Лазерный мир

Промышленные лазеры теперь доминируют во многих областях обработки материалов, таких как сварка, резка и наплавка в таких разнообразных областях, как потребительская электроника, автомобилестроение и оборона. Они предлагают более быструю, гибкую и более точную альтернативу традиционной обработке материалов, и они не требуют растворителей или воды, которые могут оставлять остатки твердых частиц и требуют дополнительных шагов по очистке.

Эти атрибуты делают их хорошо подходящими для многих задач резки и сварки. Но среди установленных вариантов CO2-лазеры работают на 10,6 мкм, а волоконные лазеры излучают на длинах волн около 1 мкм. Эти длины волн не особенно хорошо подходят для ряда промышленных применений.

Однако новое поколение мощных лазеров, излучающих на длине волны 450 нм, использует фундаментальные физические преимущества синего света, чтобы обеспечить повышенную производительность в ряде промышленных применений.

Низкое поглощение меди

Сварка — это приложение, в котором точность и гибкость лазеров обеспечивают четкое преимущество перед альтернативными методами соединения. Сварочные лазеры обеспечивают высокую плотность мощности, которая плавит материал-мишень в локальной области, создавая точные соединения и ограничивая площадь зоны, подверженной воздействию тепла, где свойства материала могут быть ухудшены. К сожалению, эти преимущества в некоторой степени компенсируются плохим оптическим поглощением во многих распространенных материалах, особенно в металлах. Например, медь поглощает только 5 процентов падающего излучения для окрестности длины волны 1080 нм, типичной для волоконных лазеров.

В прикладном приближении низкое поглощение означает, что для создания ванны расплава требуется значительное количество дополнительной энергии лазера. Это ограничивает ИК-лазерную сварку в режиме глубокого проплавления, где ванна расплава проникает прямо сквозь материал-мишень. Однако, как только создается ванна расплава, поглощение становится выше, что приводит к чрезвычайно узкому окну существования процесса, в котором оптическая мощность и скорость сварки должны быть деликатно сбалансированы. Даже в этом случае ванна расплава по своей природе нестабильна. То есть локализованное мгновенное испарение создает крошечные взрывы в канале проплавления. Результатом является разбрызгивание — выброс твердых частиц из сварочной ванны (1).

Изменяя рабочие параметры — например, раскрутку луча, перемещение луча лазера по нелинейным контурам воздействия — можно уменьшить (хотя и не устранить) серьезность этих проблем, но это также уменьшает скорость сварки. Все эти проблемы возникают из-за низкого поглощения, и проблема автоматически решается путем перехода к синим длинам волн.

В синем — около 450 нм — медь поглощает около 65 процентов падающего света. Мощные синие лазеры используют преимущество, присущее физике этого более высокого поглощения энергии. Потенциально более высокое поглощение ведет непосредственно к значительно более широкому окну процесса и открывает возможность для строгого детерминированного контроля характеристик сварного шва. Синие лазеры могут сваривать как в режиме глубокого проплавления, так и в более универсальном режиме теплопроводности, и они обеспечивают сварку без брызг во всех режимах работы. В дополнение к этим качественным преимуществам, синяя лазерная сварка меди также обеспечивает количественную выгоду от значительно более высоких скоростей сварки, как минимум, в 5 раз быстрее, чем ее ИК-аналог.

Более высокое поглощение на синих длинах волн обеспечивает намного более жесткий контроль над параметрами процесса, позволяя получать характеристики сварного шва, представляющие интерес.

Преимущество распространяется на многие металлы, отличные от меди. На самом деле, синие лазеры продемонстрировали те же качественные и количественные преимущества для печально известной проблемы сварки разнородных металлов. Многие приложения электроники нуждаются в соединении как с медью, так и с нержавеющей сталью, а также с медью и алюминием. Разнообразные металлы поглощают свет по-разному, а также расплавляются при разных температурах. Еще раз, более высокое поглощение на синих длинах волн обеспечивает намного более жесткий контроль над параметрами процесса, позволяя получать характеристики сварного шва, представляющие интерес. Общей проблемой при сварке разнородных металлов является образование интерметаллидов — небольших локализованных областей различного состава сплавов, часто проявляющихся ухудшенными механическими и электрическими характеристиками. Синяя лазерная сварка минимизирует образование интерметаллидов, что добавляет еще одно качественное преимущество перед ИК-сваркой.

Физика поглощения

Преимущества синей лазерной сварки связаны с фундаментальной физикой поглощения. Эти сопутствующие преимущества могли бы быть использованы любым синим лазером, предлагающим достаточную оптическую мощность для обеспечения производительности. Отсутствующими деталями были ключевые технологии, необходимые для создания мощных синих лазеров, такие как наличие надежных синих эмитирующих диодов нитрида галлия (GN) и высокоточной коллимирующей и комбинирующей оптики.

Диодные лазеры предложили непревзойденную комбинацию простых операций и компактных размеров с момента их изобретения в 1962 (2). Мощность лазерного диода ограничена размером активной области, поэтому они существенно ограничены относительно низкой выходной мощностью. Это ограничение можно преодолеть, объединив выходы многих отдельных диодов, создав синтезированный мощный лазерный выход.

Вдохновленные методами, разработанными с использованием ИК-диодов с прямым диодом и использующими технологические достижения, связанные с твердотельной светотехникой и связанными с ними технологиями, инженеры разработали систему, которая объединяет выход синих диодных лазерных модулей для создания высококачественного, мощного, высокой яркости, с выходным волокном, лазера, подходящего для промышленного применения. Выходные лучи подготовлены сочетанием быстроосевой и медленноосевой коллиматорной микрооптики в соединении с традиционной, асферической и поляризационной макрооптикой. Полученный однолучевой пучок заправлен в оптическое волокно 200 мкм. Оптическая эффективность, включая потери на соединение и передачу, составляет почти 95 процентов.

Литиево-ионные аккумуляторы достигают высокой плотности энергии, располагая несколько тонких медных и алюминиевых пластин следующих друг за другом. Чтобы создать ячейку, отдельные пластинчатые электроды соединяются с выводами и вкладками, а затем вкладки соединяются для создания модуля. Затем модули подключаются через сборные шины для создания пакета. Все эти соединения могут выполняться быстрее и более последовательно с синей лазерной сваркой, чем с альтернативами, такими как ультразвуковая или ИК-лазерная сварка. Это одно из мест, где сварка без разбрызгивания особенно важна, так как загрязнение — нежелательное при работе как ультразвуковой, так и ИК-сварки — может быстро ухудшить характеристики батареи.

Синяя лазерная сварка тонкой медной фольги надежно создает бездефектные сварные швы, как показано на этом изображении сварного соединения для 40 фольг толщиной 10 мкм.

Отсутствие разбрызгивания для синей лазерной сварки в режиме глубокого проплавления. Увеличение: × 200.

Скорость и качество сварки одинаково важны для других потребительских электронных приложений. Хотя медь остается типичным выбором из проводников , существует множество потребительских продуктов, где медь должна быть соединена с алюминием или даже с нержавеющей сталью. Сварка разнородных материалов часто приводит к созданию интерметаллидов — областей различного состава и структуры. Формирование интерметаллидов ухудшает качество электрических контактов и механическую прочность соединения, поэтому это еще одно применение, в котором фундаментальное преимущество лучшего поглощения синего света обеспечивает качественные и количественные преимущества по сравнению с существующими технологиями.
Синие лазеры подходят для множества электронных приложений — изготовления мобильных телефонов, планшетов и компьютеров — любого, в котором медь является доминирующим компонентом. Синие лазеры продемонстрировали преимущества сварки меди, нержавеющей стали и алюминия. Фактически, синие лазеры подходят для любого применения, когда тонкие металлы должны быть надежно и быстро соединены с низкими до нуля дефектами .
Другие приложения также выигрывают от более высокого поглощения материала на синих длинах волн. Например, синие лазеры могут улучшить скорость сборки при аддитивном производстве для процессов по порошковому слою и лазерному осаждению металлов.

Синие лазеры способны проводить сварку в режиме теплопроводности, результат последовательного взаимодействия между сварочным лазером и медью — чего невозможно добиться с помощью ИК-лазера.

В зависимости от материалов это может привести к увеличению скорости от 3 до 10 × крат.
Синий свет имеет еще одну внутреннюю физическую характеристику, которая ведет непосредственно к преимуществам производительности — небольшой размер пятна фокусировки. Для аддитивного производства это преимущество проявляется двумя дополнительными способами. Во-первых, для данной оптической системы сфокусированное пятно для длины волны 450-нм меньше половины того, что оно имеет для излучения 1080 нм. Размер фрагмента в готовой детали зависит от размера пятна, поэтому с синим светом возможно более тонкое разрешение. Во-вторых, если разрешение на длинах ИК-волн приемлемо, то такое же разрешение может быть обеспечено синим лазером, но для площади в 4 раза больше. Потенциальное качество изготовления и преимущества скорости очевидны.

Вот он дикий синий

Как и в случае с любой новой технологией, применения следуют за требованиями: мощный синий лазер теперь существует, и новые применения обязательно последуют. Это особенно верно для синего лазера, поскольку его преимущества связаны с основными физическими характеристиками. То есть, поглощение на синих длинах волн, например, связано с физическим взаимодействием синего света с конкретными материалами и не может быть произвольно дублировано на других длинах волн. Теперь, когда имеется удобный, надежный источник — мощный синий лазер, новые возможности открыты для разведки.
Ранние пользователи синих лазеров увидели качественные и количественные преимущества, которые возможны при обработке материалов мощными синими лазерами. Внутреннее тестирование систем следующего поколения указывает на более высокую скорость обработки с применимостью к более толстым материалам.

Познакомьтесь с авторами:

Jean-Michel Pelaprat является соучредителем NUBURU Inc. Он имеет степень физика в Университете Montpellier во Франции; email: jmp@nuburu.net.
Mathew Finuf курирует группу разработчиков приложений в NUBURU. У него есть B.S. в машиностроении из Университета Missouri, Columbia.
Robert Fritz — инженер-программист в NUBURU. У него есть B.S. степень инженерных технологий в Университете Missouri, Columbia.
Mark Zediker является соучредителем NUBURU Inc. У него есть B.S. в инженерной физике и M.S. и Ph.D. в ядерной и плазменной инженерии из Университета штата Illinois at Urbana-Champaign.

Ссылки:
1. Amada Miyachi America Corporation (2016). Laser Welding Fundamentals.
2. H. Nasim and Y. Jamil (2014). Diode lasers: from laboratory to industry. Opt Laser Technol, Vol. 56, pp. 211-222. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2013.08.012

Источник: http://www.indphotonics-digital.com/indphotonics/october_2018/MobilePagedArticle.action?articleId=1434671&app=false#articleId1434671