Nanosekundes (ns) impulsu infrasarkano šķiedru lāzeru daudzpusība ir plaši pazīstama, un tie ir ideāli piemēroti lielākajai daļai rūpniecisko marķēšanas un gravēšanas pielietojumu. Parasti, kad impulsa enerģija ir mazāka par dažiem milijuliem un vidējā jauda nepārsniedz 100W, tā ir efektīva augsta impulsa atkārtošanās frekvences, nepārtraukta viļņa (CW) un kvazipārtrauktu viļņu modulācijas (QCW) režīmā. Nesen tos ir sākuši izmantot dažādos mikromateriālu veidošanas un lāzera virsmas teksturēšanas un pat attālinātos mikrocirpšanas pielietojumos. Lielākā daļa šo lietojumu ir saistīta ar materiālu noņemšanu.
Lietotājiem lāzera priekšrocības ir acīmredzamas, piemēram, daudzuzdevumu lāzera avoti un kompaktas integrētas formas, kuras bieži vien tiek atdzesētas ar gaisu, lai panāktu vienmērīgu integrāciju. Globālā mērogā tādām nozarēm kā plaša patēriņa elektronika, enerģijas uzkrāšana un medicīniskais aprīkojums jāpievieno vairāk funkciju mazākiem un mazākiem apjomiem un augsta blīvuma iesaiņojumiem. Tādēļ ir vajadzīga efektīvāka ražošanas tehnoloģija, lai palīdzētu šiem izstrādājumiem kļūt par realitāti. Šajā rakstā uzmanība tiks pievērsta lāzera metināšanas tehnoloģijai. Tāpēc šī ražošanas tehnoloģija, ko realizē rūpnieciskie (nanosekundē infrasarkanās šķiedras) lāzeri, var nodrošināt nepieciešamo augsto atkārtojamību, precizitāti un ražošanas jaudu, kā arī zemas izmaksas, lai tā varētu apmierināt tirgus vajadzības.
Atkarībā no dažādām lietojuma jomām dažādiem lāzeru veidiem ir atšķirīgas priekšrocības, ieskaitot YAG impulsu lāzerus, disku lāzerus, šķiedru (CW un QCW) lāzerus un pat diožu lāzerus. Līdz šim nanosekundēs pulsējošie lāzeri ir izmantoti tikai dažos progresīvos lietojumos, taču situācija mainās, un nanosekundē šķiedru lāzeri nesen ir sākuši darboties materiālu savienojumos.
SPI ir pionieris, ieviešot galveno kontrolējamo oscilatoru jaudas pastiprinātāju (MOPA) nanosekunžu šķiedru lāzeros, un tas arī ir izrādījies ļoti universāls rīks, jo tas var kontrolēt un pielāgot impulsu atbilstoši lietojuma prasībām. parametrs. To galvenokārt panāk, mainot impulsa ilgumu un impulsa frekvenci. Tos var arī pārslēgt starp impulsa un nepārtrauktu viļņu režīmiem, kas arī ir ļoti svarīga īpašība, jo tie ir pieejami gaismas avotu diapazonā ar atšķirīgu staru kvalitāti, tāpēc atbilstoši pašreizējam uzdevumam var tikt nodrošināti dažādi instrumenti. Vidējās jaudas un maksimālās jaudas diapazonā šo lāzeru var modulēt milisekundēs, lai tas būtu piemērots lietojumiem, kuriem nepieciešami milisekundes impulsi ar mazu vidējo jaudu.
Plastmasas metināšana
Kā piemēru ņemsim plastmasas metināšanu. Dažās lietojumprogrammās, kurām nepieciešama augsta precizitāte, piemēram, mikrofluidic ierīcēs, šķiedru lāzeru izmantošana iegūs vairāk priekšrocību nekā citi lāzera avoti. Dažreiz vietas enerģijas sadalījumam būs ietekme. Piemēram, sarežģītā medicīnas ierīcē caurspīdīgu polimēru metina ar melnu polimēru, un 40W lāzera stars tiek iestatīts uz CW režīmu (1. attēls)." Tas ļauj man pēc vajadzības kontrolēt plankuma lielumu, enerģijas sadalījumu un lauka dziļumu." komentēja Džo Lovotti, uzņēmuma Okay Industries (Jaunā Lielbritānija, Konektikuta) lāzera tehnoloģijas direktors.
1. attēls. Insulīna šļirču plastiskā metināšana ar 40W HS-H lāzeru.
Stiepļu metināšana
Metāla metināšanas ziņā mikro savienojumu lietojumi medicīnas ierīču nozarē kļūst arvien izplatītāki, kas ir izaicinājums pat labākajiem lietojumprogrammu inženieriem. Plānu metāla stiepļu savienošana ir tikai šāds piemērs, un CW šķiedru lāzeri ir plaši izmantoti šajā jomā. Tomēr, tā kā metāla stieple kļūst plānāka, problēmas, kas saistītas ar siltuma ievadīšanu, kļūst grūtākas. Metinot 50μm diametra spirālveida stieple, izmantojot 20W, M2< 1,6="" lāzeru,="" lai="" sasniegtu="" koncentrētu="" fokusu,="" sniegs="" labus="" rezultātus.="" izaicinājums="" ir="" apspiest="" impulsa="" maksimālo="" jaudu,="" darbinot="" lāzeru="" ar="" lielāku="" atkārtošanās="" ātrumu,="" radot="" vairāk="" impulsu="">< 0,1mj="" un="" kvazi="" nepārtrauktu="" viļņu="" modulāciju="" (qcw)="" ar="" frekvenci="" lielāku="" par="" 250khz,="" kas="" galu="" galā="" analīze="" ir="" izveidot="" īsu="" impulsu="">
Dažām lietojumprogrammām jāpievieno ārējais apvalks vai pīts ar vadu (2. attēls). Mēs noskaidrojām, ka šajā gadījumā impulss ar plašāku enerģijas sadalījumu var sasniegt labāku mitrināšanu starp abiem komponentiem. Šajā piemērā izmantotajam 40W, M2=3 lāzeram ir lielāks punkts un nedaudz augstāka impulsa enerģija (lielāka par 1,25mJ), kas var palīdzēt novērst plaisu.
2. attēls: Izmantojot 250 kHz, 20W EP-Z lāzers metināt 50 μm diametra metāla stieples (a un b),
Termopāra (c) metināšanai tiek izmantots 20 W EP-Z lāzers, bet, lai sametinātu pinumu, tiek izmantots 40 WHS-H lāzers.d vads (d).
No otras puses, izmantojot vienmoda lāzeru ar 20W un M2< 1.3,="" var="" sasniegt="" ārkārtīgi="" augstu="" precizitāti.="" kā="" piemēru="" var="" minēt="" smalku="" atšķirīgu="" metāla="" stiepļu="" metināšanu="" ar="" diametru="">μm un veiksmīgi tos metinot, lai veidotu termopāri. Lai sasniegtu vēlamo efektu šajā lietojumprogrammā, džiga atlases un redzes sistēmas ir tikpat svarīgas kā lāzeri.
Alvas lodēšanas pielietojums
Alvas lodēšanai parasti izmanto CW vai tiešos diožu lāzerus, bet lietojumos, kur siltuma ievade ir kritiska, var apsvērt impulsu lāzerus. Izmantojot garus impulsus ar lieliem atkārtošanās ātrumiem, var uzlabot enerģijas izmantošanas efektivitāti un samazināt termisko bojājumu risku. Izmantojot staru skenēšanas pārraides sistēmu, lāzera enerģiju var nogulsnēt uz lielāku mērķa zonu, lai zelta / alvas lodmetāla šajā piemērā izkausētu tikai kontakta vietā (3. attēls).
3. attēls: lodēšana ar 500 kHz, 40W HS-H lāzeru.
Metāla metināšana un savienošana
Lai metālu metināšanai izmantotu nanosekundes impulsa lāzerus, ir nepieciešams rūpīgi pielāgot impulsa parametrus un procesa iestatījumus, lai patiesi panāktu labu savienojumu. Galu galā šāda veida impulsus galvenokārt izmanto materiāla noņemšanai, nevis kausēšanai un atšķaidīšanai. Optimizējot impulsu, var iegūt maksimālo maksimālo jaudu un impulsa enerģiju, taču šos raksturlielumus var mainīt, izmantojot tos ar augstākām frekvencēm. Tas samazina maksimālo jaudu un padara izvadi tuvāku QCW stroboskopas impulsam, saglabājot vidējo jaudu.
Pie šīs augstākas frekvences impulsa ietekme uz materiālu mainās no ablācijas līdz tuvāk kušanai. Efekts ir ievērojams. Zemāk redzamajā piemērā mēs redzam 70 W lāzera izmantošanu, lai uz plānas nerūsējošā tērauda plāksnes pārklātu gredzenu ar diametru 6 mm. Izmantojot 250ns, 1mJ impulsu pie 70kHz, rezultāts ir ārkārtīgi raupjš un ļoti oksidēts. Saglabājiet visus parametrus nemainīgus, vienkārši palieliniet impulsa frekvenci, jūs varat redzēt būtisku uzlabojumu. Divkāršojot frekvenci līdz 140 kHz un uz pusi samazinot impulsa enerģiju līdz 0,5 mJ, var redzēt, ka raupjums un oksidācija ir ievērojami uzlabojusies. Palielinot frekvenci līdz 500 kHz un samazinot impulsa enerģiju līdz zemākam par 0,15 mJ, spilgtāks Metināšanas šuvei pat nav nepieciešama ekranēšanas gāze. Izmantojot šo paņēmienu, ir iespējams sasniegt 250μm klēpja metinājums (4. attēls).
4. attēls: pārklājuma metināšana uz tāfeles, ko realizē ar 250ns impulsiem dažādās frekvencēs.
Izmantojot metināšanas tehnoloģiju, lai paplašinātu metinājumu un uzlabotu metinājuma iespiešanos (ietekmējot metināšanas ātrumu), metināšanas formu var vēl uzlabot.
Tests tika veikts ar šuvi starp nerūsējošo tēraudu un nerūsējošo tēraudu, un divu 1 mm metinātu šuvju bīdes izturība pilnā 0,5 mm klēpja šuvē pārsniedza 224 mārciņas. 180 grādu lobīšanās testā, kas veikts ar lineāru metinājumu, kura garums ir 5 mm un platums ir 1 mm, komponents ieguva 241 mārciņu (5. attēls).
5. attēls. Nerūsējošā tērauda metinājums (a) un tā lobīšanās testa (b) mikroskopiskais attēls, kas iegūts ar 70W EP-Z lāzeru.
Faktiski šo tehnoloģiju var izmantot dažādiem citiem metāliem, piemēram, tēraudam, alumīnijam un pat varam. Kad šī tehnoloģija tiek izmantota, lai savienotu ļoti atstarojošus materiālus, impulss ir jāpielāgo, lai nodrošinātu pietiekamu impulsa enerģiju, lai pievienotos materiālam. Izmantojot spirāles tehnoloģiju, var panākt jebkura izmēra vietas metināšanu. Piemēram, 70 W EP-Z lāzeru var izmantot, lai izveidotu trīs 1 mm metināšanas punktus, lai savienotu divus 150μm biezas vara folijas. Nākamais izaicinājums ir dažādu metālu savienošana.
Atšķirīga metāla metināšana
Visizplatītākais elektroniskajos un akumulatoru lietojumos ir plānas vara folijas savienojums ar alumīniju. Lai izpildītu šo izaicinājumu, SPI&# 39 lietojumprogrammu komanda ir ieguldījusi intensīvā pētniecībā. Viņi ātri paziņoja par progresu, un, kad viņiem jautāja, cik stipra ir metinātā šuve, viņi parādīja metinājuma attēlu ar 12 mārciņu statisko slodzi (6. attēls).
6. attēls: Vara-alumīnija punktmetināšana (a) un tās stiepes testa rezultāti (b) un attēls (c) ar 12 mārciņu lielu statisko slodzi.
Faktiski nesenais tests, kas veikts stiepes pārbaudē, parādīja, ka 90 grādu lobīšanās testā vara-alumīnija savienojums neizdevās ar 26 mārciņu bīdes spēku un deva 6 mārciņas. Šuve ir neskarta.
Faktiskā komerciālā pielietojumā var izmantot sarežģītāku dažādu materiālu metināšanu (7. attēls)." Izmantojot tikai 20 W viena režīma nanosekundes impulsa lāzeru, mēs varam labi kontrolēt siltuma ievadi un metinājuma ģeometriju, īpaši ļoti sarežģītos mikrometināšanas pielietojumos, piemēram, 0,1 mm nerūsējošā tērauda folijā un 0,25 mm titāna folijā.” sacīja Dr. Geofs Šenons no Amada Miyachi (Monrovija, Kalifornija).
7. attēls: nerūsējošā tērauda un titāna folijas metināšana ar 20W HS-S lāzeru.
Šāda veida daudzfunkcionālā rīka ieviešana var vienkāršot ražošanas līniju, tāpēc tas ir strauji attīstīts tādās nozarēs kā medicīnas iekārtu ražošana." Šie šķiedru lāzeri ir revolucionārs rīks, kas var izmantot nanosekundes impulsus griešanai, kodināšanai un slīpēšanai, kā arī metināšanai var izmantot vairāku milisekundžu impulsus. Visus šos procesus var pabeigt ar vienu un to pašu lāzeru tajā pašā ražošanas darbībā." Komentēja Marks Brodskis no Laser Mark&# 39 (Sanhosē, Kalifornijā).
Kopsavilkums
Šis raksts iepazīstina ar dažādiem pielietojumiem, sākot no plastmasas savienošanas un lodēšanas līdz metāla lokšņu metināšanai un stiepļu metināšanai. Šajos pielietojumos nanosekundes impulsa šķiedru lāzeru izmantošana ir lieliska alternatīva parastajiem milisekunžu impulsu YAG un modulētiem CW lāzera avotiem. risinājums. Šo lāzeru labais sniegums vairāku procesu ražošanā vēl vairāk pierāda to daudzpusību.