W procesach produkcji dużych serii ustandaryzowanych wyrobów od zawsze liczyły się szybkość i powtarzalność. Można je osiągnąć dzięki 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 online, jeszcze bardziej 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.

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, pozwalają na elastyczną regulację 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 przykładach, cecha ta jest pożądana zarówno w procesach lutowania twardego dużych komponentów, jak i podczas łączenia filigranowych układów elektronicznych metodą lutowania selektywnego (miękkiego).

Lutowane laserowo komponenty dachu pojazdu od strony przedniej i tylnej

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

Testy lutowania laserowego blachy stalowej cynkowanej z wykorzystaniem systemu DF060 HP firmy Coherent-Rofin

Wpływ temperatury i czasu lutowania na wyniki procesu

Przykłady lutowania laserowego komponentów elektronicznych

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, z naciskiem na powtarzalność procesów oraz szybkość produkcji komponentów (i jest dziś uznawany za lidera w tym zakresie), z drugiej zaś strony jest to segment szybko reagujący 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 w zasadzie przeciwstawne tendencje mają decydujący wpływ na wybór technologii łączenia materiałów, zwłaszcza na powierzchniach zewnętrznych widocznych dla końcowego użytkownika. Tu – poza odpowiednią wytrzymałością – kluczową rolę odgrywa estetyka połączenia i brak konieczności obróbki wykańczającej, która wiąże się z dodatkowymi nakładami finansowymi i czasowymi. Stąd też w takich zastosowaniach tradycyjne techniki spawania zastępowane są procesami lutowania laserowego twardego (w temperaturze powyżej 450°C), w których procesom topienia poddaje się nie krawędzie łączonych detali, lecz materiał pomocniczy w postaci spoiwa lutowniczego.

Przykładem użycia tej technologii może być proces łączenia komponentów dachów samochodowych. Dobrze 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, która służyła usunięciu nierówności powstałych w procesie spawania, widocznych także po nałożeniu lakieru. Był to jednak proces czaso- i kosztochłonny. Zastosowanie w zamian 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. Pozwala to na prowadzenie procesu lutowania z dużymi prędkościami dochodzącymi do 6 m/min (zob. tabela).

Przykład 2: Lutowanie selektywne (miękkie) układów elektronicznych

Miniaturowe układy elektroniczne i optoelektroniczne stanowią szczególne wyzwanie dla producentów urządzeń lutowniczych. Niewielkie rozmiary takich układów powodują bowiem, że bezpośrednie doprowadzenie kolby lutowniczej, induktora czy palnika w miejsce łączenia jest bardzo trudne i czasochłonne. Dodatkowe utrudnienie stanowi także ich duża wrażliwość na temperaturę, co wymusza stosowanie technologii o niewielkiej, precyzyjnie sterowanej strefie wpływu ciepła. Aspekt ten jeszcze bardziej zyskał na znaczeniu wraz z wprowadzeniem w 2006 r. unijnej dyrektywy RoHS, która ograniczyła możliwość użycia w tych procesach materiałów zawierających ołów.

Nowe, bezołowiowe spoiwa lutownicze cechują się mniejszą tolerancją temperatury obróbki: topią się w wyższej temperaturze (215–220°C), a przy tym wykazują większą skłonność do powstawania tzw. zimnych lutów. Z tego względu tworzenie z ich pomocą połączeń lutowanych wymaga precyzyjnego sterowania mocą urządzeń lutowniczych, a tym samym i temperaturą w strefie obróbczej. Możliwość taką oferują laserowe stacje lutownicze, w których jako źródło wykorzystano laser diodowy dużej mocy. Dzięki odpowiedniej wielkości plamki (±200 μm), odpowiadającej standardowym rozmiarom punktów lutowniczych w sektorze produkcji elektroniki i optoelektroniki, źródło to zapewnia doprowadzenie wiązki dokładnie na punkt lutowniczy. Największą precyzją w tym względzie cechują się lasery diodowe o wiązce wiedzionej światłowodem: elastyczny światłowód może być bez problemu doprowadzony bezpośrednio do punktu lutowniczego, a optyka skupiająca wiązkę o stałej ogniskowej zapewnia dokładne 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 też gwarantuje wysoką jakość i powtarzalność uzyskanych wyników.

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.

Kontrolę można jeszcze rozszerzyć, uzupełniając system o dodatkowe moduły monitorujące i regulujące kluczowe parametry pracy urządzenia: temperaturę wiązki laserowej i prędkość doprowadzania drutu lutowniczego. Istotne jest, by zapewniały one kontrolę w czasie rzeczywistym i możliwość zmiany parametrów procesu (ilości dostarczanej energii, prędkości podawania drutu) w jego trakcie. 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 do 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. A wraz z nią na znaczeniu zyskiwać będzie 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.