MM Magazyn Przemysłowy | nr 2/2018: "Lutowanie laserowe w produkcji wielkoseryjnej"

Wraz z miniaturyzacją obrabianych komponentów oraz postępem w rozwoju nowych materiałów cechujących się często większą wrażliwością na wysokie temperatury lutowanie laserowe coraz bardziej zyskuje na znaczeniu, oferując możliwość łatwej automatyzacji oraz dużą dostępność niezależnie od kształtu detali. Szczególnie istotną rolę odgrywa ono w procesach produkcji wielkoseryjnej wymagających ograniczenia strefy wpływu ciepła i precyzyjnego sterowania podawaniem spoiwa, w tym w sektorze motoryzacyjnym oraz produkcji elektroniki i optoelektroniki.

W procesach produkcji dużych serii ustandaryzowanych wyrobów od zawsze liczyła się szybkość i powtarzalność osiągana na drodze postępującej automatyzacji poszczególnych etapów wytwarzania. Wraz z początkiem ery Przemysłu 4.0, a co za tym idzie dalszą miniaturyzacją i modyfikacją składu materiałowego detali, aspekty takie jak szybkość, precyzja i możliwość kontroli całego procesu, przede wszystkim w trybie on-line, jeszcze zyskały na znaczeniu. W zakresie technologii laserowych przełożyło się to na szybki wzrost popularności lutowania laserowego jako metody alternatywnej nie tylko wobec tradycyjnych technik lutowniczych, ale także spawania.

Lutowane laserowo komponenty dachu pojazdu od strony przedniej i tylnej

Momentem przełomowym w tym procesie było upowszechnienie się laserów diodowych jako źródeł promieniowania laserowego do obróbki lutowaniem. Lasery te emitują bowiem promieniowanie o długości fali 980 (808) nm dobrze absorbowanej przez metale i stopy lutownicze. Co więcej, wykazują się możliwością elastycznej regulacji mocy wyjściowej, a tym samym i ilości doprowadzanej energii procesowej. Dzięki temu umożliwiają lokalne przetapianie stopu lutowniczego bez ryzyka naruszenia materiału lutowanych detali, a także szybkie reagowanie na wahania zapotrzebowania na energię. Jak pokażemy na poniższych przykładach, cecha ta jest pożądana zarówno w procesach lutowania twardego dużych komponentów, jak i łączenia filigranowych układów elektronicznych metodą selektywnego lutowania miękkiego.

Przykład 1: lutowanie twarde dachów samochodowych

Przemysł motoryzacyjny jest branżą silnych kontrastów: z jednej strony jako jeden z pierwszych rozpoczął wdrażanie środków automatyzacji na szeroką skalę i jest dziś uznawany za jeden z najbardziej postępowych w tym zakresie, z silnym naciskiem na powtarzalność procesów i szybkość produkcji komponentów; z drugiej strony jest to segment mocno ukierunkowany na potrzeby klienta, a tym samym przodujący w rozwoju technologii i metod produkcji ukierunkowanych na poprawę komfortu jazdy oraz aspektów wizualnych i jakościowych pojazdów.

Te dwie – zdawać by się mogło – przeciwstawne kwestie mają decydujący wpływ także na wybór technologii łączenia materiałów, zwłaszcza na powierzchniach zewnętrznych widocznych dla końcowego użytkownika. Tu – poza odpowiednią wytrzymałością – kluczową rolę odgrywa bowiem estetyka połączenia oraz brak konieczności obróbki wykańczającej wiążącej się z dodatkowymi nakładami finansowymi i czasowymi. Stąd też w takich aplikacjach tradycyjne techniki spawania zastępowane są procesami lutowania laserowego twardego (w temperaturze > 450ºC), w których procesom topienia poddawane są nie krawędzie łączonych detali, lecz materiał pomocniczy w postaci spoiwa lutowniczego. Przykładem zastosowania tej technologii może być proces łączenia komponentów dachów samochodowych.

Wyniki testów lutowania laserowego blachy cynkowanej laserem DF060 HP firmy Coherent | Rofin o mocy 6 kW przy prędkości 6 m/min

Odpowiednio wykonane połączenie elementów dachu pojazdu powinno z jednej strony zapewniać odpowiednią szczelność i odporność na wysokie naprężenia, a z drugiej – cechować się estetycznym wyglądem. Aby osiągnąć ten cel, połączenie spawane pachwinowo poddawano dodatkowej obróbce wykańczającej służącej usunięciu nierówności powstałych w procesie spawania, widocznych także po nałożeniu lakieru. Proces ten był jednak czaso- i kosztochłonny. Zastosowanie jako alternatywy lutowania laserowego pozwoliło na uzyskanie gładkich powierzchni bez konieczności dalszej obróbki. Ponieważ w procesie tym topieniu poddawany jest materiał pomocniczy, krawędzie komponentów nie są narażone na korozję. Co więcej, dodatek drutu powoduje, że komponenty nie muszą być idealnie spasowane, a jakość wiązki laserowej może być mniejsza niż w przypadku analogicznego procesu spawania laserowego. Stąd też proces może zachodzić z dużymi prędkościami dochodzącymi do 6 m/min.

Przykład 2: selektywne lutowanie miękkie układów elektronicznych

Miniaturowe układy elektroniczne i optoelektroniczne stanowią szczególne wyzwanie dla producentów urządzeń lutowniczych. Ich niewielkie rozmiary powodują bowiem, że bezpośrednie doprowadzenie kolby lutowniczej, induktora czy palnika w miejsce łączenia okazuje się bardzo trudne i czasochłonne. Dodatkowym utrudnieniem jest także ich duża wrażliwość na temperaturę, co wymusza stosowanie technologii o niewielkiej, precyzyjnie sterowanej strefie wpływu ciepła. Aspekt ten zyskał jeszcze na znaczeniu wraz z wprowadzeniem w 2006 r. unijnej dyrektywy RoHS, która ograniczyła możliwość stosowania w tych procesach materiałów zawierających ołów. Nowe, bezołowiowe spoiwa lutownicze cechują się mniejszą tolerancją temperatury obróbki: topią się w wyższej temperaturze (215-220ºC), a przy tym wykazują się większą skłonnością do powstawania tzw. zimnych lutów. Z tego względu ich tworzenie wymaga precyzyjnego sterowania mocą urządzeń lutowniczych, a tym samym i temperaturą w strefie obróbczej.

Schemat komponentów procesu lutowania laserowego z wykorzystaniem drutu lutowniczego

Możliwość taką oferują laserowe stacje lutownicze, w których jako źródło laserowe wykorzystano laser diodowy dużej mocy. Tego typu źródło – dzięki odpowiedniej wielkości plamki ±200 µm odpowiadającej standardowym rozmiarom punktów lutowniczych w sektorze produkcji elektroniki i optoelektroniki – zapewnia precyzyjne doprowadzenie wiązki dokładnie na punkt lutowniczy. Największą precyzją w tym względzie cechują się lasery diodowe o wiązce prowadzonej światłowodem: elastyczny światłowód może być bez problemu doprowadzony bezpośrednio do punktu lutowniczego, a optyka skupiająca wiązkę o stałej ogniskowej zapewnia precyzyjne ogniskowanie promieniowania laserowego na punkt lutowniczy. W ten sposób można łączyć nie tylko dwie szyny sterownicze czy styki z obudową, ale także np. elementy SMD z płytką drukowaną.

Efektywna kontrola warunkiem automatyzacji

W obu przytoczonych przykładach kluczowym aspektem przewagi lutowania laserowego nad innymi technikami łączenia materiałów jest automatyzacja tego procesu, rozumiana jako połączenie poszczególnych jego etapów (podawania lutu, obracania detalu, włączenia i wyłączenia urządzenia) w jeden ciąg wzajemnie warunkowanych procesów. Nie tylko znacznie skraca ona cykl produkcyjny, ale także gwarantuje wysoką jakość i powtarzalność uzyskanych wyników.

Wpływ temperatury i czasu lutowania na wyniki procesu

Ową automatyzację można przy tym rozpatrywać dwojako: jako zespół fizycznych komponentów zapewniających realizację poszczególnych czynności składających się na proces łączenia detalu (podajnik drutu bądź pasty, dysza, emiter wiązki laserowej, dopasowane mocowanie) lub jako integrację autonomicznych systemów sterowania i kontroli w jeden spójny, interakcyjny system sterowania. W pierwszym przypadku warunkiem skutecznej automatyzacji jest takie skonfigurowanie poszczególnych komponentów urządzenia, aby harmonijnie ze sobą współgrały przy realizacji kolejnych etapów lutowania. W drugim na znaczeniu zyskuje kwestia odpowiedniego zaprogramowania systemu tak, by zapewniał maksymalną kontrolę nad procesem.

Co więcej, kontrolę tę można jeszcze rozszerzyć, uzupełniając go o dodatkowe moduły monitorujące i regulujące kluczowe parametry pracy urządzenia: temperaturę wiązki laserowej oraz prędkość doprowadzania drutu lutowniczego. Istotne jest przy tym, aby zapewniały one kontrolę w czasie rzeczywistym i możliwość zmiany parametrów procesu (ilości dostarczanej energii, prędkości podawania drutu) w trakcie jego trwania. W pierwszym przypadku monitoring taki realizowany jest bezdotykowo za pomocą pirometru umiejscowionego na wyjściu wiązki laserowej; w drugim regulacja siły/posuwu odbywa się na zasadzie mechanicznej: gdy drut natrafi na przeszkodę (opór) na lutowanej powierzchni, proces lutowania zostaje wstrzymany, a system archiwizuje ostatnią lokalizację jako punkt referencyjny dla jego wznowienia.

Wydaje się, że podobnie jak w innych systemach laserowych, także i w przypadku urządzeń do lutowania laserowego kwestia odpowiedniego opomiarowania i efektywnej regulacji online w czasie rzeczywistym będzie nadal zyskiwała na znaczeniu, decydując o przewadze danego systemu nad innym. Zaś wraz z nią na znaczeniu zyskiwać będzie także samo lutowanie laserowe jako atrakcyjna alternatywa dla spawania i lutowania innymi metodami, które jako trudniej poddające się automatyzacji generują wyższe nakłady czasowe i finansowe na realizację pojedynczego cyklu łączenia materiałów.