Bei der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge müssen Kupferwerkstoffe mit hoher Geschwindigkeit und ohne Spritzer verschweißt werden. Typischerweise werden Infrarotlaser mit Wellenlängen nahe 1000 nm verwendet. Dies stellt jedoch zwei große Herausforderungen beim Schweißen von Kupfermaterialien dar: geringe Energieabsorption und Prozessinstabilität. Die Absorption von Infrarot-Laserlicht durch Kupfermaterialien nimmt mit der Temperatur zu. Wenn ein Hochleistungs-IR-Laser eine Kupferoberfläche bestrahlt, steigt die Energieabsorptionsrate der Kupferoberfläche nach der Bildung kleiner Löcher plötzlich an; Die Löcher sind instabil und es bilden sich leicht Spritzer. Da die Leistung des Infrarotlasers groß ist, kann es gleichzeitig zu einer Beschädigung des Lasers kommen. Die Absorption des blauen Lasers durch das Kupfermaterial beträgt etwa 60 % und ist damit wesentlich effizienter als die des IR-Lasers. In einigen Fachliteratur wird über die Machbarkeit von blauen Diodenlasern für die Bearbeitung von Kupfer berichtet. Blaue Laser können Kupferfolien oder -bleche mit hoher Effizienz und Qualität schweißen. Allerdings sind die Kosten für blaue Laser viel höher als die für NIR-Laser und die maximale Ausgangsleistung ist auf 2000 W begrenzt. Durch die Kombination der Nachteile der geringen Energieabsorption des IR-Lasers, des instabilen Prozesses und der geringen Ausgangsleistung des blauen Lasers können wir vorschlagen ein Blau-IR-Verbundlaserschweißverfahren. Bei diesem Schweißverfahren können wir zunächst mit einem blauen Laser mit hoher Absorption die Oberfläche des Grundmaterials aufschmelzen und anschließend mit einem Infrarotlaser die Tiefe des Schmelzbades erhöhen. Yang et al. untersuchte das Nah-Blau-Infrarot-Verbundlaserschweißen einer 3 mm dicken Kupferplatte auf der Grundlage von Experimenten und numerischen Simulationen; Zuerst wurde die Kupferplatte mit einem blauen Laser geringer Leistung erhitzt, und dann bestrahlte ein leistungsstarker Infrarotlaser die Hochtemperaturoberfläche der Platte, um ein tiefes kleines Loch zu bilden. Fujio et al. entwickelte ein Blau-Infrarot-Laser-Verbundschweißsystem und stellte fest, dass die Schweißeffizienz des Hybridlasers 1,45-mal höher war als die des Infrarotlasers. Kaneko et al. verwendeten einen koaxialen Blau-Infrarot-Verbundlaser, um das Schmelzbad und die kleinen Löcher zu vergrößern und die interne thermische Konvektion zu stabilisieren. Beim Verbund-Blau-Infrarot-Laserschweißen beeinflusst die Absorption der Laserenergie nicht nur die Stabilität des Schweißprozesses, sondern auch die Lebensdauer der Ausrüstung. Wenn die Temperatur der Kupferoberfläche nach der Einwirkung des blauen Lasers niedrig ist, ist die von der Kupferoberfläche reflektierte IR-Laserenergie hoch, was zu Schäden am Laserkopf führen kann.
Fujio, S et al. untersuchte und entwickelte ein Verbundlasersystem mit einem Blaulicht-Halbleiterlaser als Vorheizlichtquelle und einem Singlemode-Faserlaser als Schweißlichtquelle. Mit diesem Verbundlasersystem wurden Schweißtests an 2,5 × 3,0 × 50 mm großen Kupferdrähten durchgeführt. Abb. 1 zeigt die Schmelz- und Erstarrungskinetik von reinem Kupfer, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bei {{10}}.1, 0.2 und 0.3 s unter (a) dem Verbundlaser und (b) dem Singlemode-Faserlaser. Bei einem Singlemode-Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von 1 kW beginnt das Schmelzen von Kupfer nach etwa 0,3 s. Die Schmelzkinetik des Singlemode-Faserlasers ist in Abb. 2.1.2 dargestellt. Bei einem Hybridlaser mit einem Singlemode-Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von 1 kW und einem blauen Diodenlaser mit einer Ausgangsleistung von 200 W beginnt das Schmelzen von Kupfer dagegen bereits bei 0,2 Sekunden. Daher wird, wie in Abb. 2 gezeigt, das Schmelzvolumen von Kupfer im Hybridlaser größer als im Singlemode-Faserlaser.
Durch die Vorwärmung mit dem blauen Diodenlaser steigt die Temperatur des Kupfers auf etwa 800 Grad. Die Temperatur des Kupfers steigt auf etwa 1,5 Grad F (0,5 Grad F). Durch die Temperaturerhöhung kommt es lokal zu einer Erhöhung der optischen Absorption von Kupfer im Faserlaser. Gleichzeitig erreicht der Verbundlaser ein größeres Kupferschmelzvolumen als der Singlemode-Faserlaser. Daher wird der Schluss gezogen, dass durch das Vorheizen des blauen Diodenlasers die Lichtabsorption von Kupfer zum Singlemode-Faserlaser zunimmt und die Schweißeffizienz steigt.
Wu et al. verwendeten einen koaxialen Verbund-Blaulicht-Infrarot-Laserschweißprozess für Kupfermaterialien mit einer Dicke von 0,5 mm, erstellten ein neues Blaulicht-Infrarot-Laser-Wärmequellenmodell und simulierten numerisch das dynamische Verhalten des Schmelzbades und Laserenergieabsorption durch Kombination mit der virtuellen Netzverfeinerungsmethode. Im Vergleich zum Blau-Laser-Schweißen schwanken die maximale Schmelztemperatur und die maximale Schmelzgeschwindigkeit beim koaxialen Verbund-Blau-IR-Laserschweißen stärker und die Gesamtenergieeffizienz des Lasers ist geringer, es können jedoch immer noch gute Schweißnähte erzielt werden. Im Vergleich zum Infrarot-Laserschweißen verbesserte und stabilisierte der blaue Laser beim koaxialen Verbund-Blau-IR-Laserschweißen die Energieeffizienz des Infrarotlasers.
Eine neue Simulation mit {{{{10}}}} W blauer Laserleistung, 1400 W IR-Laserleistung und einer Schweißgeschwindigkeit von 1,2 m/min wurde vom koaxialen Verbund neu gestartet Blau-IR-Laserschweißfall bei t=0,1 s. Die neue Simulation ist in Abb. 3 (a) dargestellt. Wie in Abb. 3(a) dargestellt, bildet sich nur ein kleines Schmelzbad. Die maximale Schmelztemperatur beträgt 1798 K und die maximale Schmelzgeschwindigkeit beträgt 0,11 m/s. Wie in Abb. 3(b) gezeigt, betragen die absorbierte IR-Laserleistung und -effizienz nach t=0.232 s 190,4 W bzw. 13,60 %. Die IR-Laserleistung und Effizienz des geschweißten Materials sind auch in Abb. 3(c) dargestellt. Im Vergleich zum IR-Laserschweißen wurde die IR-Laserenergieeffizienz des koaxialen Blau-IR-Verbundlaserschweißens um 16,99 % und die gesamte Laserenergieeffizienz um 165,22 % gesteigert. Wie in Abb. 3(c) gezeigt, betrugen die Standardabweichungen der IR-Lasereffizienzen beim koaxialen Verbund-Blaulicht-IR-Laserschweißen und beim IR-Laserschweißen 0,014 % bzw. 0,215 %. Daraus lässt sich schließen, dass der blaue Laser die Energieeffizienz des Infrarotlasers beim Verbundlaserschweißen mit blauem IR-Laser verbessert und stabilisiert.
Angesichts der Kosten für blaues Licht sowie der Begrenzung der maximalen Leistung und der Unzulänglichkeiten der Infrarotlaser-Energieabsorptionsrate, da die Absorptionsrate gering und der Prozess instabil ist, wird ein Blaulicht-Rotlicht-Verbundlaserschweißverfahren vorgeschlagen. Die hohe Absorptionsrate von blauem Licht dient zum Vorwärmen des Materials, um einen Anstieg der Absorptionsrate von rotem Licht zu erreichen, und kann gleichzeitig realisiert werden, da die Leistungsdichte von blauem Licht im Vergleich zum Faserlaser gering ist um das stabile Wärmeleitungsschweißen und das Tiefschmelzschweißen zu kombinieren, um das hocheffiziente Schweißen von hochfesten Legierungen (Aluminium, Kupfer) zu erreichen.
