Co₂-lasrar i kombination med UV-solid-tillståndslasrar tar elektriska fordonsmotorsvetsning till nya höjder
Tillverkare av elektriska fordon är under ökande tryck för att optimera verksamheten, sänka kostnaderna och förbättra produktkvaliteten. Dessa ansträngningar är avgörande för den nödvändiga utvidgningen av marknadsandelen för elfordon, särskilt på en högvolymmarknad som är mycket känslig för totala ägandekostnader (TCO) och där bränsledrivna fordon fortfarande är utbredda.
En av de viktigaste möjligheterna för att optimera elfordonsmotorproduktionen är svetsningen av hårnålslindningar, en process som är avgörande för motorisk tillförlitlighet och prestanda. Traditionella metoder för mekanisk isoleringsstrippning är ofta kort, vilket leder till processineffektivitet som ytskador, verktygsslitage och produktionsförseningar som ökar kostnaderna och påverkar processens tillförlitlighet.
Laserstrippning och rengöring erbjuder ett transformativt alternativ som övervinner begränsningarna för mekanisk strippning samtidigt som man uppnår överlägsna resultat till en lägre total kostnad. Den här artikeln beskriver Coherents innovativa tvåstegsprocess som kombinerar CO2-lasrar med ultravioletta (UV) lasrar för att producera rena, svetsklara hårnålslindningar. Uppgifterna som presenteras visar att denna metod ger ett nytt, kostnadseffektivt sätt för tillverkare av elektriska fordonser att uppnå högkvalitativa hårnålmotorsvetsar.
Lindningarna i elektriska fordonsmotorer är vanligtvis tillverkade av en enda koppartråd. Dessa koppartrådar böjs i en "u" -form (därav namnet "hårnålslingning") och placeras sedan i en enhet. Därefter måste ändarna på angränsande hårnålslindningar svetsas ihop för att uppnå en elektrisk anslutning och bilda en enda kontinuerlig lindning. Dessutom använder vissa alternativa mönster en kontinuerlig platt tråd som bildas till ett vågigt mönster (kallas en våglindning eller S-formad lindning) och sedan sätts in i statorspåren innan svetsning.
Alla elektriska motorer har lindningar med isolering. I hårnålslingande motorer måste isoleringen vara tjockare och starkare för att tillgodose deras kompakta design och de höga spänningskraven som vanligtvis krävs i elfordon.
Innan svetsningen måste en liten mängd isolering tas bort från båda ändarna av varje hårnålslindning. Detta är avgörande för att säkerställa en högkvalitativ elektrisk och mekanisk anslutning.
Traditionellt har denna uppgift huvudsakligen genomförts med hjälp av mekaniska metoder, men det finns också enstegs laserprocesser med hjälp av infraröda (1 um) pulserade lasrar. Mekanisk strippning innebär att du använder ett skärverktyg för att direkt kontakta trådens yta för att skrapa bort isoleringen. Medan dessa metoder har varit standardpraxis i många år, presenterar de betydande utmaningar i den snabba produktionen av elektriska fordon.
Till exempel kan den fysiska kontakten som krävs för mekanisk strippning skrapa ett lager koppar från hårnålslindningen, vilket lämnar en strukturerad yta som kan orsaka luckor mellan lindningar och komponentmonteringsproblem, vilket äventyrar svetsens integritet och konsistens. Dessutom kan mekaniska verktyg slitna, vilket leder till inkonsekventa processer, ofta underhåll, oplanerad driftstopp och potentiella produktionsavbrott. Dessa problem förvärras av processens långsamma hastighet, vilket gör det svårt att tillgodose produktionsbehovet med hög volym för storskalig produktion av elfordon.
Lasrar kan användas för ett brett spektrum av materialborttagning, inklusive isoleringsstrippning. I isolering av strippningsapplikationer ger laserstrippning följande fördelar:
- Bättre svetskvalitet: Säkerställer en ren yta för optimal svetskvalitet medan du tar bort isoleringen utan att skada koppartråden.
- Minska underhålls- och utrustningsstopp:Inget verktygsslitage och någon möjlighet till maskinstoppning elimineras, vilket säkerställer en oavbruten produktionsprocess.
- Öka produktionsproduktionen:Kontinuerlig strippning under matning av tråden förbättrar produktionseffektiviteten.
- Ökad konsistens:Utan slitage eller kontakt är laserbearbetning en stabil och repeterbar process.
Det är uppenbart att laserbearbetning kan leda till processförbättringar. Men den verkliga frågan är: "Vilken laser är bäst att använda?" Med andra ord, av de många möjliga laserkällorna och implementeringarna som kan användas för att utföra denna process, vilken erbjuder den bästa balansen mellan hög kvalitet, hög hastighet och låg kostnad för EV-motorproduktionsapplikationer med hög volym?
Med en bred portfölj av industriella lasrar kunde sammanhängande objektivt undersöka denna applikation med olika lasrar utan någon inneboende preferens för en teknik framför en annan.
I själva verket, snarare än att hitta en laser som var bäst för hårnålstrippning av isolering, utvecklade sammanhängande en dubbel-laserprocess för att uppnå optimerade strippresultat. Detta tillvägagångssätt ger kunderna den bästa pre-svetskvaliteten som finns tillgänglig idag på det mest kostnadseffektiva sättet. Den primära motivationen för att undersöka processen med dubbla laser var att övervinna problemen med enstegs laserstrippningsprocessen.
Enstegs laserstrippning är en kompromiss mellan beläggningssabsorption och underliggande kopparabsorption. Fiberlaserens infraröda våglängd nära 1μm absorberas inte lätt av beläggningen, vilket resulterar i värmeproduktion vid gränssnittet, beläggning och bildning av luftburna partiklar. Dessa partiklar stör den infallande laserstrålen och påverkar hårnålslindningens renhet och kan tränga in i systemet och orsaka ofta driftstopp för rengöring. Dessutom kan fiberlaserens penetrerande infraröd stråle inte helt ta bort polymerrest från kopparytan. Den kan smälta koppartrådytan och utsätta kopparytan för isolerande polymerkomponenter såsom väte och kol. Detta förorenar kopparytan, vilket i sin tur påverkar den efterföljande svetskvaliteten.
Koherents dubbla laserbaserade hårnålslindning Förberedelse Tvåstegsprocess inkluderar:
En medelstora CO2-laser används för att snabbt ta bort majoriteten av isoleringsskiktet. Denna typ av laser är väl lämpad för icke-metalliskt materialavlägsnande.
En pulserad lågeffekt nanosekund UV-solid-tillstånd-laser används sedan för att ta bort alla isolerande rest som finns. Detta ger en ren yta för svetsning. Den korta våglängden för UV-solid-tillståndslasrar utmärker sig vid högprecisionsmaterialbearbetning och är särskilt effektiv för att ta bort olika material inklusive polymerer, andra organiska material och koppar.
För det första steget i bulkstrippningsprocessen visade Coherent's J -5-10. 6μm laser visade sig vara en idealisk källa. Även om en mängd olika material används i hårnålslindande isoleringsskiktet (inklusive polyimid, polyeterimid, polyester, polyesterimid, polyamid, polyetheretherketon, epoxiharts och olika fluoropolymerer), absorberar alla dessa material starkt laserens 10,6μM -utgångsvåglängd. För alla dessa material är dessutom absorptionshastigheten vid 10,6 um högre än för Coherents andra tillgängliga CO2 -laservåglängder, såsom 9,4 um och 10,2 um.
Coherent's J -5-10. 6μm Laser har också idealiska praktiska egenskaper. Det är en helt förseglad, pulserad CO2-laser med en genomsnittlig effekt på mer än 400W, vilket innebär att den kan utföra strippningsoperationer med hög kapacitet. Dessutom gör dess fristående och kompakta paket det idealiskt för integration i automatiserad utrustning.
För det andra steget, den slutliga rengöringsprocessen, Coherent's Avia LX 355-30-60 Han demonstrerade precis rätt kombination av utgångsparametrar. Det är en frekvens-tri, diodpumpad, fast tillståndslaser som matar ut 30W av medeleffekt vid 355 nm. Det viktigaste är att det stöder drift vid repetitionsgraden upp till 300 kHz och pulsenergier upp till 500 μJ. Detta gör att den kan utföra ablationer med hög precision med de hastigheter som krävs för denna applikation.
Avia LX 355-30-60 Han är också designad för enkel integration. Och det integrerar Coherents Pureuv ™ Active Laser Cleaning Engine för exceptionellt lång livslängd och underhållsfri drift.
Det sammanhängande applikationslaboratoriet undersökte många olika processer innan de satte sig i tvåstegskombinationen som beskrivs ovan. Olika lasrar undersöktes individuellt och i kombination, inklusive CO2 -lasrar, nanosekund pulserade infraröda fiberlasrar och nanosekund UV -lasrar. Resultaten av de behandlade isolerade hårnålslindningarna analyserades i detalj och när de mest lovande laserkällorna identifierades optimerades specifika processparametrar.
Som en del av testningen användes röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) för att analysera ytkemi för att karakterisera och kvantifiera föroreningar. Det var i detta skede som koherent fann att en tvåstegs laserstrippningsprocess (CO2-laser i kombination med UV-laser) var det mest effektiva sättet att ta bort alla rester från kopparytan före lasersvetsning.
Serien av foton i figur 3 jämför de olika strippningsteknikerna med CO2-lasrar, nanosekund infraröd fiberlasrar (FL) och nanosekund UV-solid-tillståndslasrar. I den övre raden med foton är isoleringsmaterialet polyamid (PA) och i den nedre raden, polyetheretherketon (PEEK). Även genom visuell inspektion ensam kan man se att i båda fallen gav kombinationen av CO2 -laser och UV -laser de bästa resultaten. Detta bekräftades också av faktiska svetsförsök.
Naturligtvis är den viktigaste metriken den svetskvalitet som erhålls efter isoleringsstrippningsprocessen. Figur 4 visar en serie röntgenbilder av hårnålslindningarna efter svetsning. Detta indikerar att tvåstegsprocessen (CO2-laser + UV-laser) i slutändan kan uppnå svetsar av bättre kvalitet. Tvåstegs CO2-laser + UV-laserstrippningsprocessen minimerar svetsporositeten genom att ta bort polymerrester på ytan före svetsning. Det är välkänt att polymerrester innehåller väte, kol och andra organiska element, som kan komma in i den smälta poolen när vätskan och sedan bilda porer under svetstelningsprocessen, vilket kan påverka svetsens mekaniska och elektriska egenskaper.
