Hybridné laserové spájkovanie keramických materiálov a skla s využitím laser-u ultrazvuku: koncept, metódy a aplikácie

Sklo aj keramika sú krehké, nevodivé materiály anorganického pôvodu. Značenie skla laserom prebieha úplne iným mechanizmom než pri kovoch či dreve. Tu laser vytvára mikrotrhlinky a vnútorné napätie, ktoré vedú k zmatneniu alebo zafarbeniu povrchu. Keďže CO₂ laser (10,6 µm) sklo vo veľmi tenkej povrchovej vrstve absorbuje, tradične sa teda na gravírovanie skla používali CO₂ lasery. Ich lúč gravíruje do hĺbky, spôsobí popraskanie povrchovej vrstvy a tým vznikne pieskovaný efekt s matným, drsným povrchom. To sa využíva napr. na dekorácie pohárov alebo fliaš. Nevýhodou je, že takýto popis nie je kontrastný a je viditeľný iba pod určitým uhlom. Moderný prístup k značeniu skla v priemysle preto využíva kratšie vlnové dĺžky. Napríklad zelené lasery (532 nm) alebo UV lasery (355 nm) dokážu značiť sklo bez prasklín - indukujú absorpciu viac vo vnútri materiálu a vytvárajú mikrobublinky. Vláknové lasery s vlnovou dĺžkou 1064 nm boli dlho považované za nevhodné pre číre sklo, pretože infračervený lúč prechádza sklom bez absorpcie. Novinkou posledných rokov je však vláknový MOPA laser s veľmi krátkymi a energetickými pulzmi, ktorý dokáže na skle vytvoriť kontrastnú stopu. Pri keramike záleží na type. Glazované keramiky (napr. dlaždice, porcelán) sa správajú podobne ako sklo. Povrchová glazúra sa dá CO₂ laserom odpariť alebo zdrsniť. Nezasklená technická keramika (napr. oxid hlinitý - korund, zirkón) je často matná biela alebo sivá, a tam CO₂ laser nezanechá veľmi viditeľnú stopu. Takéto keramiky sa však dajú značiť vláknovým laserom, ak obsahujú absorpčné zložky. Tmavé keramické súčiastky možno značiť fiber laserom podobne úspešne ako kov. Kľúčové je, že keramika pri laserovom značení väčšinou nezmení farbu, iba sa odparí povrch alebo vytvoria mikropraskliny. Pre bežné aplikácie je vhodný CO₂ laser, najmä pri sklenených výrobkoch. Ak je potrebné značiť keramické diely, volí sa buď vláknový laser s vyšším výkonom alebo pulzný UV laser, podľa materiálu. Pre porcelán a dlaždice je štandardom CO₂, ktorý odstráni glazúru a tým sa ukáže iný odtieň. Pri skle sa CO₂ laser nastavuje tak, aby spôsobil prasklinky, ale neroztavil sklo príliš. To zvyčajne znamená kratšie pulzy s nižším výkonom. Napríklad pri tenkom skle (fľaša) sa používa defokusovaný CO₂ lúč, ktorý vytvára jemné pnutie a tým bielu matnú stopu, bez veľkých odštepov. Príliš veľa energie naraz by viedlo k prasknutiu skla. Často sa značí tzv. quasi-kontinuálne: laser pulzuje v rádoch kHz a skenuje rýchlo, aby každé miesto dostalo niekoľko krátkych ohrevov namiesto jedného silného. Rýchlosť posuvu môže byť vysoká (tisíce mm/s) pri galvo hlave. Pri keramike sa používa CO₂ laser s vysokým výkonom, ktorý môže glazúru rovno odpariť. Potom stačí jeden pomalší prechod (napr. 20 W, 100 mm/s). Pri svetlej technickej keramike tvorí vláknový laser jemne nažltlý alebo sivý popis, ale musí pracovať vo vysokej energii (napr. 30W, 20 kHz, 100 mm/s, viac prechodov). Tam sa často parametre laserového značenia ladia pokusom, pretože keramika môže reagovať nečistotami (napr. stmavne kvôli redukcii nejakej zložky). Výhodou značenia skla a keramiky laserom je trvalé označenie bez leptania. To je cenné napr. pri laboratórnom skle, pri porcelánových izolátoroch a pod. Laser dokáže značiť aj veľmi malé detaily alebo QR kódy na krehkých keramických súčiastkach, kde by potlač bola problematická. Nevýhodou je nižší kontrast: matné značenie je na čírom skle horšie viditeľné, značenie na bielej keramike je tiež biele alebo sivé. Výhodou použitia vláknového laseru na sklo je jeho univerzálnosť, pretože je použiteľný aj na značenie kovov a plastov. Nevýhodou je zatiaľ o niečo nižšia kvalita značenia oproti UV laserom (mierne rozstrapkané okraje). Laser je teda vhodný na značenie mnohých typov skiel a kerámik, ale je potrebné posúdiť požiadavky na kontrast a pevnosť. Pri značení skla či keramiky laserom hrozí zníženie pevnosti. Mikrotrhlinky v materiáli môžu pri mechanickom namáhaní spôsobiť praskanie. V oblasti pokročilých výrobných technológií dochádza k neustálemu vývoju nových metód spájania materiálov, ktoré umožňujú vytvárať spoje s vynikajúcimi vlastnosťami a rozšírenými aplikačnými možnosťami. Jednou z takýchto inovatívnych technológií je hybridné laserové spájkovanie, ktoré kombinuje výhody laserového zvárania a zvárania v ochrannej atmosfére. Táto metóda nachádza uplatnenie najmä pri výrobe lodí, automobilov a koľajových vozidiel. Vďaka kombinácii výhod sa pomocou hybridnej technológie vyhnete nevýhodám, ktoré jednotlivé metódy so sebou prinášajú. Pri tejto metóde predbežný laserový lúč najprv zohreje povrch obrobku na teplotu odparovania, čím vznikne hlboký a úzky závar. Laserové spájkovanie alebo laserové zváranie spojov na strechách, dverách a zadných dverách vozidiel sa stalo celosvetovo rozšíreným štandardom pri výrobe karosérií. Na takéto spájanie sa zvyčajne používa laserová optika s taktilným (dotykovým) navádzaním spojov. Tie využívajú hrot drôtu ako dotykový senzor na udržiavanie polohy laserového lúča na spojovacej hrane. Vďaka bočnému a osovému nastaveniu sú poloha a veľkosť laserového bodu vždy neustále zarovnané s hrotom drôtu, čo umožňuje vysokokvalitné zváranie alebo spájkovanie pri vysokých rýchlostiach spájania. Pokročilé keramické materiály a ich spracovanie sú definované ako anorganický kryštalický materiál, zložený z kovu a nekovu. Sú pevné, inertné, krehké, tvrdé, silné v stlačení a slabé v strihu a ťahu. Odolávajú chemickej erózii kyslého alebo žieravého prostredia a sú vysoko odolné voči teplotám. Vďaka týmto výnimočným vlastnostiam je keramika široko používaná pre priemyselné aplikácie, ako sú povlaky, polovodiče, disky a optické obvody. Pokročilé kompozitné keramické materiály na báze karbidu kremičitého (SiC) sú považované za jedny z najdôležitejších konštrukčných keramických materiálov pre jadrový a vesmírny priemysel. Je to najmä vďaka ich nízkej hustote, výborným mechanickým vlastnostiam aj pri vysokých teplotách a odolnosti voči žiareniu. Nakoľko je výroba veľkých rozmerov a komplexných tvarov z týchto materiálov veľmi náročná, vedci a vedkyne sa venujú vývoju inovatívnych spôsobov ich spájania. Pre bežné aplikácie je vhodný CO₂ laser, najmä pri sklenených výrobkoch. Ak je potrebné značiť keramické diely, volí sa buď vláknový laser s vyšším výkonom alebo pulzný UV laser, podľa materiálu. Pre porcelán a dlaždice je štandardom CO₂, ktorý odstráni glazúru a tým sa ukáže iný odtieň. Pri skle sa CO₂ laser nastavuje tak, aby spôsobil prasklinky, ale neroztavil sklo príliš. Pri keramike sa používa CO₂ laser s vysokým výkonom, ktorý môže glazúru rovno odpariť. Pri svetlej technickej keramike tvorí vláknový laser jemne nažltlý alebo sivý popis, ale musí pracovať vo vysokej energii. Ultrafialový laser je veľmi vhodný na označovanie povrchu skla, výrobu vzorov a môže dosiahnuť ultra jemnú výrobu. Ultrafialové laserové značenie na kompenáciu presnosti spracovania v minulosti nie je vysoké, problémy s mapovaním, poškodenie obrobku, znečistenie životného prostredia a ďalšie nedostatky, vďaka svojim jedinečným výhodám spracovania sa stali novým favoritom spracovania sklenených výrobkov. Pri značení skla či keramiky laserom hrozí zníženie pevnosti. Mikrotrhlinky v materiáli môžu pri mechanickom namáhaní spôsobiť praskanie. Ultrazvukové dispergátory sú osvedčenou a vysoko účinnou technológiou na formuláciu a spracovanie keramických suspenzií. Pri modernej výrobe keramiky kvalita a výkonnosť konečného výrobku vo veľkej miere závisí od homogenity, stability a distribúcie veľkosti častíc suspenzie. Ultrazvukové dispergátory vytvárajú v kvapalnom médiu intenzívnu kavitáciu. Implózia mikroskopických kavitačných bublín vytvára lokalizované vysoké strihové sily, ktoré účinne zmáčajú povrch častíc, rozbíjajú aglomeráty a rovnomerne rozdeľujú častice v celej suspenzii. Priemyselné ultrazvukové systémy dokážu kontinuálne spracovávať veľké objemy keramických suspenzií, vďaka čomu sú ideálne pre aplikácie, ako je odlievanie pások, keramické nátery, technická keramika, elektronická keramika a konštrukčné keramické kompozity. Ultrazvuk je osvedčená technika na spoľahlivé spracovanie keramických suspenzií a kompozitov. Ponorný homogenizátor je vysokoenergetické miešacie zariadenie, v ktorom je sonda alebo sonotróda ponorená priamo do kvapaliny alebo suspenzie, aby pôsobila intenzívnymi mechanickými alebo ultrazvukovými silami. Tieto sily vytvárajú strih, turbulenciu alebo kavitáciu, ktoré rozbíjajú agglomeráty, zmenšujú veľkosť častíc a vytvárajú homogénnu a stabilnú disperziu v spracovávanom objeme. Proces povlakovania keramických materiálov spájkovateľnými povlakmi, ktoré je potom možné spájkovať bežnými spájkami v ochrannej atmosfére alebo s použitím vysokokorozívneho taviva, je technologicky, ekonomicky a environmentálne náročný. Tento finančne a technologicky náročný proces je možné nahradiť spájkovaním aktívnou spájkou vysokoteplotnou aktiváciou vo vákuu alebo vnesením ultrazvukových vibrácií do roztavenej spájky mierne nad teplotou jej tavenia. Aktívny prvok je dôležitou súčasťou spájky, pretože zabezpečuje zmáčavosť a vznik väzby medzi kovovou spájkou a keramickým materiálom bez potreby povlakovania. Navyše sa týmto spôsobom znižuje čas potrebný na vyhotovenie spojov, zlepšuje sa hygiena pracovného prostredia a zlepšuje sa ekonomika výroby spájkovaných spojov. Spájkovacia zliatina podľa technického riešenia je aktívna spájka, ktorá dokáže priamo zmáčať široký rozsah rôznych materiálov v elektronike, ako sú kovy (Cu, Al, Ni a pod.), nekovy (Si, Ge, grafit a pod.), keramické materiály (AúO3, AlN, SiC, SÍ3N4, AlN a pod.) či kompozitné materiály s kovovou alebo keramickou matricou. Spájkovacia zliatina podľa technického riešenia je založená na báze cínu, obsahuje aktívny prvok skandium a môže ďalej obsahovať ako legúru striebro. Striebro zlepšuje najmä mechanické vlastnosti, ako je pevnosť v ťahu spájky a šmyková pevnosť spájkovaných spojov. Ďalej zlepšuje spájkovacie vlastnosti najmä pri spájkovaní kovových materiálov, zlepšuje tiež elektrickú vodivosť a korózne vlastnosti spájkovacej zliatiny. Skandium je aktívny kov, ktorý zabezpečuje zmáčavosť ťažko spájkovateľných materiálov. V procese spájkovania aktívny kov spájky Sc reaguje s povrchom spájkovaného substrátu, čo zabezpečuje zmáčavosť a následne vznik pevnej väzby. Zloženie a vlastnosti aktívnej spájkacej zliatinyAktívna spájkovacia zliatina na spájkovanie kovových, nekovových, keramických a kompozitných materiálov pri teplotách od 225 do 280 °C obsahuje skandium v množstve od 0,1 až 3 hmotn. %. Zvyšok do 100 % je cín. Aktívna spájkovacia zliatina môže obsahovať aj striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. % a meď v množstve od 0,1 do 1 hmotn. %. Spájkovacia zliatina na spájkovanie kovových, nekovových, keramických a kompozitných materiálov pri teplotách v rozsahu od 225 do 280 °C podľa technického riešenia obsahuje cín v množstve 97 až 99,9 hmotn. % a aktívny prvok skandium v množstve 0,1 až 3 hmotn. %. V ďalšom uskutočnení spájkovacia zliatina môže obsahovať aj aktívny prvok striebro. V tomto prípade je zloženie spájkovacej zliatiny: cín v množstve 91 až 98,4 hmotn. %, skandium v množstve 0,1 až 3 hmotn. % a striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. %. V ďalšom uskutočnení môže spájkovacia zliatina obsahovať aj meď. V tomto prípade je zloženie spájkovacej zliatiny: cín v množstve 90 až 98,3 hmotn. %, skandium v množstve 0,1 až 3 hmotn. %, striebro v množstve 1,5 až 6 hmotn. % a meď v množstve od 0,1 do 1 hmotn. %. Zloženie aktívnych spájkovacích zliatin Zložka Rozsah obsahu (hmotn. %) Cín (Sn) 90 - 99,9 Skandium (Sc) 0,1 - 3 Striebro (Ag) 1,5 - 6 Meď (Cu) 0,1 - 1 Priemerná šmyková pevnosť spojov bola od 16 do 39 MPa. Rýchle a kvalitné laserové spájanie aj pri veľkých medzerách a toleranciáchLaserové spájkovanie alebo laserové zváranie spojov na strechách, dverách a zadných dverách vozidiel sa stalo celosvetovo rozšíreným štandardom pri výrobe karosérií. Na takéto spájanie sa zvyčajne používa laserová optika s taktilným (dotykovým) navádzaním spojov. Tie využívajú hrot drôtu ako dotykový senzor na udržiavanie polohy laserového lúča na spojovacej hrane. Vďaka bočnému a osovému nastaveniu sú poloha a veľkosť laserového bodu vždy neustále zarovnané s hrotom drôtu - a umožňujú vysokokvalitné zváranie alebo spájkovanie pri vysokých rýchlostiach spájania. Čoraz viac výrobcov využíva technológiu taktilného laserového spájania a spolieha sa na spoločnosť ABICOR BINZEL ako dodávateľa systémov, servisného partnera a poskytovateľa know-how v oblasti podávania drôtu a súvisiacich systémov. A táto ponuka sa neustále rozširuje. Nová generácia taktilnej laserovej optiky bola vyvinutá v úzkej spolupráci s partnerom PT Photonic Tools GmbH a bude k dispozícii už čoskoro.

Postupne dopĺňané poznatky o ultrazvukových dispergátoroch a ich využití v keramických suspenziách spolu s postupom spájkovania ukazujú, ako môžu tieto technológie spolupracovať pri výrobe spoľahlivých keramických a sklených dielov.

• Pri sklených výrobkoch CO₂ laser vytvára prasklinky a bielu matnú stopu, defokusovaný lúč minimalizuje riziko prasknutia.
• Pri keramike sa volia vysokovýkonné CO₂ lasery alebo vláknové lasery v závislosti od typu keramiky a požadovaného efektu.
• Ultrafialový laser prináša ultra jemné značenie na sklo s vysokou presnosťou.
• Hybridné laserové spájkovanie kombinuje výhody laserového zvárania a ochrannej atmosféry pre spoje na karosériách.
• Aktívna spájka obsahuje skandium, môže obsahovať striebro a prípadne meď, s cieľom dosiahnuť lepšiu zmáčavosť a pevnosť spojov.

Pri veľkom rozsahu aplikácií je potrebné posúdiť kontrast a pevnosť. Mikrotrhlinky pri mechanickom namáhaní môžu viesť k praskaniu. Ultrafialový laser a ultrazvukové dispergátory dopĺňajú tradičné postupy značenia a spájania, čo umožňuje rozšíriť aplikačné možnosti v priemyselných odvetviach, ako sú lodný, automobilový a koľajový priemysel.

tags: #pajkovanie #keramickych #materialov #hybridnym #sposobom #laser