Alsidigheden af nanosekund (ns) pulserede infrarøde fiberlasere er velkendt, og de er ideelle til de fleste industrielle markerings- og graveringsanvendelser. Normalt når impulsenergien er mindre end et par millijoule, og den gennemsnitlige effekt ikke overstiger 100 W, er den effektiv i høj pulsrepetitionsfrekvens, kontinuerlig bølge (CW) og kvasikontinuerlig bølgemodulation (QCW) -tilstande. For nylig er de begyndt at blive brugt i en række mikromachinering og laseroverfladeteksturering og endda fjernmikroklipapplikationer. De fleste af disse applikationer involverer fjernelse af materiale.
For brugerne er fordelene ved lasere åbenlyse, såsom multitasking-laserkilder og kompakte integrerede former, der ofte luftkøles for at opnå problemfri integration. Globalt skal industrier såsom forbrugerelektronik, energilagring og medicinsk udstyr tilføje flere funktioner til mindre og mindre mængder og emballage med høj densitet. Derfor er der brug for mere effektiv produktionsteknologi for at hjælpe disse produkter med at blive en realitet. Denne artikel fokuserer på lasersvejsningsteknologi. Derfor kan denne produktionsteknologi realiseret af industrielle lasere (nanosekund infrarød fiber) give den krævede høje repeterbarhed, nøjagtighed og produktionskapacitet samt lave omkostninger, så den kan imødekomme markedets behov.
I henhold til forskellige anvendelsesområder har forskellige typer lasere forskellige fordele, herunder pulserede YAG-lasere, disklasere, fiber (CW og QCW) lasere og endda diodelaser. Indtil videre er nanosekundpulserede lasere kun blevet brugt i nogle få banebrydende applikationer, men situationen ændrer sig, og nanosekundfiberlasere er for nylig begyndt at blive anvendt på materialeforbindelser.
SPI er banebrydende inden for introduktion af masterstyret oscillatoreffektforstærker (MOPA) til nanosekundfiberlasere, og dette har også vist sig at være et meget alsidigt værktøj, fordi det kan styre og justere pulsen i henhold til applikationskravene. parameter. Dette opnås hovedsageligt ved at ændre pulsvarighed og pulsfrekvens. De kan også skiftes mellem pulserede og kontinuerlige bølgetilstande, hvilket også er en meget vigtig funktion på grund af deres tilgængelighed i en række lyskilder med forskellige strålekvaliteter, så forskellige værktøjer kan leveres i henhold til den aktuelle opgave. I området for gennemsnitlig effekt og spidseffekt kan denne laser moduleres i millisekundområdet for at være egnet til applikationer, der kræver millisekundimpulser med lav gennemsnitlig effekt.
Plastsvejsning
Tag plastsvejsning som eksempel. I nogle applikationer, der kræver stor præcision, såsom mikrofluidisk udstyr, vil brugen af fiberlasere få flere fordele end andre laserkilder. Undertiden vil energifordelingen på stedet få indflydelse. For eksempel svejses en transparent polymer i en kompleks medicinsk anordning til en sort polymer, og en laserstråle på 40 W indstilles til CW-tilstand (figur 1)." Det giver mig mulighed for at kontrollere spotstørrelse, energifordeling og dybdeskarphed efter behov." kommenterede Joe Lovotti, direktør for laserteknologi hos Okay Industries (New Britain, Connecticut).
Figur 1: Plast svejsning af insulinsprøjter med 40W HS-H laser.
Trådsvejsning
Med hensyn til svejsning i metal bliver mikroforbindelsesapplikationer i medicinsk udstyr industrien mere og mere almindelige, hvilket er en udfordring selv for de bedste applikationsingeniører. Forbindelsen af tynde metaltråde er netop et sådant eksempel, og CW-fiberlasere er blevet vidt brugt på dette felt. Da metaltråden bliver tyndere, bliver problemerne i forbindelse med varmeindgang imidlertid vanskeligere. Ved svejsning 50μspiraltråd med diameter i diameter, ved anvendelse af 20W, M2< 1,6="" laser="" for="" at="" opnå="" koncentreret="" fokus="" vil="" give="" gode="" resultater.="" udfordringen="" er="" at="" undertrykke="" impulsens="" spidseffekt="" ved="" at="" betjene="" laseren="" ved="" en="" højere="" gentagelseshastighed="" og="" skabe="" flere="" impulser="">< 0,1="" mj="" og="" kvasikontinuerlig="" bølgemodulation="" (qcw)="" med="" en="" frekvens="" større="" end="" 250="" khz,="" hvilket="" i="" sidste="" ende="" analyse="" er="" at="" oprette="" korte="">
Nogle applikationer er nødt til at tilslutte en ydre afdækning eller fletning til en ledning (figur 2). Vi fandt, at i dette tilfælde kan en puls med en bredere energifordeling opnå bedre befugtbarhed mellem de to komponenter. I dette eksempel har den anvendte 40W, M2=3 laser en større plet og lidt højere pulsenergi (større end 1,25 mJ), hvilket kan hjælpe med at bygge bro.
Figur 2: Brug af 250 kHz, 20W EP-Z laser til svejsning af metaltråde med en diameter på 50 μm (a og b),
En 20W EP-Z laser bruges til at svejse termoelementet (c), og en 40WHS-H laser bruges til at svejse fletningen ogd ledning (d).
På den anden side kan brug af en enkelt-mode laser med 20W og M2< 1.3="" opnå="" ekstrem="" høj="" nøjagtighed.="" et="" eksempel="" er="" svejsning="" af="" fine="" forskellige="" metaltråde="" med="" en="" diameter="" på="">μm og med succes svejse dem for at danne et termoelement. For at opnå den ønskede effekt i denne applikation er jig-valg og vision-systemer lige så vigtige som lasere.
Tin lodning ansøgning
Til tin-lodning anvendes normalt CW eller direkte diodelaser, men i applikationer, hvor varmeindgang er kritisk, kan pulserende lasere overvejes. Ved at bruge lange impulser ved høje gentagelseshastigheder kan energieffektiviteten forbedres, og risikoen for termisk beskadigelse kan reduceres. Ved at bruge strålescanningstransmissionssystemet kan laserenergien deponeres på et større målområde, så guld / tin-loddepastaen i dette eksempel kun smelter ved kontaktstedet (figur 3).
Figur 3: Lodning med 500 kHz, 40W HS-H laser.
Metal svejsning og samling
Brug af nanosekundpulserede lasere til svejsning af metaller kræver omhyggelig justering af pulsparametre og procesindstillinger for virkelig at opnå en god forbindelse. Når alt kommer til alt bruges disse typer pulser hovedsageligt til at fjerne materiale, ikke til at smelte og resolidere. Optimering af puls kan få den maksimale spidseffekt og pulsenergi, men disse egenskaber kan ændres ved at bruge dem på højere frekvenser. Dette reducerer spidseffekten og gør output tættere på QCW-strobepulsen, samtidig med at den gennemsnitlige effekt opretholdes.
Ved denne højere frekvens ændres pulsens effekt på materialet fra ablation til tættere på smeltning. Effekten er bemærkelsesværdig. I eksemplet nedenfor kan vi se brugen af en 70W laser til at overflade en ring med en diameter på 6 mm på en tynd rustfri stålplade. Ved hjælp af en 250ns, 1mJ-puls ved 70 kHz er resultatet ekstremt groft og stærkt oxideret. Hold alle parametre uændrede, bare øg pulsfrekvensen, du kan se en betydelig forbedring. Ved at fordoble frekvensen til 140 kHz og halvere pulsenergien til 0,5 mJ kan det ses, at ruheden og oxidationen forbedres meget. Ved at øge frekvensen til 500 kHz og reducere impulsenergien til under 0,15 mJ, en lysere svejsesøm behøver ikke engang beskyttelsesgas. Ved at bruge denne teknik er det muligt at opnå en 250μm svejsning (figur 4).
Figur 4: Overlejringssvejsning på tavlen realiseret med 250ns impulser ved forskellige frekvenser.
Ved at bruge wobbling-teknologi til at udvide svejsningen og forbedre svejseindtrængningen (påvirker svejsehastigheden) kan svejseformen forbedres yderligere.
En test blev udført på en svejsning mellem rustfrit stål og rustfrit stål, og forskydningsstyrken af to 1 mm svejsninger i en komplet 0,5 mm rund svejsning overskred 224 pund. I en 180-graders skrælningstest udført på en lineær svejsning på 5 mm lang og 1 mm bred, gav komponenten 241 pund (figur 5).
Figur 5: Svejsning af rustfrit stål (a) og dets afrivningstest (b) mikroskopisk billede produceret af 70W EP-Z laser.
Faktisk kan denne teknologi anvendes til forskellige andre metaller, såsom stål, aluminium og endda kobber. Når denne teknologi bruges til at forbinde stærkt reflekterende materialer, skal pulsen justeres for at give tilstrækkelig pulsenergi til at parre sig ind i materialet. Punktsvejsning af enhver størrelse kan opnås ved hjælp af en spiralteknologi. F.eks. Kan en 70 W EP-Z laser bruges til at oprette tre 1 mm svejsepunkter for at forbinde to 150μm tykke kobberfolier. Derefter er den næste udfordring at forbinde forskellige metaller.
Uensartet metal svejsning
Det mest almindelige inden for elektroniske applikationer og batteri er at forbinde tynd kobberfolie til aluminium. For at imødekomme denne udfordring har SPI' s applikationsteam investeret i intens forskning. De annoncerede hurtigt fremskridt, og når de blev spurgt om, hvor stærk svejsningen var, viste de et billede af svejsningen under en statisk belastning på 12 pund (figur 6).
Figur 6: Kobber-aluminium plet svejsning (a) og dens trækprøvningsresultater (b), og billedet (c) under en statisk belastning på 12 pund.
Faktisk viste en nylig test udført på en trækprøve, at kobber-aluminium-forbindelsen i en 90-graders afprøvningstest mislykkedes under en forskydningskraft på 26 pund og gav 6 pund. Svejsningen er intakt.
Mere udfordrende svejsning af forskellige materialer kan anvendes i faktiske kommercielle applikationer (figur 7)." Brug af kun en 20 W pulserende laser med én mode nanosekund giver os mulighed for at kontrollere varmeindgangen og svejsgeometrien, især i meget udfordrende applikationer til mikrosvejsning, såsom 0,1 mm folie af rustfrit stål og 0,25 mm titanfolie.” sagde Dr. Geoff Shannon fra Amada Miyachi (Monrovia, Californien).
Figur 7: Svejsning af rustfrit stål og titaniumfolie med 20W HS-S laser.
Indførelsen af denne form for multifunktionsværktøj kan forenkle produktionslinjen, så den er hurtigt udviklet i industrier såsom fremstilling af medicinsk udstyr." Disse fiberlasere er et revolutionerende værktøj, der kan bruge nanosekundimpulser til at skære, ætses og slibe, og kan bruge pulser med flere millisekunder til at svejse. Alle disse processer kan afsluttes med den samme laser i den samme produktionsaktivitet." Kommenterede Mark Brodsky fra Laser Mark' s (San Jose, Californien).
Resumé
Denne artikel introducerer en række anvendelser fra plastforbindelse og lodning til metalpladsvejsning og tråd svejsning. I disse anvendelser er brugen af nanosekund pulsede fiberlasere et fremragende alternativ til konventionelle millisekund puls YAG og modulerede CW laser kilder. løsning. Den gode ydeevne af disse lasere i fremstilling af flere processer beviser yderligere deres alsidighed.