A versatilidade dos lasers de fibra infravermelha pulsada de nanossegundos (ns) é bem conhecida e são ideais para a maioria das aplicações industriais de marcação e gravação. Normalmente, quando a energia do pulso é inferior a alguns milijoules e a potência média não excede 100W, é eficaz nos modos de alta frequência de repetição de pulso, onda contínua (CW) e modulação de onda quase contínua (QCW). Recentemente, eles começaram a ser usados em uma variedade de microusinagem e texturização de superfície a laser e até mesmo em aplicações remotas de microcorte. A maioria dessas aplicações envolve a remoção de material.
Para os usuários, os benefícios dos lasers são óbvios, como fontes de laser multitarefa e formas integradas compactas que geralmente são resfriadas a ar para obter uma integração perfeita. Globalmente, setores como eletrônicos de consumo, armazenamento de energia e equipamentos médicos precisam adicionar mais funções a volumes cada vez menores e embalagens de alta densidade. Portanto, é necessária uma tecnologia de fabricação mais eficiente para ajudar esses produtos a se tornarem realidade. Este artigo se concentrará na tecnologia de soldagem a laser. Portanto, essa tecnologia de produção realizada por lasers industriais (fibra infravermelha de nanossegundos) pode proporcionar a alta repetibilidade, precisão e capacidade de produção exigidas, além de baixo custo, para atender às necessidades do mercado.
De acordo com as diferentes áreas de aplicação, vários tipos de lasers têm vantagens diferentes, incluindo lasers YAG pulsados, lasers de disco, lasers de fibra (CW e QCW) e até mesmo lasers de diodo. Até agora, os lasers pulsados de nanossegundos foram usados apenas em algumas aplicações de ponta, mas a situação está mudando e os lasers de fibra de nanossegundos começaram a ser aplicados recentemente em conexões de materiais.
A SPI é a pioneira na introdução do amplificador de potência do oscilador controlado por mestre (MOPA) para lasers de fibra de nanossegundos, e isso também provou ser uma ferramenta muito versátil porque pode controlar e ajustar o pulso de acordo com os requisitos da aplicação. parâmetro. Isso é conseguido principalmente alterando a duração do pulso e a frequência do pulso. Eles também podem ser alternados entre os modos de onda pulsada e contínua, o que também é uma característica muito importante devido à sua disponibilidade em uma variedade de fontes de luz com diferentes qualidades de feixe, de modo que diferentes ferramentas podem ser fornecidas de acordo com a tarefa atual. Na faixa de potência média e potência de pico, este laser pode ser modulado na faixa de milissegundos para ser adequado para aplicações que requerem pulsos de milissegundos com potência média baixa.
Soldagem de plástico
Tome como exemplo a soldagem de plástico. Em algumas aplicações que requerem alta precisão, como dispositivos microfluídicos, o uso de lasers de fibra terá mais vantagens do que outras fontes de laser. Às vezes, a distribuição de energia no local terá um impacto. Por exemplo, em um dispositivo médico complexo, um polímero transparente é soldado a um polímero preto e um feixe de laser de 40W é definido para o modo CW (Figura 1)." Ele me permite controlar o tamanho do ponto, a distribuição de energia e a profundidade de campo conforme necessário." comentou Joe Lovotti, diretor de tecnologia de laser da Okay Industries (New Britain, Connecticut).
Figura 1: Soldagem plástica de seringas de insulina com laser HS-H de 40W.
Soldagem de arame
Em termos de soldagem de metal, as aplicações de microconexão na indústria de dispositivos médicos estão se tornando cada vez mais comuns, o que é um desafio até mesmo para os melhores engenheiros de aplicação. A conexão de fios de metal finos é apenas um exemplo, e os lasers de fibra CW têm sido amplamente usados neste campo. No entanto, à medida que o fio de metal se torna mais fino, os problemas relacionados ao aporte de calor se tornam mais difíceis. Ao soldar 50μFio espiralado de diâmetro m, usando 20W, M2< 1.6="" laser="" para="" obter="" um="" foco="" concentrado="" trará="" bons="" resultados.="" o="" desafio="" é="" suprimir="" a="" potência="" de="" pico="" do="" pulso="" operando="" o="" laser="" em="" uma="" taxa="" de="" repetição="" mais="" alta,="" criando="" mais="" pulsos="">< 0,1mj="" e="" modulação="" de="" onda="" quase="" contínua="" (qcw)="" com="" uma="" frequência="" maior="" que="" 250khz,="" que="" no="" final="" a="" análise="" é="" criar="" uma="" sequência="" de="" pulsos="">
Algumas aplicações precisam conectar uma cobertura externa ou trança a um fio (Figura 2). Descobrimos que, neste caso, um pulso com uma distribuição de energia mais ampla pode alcançar melhor molhabilidade entre os dois componentes. Neste exemplo, o laser 40W, M2=3 usado tem um ponto maior e energia de pulso um pouco mais alta (maior que 1,25mJ), o que pode ajudar a preencher a lacuna.
Figura 2: Usando 250 kHz, 2Laser EP-Z 0W para soldar fios de metal de 50μm de diâmetro (a e b),
Um laser EP-Z de 20W é usado para soldar o termopar (c), e um laser de 40WHS-H é usado para soldar a trança efio d (d).
Por outro lado, o uso de um laser monomodo com 20W e M2< 1.3="" pode="" atingir="" uma="" precisão="" extremamente="" alta.="" um="" exemplo="" é="" a="" soldagem="" de="" fios="" de="" metal="" dissimilares="" finos="" com="" um="" diâmetro="" de="">μme soldando com sucesso para formar um termopar. Para obter o efeito desejado nesta aplicação, a seleção de gabaritos e os sistemas de visão são tão importantes quanto os lasers.
Aplicação de solda de estanho
Para soldagem de estanho, lasers CW ou de diodo direto são normalmente usados, mas em aplicações onde a entrada de calor é crítica, lasers pulsados podem ser considerados. Usando pulsos longos em altas taxas de repetição, a eficiência de utilização de energia pode ser melhorada e o risco de danos térmicos pode ser reduzido. Ao usar o sistema de transmissão de varredura por feixe, a energia do laser pode ser depositada em uma área-alvo maior, de modo que a pasta de solda de ouro / estanho neste exemplo só derreta no local de contato (Figura 3).
Figura 3: Soldagem com laser HS-H de 500 kHz e 40W.
Soldagem e união de metal
O uso de lasers pulsados de nanossegundos para soldar metais requer um ajuste cuidadoso dos parâmetros de pulso e configurações do processo, de modo a obter realmente uma boa conexão. Afinal, esses tipos de pulsos são usados principalmente para remover material, não para derreter e solidificar. Otimizar o pulso pode obter a potência máxima de pico e a energia de pulso, mas essas características podem ser modificadas usando-as em frequências mais altas. Isso reduz a potência de pico e torna a saída mais próxima do pulso estroboscópico QCW, mantendo a potência média.
Nessa frequência mais alta, o efeito do pulso no material muda de ablação para mais perto da fusão. O efeito é notável. No exemplo abaixo, podemos observar o uso de um laser de 70W para fazer a superfície de um anel de 6mm de diâmetro em uma fina placa de aço inoxidável. Usando um pulso de 250ns, 1mJ a 70kHz, o resultado é extremamente áspero e altamente oxidado. Mantenha todos os parâmetros inalterados, apenas aumente a frequência de pulso, você pode ver uma melhora significativa. Dobrando a frequência para 140 kHz e reduzindo pela metade a energia do pulso para 0,5 mJ, pode-se ver que a aspereza e a oxidação melhoram muito. Ao aumentar a frequência para 500kHz e reduzir a energia do pulso para abaixo de 0,15mJ, um brilho mais forte. A costura de soldagem nem precisa de gás de proteção. Usando esta técnica, é possível alcançar 250μsolda de volta m (Figura 4).
Figura 4: Soldagem de sobreposição na placa realizada por pulsos de 250ns em diferentes frequências.
Ao usar a tecnologia de oscilação para expandir a solda e melhorar a penetração da solda (afetando a velocidade de soldagem), a forma da solda pode ser melhorada ainda mais.
Um teste foi conduzido em uma solda entre aço inoxidável e aço inoxidável, e a resistência ao cisalhamento de duas soldas de 1 mm em uma solda sobreposta completa de 0,5 mm excedeu 224 libras. Em um teste de descolamento de 180 graus realizado em uma solda linear de 5 mm de comprimento e 1 mm de largura, o componente cedeu a 241 libras (Figura 5).
Figura 5: Imagem microscópica da solda de aço inoxidável (a) e do teste de peel (b) produzida por laser EP-Z 70W.
Na verdade, essa tecnologia pode ser aplicada a vários outros metais, como aço, alumínio e até cobre. Quando esta tecnologia é usada para conectar materiais altamente reflexivos, o pulso precisa ser ajustado para fornecer energia de pulso suficiente para se acoplar ao material. A soldagem a ponto de qualquer tamanho pode ser realizada usando uma tecnologia de espiral. Por exemplo, um laser EP-Z 70W pode ser usado para criar três pontos de soldagem de 1 mm para conectar dois 150μfolhas de cobre de espessura m. Então, o próximo desafio é conectar metais diferentes.
Soldagem de metal dissimilar
O mais comum em aplicações eletrônicas e de bateria é conectar uma folha fina de cobre ao alumínio. Para enfrentar esse desafio, a equipe de aplicativos da SPI' tem investido em pesquisas intensas. Eles rapidamente anunciaram o progresso e, quando questionados sobre a resistência da solda, eles mostraram uma imagem da solda sob uma carga estática de 12 libras (Figura 6).
Figura 6: Soldagem a ponto cobre-alumínio (a) e seus resultados de teste de tração (b), e a imagem (c) sob uma carga estática de 12 libras.
Na verdade, um teste recente conduzido em um teste de tração mostrou que em um teste de descascamento de 90 graus, a conexão cobre-alumínio falhou sob uma força de cisalhamento de 26 libras e cedeu a 6 libras. A solda está intacta.
A soldagem mais desafiadora de materiais diferentes pode ser usada em aplicações comerciais reais (Figura 7)." Usar apenas um laser pulsado de nanosegundos de modo único de 20W nos permite controlar bem a entrada de calor e a geometria de solda, especialmente em aplicações de micro soldagem muito desafiadoras, como folha de aço inoxidável de 0,1 mm e folha de titânio de 0,25 mm Connection.” disse o Dr. Geoff Shannon de Amada Miyachi (Monrovia, Califórnia).
Figura 7: Soldagem de aço inoxidável e folha de titânio com laser HS-S de 20W.
A introdução deste tipo de ferramenta multifuncional pode simplificar a linha de produção, por isso ela foi rapidamente desenvolvida em setores como fabricação de equipamentos médicos.&Esses lasers de fibra são uma ferramenta revolucionária que pode usar pulsos de nanossegundos para cortar, decapar e retificar, e pode usar pulsos de multi-milissegundos para soldar. Todos esses processos podem ser concluídos com o mesmo laser na mesma atividade de produção." Comentou Mark Brodsky da Laser Mark' s (San Jose, Califórnia).
Resumo
Este artigo apresenta uma variedade de aplicações, desde união e soldagem de plástico até soldagem de folha de metal e soldagem de fio. Nessas aplicações, o uso de lasers de fibra pulsada de nanossegundos é uma excelente alternativa para YAG de pulso de milissegundos convencional e fontes de laser CW moduladas. solução. O bom desempenho desses lasers na fabricação de múltiplos processos prova ainda mais sua versatilidade.