MM Magazyn Przemysłowy | nr 1/2016:
"Spawanie laserowe blach elektromagnetycznych"



W technice motoryzacyjnej silniki elektryczne w coraz większym stopniu przejmują nowe funkcje, jak np. wsuwanie i wysuwanie ekranów komputerów pokładowych i systemów nawigacyjnych, a także takie, które dotychczas obsługiwane były mechanicznie, np. zaciąganie hamulca ręcznego. Poza tym silniki elektryczne wykorzystywane są do wspomagania silników spalinowych, w układach przeniesienia napędu (np. systemy start-stop) lub systemach sprężania gazów.


Stosowanie silników elektrycznych w technice pojazdowej w ostatnich latach wyraźnie wzrosło i ciągle nabiera znaczenia. Głównymi elementami tych napędów są: stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów oraz wirnik z uzwojeniem, a wykonuje się je z blach elektromagnetycznych. Poza tym elementy z tego rodzaju blach znajdują zastosowanie w rdzeniach elektromagnetycznych takich elementów, jak dynama, transformatory, przekaźniki, styczniki, dławiki czy cewki zapłonowe.


Zarówno pakiety blach wirnika, jak i stojana z blach elektromagnetycznych zazwyczaj są ze sobą łączone. Spawanie laserowe daje w tym przypadku możliwości wyjątkowo długotrwałego spajania tego rodzaju blach – także w przypadku, gdy materiał zawiera duże ilości krzemu, który sprzyja wzmożonemu powstawianiu porów, co wpływa na jakość połączenia.

Zalety spawania laserowego w porównaniu z konkurencyjnymi metodami to:

  • długotrwałe połączenie materiałów (w porównaniu z zaciskiem mechanicznym),

  • niska emisja ciepła (w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem, np. WIG),

  • niemal brak odkształceń pakietu blach i pojedynczych blach względem siebie (w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem),

  • niski do znikomego wpływ strefy nieroztopionej na elektromagnetyczne właściwości pakietu blach (w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem).


W obrębie technologii laserowych szczególnie dwa typy lasera nadają się do spawania elementów z blach elektromagnetycznych. Obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest spawanie z zastosowaniem lasera impulsowego neodymowo-jagowego Nd:YAG i stałą ogniskową. Jednak spawanie laserem włóknowym skanującym zapewnia nie tylko technologiczne, ale także ekonomiczne korzyści w stosunku do dotychczas wykorzystywanej metody łączenia laserem Nd:YAG.


Zalety spawania laserem włóknowym


Warto szczególnie podkreślić dwa korzystne aspekty spawania z użyciem lasera włóknowego skanującego: niską emisję ciepła i niewielki wpływ na właściwości elektromagnetyczne łączonych elementów.




Przekrój spoiny 2a: spawanie laserem impulsowym Nd: YAG-Pulslaser, ogniskowa 300 μm, stosunek szerokości do długości 1:1, tutaj 1 mm/1mm; 2b: spawanie laserem włóknowym, ognisko = 30 μm, stosunek szerokości do głębokości 1:3, tutaj 0,3 mm/1,0 mm, technika wobulacji


Przy spawaniu laserem neodymowym stała ogniskowa wykorzystywana jest z głowicą spawającą, która skupia wiązkę lasera o średnicy 300 μm, a przy spawaniu laserem włóknowym wiązka ta ma ok. 30 μm. Do tego dochodzi niemal 100-krotnie wyższa gęstość w ognisku wiązki lasera włóknowego.


Zgodnie z geometrycznymi cechami ogniskowej i uzyskaną gęstością energii w punkcie skupienia pojawia się odpowiednia konwersja energii w miejscu tworzenia spoiny (ilustracja 1). Do tego wiązka lasera włóknowego szybciej uzyskuje żądaną głębokość wtopienia, a dzięki lustrom skanującym można ją prowadzić dokładnie nad spoiną.

Możliwości wytworzenia spoiny

Dzięki tzw. technice wobulacji wiązka lasera może być prowadzona nie tylko wzdłuż geometrii złącza, lecz może także poruszać się za pomocą luster skanujących – z wysoką, regulowaną częstotliwością mierzoną w kilohercach – w poprzek w stosunku do kierunku powstawania złącza. Używając technologii wobulacji, można wiązką o małej średnicy w ognisku (30 μm) roztopić szerszy i określony obszar połączenia.


Ponieważ niektóre blachy elektromagnetyczne wykonane ze stopów żelaza i krzemu (PN-EN 10107) mają tendencję do tworzenia porów, w trakcie spawania pojawiają się też inne problemy. Pojedyncze blachy w trakcie pakietowania są częściowo sklejane ze sobą, przez co przy spawaniu klej w obrębie spoiny może odgazować i spowodować powstanie w niej porów.

Dzięki zastosowaniu techniki skanowania i wobulacji strefa spoiny przed spawaniem z dużą prędkością może zostać oczyszczona z resztek kleju stosowanego w procesie pakietowania. Dopiero potem następuje właściwy proces spawania. Na koniec, w trzecim przejściu lasera, strefa spoiny jest wygładzana. Wszystkie kroki wykonywane są w technice wobulacji.

Ten sposób postępowania umożliwia szybką obróbkę przy zachowaniu dobrej jakości połączenia (rzadkie występowanie porów). Mimo wielu kroków obróbczych metoda ta – głównie dzięki małej ogniskowej i możliwości kształtowania spoiny – jest bardziej ekonomiczna od konwencjonalnych sposobów łączenia.

Przedstawiony proces spawania laserowego został opracowany w efekcie współpracy firmy Laser-PRO sp. z o.o. i Działu Zastosowań firmy ROFIN oraz wdrożony do użytku u klientów. Do jego realizacji użyto lasera włóknowego z serii FL – od modelu FL x50 (500 W) do FL 040 (4000 W) – oraz optyki skanującej firmy ROFIN.
PolandEnglish