Mikro lasersko zavarivanje

Mикро обрада и карактеризација - Микро ласерско заваривање

Садржај

1. УВОД.....................................................................................................................................22. ЛАСЕРИ И ЊИХОВА ПРИМЕНА.......................................................................................5

2.1 Теорија.............................................................................................................................52.2. Могућност коришћења..................................................................................................62.3. Развој ласерске технологије..........................................................................................62.4 Врсте ласера....................................................................................................................8

3. ЗАВАРИВАЊЕ ЛАСЕРОМ...............................................................................................123.1 Заваривање танких фолија од материјала Монел 400 користећи пулсирајући Nd:YAG ласер......................................................................................................................163.2 Микро ласерско заваривање полимерних структура користећи ласерске диоде малих снага..........................................................................................................................233. 3 Ласерско заваривање полимера коришћењем Хигх ласерских диода велике снаге...............................................................................................................................................24

3.3.1 Диодни ласер.........................................................................................................253.3.2 . Основе заваривања полимера ласером..............................................................253.3.3 Апарати за процес ласерског заваривања полимера..........................................263.3.4 Топлотно понашање полимера.............................................................................273.3.5 Примена полимера у нашем окружењу...............................................................29

4. ЗАКЉУЧАК........................................................................................................................315. ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................................32

Машински факултет у Београду Школска година 2012/2013 1


1. УВОД

Пре стотину година делови ручних сатова су били једини микро делови који су индустријски прављени. Међутим, недавне измене у друштвеним захтевима су нас приморале да уведемо све више и више микро делова у различите индустријске производе.

Слика 1 – Сатни механизми и делови

На пример, након увођења полупроводничких уређаја, електрична кола постају изузетно компактна. Интегрисана кола морају да садрже делове који су микродимензија. Плоча мора имати микрорупе, а релеји и прекидачи су склопови смањених машинских делова.

Слика 2 – Интегрисана кола

Други пример је убризгавање горива млазницом у аутомобиле. Прописи који произилазе из еколошких проблема су нас приморали да побољшамо дизајн млазнице према онима мањег обима и веће прецизности.



Слика 3 - Дизел млазнице

Нови захтеви за микропроизводима јављају се у биотехнологијама. Пошто објекти у овој области обухватају биолошке ћелије и гене, алат који их обрађује мора имати микроефекторе. Трећи пример је хирургија, у којој се захтева могућност израде делова који ће у процесу лечења смањити болове пацијената до прага неосетљивости. Минијатуризација медицинских алата је један од начина да се обезбеде ови захтеви.

Слика 4 – Минијатуризација медицинских алата

Микро обрада је једна од кључних технологија која може да омогући реализацију поменутих захтева за микро производима и веома брзо се шири.

Употреба микро производа и микро компоненти расте у последњих неколико година. Статистичари су израчунали да је од 2000. до 2005. године забележено светско тржишно повећање са 30 на 60 милијарди долара у области микро обраде. Најзначајнији производи су групе ИТ компоненти (инк-џет штампача, читача картица итд.), као и медицински и биомедицински производи (пејсмејкери, опрема за анализу, сензори итд). Поред поменутих ИТ компонетни и медицинских производа, највећа стопа раста микро производа је у аутоиндустрији и на подручју телекомуникација.

Технологије се веома брзо развијају, пре свега вођене потребама електро индустрије која ствара чипове мањих димензија а већих капацитета. Развојни процеси су осмишљени тако да налазе широку примену и да временом има што више



заинтересованих купаца. Развој производне технологије омогућава да se производи производе по разумној цени и у великом броју. Ова два захтева даље указују на употребу метала, полимера и керамике (или комбинације ових), као материјала који ће се користити за микро компоненте и производе.

Иновације у области микро и нано технологије у великој мери карактеришу одређени фактори. Традиционалне дисциплине као што су нпр. физика, биологија, медицина и инжењерство су уједињени у заједнички развојни процес који може да се одржи само у присуству мулти-дисциплинарне надлежности. Пример је сензор за хемијску анализу течности, где хемија, биологија и механика флуида утичу на дизајн и развој производа.

Развој производа и дизајн нових производа ће бити језгро одговарајућих компанија у будућности. Ово укључује могућност да се виде и користе могућности изазване нано и микро технологијама. То подразумева способност да се интегришу у производ развојне фазе разматрања у вези материјала, процеса и технологије производње тако да то постаје могуће за настанак производа. Ово подразумева развој нових дизајнерских принципа и методологија.



2. ЛАСЕРИ И ЊИХОВА ПРИМЕНА

2.1 Теорија

Истраживања која су претходила настанку ласера произлазе из гране физике познате под именом квантна механика. 1900. године Макс Планк (Max Planck) је поставио хипотезу да побуђени атом зрачи енергију у дискретним пакетима, које је назвао квантима, а не континуирано као што је то објашњавала тада раширена теорија електромагнетског зрачења. Планк није никада наставио рад на проблемима који су произишли из његове теорије. Међутим, пет година касније то је направио Алберт Ајнштајан (Einstein), износећи идеју о светлости која се не састоји од таласа него од енергекских “пакета” (касније названих фотони); што је већа фреквенција светлости фотони имају више енергије. Он је описао како електрони, под неким одређеним условима могу апсорбовати и емитовати фотоне. Овај научни продор који ће му касније донети заслужену Нобелову награду, употребио је за објашњење фотоелектричног ефекта (емисија електрона из материјала због упада светлосног зрачења на материјал, првенствено видљиве светлости). С Ајнштајновом теоријом светлости, као честице, нису се баш сви слагали; расправе на ту тему наставиле су се следећих неколико десетина година. Али, чак пре него што су физичари прихватили идеју да је светлост истовремено и талас и честица, Ајнштајн је открио још једну нову појаву. Према моделу атома кога је приказао Нилс Бор (Niels Bohr) у низу чланака из 1913. године, електрон који се креће око језгра, има одређену путању (орбиту) која зависи од енергије електрона. Електрон може апсорбовати само ону количину енергије која му је потребна да из једне одређене орбите пређе у другу орбиту с већом енергијом.

Електрон емитује одређену количину енергије при преласку из орбите с већом енергијом у орбиту с нижом енергијом. Овај модел објашњава познате спектре гасова, нпр. неона и карактеристичне боје при горењу лампи као што су лампе базиране нпр. на живи или натријуму. Атоми који се налазе у побуђеном стању - што значи да њихови електрони насељавају орбитале виших енергија - ће се вероватно, спонтаним путем спустити у орбите ниже енергије или основно стање, дисипирајући при томе енергију која се налази у атому. У датом атомском систему, спонтана емисија настаје насумично, па су и смерови ширења емитованих фотона насумични. Ајнштајн је уочио да, ако се атоми у побуђеном стању сударе с фотоном праве енергије (енергије једнаке разлици између енергија вишег и нижег стања у атому), тај судар може проузроковати одређени облик емисијске ланчане реакције, при чему долази до повећања интензитета светлости која пролази кроз систем атома - електрони у жељи да апсорбују долазећи фотон, емитују онај фотон који су већ претходно апсорбовали. При томе, емитовани фотони имају исти смер као и апсорбовани фотони. Тај процес се назива стимулисана емисија. Трик је у томе што ће појачање стимулисаном емисијом настати само онда када у укупној популацији неког атомског система има више атома у побуђеном стању, него атома у стању ниже енергије. Оваква ситуација је потпуно супротна нормалној расподели насељености у атомском систему. Стимулисана емисија захтева нешто што се зове инверзија насељености; сви атоми се морају вештачким путем довести у побуђено стање што се обично постиже излагањем светлости.



2.2. Могућност коришћења

Сви облици модерне комуникације, радио и телевизијски сигнали, телефонски разговори, компјутерски подаци, заснивају се на сигналу носиоцу, таласу с електромагнетском осцилацијом одређене фреквенције. Електромагнетски сигнали описују се помоћу њихове таласне дужине (удаљеност између две амплитуде у таласу) или фреквенције (изражене у Херцима [Hz], број осцилација у секунди); где краћа таласна дужина значи већу фреквенцију. Модулирајући талас носилац, можемо кодирати информацију коју желимо пренети, што је виша фреквенција таласа носиоца, сигнал може садржати више информација.

Бакарна жица погодна је за пренос сигнала мале фреквенције, 1 [MHz] (мегахерц) или 1 милион осцилација у секунди, што је довољно за неколико десетина говорних канала. За сигнале виших фреквенција електрични отпор бакарне жице битно расте. Коаксијални каблови који се састоје од главног вода обавијеног жицом, која штити сигнал од интерференције, се након Другог светског рата масовно користе за главне линије међу градовима. Они могу преносити сигнале фреквенције до 10 [GHz]- (гигахерц), или 10 билиона осцилација у секунди. Нажалост, постављање коаксијалних каблова на велике удаљености релативно је скупо.

Сателитски и земаљски микроталасни системи који раде са сигналима од 40 [GHz], такође су почели достизати своју практичну границу у капацитету преноса информација по каналу. На идеју о коришћењу видљиве светлости као комуникацијског медија дошао је крајем 1870. године Александар Грем (Alexander Graham). Међутим, он није имао могућност креирања таласа носиоца потребне фреквенције или преноса светлости из тачке у тачку. 1960. године изумом ласера, идеја Алберта Ајнштајна позната још од пре 40 година добила је практичну примену. Ово достигнуће покренуло је истраживаче у напору да пронађу начин на који би се видљива светлост могла искористити као комуникациони медијум.

2.3. Развој ласерске технологије

Развој ласерске технологије почиње 1951. године. У то доба, Чарлс Таунерс (Charlesa Townes) је био вођа у Columbia University Radiaton Laboratory, а радио је на истраживањима у подручју микроталасне физике започетим након Другог светског рата. Таунерс је радио микроталасну спектроскопију и желео је да користити таласе краћих таласних дужина, оних у субмилиметарском подручју спектра. Да би то могао остварити, прво је морао смањити димензије механичких осцилатора који су се тада користили за генерисање микроталаса у центиметарском подручју таласних дужина, проблем који је изгледао нерешив докле год није помислио на употребу молекула, уместо атома. Током идуће 2 године, Таунерс је заједно с Џејмс Гордоном (James Gordon) и Херберт Цајгером (Herbertom Zeigerom) радио на изградњи таквог система. Напокон, при крају 1953. демонстрирали су резултате својих истраживања. Сноп молекула амонијака послали су у електрично поље које је отклонило молекуле с ниском енергијом. Тада су молекуле с високом енергијом послали у друго електрично поље. Излагање другом електричном пољу узроковало је да сви молекули амонијака с високом енергијом готово истовремено падну у основно стање, емитујући при томе микроталасне фотоне исте фреквенције и смера ширења. Таунерс је направу назвао



MASER, појачало микроталаса стимулисаном емисијом зрачења (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).Како је Таунерс даље настављао експерименте с MASER-ом, било је све јасније да до стимулисане емисије може доћи и на много краћим таласним дужинама као што су инфрацрвено таласно подручје или чак видљива светлост. Реч LASER настала је за једну такву направу, а L је скраћеница за светлост (Light). Настојећи развити што потпунију теорију ласерске акције, Таунерс је потражио помоћ Артура Швалова(Arthura Schwalowa) , физичара у Бел лабораторији (Bell Laboratories), једном од водећих центара за истраживања у физици и материјалима. Крајем 1958. године у водећем научном часопису физике, Physical Review, појавио се је Townes-Schawlow чланак под насловом "Инфрацрвени и оптички МАСЕРи". Чланак је инспирисао научнике да покушају конструисати ласер и 1960. год. физичар Теодор Маиман (Theodore Maiman) запослен у Aircraft Company, лабораторији, успео је направити ласер користећи синтетички рубин. Зрак емитован ласером много је боље фокусиран него зрак коју емитује било који други извор светлости, па су због тога ЛАСЕРИ одмах привукли велику пажњу. У једном експерименту направљеном 1962. ласерски зрак је послат на Месец, удаљен скоро 400 000 километара, где је обасјавала површину пречника свега 3 км. Зрак емитован неким другим извором светлости на истом би се путу толико проширио да би обасјавана површина Месеца имала пречник од 40 000 километара.

Научници су указивали на огромне потенцијале у примени ласера у комуникацијама и осталим подручјима. У стварности, рани ласери су били далеко од очекивања. Стварање инверзије насељености потребне за настајање ласерске акције захтевало је тзв. оптичке пумпе или бљескалице, тако да су уместо континуираног светла, ласери могли производити само пулсеве енергије. Ефикасност таквих ласера у погледу искоришћене снаге била је јако мала. Другу верзију ласера развио је 1960. године Али Јаван запослен у Bell Laboratories, а користила је стаклену цев пуњену мешавином гасова хелијума и неона. Овај је ласер захтевао мање енергије за рад и није се прегрејавао. Међутим, стаклена цев је истовремено била веома масивна и лако ломљива.

Прве ласере можемо упоредити с вакуумским цевима које су се некада користиле у радио апаратима и првим компјутерима. Од 1960. године вакуумске цеви је заменило ново чудо технологије, запањујуће мали, али изузетно поуздани, транзистор. Је ли могуће остварити исту трансформацију и у случају ласера? У транзисторима се користи посебно својство једне врсте материјала познатих под називом - полупроводници. Електрична струја преноси се покретањем електрона и обични метали, као што је нпр. бакар, су добри проводници електричне енергије због тога што њихови електрони нису чврсто везани за језгро атома, него су слободни, у пољу позитивног дела језгра. Неке друге материје, као нпр. гума, су изолатори - слаби проводници електричне енергије- због тога што се њихови електрони не могу кретати слободно. Полупроводници, као што им и само име каже, налазе се негде између; они се обично понашају више као изолатори, али под неким условима могу проводити електричну енергију. У почетку су се истраживања полупроводника концентрисала на проучавање силицијума. Међутим, сам силицијум не може емитовати светлост. Проналазак транзистора 1948. године у Bell Laboratories од стране Вилијама Шоклија (Wiliama Schockleya), Валтер Братана (Waltera Brattaina) и Џона Бардина (Johna Bardeena), стимулисао је истраживања на осталим полупроводницима. Он је такође осигурао концептуални оквир који ће на крају довести до разумевања емисије светлости у полупроводницима. 1952. године Хајнрих Велкер (Heinrich Welker) из Сименса (Siemensa) у Немачкој, указао је да се потенцијално корисне електронске ствари могу израдити од полупроводника састављених од елемената III и IV групе периодног система. Један од таквих полупроводника, галијум-арсенид, GaAs, постао је јако важан у потрази за ефикасним ласером који би се могао користити у комуникацијама.



Цели је низ фундаменталних истраживања која су морала претходити коришћењу GaAs као основе за полупроводнички ласер: студије о развоју кристала високе чистоће слој по слој, истраживање дефеката, дапанда (нечистоће додате чистој материји ради мењања њених својства) и анализе утицаја топлоте на стабилност споја. Следећи напретке у тим гранама, група истраживача запослених у General Electric, IBM, и Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, развила је 1962. GaAs ласер . Међутим, један стари проблем још увек је постојао: прегревање. Ласери који су направљени од једног полупроводника, обично GaAs, нису јако ефикасни. Они још увек за покретање ласерске акције требају много електричне струје због чега се јако брзо греју, те је поново могућ само пулсни режим рада ласера који није погодан за примену у комуникацијама. Физичари су испробавали разне методе одвођења топлоте- нпр., стављали су други материјал који је био добар проводник топлоте на површину ласера, али без успеха. 1963. године Херберт Кемер (Herbert Koemer) са Колорадо универзитета (University of Colorado) предложио је другачију методу израде полупроводничког ласера - треба направити ласер који се састоји од *сендвича* полупроводника, са танким активним слојем између две плоче различитог материјала. За постизање ласерске акције унутар танког активног слоја потребно је мало електричне енергије, па се и загревање полупроводника може држати на контролисаном нивоу. Такви, слојевити, ласери се не могу израдити једноставним уметањем активног слоја између плоча другог материјала. Атоми у полупроводничком кристалу формирају тзв. решетку, а електрони осигуравају везу између атома. Да би се направио вишеслојни полупроводнички ласер с потребним везама између атома, потребно је да полупроводнички кристал израста као целовита јединица названа вишеслојни кристал. 1967. године истраживачи Мортон Паниш (Morton Panish) и Изуо Хијаши (Izuo Hayashi) из Bell Laboratories предложили су могућност стварања прикладног вишеслојног кристала користећи модификовани облик GaAs, у којем би се неки атоми галијума заменили атомима алуминијума, процес назван допирање. Међуатомски размак у модификованом споју GaAs разликовао би се од међуатомског размака у споју чистог GaAs за свега 1 промил. Истраживачи су претпоставили да би се нарастањем кристала с обе стране GaAs, ласерска акција у AlGaAs ограничила само унутар танког слоја GaAs. Након неколико година рада, пут до ласера "чврстог стања"- малог полупроводничког апарата који ради на собној температури- био је отворен.

2.4 Врсте ласера

Гасни ласер - код ове врсте ласера, активно средство у коме се побуђује инверзија насељености, јесте гас. Гасни ласери раде у веома широком подручју таласних дужина, од вакуумско-ултраљубичастог до инфрацрвеног дела спектра. Излазно зрачење карактерише висок ниво монохроматичности и кохерентности, који су последица мале густине честица и просторне хомогености. Међутим, због мале густине гаса, не може се очекивати велика густина побуђених честица, па су због тога и излазне енергије ове врсте ласера доста ниже у односу на чврсте или круте ласере. Али, у последње време, рад са високим притиском гаса и примена нових метода побуде, умногоме су повећали излазне енергије гасних ласера. У поменуте методе убрајају се: хемијска побуда, оптичко пумпање и др. о којима ће касније бити речи. Гасни ласери деле се на:- неутрални атомски ласери - јонски и - молекулски



У случају прво поменутог, атоми се побуђују једносмерним пољем са електродама унутар цеви или пак високофреквентним пољем у безелектродној цеви. Уколико се побуђују на овај начин, сударна електронска фреквенција је много већа од фреквенције примењеног поља. Фреквенције поља се крећу у интервалу од 5-50[MHz], а предност ове методе огледа се у пружању могућности употребе хемијски активних гасова.

Електрони убрзани у електричном пољу сударају се са атомима у основном стању и побуђују их на једно од виших стања. Овај процес је познат по називу нееластични сударни процес, који се дешава између атома и атома, те атома и молекула. Због тога се, као резултат нееластичних судара, атоми и молекули налазе у много побуђених стања. Уколико је више атома у неком вишем нивоу у односу на нижи, настаће инверзија насељености, а самим тим и могућност ласерске акције.

Оптички пумпани неутрални атомски ласери – најважнији ласер ове врсте јесте тзв . цезијумски ласер у коме се стварање ласерског снопа одвија у парама цезијума, добијених грејањем истог у вакууму. Да би се поменуте паре побудиле, осветљавају се хелијумовом светиљком која зрачи веома интезивно зрачење таласне дужине

. Повратак цезијумових атома у основно стање иде преко интермедијалних процса. Инверзија насељености настаје на два пара нивоа, а ласерска акција је у ИР подручју на и .

Јонски ласери - према заједничким карактеристикама они се разврставају на: ласере металних јонских пара и ласере јона племенитих гасова. Пример ласера прве групе јесте хелијумско-кадмијум. Побуда се обавља у судару кадмијумових атома са хелијумским метастабилним атомима. Резултат судара јесте јонизација и побуда кадмијумових атома (тзв. Пенингова јонизација). Ова врста ласера даје зрачење кратких таласних дужина од . Ласери друге групе раде у импулсним и континуираним изворима високе температуре. Најважнији члан те групе јесте аргонски ласер. Побуђена стања у јонизираном атому аргона добијена су у гасном извору двостепеним процесом у коме је неутрални атом побуђен на различите енергетске нивое даљим сударима са електронима. Ласерска акција се одвија на осам видљивих линија од . Шема ове врсте ласера се може видети на следећој слици.

Слика 5 - аргонски ласер



Најчешће се уместо кремене, употребљава гранитна цев састављена од прстенова или пак цев баријум-оксида која може издржати високе температуре.

Молекулски ласери- раде у подручју молекулског спектра. За побуду ове врсте ласера користи се хемијско, односно оптичко, хемијско и топлинско пумпање. У неким ласерским система, за побуду предајом енергије путем судара, додају се и помоћне компоненте, нпр. основном гасу у ласеру са додају се водоник и хелијум. Тај ласер даје зрачење велике снаге и висок степен деловања у импулсном и континуираном режиму рада. Kontin тинуални ласер са уз ниво деловања од 20% дају снагу од

100-150W. У смеши ( =65 Pa), водоника ( =200 Pa) и хелијума ( =1000 Pa), у цеви дужине 2 m, једносмерним напоном од 10 KV, одржава се струја од 100 mA. Цев се хлади водом. При избоју, у гасу се стварају различити хемијски спојеви који ограничавају ласерски излаз. Због тога се гас у цеви замењује гасом из спремишта. Тиме се штетни производи елиминишу, а у цеви се ради са гасом истог (сталног) састава. Брзинoм гаса (v=30 m/s) излазна снага ласера се повећава до 1 KW по метру гасног избоја. Тиме је омогућено конвективно хлађење гаса, које је знатно боље од кондуктивног начина у системима са спорим протоком гаса. У настојању да континуирани ласери раде и при вишим притисцима гаса (већим од 4 KPa) развијене су различите методе стварања и одржавања плазме унутар активног простора. Примењује се такозвана јонизација континуираним снопом електрона односно фотојонизација.

Импулсни ласери са и Q-прекидањем због дугог времена живота вибрацијских

нивоа, о којима зависи ласерска акција у , може се ускладиштити енергија у избојној средини у трајању од 1 ms, блокирањем излазног ласерског зрака унутар резнатора и тако спречити осцилације. Ако се блокада одједном одстрани, тада ласер емитује у облику оштрог импулса чија је снага и до 1000 пута већа од просечне снаге континуираног рада. Овакав начин рада назива се Q-прекидање и најлакше се постиже заменом огледала резонатора такозваним ротирајућим огледалом. Трајање импулса је од 150-500 ns са фреквенцијом од 400 бљесака у минути. Поред набројаних импулсних ласера, потребни је истаћи да постоје и тзв. импулсни ласери са Блумлеиновом побудом. Наиме, посебан начин побуде, јесте помоћу тзв. Блумлеинових генератора. Тако су остварене ласерске акције у водонику, деутеријуму, водоник-деутеријуму, неону, азоту, угљенику и угљен-моноксиду са таласном дужином од 116,1-540,1 nm, снагом импулса од 50 MW, у времену од 20 ns. Блумлеинов генератор састоји се од пљоснатог кондензатора, што се може видети и на слици.

Слика 6 - Блумлеинов генератор



Mеталне плоче од којих је доња уземљена, раздвојене су изолатором. Горња плоча је из два дела, између којих се налази простор за гас. Са стране су прекидачи који се користе за кратко спајање линије за вођење. Прикључивањем прекидача, један за другим, постиже се обликовањем побудног таласа који иде са једног на други крај канала, брзином светлости. У времену од 2.5 ns, напон од 100 KV, произвешће побудну струју вредности неколико стотина хиљада ампера. Створени побудни талас генерише инверзију насељености у смеши гасова. Елеменат плазме на почетном делу канала емитује спонтано и изотропно. Следећи елеменат емитује према излазном крају цеви, емисију увећану за емисију првог дела, пре него што стигне емитовати у осталим смеровима. Излазни сноп има нешто мању кохеренцију и нешто већу дивергенцију у односу на ласер са оптичким резонатором.

Хемијски ласери- представљају ласере код којих се инверзија насељености ствара директно или индиректно за време егзотермне хемијске реакције. Већина хемијских ласера ради на вибрацијско-ротацијским прелазима, јер многе егзотермне гасне реакције ослобађају своју енергију преко вибрацијске побуде насталих хемијских веза. Импулсни хемијски ласери - у овој врсти ласера, са методом ултраљубичасте фотолизе, смеша гасова се побуђује UV зрачењем из такозване бљескалице, као што је приказано на слици 7. Зрачење кратких таласних дужина (180-200 nm) побуђује дисоцијацију компонената смеше, након чега долази до хемијске реакције. У смеши флуоро-деутеријума, флуора, угљен-диоксида и хелијума, уз притисак од 50 KPa, енергијом бљеска од 2400 Ј, у времену од 40 микросекунди, може се добити излазни импулс од неколико Џула у трајању од 20 мокросекунди.

Слика 7 - Импулсни хемијски ласери



3. ЗАВАРИВАЊЕ ЛАСЕРОМ

Заваривање ласером је један од специјалних поступака заваривања где се спајање материјала обавља топљењем. Топлота потребна за заваривање ласером се добија деловањем светлосног зрака, усмереног и концентрисаног на веома малу површину, слика 8, што производи густину снаге већу од свих осталих поступака заваривања. Laser (liдht amplification by stimulated emission of radia-tion) је уствари генератор светлосног зрака, слика 8, који се састоји од ласерске шипке (1) са непропустљивим огледалом (дебели слој сребра) са једне стране (2) и делимично пропустљивим огледалом (танки слој сребра) са друге стране (3), импулсне лампе (4) и рефлектујућег цилиндра (5). На шипку (обично кристал са примесама Cr) делује импулс светлости из лампе (ксенон или неон), стимулишући атоме Cr да пређу на виши енергетски ниво, који се потом враћају на нижи енергетски ниво уз емисију фотона. Ова стимулација траје док се не постигне засићење када је више атома Cr на вишем него на нижем енергетском нивоу. Тиме се постиже ефект стварања великог броја фотона који се крећу дуж осе кристала, одбијају од непропусног огледала и постижу интензитет довољан да се створи ласерски зрак који пролази кроз делимично пропусно огледало. Емитовану светлост усмерава огледало (7), а фокусира оптичко сочиво (8), тако да она делује практично у тачки (9), условљавајући брзо и ефикасно топљење основног материјала.

Слика 8 - Шематски приказ ласерског заваривања

Заварени спој добијен ласером има велику дубину уваривања и малу ширину шава, па додатни материјал по правилу није потребан. Квалитет споја је добар, јер нема металуршких проблема (ЗУТ је веома мали), а заостали напони и деформације споја су минимални. Примена овог поступка је још увек мала због високе цене опреме и релативно мале расположиве снаге, али се последњих година ласерско заваривање све више користи, посебно после увођења у праксу јефтинијих гасних ласера, као што су CO2 ласери, који имају снагу и преко 15 kW.



Слика 9 – Конфигурација ласерског заваривања

Заваривање ласерским снопом или ласерско заваривање користи се углавном у електроници (заваривање телевизијских цеви), медицини (срчани стимулатор или енгл. pacemaker), финој механици, аутомобилској индустрији (кровови, врата, подови) итд. За заваривање, наваривање и резање важне су две врсте ласера и то: ласер с чврстим језгром Nd:YAG (или YALG) sа таласном дужином светлости 1,06 μm и гасни CO2

ласер са таласном дужином светлости 10,6 μm. Површину завареног споја треба заштитити додатним заштитним гасом, као на пример са 100% аргоном, или гасном мешавином 80% аргона + 20% угљендиоксида, гасном мешавином аргона са1–2% кисеоника (за заваривање Nd:YAG ласером), или с хелијуом, аргоном (за заваривање гасним CO2 ласером). [1]

Слика 10 – Ласер велике снаге

Ласер је оптичко појачало и зрачи монохроматско (једнобојно) и кохерентно (временски и просторно симетрично) светлосно зрачење, које је могуће фокусирати на



веома малу површину, са веома великом густином снаге (до 10 MW/mm2), а температура може износити и више од милиoн степени Целзијуса. Овај поступак се изводи уз примену додатног материјала или без њега. Могуће је заваривање метала врло малих дебљина, од само неколико стотина милиметра, па све до 40 mm дебљине, уз заштиту неутралним (инертним) гасом. [2]

Заваривање ласерским снопом се користи за заваривање метала високих температура топљења, као и оних који се иначе тешко заварују, као нпр. бакар, никл, алуминијум, нерђајући челик, титанијум, а могу се спајати и разноврсни метали као што су волфрам и челик. Ствара се врло узак шав ширине свега 1 до 2 mm, чак и код врло великих дебљина спајаних делова. Врло је краткотрајно деловање ласерског снопа, најчешће до 2 ms, у неким случајевима уз пулсирање од 1 до 10 пута у секунди. У пракси су најчешћи примери заваривања ласерским снопом титаниjумског челика код градње нуклеарних подморница, израде лопатица турбина, разних комбинација метала и керамике, итд. Користи се и у свемирској технологији, па и у електронској индустрији за спајање делова изузетно малих дебљина, најчешће не дебљих од 0,5 mm.

Велика густина снаге код ласерског заваривања омогућује заваривање с малим уносом топлoтe у материјал, због чега долази до врло великих брзина хлађења. Велике брзине хлађења, код заваривања челика, доводе до великог пораста тврдоће у подручју завареног споја. Показало се да je с тиме повезано велико очврснуће у односу на основни материјал, али то не делује негативно на механичка својства завареног споја. То је последица уске зоне утицаја топлоте, малих димензија завара и ситнозрнасте микроструктуре. Тиме се ласерско заваривање значајно разграничује од конвенционалних поступака заваривања. Граница добре заварљивости нелегираних конструкцијских челика конвенционалним поступцима заваривања износи 0,22% угљеника у хемијском саставу, што приближно одговара тврдоћи 350 HV у завареном споју. Уколико је стање напрезања у завареном споју повољно (нема укрућења конструкције), при ласерском заваривању могу се добити завари без пукотина и код садржаја угљеника у челику 0,6%, а тврдоћа може износити од 650 до 700 HV. Али тада се не може са сигурношћу тврдити да су постигнута довољна механичка својства чврстоће и жилавости. [3]

Заваривање танких материјала је веома важно у многим индустријским применама. Потреба за спојевима између танких материјала појављује се у сложеним компонентама, посебно у комбинацији са материјалима који су више осетљиви на корозију. Због разлика у топлотној проводности, фузије температуре и растворљивости материјала, крте фазе могу се појавити и погоршати затезну чврстоћу споја. Пулсирајући ласерски системи имају могућност да споје различите материјале без додатног материјала (аутогено заваривање), високе енергетске густине и ниске температуре пре почетка заваривања. Индустријске компоненте праве се мање да смање потрошњу енергије и уштеде простор, што ствара све већу потребу за микро заваривањем танких материјала дебљине до 100 микрометара. За ову сврху , очекује се да ласеркса обрада буде метода избора и израде због тога што омогућава прецизнију топлотну контролу у односу на електрични лук и обраду плазмом.

Ласерско заваривање је постало значајан индустријски процес, јер постоје многе изванредне предности у коришћењу ласерског заваривања као везивне методе у односу на друге. Као алтернатива осталим средствима која се користе за процес спајања, ласерско заваривање нуди низ атрактивних карактеристика као што су висока чврстоћа



споја, поузданост и минималну зону утицаја топлоте (ЗУТ). Ово пружа погодности ниске топлотне дисторзије, неконтактни процес, поновљивост, способност да се аутоматизује и висок проток. Због ових карактеристика, ласерско заваривање је много напредовало последњих неколико година.

Истовремено, треба предвидети понашање ласерског заваривања које је постало важније од термичке анализе завареног споја. Ово је предуслов за дизајнирање процесних параметара као и механичке особине споја, односно топлотне дисторзије и заосталих напона. Студије су показале да је процес ласерског заваривања веома сложен, укључујући и такве појава као што су топлотна проводљивост, проток флуида, динамике гасова и плазма ефектима. Неколико једноставних аналитичких и нумеричких модела су развијени да опишу различите процеса ласерског заваривања, обично за одређени низ услова, где једана или више појава доминирају процесом. Због тога, рачунарски модели ласерског заваривања морају да изуче шири спектар услова и међусобних интеракција између различитих феномена.

Употреба ласерске технологије у обради материјала за микро производе је много већа у последњој деценији. Ласерски зраци се користе како да уклоне материјал тако и да споје компоненте. Употреба ласера у микро производњи уско je повезана карактеристикама ласера. Параметри таласне дужине, снага, трајање импулса и понављање импулса су главни параметри који се морају изабрати и контролисати.

Типови ласера који се тренутно користе у микро обради су гасни ласер, чврсти ласер (нпр. Nd:YAG h=1.06 pm и Titanium Sapphire h=775 nm), бакар пара ласери (copper

vapour lasers, h=578 nm - 61 1 nm), диодни ласери и екцимер ласери (excimer lasers , h=193 nm - 350 nm). У зависности од типа ласера може да се користи за широк спектар материјала. Метали, керамика, стакло, полимери и полупроводници су као што је раније поменуто најчешће коришћени материјала за микро обраду и сви ови материјали могу да се обрађују од стране једног или више ласера.

Слика 11 – а) биоразградиви полимер б) танталум

Смањењем таласне дужине можемо да произведемо мање структуре, али и квалитет ласерског снопа и снага густине такође утичу на проиводњу мањих структура.

У наставку рада приказаћемо неке студије, примене и испитивања ласерског заваривања микро структура.



3.1 Заваривање танких фолија од материјала Монел 400 користећи пулсирајући Nd:YAG ласер

Монел 400, важна легура никла и бакра, поседује већу отпорност на корозију од нерђајућих челика. Ова карактеристика, као и добра дуктилност и хладна обрадивост, учиниле су ову легуру изузетно погодном за различите примене. Ова легура се користи у поморском инжењерству, за процесну опрему, вентиле, пумпе и измењиваче топлоте. Никл и бакар, главни конститутивни метали у легури су мање отпорни на корозију од Монела 400 у редукујућим и оксидационим условима.

Заваривање танких фолија је од великог значаја и има велику примену у индустрији. Потреба за заваривањем танких фолија се често јавља код комплексних компоненти, посебно у комбинацији са материјалима веће корозионе отпорности. Због разлика у топлотној проводљивости, температурама стапања и растворљивости материјала, могу се јавити крте фазе које погоршавају затезна својства споја. Пулсирајући ласерски системи имају могућност спајања различитих материјала и то без додатног материјала (аутогено заваривање), велику густину енергије и мали унос топлоте. Индустријске компоненте се производе у малим димензијама ради уштеде енергије и простора, што условљава повећану потребу за микро заваривањем фолија, чија је дебљина мања и од 100μm. За ову сврху, очекује се да ласерска обрада буде најчешће примењивана метода, јер је одликује боље контролисан унос топлоте у поређењу са плазма и електролучним поступцима.

Материјали играју битну улогу у производњи робе. Материјали морају имати добра својства са аспекта примене и функционалности, као и са аспекта израде. Ови критеријуми важе за микро израду делова чије су димензије мање од 1mm. Широк спектар материјала који се могу обрадити ласером, укључује материјале за микро електронику, тврде материјале, као што је волфрам карбид, за алате и веома слабе и меке материјале, као што су полимери, за медицинске производе. Чак и керамика, стакло и дијаманти могу да се обрађују ласером до тачности боље од 10μm. У поређењу са класичним технологијама, ласерски поступци се углавном користе за мале и средње димензије, али за велики број варијанти матерјала и геометрије.

Заваривање пулсирајућим Nd:YAG ласерским системом, карактерише период загревања металног купатила великом густином снаге пулсирајућег ласерског снопа, који дозвољава да се топљење и очвршћавање одвијају узастопно. Међутим, због велике густине снаге, време очвршћавања је краће од континуалног ласерског снопа и конвенционалних завара. Комбинација параметара процеса, као што су пулсирајућа енергија, трајање пулса, стопа понављања, величина тачке снопа и брзина заваривања, одређују режим заваривања, а то су кондукција, или ''кључаоница''.

Бразилски научници су спровели експеримент користићи пулсирајући Nd:YAG ласерски систем са циљем испитивања утицаја импулса енергије на заваривање танких фолија од Монела 400 и на карактеристике завареног споја. Како је уређен ласерски систем, приказано је на слици 12.



Слика 12- Пулсирајући Nd:YAG ласерски систем

Монел 400, дебљине 100μm, употребљен је као основни материјал. У табели 1 је приказан хемијски састав основног материјала. Пре заваривања, узорци су очишћени и учвршћени и позиционирани, како би се избегло одсуство контакта и искривљеност танких фолија.

Материјал Ni Cu Fe Si Mn C SМонел

40065 Rem. 2.5 0.5 2.0 0.3 0.024

Табела 1 - хемијски састав основног материјала

Да би се проценио утицај импулса енергије, заваривање узорака је изведено тако да образују преклопни спој. Заварени су величином тачке снопа од 0.2mm и под углом снопа 90º. Тачка фокуса је фиксирана на површини радног комада. Брзина заваривања и стопа понављања су фиксирани на 525mm/min и 39 Hz. Импулс енергије је вариран од 1 до 2.25Ј са корацима од 0.25Ј, са трајањем импулса од 4ms. Дакле, постојао је један контролисан параметар у овом процесу, импулс енергије. Као што је већ речено, узорци су учвршћени у циљу спречавања губљења контакта и изобличења. То је од изузетног значаја, посебно код заваривања овако танких материјала. Притом се води рачуна о толеранцијама унутар којих се спој мора налазити како би се избегла појава неусклађености и празнина.

Узорци су ласерски заварени у атмосфери аргона са протоком 12 l/min. Додатна заштита није била потребна, јер легура на бази никла, Монел 400, није склона оксидацији као што је случај са алуминијумом и титаном. Ниједан од узорака није



изложен накнадној термичкој, или машинској обради. Након заваривања, узорци су сечени ради испитивања, слика 13.

Слика 13 – Одсечени узорци

Коначно, део исечених површина је спреман за металографска испитивања полирањем и гравирањем, како би се приказала микроструктура и облик завара. Металографски узорци су припремљени са раствором 50% азотне и 50% сирћетне киселине. Мере облика завара су одређене оптичким микроскопом са системом за анализу слике. Слика 14 показује шематску илустрацију попречног пресека споја са анализираним геометријским параметрима.

Слика 14 – Попречни пресек споја са анализираним геометријским параметрима

Чврстоћа завара је одређена испитивањем микро тврдоће по Викерсу и испитивањем на затезање и смицање. Испитивање микро тврдоће је изведено на попречном делу шава, паралелно са површином танке фолије у области контакта са горњом фолијом. Испитивањем микро тврдоће се идентификују могући ефекти микроструктурне хетерогености у зони спајања и у основном металу. Коначни пријављени подаци су резултат пет поједначних резултата. За тестове затезања и смицања, узорци су исечени



из заварених узорака, а ширина тих узорака је смањена на 10mm, како би се смањило и оптерећење потребно да би дошло до лома. Праг за формирање кључаонице је примећен на површини металног купатила на којој је интензитет ласера био највећи.

Добијени су резултати са карактеристикама завара пулсирајућег ласерског заваривања. Ни у једном завару нису пронађене прслине, што делимично може бити последица добре отпорности основног материјала на прслине и добрих параметара заваривања. Нису уочени никакви дисконтинуитети у металу шава. То показује ефикасност заштитног гаса у спречавању оксидације, велике порозности и гасних укључака. Сви узорци су заварени ласером, режимом кондукције (директно загревање и преношење топлоте). Механизам директног загревања укључује апсорпцију снопа енергије на површини материјала горње фолије и накнадним преношењем енергије у околни материјал. Пресек макроструктуре преклопног споја као функције импулса енергије, приказан је на слици 15. На слици а) (узорак за импулс енергије од 1Ј) нема пенетрације на доњој плочи, ласер није имао довољну енергију да премости пар који се заварује. Због мале дебљине, малог импулса енергије ласерског снопа и присуства малог растојања између фолија, растопљено купатило је расло само у радијалном правцу горње фолије, резултирајући недостатком везе, слика а). Празнине између фолија у линији везе повећавају напон и на тај начин снижавају квалитет споја по питању механичких особина. Када се импулс енергије повећава код других узорака, остваривање везе је приметно и приказано је на сликама од б) до ф). На слици ф) (узорак за импулс енергије од 2.25Ј) види се повећање пенетрације и изглед формираног споја. Конкавност лица шава се пропорционално повећала са порастом импулса енергије. Штавише, било је очигледно да примерци заварени са импулсом енергије 2.0 и 2.25Ј, подлежу деформацији током заваривања, што узрокује велики савојни момент. Области у близини извора топлоте горње фолије се загревају до виших температура и због тога се шире више него области које су удаљене од извора топлоте, или области доње фолије. Након што се фолија охлади до почетне температуре, остаће коначна деформација. Како се материјал загрева ласерским зраком, зрачење не узрокује да материјал достигне тачку кључања и нема значајнијег уклањања површинског материјала.

Слика 15 - Пресек макроструктуре преклопног споја



Са слике 16, може се видети да импулс енергије има утицаја на геометрију споја, што се углавном одражава на правац пенетрације и ширину завареног споја. Када је импулс низак, очигледно је да не постоји довољна пенетрација. Како се импулс енергије повећава, побољшава се и изглед шава. Према томе, што је импулс енергије већи, топи се већа запремина основног материјала и топлота заваривања има више времена да се пренесе од горње до доње фолије и кратер на горњем центру се формира услед испаравања елемената са нижом температуром топљења.

Однос између импулса енергије и метала шава, приказан је сликом. Ширина шава се повећала од 400 до 770μm, како се енергија повећавала од 1.0 до 2.25Ј. То указује да када дође до интеракције ласерског зрака и узорка, ствара се течно метално купатило апсорпцијом зрачења. Ово повећање ширине шава је последица већих импулса енергије, јер се на тај начин топи већа количина материјала и онда пропагира преко дуж основног материјала. У присуству високе импулсне енергије, део истопљеног материјала пролази кроз спој, повећава се конкавност на лицу шава, јавља се вишак материјала у корену и повећава се зоне утицаја топлоте. Са друге стране, за импулсну енергију већу од 2.25Ј, запремина истопљеног материјала се смањује.

Слика 16 – Ефекат импулсне енергије на металу шава

Слика 17 илуструје микроструктуру завареног споја материјала Монел 400. На слици а) се може видети структура очвршћавања на линији стапања на врху завара, где се нерастопљена зрна основног метала понашају као подлоге за зону стапања цилиндричних зрна, која су нормална на границе стапања. Слика б) показује зону утицаја топлоте на дну споја, где су очигледни утицаји великог термичког градијента. Поредећи заваривање танких и дебелих фолија, може се закљичити да су зрна у чврстом стању грубља, што је мања дебљина основног метала. То показује да запремина основног метала игра битну улогу код термичких дејстава током заваривања. Како се запремина материјала смањује, време хлађења се повећава, а зона утицаја топлоте постаје грубља. То указује да код заваривања танких фолија, контрола зоне утицаја топлоте има значајан утицај на квалитет завареног споја.



Слика 17 - Микроструктура завареног споја материјала Монел 400

Лом свих узорака јавља се у области основног метала, у близини линије стапања горње фолије. Ово је и очекивано, јер је већ био познат однос затезних својства и тврдоће материјала. Коначна затезна чврстоћа у почетку тежи да се повећа, а затим и да опадне са повећањем импулсне енергије. Однос између импулсне енергије и затезних својстава завареног споја је приказан на слици. Узорци заваривани енергијом мањом од 1.0Ј нису спојени, јер то није била довољна количина енергије да би се спој остварио и растопљено купатило није имало довољно времена да пропагира до доње фолије, тако да се јавила недовољна пенетрација. У противном, када су узорци заваривани енергијом већом од 2.0Ј уочено је прогоревање и неповољан метал шава. Посматране су перфорације метала шава импулсном енергијом већом од 2.25Ј. Максимална вредност затезне чврстоће, остварена је при енергији 1.5Ј, а износила је до 94% затезне чврстоће основног метала.

Слика 18 – Напон смицања завареног споја Монела 400 при различитим импулсима енергије



Затезна својства завареног споја у зависности од импулсне енергије, могу бити објашњена анализом микро и макроструктуре. Када је импулсна енергија превише ниска, метално купатило не стиже правилно да се формира и долази до недовољне пенетрације. Како се импулсна енергија повећава, зрна у металу шава и у зони утицаја топлоте постају грубља. Такође, зона утицаја топлоте се на тај начин повећава. Дисконтинуитети постају још озбиљнији. Део талога може бити присутан интеркристално, чак и континуално дуж границе зрна. Ове микроструктурне промене доприносе слабљењу завареног споја, тј. слабе затезна својства. Коначно, опадање затезних својстава може бити повезано са променом микроструктуре и повећањем зоне утицаја топлоте. Према томе, базирано на наведеним испитивањима, може се доћи до закључка да што је нижи импулс енергија, под условом да дође до довољне пенетрације, боља су затезна својства завареног споја. Скенирањем заварених спојева под електронским микроскопом, показало се да површина завара у области поред линије прекида приказује секвенцу због улегнућа која се јављају у металу шава као последица различитих оријентација микроконституената.

Тврдоћа је готово уједначена (186 НV), дуж основног метала, зоне утицаја топлоте и метала шава. Није уочена значајнија разлика у тврдоћи између метала шава и зоне утицаја топлоте, с тим што је незнатно већа тврдоћа метала шава, без обзира на импулс енергије. Тврдоћа основног метала је увек била мања од тврдоће метала шава и зоне утицаја топлоте. Ови резултати важе за све спојеве. То је и очекивано, с обзиром да механичка својства уопштено зависе од микроструктуре.

Укратко, најприхватљивија својства споја су постигнута импулсном енергијом од 1.5Ј, када растопљено купатило може да премости растојање између две фолије и када се остварује довољно добра пенетрација. Приликом затезних испитивања, спојеви су излагани оптерећењу од 487МРа. Нису примећена подсецања и порозност. Такође, нису примећени ни трагови топлих прслина, што се приписује брзом очвршћавању, а то су типични услови за заваривање Nd:YAG ласерским системима.

Резултати овог испитивања бразилских научника показују да је могуће заварити фолије од материјала Монел 400, дебљине 100μm, у смислу микроструктурне и механичке поузданости, прецизним контролисањем пулсирајуће ласерске енергије. Боље перформансе су последица високог квалитета споја, који одликује добра пенетрација и изостанак микропрслина и порозности. Ово је остварено енергетским импулсом од 1.5Ј, са стопом понављања 39Hz и трајањем импулса 4ms. Ово одражава једну од најважнијих карактеристика пулсирајућег ласерског заваривања у поређењу са другим процесима, а то је заваривање са малим уносом топлоте. Рад такође показује да је процес осетљив на растојање између парова, што спречава добар пренос топлоте између фолија. Облик и димензије завара танких фолија анализираних у овом раду, зависиле су не само од импулса енергије, већ и од растојања између фолија. Ширина и дубина завара, као и ширина споја, повећавају се како се повећава импулс енергије. Затезна чврстоћа заварених спојева је прво расла, а затим опадала са порастом импулса енергије. Узорак завариван импулсном енергијом од 1.5Ј, показао је највећу чврстоћу. Код свих узорака, лом је настао у зони утицаја топлота горње фолије, у области стапања. Микро тврдоћа је готово уједначена дуж основног метала, зоне утицаја топлоте и метала шава. Примећено је благо повећање у зони стапања, при поређењу са резултатима мереним на основном металу. Ово је повезано са микроструктурним пречишћавањем у зони стапања, што је изазвано брзим хлађењем.



3.2 Микро ласерско заваривање полимерних структура користећи ласерске диоде малих снага

Дански истраживачи T. Ussing, L. V. Petersen, C. B. Nielsen, B. Helbo и L. Højslet разматрали су ласерско заваривање микро флуидних уређаја. Проблем у њиховом истраживању је настао јер нису имали одговарајући уређај за ласерско заваривање. Наиме, њихов уређај за ласерско заваривање правио је шав већи него што им је био потребан. Сам шав је био скоро као цео део који треба да се завари.

Слика 19 - 400 μm шав и 100 μm канал

Комерцијално ласерско заваривање за спајање полимера обично се ради у подручју 15-50 W. Фокусирани ласерски зрак ће имати величину око 500 μm×500 μm и у зависности од оптичког уређаја може бити и до неколико mm2. Резултат завареног шава тако ће бити у области 300-600 μm у зависности од количине енергије која долази, с тим ће се топљење проширити на незагрејану област због капиларних сила. Тако да је за микрофлуидне канале величине 20–100 μm овај начин коришћења бескористан.

Проблем су решили тако што су искористили лако доступне “single-die” ласерске диоде оптичких снага 200–500 mW. Зрак је усмерен и позициониран коришћењем једноставних оптичких инструмената, што је резултирало сноп величине у области од 50 μm×5 μm пуне ширине са пола максимума. Тако су добили задовољавајуће заварене шавове ширине мање од 10 μm са брзином заваривања od 15 mm/s, и без видљивог ширења топљења.

Видели смо предности заваривања микрофлуидних структура користећи малу снагу једноставних ласерских диода. Једна предност је мала и ограничена област која је под утицајем потенцијалне штетне топлоте. Очигледно је да широк опсег параметара може да буде променљив у зависности шта желимо да постигнемо ( нпр. брзина, прецизност, ширина шава, итд.).



3. 3 Ласерско заваривање полимера коришћењем Хигх ласерских диода велике снаге

Ласерско заваривање полимера користи велику снагу диодних ласера који нуде посебне предности у односу на конвенционалне поступке, као што је краће време процеса пружајући визуелни и квалитативни изглед вара шава, бесконтактног преноса енергије, недостатак вибрација, намећући минимални топлотни процес и избегавање скупљања честица. Осим тога овај метод показује високе интеграционе могућности и аутоматизацију процеса. Штавише, због тренутног повољног развоја у оквиру велике снаге диоде ласерско заваривање полимера је постало све више и више индустријски прихватљив метод. Ова технологија дозвољава , поуздан и висок квалитет механичког и електронског спајања високо осетљивих микро компонената и херметички затварање макро компонената. Постоје различите стратегије за заваривање на располагању, који су прилагодљиви за тренутну примену.

Заваривање полимерних материјала са локалним загрејавањем изнад температуре омекшавања са ласерским зрачењем и придруживања следећих корака је добро познат и користи се већ око десет година [4 и 5] . СО2 и пожељни Nd: YAG ласери су коришћени у то време. Међутим, прича о успеху за примене полимера са ласерима почео је са појавом ласера са великом снагом диоде, ови ласери су веома мали, поуздани и ефикасани, што их чини једноставним да се интегришу и једноставним за руковање, али такође исплативи, јер имају високу електрооптичност и врло мало услужне потребе за смањење оперативних трошкова, значајно у поређењу са конвенционалним ласерима. С друге стране, ласерско заваривање полимера позива на посебан захтев изван ових карактеристика за конвенционалне технологије полимера , нпр. одговара за топљење различитих материјала. Између осталог ласерско заваривање захтева добре оптичке особине, специјалне геометријске конфигурације и ласерски прилагођен вара шава, на први поглед, ово може да звучи као ограничење које ограничава примену ове методе, али постоје добре шансе да превазиђе ова ограничења, ако се ови захтеви могу узети у обзир у дизајн производа и избор материјала.

Диоде ласера су добро познате из њихових апликација у комуникацији и информационим технологијама као и потрошачима електронике. На почетку последње деценије, могли су диоде ласера бити смањене на енергетски ниво, што их је чинило привлачнијим за обраду материјала. То је постало могуће посебним полупроводницима, али посебно развојем софистицираних уређаја за хлађенје, монтаже и формиранје греда [6]. Снажни диоде ласери су изузетно компактни и поуздани ласерски извори, који даље показују електро-оптичку ефикасност од око 50%, што их чини веома атрактивним и економски исплатлјивим. Због своје посебне конструкције – високо напајање постиже некохерентну спрегу неколико ниских енергетских извора - сноп високог квалитета је ограничен, али далеко довољно за завариванје стандардних полимера .Таласна дужина ових диода ласера је у распону између 750 nm и 1050 nm, где 808 nm, 940 nm и 980 nm су најистакнутији таласне дужине.



3.3.1 Диодни ласер

Од класичног елемента диодног ласера обично само неколико миливата се можe издвојити из ПН-промене, у ствари диодни ласер је сложен из различитих легура GaAlAs слојева, који понекад имају дебљину од неколико међуатомских слојева. Светло је заправо емитује из легуре, што је око микрона у ширини и у дебљини. Из таквог елемената обично неколико миливата ласерске светлости може бити произведено. Да би се повећала моћ, неки од тих ласера су позиционирани један до другог или је емитујућа област проширена.

Као што је шематски приказано на слици 20 [7]. Посебан облик светлости доводи до посебног емитовања светлостних карактеристика, које показују високо одступанје у правацу ПН-промене ("брза оса"), као и ниже разлике, али широко емитовање "штрафта" у другом правцу ("спора оса"), што је такође представљено на слици 20. Из електричних и оптичких разлога, ширина такве траке је ограничена на 200 до 300 микрометара.

Слика 20 – Шема светлосног ѕрака код диодног ласера

3.3.2 . Основе заваривања полимера ласером

Коришћење ласерске светлости као извор енергије за заваривање материјала је добро позната метода и примењује се у индустрији већ дуже време. Заваривање полимера се мора сматрати као потпуно другачији процес у односу на макроскопски ниво, као и на микроскопски ниво. Осим тога, ако се разматрају конвенционалне методе за испитивање полимера, оптичка својства и интеракција светлости са материјом не играју никакву улогу, за разлику од ласерског шава, где су ти процеси основни кораци.



3.3.3 Апарати за процес ласерског заваривања полимера

Веома изражена геометрија металних материјала може се једноставно применити у заваривању, међутим, ову конфигурацију је тешко контролисати за заваривање полимера, као последица посебних својстава полимерних материјала. За разлику од метала, топлотна проводљивост је веома мала за полимере. То значи да се топлота генерише тамо где се ласерска радијација апсорбује у материјалу. У грубој апроксимацији на краткој временској скали, температура прати апсорпцију ласерског зрачења, односно полимер може да се истопи по његовој целој дубини, ако је уједначена апсорпција остварена у дебљини материјала. Ово је, међутим, у сукобу са законом Ламберт-Беер-а (Lambert-Beer's law), односно захтева низак коефицијент апсорпције, као што је шематски представљено на слици 21. Као што се може лако препознати, јаку апсорпцију, као у случају ц) генерише високу температуру на површини, али не и по површини целог материјала, а самим тим, нема јаку заварљивост.

Слика 21 - Шематски приказ сучеоног заваривања (јачина струје и температура профила)

Слаба апсорпција, као и у случају а) је дефинитивно предност што се тиче температуре профила , али проблем у томе је што се велика количина енергије ласера преноси кроз материјал, и на тај начин, не користи за процес. Проблеми настају и због високе вискозности растопљеног полимера. Чак и ако је материјал разблажен не мора да се разлива свуда, тј. притисак има утицај на измешане компоненте и спречава протицање. Дакле, чак и ако су се показали у неким експериментима у посебним материјалним конфигурацијама и са изабраним ласерским таласним дужинама [8], butt welding није оптимална конфигурација за ласерско заваривање полимера.

Као што је доказано у широком спектру и од неколико група које раде у ласерском заваривању полимера, преклапање завара је приоритетна геометрија. Преклапање заваривањем је много лакше руковање и контрола и има много шире подручје примене. Међутим, овде је потребна посебна конфигурација. Горњи слој (односно први слој, који је проникао од ласерског зрачења) мора да буде транспарентан за ласерско зрачење, док доњи слој мора да довољно упија, како је објашњено на слици 22.



Слика 22 – Шематски приказ конфигурације преклапања

У овом случају, апсорбована светлост генерише грејање и топи од дна први слој. Топлота се затим преноси путем топлотне проводљивости између слојева , који такође почиње топљење на интерфејсу под одређеним условима. Преплитања или ширења на полимерним ланцима могу да се комбинују.

После хлађења и поновног очвршћавања везе формира се шав. Метод се зове "ласерски пренос заваривања ". Ако се правилно изводи и ако се материјал комбинује, он је погодан за ласерско заваривање. Ласерски пренос заваривања ствара јак и козметички савршен, скоро невидљив спој са мало термичког оптерећења на производ. Осим тога, ласерско заваривање полимера је флексибилан, нежан и еколошки процес.

У поређењу са металима, полимери показују потпуно другачије механичко, термичко и оптичко понашање. Ови параметри, међутим, од суштинског су значаја за успех и разумевање процеса ласерског заваривања.

3.3.4 Топлотно понашање полимера

Као и сваки материјал, полимери пролазе разне фазе ако се загревају. Ово је шематски представљено на слици 23 ([4], [9]), где се показује однос механичке чврстоће и температуре. Ово понашање се јасно разликује од метала, где су дефинисане фазе транзиције . Код полимера, промене нису добро дефинисане температурама али јесу у температурном опсегу, што се може објаснити чињеницом да је дужина ланца статистички дистрибуирана преко одређеног опсега од различитих ланаца структуре, нежељених ефеката ланаца, молекуларне и кристалитне структуре и присуства молекуларних сила.



Слика 23- Јачина материјала у функцији температуре за раѕличите врсте полимера (GT=Glass Temperature; MT=Melt Temperature; CMT=Crystal MeltTemperature; DT=Decomposition

Поред тога, различите класе или врсте полимера показују потпуно другачије карактеристике. За реализацију процеса заваривања, материјал мора бити довољно мек или течан , тако да растопљене фазе могу заједно тећи. Термопластични материјали су погодни за заваривање са термо-механичке тачке гледишта. Вискозност растопљених полимера може да се смањи на вредност у опсегу од 107 до 109 сР, међутим, ове вредности су знатно веће од оних код течности или растопљених метала и на тај начин, истопљени полимерни материјал обично не протиче без спољне силе, тј. притиска.

Слика 24 - Ширење (експанзија) полимера током загревања



Утицај боја на заваривање мора бити анализиран. Боје су генерисане од стране специјалних агената у боји, које утичу на оптичка својства у видљивом спектралном региону. Нажалост, као што је наведено на слици 25, не утичу само видљиве регије, већ и инфраред који је такође у близини, где ће се емисија од диода ласера одржати. Спектри полиамида ПА6 у свом природном облику, као и са пигментима за различите боје [10] јасно указују на промену боје, што тешко утиче на апсорпцију и пренос у диодном ласерском опсегу таласних дужина. Промена боје подразумева промене у процесу параметара. Развој специјалних пигмената, који имају својства у близини инфрацрвеног спектралног опсега је највероватније неизбежно да се суочи са овим изазовом. Наравно, утицај боја на оптичке особине зависи од њихове концентрације. Црна боја се обично реализује у облику чађи. Ово је најјачи апсорбер материјала за диоде ласерског зрачења, али наравно само оно што је прихватљиво, погодне су ако су црни делови. У овом тренутку различити Р & Д пројекти се фокусирају на ове теме, а обећавајући резултати се очекују.

Слика 25 – Зависност преноса,рефлекције и абсорције од боје

3.3.5 Примена полимера у нашем окружењу

Полимери се најчешће користе на примењеним материјалима због неколико предности као што су мале тежине и мали трошкови. На пример, наочаре које су направљене од високо транспарентних полимера, као што су PMMA или PC. Полимерне наочаре се могу остварити ласерским заваривањем полимера.

Слика 26 – Наочаре од полимера спојене ласерским заваривањем



Због повећања примене електронике у аутомобилима, за електронско закључавање и сигурносне системе, микро обрада има све већу примену у аутомобилској индустрији. На пример, кључ картица је врста електронског кључа у формату чек картице. У оквиру ове картице налазе се осетљиве електронске компоненте. То би било механички или термички неоствариво конвенционалним методама заваривања. Дакле, циљ је за заваривање и спајање делова буде чврсто, док се избегава било каква штета урођених компоненти.

Слика 27 – Кључ - картица са интегрисаним електронским компонентама (Материјал: Полиамид (ПА))

Процес преклапања ласерског заваривања омогућава дефинисање локалне и темпоралне енергије улаза. Овде треба поменути, да су оба дела црне боје. Међутим, док је доњи део направљен од црног конвенционалног угљеника , специјални "црни" пигменти користе се ако су транспарентни у спектралном опсегу диодног ласера. Ласерска енергија апсорбује се у слоју од око 100 микрометара обасти спајања. Оба дела која се придружују налазе се у њиховом коначном положају пред процес. Обе половине картице могу се спојити, без штете електронских компоненти.



4. ЗАКЉУЧАК

За производе мирко и нано димензија, више није тривијално дефинисати како су компоненте направљене, састављене, контролисане и мерене. Ако микро производи треба да буду представљени великом тржишту, потребно је развити материјале, процесе и производне технологије које могу да подржавају индустријску производњу. Нови производни концепти морају да размотре да компоненте нису лаке за руковање. Минијатуризација се одвија у различитим типовима индустријских процеса, а микро обрада је основа технологије за остваривање минијатуризованих производа.

Управо за такве процесе је погодна ласерска технологија. Њен развој почео је средином прошлог века и за кратко време ова технологија постаје доминанта у електроници (заваривање телевизијских цеви), медицини (срчани стимулатор или енгл. pacemaker), финој механици, аутомобилској индустрији (кровови, врата, подови). Метали, керамика, стакло, полимери и полупроводници су као што је раније поменуто најчешће коришћени материјала за микро обраду и сви ови материјали могу да се обрађују од стране једног или више ласера.

Индустријске компоненте праве се мање да смање потрошњу енергије и уштеде простор, што ствара све већу потребу за микро заваривањем танких материјала дебљине до 100 микрометара. За њихово спајање најчешће се користи ласерско заваривање. Користе ласер с чврстом језгром Nd:YAG (или YALG) и гасни CO2 ласер. Ови ласерски системи имају могућност да споје различите материјале без додатног материјала (аутогено заваривање), високе енергетске густине и ниске температуре пре почетка заваривања.

Заварени спој добијен ласером има велику дубину уваривања и малу ширину шава, па додатни материјал по правилу није потребан. Квалитет споја је добар, јер нема металуршких проблема (ЗУТ је веома мали), а заостали напони и деформације споја су минимални. Такође, једна од најважнијих карактеристика пулсирајућег ласерског заваривања у поређењу са другим процесима је заваривање са малим уносом топлоте.

Ласерско заваривање полимера користи велику снагу диодних ласера који нуде посебне предности у односу на конвенционалне поступке, као што је краће време процеса пружајући визуелни и квалитативни изглед вара шава, бесконтактног преноса енергије, недостатак вибрација, намећући минимални топлотни процес и избегавање скупљања честица.

Заваривања полимера ласерском диодом је још увек у развоју. Овај процес која нуди много предности у односу на постојеће технологије и која има висок потенцијал као допунске методе, нарочито у оним случајевима где су осетљиви електронски делови, фине конструкције или неопходност апсолутне чистоће забрањује конвенционалне ултразвучне методе или вибрације.

У овом раду приказали смо неке анализе и испитивања везана за ласерско заваривање полимера и алуминујумских легура. Ово су само неке од примена ласерског заваривања, технологије која брзо напредује. Значајан рад тек треба да се уради, посебно у обласи полимера, која је оптимизована за процес ласерског заваривања.



5. ЛИТЕРАТУРА

- Micro Engineering , L. Alting1, F. Kimura2, H.N. Hansen1 , G. Bissacco1

1 Department of Manufacturing Engineering and Management, Technical University of Denmark2 Department of Precision Machinery Engineering, The University of Tokyo, Japan- State of the Art of Micromachining , T.Masuzawa, Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Japan- Машински материјали II део, издање Машинског факултета Универзитета у Београду, - Седмак, А., Шијачки-Жеравчић, В., Милосављевић, А., Ђорђевић, В., Вукићевић, М.- Laser Welding of Polymers Using High Power Diode Lasers , Friedrich G. Bachmann*a, Ulrich A. Russek**b

*a) ROFIN-SINAR Laser GmbH; **b) Fraunhofer-Institute for Laser Technology- Micro laser welding of polymer microstructures using low power laser diodes , T. Ussing, L. V. Petersen, C. B. Nielsen, B. Helbo, L. Højslet- Micro Welding of Ni-based Alloy Monel 400 Thin Foil by Pulsed Nd:YAG laser, Vicente Afonso Ventrella a, Jose Roberto Berretta b, Wagner de Rossi b

a Universidade Estadual Paulista-UNESP, Departamento de Engenharia Mecanica, Ilha Solteira-SP, Brazil.b Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares-IPEN, Centro de Lasers e Aplicacoes, Sao Paulo-SP, Brazil.http://www.youtube.com/watch?v=n-NUlppvR3Yhttp://hr.wikipedia.org/wiki/Zavarivanje_laserskim_snopomhttp://antique-ceiling-tile.beamss.info/welding-laser/http://www.prclaser.com/

[1] "Стројарски приручник", Бојан Краут, Техничка књига Загреб 2009.[2] "Термини и дефиниције код заваривања", Др. Иван Самарџић, изв. проф., Стројарски факултет у Славонском Броду, 2012.[3] "Заваривање I", изв. проф. др.. Душко Павлетић, дипл. инг., Технички факултет Ријека, 2011.[4] R.Klein, Thesis RWTH Aachen, Germany, (1990)[5] W.W.Duley, Polym. Eng.. Sci. 32 (9) 582, (1992)[6] F.Bachmann, "Advanced Laser Technologies Conference 2001", Constanta,, Romania, Sep. 11-14, 2001; To be published in Proc. SPIE (2001)[7] B.R.Marx; Laser Focus World, Sept. 1998, p. 104[8] M.May, Laser-Praxis, April 2001, pp 19-24 (2001)[9] G.Menges, Werkstoffkunde Kunststoffe, Hanser Verlag (1999)[10] Spectra were taken by Fraunhofer-Institute for Laser Technology, Aachen, Germany


http://www.prclaser.com/

http://antique-ceiling-tile.beamss.info/welding-laser/

http://hr.wikipedia.org/wiki/Zavarivanje_laserskim_snopom

http://www.youtube.com/watch?v=n-NUlppvR3Y

Documents

Mikro lasersko zavarivanje