단일 모드 레이저를 사용한 MDM 용접
스마트 “워블” 헤드를 통해 전달되는 단일 모드 레이저는 용접 치수 및 용접 의료장비의 열 입력을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
2023년 7월 11일, 작성: Coherent
기존의 많은 의료 기기 생산 라인이 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용하는 반면, 대부분의 새로운 라인은 파이버 기술의 소유 비용 이점을 제공하면서 Nd:YAG 레이저와 유사한 빔 특성 및 펄스 매개변수 환경을 가지는 다중 모드 QCW 파이버 레이저를 사용합니다.
차세대 장치를 위한 디자인을 탐색할 때 일반적으로 하나의 상수가 있습니다. 바로 새로운 설계는 이전 설계보다 작다는 것입니다. 결과적으로 특히 용접 크기를 줄이고 열 입력을 제어하는 데 접합 요구 사항이 더욱 까다로워집니다. 문제는 펄스 레이저가 때때로 재료 선택 관점에서 제한적일 수 있다는 것입니다. 빠른 냉각 속도로 인해 작은 공정 창이나 용접 균열 경향이 생길 수 있기 때문입니다. 그렇다면 다른 옵션이 있을까요?
단일 모드 파이버 레이저가 솔루션인 이유
연속파 또는 CW 단일 모드 파이버 레이저는 스캔 헤드와 함께 사용할 때 독특하고 강력한 용접 기능을 자랑합니다. 즉, 용접 소형화와 함께 용접 치수와 열 입력을 정밀하게 제어합니다.
단일 모드 레이저에 익숙하지 않은 사용자를 위해 이 레이저는 절대적으로 최고의 빔 품질을 가지고 있으며, 그 결과 주어진 광학 포커스 거리에 대해 가장 작은 스폿 크기를 생성합니다. 실제로 단일 모드 레이저는 150mm(6") 포커스 거리를 사용하여 25µm 범위(0.001")의 스폿 직경에 일상적으로 포커스를 맞춥니다. 흥미로운 부분은, 단일 모드 레이저를 스캔 헤드와 페어링할 때 필요에 따라 열원을 확장할 수 있도록 공작물 위로 25µm 스폿을 충분히 빠르게 이동할 수 있는 기능이 있다는 것입니다. 100µm 폭의 이음새가 필요한 경우 스폿이 이음새 방향에 수직으로 빠르게 이동하여 용접 너비를 만듭니다. 스폿 동작은 열 입력 관점에서 재료의 반응 속도가 더 큰 스폿 직경이 사용된 것과 동일할 정도로 충분히 빠릅니다.
서로 직각으로 장착되어 x 및 y 동작을 생성할 수 있는 검류계(일명 “갤보”)라는 두 개의 매우 작은 저관성 거울로 인해 스캔 헤드에 의해 생성된 빠른 부품 이동이 가능합니다. F Theta 렌즈는 (광학 장치의 포커스 거리에 따라) 100x100mm 또는 200x200mm 이상에서 평평한 영역 포커스 평면을 생성하므로 레이저가 전체 영역에 걸쳐 포커스를 유지합니다.
스캔 헤드의 핵심 측면은 거울에서 부품까지의 거리 “레버”입니다. 갤보에서 일어나는 매우 작고 효과적인 고속 동작으로 인해 부품에 더 큰 동작과 매우 빠른 속도가 조성됩니다. 덕분에 스캔 헤드의 동작 창에 맞는 용접의 모양이나 크기를 만들기 위해 이동할 수 있는 25µm 레이저 스폿을 사용하는 유연성이 확보됩니다. 마이크로 용접에서 이 기능은 중요한 공정 조력자에 해당합니다.
다음은 단일 모드 파이버 레이저가 문제를 해결해 주는 몇 가지 사용 사례입니다.
1. 스폿 용접의 모든 모양 또는 크기 – 원, 환형 원, 나선형, 정사각형, 웃는 얼굴을 비롯해 부품의 열적 제약과 용접의 기계적 요구에 최적화될 수 있는 모든 것이 가능합니다.
2. 용접을 동적으로 확장 – 동일한 부품의 서로 다른 용접부를 매개변수 변경이 아닌 툴링 경로로만 개별적으로 크기 및 모양을 지정할 수 있으며, 필요에 따라 서로 다른 부품의 용접 크기를 조정하거나 모양을 지정할 수 있습니다.
3. 다중 스폿 용접의 주기 시간 단축 – 선형 단계를 사용하더라도 스폿 용접 사이를 이동하는 것은 초당 몇 분의 1초로 지점 간 이동할 수 있는 스캔 헤드보다 상대적으로 느립니다. 스폿 용접에 스캔 헤드를 사용하는 전형적인 예는 한때 모든 디스크 드라이브에 사용되었던 플렉셔 암용으로, 일반적으로 1초 이내에 25개의 스폿 용접이 이루어집니다.
4. 맞춤형 이음새 치수 – 이음새 용접의 너비와 깊이를 정밀하게 제어하기 위해 이음새를 따라 측면 동작을 중첩할 수 있습니다. 예를 들어 펄스 QCW 또는 Nd:YAG 이음새 용접 단면 깊이는 중심선에서 가장자리로 갈수록 감소합니다. 단일 모드 레이저와 스캔 헤드를 사용하여 용접 중앙과 가장자리의 용입이 동일하도록 정사각형 단면 프로파일을 생성할 수 있습니다. 따라서 맞대기 또는 필렛 용접의 경우 용접 강도의 감소 없이 이음새 정렬 불량을 수용할 수 있습니다.
스폿 크기가 약 800µm인 펄스 레이저에 의해 적용된 스폿의 규칙적인 침투 및 단면.
스폿 크기가 약 30µm이며 재료를 통해 빠르게 이동하는 단일 모드 레이저에 의해 적용된 스폿의 침투 및 단면.
5. 열 입력 최소화 – 열 입력은 열원의 강도와 부품의 시간에 정비례합니다. 열원의 측면 효과는 크기의 함수입니다. 필요한 모양이 무엇이든 부품 위로 빠르게 이동하는 25µm 스폿을 사용함으로써 이제 열 입력과 모든 제어 레버를 정밀하게 제어하여 최적화할 수 있습니다.
시장:전자공학/의료
재료:스텐레스 강철 포일, 40µm, 금 도금 구리 대상, 140µm
응용 분야:전자 부품을 PCB에 용접
하위 시스템:PowerLine FL 150 P, SmartWeld+
선형 속도: 800mm/분
용접 깊이: ~ 45µm
전단 강도:10mm당 130N
균일한 이음새, 균열 없음
PCB에 눈에 띄는 영향 없음
6. 대형 공정 창, 더 많은 용접 가능 재료 – 최소한의 열 입력과 지속적으로 작동하는(파동) 모드에서 실행되는 레이저는 부품에 적용되는 냉각 속도를 줄여, 용접 가능 재료의 범위를 늘리는 동시에 용접 균열 가능성을 줄입니다.
시장:의료장비
재료:스텐레스 강철
응용 분야:철망 용접
하위 시스템:PowerLine FL 150 P, SmartWeld+
와이어 직경: 200µm
스폿 크기: 30µm
펄스 수:단일 펄스
피크:85W
7. 3D 모션 기능 – 스캔 헤드에 추가 동작 축을 장착함으로써 포커스 평면을 z축으로 이동하여 훨씬 더 많은 기능을 제공할 수 있습니다.
단일 모드 파이버 레이저의 이점:
- 낮은 레이저 출력 – 약 25µm의 포커스 스폿 크기를 사용하면 출력 밀도가 높아져 필요한 평균 출력이 낮아지고, 필요한 레이저 크기가 줄어들고, 비용이 절감됩니다.
- 저비용 모션 – 레이저 마킹의 볼륨으로 인해 스캔 헤드가 필수 품목인 만큼 첨단 스캔 헤드가 스테이지에 비해 상대적으로 저렴합니다.
- 쉬운 프로그래밍 – 스캔 헤드의 동작 프로그래밍은 G 또는 M 코드에 대한 지식이 필요하지 않습니다. 레이저 마커와 마찬가지로 도면 패키지에서와 같이 원 및 선 기능을 사용하여 용접 경로가 생성되기 때문입니다. 소프트웨어는 사전 용접 비전, 공정 중 모니터링 또는 용접 후 검사도 포함할 수 있는 생산 실행 목록 작성 프로세스에서 사용자에게 안내를 제공합니다.
- 최소화된 시스템 공간 – 일반적으로 스캔 헤드는 움직임이 200x200mm(8x8") 규모로 작은 신발 상자 크기를 넘지 않습니다. 일반적으로 랙에 장착된 파이버를 통해 레이저가 전달되므로 전체 시스템 공간이 매우 작습니다.
스캔 헤드 그 이상
스캔 헤드 가속 및 감속은 매우 높다고는 해도 여전히 존재하므로 특정 용접 경로에 열 입력이 높거나 낮은 섹션이 있을 수 있습니다.
당사의 스마트한 “워블” 헤드인 Coherent SmartWeld+는 이 문제를 해결하고 전력을 조정하여 즉석에서 열 입력을 조정합니다. 완전히 유연하고 프로그래밍 가능한 이 워블/전력 패턴을 사용하면 용접 가열 및 냉각을 정밀하게 제어할 수 있으므로, 이음새 너비 및 침투 깊이를 포함한 용접 매개변수를 보다 결정적으로 제어할 수 있습니다.
Coherent SmartWeld+에 대해 자세히 알아보십시오.
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