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 produzione laser trova applicazione in molti settori, ma finora il suo impiego riguarda principalmente queste categorie di materiali.

L'industria laser deve rafforzare 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, e alcuni prendono in considerazione l'automazione delle apparecchiature. Mancano ricerche sui materiali, come ad esempio la determinazione di quali parametri del fascio siano adatti ai diversi materiali. Questa lacuna nella ricerca fa sì che alcune aziende sviluppino nuove apparecchiature ma non possano esplorarne nuove applicazioni. Molte aziende produttrici di laser dispongono di ingegneri ottici e meccanici, ma pochi di ingegneri specializzati in scienze dei materiali, il che evidenzia l'urgente necessità di ulteriori ricerche sulle proprietà dei materiali.

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

Nei materiali metallici, la lavorazione laser dell'acciaio e del ferro è stata ampiamente esplorata. Tuttavia, la lavorazione di materiali ad alta riflettività, in particolare rame e alluminio, è ancora in fase di sperimentazione. Il rame è ampiamente utilizzato nei cavi, negli elettrodomestici, nell'elettronica di consumo, nelle apparecchiature elettriche, nei componenti elettronici e nelle batterie grazie alla sua eccellente conduttività termica ed elettrica. Nonostante anni di sforzi, la tecnologia laser ha avuto difficoltà a elaborare il 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 dissipi rapidamente, rendendo difficile ottenere l'effetto di lavorazione desiderato. In terzo luogo, per la lavorazione sono necessari laser ad alta potenza, il che può portare alla deformazione del rame. Anche se la saldatura è completata, è frequente che si verifichino difetti e saldature incomplete.

Dopo anni di ricerche, 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 spinto lo sviluppo della tecnologia laser verde e blu.

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

In Cina la potenza commerciale dei laser verdi ha raggiunto i 500 watt, mentre a livello internazionale ha raggiunto i 3000 watt. L'effetto di saldatura è particolarmente significativo nei componenti delle batterie al litio. Negli ultimi anni, la saldatura laser verde del rame è diventata un'attività di rilievo, soprattutto nel settore delle nuove energie.

Attualmente, un'azienda cinese ha sviluppato con successo un laser verde completamente accoppiato a fibra con una potenza di uscita di 1000 watt, ampliando notevolmente le potenziali applicazioni della saldatura del rame. Il prodotto è ben accolto sul 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 di 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, ottenendo “saldatura senza spruzzi” e riducendo la porosità della 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 ottenuto anche con un laser blu da 500 watt, con un notevole risparmio di energia ed elettricità.

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 adottano la tecnologia dei semiconduttori accoppiati in fibra, che presenta un leggero ritardo in termini di densità energetica. Per questo motivo, alcune aziende hanno sviluppato la saldatura composita a doppio fascio per ottenere migliori effetti di saldatura del rame. La saldatura a doppio raggio prevede l'uso simultaneo di raggi laser blu e raggi laser infrarossi per la saldatura del rame, con posizioni relative attentamente regolate dei due punti del raggio per risolvere i problemi di elevata riflettività, garantendo al contempo una densità energetica sufficiente.

Quando si applicano o si sviluppano tecnologie laser, è fondamentale comprendere le proprietà dei materiali. Sia che si utilizzino laser blu che verdi, entrambi possono aumentare l'assorbimento del rame da parte dei laser, anche se i laser blu e verdi ad alta potenza sono attualmente costosi. Si ritiene che, con il perfezionamento delle tecniche di elaborazione e la conseguente diminuzione dei costi operativi dei laser blu o verdi, la domanda del mercato aumenterà notevolmente.

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