Nanosekundiliste (ns) impulss-infrapunakiudlaserite mitmekülgsus on hästi teada ja need sobivad ideaalselt enamiku tööstuslike märgistamis- ja graveerimisrakenduste jaoks. Tavaliselt, kui impulsi energia on väiksem kui paar millijooli ja keskmine võimsus ei ületa 100W, on see efektiivne impulsi suure korduse sageduse, pideva laine (CW) ja kvaasi-pideva laine modulatsiooni (QCW) režiimides. Viimasel ajal on neid hakatud kasutama erinevates mikromajanduslikes ja laserpindade tekstureerimisel ning isegi kauglõikuse mikrolõikamisrakendustes. Enamik neist rakendustest hõlmab materjali eemaldamist.
Kasutajate jaoks on laserite eelised ilmsed, näiteks mitme ülesandega laserallikad ja kompaktsed integreeritud vormid, mida sujuva integreerimise saavutamiseks jahutatakse sageli õhkjahutusega. Globaalselt peavad sellised tööstusharud nagu tarbeelektroonika, energia salvestamine ja meditsiiniseadmed lisama väiksemate ja väiksemate koguste ning suure tihedusega pakenditele rohkem funktsioone. Seetõttu on nende toodete reaalsuseks saamiseks vaja tõhusamat tootmistehnoloogiat. See artikkel keskendub laserkeevitus tehnoloogiale. Seetõttu võib see tööstuslike (nanosekundiliste infrapunakiud) laserite abil toodetav tootmistehnoloogia tagada vajaliku kõrge korratavuse, täpsuse ja tootmisvõimsuse ning ka madalad kulud, et see vastaks turu vajadustele.
Erinevate rakendusvaldkondade kohaselt on erinevat tüüpi laseritel erinevad eelised, sealhulgas impulss-YAG-laserid, ketaslaserid, kiud- (CW ja QCW) laserid ja isegi dioodlaserid. Siiani on nanosekundi impulsslaserit kasutatud vaid vähestes eesrindlikes rakendustes, kuid olukord on muutumas ning nanosekundiliste kiudlaseritega on viimasel ajal hakatud rakendama ka materiaalseid ühendusi.
SPI on pioneer nanosekundiliste kiudlaserite juurutamisel meisterjuhitava ostsillaatori võimsusvõimendisse (MOPA) ning see on osutunud ka väga mitmekülgseks tööriistaks, kuna see suudab impulssi vastavalt rakenduse nõuetele juhtida ja reguleerida. parameeter. See saavutatakse peamiselt impulsi kestuse ja impulsi sageduse muutmisega. Neid saab lülitada ka impulss- ja pidevlaine režiimide vahel, mis on samuti väga oluline omadus, kuna need on saadaval erineva kiirguse kvaliteediga valgusallikates, nii et vastavalt praegusele ülesandele oleks võimalik pakkuda erinevaid tööriistu. Keskmise võimsuse ja tippvõimsuse vahemikus saab seda laserit moduleerida millisekundi vahemikus, et see sobiks rakendusteks, mis vajavad madala keskmise võimsusega millisekundi impulsse.
Plastkeevitus
Võtke näiteks plastkeevitus. Mõnedes ülitäpsust nõudvates rakendustes, näiteks mikrofluidiseadmetes, saab kiudlaserite kasutamisel rohkem eeliseid kui teistel laserallikatel. Mõnikord mõjutab koha energia jaotust. Näiteks keevitatakse keerulises meditsiiniseadmes läbipaistev polümeer musta polümeeriga ja 40W laserkiir seatakse CW-režiimi (joonis 1)." See võimaldab mul vastavalt vajadusele kontrollida punkti suurust, energia jaotust ja teravussügavust." kommenteeris ettevõtte Okay Industries (Uus-Britannia, Connecticut) lasertehnoloogia direktor Joe Lovotti.
Joonis 1: Insuliinisüstalde plastkeevitamine 40W HS-H laseriga.
Traadi keevitamine
Metallkeevitamise osas on meditsiiniseadmete tööstuses üha enam levinud mikroühenduste rakendused, mis on väljakutseks ka parimatele rakenduseinseneridele. Õhukeste metalljuhtmete ühendamine on just selline näide ja CW kiudlaserid on selles valdkonnas laialdaselt kasutatud. Kuid kuna metalltraat õheneb, muutuvad soojusenergiaga seotud probleemid raskemaks. 50 keevitamiselμläbimõõduga mähitud juhe, kasutades 20W, M2< 1,6="" laserit="" kontsentreeritud="" fookuse="" saavutamiseks,="" annab="" häid="" tulemusi.="" väljakutseks="" on="" impulsi="" tippvõimsuse="" mahasurumine,="" laserit="" töötades="" suurema="" korduse="" sagedusega,="" luues="" rohkem="">< 0,1mj="" ja="" kvaasi-pideva="" laine="" modulatsiooni="" (qcw)="" sagedusega="" üle="" 250="" khz,="" mis="" lõppkokkuvõttes="" analüüs="" on="" lühikeste="" impulsside="" stringi="">
Mõni rakendus peab ühendama välise katte või punutise juhtmega (joonis 2). Leidsime, et sel juhul võib laiema energiajaotusega impulss saavutada kahe komponendi vahel parema märguvuse. Selles näites on kasutatud 40W, M2=3 laseril suurem punkt ja veidi kõrgem impulssienergia (suurem kui 1,25mJ), mis võib aidata tühimikku ületada.
Joonis 2: Kasutades 250 kHz, 20W EP-Z laser 50 μm läbimõõduga metalltraatide (a ja b) keevitamiseks,
Termopaari (c) keevitamiseks kasutatakse 20W EP-Z laserit ja punutise keevitamiseks kasutatakse 40WHS-H laserit.d traat (d).
Teisest küljest, kasutades ühemoodilist laserit 20W ja M2< 1.3="" abil,="" on="" võimalik="" saavutada="" ülimalt="" kõrge="" täpsus.="" näitena="" võib="" tuua="" 12-millise="" läbimõõduga="" peenete="" erinevate="" metalltraatide="">μm ja keevitades neid edukalt, moodustades termopaari. Selles rakenduses soovitud efekti saavutamiseks on džigi valiku- ja nägemissüsteemid sama olulised kui laserid.
Tina jootmise rakendus
Tina jootmiseks kasutatakse tavaliselt CW- või otse dioodlaserit, kuid rakendustes, kus soojusenergia on kriitiline, võib kaaluda impulsslaserite kasutamist. Pikkade impulsside kasutamisel suure korduskiirusega saab energiatõhusust parendada ja soojuskahjustuste riski vähendada. Kiire skaneerimise edastussüsteemi kasutades saab laserienergia laduda suuremale sihtpiirkonnale, nii et selles näites sisalduv kuld / tina joodisepasta sulab ainult kontaktis (joonis 3).
Joonis 3: jootmine 500 kHz, 40 W HS-H laseriga.
Metallist keevitamine ja liitmine
Nanosekundiliste impulsslaserite kasutamine metallide keevitamiseks nõuab impulsi parameetrite ja protsessiseadete hoolikat kohandamist, et saavutada tõepoolest hea ühendus. Lõppude lõpuks kasutatakse seda tüüpi impulsse peamiselt materjali eemaldamiseks, mitte sulamiseks ja tahkestamiseks. Impulsi optimeerimisel saate maksimaalse maksimaalse võimsuse ja impulsi energia, kuid neid omadusi saab muuta, kasutades neid kõrgematel sagedustel. See vähendab tippvõimsust ja muudab väljundi QCW strobsimpulsile lähemale, säilitades samal ajal keskmise võimsuse.
Selle kõrgema sageduse korral muutub impulsi mõju materjalile ablatsioonist lähemale sulamisele. Mõju on tähelepanuväärne. Allolevas näites näeme 70W laseri kasutamist õhukese roostevabast terasest plaadile 6mm läbimõõduga rõnga pinnale panemisel. Kasutades 250ns, 1mJ impulssi sagedusel 70kHz, on tulemus äärmiselt konarlik ja tugevalt oksüdeerunud. Hoidke kõiki parameetreid muutmata, suurendage lihtsalt impulsi sagedust, näete olulist paranemist. Sageduse kahekordistamisel 140 kHz-ni ja impulsi energia vähendamise poole võrra 0,5 mJ-ni võib näha, et karedus ja oksüdatsioon paranevad oluliselt. Suurendades sagedust 500 kHz-ni ja vähendades impulsi energiat alla 0,15 mJ, on eredam Keevitusõmblus ei vaja isegi kaitsegaasi. Seda tehnikat kasutades on võimalik saavutada 250μm süvisõmblus (joonis 4).
Joonis 4: Plaadil olev ülekeevitus erineva sagedusega 250ns impulsside abil.
Kasutades keevitustehnoloogiat keevisõmbluse laiendamiseks ja keevisõmbluse läbitungimise parandamiseks (mõjutades keevituskiirust), saab keevisõmbluse kuju veelgi paremaks muuta.
Roostevabast terasest ja roostevabast terasest keevisõmblusega tehti katse ja kahe 1 mm keevisõmbluse nihketugevus terves 0,5 mm läbimõõduga keevisõmbluses ületas 224 naela. 180-kraadises koorimistestis, mis viidi läbi 5 mm pikkuse ja 1 mm laiuse lineaarse keevisõmblusega, saadi komponent 241 naela (joonis 5).
Joonis 5: 70W EP-Z laseriga toodetud roostevabast terasest keevisõmblus (a) ja selle koorimistesti (b) mikroskoopiline pilt.
Tegelikult saab seda tehnoloogiat rakendada paljude muude metallide, näiteks terase, alumiiniumi ja isegi vase jaoks. Kui seda tehnoloogiat kasutatakse väga peegeldavate materjalide ühendamiseks, tuleb impulssi reguleerida, et anda materjalile paarumiseks piisavalt impulsi energiat. Mis tahes suurusega punktkeevitus on saavutatav spiraaltehnoloogia abil. Näiteks 70 W EP-Z laseriga saab luua kolm 1 mm keevituspunkti kahe 150 ühendamiseksμm paksused vaskfooliumid. Järgmine väljakutse on erinevate metallide ühendamine.
Erinevad metallide keevitamine
Kõige tavalisem elektroonika- ja akurakendustes on õhukese vaskfooliumi ühendamine alumiiniumiga. Selle väljakutsega toimetulemiseks on SPI&# 39 rakenduse meeskond investeerinud intensiivsetesse uuringutesse. Nad teatasid kiiresti edusammudest ja kui neilt küsiti, kui tugev keevisõmblus on, näitasid nad keevisõmbluse pilti 12 naela staatilise koormuse all (joonis 6).
Joonis 6: Vase-alumiiniumi punktkeevitus (a) ja selle tõmbekatse tulemused (b) ning pilt (c) staatilisel koormusel 12 naela.
Tegelikult näitas hiljutine tõmbekatsel tehtud katse, et 90-kraadises koorimistestis vase-alumiiniumi ühendus katkes 26 naela nihkejõu mõjul ja see andis 6 naela. Keevisõmblus on terve.
Erinevate materjalide keerukamat keevitamist saab kasutada tegelikes kaubanduslikes rakendustes (joonis 7)." Ainult 20 W ühe režiimiga nanosekundilise impulsslaseri kasutamine võimaldab meil hästi kontrollida soojusenergia sisendit ja keevisõmbluse geomeetriat, eriti väga keerukates mikrokeevitusrakendustes, nagu näiteks 0,1 mm roostevabast terasest foolium ja 0,25 mm titaanfoolium.” ütles dr Geoff Shannon Amada Miyachist (Monrovia, California).
Joonis 7: roostevabast terasest ja titaanfooliumist keevitamine 20W HS-S laseriga.
Sellise mitmeotstarbelise tööriista kasutuselevõtt võib tootmisliini lihtsustada, nii et see on kiiresti arenenud sellistes tööstusharudes nagu meditsiiniseadmete tootmine. GG-quot; Need kiudlaserid on revolutsiooniline tööriist, mille abil saab nanosekundi impulsse lõigata, söövitada ja lihvida ning keevituseks kasutada mitme millisekundi pikkuseid impulsse. Kõiki neid protsesse saab lõpule viia sama laseriga, samas tootmistegevuses." Kommenteeris Mark Brodsky Laser Mark&# 39-st (San Jose, California).
Kokkuvõte
See artikkel tutvustab mitmesuguseid rakendusi, alates plastikust liitmisest ja jootmisest kuni metalli lehtkeevituseni ja traadi keevitamiseni. Nendes rakendustes on nanosekundiliste impulsskiudlaserite kasutamine suurepärane alternatiiv tavapärastele millisekundise impulsi YAG-i ja moduleeritud CW-laserallikatele. lahendus. Nende laserite hea jõudlus mitmeprotsessilises tootmises tõestab veelgi nende mitmekülgsust.