ガラスレーザー溶接の大量生産

超短パルスレーザー技術は、現在、ガラスをガラスに接着する主な方法です。この方法は、数年前から生産に使用されており、高品質の完成品を提供できますが、これまでは少量生産に限定されていました。まだ効率的で大量生産される可能性があります。

現在、多くの工業生産は接着剤による接着に依存しており、これは従来の大量生産に非常に適しています。時間の経過とともに、メーカーは接着技術を徐々に最適化してきましたが、それでも接着プロセス自体に直接関連する欠点や品質の問題に直面しています。

接着の基本的な問題は、接着剤が必要なことです。これにより、製造プロセスに統合する必要のある別の材料が追加されます。機械や作業員が接着剤を塗布して接続する部品を押しますが、接合部が使用できるほど強くなる前に接着剤が硬化する必要があるため、効果はすぐにはわかりません。レーザー溶接は追加の材料を必要とせず、すぐに全力溶接を行うことができます。接着剤には他にも欠点があります。たとえば、接着剤の化学的および機械的特性は、接続された部品の特性とは異なります。これは深刻な結果をもたらす可能性があります。接着剤は、コンポーネントを汚染する可能性のあるガスを放出する可能性があります。また、経年劣化し、もろくなり、製品の寿命を縮める可能性があります。さらに重要なことに、接合部の接合は、限られた範囲内の気体と液体を効果的に遮断することしかできず、比較的短時間でしか効果を発揮することができません。対照的に、超短レーザーパルスは、上記の問題なしに、接続される部品間に永続的な結合を確立することができます。さらに、レーザー溶接はコンポーネントをよりコンパクトにすることができます。シーム強度が高いため、接着剤のような大きな接着面は必要ありません。接続面の形状に関しては、レーザー溶接もより柔軟であり、部品設計者が創造的な解決策を見つけるためのより多くのスペースを提供します。

しかし、レーザーガラス溶接の強力な利点にもかかわらず、レーザーガラス溶接は、高品質の接合面の必要性と自動溶接品質管理システムの欠如という2つの主要な欠点のため、生産に適用することが困難でした。幸いなことに、これらの問題の両方に対する解決策があります。

達成する方法は？

ソリューションを紹介する前に、メソッドの基本的な動作原理について簡単に説明します。重要な要件は、赤外線レーザーパルスの繰り返し率が高く、パルス幅がピコ秒の範囲以下であることです。まず、1つのガラスコンポーネントを他のコンポーネントの上に配置します。次に、レーザービームを上部コンポーネントから放射し、その焦点が下部コンポーネントの内側になるようにします。レーザーパルスは焦点で材料を溶融し、溶融した材料の液滴は上部コンポーネントに上向きに拡散します。溶融した材料は固化し、チェーン接続を形成します。このプロセスを、溶接パスごとに数千回繰り返します。数秒で、何千ものはんだ接合の組み合わせが永続的な接続を生み出すことができます。



より大きな耐性

以前は、ガラスとガラスの間の最良のレーザー溶接は、結合される部品間のギャップを1〜4ミクロンの領域に維持するために必要でしたが、それ以上ではありませんでした。隙間の大きさを超えると、隙間の側面から溶融物が溢れ出し、接合が失敗します。しかし、多くの人が大量生産でこれらの制限内にとどまる方法を尋ねるので、私たちは許容範囲を増やす方法を探し始めました。

最初のステップは、TOP溶接光学系に切り替えることです。これにより、パルスのビームプロファイルが長くなります。これの利点は、溶接が全体的に大きくなり、ボンディングのギャップ許容値がすぐに2倍になることです。しかし、次のステップは、2つの分野で大きな進歩を真に示すことです。その鍵は、各溶接点のレーザーエネルギーを変調することです。つまり、最初に各溶接点でのレーザーパルスのエネルギーを変動させ、次にすぐに再び低下させます。これにより、ギャップブリッジング許容値がさらに30％増加し、最大ブリッジングギャップサイズが50％増加します。これらの改善により、大量生産で真に満たすことができる許容誤差が提供されます。



トップ溶接

自動監視

エネルギー変調のもう1つの利点は、最終的に自動化された品質管理への扉が開かれることです。これまで、光学的手法を使用する場合でも、顕微鏡でランダムな断面サンプルを検査する場合でも、溶接部は処理後にしか検査できませんでした。これは費用がかかり、不十分な方法です。しかし、エネルギー変調の導入により、その過程で突然新しい既知の価値がもたらされました。ここで必要なのは、処理中に測定できる2番目の信号ですが、これは処理の変更に直接関連している必要があります。これらの測定値をエネルギー変調データと比較して、シーム上の個々のポイントが正常に溶接されているかどうかを判断できるという考え方です。必要な信号、つまり、各はんだ接合部で溶融樹脂から放出されるプロセス放射が見つかりました。フォトダイオードを使用してプロセス放射を測定し、さまざまな計算によって2つの信号曲線間の相関、つまり、取得した変調エネルギーマップと測定されたプロセス放射強度との相関を確立しました。この結果は、各溶接部の接合強度の信頼できる指標を提供します。実際に個々の溶接の品質を予測することができ、正解率は98.6％と高いです！

溶接は通常、何千もの溶接点で構成されます。成功したすべての溶接点の合計を計算し、溶接シーム全体に沿ったそれらの分布を分析することにより、溶接プロセス全体の成功度を自動的に計算できます。自動化された品質管理は、工業生産に向けた大きな一歩です。欠陥のある溶接を修正できるため、廃棄される可能性のある部品を救助する可能性さえも開かれます。自動監視を備えたレーザー溶接は、成熟した生産性と信頼性の高い方法であり、業界がガラスやその他の透明な材料を接合するための実行可能な代替手段を提供します。スマートフォンのカメラとディスプレイには、ガラスをガラスに接続するための高速で信頼性の高い方法が必要です。これは、大量生産におけるガラスレーザー溶接の多くの可能なアプリケーションの1つにすぎません。

溶接プロセスの自動品質管理はどのように機能しますか（a）：溶接の各スポット（b）について、システムはプロセス放射（c）を測定および評価します。放射曲線が溶接プロセスの正規化されたレーザーエネルギー曲線（d）に近いほど、接続は良好です。溶接の全体的な品質は、「良好」（黒）と評価された溶接点の数と分布によって異なります。

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