1. Limitações dos lasers de alta potência com comprimento de onda infravermelho próximo
Nas últimas décadas, os lasers de onda contínua (CW) de alta potência tornaram-se uma ferramenta onipresente nas indústrias de manufatura modernas. Esses lasers são usados para uma ampla gama de aplicações, incluindo soldagem, revestimento, tratamento de superfície, endurecimento, brasagem, corte, impressão 3D e fabricação aditiva.
O primeiro desenvolvimento significativo na tecnologia de laser CW de alta potência ocorreu antes do ano 2000, com a criação do dióxido de carbono de alta potência com comprimento de onda de 10,6 µm (CO2) e o laser de estado sólido Nd: YAG bombeado por semicondutor de comprimento de onda de infravermelho próximo de 1064 nm.
No entanto, devido ao seu comprimento de onda, o laser de dióxido de carbono é difícil de transmitir através de fibras ópticas, tornando-o um desafio para aplicações industriais. Da mesma forma, os lasers de estado sólido são limitados pelo brilho e pela amplificação de potência.
Depois de 2000, os lasers de fibra industriais de alta potência foram desenvolvidos como uma solução que pode ser transmitida através de fibras ópticas e ainda ter alto brilho e potência. Hoje em dia, os lasers de fibra substituíram os lasers de dióxido de carbono na maioria das aplicações e provaram ser altamente eficazes em muitas aplicações de processamento industrial. Nos últimos anos, os lasers de fibra tornaram-se o principal laser industrial usado para processos como soldagem e corte a laser, pois oferecem maior velocidade, eficiência e confiabilidade do que os lasers de dióxido de carbono.
No entanto, esses lasers de fibra contínuos de alta potência geralmente operam em comprimentos de onda do infravermelho próximo (NIR) inferiores a 1 µm. Embora isso seja adequado para muitas aplicações, alguns metais refletirão 90% ou mais da radiação laser infravermelha próxima que incide em sua superfície, limitando sua eficácia. Metais amarelos, como cobre e ouro, são particularmente desafiadores para soldar com lasers infravermelhos próximos devido às suas baixas taxas de absorção, o que requer uma grande quantidade de potência do laser para iniciar o processo de soldagem.
Existem dois processos principais de soldagem a laser: soldagem por condução de calor, que envolve a fusão e solidificação do material, e soldagem por penetração profunda, que vaporiza o metal e forma uma cavidade ou buraco de fechadura.
A soldagem de penetração profunda requer um feixe de laser altamente absorvido, pois o laser interage com o metal e o vapor metálico várias vezes ao se propagar através do material.
Iniciar um buraco de fechadura com um laser infravermelho próximo requer uma alta intensidade de laser incidente, especialmente quando o material a ser soldado tem alta refletividade. Uma vez formado o buraco da fechadura, entretanto, a taxa de absorção aumenta acentuadamente.
Lasers infravermelhos próximos de alta potência geram uma alta pressão de vapor metálico na poça fundida, causando respingos e poros. Assim, a potência do laser ou a velocidade de soldagem devem ser cuidadosamente controladas para evitar respingos excessivos.
Quando a poça fundida solidifica, “bolhas” no vapor metálico e no gás do processo podem ficar presas, formando poros na junta de soldagem. Esses poros enfraquecem a resistência da soldagem e aumentam a resistividade da junta, diminuindo a qualidade da junta soldada.
O processamento de materiais com absortividade inferior a 5% a 1 µm, como o cobre, com lasers infravermelhos próximos é um desafio significativo. Métodos como a geração de plasma em materiais processados podem aumentar a absortividade do laser dos materiais. No entanto, estes métodos limitam o processamento de materiais ao processo de penetração profunda e acarretam riscos inerentes, como pulverização catódica e controle de deposição de energia.
Portanto, os sistemas laser de comprimento de onda de 1 µm existentes têm limitações no processamento de materiais altamente refletivos, como metais não ferrosos e aplicações subaquáticas.
Para avançar nas aplicações do laser infravermelho próximo, os pesquisadores devem investigar novas fontes de laser. Além disso, a mudança para motores eléctricos em veículos de novas energias como forma de reduzir os gases com efeito de estufa resultou numa procura significativa de soluções fiáveis de processamento de cobre. Os motores elétricos, especialmente as baterias, requerem grandes quantidades de materiais de cobre. Esta procura estende-se a outros sistemas de energia renovável, incluindo turbinas eólicas.
2. O nascimento do laser azul de alta potência
O desenvolvimento da tecnologia laser industrial seguiu o roteiro da tecnologia de produção e das demandas sociais. Nos últimos 60 anos, a tecnologia laser contribuiu significativamente para resolver importantes tarefas futuras, como a economia digital, a energia sustentável e uma vida saudável.
Hoje, a tecnologia laser tornou-se um componente indispensável em diversas áreas centrais da economia da China, incluindo tecnologia de produção, engenharia automotiva, tecnologia médica, medição, tecnologia ambiental e tecnologia de informação e comunicação. À medida que a tecnologia de processamento de metal continua a progredir e os requisitos dos usuários continuam a melhorar, os lasers devem inovar em custo, eficiência energética e desempenho do sistema laser.
A demanda do mercado por um processamento eficaz de metais altamente refletivos estimulou o desenvolvimento da tecnologia laser azul de alta potência, o que sem dúvida abrirá portas para novas tecnologias de processamento de metais. Em metais não ferrosos, a absorção de energia luminosa aumenta à medida que o comprimento de onda da luz diminui. Por exemplo, a absorção de luz do cobre em comprimentos de onda abaixo de 500 nm aumenta em pelo menos 50% em comparação com a luz infravermelha, tornando comprimentos de onda mais curtos mais adequados para o processamento de cobre.
No entanto, o desenvolvimento de lasers de alta potência e comprimento de onda curto para aplicações industriais é um desafio devido às opções limitadas disponíveis. Mesmo as opções existentes são caras e ineficientes. Por exemplo, existem no mercado fontes de laser de estado sólido baseadas em duplicação de frequência que podem produzir lasers de 515 nm e 532 nm (espectro verde) nesta faixa de comprimento de onda, mas essas fontes dependem de cristais ópticos não lineares para converter a energia do laser da bomba no alvo. energia de comprimento de onda, resultando em alta perda de potência.
Além disso, tais lasers requerem sistemas de resfriamento complexos e configurações ópticas complexas.
Para enfrentar esse desafio, a atenção se voltou para os lasers semicondutores azuis. A luz azul tem propriedades únicas que a tornam vantajosa para o processamento de metais de materiais de alta reflexão, como o cobre. A Figura 1 mostra que o cobre absorve a luz azul 13% mais eficientemente do que a luz infravermelha, até 13 vezes maior absorção.
Além disso, a absorção da luz azul pelo cobre permanece consistente mesmo quando o metal derrete, proporcionando uma densidade de energia estável para a soldagem. Como resultado, a soldagem a laser azul oferece controle preciso, poucos defeitos e produz soldas de cobre de alta qualidade rapidamente.
A luz azul também tem longos intervalos de transmissão na água do mar porque é menos absorvida, tornando-a adequada para explorar o processamento subaquático de materiais a laser.
Além disso, a luz azul é relativamente fácil de converter em luz branca, permitindo o uso compacto de lasers azuis para holofotes e outras aplicações de iluminação.
Lasers semicondutores baseados em nitreto de gálio podem produzir diretamente um laser com comprimento de onda de 450 nm, sem a necessidade de duplicação adicional de frequência, alcançando assim maior eficiência de conversão de energia.
Fonte: NASA 1969
a) As vantagens de desempenho do laser azul decorrem dos princípios físicos básicos
| Metais-chave | Absorção de luz azul |
| Ouro | 66X |
| Cobre | 13X |
| Alumínio 1100 | 3X |
| Níquel | 1,5X |
b) Comparação da absorção de luz azul e absorção infravermelha (NIR) de cobre
Espera-se que o laser de 450 nm tenha uma eficiência de processamento quase 20 vezes maior que a do laser de 1 µm. Quando comparado ao processo tradicional de soldagem a laser infravermelho próximo, o laser azul de alta potência oferece vantagens quantitativas e qualitativas.
Em termos de vantagens quantitativas, o laser azul melhora a velocidade de soldagem, amplia a gama de processos, aumenta a eficiência da produção e reduz o tempo de inatividade da produção.
Em relação às vantagens qualitativas, o laser azul possibilita uma maior faixa de processo, produz soldas de alta qualidade, sem respingos ou porosidade, proporciona maior resistência mecânica e reduz a resistividade. A consistência da qualidade da soldagem melhora muito o rendimento da produção (consulte a Fig. 2).
Além disso, o laser azul também pode realizar o modo de soldagem por condução térmica, o que é impossível para o laser infravermelho próximo.
3. Desenvolvimento de laser azul de alta potência
Os dispositivos emissores de luz de nitreto de gálio (GaN) ganharam atenção significativa, especialmente no campo da iluminação, devido ao Prêmio Nobel de Física de 2014 e à crescente conscientização global sobre a proteção ambiental.
Com a melhoria contínua do alto brilho e da produção de dispositivos semicondutores azuis, os lasers semicondutores azuis entraram na era da produção em massa. Eles são comumente usados como fontes de luz para projetores e, em combinação com fósforos que produzem luz verde ou vermelha, estão substituindo as lâmpadas dos projetores.
Nos últimos anos, os lasers semicondutores azuis ganharam popularidade em aplicações de iluminação e exibição devido à sua vida útil mais longa e tamanho menor em comparação com as lâmpadas. No entanto, para o processamento a laser, é necessária uma potência maior do que a desses lasers azuis.
Apesar das vantagens dos lasers azuis, que incluem vida útil mais longa e tamanho menor, o desenvolvimento de lasers azuis de alta potência para processamento a laser requer maior potência de saída do que um único chip semicondutor de laser azul, que possui apenas alguns watts de potência de saída. Aumentar a potência para uma faixa mais alta é um processo demorado e caro.
Para atender aos requisitos de alta potência dos lasers azuis, são necessários novos métodos técnicos. Atualmente, a potência real de cada chip do laser semicondutor azul é de cerca de 5W em um único comprimento de onda. Portanto, a tecnologia de combinação de feixes é essencial para obter maior potência, o que pode ser alcançado combinando as saídas de vários chips.
Os métodos de combinação de feixes são divididos em dois tipos: métodos coerentes e incoerentes. O método incoerente é mais prático, pois não requer controle fino de fase entre os lasers.
O método incoerente inclui várias técnicas para combinar vários feixes de laser, como o método de combinação espacial que combina vários feixes no espaço, o método de combinação de polarização que combina luz polarizada ortogonal usando um divisor de feixe de polarização e o método de combinação de comprimento de onda que combina diferentes comprimentos de onda em coaxial.
Cada técnica tem suas próprias vantagens e desvantagens e pode ser usada em combinação.
O método de combinação espacial é particularmente adequado para combinar vários chips de laser com o mesmo comprimento de onda para obter alta potência.
Até agora, dois métodos de síntese de alta potência tiveram maior sucesso. Aqui está uma breve introdução a eles:
O primeiro método usa tecnologia de barras de laser para gerar sistematicamente um único emissor de laser em um wafer de nitreto de índio e gálio (InGaN).
Inicialmente, chips de laser individuais são integrados de forma eficiente em uma “barra de laser”, e cada barra de laser pode produzir pelo menos 50W de luz azul.
Em seguida, múltiplas barras de laser semicondutoras são instaladas e combinadas em uma pilha de lasers semicondutores por meio de conexões elétricas apropriadas, resfriamento e dissipação de calor e o uso de dispositivos ópticos especiais.
Todo o laser semicondutor pode ser combinado com uma ou mais pilhas de laser semicondutores, conforme mostrado na Figura 4.
Atualmente, a tecnologia de barra laser pode gerar até 2kW de potência de luz azul.
a) Processo de síntese do instrumento de barra
b) Diagrama de viga em barra
O segundo método envolve o uso de tecnologia de emissor único de laser semicondutor. Esses lasers utilizam um design exclusivo “baseado em chip de tubo único” que se destina a colimar a saída de cada tubo único de laser de nitreto de gálio (GAN).
Se todos os tubos de laser únicos forem colimados juntos com uma única lente, como na técnica de barra, a divergência do feixe combinado (BPP) aumentará inevitavelmente. No entanto, colimando cada tubo de laser único com a sua própria lente especial, a divergência do feixe combinado pode ser mantida tão inalterada quanto possível, e o feixe BPP pode ser minimizado, o que melhora o brilho do laser.
Além disso, à medida que o tubo único do laser de nitreto de gálio continua a melhorar a potência do laser de tubo único ao longo de seu caminho de desenvolvimento esperado, este design exclusivo de “chip de tubo único” fornece a melhor maneira de melhorar a potência do sistema de laser geral.
Além disso, a tecnologia de tubo único a laser oferece a melhor qualidade de feixe com uma potência de saída de 1,5KW, garantindo o processamento remoto a laser da digitalização de galvanômetros. Este sistema de digitalização é amplamente utilizado na produção de baterias, veículos elétricos e eletrônicos de consumo.
Durante a operação de digitalização, a potência de saída do laser e o tempo de permanência podem ser ajustados para maximizar a produtividade, permitindo que diferentes geometrias de juntas e espessuras de material sejam resolvidas em um único padrão de digitalização.
A Tabela 1 ilustra as vantagens do laser semicondutor azul em comparação com o laser semicondutor infravermelho próximo e o laser verde de estado sólido.
Tabela 1 Comparação do laser semicondutor azul com laser semicondutor infravermelho próximo e laser de estado sólido verde
| Projeto | Laser semicondutor azul | Laser semicondutor infravermelho próximo | Laser de estado sólido verde |
| Comprimento de onda | Blu-ray | Próximo ao infravermelho | Luz verde |
| Absorção de metal | bom | comumente | preferencialmente |
| Brilho | bom | comumente | bom |
| Capacidade anti-reflexo | forte | comumente | fraco |
| Vida útil/h | >10.000 | >10.000 | >5000 |
| Tipo de falha | Desgaste de serviço | aleatório | aleatório |
| Facilidade de uso e operação | bom | bom | comumente |
4. Casos de aplicação de processamento de material a laser semicondutor de luz azul
1) A Figura 6 ilustra um sistema de varredura composto por um laser semicondutor azul, utilizado para fabricação de baterias de energia. A vantagem de usar um laser azul está em sua ampla janela de processo, que permite lidar com cada etapa da fabricação da bateria.
Além disso, pode soldar materiais mais espessos, como cobre, ouro e aço inoxidável, com alguns milímetros de espessura. Isso o torna a escolha ideal para a fabricação de baterias prismáticas, compartimentos de bateria e conjuntos de baterias com baterias integradas.
a) 70 peças de folhas de 8 µm soldadas em terminais de cobre de 254 µm
b) Conexão de dois terminais de cobre
c) Conecte dois terminais de cobre ao compartimento de aço da bateria
2) Usando uma fonte de luz semicondutora azul com comprimento de onda de 450 nm, é possível derreter material de cobre no modo de condução de calor, permitindo o ajuste preciso da geometria da poça fundida de materiais de cobre fino (ver Fig. 7).
Na soldagem de penetração profunda de materiais finos de cobre, a absorção estável de energia e o controle preciso do processo de condução de calor são especialmente importantes, pois ajudam a evitar cortes ou respingos dos materiais devido à alta pressão.
Estas ocorrências são mais prováveis quando se soldam folhas finas de cobre empilhadas, o que pode resultar em folgas irregulares devido ao empenamento das folhas empilhadas (ver Fig. 8).
Quando a soldagem de topo é realizada em 34 folhas de cobre empilhadas com um laser semicondutor de luz azul de 580 W a uma velocidade de 2 m/min, uma largura de solda de >0,8 mm pode ser formada com porosidade mínima e baixo corte.
Na soldagem de filete na borda da pilha de folhas, a extremidade da folha pode ser fundida com sucesso em uma área de seção transversal alta e completamente fixada à folha sólida. Conexão mecânica perfeita e excelente condutividade podem ser alcançadas em soldagem de topo e soldagem de borda.
a) Estrutura de soldagem de borda
b) Com potência do laser azul de 580W e velocidade de soldagem de 2m/min
Fig. 8 seção transversal da junta entre 34 folhas de cobre empilhadas (11 µm de espessura cada) soldas de conexão
3) Os resultados da soldagem por sobreposição de folhas de cobre com 30 μm de espessura usando um laser azul de 100W. O processo de soldagem envolveu a varredura da superfície superior de três folhas de cobre empilhadas a uma velocidade de aproximadamente 10 mm/s com o laser.
O diâmetro do ponto de laser na superfície da amostra foi de 100μm devido à concentração da saída de fibra óptica com diâmetro central de 100μm em uma proporção de projeção de 1:1. Isso resultou em excelente qualidade de soldagem, minimizando ao mesmo tempo o impacto do calor no ambiente circundante e nos detritos.
4) A Figura 10 mostra um exemplo de impressora 3D feita inteiramente de cobre puro, utilizando um laser semicondutor de luz azul desenvolvido pela Universidade de Osaka. O laser possui diâmetro de ponto de focagem de 100μm, o que permite a laminação de cobre puro com alta condutividade térmica e elétrica no leito de pó. Anteriormente, isso era difícil de conseguir com lasers infravermelhos próximos.
Prevê-se que esta tecnologia terá uma ampla gama de aplicações em campos industriais, incluindo aeroespacial e veículos elétricos.
5) A maior penetração também abriu o campo de aplicações de veículos elétricos, com os fabricantes de veículos elétricos recorrendo ao projeto de enrolamento de haste para maximizar a eficiência térmica e elétrica. Conforme mostrado na Figura 11, a qualidade consistente das três soldas em gancho do laser azul é crucial para melhorar a eficiência da produção.
A capacidade do laser azul de produzir soldagem em gancho é particularmente importante para a fabricação de motores de alta densidade e alta intensidade.
6) Alta potência e alto brilho podem aumentar a flexibilidade do processo de soldagem, ampliando a gama de materiais que podem ser processados. Por exemplo, o latão, que consiste em cobre e zinco com propriedades térmicas significativamente diferentes, pode ser um desafio para soldar com alta qualidade. No entanto, a tecnologia do laser industrial azul pode facilmente realizar esta tarefa, permitindo a soldagem de materiais de latão comumente usados na produção de eletrodomésticos, conforme mostrado na Fig.
Pesquisas preliminares sugerem que a tecnologia do laser azul pode resolver efetivamente o desafio da soldagem de metais diferentes. Soldar metais diferentes é difícil porque cada material possui propriedades térmicas, ópticas e mecânicas únicas. Quando metais diferentes são soldados, pode levar à formação de compostos intermetálicos, que são áreas de ligas diferentes que prejudicam as propriedades mecânicas e elétricas e a consistência da junta.
A última geração de lasers semicondutores azuis possui uma ampla gama de parâmetros de processo, permitindo a soldagem de diferentes materiais com defeitos mínimos. Embora o cobre e o zinco no latão tenham propriedades térmicas diferentes, dificultando a soldagem de alta qualidade, a tecnologia de laser semicondutor azul pode facilmente lidar com esse desafio.
Conclusão
O laser semicondutor azul de 2KW demonstrou sua superioridade no processamento de metais, especialmente para materiais metálicos de alta reflexão.
O brilho e a potência dos lasers semicondutores azuis continuam a aumentar, abrindo novas possibilidades e aplicações. Por exemplo, o potencial de fabrico aditivo dos lasers azuis ainda está a ser explorado (ver Figura 10).
Além disso, além do processamento eficiente de materiais metálicos, espera-se que os lasers semicondutores de luz azul sejam empregados em aplicações intersetoriais, especialmente no departamento de engenharia mecânica, permitindo o processamento a laser de materiais com luz azul debaixo d'água.
Essa vantagem é significativa para a indústria manufatureira. Além disso, a indústria de iluminação pode aproveitar a tecnologia de iluminação de alta qualidade baseada em laser semicondutor azul.
O surgimento da Internet das Coisas e da Inteligência Artificial está levando a novas mudanças de paradigma no setor industrial.
A tecnologia de processamento a laser integra naturalmente a tecnologia de controle numérico e o processamento remoto, eliminando a necessidade de substituição de ferramentas e assumirá um papel de liderança na fabricação inteligente de próxima geração.
A ascensão do laser semicondutor azul de alta potência também trouxe uma nova surpresa para a tecnologia laser. Embora as aplicações de processamento baseadas em laser semicondutor azul de alta potência ainda estejam em sua infância, com futuros avanços tecnológicos, ele poderá se tornar uma das principais ferramentas para a próxima geração de fabricação inteligente de ponta.
