Технология комбинированной сварки синим светом и инфракрасным излучением
2026-05-08
Неизбежность развития синдрома синего света .
В лазерной обработке материалов решающее значение имеет коэффициент поглощения лазерного излучения металлами. В связи с растущим рыночным спросом на резку высокоотражающих материалов, таких как медь, алюминий и их сплавы, синие лазеры широко используются в области микрообработки меди и других металлов. Медь, золото и другие материалы обладают чрезвычайно низким коэффициентом поглощения инфракрасного и других лазерных излучений из-за высокой отражательной способности, а также хорошей теплопроводностью. При облучении этих материалов лазером большая часть энергии отражается, а излучаемая часть быстро передается в окружающую среду. Это делает лазерную резку таких материалов, как медь, алюминий и сплавы, чрезвычайно сложной или даже невозможной.
На рисунке показано сравнение коэффициента поглощения лазерного излучения разных длин волн различными материалами. Различные типы лазерных источников света имеют разные области применения, обрабатываемые объекты и цели. Большой объем практических данных показывает, что инфракрасные лазерные источники хорошо зарекомендовали себя во многих промышленных приложениях, но не являются идеальными для обработки высокоотражающих металлов. Высокоотражающие материалы обладают чрезвычайно высоким коэффициентом поглощения лазерного излучения в синем диапазоне, испускаемого синим лазерным источником, который может достигать 8-10 раз выше, чем у инфракрасного света для таких распространенных высокоотражающих материалов, как алюминий и медь.
Основные свойства источника синего лазерного излучения
Синий лазерный источник — это полупроводниковый лазерный источник. В зависимости от стандартной формы корпуса, полупроводниковые лазеры в основном выпускаются в виде отдельных трубок, стержней и многослойных матриц.
На верхнем левом рисунке показана структура полупроводникового лазера с одной трубкой. Каждый лазерный источник представляет собой независимый блок. Поскольку он не подвержен тепловым перекрестным помехам, он обладает хорошими характеристиками теплоотвода, длительным сроком службы и может работать до 200 000 часов; ширина светового потока обычно составляет 5–10 мкм. Современные коммерческие полупроводниковые лазерные источники с одной трубкой типа 9xx имеют максимальную мощность до 15 Вт. На верхнем правом рисунке показана одномерная структура полупроводникового лазерного массива с одной трубкой. Как правило, каждая отдельная трубка в массиве располагается с определенным интервалом, а количество отдельных трубок в массиве может составлять 19, 24 или 49. Каждый массив эквивалентен нескольким отдельным трубкам, расположенным и упакованным. В целом, ширина массива составляет 1 см, поэтому его также называют сантиметровым массивом. В последние годы изучаются и используются мини-массивы, в основном состоящие из 5 отдельных светоизлучающих блоков. В настоящее время компания DILAS в Германии производит мощный красный лазерный модуль, разработанный на основе этой мини-панели. В настоящее время выходная мощность одной панели может достигать 1000 Вт, а мощность коммерческих панелей составляет 200 Вт, что требует водяного охлаждения. На следующих двух рисунках показан двухмерный полупроводниковый лазерный чип с одиночной трубкой. Поскольку в нем больше точек излучения, чем в панелях и отдельных трубках, он обладает более высокой выходной мощностью. В настоящее время максимальная мощность многослойной матрицы, производимой компанией DILAS в Германии, составляет 8000 Вт. Поскольку точки излучения в многослойной матрице расположены более компактно, требования к теплоотводу очень высоки.
Принцип работы полупроводникового лазера основан на том, что электроны во внутреннем полупроводниковом материале претерпевают переходы, стимулируя фотонное излучение, что приводит к генерации и усилению света. Основные условия для создания лазера: источник возбуждения, активная среда и стабильная резонансная полость. Генерация синего света также осуществляется путем объединения отдельных диодов в линейки, затем в стопки и, наконец, синтеза лазеров.
Сравнение сварки синим инфракрасным светом:
По морфологии поверхности сварного шва отчетливо видно, что медь «любит» синий свет. Шов гладкий и однородный, без дефектов и неровностей. Такая гладкая поверхность свидетельствует о хорошей интеграции медного материала в процессе сварки и образовании непрерывного и однородного интерфейса после охлаждения. Эта гладкая и однородная поверхность сварного шва не только повышает прочность сварного соединения, но и делает всю зону сварки более эстетичной.
На рисунке показаны кривые прочности на растяжение основного материала и сварного соединения. Видно, что предел прочности на растяжение основного материала составляет около 300 МПа. При использовании инфракрасной волоконно-лазерной сварки при оптимальных параметрах процесса предел прочности на растяжение сварного соединения составляет 156 МПа, что составляет около 50% от предела прочности основного материала, а относительное удлинение составляет около 55% от относительного удлинения основного материала. При использовании синей полупроводниковой лазерной сварки при оптимальных параметрах процесса предел прочности на растяжение сварного соединения составляет 246 МПа, что примерно на 30% выше, чем у сварного соединения, полученного с помощью инфракрасного волоконно-лазерного сварки, а относительное удлинение примерно на 40% выше.
При использовании ближнеинфракрасной волоконной лазерной сварки в условиях мощности 2000 Вт и скорости сварки 20 мм/с на левом рисунке показано поперечное сечение сварного шва. Видно, что сварной шов имеет коническую форму, передняя ширина шва большая, задняя ширина шва узкая, и по обеим сторонам шва наблюдается относительный изгиб, а деформация большая. Это объясняется низкой степенью поглощения меди лазерами ближнего инфракрасного диапазона (всего 4%), а для достижения температуры плавления меди требуется более высокая мощность лазера. Более высокая энергия лазерного излучения приводит к большей деформации материала. При использовании синей лазерной сварки полупроводниковым лазером в условиях мощности 500 Вт и скорости сварки 20 мм/с на правом рисунке показано поперечное сечение сварного шва. Видно, что сварной шов имеет трапециевидную форму, ширина передней части шва узкая, ширина задней части шва большая, при этом на обеих сторонах шва нет явного изгиба, а деформация невелика. Это объясняется высокой степенью поглощения меди лазерным излучением синего света, достигающей 40%, и тем, что для достижения температуры плавления меди требуется лишь меньшая мощность лазера. Меньшая энергия лазерного излучения позволяет верхнему материалу быстро передавать энергию лазера нижнему материалу после поглощения, что приводит к большей ширине задней части шва и меньшей деформации материала при меньшей энергии лазерного излучения.
Необходимость комбинированной сварки синим светом и инфракрасным излучением.
Для инфракрасной сварки: при сварке материалов с высокой отражательной способностью инфракрасная лазерная обработка характеризуется высоким давлением пара, заметным разбрызгиванием металла и сильными колебаниями расплавленной ванны.
Что касается синего света
Мощность отдельного полупроводникового чипа низка. При одинаковом диаметре ядра количество световых лучей, которые могут быть введены, фиксировано, поэтому общая плотность мощности должна быть низкой. Следовательно, синий свет может использоваться только в качестве вспомогательной функции.
Преимущества сочетания синего и инфракрасного света:
(1) Благодаря значительному улучшению коэффициента поглощения цветных металлов, особенно меди, на длинах волн синего света, низкомощный синий свет может быть эффективно использован для обработки материалов на основе меди;
(2) Благодаря принципу усиления мощности лазеров синего света, распределение энергии источников синего света становится более равномерным, что имеет уникальные преимущества в достижении равномерности в зоне обработки и подавлении брызг, вызванных неравномерным распределением энергии;
(3) Исходя из текущего развития технологии синего света, технический уровень и стоимость на уровне киловатт уже относительно высоки. Сочетание ее с относительно зрелыми волоконными лазерами может значительно улучшить сценарии обработки и эффективность.
Композитная реализация синего света и инфракрасного излучения
Ниже приведено подробное описание оптической схемы коаксиальной системы с двумя длинами волн. В этой системе разработана уникальная оптическая схема с использованием технологии точного нанесения оптического покрытия на линзы. Основная идея заключается в том, что благодаря особому расположению оптических линз и конструкции покрытия два световых луча с разными длинами волн могут одновременно входить в основной материал и фокусироваться на нем. Преимущество такой конструкции оптической схемы заключается в возможности фокусировки световых лучей с разными длинами волн в одном фокусе, что позволяет осуществлять параллельную обработку двух или более длин волн. Кроме того, эта конструкция повышает стабильность и надежность оптической системы, поскольку все оптические компоненты расположены на одной оси, что снижает ошибки и искажения. В процессе реализации этой конструкции ключевые технологии включают точный выбор, точную сборку и точное нанесение оптического покрытия на линзы. Во-первых, необходимо выбрать линзы с требуемыми оптическими свойствами для правильного направления и фокусировки света с разными длинами волн. Во-вторых, эти линзы должны быть собраны с высокой точностью для обеспечения точного выравнивания света. Наконец, необходимо использовать технологию точного нанесения покрытия, чтобы линзы могли точно отражать и пропускать требуемый свет. В целом, проектирование оптического тракта двухволновой коаксиальной системы представляет собой инновационную технологию, позволяющую осуществлять параллельную обработку света разных длин волн и повышать стабильность и надежность оптической системы. Такое проектирование достигается за счет сложных технологий нанесения покрытий на оптические линзы и высокоточной сборки, что обеспечивает техническую поддержку для различных применений.
Комбинированное применение синего света и инфракрасного излучения
1) Сварка полюсов аккумуляторной батареи с квадратным корпусом
Аккумуляторный полюс является ключевым компонентом для соединения внутренней и внешней частей батареи. Сварка полюса — незаменимое звено в процессе производства крышки аккумуляторной батареи. Для обеспечения превосходных электрических характеристик при сварке полюса обычно используются медь и алюминиевые сплавы. Применение технологии сварки композитных материалов под воздействием синего света позволяет получить отличное качество сварки.
2) Программное соединение батареи квадратного корпуса
Процесс сварки адаптеров является ключевым этапом в производстве силовых батарей. Его цель — надежно соединить контакты батарейного элемента с полюсами верхней крышки. Однако, поскольку контакты, изготовленные из многослойной фольги, не могут напрямую обеспечить высококачественное соединение с полюсами, необходима технология адаптеров. В последние годы, с непрерывным развитием технологий, связанных с синим светом, этот процесс достиг определенных прорывов и, как ожидается, станет движущей силой технологических инноваций в процессах производства силовых батарей. В традиционной технологии лазерной сварки из-за особой структуры многослойной фольги высококачественное соединение между контактами и полюсами невозможно. Поэтому для решения этой проблемы необходима технология сварки адаптеров. Технология сварки адаптеров обеспечивает надежное соединение между контактами и полюсами путем установки адаптера между контактами и полюсами. С непрерывным развитием технологий, связанных с синим светом, этот процесс достиг определенных прорывов. Технология, связанная с синим светом, представляет собой новый тип сварочной технологии, обладающий преимуществами высокой скорости, высокой точности и низкой стоимости. В производстве силовых батарей использование технологий, связанных с синим светом, позволяет обеспечить высококачественное соединение между контактами и полюсами, а также повысить плотность энергии и безопасность батареи. Короче говоря, процесс сварки адаптеров является ключевым этапом в производстве силовых батарей. Благодаря непрерывному развитию технологий, связанных с синим светом, этот процесс достиг определенных прорывов и, как ожидается, станет движущей силой технологических инноваций в процессах производства силовых батарей.
3) Двигатель с плоским проводом
В настоящее время для сварки плоской медной проволоки в основном используются инфракрасные лазеры, но из-за очень низкой степени поглощения инфракрасного излучения медью в процессе сварки требуются мощные лазеры, что увеличивает стоимость оборудования. Кроме того, высокоэнергетическая сварка вызывает чрезмерный нагрев, который легко повреждает эмалированное покрытие плоской медной проволоки. В то же время, в процессе сварки образуется большое количество брызг, которые рассеиваются внутри сварочного аппарата, что приводит к снижению качества продукции. Однако использование технологии сварки с синим светом позволяет снизить энергопотребление оборудования, значительно уменьшить количество брызг и улучшить качество продукции. Эта новая технология сварки не только снижает стоимость оборудования, но и повышает эффективность и качество сварки. Поэтому технология сварки с синим светом является более привлекательным и удобным методом сварки.
4) Медный/латунный радиатор
Медь широко используется в радиаторной промышленности благодаря своим хорошим теплоотводящим свойствам и более низкой стоимости по сравнению с золотом и серебром. Поскольку медь обладает очень низкой степенью поглощения инфракрасного излучения, для её сварки обычно требуется очень высокая плотность мощности лазера. В процессе сварки чрезвычайно высокая плотность мощности позволяет получить сквозное отверстие, но характеристики текучести жидкой меди приводят к быстрому закрытию этого отверстия. Газ высокого давления внутри сквозного отверстия легко расширяет его, образуя сварочные брызги, что серьезно приводит к дефектам сварного шва.
Outlook
В будущем, благодаря непрерывному развитию материаловедения и микро- и нанотехнологий, синие лазеры будут продолжать совершенствоваться и оптимизироваться. Ожидается, что в будущем появятся более эффективные синие лазеры с большей выходной мощностью, меньшими размерами и меньшей стоимостью, что позволит удовлетворить потребности большего числа областей применения. В то же время, благодаря непрерывному развитию технологий искусственного интеллекта и машинного обучения, интеллектуальное управление синими лазерами также станет одним из важных трендов будущего. Внедрение технологий искусственного интеллекта позволит достичь интеллектуального управления и оптимизации лазеров для повышения их производительности и эффективности. Вкратце, как новый тип лазеров, быстро развивающийся в последние годы, развитие синих лазеров сопряжено как с вызовами, так и с возможностями. С непрерывным развитием технологий и непрерывным ростом потребностей в применении синие лазеры будут продолжать совершенствоваться и оптимизироваться, внося все больший вклад в развитие человеческого общества.
