Pod względem technologicznym spawanie i lutowanie laserowe mają wiele wspólnego: obie metody polegają na selektywnym doprowadzaniu w strefę obróbczą energii promieniowania laserowego, która, padając na ogrzewaną powierzchnię, zamienia się w ciepło, doprowadzając do roztopienia bądź nadtopienia materiału. W przypadku lutowania jednak – inaczej niż przy spawaniu laserowym – podgrzewana jest nie powierzchnia spajanych detali, ale materiał pomocniczy (drut, pasta lutownicza), który rozpuszcza się i wnika w szczelinę, a zastygając, tworzy trwałe połączenie o wysokiej wytrzymałości. W efekcie metodą tą można łączyć również metale o dużej wrażliwości na temperaturę (bardzo mała strefa wpływu ciepła), a także materiały niejednorodne, np. stal z miedzią czy miedź z mosiądzem. Tę ostatnią właściwość zawdzięczamy także specyfice samego lutu, który różni się od składu surowcowego łączonych materiałów, a jednocześnie dobrze się z nimi wiąże. Co więcej, cechuje się on niższą temperaturą topnienia niż oba materiały bazowe, dzięki czemu może ulec pełnemu przetopieniu bez ryzyka zmiany struktury łączonych powierzchni.

Rynek skrajności

Relatywnie niska temperatura topnienia lutu ma wpływ na to, że proces lutowania laserowego wymaga doprowadzenia znacznie mniejszej ilości energii niż spawanie z użyciem lasera. Jej konkretna ilość zależy od typu procesu: w przypadku tzw. lutowania twardego musi ona umożliwiać podgrzanie lutu do temperatury powyżej 450ºC, natomiast w procesie lutowania miękkiego wystarczy 200–250ºC. Stosowane w tym ostatnim przypadku luty miękkie cechują się jednak równocześnie mniejszą wytrzymałością mechaniczną, dlatego wykorzystywane są przede wszystkim w procesach łączenia małych, wrażliwych na temperaturę detali, głównie w sektorze produkcji elektroniki (lutowanie płytek PCB). W przeciwieństwie do nich luty twarde zapewniają wysoką trwałość połączenia nawet przy dużych obciążeniach mechanicznych i termicznych. Dlatego są szczególnie cenione przez producentów części samochodowych i karoserii, sprzętu AGD, rur i profili, zaworów, zbiorników ciśnieniowych oraz wielu innych komponentów i urządzeń, które muszą cechować się odpowiednią szczelnością, a jednocześnie estetycznym wyglądem.

Duża uniwersalność lutowania laserowego w zastosowaniach przemysłowych sprawia, że jest ono wykorzystywane w różnych branżach, niekiedy bardzo odmiennych pod względem wymogów procesowych. Ponieważ warunkiem jego opłacalności (ze względu na wysoką cenę urządzeń) jest masowy charakter produkcji, wspólnym mianownikiem tych sektorów jest duży wolumen i jednorodność wytwarzanych detali. Wymóg ten spełnia z naddatkiem branża motoryzacyjna, znana ze swojej innowacyjności i otwartości na nowe technologie. Drugim pod względem wielkości odbiorcą urządzeń do lutowania laserowego jest sektor produkcji elektroniki, który ceni sobie tę metodę przede wszystkim za jej szybkość, efektywność i prostotę obsługi. I to właśnie te dwa tak różne branże przemysłu wyznaczają dziś kierunki rozwoju lutowania laserowego.

Automotive: estetyka na pierwszym planie

Zdążyliśmy się już przyzwyczaić, że branża motoryzacyjna wyznacza nowe trendy w produkcji, jako pierwsza testując rozwiązania, które dopiero po latach stają się standardem przemysłowym. Tak było również w przypadku technologii laserowych, a konkretnie spawania. Koncerny motoryzacyjne, dysponując odpowiednimi funduszami i zasobami ludzkimi, należały do pionierów laserowego łączenia materiałów – dostrzegły w nim potencjał ograniczenia kosztów i optymalizacji właściwości tworzonych połączeń.

Po latach ta sama branża zaczęła aktywnie optować za rozwojem metod lutowniczych, przyczyniając się do wdrażania kolejnych systemów lutowania laserowego na skalę przemysłową. Prym wśród innowatorów wiódł Volkswagen, który dostrzegł, że lutowane powierzchnie, w przeciwieństwie do spawanych, nie wymagają kosztownej obróbki wykańczającej i mogą zostać pokryte lakierem bezpośrednio po zakończeniu procesu lutowania. Co więcej, ich wysoka jakość pozwala także zrezygnować z maskownic z tworzywa sztucznego, stosowanych dotąd powszechnie m.in. na dachach pojazdów.
Nic więc dziwnego, że lutowanie laserowe robi zawrotną karierę w branży automotive, wypierając z fabryk zarówno spawarki laserowe, jak i urządzenia do spawania oporowego punktowego, które nie mogą się z nim równać ani pod względem estetyki, ani szybkości i wytrzymałości połączenia.

Trzy wiązki do blach cynkowanych ogniowo

Stosowana w sektorze motoryzacyjnym technologia bazuje w zdecydowanej większości na lutach twardych, tj. ulegających roztopieniu przy temperaturze powyżej 450ºC. Świetnie sprawdzają się one w łączeniu blach cynkowanych galwanicznie, tworząc niemal niewidoczne dla oka spoiny lutownicze o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Nie do końca radzą sobie natomiast z łączeniem blach cynkowanych ogniowo, coraz powszechniej stosowanych w sektorze motoryzacyjnym. Ta metoda wstępnej obróbki sprzyja bowiem powstawaniu mikroskopijnych odprysków roztopionego lutu na powierzchni łączonych materiałów. Niedoskonałości te są tak małe, że trudno je dostrzec gołym okiem, ale uwidaczniają się po nałożeniu warstwy lakieru. Na jakości traci także sama spoina lutownicza: jej powierzchnia staje się nierówna i wykazuje liczne wypływki. Winę za to ponosi grubsza niż w przypadku cynkowania galwanicznego warstwa cynku. Do tego jej grubość podlega lokalnie znacznym wahaniom, a sam cynk wykazuje inny poziom absorpcyjności promieniowania laserowego niż powłoka powstająca w procesie galwanizacji.

Problem ten, szybko dostrzeżony przez producentów z branży motoryzacyjnej, stał się impulsem do poszukiwania efektywnego, wykonalnego technicznie rozwiązania. Sztuka ta jako pierwsza udała się firmie Laserline, która opracowała specjalny moduł optyczny generujący nie jedną, ale trzy wiązki laserowe – główną i dwie pomocnicze. Wiązki pomocnicze skierowane są na krawędzie ścieżki lutowniczej, a ich zadanie polega na przygotowaniu krawędzi połączenia pod lutowanie. Generowana przez nie energia cieplna prowadzi do odparowania warstwy cynku i lekkiego utlenienia podłoża. Powstająca w ten sposób warstwa pasywna zapobiega wypływaniu lutu poza granice spoiny. Jednocześnie odpowiedni rozkład energii pomiędzy trzy wiązki znacznie poprawia walory estetyczne i stabilność połączenia.

Opracowana przez Laserline technologia jest już stosowana w produkcji seryjnej w zakładach Volkswagena. Gotowy moduł optyczny został wyposażony w bezszczotkowe serwonapędy DC marki Faulhaber, sterowane z poziomu obrabiarki. Przykład ten pojawił się tu nieprzypadkowo: świetnie pokazuje wpływ zapotrzebowania rynkowego na rozwój technologii lutowania laserowego, a także – a może przede wszystkim – jej innowacyjny potencjał, który sprawia, że może być ona stosowana nie tylko w różnych procesach lutowniczych, lecz także w wielu obszarach, które jeszcze niedawno wydawały się poza zasięgiem lasera.

Produkcja elektroniki: maksymalna prostota

Uniwersalność zastosowań odgrywa istotną rolę także w sektorze produkcji elektroniki, uznawanym nie bez racji za szczególnie perspektywicznego klienta branży technologii laserowych, zwłaszcza w zakresie lutowania laserowego. Nie powinno to dziwić – lutowanie od początku odgrywało kluczową rolę w produkcji płytek drukowanych. Dlaczego jednak wybór padł właśnie na laser?

Odpowiedź na to pytanie wymaga przeanalizowania procesu montażu (powierzchniowego) komponentów na obwodzie drukowanym. Ten bowiem składa się z kilku kroków: nałożenia pasty lutowniczej, umieszczenia poszczególnych elementów na płytce, przymocowania komponentów od spodniej strony płytki klejem (jeśli płytka jest dwustronna), ewentualnie nałożenia pasty na spodnią stronę płytki i podgrzania w piecu do temperatury 200–250ºC. W efekcie podgrzewania pasta i cyna ulegają roztopieniu, tworząc spoiwo lutownicze. Następnie do płytki przymocowywane są pozostałe komponenty: przewody, styki baterii i złącza.

W przeciwieństwie do opisanej metody lutowanie laserowe umożliwia połączenie wszystkich komponentów w zaledwie trzech krokach. Składają się na nie: nałożenie pasty lutowniczej, rozmieszczenie elementów SMD na płytce i ich selektywne lutowanie. Metodą tą można zamocować każdy element płytki – od pojedynczych pinów, przez wspomniane baterie, po ciężkie lub mocowane pionowo elementy. Można ją wykorzystać także do łączenia samych płytek, w tym pod kątem 90º.

Zastosowanie jednej metody do łączenia wszystkich komponentów ma również tę zaletę, że umożliwia ograniczenie niezbędnego oprzyrządowania do jednej stacji obróbczej, a sama płytka mocowana jest w niej tylko raz – bez konieczności wielokrotnego montażu i demontażu wymagającego żmudnego pozycjonowania. Ponieważ elementem ruchomym jest głowica laserowa, a bezstykowy charakter procesu powoduje, że obwód nie jest poddawany obciążeniom mechanicznym, kwestie właściwego mocowania schodzą na dalszy plan. Najważniejsze jest, aby płytka pozostawała nieruchoma podczas całego procesu lutowania. Spełnienie tego warunku pozwala na uzyskanie bardzo wysokich dokładności pozycjonowania, nawet do 0,1 mm, co jest szczególnie istotne np. w przypadku lutowania diod LED czy łączenia dwóch obwodów pod kątem 90º.

Automatyczne lutowanie w skali mikro

Podobnie jak w opisanym przykładzie z rynku motoryzacyjnego także w branży produkcji elektroniki lutowanie laserowe pozwala przezwyciężyć problemy związane z szybkim rozwojem nowych technologii. Postępująca miniaturyzacja pinów i przewodów powoduje, że ich lutowanie tradycyjnymi metodami staje się coraz bardziej kłopotliwe, a w przypadku szczególnie małych elementów – np. drutu lub pinów o średnicy poniżej 250 µm – wręcz niemożliwe. Tak filigranowe komponenty wymagają zastosowania bardzo precyzyjnego źródła energii, które umożliwi jej selektywne doprowadzenie w miejsce tworzenia spoiny z pominięciem wrażliwych komponentów elektroniki.

Możliwość taką oferuje m.in. system NanoPlace firmy Nanosystec stworzony z myślą o w pełni zautomatyzowanym, selektywnym lutowaniu miniaturowych komponentów. Za ich pozycjonowanie i łączenie odpowiada bardzo dokładny system sterowania ruchem bazujący na kamerach i zaawansowanym oprogramowaniu do przetwarzania obrazu, które na bieżąco monitoruje przebieg procesu. Jego uzupełnieniem jest układ dozowania pasty lutowniczej, który automatycznie dobiera ilość i wyznacza pozycję pasty na obwodzie drukowanym.

NanoPlace został zaprezentowany w zeszłym roku i od tej pory jest dostępny na rynku. Chętnie korzystają z niego przede wszystkim te firmy, które specjalizują się w tworzeniu miniaturowej elektroniki.

---------------------------------

ABC lutowania laserowego

W procesie lutowania laserowego najczęściej wykorzystuje się lasery diodowe wysokiej mocy o zakresie długości fali 808 nm – ta długość jest najlepiej absorbowana przez typowe materiały lutownicze. Poza dobrą absorpcyjnością lutu uzyskanie dobrych wyników procesu zależy także od odpowiedniego pozycjonowania wiązki laserowej, tak by nakierować ją precyzyjnie na ścieżkę lutowniczą. W przypadku szczególnie małych szczelin można zastosować system wizyjny, który – zintegrowany z głowicą laserową – na bieżąco monitoruje tor wiązki.

Sam lut może występować w formie drutu lub pasty lutowniczej na bazie cyny. Od 2006 r. nie może on zawierać ołowiu, który najczęściej zastępowany jest dodatkiem srebra, miedzi, bizmutu i antymonu (luty miękkie) lub srebrem i miedzią (luty twarde). Jakość lutu ma decydujący wpływ na jakość produktu finalnego oraz żywotność systemu laserowego: zastosowanie niewłaściwego topnika lub błędnych jego proporcji sprzyja powstawaniu odprysków lutowniczych, które mogą doprowadzić do zabrudzenia optyki lasera, mocowania, a nawet samego produktu.