Speciál: svařování a Spojování
Metody svařování
mikrosystémů:
plusy a minusy
vysoké pořizovací náklady, nezbytné je vakuum, nutná příprava opracovávaného kusu
před svařovací operací.
Termokompresní svařování
V moderním provozu technických zařízení, hlavně ve výrobních procesech,
jde o to, aby kromě co nejmenší spotřeby energie tato zařízení
zabírala co nejméně místa, současně pracovala spolehlivě a přesně
a s reprodukovatelnou kvalitou. Mikrosystémová technika se tak považuje za
jednu z klíčových technologií 21. století, mimo jiné proto, že pomáhá spojovat
elektrické, elektronické, mechanické, respektive strojní a optické součástky
do uzlů či systémů, jež plní složité funkce.
V oborech, kde výroba a fungování mikrosystémů přichází v úvahu (tj. strojírenství
všeobecné i přesné, optika, elektronika,
jemná mechanika apod.), se ke spojování jejich součástí užívají svařovací procesy
„šité na míru“ specifickým potřebám takto
vyráběných systémů a prostředí, v nichž se
provádějí. Jde zvláště o to, aby součástky
byly odolné vůči tepelným a mechanickým
vlivům.
Při svařování mikrosoučástek do mikrosystémů se užívá dále uváděných metod.
Běžné odporové svařování
(v mikrorozměrech)
Při něm se plošky, jež se mají spojit, zahřívají pomocí elektřiny, poté se za užití tlaku
a kování spojují. Takto se dají svařovat dráty
vyrobené z různých materiálů s velice malými průměry, od 20 do 30 mikrometrů, a fólie
o tloušťce od 5 do 10 mikrometrů. Pevnost
a tvrdost svařence závisí na tavných bodech
spojovaných materiálů. Zde se musí dodržovat určité předpoklady, jde-li o spojované
materiály, kvalitu jejich povrchů a rozměry.
Pokud se splní, lze tento způsob spojování
doporučit. Této metody se užívá na různých
pracovištích v elektronice, elektrotechnice
a jemné mechanice a v optice. V té například
k opravě obrouček brýlí. Mikrosvařování tedy
slouží nejenom ve výrobě, ale i ve službách
či v běžném životě.
Předností jsou zde nízké pořizovací náklady a nízká potřeba čištění. Nevýhody představují znečišťování svařovací elektrody, poměrně značné rozměry elektrody a svařovací
hlavy, skutečnost, že se svařovací hlava dost
rychle opotřebovává.
Mikrosvařování (manuální) se používá v optice.
48/49
Plazmové mikrosvařování
To se aplikuje, když je třeba obzvláště jemný
svařovací postup. Svarová lázeň je zde výsledkem působení plazmového světelného
oblouku vznikajícího mezi wolframovou elektrodou a svařovaným kusem. Tím, že se oblouk zúží, vzniká energetický zdroj s vysokou
hustotou výkonu. Tento způsob je vhodný
pro spojování nízkolegovaných a vysokolegovaných ocelí a také součástek z kovů jako
měď a nikl. Užívá se pro spojování tenkých
plechů, fólií a drátů s tloušťkou od 0,01 do
1,5 mm a též pro spojování termočlánků.
Přednosti: vysoká elektrická účinnost, velice nízké investiční náklady, malé rozměry zařízení, tedy nízké nároky na pracovní prostor.
Nevýhody: nákladná příprava před svařovací
operací, deformace plechů a fólií vlivem tepla
při procesu vznikajícího. Pro fólie pod 1,2 mm
tloušťky se musí instalovat upínací zařízení.
Tepelná zóna je poměrně široká. Tvoří se
i zóny s hrubými zrny. Odstup mezi nástrojem
a opracovávaným kusem je dosti malý.
Mikrosvařování elektronovým paprskem
Metoda je vhodná pro mikrosvařování téměř
všech kovů a pro spojování konstrukčních
dílů z různých materiálů, a též pro svařování
malých součástek, fólií o tloušťce 50 mikrometrů a drátů. Postup se užívá jak pro bodové, tak pro průběžné svařování. Kvalitu
práce lze dozírat rastrovým elektronovým
mikroskopem, a to jak před svařováním, tak
při něm a po jeho ukončení.
Přednosti: krátké synchronizační doby,
ostře vymezená zóna svařování, nízké riziko deformací, možnost přesného řízení
místa a času svařovací operace. Nevýhody:
Je založeno na působení tepla a tlaku mezi
polovodičovým systémem a drátem nebo
kovovou páskou. Ke spojování dochází
v pevném stavu na bázi pojivosti mezi atomy
na hraničních plochách spojovaných kusů
a díky difuzi fungující po přitlačení. V důsledku toho pak vzniká struktura překračující
původní hranice materiálů, jež jsou spojovány. Takto lze spojovat třeba dráty ze zlata
nebo z hliníku o průměrech od 17,5 do 50
mikrometrů. Tento způsob bývá též nazýván
„nailhead – boxing“ (= slepování špendlíkových hlaviček). Spojování probíhá při teplotě
290 °C.
Přednosti: relativně nízké pořizovací náklady na termokompresní svařovací aparaturu. Nevýhody: deformace součástí tlakem, nutná je náročná příprava svařovacího
pracoviště.
Mikrosvařování ultrazvukem
Ultrazvukové vlny vznikají působením tlaku
a tření, a nedochází tu ke vzniku taveniny,
tedy ani ke vzniku tepla. Proto je tato metoda
spojování doporučována tam, kde by jinak
vysoké teploty mohly způsobit ve spojovaných součástkách trvalé a škodlivé změny.
Zčásti se tato metoda svým fyzikálním průběhem podobá termokompresnímu svařování.
Metoda se užívá nejvíce u hliníku, ale též
u jiných kovů a jejich slitin, u termoplastů,
u skla a u polovodičů. Ultrazvukem je možno
(mikro)svařovat bodově, čárkovitě, prstencovitě, dají se pořizovat i švové svary. Metoda
se doporučuje jmenovitě pro spojování velice
jemných fólií a tenkých polovodičových drátů.
Přednosti: malé zahřátí svařovaných součástek, neměnnost krystalické struktury,
není tu potřeba povrchových úprav (po dokončení operace), ani ochranné atmosféry.
Nevýhody: rychlé opotřebení, tloušťka opracovávaných fólií může být jen malá (u oceli
do 0,2 mm), nízká pevnost spojů, deformace
vinou přítlačné síly.
Termosonické mikrosvařování
Zde jde o kombinaci ultrazvukového a termokompresního svařování. Ve srovnání s ultrazvukovým postupem tu dochází ke spojování při vyšších teplotách (100 až 200 °C).
V průmyslu je mikrosvařování mnohdy automatizováno.
5/2014
Speciál: svařování a Spojování
Metoda slouží například ke svařování zlatých
drátků o průměrech pod 50 mikrometrů (dráty z tohoto kovu lze spojovat jen při vyšší teplotě). Aplikační sférou jsou hlavně polovodiče, integrované obvody a součástky určené
pro vysokofrekvenční systémy.
Přednosti: krátké synchronizační doby,
nízké pořizovací náklady. Nevýhody: deformace součástek tlakem, nutnost důkladné
přípravy svařovacího pracoviště.
Mikrosvařování laserem
Laserové kalení, navařování, svařování
Vybavení pracoviště
Technologický park společnosti Kuličkové Šrouby Kuřim, a. s., byl
obohacen o vývojové pracoviště povrchových úprav, disponující laserem
s možností výměny laserových hlav. Technologie laserového robotizovaného
pracoviště jsou laserové kalení, navařování a svařování. Od loňského roku, kdy
jsme u nás začali laserové robotické pracoviště používat, jsme provedli mnoho
zkoušek a o výsledky některých z nich se s vámi v tomto příspěvku podělíme.
Oproti klasickým způsobům ohřevu včetně
kalení indukčního je u laserové technologie
výrazně menší celkové vnesené teplo. Proto
se k chlazení kalených dílů nepoužívá vnější prostředí, např. voda, ale postačí vnitřní
odvod tepla, kdy se teplo rozptyluje do těla
kalené součásti. Tím pádem je ochlazování
dílu pro materiál více šetrné a díl po kalení
není namáhán tak vysokým vlastním napětím s rizikem výskytu trhlin.
Zdroj energie, tedy kalicí hlavu, „drží“ šestiosé robotické rameno, kalený kus je upnut v polohovadle. Proto mohou být laserem kaleny
tvarově i velmi náročné díly a není třeba žádných dalších přípravků nebo speciálních pomůcek jako například induktorů při indukčním
kalení. (obr. kalení rob) Ke kalení používáme
skenovací hlavu a dva režimy, a to režim konstantní teploty povrchu a režim konstantního
vneseného výkonu. Šíře pásu zakalení je minimálně 2,5 mm a maximálně 40 mm.
Vzhledem k velmi malým deformacím dílů
po kalení je možné některé součásti obrobit
za „měkka“ i bez přídavků na dokončovací
obrábění. Například deformace hřídele průměr 50 mm po kalení laserem z materiálu
Obr. kalení rob
Obr. kalení hřídele
Obr. litina kalení
Obr. litina návar
•šestiosý robot Motoman s pracovním
rozsahem 2000 × 7000 mm
•jednoosé polohovadlo – nosnost 1000
kg, upínací průměr 200 mm, protočny průměr 800 mm, max. délka upnuté součásti
6000 mm
•dvouosé polohovadlo – nosnost 250 kg,
velikost obrobku průměr 1200 mm
•pevný přípravkový stůl – rozměr 1000 ×
1000 mm
Laser:
•maximální výkon laserového paprsku 6 kW
•průměr laserového vlákna 600 μm
•vlnová délka 1030 nm
Foto: Kuličkové šrouby
ADVERTORIAL
Optická energie potřebná pro svařování se
u laseru přivádí do svařovacího zařízení na
základě tzv. Fresnelovy absorpce. Po proniknutí do určité hloubky se tato energie (záření, paprsky) vlivem brzdného inverzního
záření transformuje v teplo, přenášené na
různých materiálů, s průměry svarových
bodů, respektive šířkami svarových švů pod
100 mikrometrů.
Přednosti: velký pracovní odstup mezi
zdrojem paprsků a opracovávaným kusem,
možnost přesného řízení času a místa laserové aplikace, malá deformace opracovávaných kusů a tedy i minimální potřeba
dodatečné finální úpravy, netvoří se zóny
hrubých zrn, teplo se kolem míst svarů
šíří jen omezeně, jsou možné různé geometrie svařování, je tu použitelnost metody u kombinací různých materiálů. Nevýhody: vysoké pořizovací náklady laserů,
dílčí odraz laserového záření na povrchu
opracovávaného kusu, nákladná příprava
operací.
V. Plichta
zpracovávaný (spojovaný) kus. Teplota na
jeho povrchu je funkcí hustoty výkonu a délky působení laserového paprsku. Jakmile
přestane působit, tavenina vznikající v opracovávaném kusu vlivem předchozího tepla
ztuhne. Vznikne široká a plochá svarová
čočka (svarový bod).
Dosažením prahové intenzity (když I je
větší než 10–6 W/cm2) dojde k hloubkovému
svařovacímu efektu. Vzniká laserem indukovaný plazmový parní kanál (ve svářečské
hantýrce „klíčová dírka“ – keyhole), kterým
se laserový paprsek dostává hlouběji do nitra
opracovávaného kusu. Výsledkem je svarový šev s vysokým poměrem hloubky k šířce
svaru.
Laserové mikrosvařování se používá pro
velice jemné bodové a podélné svařování
5/2014
42CrMo4 s povrchovou tvrdostí přes 60
HRC nepřesáhne hodnotu 7 µm. (obr. kalení
hřídele)
Jak již bylo řečeno, laserové kalení nese
nízké riziko vzniku trhlin, protože zatěžuje
materiál malými vlastními napětími. V neposlední řadě je i z této příčiny tato technologie
vhodná i ke kalení grafitických litin (zejména
litiny s kuličkovým grafitem, ale i šedé litiny),
které jsou oproti ocelím na vznik trhlin více
náchylné. Výhodou je též skutečnost, že se
povrch dílu ohřeje velice rychle, řádově v desetinách sekund, a nedochází k vypalování
grafitu; ten v zakalené kovové matrici zůstává jako samomazná složka, a nedochází tak
k degradaci příznivých kluzných vlastností.
Na obrázku metalografického výbrusu (obr.
litina kalení) je vidět, že grafit je před kalením
i po kalení ve stejném stavu. V horní světlé
zakalené části je dosaženo tvrdosti 611 HB
(~57,5 HRC), tmavší původní nezakalená
část má tvrdost 292 HB (~30,5 HRC). Tvrdost po zakalení je dána chemickým složením a dalšími parametry. U některých vzorků
bylo dosaženo tvrdosti 725 HB (~67 HRC).
Při navařování laserem dosahujeme dobrých výsledků při opravách vad litinových odlitků. Na obrázku metalografického výbrusu (obr.
litina návar) je vidět návar na litinový díl, kde
nebyl teplem téměř ovlivněn základový materiál a návar má tvrdost 235 HB (~21,5 HRC).
Ing. Radek Moskovský,
vedoucí speciální výroby KŠK
48/49
Download

Metody svařování mikrosystémů