Spawanie laserowe materiałów miedzianych: laser niebieski kontra laser zielony

Spawanie laserowe to rozwijająca się, wysokowydajna technika przetwarzania. Proces obróbki laserowej jest wynikiem interakcji określonej wiązki energii z materiałem. Materiały ogólnie dzieli się na metale i niemetale. Materiały metalowe obejmują stal, żelazo, miedź, aluminium i ich stopy, natomiast materiały niemetalowe obejmują szkło, drewno, plastik, tkaniny i materiały kruche. Produkcja laserowa jest stosowana w wielu gałęziach przemysłu, ale jak dotąd jej zastosowanie ograniczało się głównie do tych kategorii materiałów.

Branża laserowa musi wzmocnić badania nad właściwościami materiałów

W Chinach szybki rozwój przemysłu laserowego jest spowodowany dużym popytem na jego zastosowania. Jednak większość producentów sprzętu laserowego skupia się głównie na interakcji między wiązką lasera a elementami mechanicznymi, a niektórzy biorą pod uwagę również automatyzację sprzętu. Brakuje badań nad materiałami, które określałyby, jakie parametry belki są odpowiednie dla różnych materiałów. Ta luka w badaniach oznacza, że niektóre firmy opracowują nowy sprzęt, ale nie mogą zbadać jego nowych zastosowań. Wiele firm produkujących lasery zatrudnia inżynierów optyków i mechaników, ale niewielu inżynierów zajmujących się materiałoznawstwem, co podkreśla pilną potrzebę przeprowadzenia większej ilości badań nad właściwościami materiałów.

Wysoka refleksyjność miedzi sprzyja rozwojowi technologii laserów zielonych i niebieskich

W dziedzinie materiałów metalowych obróbka laserowa stali i żelaza jest dobrze poznana. Nadal jednak trwają badania nad przetwarzaniem materiałów o wysokim współczynniku odbicia, zwłaszcza miedzi i aluminium. Miedź jest szeroko stosowana w kablach, sprzęcie gospodarstwa domowego, elektronice użytkowej, sprzęcie elektrycznym, podzespołach elektronicznych i bateriach ze względu na jej doskonałe przewodnictwo cieplne i elektryczne. Mimo wieloletnich wysiłków, technologia laserowa nie nadała się do obróbki miedzi ze względu na jej właściwości.

Po pierwsze, miedź charakteryzuje się wysokim współczynnikiem odbicia, wynoszącym 90% w przypadku powszechnie stosowanego lasera podczerwonego o długości fali 1064 nm. Po drugie, doskonała przewodność cieplna miedzi sprawia, że ciepło rozprasza się szybko, co utrudnia osiągnięcie pożądanego efektu przetwarzania. Po trzecie, do obróbki potrzebne są lasery o większej mocy, co może prowadzić do odkształcenia miedzi. Nawet jeśli spawanie zostanie ukończone, często zdarzają się wady i niekompletne spoiny.

Po latach badań odkryto, że lasery o krótszej długości fali, takie jak lasery zielone i niebieskie, są bardziej odpowiednie do spawania miedzi. To spowodowało rozwój technologii laserów zielonych i niebieskich.

Przejście z laserów podczerwonych na lasery zielone o długości fali 532 nm znacznie zmniejsza współczynnik odbicia. Długość fali lasera 532 nm pozwala na ciągłe sprzężenie wiązki laserowej z materiałem miedzianym, stabilizując proces spawania. Efekt spawania miedzi laserem o długości fali 532 nm jest porównywalny z efektem spawania stali laserem o długości fali 1064 nm.

W Chinach moc komercyjna zielonych laserów osiągnęła 500 watów, podczas gdy na świecie sięgała 3000 watów. Efekt spawania jest szczególnie znaczący w przypadku elementów akumulatorów litowych. W ostatnich latach spawanie miedzi zielonym laserem, szczególnie w przemyśle energetycznym, stało się zjawiskiem niezwykle popularnym.

Obecnie chińskiej firmie udało się opracować całkowicie światłowodowy zielony laser o mocy wyjściowej 1000 watów, co znacznie rozszerza potencjalne zastosowania spawania miedzi. Produkt został dobrze przyjęty na rynku.

W ciągu ostatnich trzech lat nowa technologia niebieskiego lasera zyskała uwagę branży. Niebieskie lasery, o długości fali około 450 nm, plasują się pomiędzy laserami ultrafioletowymi i zielonymi. Absorpcja niebieskiego lasera na miedzi jest lepsza niż w przypadku lasera zielonego, co zmniejsza współczynnik odbicia do poniżej 35%.

Spawanie niebieskim laserem można stosować zarówno do spawania przewodzącego ciepło, jak i spawania z głębokim wtopieniem, co pozwala na osiągnięcie “spawanie bez odprysków” i zmniejszając porowatość spoin. Oprócz poprawy jakości, spawanie miedzi niebieskim laserem zapewnia również znaczną poprawę szybkości – jest co najmniej pięć razy szybsze niż spawanie laserem podczerwonym. Efekt uzyskany przy użyciu lasera podczerwonego o mocy 3000 W można uzyskać przy użyciu lasera niebieskiego o mocy 500 W, co pozwala na znaczną oszczędność energii i prądu.

Producenci laserów opracowujący niebieskie lasery

Wiodący producenci niebieskich laserów to m.in. Laserline, Nuburu, United Winners, BWT i Han's Laser. Obecnie w laserach niebieskich stosowana jest technologia półprzewodników sprzężonych światłowodowo, która nieco ustępuje pod względem gęstości energii. Dlatego niektóre firmy opracowały metodę spawania kompozytów dwuwiązkową w celu uzyskania lepszych efektów spawania miedzi. Spawanie dwuwiązkowe polega na jednoczesnym stosowaniu wiązek lasera niebieskiego i podczerwonego do spawania miedzi, przy czym położenie dwóch punktów wiązek względem siebie jest starannie dostosowywane w celu rozwiązania problemu wysokiego współczynnika odbicia, przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej gęstości energii.

Zrozumienie właściwości materiałów ma kluczowe znaczenie przy stosowaniu lub rozwijaniu technologii laserowych. Niezależnie od tego, czy używa się laserów niebieskich czy zielonych, oba mogą zwiększyć absorpcję laserów przez miedź, chociaż niebieskie i zielone lasery dużej mocy są obecnie drogie. Uważa się, że wraz z rozwojem technik przetwarzania i odpowiednim spadkiem kosztów eksploatacji laserów niebieskich i zielonych, popyt na rynku rzeczywiście wzrośnie.

Wydajne chłodzenie laserów niebieskich i zielonych

Niebieskie i zielone lasery wytwarzają dużą ilość ciepła w trakcie pracy, co wymaga solidnych rozwiązań chłodzących. TEYU Chiller, wiodący producent agregatów chłodniczych  z 22-letnim doświadczeniem dostarcza dostosowane rozwiązania chłodnicze dla szerokiej gamy zastosowań przemysłowych i laserowych. Nasza seria CWFL agregaty chłodnicze wody  zostały zaprojektowane specjalnie w celu zapewnienia precyzyjnego i wydajnego chłodzenia systemów laserów światłowodowych, w tym tych stosowanych w procesach wykorzystujących lasery niebieskie i zielone. Rozumiejąc wyjątkowe wymagania dotyczące chłodzenia sprzętu laserowego, dostarczamy wydajne i niezawodne chłodziarki, które zwiększają wydajność i zabezpieczają sprzęt 

Firma TEYU Chiller nadal zamierza pozostać liderem technologii chłodzenia laserowego. Ciągle monitorujemy trendy i innowacje branżowe w zakresie laserów niebieskich i zielonych, napędzając postęp technologiczny w celu wspierania nowej wydajności i przyspieszenia produkcji innowacyjnych chłodziarek, aby sprostać zmieniającym się wymaganiom dotyczącym chłodzenia w branży laserowej.