Tính linh hoạt của laser sợi quang hồng ngoại xung nano giây (ns) đã nổi tiếng và chúng lý tưởng cho hầu hết các ứng dụng khắc và đánh dấu công nghiệp. Thông thường khi năng lượng xung nhỏ hơn vài mm và công suất trung bình không vượt quá 100W, nó có hiệu quả ở các chế độ tần số lặp lại xung cao, sóng liên tục (CW) và điều chế sóng bán liên tục (QCW). Gần đây, chúng đã bắt đầu được sử dụng trong nhiều loại gia công vi cơ và tạo kết cấu bề mặt bằng laser, và thậm chí cả các ứng dụng cắt vi điểm từ xa. Hầu hết các ứng dụng này liên quan đến việc loại bỏ vật liệu.
Đối với người sử dụng, lợi ích của laser là rõ ràng, chẳng hạn như nguồn laser đa nhiệm và các dạng tích hợp nhỏ gọn thường được làm mát bằng không khí để đạt được sự tích hợp liền mạch. Trên toàn cầu, các ngành công nghiệp như điện tử tiêu dùng, lưu trữ năng lượng và thiết bị y tế cần phải bổ sung nhiều chức năng hơn cho khối lượng ngày càng nhỏ và bao bì mật độ cao. Do đó, cần có công nghệ sản xuất hiệu quả hơn để giúp những sản phẩm này trở thành hiện thực. Bài viết này sẽ tập trung vào công nghệ hàn laser. Do đó, công nghệ sản xuất này được thực hiện bằng laser công nghiệp (sợi quang hồng ngoại nano giây) có thể cung cấp độ lặp lại, độ chính xác và năng lực sản xuất cao theo yêu cầu, cũng như chi phí thấp, do đó nó có thể đáp ứng nhu cầu của thị trường.
Theo các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, các loại laser khác nhau có những ưu điểm khác nhau, bao gồm laser YAG xung, laser đĩa, laser sợi quang (CW và QCW), và thậm chí là laser diode. Cho đến nay, laser xung nano giây mới chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng tiên tiến, nhưng tình hình đang thay đổi, và laser sợi nano giây gần đây đã bắt đầu được áp dụng cho các kết nối vật liệu.
SPI là công ty tiên phong trong việc giới thiệu bộ khuếch đại công suất dao động điều khiển chính (MOPA) cho laser sợi nano giây và đây cũng đã được chứng minh là một công cụ rất linh hoạt vì nó có thể điều khiển và điều chỉnh xung theo yêu cầu của ứng dụng. tham số. Điều này chủ yếu đạt được bằng cách thay đổi thời lượng xung và tần số xung. Chúng cũng có thể được chuyển đổi giữa các chế độ sóng xung và liên tục, đây cũng là một tính năng rất quan trọng vì chúng có sẵn trong một loạt các nguồn sáng với chất lượng chùm tia khác nhau, do đó có thể cung cấp các công cụ khác nhau tùy theo nhiệm vụ hiện tại. Trong phạm vi công suất trung bình và công suất đỉnh, tia laser này có thể được điều chế trong phạm vi mili giây để phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu xung mili giây với công suất trung bình thấp.
Hàn nhựa
Lấy hàn nhựa làm ví dụ. Trong một số ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như các thiết bị vi lỏng, việc sử dụng laser sợi quang sẽ đạt được nhiều lợi thế hơn so với các nguồn laser khác. Đôi khi sự phân bố năng lượng của điểm sẽ có tác động. Ví dụ, trong một thiết bị y tế phức tạp, một polyme trong suốt được hàn với một polyme đen và chùm tia laze 40W được đặt ở chế độ CW (Hình 1)." Nó cho phép tôi kiểm soát kích thước điểm, phân phối năng lượng và độ sâu trường ảnh khi cần." Joe Lovotti, giám đốc công nghệ laser tại Okay Industries (New Britain, Connecticut) nhận xét.
Hình 1: Hàn nhựa của ống tiêm insulin bằng tia laser HS-H 40W.
Hàn dây
Về mặt hàn kim loại, các ứng dụng kết nối vi mô trong ngành thiết bị y tế ngày càng trở nên phổ biến, đây là một thách thức ngay cả với những kỹ sư ứng dụng giỏi nhất. Kết nối của các dây kim loại mỏng chỉ là một ví dụ như vậy, và laser sợi quang CW đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, khi dây kim loại trở nên mỏng hơn, các vấn đề liên quan đến nhiệt đầu vào trở nên khó khăn hơn. Khi hàn 50μđường kính m dây cuộn, sử dụng 20W, M2< 1,6="" tia="" laser="" để="" đạt="" được="" tiêu="" điểm="" tập="" trung="" sẽ="" mang="" lại="" kết="" quả="" tốt.="" thách="" thức="" là="" triệt="" tiêu="" công="" suất="" đỉnh="" của="" xung="" bằng="" cách="" vận="" hành="" tia="" laser="" ở="" tốc="" độ="" lặp="" lại="" cao="" hơn,="" tạo="" ra="" nhiều="" xung="" hơn="">< 0,1mj="" và="" điều="" chế="" sóng="" bán="" liên="" tục="" (qcw)="" với="" tần="" số="" lớn="" hơn="" 250khz,="" cuối="" cùng="" phân="" tích="" là="" tạo="" chuỗi="" xung="">
Một số ứng dụng cần kết nối lớp bọc bên ngoài hoặc bện với dây (Hình 2). Chúng tôi nhận thấy rằng trong trường hợp này, một xung có phân bố năng lượng rộng hơn có thể đạt được khả năng thấm ướt tốt hơn giữa hai thành phần. Trong ví dụ này, laser 40W, M2=3 được sử dụng có điểm lớn hơn và năng lượng xung cao hơn một chút (lớn hơn 1,25mJ), có thể giúp thu hẹp khoảng cách.
Hình 2: Sử dụng 250 kHz, 2Laser EP-Z 0W để hàn dây kim loại đường kính 50μm (a và b),
Một tia laser EP-Z 20W được sử dụng để hàn cặp nhiệt điện (c) và một tia laser 40WHS-H được sử dụng để hàn bện andây d (d).
Mặt khác, sử dụng tia laser đơn mode với 20W và M2< 1.3="" có="" thể="" đạt="" được="" độ="" chính="" xác="" cực="" cao.="" một="" ví="" dụ="" là="" việc="" hàn="" các="" dây="" kim="" loại="" mịn="" khác="" nhau="" có="" đường="" kính="">μm và hàn thành công chúng để tạo thành một cặp nhiệt điện. Để đạt được hiệu quả mong muốn trong ứng dụng này, việc lựa chọn đồ gá và hệ thống thị giác cũng quan trọng như laser.
Ứng dụng hàn thiếc
Đối với hàn thiếc, laser CW hoặc laser diode trực tiếp thường được sử dụng, nhưng trong các ứng dụng mà nhiệt đầu vào là quan trọng, có thể xem xét laser xung. Bằng cách sử dụng các xung dài ở tốc độ lặp lại cao, hiệu suất sử dụng năng lượng có thể được cải thiện và giảm nguy cơ hư hỏng do nhiệt. Bằng cách sử dụng hệ thống truyền dẫn quét chùm tia, năng lượng laser có thể được tích tụ trên một khu vực mục tiêu lớn hơn, do đó, keo hàn vàng / thiếc trong ví dụ này sẽ chỉ nóng chảy tại vị trí tiếp xúc (Hình 3).
Hình 3: Hàn với laser HS-H 500 kHz, 40W.
Hàn và nối kim loại
Sử dụng laser xung nano giây để hàn kim loại đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận các thông số xung và cài đặt quy trình để thực sự đạt được kết nối tốt. Xét cho cùng, các loại xung này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ vật chất, không làm tan chảy và phân giải. Việc tối ưu hóa xung có thể nhận được công suất đỉnh và năng lượng xung tối đa, nhưng những đặc điểm này có thể được sửa đổi bằng cách sử dụng chúng ở tần số cao hơn. Điều này làm giảm công suất đỉnh và làm cho đầu ra gần với xung nhấp nháy QCW trong khi vẫn duy trì công suất trung bình.
Ở tần số cao hơn, tác động của xung lên vật liệu thay đổi từ cắt giảm đến gần nóng chảy hơn. Hiệu quả là đáng chú ý. Trong ví dụ dưới đây, chúng ta có thể thấy việc sử dụng tia laser 70W để chiếu một chiếc nhẫn có đường kính 6mm lên một tấm thép không gỉ mỏng. Sử dụng xung 250ns, 1mJ ở 70kHz, kết quả là cực kỳ thô và bị oxy hóa cao. Giữ nguyên tất cả các thông số, chỉ cần tăng tần số xung lên, bạn có thể thấy sự cải thiện đáng kể. Bằng cách tăng gấp đôi tần số lên 140 kHz và giảm một nửa năng lượng xung xuống 0,5mJ, có thể thấy rằng độ nhám và oxy hóa được cải thiện đáng kể. Bằng cách tăng tần số lên 500kHz và giảm năng lượng xung xuống dưới 0,15mJ, đường hàn sáng hơn thậm chí không cần khí che chắn. Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, có thể đạt được 250μm lap mối hàn (Hình 4).
Hình 4: Hàn chồng lên bảng được thực hiện bằng xung 250ns ở các tần số khác nhau.
Bằng cách sử dụng công nghệ lắc để mở rộng mối hàn và cải thiện độ ngấu của mối hàn (ảnh hưởng đến tốc độ hàn), hình dạng mối hàn có thể được cải thiện hơn nữa.
Một thử nghiệm được tiến hành trên mối hàn giữa thép không gỉ và thép không gỉ, và độ bền cắt của hai mối hàn 1mm trong mối hàn vòng 0,5mm hoàn chỉnh vượt quá 224 pound. Trong thử nghiệm bóc 180 độ được thực hiện trên một mối hàn tuyến tính dài 5 mm và rộng 1 mm, thành phần đạt được là 241 pound (Hình 5).
Hình 5: Hình ảnh hiển vi của mối hàn thép không gỉ (a) và kiểm tra độ tróc của nó (b) được tạo ra bởi tia laser EP-Z 70W.
Trên thực tế, công nghệ này có thể được áp dụng cho nhiều kim loại khác, chẳng hạn như thép, nhôm và thậm chí cả đồng. Khi công nghệ này được sử dụng để kết nối các vật liệu phản xạ cao, xung cần được điều chỉnh để cung cấp đủ năng lượng xung để ghép vào vật liệu. Có thể hàn điểm ở bất kỳ kích thước nào bằng cách sử dụng công nghệ xoắn ốc. Ví dụ, một tia laser EP-Z 70W có thể được sử dụng để tạo ra ba điểm hàn 1mm để kết nối hai 150μm lá đồng dày. Sau đó, thử thách tiếp theo là kết nối các kim loại khác nhau.
Hàn kim loại khác nhau
Phổ biến nhất trong các ứng dụng điện tử và pin là kết nối lá đồng mỏng với nhôm. Để đáp ứng thách thức này, nhóm ứng dụng của SPI' đã đầu tư nghiên cứu kỹ lưỡng. Họ nhanh chóng thông báo về tiến độ, và khi được hỏi độ bền của mối hàn như thế nào, họ đưa ra hình ảnh về mối hàn dưới tải trọng tĩnh 12 pound (Hình 6).
Hình 6: Mối hàn điểm đồng-nhôm (a) và kết quả thử kéo của nó (b), và hình (c) dưới tải trọng tĩnh 12 pound.
Trên thực tế, một thử nghiệm gần đây được tiến hành trong thử nghiệm độ bền kéo cho thấy rằng trong thử nghiệm gọt 90 độ, kết nối đồng-nhôm không thành công dưới lực cắt 26 pound và cho kết quả là 6 pound. Mối hàn còn nguyên vẹn.
Khó khăn hơn khi hàn các vật liệu khác nhau có thể được sử dụng trong các ứng dụng thương mại thực tế (Hình 7)." Chỉ sử dụng laser xung nano giây đơn chế độ 20W cho phép chúng tôi kiểm soát tốt đầu vào nhiệt và hình dạng mối hàn, đặc biệt là trong các ứng dụng hàn vi mô rất khó khăn, chẳng hạn như lá thép không gỉ 0,1mm và Kết nối lá titan 0,25mm.” Tiến sĩ Geoff Shannon ở Amada Miyachi (Monrovia, California) cho biết.
Hình 7: Hàn thép không gỉ và lá titan bằng tia laser HS-S 20W.
Sự ra đời của loại dụng cụ đa năng có thể đơn giản hóa dây chuyền sản xuất, do đó nó đã được phát triển nhanh chóng trong các ngành như sản xuất thiết bị y tế." Những tia laser sợi quang này là một công cụ mang tính cách mạng có thể sử dụng xung nano giây để cắt, khắc và mài, và có thể sử dụng xung đa mili giây để hàn. Tất cả các quá trình này có thể được hoàn thành với cùng một tia laser trong cùng một hoạt động sản xuất." Mark Brodsky đã nhận xét về Laser Mark' s (San Jose, California).
Tóm lược
Bài viết này giới thiệu một loạt các ứng dụng từ nối và hàn nhựa đến hàn tấm kim loại và hàn dây. Trong các ứng dụng này, việc sử dụng laser sợi quang xung nano giây là một giải pháp thay thế tuyệt vời cho các nguồn laser YAG xung mili giây thông thường và các nguồn laser CW được điều chế. giải pháp. Hiệu suất tốt của những tia laser này trong sản xuất đa quy trình càng chứng tỏ tính linh hoạt của chúng.