La polyvalence des lasers à fibre infrarouge pulsée nanoseconde (ns) est bien connue, et ils sont idéaux pour la plupart des applications industrielles de marquage et de gravure. Habituellement, lorsque l'énergie d'impulsion est inférieure à quelques millijoules et que la puissance moyenne ne dépasse pas 100 W, elle est efficace dans les modes de fréquence de répétition d'impulsion élevée, d'onde continue (CW) et de modulation d'onde quasi continue (QCW). Récemment, ils ont commencé à être utilisés dans une variété de micro-usinage et de texturation de surface au laser, et même dans des applications de micro-découpe à distance. La plupart de ces applications impliquent l'enlèvement de matière.
Pour les utilisateurs, les avantages des lasers sont évidents, tels que les sources laser multi-tâches et les formulaires intégrés compacts qui sont souvent refroidis à l'air pour obtenir une intégration transparente. À l'échelle mondiale, des industries telles que l'électronique grand public, le stockage d'énergie et les équipements médicaux doivent ajouter davantage de fonctions aux volumes de plus en plus petits et aux emballages haute densité. Par conséquent, une technologie de fabrication plus efficace est nécessaire pour aider ces produits à devenir une réalité. Cet article se concentrera sur la technologie de soudage au laser. Par conséquent, cette technologie de production réalisée par des lasers industriels (fibre infrarouge nanoseconde) peut fournir la répétabilité, la précision et la capacité de production élevées requises, ainsi qu'un faible coût, afin de répondre aux besoins du marché.
Selon les différents domaines d'application, divers types de lasers présentent différents avantages, notamment les lasers YAG pulsés, les lasers à disque, les lasers à fibre (CW et QCW) et même les lasers à diode. Jusqu'à présent, les lasers à impulsions nanosecondes n'ont été utilisés que dans quelques applications de pointe, mais la situation est en train de changer et les lasers à fibres nanosecondes ont récemment commencé à être appliqués aux connexions matérielles.
SPI est le pionnier dans l'introduction de l'amplificateur de puissance à oscillateur contrôlé par maître (MOPA) dans les lasers à fibre nanoseconde, et cela s'est également avéré être un outil très polyvalent car il peut contrôler et ajuster l'impulsion en fonction des exigences de l'application. paramètre. Ceci est principalement réalisé en modifiant la durée et la fréquence des impulsions. Ils peuvent également être commutés entre les modes pulsé et continu, ce qui est également une caractéristique très importante en raison de leur disponibilité dans une gamme de sources lumineuses avec différentes qualités de faisceau, de sorte que différents outils peuvent être fournis en fonction de la tâche en cours. Dans la plage de puissance moyenne et de puissance de crête, ce laser peut être modulé dans la plage de la milliseconde pour convenir aux applications qui nécessitent des impulsions millisecondes avec une faible puissance moyenne.
Soudure plastique
Prenons l'exemple du soudage plastique. Dans certaines applications nécessitant une haute précision, telles que les dispositifs microfluidiques, l'utilisation de lasers à fibre gagnera plus d'avantages que d'autres sources laser. Parfois, la distribution d'énergie du spot aura un impact. Par exemple, dans un dispositif médical complexe, un polymère transparent est soudé à un polymère noir et un faisceau laser de 40 W est réglé en mode CW (figure 1)." Cela me permet de contrôler la taille du spot, la distribution d'énergie et la profondeur de champ selon les besoins." a commenté Joe Lovotti, directeur de la technologie laser chez Okay Industries (New Britain, Connecticut).
Figure 1: Soudage plastique de seringues à insuline avec laser HS-H 40W.
Soudage au fil
En termes de soudage des métaux, les applications de micro-connexion dans l'industrie des dispositifs médicaux sont de plus en plus courantes, ce qui est un défi même pour les meilleurs ingénieurs d'application. La connexion de fils métalliques minces en est un exemple, et les lasers à fibre CW ont été largement utilisés dans ce domaine. Cependant, à mesure que le fil métallique devient plus mince, les problèmes liés à l'apport de chaleur deviennent plus difficiles. Lors du soudage 50μfil enroulé de diamètre m, utilisant 20W, M2< 1,6="" laser="" pour="" obtenir="" une="" mise="" au="" point="" concentrée="" apportera="" de="" bons="" résultats.="" le="" défi="" consiste="" à="" supprimer="" la="" puissance="" de="" crête="" de="" l'impulsion="" en="" faisant="" fonctionner="" le="" laser="" à="" une="" fréquence="" de="" répétition="" plus="" élevée,="" en="" créant="" plus="" d'impulsions="">< 0,1="" mj="" et="" une="" modulation="" d'onde="" quasi="" continue="" (qcw)="" avec="" une="" fréquence="" supérieure="" à="" 250="" khz,="" ce="" qui="" au="" final="" l'analyse="" consiste="" à="" créer="" une="" chaîne="" d'impulsions="">
Certaines applications doivent connecter un revêtement extérieur ou une tresse à un fil (Figure 2). Nous avons constaté que dans ce cas, une impulsion avec une distribution d'énergie plus large peut obtenir une meilleure mouillabilité entre les deux composants. Dans cet exemple, le laser 40W, M2=3 utilisé a un spot plus grand et une énergie d'impulsion légèrement plus élevée (supérieure à 1,25 mJ), ce qui peut aider à combler l'écart.
Figure 2: Utilisation de 250 kHz, 2Laser EP-Z 0W pour souder des fils métalliques de 50 μm de diamètre (a et b),
Un laser EP-Z 20W est utilisé pour souder le thermocouple (c), et un laser 40WHS-H est utilisé pour souder la tresse unfil d (d).
D'autre part, l'utilisation d'un laser monomode de 20W et M2< 1.3="" peut="" atteindre="" une="" précision="" extrêmement="" élevée.="" un="" exemple="" est="" le="" soudage="" de="" fils="" métalliques="" fins="" et="" différents="" d'un="" diamètre="" de="">μm et les souder avec succès pour former un thermocouple. Pour obtenir l'effet souhaité dans cette application, les systèmes de sélection de gabarit et de vision sont aussi importants que les lasers.
Application de soudure à l'étain
Pour le brasage à l'étain, des lasers à diode directe ou à ondes entretenues sont généralement utilisés, mais dans les applications où l'apport de chaleur est critique, des lasers pulsés peuvent être envisagés. En utilisant de longues impulsions à des taux de répétition élevés, l'efficacité d'utilisation de l'énergie peut être améliorée et le risque de dommages thermiques peut être réduit. En utilisant le système de transmission à balayage de faisceau, l'énergie laser peut être déposée sur une plus grande zone cible, de sorte que la pâte à souder or / étain dans cet exemple ne fondra qu'à l'emplacement du contact (figure 3).
Figure 3: Soudage avec un laser HS-H de 500 kHz, 40 W.
Soudage et assemblage de métaux
L'utilisation de lasers à impulsions nanosecondes pour souder des métaux nécessite un ajustement minutieux des paramètres d'impulsion et des paramètres de processus, de manière à vraiment obtenir une bonne connexion. Après tout, ces types de légumineuses sont principalement utilisés pour enlever la matière, pas pour fondre et resolidifier. L'optimisation de l'impulsion peut obtenir la puissance de crête et l'énergie d'impulsion maximales, mais ces caractéristiques peuvent être modifiées en les utilisant à des fréquences plus élevées. Cela réduit la puissance de crête et rapproche la sortie de l'impulsion stroboscopique QCW tout en maintenant la puissance moyenne.
À cette fréquence plus élevée, l'effet de l'impulsion sur le matériau passe d'une ablation à une fusion plus proche. L'effet est remarquable. Dans l'exemple ci-dessous, on peut voir l'utilisation d'un laser 70W pour surfacer une bague d'un diamètre de 6 mm sur une fine plaque en acier inoxydable. En utilisant une impulsion de 250 ns, 1 mJ à 70 kHz, le résultat est extrêmement rugueux et fortement oxydé. Gardez tous les paramètres inchangés, augmentez simplement la fréquence d'impulsion, vous pouvez voir une amélioration significative. En doublant la fréquence à 140 kHz et en divisant par deux l'énergie d'impulsion à 0,5 mJ, on peut voir que la rugosité et l'oxydation sont grandement améliorées. En augmentant la fréquence à 500 kHz et en réduisant l'énergie des impulsions en dessous de 0,15 mJ, un cordon de soudure plus brillant n'a même pas besoin de gaz de protection. En utilisant cette technique, il est possible d'atteindre un 250μSoudure par recouvrement m (Figure 4).
Figure 4: Soudage par superposition sur la carte réalisé par impulsions 250ns à différentes fréquences.
En utilisant la technologie d'oscillation pour étendre la soudure et améliorer la pénétration de la soudure (affectant la vitesse de soudage), la forme de la soudure peut être encore améliorée.
Un essai a été effectué sur une soudure entre l'acier inoxydable et l'acier inoxydable, et la résistance au cisaillement de deux soudures de 1 mm dans une soudure par recouvrement complète de 0,5 mm dépassait 224 livres. Dans un test de pelage à 180 degrés effectué sur une soudure linéaire de 5 mm de long et 1 mm de large, le composant a cédé à 241 livres (figure 5).
Figure 5: L'image microscopique de la soudure en acier inoxydable (a) et de son test de pelage (b) produite par un laser EP-Z 70W.
En fait, cette technologie peut être appliquée à divers autres métaux, tels que l'acier, l'aluminium et même le cuivre. Lorsque cette technologie est utilisée pour connecter des matériaux hautement réfléchissants, l'impulsion doit être ajustée pour fournir suffisamment d'énergie d'impulsion pour se coupler dans le matériau. Le soudage par points de toute taille peut être réalisé en utilisant une technologie en spirale. Par exemple, un laser EP-Z de 70 W peut être utilisé pour créer trois points de soudage de 1 mm pour connecter deux 150μm feuilles de cuivre d'épaisseur. Ensuite, le prochain défi consiste à connecter différents métaux.
Soudure de métaux différents
Le plus courant dans les applications électroniques et de batterie est de connecter une fine feuille de cuivre à de l'aluminium. Afin de relever ce défi, l # 39; équipe d # 39; application de SPI&a investi dans une recherche intense. Ils ont rapidement annoncé des progrès et, lorsqu'on leur a demandé quelle était la force de la soudure, ils ont montré une image de la soudure sous une charge statique de 12 livres (figure 6).
Figure 6: Soudage par points cuivre-aluminium (a) et ses résultats d'essai de traction (b), et l'image (c) sous une charge statique de 12 livres.
En fait, un test récent effectué sur un test de traction a montré que dans un test de pelage à 90 degrés, la connexion cuivre-aluminium a échoué sous une force de cisaillement de 26 livres et a cédé à 6 livres. La soudure est intacte.
Des soudures plus complexes de matériaux différents peuvent être utilisées dans des applications commerciales réelles (Figure 7)." L'utilisation uniquement d'un laser pulsé nanoseconde monomode de 20 W nous permet de bien contrôler l'apport de chaleur et la géométrie de la soudure, en particulier dans les applications de micro-soudage très difficiles, telles que la feuille d'acier inoxydable de 0,1 mm et la connexion de feuille de titane de 0,25 mm.” a déclaré le Dr Geoff Shannon d'Amada Miyachi (Monrovia, Californie).
Figure 7: Soudage d'une feuille d'acier inoxydable et de titane avec un laser HS-S 20W.
L'introduction de ce type d'outil polyvalent peut simplifier la ligne de production, il a donc été rapidement développé dans des industries telles que la fabrication d'équipements médicaux." Ces lasers à fibre sont un outil révolutionnaire qui peut utiliser des impulsions nanosecondes pour couper, graver et moudre, et peut utiliser des impulsions de plusieurs millisecondes pour souder. Tous ces processus peuvent être réalisés avec le même laser dans la même activité de production." A commenté Mark Brodsky de Laser Mark' s (San Jose, Californie).
Résumé
Cet article présente une variété d'applications de l'assemblage et du brasage de plastique au soudage de tôles métalliques et au soudage par fil. Dans ces applications, l'utilisation de lasers à fibre pulsée nanoseconde est une excellente alternative aux sources laser YAG à impulsion milliseconde conventionnelles et CW modulées. Solution. Les bonnes performances de ces lasers dans la fabrication multi-procédés prouvent encore leur polyvalence.