Универсальность наносекундных (ns) импульсных инфракрасных волоконных лазеров хорошо известна, и они идеально подходят для большинства промышленных маркировки и гравировки приложений. Обычно, когда энергия импульса меньше, чем несколько миллиджоулов и средняя мощность не превышает 100 Вт, она эффективна в высокой частоте повторения импульса, непрерывной волне (CW) и квази-непрерывной волновой модуляции (КЗВ). В последнее время они начали использоваться в различных микромашинирования и лазерной поверхности текстурирования, и даже удаленных микрокатинг приложений. Большинство из этих приложений связаны с удалением материалов.
Для пользователей преимущества лазеров очевидны, такие как многозадачных лазерных источников и компактные интегрированные формы, которые часто охлаждаются воздухом для достижения бесшовной интеграции. Во всем мире такие отрасли, как бытовая электроника, хранение энергии и медицинское оборудование, должны добавлять больше функций к меньшим и малым объемам и упаковке высокой плотности. Поэтому, более эффективные технологии производства необходимы, чтобы помочь этим продуктам стать реальностью. Эта статья будет посвящена технологии лазерной сварки. Таким образом, эта технология производства реализованы промышленных (наносекундное инфракрасное волокно) лазеры могут обеспечить необходимую высокую повторяемость, точность и производственные мощности, а также низкую стоимость, так что он может удовлетворить потребности рынка.
В зависимости от различных областей применения, различные типы лазеров имеют различные преимущества, в том числе импульсные лазеры YAG, дисковые лазеры, волокна (CW и ККЗ) лазеры, и даже диодные лазеры. До сих пор наносекундные импульсные лазеры использовались только в нескольких передовых приложениях, но ситуация меняется, и лазеры наносекундного волокна в последнее время начали применяться к материальным связям.
SPI является пионером в внедрении мастер контролируемых усилитель мощности осциллятора (MOPA) для наносекундных волоконных лазеров, и это также оказалось очень универсальным инструментом, потому что он может контролировать и регулировать пульс в соответствии с требованиями приложения. Параметр. Это в основном достигается за счет изменения продолжительности пульса и частоты пульса. Они также могут переключаться между импульсными и непрерывными режимами волны, что также является очень важной особенностью из-за их наличия в диапазоне источников света с различными качествами луча, так что различные инструменты могут быть предоставлены в соответствии с текущей задачей. В диапазоне средней мощности и пиковой мощности этот лазер может модулироваться в миллисекундном диапазоне, чтобы быть пригодным для применения, требующих миллисекундных импульсов с низкой средней мощностью.
Пластиковая сварка
Возьмем в качестве примера пластиковую сварку. В некоторых приложениях, требующих высокой точности, таких как микрофлюидные устройства, использование волоконных лазеров получит больше преимуществ, чем другие лазерные источники. Иногда распределение энергии пятна будет иметь влияние. Например, в сложном медицинском устройстве прозрачный полимер приваряется к черному полимеру, а лазерный луч 40 Вт устанавливается в режим CW (рисунок 1). "Это позволяет мне контролировать размер пятна, распределение энергии, и глубина резкости по мере необходимости." прокомментировал Джо Lovotti, директор лазерной технологии в Ok Industries (Новая Британия, Коннектикут).
Рисунок 1: Пластиковая сварка инсулиновых шприцев с лазером 40W HS-H.
Сварка проводов
С точки зрения металлической сварки, микро-соединения приложений в индустрии медицинских устройств становятся все более и более распространенным явлением, что является проблемой даже для лучших инженеров-приложений. Соединение тонких металлических проводов является именно таким примером, и CW волоконные лазеры были широко использованы в этой области. Однако, как металлический провод становится тоньше, проблемы, связанные с тепловым вводом становится все труднее. При сварке 50Μм диаметр спиральный провод, используя 20W, M2<1.6 laser="" to="" achieve="" concentrated="" focus="" will="" bring="" good="" results.="" the="" challenge="" is="" to="" suppress="" the="" peak="" power="" of="" the="" pulse="" by="" operating="" the="" laser="" at="" a="" higher="" repetition="" rate,="" creating="" more="" pulses="" with=""><0.1mj and="" quasi-continuous="" wave="" modulation="" (qcw)="" with="" a="" frequency="" greater="" than="" 250khz,="" which="" in="" the="" final="" analysis="" is="" to="" create="" short="" pulses="">
Некоторые приложения должны подключить наружное покрытие или косу к проводу (рисунок 2). Мы обнаружили, что в этом случае пульс с более широким распределением энергии может достичь лучшей протяжимости между двумя компонентами. В этом примере лазер 40W, M2'3 имеет большее пятно и немного более высокую энергию пульса (больше, чем 1.25mJ), что может помочь преодолеть разрыв.
Рисунок 2: Использование 250 кГц, 20W EP-я лазер для сварки металлических проводов диаметром 50 м (a и b),
Лазер 20W EP-ю используется для сварки термопара (c), а лазер 40WHS-H используется для сварки косыd провод (d).
С другой стороны, с помощью однорежимного лазера с 20 Вт и М2<1.3 can="" achieve="" extremely="" high="" accuracy.="" an="" example="" is="" the="" welding="" of="" fine="" dissimilar="" metal="" wires="" with="" a="" diameter="" of="" 12="">Μм и успешно сварки их для формирования термопары. Для достижения желаемого эффекта в этом приложении, джиг выбора и видения системы так же важны, как лазеры.
Приложение для припоий олова
Для оловянных припаяв, CW или прямых диодных лазеров, как правило, используются, но в приложениях, где тепловой ввод имеет решающее значение, импульсные лазеры могут быть рассмотрены. С помощью длинных импульсов при высоких частотах повторения эффективность использования энергии может быть улучшена и риск теплового повреждения может быть уменьшен. С помощью системы сканирования пучка лазерная энергия может быть отложена на большую целевую область, так что паста из золота/опоя допоя в этом примере будет таять только в месте контакта (рисунок 3).
Рисунок 3: Припой с лазером 500 кГц, 40 Вт HS-H.
Металлическая сварка и присоединение
Использование наносекундных импульсных лазеров для сварки металлов требует тщательной корректировки параметров импульса и параметров процесса, чтобы действительно достичь хорошей связи. В конце концов, эти типы импульсов в основном используются для удаления материала, чтобы не расплавиться и resolidify. Оптимизация импульса может получить максимальную пиковую мощность и энергию импульса, но эти характеристики могут быть изменены с помощью их на более высоких частотах. Это снижает пиковую мощность и делает выход ближе к пульсу строба кОКЗ, сохраняя при этом среднюю мощность.
На этой более высокой частоте влияние импульса на материал меняется от абляции к приближению к таянию. Эффект замечательный. В приведенном ниже примере мы можем увидеть использование лазера 70W для наплавки кольца диаметром 6 мм на тонкой пластине из нержавеющей стали. Используя 250ns, 1mJ импульс на 70 кГц, результат чрезвычайно грубой и высоко окисленной. Держите все параметры без изменений, просто увеличьте частоту пульса, можно увидеть значительное улучшение. Удвоив частоту до 140 кГц и вдвое сократив энергию пульса до 0,5 мДж, видно, что шероховатость и окисление значительно улучшены. Увеличивая частоту до 500 кГц и уменьшая энергию импульса ниже 0,15 мДж, более яркий сварочный шов даже не нуждается в экранном газе. Используя эту технику, можно достичь 250Μм коленях сварных (рисунок 4).
Рисунок 4: Накладная сварка на доске реализована импульсами 250ns на разных частотах.
С помощью технологии колебания для расширения сварки и улучшения проникновения сварных швов (влияющих на скорость сварки), форма сварки может быть дополнительно улучшена.
Тест был проведен на сварной сварки между нержавеющей стали и нержавеющей стали, и сдвига прочность двух 1 мм сварных швов в полном 0,5 мм коленях сварки превысил 224 фунтов. В 180-градусный тест кожуры выполняется на линейном сварном 5 мм в длину и 1 мм в ширину, компонент дается на 241 фунтов (рисунок 5).
Рисунок 5: Сварной (a) из нержавеющей стали и его тест на кожуру (б) микроскопическое изображение, произведенное лазером 70W EP-е.
На самом деле, эта технология может быть применена к различным другим металлам, таким как сталь, алюминий и даже медь. Когда эта технология используется для подключения высокоотражающих материалов, пульс должен быть скорректирован, чтобы обеспечить достаточно энергии импульса, чтобы пара в материал. Точечная сварка любого размера может быть достигнута с помощью спиральной технологии. Например, лазер 70W EP-q может быть использован для создания трех 1-мм сварочных точек для подключения двух 150Μм толщиной медной фольги. Затем следующая задача состоит в том, чтобы соединить различные металлы.
Разобщенная металлическая сварка
Наиболее распространенным в электронных и аккумуляторных приложений является подключение тонкой медной фольги к алюминию. Для того, чтобы решить эту задачу, команда приложений SPI инвестировала в интенсивные исследования. Они быстро объявили о прогрессе, и когда их спросили, насколько сильна сварка, они показали картину сварного шва под статической нагрузкой 12 фунтов (рисунок 6).
Рисунок 6: Медно-алюминиевая сварочная сварка (a) и результаты испытаний на прочность (b) и изображение (c) под статической нагрузкой 12 фунтов.
В самом деле, недавнее испытание, проведенное на напряженный тест показал, что в 90-градусный тест кожуры, медно-алюминиевое соединение не удалось под сдвига силы 26 фунтов, и дали на 6 фунтов. Сварной шов цел.
Более сложная сварка различных материалов может быть использована в реальных коммерческих целях (рисунок 7). "Использование только 20W однорежимного наносекундного импульсного лазера позволяет нам хорошо контролировать тепловой ввод и геометрию сварки, особенно в очень сложных микросварочных приложениях, таких как 0,1 мм фольга из нержавеющей стали и 0,25 мм титановая фольга Connection."сказал д-р Джефф Шеннон из Амада Миячи (Монровия, Калифорния).
Рисунок 7: Сварка нержавеющей стали и титановой фольги с лазером 20W HS-S.
Внедрение такого рода многоцелевого инструмента может упростить производственную линию, поэтому он быстро развивается в таких отраслях, как производство медицинского оборудования. "Эти волоконные лазеры являются революционным инструментом, который может использовать наносекундные импульсы, чтобы вырезать, etch, и молоть, и может использовать многомиллисекундные импульсы для сварки. Все эти процессы могут быть завершены с помощью одного и того же лазера в той же производственной деятельности ". Комментирует Марк Бродский из Laser Mark's (Сан-Хосе, Калифорния).
Сводка
Эта статья представляет различные приложения от пластиковых присоединения и паяльника для сварки металлических листов и проволоки сварки. В этих приложениях использование наносекундных импульсных волоконных лазеров является отличной альтернативой обычному миллисекундном импульсу YAG и модулированных источников лазера CW. Решение. Хорошая производительность этих лазеров в многопроцесовом производстве еще раз доказывает их универсальность.