Vsestranskost nanosekundnih (ns) impulznih infrardečih laserjev z vlakni je dobro znana in so idealna za večino industrijskih aplikacij za označevanje in graviranje. Običajno, ko je energija impulza manjša od nekaj milijul in povprečna moč ne presega 100 W, je učinkovita v načinih visoke frekvence ponavljanja impulzov, kontinuiranega valovanja (CW) in kvazi neprekinjene modulacije valov (QCW). V zadnjem času so jih začeli uporabljati v različnih napravah za mikroobdelavo in lasersko teksturiranje površin ter celo v aplikacijah za mikro rezanje na daljavo. Večina teh aplikacij vključuje odstranjevanje materiala.
Za uporabnike so prednosti laserjev očitne, kot so večopravilni laserski viri in kompaktne integrirane oblike, ki so pogosto zračno hlajene, da dosežejo brezhibno integracijo. Globalno morajo industrije, kot so potrošniška elektronika, shranjevanje energije in medicinska oprema, dodajati več funkcij manjšim in manjšim količinam in embalaži z visoko gostoto. Zato je za uresničitev teh izdelkov potrebna učinkovitejša proizvodna tehnologija. Ta članek se bo osredotočil na tehnologijo laserskega varjenja. Zato lahko ta proizvodna tehnologija, ki jo uresničijo industrijski laserji z nanosekundnimi infrardečimi vlakni, zagotavlja zahtevano visoko ponovljivost, natančnost in proizvodno zmogljivost, pa tudi nizke stroške, tako da lahko zadovolji potrebe trga.
Glede na različna področja uporabe imajo različne vrste laserjev različne prednosti, vključno z impulznimi YAG laserji, diskovnimi laserji, vlakninami (CW in QCW) in celo diodnimi laserji. Do zdaj so bili nanosekundni impulzni laserji uporabljeni le v nekaj vrhunskih aplikacijah, vendar se situacija spreminja in nanosekundni vlakni laserji so se v zadnjem času začeli uporabljati za materialne povezave.
SPI je pionir pri uvajanju glavno nadzorovanega ojačevalnika moči oscilatorjev (MOPA) v nanosekundne laserske vlaken, kar se je izkazalo tudi za zelo vsestransko orodje, saj lahko nadzoruje in prilagaja impulz glede na zahteve aplikacije. parameter. To dosežemo predvsem s spreminjanjem trajanja impulza in frekvence pulza. Prav tako se lahko preklapljajo med impulznimi in neprekinjenimi načini valovanja, kar je zelo pomembna značilnost tudi zaradi njihove razpoložljivosti v različnih svetlobnih virih z različnimi lastnostmi žarka, tako da lahko zagotovite različna orodja glede na trenutno nalogo. V območju povprečne moči in največje moči lahko ta laser moduliramo v milisekundnem območju, da je primeren za aplikacije, ki potrebujejo milisekundne impulze z nizko povprečno močjo.
Varjenje plastike
Za primer vzemimo varjenje plastike. V nekaterih aplikacijah, ki potrebujejo visoko natančnost, kot so mikrofluidne naprave, bo uporaba vlaken z laserji pridobila več prednosti kot drugi laserski viri. Včasih bo vplivala porazdelitev energije pege. Na primer, v zapletenem medicinskem pripomočku je na črni polimer privit prozoren polimer, laserski žarek 40 W pa je nastavljen v CW način (slika 1)." Omogoča mi nadzor nad velikostjo točke, porazdelitvijo energije in globinsko ostrino po potrebi." je komentiral Joe Lovotti, direktor laserske tehnologije pri podjetju Okay Industries (Nova Britanija, Connecticut).
Slika 1: Varjenje plastičnih brizg insulina s 40W HS-H laserjem.
Varjenje žice
Na področju varjenja kovin se vse pogosteje pojavljajo aplikacije za mikro povezave v industriji medicinskih pripomočkov, kar je izziv celo za najboljše inženirje. Povezava tankih kovinskih žic je ravno tak primer in na tem področju se pogosto uporabljajo CW-laserji. Ko pa se kovinska žica tanjša, so težave, povezane z dovajanjem toplote, težje. Pri varjenju 50μnavita žica s premerom m z 20 W, M2< 1,6="" laserja="" za="" doseganje="" koncentriranega="" ostrenja="" bo="" prinesla="" dobre="" rezultate.="" izziv="" je="" zatreti="" največjo="" moč="" impulza="" z="" delovanjem="" laserja="" z="" višjo="" stopnjo="" ponavljanja,="" ustvarja="" več="" impulzov=""><0,1mj in="" kvazi="" neprekinjeno="" modulacijo="" valov="" (qcw)="" s="" frekvenco="" večjo="" od="" 250khz,="" kar="" je="" na="" koncu="" analiza="" je="" ustvariti="" niz="" kratkih="">
Nekatere aplikacije morajo povezati zunanjo prevleko ali pletenico z žico (slika 2). Ugotovili smo, da lahko v tem primeru impulz s širšo porazdelitvijo energije doseže boljšo zmožnost med dvema komponentama. V tem primeru ima uporabljeni laser 40 W, M2=3 večjo točko in nekoliko višjo impulzno energijo (večjo od 1,25 mJ), kar lahko pomaga pri premostitvi vrzeli.
Slika 2: Uporaba 250 kHz, 20W EP-Z laser za varjenje kovinskih žic s premerom 50 μm (a in b),
Za varjenje termoelementa (c) se uporablja 20W EP-Z laser in laser 40WHS-H za varjenje pletenice ind žica (d).
Po drugi strani pa lahko z uporabo enosmernega laserja z 20 W in M2< 1,3 dobite izjemno visoko natančnost. Primer je varjenje finih raznovrstnih kovinskih žic s premerom 12μm in jih uspešno varimo, da tvorijo termoelement. Za dosego želenega učinka v tej aplikaciji so sistemi izbire vbodov in vida prav tako pomembni kot laserji.
Uporaba za spajkanje kositra
Za spajkanje kositra se običajno uporabljajo CW ali neposredni diodni laserji, v aplikacijah, kjer je vnos toplote kritičen, pa lahko upoštevamo impulzne laserje. Z uporabo dolgih impulzov pri visokih stopnjah ponovitve je mogoče izboljšati učinkovitost izrabe energije in zmanjšati nevarnost toplotnih poškodb. Z uporabo prenosnega sistema za skeniranje žarka lahko lasersko energijo odložimo na večje ciljno območje, tako da se pasta za spajkanje zlata in kositra v tem primeru stopi le na mestu stika (slika 3).
Slika 3: Spajkanje z 500 kHz, 40 W HS-H laserjem.
Varjenje in spajanje kovin
Uporaba nanosekundnih impulznih laserjev za varjenje kovin zahteva skrbno prilagajanje pulznih parametrov in nastavitev postopka, da se resnično doseže dobra povezava. Konec koncev se te vrste impulzov uporabljajo predvsem za odstranjevanje materiala, ne za taljenje in ponovno utrjevanje. Z optimizacijo impulza lahko dobite največjo največjo moč in pulzno energijo, vendar lahko te lastnosti spremenite z njihovo uporabo na višjih frekvencah. To zmanjšuje največjo moč in naredi izhod bližje utripu QCW strobe ob ohranjanju povprečne moči.
Pri tej višji frekvenci se vpliv impulza na material spremeni od ablacije do bližje taljenju. Učinek je izjemen. V spodnjem primeru lahko vidimo uporabo 70W laserja za nanašanje obroča s premerom 6 mm na tanko ploščo iz nerjavečega jekla. Z uporabo 250ns impulza 1mJ pri 70kHz je rezultat zelo grob in močno oksidiran. Vse parametre ohranite nespremenjene, samo povečajte frekvenco impulzov, opazite lahko znatno izboljšanje. Z podvojitvijo frekvence na 140 kHz in prepolovitvijo impulzne energije na 0,5 mJ je razvidno, da se hrapavost in oksidacija močno izboljšata. S povečanjem frekvence na 500kHz in zmanjšanjem impulzne energije na pod 0,15mJ, svetlejši Varilni šiv sploh ne potrebuje zaščitnega plina. Z uporabo te tehnike je mogoče doseči 250μm naročje zvara (slika 4).
Slika 4: Prekrivno varjenje na plošči, ki ga realizira 250 impulzov na različnih frekvencah.
Z uporabo tehnologije kolobarjenja za razširitev zvara in izboljšanje penetracije zvara (kar vpliva na hitrost varjenja) je mogoče obliko zvara še izboljšati.
Preizkus je bil izveden na zvaru med nerjavnim jeklom in nerjavnim jeklom, strižna trdnost dveh 1-milimetrskih zvarov v celotnem 0,5-milimetrskem zvaru pa je presegla 224 kilogramov. Pri 180-stopinjskem preizkusu lupljenja, izvedenem na linearnem zvaru dolžine 5 mm in širine 1 mm, je komponenta dosegla 241 funtov (slika 5).
Slika 5: Zvar iz nerjavečega jekla (a) in njegova preizkusna lupina (b) mikroskopska slika, izdelana s 70W EP-Z laserjem.
Pravzaprav se ta tehnologija lahko uporablja za različne druge kovine, kot so jeklo, aluminij in celo baker. Ko se ta tehnologija uporablja za povezavo visoko odsevnih materialov, je treba prilagoditi impulz, da se zagotovi dovolj impulzne energije, da se par poveže v material. Točkovno varjenje katere koli velikosti je mogoče doseči s pomočjo spiralne tehnologije. Na primer, 70W EP-Z laser lahko uporabite za ustvarjanje treh 1 mm varilnih mest za povezavo dveh 150μm debele bakrene folije. Nato je naslednji izziv povezovanje različnih kovin.
Različno varjenje kovin
Najpogosteje pri elektronskih in baterijskih aplikacijah je priključitev tanke bakrene folije na aluminij. Da bi se spopadli s tem izzivom, je prijavna skupina SPI&# 39 vlagala v intenzivne raziskave. Hitro so napovedali napredek in na vprašanje, kako močan je bil zvar, so pokazali sliko zvara pod statično obremenitvijo 12 kilogramov (slika 6).
Slika 6: Bakreno-aluminijasto točkovno varjenje (a) in njegovi rezultati nateznih preskusov (b) ter slika (c) pod statično obremenitvijo 12 kilogramov.
Dejansko je nedavni test, izveden na nateznem testu, pokazal, da je med 90-stopinjskim testom lupljenja bakreno-aluminijasta povezava odpovedala pod strižno silo 26 kilogramov in je dala 6 kilogramov. Zvar je nedotaknjen.
Zahtevnejše varjenje različnih materialov je mogoče uporabiti v dejanskih komercialnih aplikacijah (slika 7).&"; Uporaba samo 20 W enonapetostnega nanosekundnega laserja nam omogoča dobro nadziranje vnosa toplote in geometrije varjenja, zlasti pri zelo zahtevnih aplikacijah za mikro varjenje, kot sta 0,1 mm folija iz nerjavečega jekla in 0,25 mm titanova folija.” je dejal doktor Geoff Shannon iz Amade Miyachi (Monrovia, Kalifornija).
Slika 7: Varjenje nerjavečega jekla in titanove folije z 20W HS-S laserjem.
Uvedba tovrstnega večnamenskega orodja lahko poenostavi proizvodno linijo, zato se je hitro razvila v panogah, kot je proizvodnja medicinske opreme." Ti optični laserji so revolucionarno orodje, ki lahko z nanosekundnimi impulzi reže, jedka in brusi, za varjenje pa lahko uporablja večmisekundne impulze. Vse te procese lahko zaključimo z istim laserjem v isti proizvodni dejavnosti." Komentiral Mark Brodsky iz Laser Mark' s (San Jose, Kalifornija).
Povzetek
Ta članek predstavlja različne aplikacije od spajanja in spajkanja plastike do varjenja pločevine in varjenja žice. V teh aplikacijah je uporaba laserjev z impulznimi vlakni nanosekunde odlična alternativa običajnim milisekundnim impulzom YAG in moduliranim virom laserja CW. rešitev. Dobra zmogljivost teh laserjev v večprocesni proizvodnji še dodatno dokazuje njihovo vsestranskost.