Durante el proceso de fabricación de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos, los materiales de cobre deben soldarse a altas velocidades y sin salpicaduras. Normalmente se utilizan láseres infrarrojos con longitudes de onda cercanas a 1000 nm; sin embargo, esto presenta dos desafíos principales para soldar materiales de cobre: baja absorción de energía e inestabilidad del proceso. La absorción de luz láser infrarroja por los materiales de cobre aumenta con la temperatura. Cuando un láser IR de alta potencia irradia una superficie de cobre, la tasa de absorción de energía de la superficie de cobre aumenta repentinamente después de la formación de pequeños agujeros; los agujeros son inestables y se forman salpicaduras fácilmente. Al mismo tiempo, debido a que la potencia del láser infrarrojo será grande, dañará el láser. La absorción del láser azul por el material de cobre es aproximadamente del 60%, que es mucho más eficiente que la del láser IR. En alguna literatura se ha informado sobre la viabilidad de los láseres de diodo azul para procesar cobre. Los láseres azules pueden soldar láminas o láminas de cobre con alta eficiencia y calidad. Sin embargo, el costo de los láseres azules es mucho mayor que el de los láseres NIR y la potencia máxima de salida está limitada a 2000 W. Combinando los inconvenientes de la baja absorción de energía del láser IR, el proceso inestable y la baja potencia de salida del láser azul, podemos proponer una Proceso de soldadura láser compuesto blue-IR. En este proceso de soldadura, primero podemos fundir la superficie del material base con un láser azul de alta absorción y luego aumentar la profundidad del baño fundido con un láser infrarrojo. Yang et al. investigó la soldadura por láser compuesto de infrarrojo cercano de una placa de cobre de 3 mm de espesor basándose en experimentos y simulaciones numéricas; Primero, la placa de cobre se calentó con un láser azul de baja potencia y luego un láser infrarrojo de alta potencia irradió la superficie de alta temperatura de la placa para formar un pequeño agujero profundo. Fujio et al. desarrolló un sistema de soldadura compuesta con láser infrarrojo azul y descubrió que la eficiencia de soldadura del láser híbrido era 1,45 veces mayor que la del láser infrarrojo. Kaneko et al. utilizó un láser infrarrojo azul compuesto coaxial para ampliar el charco fundido y los pequeños agujeros y estabilizar la convección térmica interna. En la soldadura compuesta por láser infrarrojo azul, la absorción de energía láser afecta no solo a la estabilidad del proceso de soldadura, sino también a la vida útil del equipo. Si la temperatura de la superficie de cobre es baja después de la exposición al láser azul, la energía del láser IR reflejada desde la superficie de cobre es alta, lo que puede dañar el cabezal del láser.
Fujio, S et al. desarrolló un sistema láser compuesto utilizando un láser semiconductor azul como fuente de precalentamiento y un láser de fibra monomodo como fuente de soldadura. Las pruebas de soldadura se realizaron en alambres de cobre de 2,5 × 3,0 × 50 mm utilizando este sistema láser compuesto. La figura 1 muestra la cinética de fusión y solidificación del cobre puro capturada con una cámara de alta velocidad en 0.1, 0.2 y 0.3 s bajo (a) el láser compuesto y (b) el láser de fibra monomodo. Para un láser de fibra monomodo con una potencia de salida de 1 kW, la fusión del cobre comienza aproximadamente 0.3 s. La cinética de fusión del láser de fibra monomodo se muestra en la Fig. 2.1.2. Por otro lado, para un láser híbrido con un láser de fibra monomodo con una potencia de salida de 1 kW y un láser de diodo azul con una potencia de salida de 200 W, la fusión del cobre comienza a partir de 0,2 segundos. Por lo tanto, como se muestra en la Fig. 2, el volumen de fusión del cobre aumenta en el láser híbrido que en el láser de fibra monomodo.
Debido al precalentamiento con el láser de diodo azul, la temperatura del cobre aumenta a aproximadamente 800 grados. La temperatura del cobre aumenta a aproximadamente 1,5 grados F (0,5 grados F). El aumento de temperatura conduce a un aumento local de la absorción óptica del cobre en el láser de fibra. Al mismo tiempo, el láser compuesto obtiene un mayor volumen de fusión de cobre que el láser de fibra monomodo. Por lo tanto, se concluye que mediante el precalentamiento del láser de diodo azul, se aumenta la absorción de luz del cobre al láser de fibra monomodo y se mejora la eficiencia de la soldadura.
Wu et al. desarrolló un nuevo modelo de fuente de calor con láser de luz infrarroja azul para materiales de cobre con un espesor de 0.5 mm mediante el uso de un proceso de soldadura por láser de luz infrarroja azul compuesto coaxial, y simuló numéricamente el comportamiento dinámico del baño fundido y absorción de energía láser combinándola con el método de refinamiento de malla virtual. En comparación con la soldadura con láser azul, la temperatura máxima de fusión y la velocidad de la soldadura con láser IR azul compuesto coaxial fluctúan más y la eficiencia energética total del láser es menor, pero aún se pueden obtener buenas soldaduras. En comparación con la soldadura por láser infrarrojo, en la soldadura por láser azul-IR compuesto coaxial, el láser azul mejoró y estabilizó la eficiencia energética del láser infrarrojo.
Se reinició una nueva simulación con {{{{10}}}} W de potencia de láser azul, 1400 W de potencia de láser IR y una velocidad de soldadura de 1,2 m/min desde el caja de soldadura por láser azul-IR compuesto coaxial en t=0.1 s. La nueva simulación se muestra en la Fig. 3 (a). Como se muestra en la Fig. 3 (a), solo se forma un pequeño charco fundido. La temperatura máxima de fusión es 1798 K y la velocidad máxima de fusión es 0,11 m/s. Como se muestra en la Fig. 3 (b), la potencia y la eficiencia del láser IR absorbida son 190,4 W y 13,60%, respectivamente, después de t=0.232 s. La potencia del láser IR y la eficiencia del material soldado también se muestran en la Fig. 3 (c). En comparación con la soldadura por láser IR, la eficiencia energética del láser IR de la soldadura láser IR azul compuesta coaxial aumentó en un 16,99% y la eficiencia energética del láser total aumentó en un 165,22%. Como se muestra en la Fig. 3 (c), las desviaciones estándar de las eficiencias del láser IR en la soldadura con láser IR de luz azul compuesta coaxial y en la soldadura con láser IR fueron 0,014% y 0,215%, respectivamente. Se puede concluir que el láser azul mejora y estabiliza la eficiencia energética del láser infrarrojo en la soldadura por láser compuesto azul-IR.
En vista del coste, así como de la limitación de potencia máxima de la luz azul y los inconvenientes de la baja absorción de energía del láser infrarrojo y la inestabilidad del proceso, se propuso un proceso de soldadura láser compuesto azul-rojo. Al precalentar el material con la alta tasa de absorción de la luz azul, logrando así un aumento en la tasa de absorción de la luz roja y, al mismo tiempo, debido a la pequeña densidad de potencia de la luz azul en comparación con el láser de fibra, es posible realizar la combinación de soldadura por conducción de calor estable y soldadura por fusión profunda para lograr una soldadura eficiente de aleaciones altamente anticorrosivas (aluminio, cobre).
