, konsistensi pengelasan masih dapat dipengaruhi oleh variasi jarak antar material atau kontaminasi material. Dengan kecenderungan ketebalan busbar yang berkurang, penjepitan dan pemasangan menjadi sebuah tantangan. Kedalaman lelehan las yang tidak memadai dapat mengakibatkan resistensi yang lebih tinggi dan kekuatan mekanis yang lebih rendah, sedangkan kedalaman lelehan atau penusukan yang berlebihan dapat menyebabkan sel baterai EV mudah terbakar.
"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60 derajat."
Aluminium meleleh pada suhu 660 derajat, tembaga pada suhu 1.085 derajat, dan baja paduan pada suhu 1.500 derajat. Dua logam dengan suhu leleh yang sangat berbeda perlu dicairkan tanpa merusak garam litium yang mengandung organogel atau komponen baterai yang mudah terbakar (seperti segel, gasket, dan spacer) di bawahnya.
Kontrol proses in-line berdasarkan emisi proses spektral atau OCT dapat memberikan pengukuran kedalaman las non-destruktif secara real-time. Hal ini memungkinkan tindakan perbaikan diambil untuk mencapai kedalaman lelehan yang konstan.
