Témata
Reklama

Mikronapájení a makropájení laserem

Trvalá prosperita automobilového průmyslu, ale zároveň i rivalita mezi jeho jednotlivými výrobci přinášejí určitý hnací prvek do vývoje průmyslových technologií. Rostoucí podíl pozinkovaných plechů při výrobě automobilových karoserií a nutnost zachování korozní odolnosti a jakosti spojů vede stále více k nahrazování tradičních technologií svařování metodami pájení, zvláště pak pájení natvrdo. I tady se v poslední době začíná uplatňovat pájení laserem a jak se jeho vývoj urychluje, objevují se stále nové a nové oblasti jeho použití

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.
Reklama
Reklama
Reklama

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.

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 oC, 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 event. 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.
Zajímavou verzi měkkého mikropájení předvedl nedávno na letošním 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.

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 (m. 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.

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.
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.
Reklama
Vydání #10
Kód článku: 31036
Datum: 08. 10. 2003
Rubrika: Trendy / Automobilový průmysl
Autor:
Firmy
Související články
Skutečný pomocník

Na českém trhu je od září letošního roku k dostání nová generace vozů Opel Vivaro a to ve třech variantách: Van, Crew Van a Combi. První dvě verze jsou určeny především pro převoz nákladu a osob, Combi pak pro převoz větších skupin lidí či sportovních týmů. Všechny vozy pohání turbodieselové motory.

Kolaborativní roboty - potenciál automatizace v automobilovém průmyslu

Kolaborativní roboty, neboli koboty, vytvářejí další příležitosti pro automatizaci automobilového průmyslu. Jsou charakteristické svou schopností pracovat ve specifické výrobní oblasti, po boku pracovníků. Dále pak rychlou implementací a snadným přesunem na nové úkoly. V neposlední řadě i intuitivním programováním a obsluhou. Mohou pomoci v procesech jako je vstřikování, při obsluze strojů nebo při balení a paletizaci ve velkých i malých podnicích.

Strojírenské podniky v době pandemie

Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

Související články
Dokonale přilnavý povrch v kontinuálním provozu

Polský výrobce brzdového obložení Lumag se obrátil na firmu Rösler s požadavkem na vytvoření povrchu, který zajistí optimální přilnavost pro navazující proces lepení. Výsledkem je komplexní řešení pro odmašťování a omílání nosičů brzdového obložení propojené s vysekávacím lisem.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zásadní pokrok ve vyvrtávání válců motorů

Vyvrtávání válců je v automobilovém průmyslu všeobecně považováno za jednu z nejdůležitějších obráběcích úloh. Tradiční způsob výroby válců bloku motoru zahrnoval celou řadu hrubovacích, polodokončovacích a dokončovacích operací. Díky využití nejnovějších technologií obráběcích nástrojů však lze nyní hrubovací a polodokončovací nástroje zkombinovat do jediného řešení, kterým je vyvrtávací tyč určená pro obrábění na jediný průchod, což umožňuje úsporu drahocenného času cyklu bez jakýchkoli kompromisů z hlediska kvality. Dokonce i nepatrná úspora délky času cyklu může při výrobě válců znamenat významné snížení nákladů, protože objem výroby je velmi vysoký, takže dojde-li k zásadnímu pokroku z hlediska tohoto celkového objemu, lze s jistotou tvrdit, že u této kritické obráběcí operace bylo dosaženo skokové změny.

Nové technologie osvětlení vozidel

Získat zkušenosti s novými zdroji světla bylo cílem jednoletého projektu Ideag, do něhož se na konci roku 2017 pustila mladoboleslavská společnost EDAG Engineering CZ. Výsledný prototyp zadní lampy navržené pro model Škoda Superb ukazuje možnosti využití tří moderních technologií: elektroluminiscenční fólie, OLED panelu a COB LED destiček.

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Automatizované pracoviště elektroerozivního obrábění

Společnost Mesit foundry má za sebou šedesátiletou zkušenost z výroby odlitků metodou vytavitelného voskového modelu a více jak padesátiletou historii výroby vstřikovacích forem. V současnosti je dodavatelem kvalitních vstřikovacích forem pro plasty a forem pro přesné lití kovů, které využívají zákazníci, například při dodávkách největším světovým automobilkám.

Stroj na středění klikových hřídelí

Je všeobecně známo, že kliková hřídel je jednou z nejkritičtějších součástek motoru s vnitřním spalováním a jedním z nejsložitějších a nejkomplexnějších dílů z hlediska obrábění. Potřeba přesného vyvážení klikové hřídele, která je rozhodujícím faktorem pro celkovou účinnost motoru, se stala ještě důležitější, jelikož výrobci automobilů usilují o snižování emisí CO2 prostřednictvím lepšího výkonu motoru a strategií spočívajících v odlehčování. Díky různým vylepšením, kterých se v průběhu let dosáhlo v procesech kování a odlévání, už mají neopracované komponenty klikové hřídele téměř požadovaný tvar s mnohem menším množstvím přebývajícího materiálu. To znamená, že na konečné klikové hřídeli je třeba obrábět méně částí. Přináší to s sebou také zvýšenou potřebu přesného vyvážení se zmenšenou velikostí protizávaží, které se při vytváření těžiště často provádí.

Zajímavosti letošního MSV v Brně

Zájem firem je opět velmi vysoký, ve srovnání s rokem 2015, kdy měl veletrh stejnou skladbu, se očekává o sto firem více. Evidováno je 1 630 vystavujících firem z 28 zemí. Přibližně polovina vystavovatelů opět přijede ze zahraničí, nejvíce jako tradičně z Německa. Zajímavé je, že téměř pětina německých firem bude na MSV vystavovat poprvé.

Výzvy při lisování hliníku

Vzhledem k neustále se zvyšujícím požadavkům na snižování spotřeby paliv automobilovém průmyslu, musí výrobci hledat cesty ke snižování hmotnosti automobilů všech produktových řad. Vedle používání ocelí AHSS a UHSS jsou hliníkové slitiny velmi atraktivní a životaschopnou možností pro výrobce. Novější typy oceli mohou být zpracovány podobným způsobem původně používaným po generace. Hliníkové materiály mají mnoho výhod i nevýhod oproti oceli, které musí být pečlivě zváženy.

Lehké konstrukce automobilů - Specifické povlaky hlubokotažných ocelí

Na konstrukční materiály používané při stavbě automobilové karoserie jsou kladeny mimořádné požadavky. Specifické podmínky musejí splnit zejména vnější povrchové díly karoserie, které jsou nositeli designu vozu a které tím i do značné míry rozhodují o prodejnosti a úspěšnosti daného modelu. Kromě základních mechanických podmínek musejí povrchové díly splnit perfektní lakovatelnost, mimořádnou korozní odolnost, ale také musejí mít schopnost bezproblémového zpracování – ať už lisováním, nebo rozmanitými technologiemi spojování, jako je laserové pájení a lepení.

Zvyšování výkonů motoru tvorbou povlaku žárovým nástřikem

Snížení hmotnosti vozidla a ztrát třením v pohonném agregátu může pomoci při zlepšování celkové účinnosti vozidla, což je jeden z důvodů, proč mnoho výrobců přešlo na bloky motoru z hliníkové slitiny namísto tradiční litiny. Primární výhodou hliníku je nižší hmotnost. Typické hliníkové slitiny nemají sice obdobné vlastnosti z hlediska opotřebení jako litina, přesto mnoho automobilek věnovalo spoustu času hledání konstrukčních řešení pro odstranění tribologických nedostatků, které se dostavily s hliníkovými bloky válců.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit