1. Pájení Laserem – 93* (ostatní způsoby) Technologie pájení, kdy na rozdíl od svařování dochází k difúznímu spojování dílů nataveným přídavným materiálem za pomoci tavidla při teplotě nižší, než je teplota tavení spojovaných dílů, vyznává dvě základní metody. Pájení naměkko při teplotách do 450 oC a pájení natvrdo při teplotách nad touto mezí. Měkké pájky jsou obvykle slitinami kovů s obsahem cínu, olova, zinku, kadmia, bismutu apod. (i když dnes je novým trendem používat i pájek bezolovnatých), základním materiálem pájek tvrdých je pak měď. Úkolem tavidla - většinou tekutého - je odstranit povlak oxidu ve stykových plochách, a protože také tavidlo většinou obsahuje vedle účinných složek některé zdravotně nevhodné složky, jako jsou fluor, chlor, bor nebo fosfor, je tendencí se tavidlům vyhnout a ušetřit tak i na následné operaci čištění povrchu. Přínosem je v tomto směru používat při pájení ochranný plyn, např. argon, který spolehlivě chrání stykové plochy před oxidací. Lze použít i pracovní plyny s vysokou afinitou ke kyslíku, např. směs dusíku s malým množstvím vodíku jako reakčního plynu. U laserového pájení platí obecné přednosti laserů, známé například již z technologií svařování, jako je bezkontaktní pracovní proces s regulací předávané energie a dobrá fokusace paprsku bez negativního tepelného zatížení okolní zóny. Laser zahřívá spoj jen v úzké stopě, kde snadno dochází ke vzniku potřebné vysoké teploty, která dovoluje používat při tvrdém pájení i vysokotavné pájky na bázi mědi, které jsou při obdobných vlastnostech podstatně levnější než jinak často používané pájky na bázi stříbra. [2]
Obr. 1.1. Použití laseru při spojování autokaroserií [1]
-1-
2. Princip technologie a fyzikální vlastnosti Pájení je metalurgický proces, kterým vzniká nerozebíratelné spojení kovů stejného nebo rozdílného chemického složení pomocí roztavené slitiny - pájky. Pájené plochy nejsou natavené, ale smáčené roztavenou pájkou. Pájka proniká do základního materiálu a ve většině případů nastává i difúze a rozpouštění stykové plochy základního materiálu v roztavené pájce (obr. 3-1). Teplota tání pájky je vždy nižší než teplota základního kovu. Pevnost pájeného spoje je dána pevností mezivrstvy pájený kov-pájka-pájený kov. Platí, že: čím tenčí je mezivrstva, tím větší je pevnost a naopak. Pájka musím mít dobrou zatékavost, vzlínavost, vyhovující mechanické vlastnosti, malý rozdíl elektrického potenciálu vůči základnímu Obr. 2.1. Princip pájení [1] materiálu a nízkou cenu. [1] Podle teploty tání se pájky dělí na měkké (do 500 °C) a tvrdé (500 až 1000 °C). ∑
∑
Měkké pájky jsou cínové a zvláštní. Dodávají se ve tvaru litých tyček, trubiček s náplní tavidla, zrn apod. Měkké pájky se používají na spoje malé pevnosti v tahu (20 až 80 MPa) a ve střihu (do 40 MPa). Tvrdé pájky jsou na bázi slitin, mědi, hliníku (typ Al-Si) a stříbra. Dodávají se ve formě housek, drátů apod. Používají se na spoje větší pevnosti (až 500 MPa).
Tavidla jsou kapalné nebo tuhé chemické látky, které odstraňují z pájených ploch nečistoty a oxidy zabraňují jejich dodatečné oxidaci. Podle pracovní teploty rozdělujeme pájení na: ∑ ∑ ∑
měkké pájení, tj. s použitím tavidla, kdy pájka má teplotu likvidu po 460 °C; tvrdé pájení, tj. s použitím tavidla, kdy pájka má teplotu likvidu na 460 °C; vysokoteplotní pájení, tj. tvrdé pájení bez tavidla v ochranné atmosféře nebo ve vakuu pájkou, jejíž teplota likvidu je nad 950 °C.
Měkké pájení se používá ke spojování měkkých i tvrdých ocelí pozinkovaných i pocínovaných ocelových plechů, hliníku, slitin mědi apod. Tvrdé pájení se používá zejména tam, kde je spoj namáhán na tah. Pájí se hliník a jeho slitiny, ocel s jinými kovy apod. Zvláštní způsob pájení je reakční pájení, které se používá k pájení lehkých kovů. Kapilární pájení je zvláštní způsob tvrdého pájení, při němž se využívá kapilární vzlínavost pájky. [1] Obr. 2.2. Detail spojovacího místa
-2-
Nesfokusovaný plamen ve všeobecnosti nedává dostatečnou hustotu energie potřebnou na dosáhnutí teploty, jako je bod tavení nebo bod varu. Z těchto příčin proto vyžadujeme fokusování laserového plamene. Velmi důležité vlastnosti laserového plamene je velikost stopy svazku záření a divergence, která je definována : Vztah :
Q=
4*λ π * dm
λ …. je vlnová délka dm… je minimální průměr plamene měřený v místě, kde intenzita je (1/ e2)- násobek intenzity na jeho ose.
4* f * λ = f *Q π * do Velikost plamene je přímo úměrná ohniskové vzdálenosti čočky f, vlnové délky laseru λ a nepřímo úměrná průměru plamene d0. Pro záření na dané vlnové délce je velikost stopy minimální při minimálním poměru f/d0. Na dosáhnutí vysoké hustoty energie je nevyhnutelné zabezpečit malou rozbíhavost záření v uvažovaném svazku. V praxi se to dosahuje rozšiřovací optikou skládající se ze systémů dvou čoček. Průměr sfokusované stopy plamene je dán vztahem :
d=
Obr. 2.3. Systém optiky Interakce laserového záření s materiálem (absorpce a reflexe): Po dopadu sfokusovaného svazku laserového plamene na malou plochu se část záření odrazí, část přechází materiálem a část se absorbuje. Absorbované záření způsobuje silné ohřátí materiálu, jeho tavení a odpařování. Tavení a odpařování materiálu doprovází různé efekty: Např. tvorba oblasti ionizace a plazmového oblaku nad materiálem, vytrhávání větších částí materiálu a tlakové vlny, které se šíří materiálem. Oblast ovlivněná tepelnými efekty se může v důsledku absorpce záření lišit od teoreticky předpovídaného průměru stopy svazku. Jeho velikost a výsledný efekt záření je určený především výkonem laseru, plošnou hustotou, výkonu záření, časem působení záření, optickými vlastnostmi materiálu, povrchovými podmínkami a tepelnými vlastnostmi.
-3-
3. Technologie pájení a její možnosti Diodové lasery Pro pájení byly nejprve používány pevnolátkové Nd:YAG lasery, pracující na vlnové délce 1064 nm, kde při dané vlnové délce docházelo k příznivé absorpci v materiálu pájky. Vedle těchto laserů přicházejí v poslední době do obliby i výkonové diodové lasery s vyzařováním na vlnové délce 780 až 980 nm, které mají hned několik předností. Odlišný je profil paprsku, kdy oproti kruhovému profilu, obvyklému u jiných typů laserů, jde zde spíše o pravoúhlý průřez s téměř konstantním rozdělením intenzity záření. Ten technologii pájení dobře vyhovuje a při správném směrování paprsku umožňuje předehřev pájených míst ještě před nanášením pájky a samotnou natavenou pájku drží déle v tekutém stavu. Takový proces je nejen rychlejší, ale lepším pokrytím pájených míst pájkou dochází i ke zvýšení kvality spoje. Při porovnání laserů pevnolátkových Nd:YAG a diodových vyniká i vysoká životnost laserových diod, která dosahuje až kolem 10 000 pracovních hodin oproti 500 až 1000 hodin životnosti výbojek, zatím ještě většinou užívaných při čerpání pevnolátkových laserů. Vedle některých technologických předností vykazují výkonové diodové lasery při pájení i nižší provozní náklady než Nd:YAG lasery, a to podle průzkumu prováděného v SRN i více než poloviční. Rychlost pájení je u obou skupin laserů stejná, tj. kolem 5 m.min-1. [3]
Měkké mikropájení Doposud se užití laseru k pájení většinou omezovalo na technologii pájení naměkko, oblíbenou zvláště při výrobě elektroniky, osazování plošných spojů, pájení nebo odletování elektronických prvků u technologie SMD, kde citlivé elektronické komponenty nesmí být vystaveny žádnému tepelnému zatížení. Speciální typovou řadu vhodných diodových laserů pro technologii pájení naměkko s výstupním výkonem od 110 do 220 W vyvinul pro montáž elektronických dílů Fraunhoferův institut ILT v Aachenu. Při pracovní vzdálenosti 30 mm se zde dosahuje fokusace na plošku 0,4 x 4 mm, při vzdálenosti 240 mm pak na 2,5 x 25 mm. Ve stejném ústavu vyvinuli i montážní pracoviště elektroniky, kde 30W diodové lasery pro pájení vkládaných prvků jsou umístěny přímo u chapadel montážního automatu, a do třetice pochází z vývoje v ILT i ruční montážní laser elektronických dílů, kterým lze docílit teplot až kolem 400 o C, vhodných např. pro pájky typu Zn-Al. Při pájení elektronických prvků u technologie SMD jde většinou o velkosériovou až hromadnou výrobu, kde je důležité dosáhnout kvalitních spojů v časovém průběhu už od desetin sekundy. Firma Dilas, která se zabývá výrobou výkonových diodových laserů, zde přišla se zajímavou myšlenkou řízení celého procesu pájení, včetně předávané energie laserového paprsku, pomocí integrovaného pyrometru. Jak ukázaly kontrolní rentgenové snímky pájených spojů, vykazují pájené spoje při užití pyrometru daleko menší výskyt pórů a eventuálně jejich menší velikost, než je tomu při pájení bez regulace pyrometrem, i když při pouhé vizuální kontrole se v obou případech mohou jevit jako naprosto dokonalé. Pro integraci pyrometru upravila firma Dilas i speciální verzi diodového laseru s označením DLx. Pájku je možné dodávat jak ve formě drátu, tak i pasty. [3]
-4-
Zajímavou verzi měkkého mikropájení předvedl na mezinárodním veletrhu Laser 2003 World of Photonics v Mnichově Fraunhoferův institut IOF z Jeny. U mikrooptických hybridních systémů se doposud pro spojování různorodých materiálů užívalo lepidel na bázi organických polymerů, což s sebou přinášelo při nedostatečné trvanlivosti spoje i špatnou stabilitu vůči UV záření a vlhkosti. Lepený spoj optický substrát - kov se zde úspěšně nahradil po předchozím povrstvení substrátu pájením, kdy z měkkých pájek byla vybrána poměrně vysokotavná eutektická pájka 80Au20Sn. [3]
Tvrdé mikropájení V poslední době se stále více začíná používat i technologie laserového pájení natvrdo, kde pevnost spoje je podstatně vyšší než u pájení naměkko a v mnoha případech bohatě postačí, přičemž oproti technologii svařování má svou přednost i v praktickém vyloučení jakékoliv deformace spojovaných dílů nadbytečnou tepelnou energií. Tvrdé pájení je vhodné i pro spojování dílů se speciální povrchovou úpravou. Vhodné je pro pozinkované plechy, kde pájení nenarušuje povrchovou vrstvu, vzájemně lze pájet díly z Al a jeho slitin nebo i nesourodé materiály typu ocel-Al. Přesto jsou metody pájení s užitím laseru a zvláště pak pájení natvrdo stále ještě jen na počátku svého vývoje a postupně se zde sbírají zkušenosti od jednotlivých uživatelů. Vždyť prvopočátky tvrdého pájení se datují až na konec 90. let minulého století. V současné době se používá pájení natvrdo např. u ocelových karosářských dílů modelu Audi-TT, VW Bora, T modelů E třídy vozidel Mercedes-Benz a některých typů BMW. Zkušenosti německé firmy Erlas, která se na zavádění těchto metod většinou podílela, předpokládají vhodnost laserového pájení u moderního osobního vozidla v rozsahu švů asi o celkové délce až 6 m, přičemž výhodnost laserového pájení se neprojevuje jen při výrobě nových vozidel, ale i při případných opravách a výměně dílů, kdy pájený spoj oproti svařovanému umožňuje snadnější demontáž a opětně i montáž bez tepelného narušení nebo deformace okolí spoje. Pokud jde o rychlost pájení, dosáhl Erlas s užitím 4kW diodových laserů při pájení střešních dílů autokaroserií s pájkou CuSi3 rychlosti až 5 m.min-1. Nejčastější formou švů u pájení dílů karoserií bývá koutový profil u přeplátovaných dílů nebo lemový šev, které dovolují větší rozměrové tolerance u spojovaných dílů i při dodržování vzájemné polohy, což je podstatné zvláště při automatizované výrobě. Spoj není nutné po pájení nijak ošetřovat a celý díl může postoupit ihned k další operaci, jakou může být třeba i závěrečné lakování. U BMW se pájení natvrdo používá pro karoserie elektrolyticky nebo žárově pozinkovaných plechů o tloušťce vrstvy od 5 do 15 mm. Pro vzájemnou provázanost rychlosti pájení, předávané energie laserového paprsku a posunu pájecího drátu s možností programování všech potřebných dat zde vyvinuli ve spolupráci s firmou Mitsubishi laserovou hlavici s koaxiálním přívodem drátu, která se plně osvědčuje zvláště u prostorově složitých 3D spojů. [3]
-5-
Další aplikace Pokud jde o vzájemné pájení ocelových dílů a dílů z hliníkových slitin, což je dnes aktuální zvláště při snaze o snížení hmotnosti vozidel, pak zcela nový postup s novou, zatím blíže nespecifikovanou pájkou se údajně podařil německé AG Berliner Photon. Přes rozdílné fyzikální a mechanické vlastnosti obou složek a oxidaci povrchu Al by měl zaručovat jak dosažení spolehlivých fyzikálních parametrů spoje, tak i zachování nerušeného tvaru spojovaných dílů.
4. Pájené spoje
Obr. 4.1. Tvary švů při pájení přeplátovaných a stykových spojů [5]
Obr. 4.2. Pájený šev na pozinkovaném ocelovém plechu tloušťky 0,8 mm při pájce CuSi3 (vlevo bezprostředně po pájení, vpravo po následující operaci lakování) [5]
-6-
Tvrdé pájení laserem se samozřejmě neomezuje jen na automobilovou výrobu, ale začíná se používat i u jiných technologií, jako je třeba pájení řezných destiček na nástroje. Takovým příkladem může být pájení tvrdokovových destiček na zuby kotoučové pily o průměru 1150 mm, užívané pro dělení velkoprůměrového potrubí se stěnami o tloušťce 10 až 30 mm podle projektu AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung). Tady se osvědčilo laserové pájení oproti jiným klasickým metodám pájení především už svou základní podstatou, tj. minimálním tepelným ovlivněním okolní zóny a vhodnější regulací výkonu při pájení, kdy při lepším rozložení tvrdosti po pájení u samotné řezné destičky nedocházelo ani k žádné deformaci či ztrátě pevnosti u pilového listu. [2]
Obr. 4.3. Kotoučový list o průměru 1150 mm a tloušťce 5,5 mm z materiálu 75Cr1[5]
Tepelné ovlivnění základního materiálu
Laser
MIG
Obr. 4.4. TOO – pájení laserem[1]
Obr. 4.5. TOO – pájení MIG[1]
-7-
Metalografická analýza
Obr.4.6. zvětšení 40x [1]
Obr. 4.7. zvětšení 250x [1]
Obr. 4.8. Metalografická analýza-zvětšení 50x [1]
Měření tvrdosti
Obr. 4.9. Trhací zkouška pájeného spoje u pozinkovaného ocelového plechu o tloušťce 0,8 mm, pájka CuSi3
-8-
5. Popis zařízení
Obr. 5.1. Laserová pájecí hlava Zdroj: MTA AUTOMATION ag
Obr. 5.2. Pájecí stanice pro polovodičový průmysl Zdroj: OMRON
Obr. 5.3. Laserová pájecí stanice Zdroj: EFD International, Inc.
Obr. 5.4. Laserové pájecí rameno [5]
-9-
Nabídka laserové pájecí techniky firmy FRONIUS Česká Republika s.r.o. [4]
- 10 -
Použitá literatura: [1] KAPSA, V. Použití laseru při spojování autokaroserií [online], 2003. Dostupné z WWW
[2] TECHNICKÝ DENÍK, Pájení laserem – technologie budoucnosti [online], 2003. Dostupné z WWW [3] ŠMÍD, J. Mikronapájení a makropájení laserem[online], MM 2003 / 10, v rubrice Trendy / Automobilový průmysl, strana 28. Dostupné z WWW [4] FRONIUS, Výrobní katalog – divize svařovací technika [online], 2008. Dostupné z WWW [5] TECHNICBAY - specializovaný strojírenský inzertní systém na internetu, Mikropájení a makropájení laserem [online], MM publishing, s.r.o.03. 06. 2005, Dostupné z WWW: http://technicbay.com/zprava.php?id=67
- 11 -
