I laser a fibra pulsati a nanosecondi… possono anche saldare!

La versatilità dei laser a fibra ottica pulsati a nanosecondi (ns) è ben nota in quanto sono i laser scelti per la maggior parte delle applicazioni industriali di marcatura e incisione. Avendo tipicamente meno di un millijoule (mj) di energia per impulso e fino a 100 W di potenza media, sono estremamente potenti, sia a elevate frequenze di ripetizione degli impulsi, che in onda continua (CW) e modulata quasi-cw (QCW). Più recentemente, vengono utilizzati per svariate micro lavorazioni, applicazioni di texturing della superficie e persino per applicazioni di micro taglio remoto. La stragrande maggioranza di queste applicazioni comporta la rimozione del materiale. Sulla base di questa premessa, considerare questa sorgente laser per l’unione dei materiali è poco intuitiva. Considerare che la stessa sorgente possa unire materiale e rimuoverlo, ablare, incidere, tagliare e marcare è davvero fuori dal comune e ciò renderebbe questi laser i più flessibili di sempre!

di Jack Gabzdyl & Daniel Capostagno

I vantaggi per l’utente sono significativi in quanto si ha accesso a una sorgente laser che può essere multi-task, oltre a essere contenuta in un formato compatto, spesso raffreddata ad aria, rendendo facile l’integrazione. La saggezza convenzionale suggerisce che sono necessari impulsi lunghi ms con elevate energie di impulso per creare saldature e unioni … evidentemente no! La capacità di questa tipologia di laser per l’unione dei materiali è meno nota, ma la loro capacità di unire materiali sottili è davvero impressionante.

Globalmente, settori come l’elettronica di consumo, lo stoccaggio di energia e quello dei dispositivi medicali, incrementano sempre più le prestazioni dei loro prodotti integrandoli in contenitori ad alta densità e volume ridotto. Con questo, aumenta anche la necessità di creare tecnologie produttive efficaci per rendere questi prodotti realtà; e in questo caso con tecnologie di saldatura laser. Esiste quindi una tecnologia di produzione che offre elevata riproducibilità, precisione e produttività richiesta, utilizzando laser a basso costo (di investimento e manutenzione) – industriali (fibra a infrarossi ns) soddisfando le esigenze del mercato. Una vasta tipologia di laser hanno trovato il loro posto, dal YAG pulsato, disco, fibra (CW e QCW) e persino a diodi, a seconda dell’applicazione. Finora l’uso di laser a impulsi ns si è limitato ad alcune applicazioni pionieristiche… ma le cose stanno cambiando con le recenti dimostrazioni di applicazioni che utilizzano il laser in fibra ns per l’unione dei materiali.

SPI è stata un pioniere nell’introduzione dei laser a fibra ottica MOPA ns, che sono stati visti come strumenti estremamente versatili grazie alla loro capacità di controllare e adattare le caratteristiche degli impulsi alle esigenze delle applicazioni. Ciò è ottenuto attraverso la possibilità di modificare la durata dell’impulso e anche la frequenza degli impulsi, con alcune sorgenti in grado di operare da 3ns – 500ns. La loro capacità di passare dal funzionamento a impulsi a quello in CW è stata inoltre un importante fattore di differenziazione, così come la disponibilità di queste sorgenti laser in una gamma di diverse qualità di raggio… fornendo strumenti che possono essere adattati al lavoro in questione. Nel range di potenza media e di picco del laser, questo può essere modulato in millisecondi per applicazioni che richiedono un impulso da millisecondo con bassa potenza media.

Saldatura di materiali plastici
A esempio, per la saldatura di materiali plastici, alcune applicazioni in cui è richiesta precisione, come i dispositivi micro-fluidici, traggono vantaggio dall’uso della fibra rispetto ad altre sorgenti. Il profilo energetico nello spot a volte può fare la differenza. Per esempio in un dispositivo medico complesso in cui l’esigenza di saldare un polimero trasparente a uno nero è stata soddisfatta utilizzato un laser da 40W M2=3 in modalità CW. “Mi ha dato il controllo del raggio in termini di distribuzione dell’energia delle dimensioni dello spot e profondità di campo che ho richiesto” ha commentato Joe Lovotti, Direttore di Laser Technologies Okay Ind.

Saldatura di fili
Per quanto riguarda la saldatura metallica, l’industria dei dispositivi medici è costantemente alla ricerca di applicazioni di micro-giunzione che sfidano anche i migliori ingegneri applicativi. L’unione di fili sottili è solo un esempio in cui l’uso dei laser a fibra CW è stato ampiamente utilizzato. Tuttavia, poiché i cavi si sono ridotti, le sfide associate all’apporto termico sono aumentate. L’uso di un laser EP-Z da 20 W con un M2 <1.6 garantendo una focalizzazione fine per la saldatura di un filo spiralato da 50 μm ha dimostrato di fornire un risultato eccellente. La sfida consisteva nel sopprimere il picco di potenza negli impulsi azionando il laser a frequenze di ripetizione più elevate creando qualcosa di più simile a un quasi-CW con impulsi <0.1mJ a frequenze > 250kHz ….. un treno di impulsi breve è tutto ciò che è necessario.
Rimanendo sui fili, alcune applicazioni richiedono l’unione di una guaina di copertura o di una treccia su un filo. Qui si è scoperto che avere una più ampia distribuzione di energia nell’impulso creava un migliore regime di bagnatura tra le due parti. In questo esempio, è stato utilizzato un laser da 40W M2=3 dove lo spot più grande e l’energia di impulso leggermente superiore >1,25 mJ hanno contribuito a colmare il gap.
D’altra parte, l’uso di un laser single mode da 20 W con M2 <1.3 può dimostrare la straordinaria precisione ottenibile. Un esempio è la saldatura di fili sottili dissimili del diametro di 12 μm che sono stati saldati con successo per formare una termocoppia. In tali applicazioni, l’attrezzatura e il sistema di visione sono importanti quanto il laser nel raggiungimento del risultato desiderato.

Applicazioni di saldatura a stagno
Per la saldatura a stagno vengono generalmente utilizzati laser CW o a diodi, ma in applicazioni in cui l’apporto di calore è critico, è possibile prendere in considerazione i laser pulsati. Usando impulsi lunghi ad alte frequenze di ripetizione si può ottenere una migliore efficienza di utilizzo dell’energia riducendo il rischio di danni termici. Usando un sistema di trasmissione del raggio basato su scanner, l’energia laser può essere disposta su un’area più ampia come quella in cui la pasta saldante oro/stagno nell’esempio mostrato viene solo fusa sul contatto.

Saldatura e unione di metalli
L’utilizzo di laser pulsati a ns per la saldatura dei metalli richiede un’attenta regolazione degli impulsi e dell’impostazione del processo per ottenere effettivamente buone giunzioni; dopotutto l’applicazione primaria di questi tipi di impulsi consiste nel rimuovere il materiale da non fondere e consentirne la re-solidificazione. Gli impulsi sono ottimizzati per fornire la massima potenza di picco e l’energia dell’impulso, ma queste caratteristiche possono essere modificate utilizzando frequenze più elevate. Ciò ha l’effetto di ridurre la potenza di picco rendendo l’impulso più simile a un impulso quasi CW pur mantenendo la potenza media.
A queste frequenze più elevate gli impulsi passano da un’interazione con i materiali ablativa a una più fondente. L’effetto può essere evidente, come si può vedere nell’esempio di saldatura riportato, utilizzando un laser da 70 W per fare alcuni cerchi da 6 mm di diametro, su sottili fogli di acciaio inossidabile. Utilizzando un impulso da 250ns, 1mJ a 70 kHz, il risultato è estremamente ruvido e altamente ossidato (a). Mantenendo tutti i parametri uguali, ma solo aumentando la frequenza degli impulsi si può notare un miglioramento significativo. Raddoppiando la frequenza a 140kHz e dimezzando l’energia dell’impulso a 0,5mJ si nota una riduzione della rugosità e dell’ossido (b), ma aumentando la frequenza a 500kHz e riducendo l’energia dell’impulso a <0,15mJ si può ottenere una brillante saldatura lucida (c) – anche senza un gas di protezione. Usando questa tecnica è possibile ottenere saldature di lamiere sovrapposte da 250 μm. La forma della saldatura può essere ulteriormente migliorata usando tecniche di oscillazione per allargare il tratto di saldatura e migliorare la penetrazione della saldatura stessa a scapito della velocità.
Prove eseguite, su saldature di acciaio inossidabile su acciaio inossidabile, mostrano resistenza al taglio di due saldature da 1 mm eseguite a pieno spessore da 0,5 mm essere >996N. In un caso, con un test di trazione a 180 gradi su una saldatura lineare lunga 5 mm e larga 1 mm, la parte ha raggiunto 1072N.
In realtà questa tecnica può essere utilizzata su un’ampia varietà di metalli come acciaio, alluminio e persino rame. Nell’uso di questa tecnica per unire materiali altamente riflettenti, gli impulsi devono essere regolati per fornire sufficiente energia dell’impulso per penetrare nel materiale. È possibile ottenere saldature a punti di qualsiasi diametro utilizzando una tecnica a spirale, per esempio si possono creare tre punti da 1 mm per unire fogli di rame spessi 150 μm, in meno di un secondo con un laser EP-Z da 70 W! La sfida era quindi di vedere se i metalli dissimili potevano essere uniti.

Saldatura di metalli dissimili
Un tipico requisito è l’unione di fogli sottili di rame con l’alluminio che si trovano più comunemente nelle applicazioni nel settore dell’elettronica e delle batterie. Avendo stabilito questa sfida il nostro team del laboratorio applicazioni si è messo al lavoro. Ben presto hanno riportato il successo e quando è stato chiesto quanto fossero forti le saldature hanno risposto con un’immagine della saldatura che sopportava un carico statico di 53N.
In effetti, i recenti test convalidati effettuati su un sistema di misura Instron mostrano che l’unione Cu-Al cede a 115N sotto test di taglio, con un test di trazione a 90 gradi ha ceduto a 26N. Le saldature sono rimaste intatte. È stato dimostrato che materiali dissimili più impegnativi sono stati saldati per applicazioni commerciali reali. “L’utilizzo di un laser single mode a impulsi ns da soli 20 W ci consente di controllare l’apporto termico e la geometria della saldatura con una soluzione competitiva e compatta per applicazioni di micro saldatura particolarmente impegnative, come questo foglio di alluminio da 0,1 a 0,25 mm di titanio” afferma il dottor Geoff Shannon di Amada Miyachi America.
L’introduzione di utensili per multiple applicazioni per lo snellimento delle linee di produzione stanno guadagnando terreno, per esempio nella fabbricazione di dispositivi medicali. “Questi laser a fibra rappresentano uno strumento rivoluzionario in grado di tagliare, incidere, lucidare con impulsi ns e saldare con impulsi a più millisecondi, tutti eseguiti con lo stesso laser durante la stessa attività di produzione” commenta Mark Brodsky della società Laser Mark’s.

Conclusioni
Questo articolo ha mostrato che in un certo numero di applicazioni, dall’incollaggio e la saldatura della plastica, alla saldatura di lamiere sottili e giunzioni di fili metallici, l’uso di laser a fibra pulsata ns si sta dimostrando un’ottima alternativa alle convenzionali sorgenti YAG pulsate a millisecondi (ms) e sorgenti laser CW modulate. L’adozione di queste sorgenti laser nella produzione multiprocesso è un’ulteriore conferma della loro versatilità. Se si dispone di un’applicazione di micro saldatura adatta, si dovrebbe prendere in considerazione il laser a fibra pulsata ns. ■

QUALIFICA AUTORI
Jack Gabzdyl è VP Marketing & Business Development presso SPI Lasers mentre Daniel Capostagno è Applications Manager in America presso SPI Lasers a Santa Clara, in California.