Saldatura laser di materiali in rame: laser blu contro laser verde

La saldatura laser è una tecnica di lavorazione emergente ad alta efficienza. Il processo di lavorazione laser è il risultato dell'interazione tra uno specifico fascio di energia e il materiale. I materiali sono generalmente classificati in metalli e non metalli. I materiali metallici includono acciaio, ferro, rame, alluminio e le relative leghe, mentre i materiali non metallici includono vetro, legno, plastica, tessuto e materiali fragili. La lavorazione laser trova applicazione in molti settori, ma finora il suo utilizzo si è concentrato principalmente su queste categorie di materiali.

L'industria laser deve intensificare la ricerca sulle proprietà dei materiali.

In Cina, il rapido sviluppo dell'industria laser è trainato da una forte domanda di applicazioni. Tuttavia, la maggior parte dei produttori di apparecchiature laser si concentra principalmente sull'interazione tra il raggio laser e i componenti meccanici, con alcuni che prendono in considerazione l'automazione delle apparecchiature. Vi è una carenza di ricerca sui materiali, ad esempio per quanto riguarda la determinazione dei parametri del raggio più adatti a diversi materiali. Questa lacuna nella ricerca fa sì che alcune aziende sviluppino nuove apparecchiature ma non siano in grado di esplorarne nuove applicazioni. Molte aziende del settore laser hanno ingegneri ottici e meccanici, ma pochi ingegneri specializzati in scienza dei materiali, il che evidenzia l'urgente necessità di maggiori ricerche sulle proprietà dei materiali.

L'elevata riflettività del rame favorisce lo sviluppo della tecnologia laser verde e blu.

Nel campo dei materiali metallici, la lavorazione laser di acciaio e ferro è stata ampiamente studiata. Tuttavia, la lavorazione di materiali ad alta riflettività, in particolare rame e alluminio, è ancora oggetto di ricerca. Il rame è ampiamente utilizzato in cavi, elettrodomestici, elettronica di consumo, apparecchiature elettriche, componenti elettronici e batterie grazie alla sua eccellente conduttività termica ed elettrica. Nonostante anni di sforzi, la tecnologia laser ha incontrato difficoltà nella lavorazione del rame a causa delle sue proprietà.

Innanzitutto, il rame ha un'elevata riflettività, con un tasso di riflettività del 90% per il comune laser a infrarossi da 1064 nm. In secondo luogo, l'eccellente conduttività termica del rame fa sì che il calore si disperda rapidamente, rendendo difficile ottenere l'effetto di lavorazione desiderato. In terzo luogo, per la lavorazione sono necessari laser di potenza maggiore, che possono causare deformazioni del rame. Anche se la saldatura viene completata, difetti e saldature incomplete sono frequenti.

Dopo anni di ricerca, si è scoperto che i laser con lunghezze d'onda più corte, come i laser verdi e blu, sono più adatti alla saldatura del rame. Ciò ha stimolato lo sviluppo della tecnologia laser verde e blu.

Il passaggio dai laser a infrarossi ai laser verdi con lunghezza d'onda di 532 nm riduce significativamente la riflettività. Il laser a 532 nm consente un accoppiamento continuo del raggio laser al materiale in rame, stabilizzando il processo di saldatura. L'effetto di saldatura sul rame con un laser a 532 nm è paragonabile a quello di un laser a 1064 nm sull'acciaio.

In Cina, la potenza commerciale dei laser verdi ha raggiunto i 500 watt, mentre a livello internazionale si attesta sui 3000 watt. L'effetto di saldatura è particolarmente significativo nei componenti delle batterie al litio. Negli ultimi anni, la saldatura del rame con laser verdi, soprattutto nel settore delle energie rinnovabili, ha assunto un ruolo di primo piano.

Attualmente, un'azienda cinese ha sviluppato con successo un laser verde completamente accoppiato a fibra ottica con una potenza di uscita di 1000 watt, ampliando notevolmente le potenziali applicazioni per la saldatura del rame. Il prodotto è stato accolto positivamente dal mercato.

Negli ultimi tre anni, la nuova tecnologia laser blu ha attirato l'attenzione del settore. I laser blu, con una lunghezza d'onda di circa 450 nm, si collocano tra i laser ultravioletti e quelli verdi. L'assorbimento del laser blu sul rame è migliore rispetto a quello del laser verde, riducendo la riflettività al di sotto del 35%.

La saldatura laser blu può essere utilizzata sia per la saldatura a conduzione termica che per la saldatura a penetrazione profonda, consentendo di ottenere una saldatura "senza spruzzi" e riducendo la porosità del cordone di saldatura. Oltre a migliorare la qualità, la saldatura laser blu del rame offre anche notevoli vantaggi in termini di velocità, essendo almeno cinque volte più veloce della saldatura laser a infrarossi. L'effetto ottenuto con un laser a infrarossi da 3000 watt può essere raggiunto con un laser blu da 500 watt, con un significativo risparmio di energia elettrica.

Produttori di laser che sviluppano laser blu

Tra i principali produttori di laser blu figurano Laserline, Nuburu, United Winners, BWT e Han's Laser. Attualmente, i laser blu utilizzano la tecnologia a semiconduttore accoppiata a fibra, che presenta una densità energetica leggermente inferiore. Per questo motivo, alcune aziende hanno sviluppato la saldatura composita a doppio raggio per ottenere migliori risultati nella saldatura del rame. La saldatura a doppio raggio prevede l'utilizzo simultaneo di raggi laser blu e infrarossi per la saldatura del rame, con posizioni relative dei due fasci attentamente regolate per risolvere i problemi di elevata riflettività e garantire al contempo una densità energetica sufficiente.

Comprendere le proprietà dei materiali è fondamentale quando si applicano o si sviluppano tecnologie laser. Sia i laser blu che quelli verdi possono aumentare l'assorbimento del laser da parte del rame, sebbene i laser blu e verdi ad alta potenza siano attualmente costosi. Si ritiene che, con il perfezionamento delle tecniche di lavorazione e la conseguente riduzione dei costi operativi dei laser blu e verdi, la domanda di mercato aumenterà considerevolmente.

Raffreddamento efficiente per laser blu e verdi

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