numero Sfoglia:356 Autore:Editor del sito Pubblica Time: 2019-01-18 Origine:motorizzato
La comparsa di diodi laser affidabili ha rivoluzionato la tecnologia dei laser a stato solido ad alta potenza in diversi modi.L'idea originale, che è vecchia quasi quanto i laser a diodi e i laser a stato solido pompati otticamente e quale tra altri ha guidato lo sviluppo di diodi laser ad alta potenza, ovvero il loro utilizzo come sorgente di pompa per laser a stato solido13, è diventato realtà alla fine del secolo: sono disponibili sul mercato laser a barra pompata a diodi nella gamma dei kW essere considerati prodotti industriali.Ma oltre a ciò nel frattempo sono apparsi nuovi laser a stato solido pompati a diodi, che non hanno una controparte convenzionale, cioè pompata a lampada.Tali tipi di laser, che sono esclusivamente (o almeno preferibilmente e solo in modo efficiente) possibili utilizzando diodi laser come sorgente di pompa, sono ad esempio il laser a disco e il laser a fibra, che stanno ora entrando nel mercato della lavorazione dei materiali.Inoltre, la stessa tecnologia laser a diodi ha sviluppato con una potenza e una qualità così elevate che anche i laser a diodi diretti possono essere utilizzati per la lavorazione dei materiali.
L'azione del laser su diodi laser GaAs o GaAsP a temperature criogeniche è stata dimostrata già nel 196214. Ciò che era iniziato come una curiosità fisica come base per laser estremamente costosi con una durata di vita molto breve, è oggigiorno il base per sorgenti laser di lunga durata ed economiche che coprono il più grande mercato di sorgenti laser, con un volume di 3,10 milioni.in dollari USA nel 200615: la parte del leone nell'attuale mercato dei laser a diodi è legata ad applicazioni a potenza piuttosto bassa in telecomunicazioni e archiviazione ottica, ma la tecnologia ha anche un impatto molto forte sulla lavorazione dei materiali con laser ad alta potenza.Attenta indagine delle strutture cristalline, comprensione dettagliata dei meccanismi di cedimento e il notevole miglioramento dei processi produttivi ha portato a questo successo.Tuttavia, anche se sofisticati concetti di raffreddamento consentono un aumento di potenza ben oltre i requisiti delle telecomunicazioni, l’emissione di un singolo emettitore è ancora limitato a pochi watt (con una durata ragionevole).Pertanto, più emettitori sono combinati in un unico elemento monolitico chiamato barra laser, che viene poi montato su un dissipatore di calore a microcanali per un raffreddamento efficiente16;fino a 120 W sono a potenza tipica di un bar commerciale, ma recentemente da esperimenti di laboratorio sono stati riportati più di 500 W17.Per la collimazione del fascio altamente divergente vengono utilizzate microlenti cilindriche asferiche.La brillantezza tuttavia è limitata a causa delle limitazioni della qualità del fascio dei singoli emettitori e soprattutto a causa del loro accoppiamento incoerente18.
La forma originale e ancora maggiormente utilizzata del mezzo attivo in un laser a stato solido ad alta potenza (Nd:YAG) è l'asta cilindrica;in un laser ad alta potenza tipicamente questa asta ha un diametro da 4 a 8 mm, una lunghezza da 150 a 200 mm e l'eccitazione viene eseguita da lampade ad arco al kripton.Anche se questo tipo di laser a stato solido è stato il laser a stato solido più importante negli ultimi anni, presenta due svantaggi intrinseci al sistema: in primo luogo, la durata dell'arco di krypton La durata delle lampade è piuttosto breve – solo diverse centinaia di ore – e pertanto necessitano di frequenti sostituzioni.In secondo luogo, e ancora più grave, solo una piccolissima frazione della luce fornita dalle lampade ad arco al kripton viene effettivamente utilizzata per il pompaggio del processo laser;il resto genera calore e quindi spreca energia e causa problemi, soprattutto creando l'effetto lente termica.Con il pompaggio a diodi è possibile eliminare questi problemi: i diodi laser garantiscono una durata superiore al 10000 ore e la loro lunghezza d'onda di emissione può essere adattata esattamente al picco di assorbimento del materiale attivo, 808 nm nel caso del cristallo Nd:YAG.Il carico termico ridotto sul cristallo consente una maggiore potenza in uscita anche da un'asta fornisce di meglio qualità del raggio: tipicamente, i laser a barra pompati a diodi nella gamma (multi-) kilowatt sono specificati con un parametro del raggio prodottoc) di 飞12 mm mrad, mentre i laser a barra pompati a lampada mostrano circa 25 mm mrad.Pertanto, diametri delle fibre più piccoli (tipicamente 300 µm) possono essere utilizzati.Inoltre per questi laser è caratteristica un'efficienza del wall plug del 10%, rispetto a circa il 3% per i dispositivi pompati a lampada.Un tipico laser a barra pompato a diodi ad alta potenza è mostrato in Fig. 15. Questo laser è il modello di punta di una serie da 500 W a 4 kW ed è dotato di otto camere laser.
Oltre al fatto che le applicazioni già esistenti come il taglio e la saldatura di acciaio dolce e acciaio inossidabile potrebbero essere estese a spessori di materiale maggiori o a velocità più elevate, l'aumento della densità di potenza, che può essere raggiunto con Il laser Nd:YAG di tipo a barra pompata a diodi ha portato anche alla capacità di tagliare e saldare materiali che prima erano difficilmente accessibili, come ad esempio soprattutto le leghe a base di alluminio.Ciò è mostrato in Fig. 16, dove le curve di saldatura per AlMg3 (5457) con un laser ROFIN DP 040 (vedi Fig. 15).
Fig. 15: ROFIN DP040HP – pompato a diodi laser a barra con potenza di uscita di 4 kW Fig. 16: curve di saldatura per la saldatura di AlMg3 di spessore 8 mm con un laser Nd:YAG pompato a diodi da 4 kW
Come prototipo da laboratorio basato sulla serie ROFIN DP sopra descritta, si tratta di un laser Nd:YAG pompato a diodi a barra con una potenza di uscita di max.8 kW sono stati realizzati in collaborazione con l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser di Aquisgrana, Germania.L'obiettivo del progetto è acquisire una migliore comprensione della lavorazione dei materiali ad alta potenza nell'intervallo di lunghezze d'onda di 1 µm.La radiazione del laser da 8 kW è stata trasmessa alle postazioni di lavoro tramite fibre con un diametro del nucleo di 600 µm e una lunghezza fino a 50 m.
Il taglio dell'acciaio inox è stato eseguito per spessori di materiali compresi tra 4 e 10 mm.La velocità massima raggiungibile per tagli senza ossido è stata di 2,5 m/min;per raggiungere questa velocità con un laser CO2 circa il 20% in più è richiesta potenza nonostante la qualità superiore del raggio19.Gli esperimenti di saldatura hanno sono stati eseguiti su acciaio inossidabile e acciaio dolce con uno spessore compreso tra 6 e 10 mm.In questi esperimenti è stato riconosciuto un pennacchio di vapore inaspettatamente forte durante la saldatura.Una sufficiente soppressione del pennacchio potrebbe non possono essere raggiunti dagli ugelli standard convenzionali senza disturbare il bagno di saldatura.Pertanto, la sfida più importante è stata quella di sviluppare un ugello speciale, in grado da un lato di sopprimere efficacemente il pennacchio, ma dall'altro di lasciare il bagno di saldatura indisturbato dall'altro.È stato dimostrato che un nuovo design di ugelli di successo risolve il problema: la Fig. 17 mostra i risultati effettivi della saldatura per acciaio dolce e acciaio inossidabile.Ulteriori indagini sul pennacchio di vapore, in particolare sull'interazionedeve trovarsi una distanza tra il pennacchio, la radiazione laser e il flusso del gas di processo hanno studiato ulteriormente e hanno aperto ulteriormente il potenziale dei laser a stato solido ad alta potenza.
Fig. 17: Saldatura con 8 kW allo stato solido
Sulla base di un'applicazione speciale, vale a dire la rimozione della contaminazione delle foglie dai binari ferroviari20, è stato sviluppato un laser Nd:YAG Q-switched ad alta potenza (ROFIN DQx80S).La contaminazione fogliare crea principalmente due problemi, che influiscono la sicurezza del sistema ferroviario: scarsa aderenza delle ruote che causa problemi di frenata e accelerazione e interferenze con i circuiti elettrici di binario rilevanti per la sicurezza.Si è scoperto che l’ablazione laser è il processo di scelta per il rimozione efficiente di questo strato.Come è noto, l'ablazione laser necessita di brevi impulsi dell'ordine di diverse decine di nanosecondi.Pertanto finora sono stati utilizzati principalmente i laser ad eccimeri;tuttavia, come devono essere i sistemi laser per questa applicazione circolano sui treni, i laser ad eccimeri sono stati esclusi, tra l'altro, per ragioni di sicurezza.È stata richiesta una potenza media di circa 1 kW poiché la potenza media determina il tasso di rimozione del contaminante e un treno medio minimo Per un utilizzo economico del metodo è necessario raggiungere una velocità di circa 70 km/h.Sulla base del design del laser a barra pompata a diodi sopra descritto è stata realizzata un'unità Nd:YAG Q-switched che fornisce una potenza media di 800 W in modalità Q-switch in impulsi di circa 38 ns e con una frequenza di ripetizione da 6 a 15 kHz.L'energia viene erogata attraverso una fibra da 800 µm in una speciale testa di lavoro, che forma un fuoco di linea con la larghezza della scia e una lunghezza,Proc.di SPIE vol.673567350T-7 che garantisce la sovrapposizione degli impulsi anche alla massima velocità del treno per eseguire la pulizia completa dei binari;le teste lavoratrici sono montate sotto il carro del 'treno pulitore'.Il sistema è stato testato con successo e soddisfa i requisiti tecnici e requisiti economici.Il laser qui descritto è, per quanto ne sappiamo, il laser commerciale Q-switched più potente disponibile.Possono emergere applicazioni nel campo della sverniciatura, della pulizia delle superfici, della strutturazione ad alta velocità, soprattutto per celle solari e altri.
Nei laser a stato solido pompati longitudinalmente (o lateralmente), la radiazione di pompa viene fornita lungo il risonatore ottico attraverso lo specchio terminale del laser.Naturalmente il pompaggio con questa geometria è possibile solo se la qualità del raggio della pompa è elevata la sorgente è sufficientemente buona da consentire che la luce della pompa possa essere accoppiata in modo efficiente all'asta laser.Pertanto, il concetto è realizzabile solo con il pompaggio laser (a diodi);l'emissione rettangolare altamente astigmatica delle barre di diodi deve essere riorganizzata adattarsi alla forma circolare dell'asta.Contrariamente al concetto di pompaggio laterale, in una tale configurazione la regione pompata può essere adattata al volume modale del risonatore e quindi, una sorgente laser molto efficiente con un'elevata qualità del raggio può essere realizzato.Il pompaggio a diodi qualifica anche altri materiali attivi laser oltre al noto cristallo Nd:YAG per i laser: i laser pompati all'estremità spesso utilizzano Nd:YVO4 (ittrio-vanadato), che tra gli altri ha una banda di assorbimento più ampia per 808 nm radiazione dei diodi e quindi è meno sensibile allo spostamento di temperatura o all'invecchiamento dei diodi.La qualità degli abbaglianti (modalità fondamentale) e la configurazione corta del risonatore del concetto di pompaggio finale, nonché la breve la durata della fluorescenza di Nd:YVO4 rende questa configurazione una combinazione preferita per la generazione di brevi impulsi Q-switch e anche per la conversione di frequenza.
Applicazioni tipiche per tali laser sono nel campo della marcatura e della lavorazione ad alta precisione.Un esempio tipico e molto rappresentativo di applicazione di marcatura di questo laser è la generazione di smart card, mostrata in Fig. 18: L'elevata potenza di picco dell'impulso e l'elevata frequenza di ripetizione del laser riducono i tempi di stampa per molte applicazioni.I laser ROFIN per questa applicazione utilizzano un innovativo software in scala di grigi che consente diverse intensità singoli impulsi laser.L'imaging in scala di grigi consente di ridurre il numero di bit in una determinata immagine, abbreviando notevolmente il tempo di marcatura rispetto alle tradizionali immagini in bianco e nero che offrono una fotografia di alta qualità stampa.
Un esempio di rimozione della pellicola sottile è la strutturazione del materiale delle celle solari: l'elettrodo trasparente, tipicamente realizzato in ossido di indio-stagno, deve essere strutturato in strisce con linee di separazione quanto più strette possibile quanto l'area di queste le linee vengono perse per la conversione dell'energia e quindi influenzano l'efficienza della cella solare.Linee con una larghezza di soli 10 µm e possono essere scritte con una velocità fino a 1000 mm/s.Per un'altra applicazione la rimozione completa del sottile è necessaria una pellicola sulle celle solari.Il laser può eseguire questo compito con una velocità di 5 cm²/s.
Uno dei fattori limitanti per i laser a barra in termini di qualità del raggio, anche se viene utilizzato il pompaggio a diodi, è l''effetto lente termica'.Un'idea per aggirarla è stata pubblicata nel 1994 da A.Giesen et.al.21, che ha proposto di utilizzare un thin disco (da circa 150 a 300 µm di spessore e circa 7 mm di diametro) come mezzo laser.Questo disco sottile è montato su un dissipatore di calore con il suo lato posteriore e quindi viene raffreddato in direzione assiale, evitando un gradiente di temperatura radiale.COME in questo caso viene utilizzato il materiale attivo Yb:YAG poiché, tra gli altri, questo materiale consente livelli di drogaggio molto più elevati (fino al 30%) rispetto al drogaggio con Nd;Per questa tecnologia sono importanti livelli di drogaggio elevati così come il volume da cui viene estratta la luce laser è molto più piccolo che nel caso del tipo ad asta.Naturalmente il pompaggio viene effettuato con diodi, la cui lunghezza d'onda è sintonizzata sull'assorbimento principale del cristallo Yb:YAG (940 nm);poiché non tutta la luce della pompa può essere assorbita in un unico percorso a viene realizzata la configurazione a passaggi multipli.Inoltre, il difetto quantistico nel sistema Yb:YAG è molto più piccolo che nel caso del Nd:YAG, il che porta ad un’ulteriore riduzione del carico termico.Per questi motivi un ulteriore miglioramento rispetto è previsto un laser a barra pompata a diodi e, in effetti, è possibile ottenere 7 mm mrad in una tipica configurazione del laser a disco.Al allo stesso tempo viene raggiunta un'efficienza più elevata, che arriva fino al 50% da ottico a ottico, il che si traduce in un'efficienza del wall plug di circa il 20%!
Oggigiorno i laser a disco ad alta potenza vengono forniti da 750 W (ROFIN DSx75HQ) da un disco con una fibra da 150 µm fino ad una potenza di 3 kW (ROFIN DS030HQ) da due dischi e una fibra da 200 µm (usato NA=0,12).Curve di saldatura per laser da 1,5 kW e per Nella Fig. 19 sono rappresentati due diversi diametri del fuoco (100 µm e 300 µm) per la saldatura di acciaio inossidabile rispetto a un laser a lastre di CO2 (ROFIN DC015, vedere capitolo 2.1).Il vantaggio del laser a disco per materiali sottili è evidente visibile.
Un esempio di applicazione industriale è la saldatura della custodia di una batteria in acciaio inossidabile 1.4301 (Fig. 20);con 700 W e un diametro dello spot di 100 µm il pezzo può essere saldato perfettamente con una velocità di 5 m/min in atmosfera di He.
Naturalmente il laser a disco è adatto anche per il taglio: sono state tagliate lamine di acciaio inossidabile spesse 0,5 mm (4 mm) con una potenza di 1,5 kW ad una velocità di 40 m/min (2 m/min);Il taglio assistito da ossigeno dell'acciaio dolce è stato eseguito a 1 mm e 10 materiale spesso mm con 10 m/min e 1 m/min, rispettivamente.
Fig. 19: Curve di saldatura per la saldatura di acciaio inossidabile con un laser a disco da 1,5 kW (DS015) rispetto a un laser a CO2 a lastra (ROFIN DC015): chiaramente visibile è il vantaggio del laser a disco per materiali sottili.Per effetti del plasma, la CO2 il laser è vantaggioso per materiali più spessi.
Fig. 20: custodia della batteria (1.4301) saldata con un laser a disco sottile da 750 W (ROFIN DSx75HQ) dimensione del punto 100 µm, velocità di saldatura 5 m/min
Derivato da una configurazione consolidata per le applicazioni di marcatura, la qualità del raggio abbagliante del laser a disco consente il posizionamento del raggio ad alta velocità mediante un sistema di due specchi azionati galvanicamente (Fig. 21, a sinistra).Uno speciale cosiddetto 'campo piatto lens' fornisce la messa a fuoco su un piano di lavoro piatto, indipendentemente dalla posizione. L'emissione del raggio tramite una fibra ottica con un diametro del nucleo tipico compreso tra 150 e 200 µm rende facile la combinazione di tale unità di deviazione del raggio con un robot come mostrato in Fig. 21 (a destra).
Questa configurazione porta ad uno strumento molto flessibile: mentre il robot esegue un movimento fluido della testa di scansione seguendo la direzione principale della cucitura, gli specchi galvanici deviano il raggio nella sua esatta posizione, eseguendo operazioni dirette punti, cerchi, onde o qualsiasi altra forma desiderata.Se, ad esempio, per la saldatura fossero necessari solo punti diritti con lunghezza di saldatura del 50% e intervalli del 50%, un movimento del subbio a velocità costante porterebbe ad una saldatura del 50% utilizzo del laser;mediante l'implementazione del sistema di saldatura con scanner robotizzato, la velocità (del movimento del robot) può essere quasi raddoppiata poiché lo scanner può guidare il punto negli intervalli molto rapidamente (cioè nell'ordine dei millisecondi).
Pertanto, questa configurazione rappresenta una possibilità molto interessante per la saldatura, ad esempio, della carrozzeria bianca, in sostituzione della saldatura a punti elettrica.
Fig. 21: A sinistra: schizzo di un sistema di specchi galvanici con lente a campo piatto per il posizionamento rapido del fascio22.A destra: combinazione con un robot Laser a fibra
L'altra possibilità per evitare l'effetto lente termica è ridurre il diametro e aumentare la lunghezza dell'asta, in modo che alla fine il mezzo attivo sia degenerato in fibra ottica e anche il raffreddamento radiale non provochi una gradiente di temperatura lungo la sezione trasversale della fibra.Infatti, il diametro del nucleo attivo può essere così sottile che viene amplificato solo un singolo modo e quindi è possibile generare radiazione monomodale di qualità ad alto raggio.Il pompaggio è tipicamente eseguito mediante l'uso di una cosiddetta fibra a doppio rivestimento: la luce della pompa viene accoppiata nel rivestimento interno che circonda il nucleo di fibra attiva e successivamente assorbita dal nucleo di fibra attiva per l'intera lunghezza della fibra.Ce ne sono due generali Proc.di SPIE vol.673567350T-9 possibilità per l'accoppiamento della luce della pompa nel nucleo della pompa: (a) il concetto di pompa finale, che richiede uno stack di diodi con una qualità del raggio piuttosto elevata per adattarsi al rivestimento della pompa della fibra, e (b) il ' Accoppiamento Y'. configurazione, che necessita di un elevato numero di diodi accoppiati in fibra, che devono essere alimentati nel nucleo della pompa con metodi piuttosto complessi,ad esempio giunzioni di fibre o reticoli di Bragg.
Dalla densità di potenza massima nel nucleo attivo della fibra, la potenza che può essere estratta da una singola fibra (non necessariamente monomodale!) è limitata.Nei sistemi commerciali questo limite per il momento è di circa 800 W circa 1 o 2 volte la qualità del raggio limitato dalla diffrazione, mentre in laboratorio sono stati dimostrati 3 kW23, con un raggio che è 'quasi limitato dalla diffrazione'.La scalabilità della potenza viene eseguita mediante una combinazione 'fianco a fianco' di diverse fibre e quindi va di pari passo con una perdita di qualità del raggio.
I laser a fibra nella gamma ad alta potenza sono attualmente in una fase di valutazione per applicazioni industriali.Forniscono una tecnologia con un elevato potenziale, se possono essere prodotti a costi ragionevoli e possono fornire lo stesso prestazioni come il laser a disco, soprattutto nella gamma ad alta potenza.Un'applicazione importante di questi laser grazie alla loro qualità del raggio superiore nella gamma di bassa potenza è la marcatura;La Fig. 22 mostra un sistema di marcatura laser a fibra con un galvanometro scanner davanti al laser a fibra.
Invece di utilizzare il laser a diodi per il pompaggio, i laser a stato solido ad alta potenza possono essere utilizzati anche per la lavorazione diretta.Tali unità impressionano per le dimensioni estremamente ridotte anche ad alta potenza: la testa laser da 3 kW mostrata in Fig. 23 è piccola quanto 555 (compreso il tubo ottico) x 260 x 200 [mm] ed il peso è di soli 25 kg.Per completare l'intero sistema laser dovranno essere aggiunti un'unità di controllo e un refrigeratore con dimensioni di circa 600 x 800 x 1000 [mm] ciascuno.Laser a diodi ad alta potenza, tuttavia, non possono fornire una qualità del raggio così elevata come quella dei laser pompati a diodi descritti sopra.Questa è una conseguenza dell'accoppiamento incoerente dei singoli emettitori delle barre laser a diodi18.All'aumentare della potenza P la qualità del fascio diminuisce di un fattore ,/P fintanto che la brillantezza dei singoli emettitori rimane invariata.Vengono utilizzati l'accoppiamento di polarizzazione e l'accoppiamento della lunghezza d'onda migliorare la situazione16, 18: I laser a diodi ad alta potenza sono in genere
Fig. 23: Testa di un laser a diodi ad alta potenza,3,1 kW (ROFIN DL031Q) non polarizzati ed emettono a due o tre lunghezze d'onda.Lo spot è rettangolare (1,3 x 0,8 [mm] ad una lunghezza focale di 66 mm per il sistema da 3 kW mostrato in Fig. 23 con un profilo top hat in una direzione e un gaussiano nell'altra.
A causa della qualità piuttosto scarsa del raggio nel range di alta potenza, le tradizionali applicazioni laser come il taglio e la saldatura a penetrazione profonda ad alta velocità non sono realmente un mercato aperto per i laser a diodi ad alta potenza (vedi Cap. 4, Figura 27).La figura mostra però anche che esistono applicazioni con un elevato potenziale per i laser a diodi ad alta potenza: alcune delle applicazioni adatte per i laser a diodi ad alta potenza sono state dimostrate anni fa con Nd:YAG o CO2 laser, ma non è riuscito a penetrare nella produzione industriale con questi laser per ragioni tecnologiche o, soprattutto, di costo.I costi di investimento degli odierni sistemi laser a diodi ad alta potenza sono notevolmente inferiori a quelli dei sistemi Nd:YAG, laser a disco o a fibra, che emettono quasi alla stessa lunghezza d'onda o leggermente più corta;i costi di gestione sono molto inferiori a quelli di altri laser grazie alla loro elevata efficienza (tipicamente l'efficienza della presa a muro è nell'intervallo o anche superiori al 30%) e poiché sono quasi esenti da manutenzione per tutta la lunga durata dei diodi.Si prevede un'ulteriore riduzione dei costi di esercizio con l'aumento della durata delle barre laser a diodi, grazie a semplici calcoli dei costi dimostrano che, oltre al deprezzamento, la sostituzione dei diodi fa la parte del leone nei costi di esercizio.Ultimo ma non meno importante, le dimensioni ridotte non solo della testa del laser a diodi, ma anche dell'elevato valore elettrico-ottico efficienza - anche dell'alimentazione e del refrigeratore, li rendono uno strumento molto interessante per molte di quelle applicazioni in cui la qualità del raggio del laser convenzionale semplicemente non è necessaria.
La possibilità di realizzare cordoni di saldatura otticamente perfetti in un processo di saldatura a conduzione di calore ha portato alla primissima applicazione industriale dei laser a diodi ad alta potenza, la saldatura dei lavelli da cucina.Una sezione trasversale attraverso una saldatura è mostrato in Fig. 24. L'uso del laser a diodi al posto della tradizionale saldatura TIG ha permesso una notevole riduzione dei lavori successivi: è necessaria solo la lucidatura, ma quasi nessuna smerigliatura o riparazione!Questo fatto ha portato ad un vantaggio in termini di costi, anche se il l’investimento per un laser a diodi da 2,5 kW è superiore a quello per una saldatrice TIG24.
La brasatura diventa sempre più una tecnologia di giunzione interessante nella produzione di carrozzerie automobilistiche e nella sigillatura di alloggiamenti schermati a tenuta RF per componenti elettronici.Gli esperimenti nei laboratori applicativi di ROFIN-SINAR hanno dimostrato la brasatura riuscita dell'acciaio rivestito di Zn (0,9 mm) con lega per saldatura dura CuSi alimentata come filo di 1 mm di diametro.Gli esperimenti hanno portato a cuciture molto lisce (Fig. 25).La velocità di brasatura era di 2-4 m/min con una potenza di 2,5 kW, ma dipende fortemente dalla requisiti individuali di riempimento degli spazi con il materiale di saldatura dura.Almeno gli stessi risultati di un laser Nd:YAG possono essere ottenuti con un laser a diodi ad alta potenza, ma a costi notevolmente inferiori!
Grazie alla sua forma rettangolare, con un profilo top hat in una direzione e un profilo gaussiano nell'altra, il raggio laser a diodi ad alta potenza è particolarmente adatto per applicazioni di tempra superficiale.Inoltre, rispetto alla CO2 laser la lunghezza d'onda di emissione di questi laser è corta, il che porta ad un maggiore assorbimento e quindi esclude la necessità di qualsiasi rivestimento per migliorare l'assorbimento.La maggiore efficienza dei laser a diodi insieme al vantaggi sopra menzionati, rendono il laser a diodi ad alta potenza uno strumento molto efficiente, affidabile ed economico per la tempra.Un esempio molto importante di un'applicazione produttiva di laser a diodi ad alta potenza è l'indurimento dei laser molle di torsione, utilizzate sulle cerniere delle portiere delle auto (Fig. 26).Il laser a diodi ad alta potenza non solo fornisce una geometria del raggio e una distribuzione dell'intensità ideali, ma è anche il modo più conveniente per la trasformazione indurimento.La molla di torsione con un diametro di 8 mm, mostrata in Fig. 26 deve essere temprato su un angolo >170°, per una lunghezza di ca.10 mm e ad una profondità da 0,2 a 0,4 mm nell'area contrassegnata per ridurre l'usura della molla da parte dei rulli di bloccaggio, che mantengono la porta in una determinata posizione.In una configurazione, che utilizza due laser sotto un angolo di circa Inserto: sezione trasversale della molla: zona temprata 120°, questa geometria può essere indurita in modo omogeneo, se i laser scansionano su una lunghezza di 10 mm.Un controllo attivo del processo, che utilizza due pirometri per la registrazione della temperatura, garantisce la qualità del processo per ogni singola parte25.
Il rivestimento con laser a diodi ad alta potenza è allo studio, poiché anche le densità di potenza elevate non sono necessarie per questa applicazione laser, che oggi viene eseguita anche con laser CO2 o Nd:YAG;tuttavia, l'alimentazione della polvere deve essere certa distanza di lavoro e quindi una certa qualità del raggio, ma che può essere soddisfatta dai laser a diodi più moderni.
Inoltre, i laser a diodi sono lo strumento perfetto per la saldatura laser dei polimeri, descritta in dettaglio altrove26, 27.
BREVE CONFRONTO TRA DIVERSE TECNOLOGIE LASER
La decisione finale su quale laser scegliere per una determinata applicazione dipende da molti aspetti.Naturalmente prima di tutto uno studio di fattibilità deve chiarire quale laser sia il migliore per ottenere il risultato desiderato.Tuttavia, una classificazione tipica come proposto da P. Loosen28, può fornire un suggerimento per la tecnologia laser adatta (Fig. 27), oltre a consentire un confronto della migliore qualità del raggio ottenibile per ciascun tipo di laser.
Fig. 27: Prodotto dei parametri del raggio rispetto alla potenza laser per diversi tipi di laser e regimi tipici per applicazioni industriali28
Le applicazioni tradizionalmente più importanti, che forniscono la maggior parte del mercato (vedi cap. 1), vale a dire il taglio e la saldatura, richiedono anche la migliore qualità della trave.Tale qualità del raggio può essere raggiunta dal laser CO2 e dal laser a stato solido pompati a diodi.La saldatura può essere eseguita anche mediante laser YAG pompato a lampada, come dimostrato in molte applicazioni nell'industria.Tuttavia va menzionato qui il laser CO2, soprattutto nella configurazione a lastra (vedi capitolo 2.1) fornisce ancora i fotoni più economici per applicazioni di lavorazione dei materiali e anche la migliore qualità del fascio, cioè la migliore focalizzabilità nell'intervallo di potenza multi-kW.Considerazioni economiche sul 'costo di proprietà' si terrà conto dell'impatto di ciascuna tecnologia sui costi delle parti, se gli esperimenti hanno dimostrato che laser diversi possono eseguire il lavoro ugualmente bene.L'illustrazione in Fig. 27 mostra anche che, nonostante il raggio ridotto il laser a diodi di qualità e ad alta potenza può essere un'interessante sorgente di fotoni per molte applicazioni laser grazie alla sua elevata efficienza di circa il 30%.;i laser a disco e a fibra si avvicinano a questo valore di circa il 20%, mentre i laser a CO2 ne utilizzano circa il 10% dell'energia consumata nell'uscita finale del raggio laser.
Per lungo tempo, il laser a gas CO2 ha dominato il settore della lavorazione dei materiali ad alta potenza e detiene ancora di gran lunga la quota di mercato maggiore (41,1%) nel mercato della lavorazione dei materiali mediante laser4 (1,69 miliardi di dollari per le sorgenti laser).Dal comparsa di diodi laser affidabili e potenti come sorgente di pompaggio per laser a stato solido, questo quadro è leggermente cambiato e i laser a stato solido stanno recuperando terreno ogni anno;tuttavia, nel 2006 si registra ancora il maggior quantitativo di stato solido i laser erano coperti da sistemi pompati a lampada (20,4%), seguiti da laser a fibra (8,5%, in aumento rispetto al 6% nel 2005) e sistemi pompati a diodi (asta/disco) (6,4%).I laser a diodi diretti coprono ancora solo l’1% del mercato.È quello che ci si aspetta il laser a disco così come il laser a fibra cresceranno, principalmente a scapito delle unità pompate a lampada;le applicazioni tridimensionali e remote trarranno ovviamente vantaggio dalla migliore qualità del raggio di questi laser e offriranno nuove opportunità.Alto i laser a diodi di potenza stanno attualmente alimentando nicchie come il trattamento superficiale e la saldatura a conduzione termica;quindi, più di altri laser, i laser a diodi ad alta potenza competono con le tecnologie convenzionali.Il laser CO2, tuttavia, lo farà rimarrà il cavallo di battaglia per le applicazioni di lavorazione laser dei materiali nei prossimi anni, in particolare per tutte le attività bidimensionali.
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