Soldagem a laser de materiais de cobre: laser azul vs. laser verde

A soldagem a laser é uma técnica de processamento emergente de alta eficiência. O processo de usinagem a laser é o resultado da interação entre um feixe específico de energia e o material. Os materiais são geralmente categorizados em metais e não metais. Materiais metálicos incluem aço, ferro, cobre, alumínio e suas ligas relacionadas, enquanto materiais não metálicos incluem vidro, madeira, plástico, tecido e materiais frágeis. A fabricação a laser é aplicada em muitos setores, mas até agora, sua aplicação se dá principalmente nessas categorias de materiais.

A indústria do laser precisa fortalecer a pesquisa sobre propriedades dos materiais

Na China, o rápido desenvolvimento da indústria de laser é impulsionado por uma grande demanda por aplicações. No entanto, a maioria dos fabricantes de equipamentos a laser se concentra principalmente na interação entre o feixe de laser e os componentes mecânicos, com alguns considerando a automação do equipamento. Há uma falta de pesquisa sobre materiais, como determinar quais parâmetros de feixe são adequados para diferentes materiais. Essa lacuna na pesquisa significa que algumas empresas desenvolvem novos equipamentos, mas não conseguem explorar suas novas aplicações. Muitas empresas de laser têm engenheiros ópticos e mecânicos, mas poucos engenheiros de ciência de materiais, destacando a necessidade urgente de mais pesquisas sobre propriedades dos materiais.

A alta refletividade do cobre promove o desenvolvimento da tecnologia de laser verde e azul

Em materiais metálicos, o processamento a laser de aço e ferro tem sido bem explorado. No entanto, o processamento de materiais de alta refletividade, especialmente cobre e alumínio, ainda está sendo explorado. O cobre é amplamente utilizado em cabos, eletrodomésticos, eletrônicos de consumo, equipamentos elétricos, componentes eletrônicos e baterias devido à sua excelente condutividade térmica e elétrica. Apesar de muitos anos de esforço, a tecnologia a laser tem tido dificuldades em processar o cobre devido às suas propriedades.

Primeiro, o cobre tem uma alta refletividade, com uma taxa de refletividade de 90% para o laser infravermelho comum de 1064 nm. Em segundo lugar, a excelente condutividade térmica do cobre faz com que o calor se dissipe rapidamente, dificultando a obtenção do efeito de processamento desejado. Em terceiro lugar, são necessários lasers de maior potência para o processamento, o que pode levar à deformação do cobre. Mesmo que a soldagem seja concluída, defeitos e soldas incompletas são comuns.

Após anos de exploração, descobriu-se que lasers com comprimentos de onda mais curtos, como lasers verde e azul, são mais adequados para soldar cobre. Isso impulsionou o desenvolvimento da tecnologia de laser verde e azul.

A troca de lasers infravermelhos por lasers verdes com comprimento de onda de 532 nm reduz significativamente a refletividade. O laser de comprimento de onda de 532 nm permite o acoplamento contínuo do feixe de laser ao material de cobre, estabilizando o processo de soldagem. O efeito de soldagem no cobre com um laser de 532 nm é comparável ao de um laser de 1064 nm no aço.

Na China, a potência comercial dos lasers verdes atingiu 500 watts, enquanto internacionalmente atingiu 3.000 watts. O efeito de soldagem é particularmente significativo em componentes de bateria de lítio. Nos últimos anos, a soldagem a laser verde de cobre, especialmente na nova indústria de energia, se tornou um destaque.

Atualmente, uma empresa chinesa desenvolveu com sucesso um laser verde totalmente acoplado a fibra com uma potência de saída de 1000 watts, expandindo significativamente as potenciais aplicações para soldagem de cobre. O produto é bem recebido no mercado.

Nos últimos três anos, a nova tecnologia de laser azul ganhou atenção da indústria. Os lasers azuis, com comprimento de onda de cerca de 450 nm, ficam entre os lasers ultravioleta e verdes. A absorção do laser azul no cobre é melhor que a do laser verde, reduzindo a refletividade para menos de 35%.

A soldagem a laser azul pode ser usada tanto para soldagem por condução térmica quanto para soldagem de penetração profunda, alcançando “soldagem sem respingos” e reduzindo a porosidade da solda. Além de melhorar a qualidade, a soldagem a laser azul de cobre também oferece vantagens significativas de velocidade, sendo pelo menos cinco vezes mais rápida que a soldagem a laser infravermelho. O efeito obtido com um laser infravermelho de 3000 watts pode ser obtido com um laser azul de 500 watts, economizando significativamente energia e eletricidade.

Fabricantes de laser que desenvolvem lasers azuis

Os principais fabricantes de lasers azuis incluem Laserline, Nuburu, United Winners, BWT e Han's Laser. Atualmente, os lasers azuis adotam a tecnologia de semicondutores acoplados à fibra, que fica um pouco atrás em densidade de energia. Portanto, algumas empresas desenvolveram soldagem composta de feixe duplo para obter melhores efeitos de soldagem de cobre. A soldagem de feixe duplo envolve o uso simultâneo de feixes de laser azul e feixes de laser infravermelho para soldagem de cobre, com posições relativas cuidadosamente ajustadas dos dois pontos de feixe para resolver problemas de alta refletividade e, ao mesmo tempo, garantir densidade de energia suficiente.

Entender as propriedades dos materiais é crucial ao aplicar ou desenvolver tecnologias de laser. Seja usando lasers azuis ou verdes, ambos podem aumentar a absorção de lasers pelo cobre, embora os lasers azuis e verdes de alta potência sejam atualmente caros. Acredita-se que, à medida que as técnicas de processamento amadurecem e os custos operacionais dos lasers azuis ou verdes diminuem adequadamente, a demanda do mercado realmente aumentará.

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