Fuentes láser de alta potencia para la industria y sus aplicaciones

  Láseres de estado sólido

  La aparición de diodos láser confiables ha revolucionado la tecnología de los láseres de estado sólido de alta potencia de varias maneras. La idea original, que es casi tan antigua como los láseres de diodo y los láseres de estado sólido bombeados ópticamente y que entreotros han impulsado el desarrollo de diodos láser de alta potencia, es decir, para utilizarlos como fuente de bombeo para láseres de estado sólido13, se ha hecho realidad a finales de siglo: los láseres de varilla de diodo bombeado en el rango de kW están disponibles en el mercadoLugar como productos industriales. Sin embargo, más allá de eso, mientras tanto, han aparecido nuevos láseres de estado sólido bombeados por diodo, que no tienen una contraparte convencional bombeada por lámpara. Tales tipos de láser, que son exclusivamente (o al menossolo de manera preferible y eficiente) mediante el uso de diodos láser como fuente de bombeo, por ejemplo El láser de disco y el láser de fibra, que ahora están ingresando al mercado de procesamiento de materiales. Además, la tecnología láser de diodo en sí tieneDesarrollado a una potencia y calidad tan altas, que incluso los láseres de diodo directos se pueden usar para el procesamiento de materiales.

  Tecnología láser semiconductor

  La acción del láser en los diodos láser GaAs o GaAsP a temperaturas criogénicas se ha demostrado desde 196214. Lo que comenzó como una curiosidad física como base para láseres extremadamente caros con un tiempo de vida muy corto, es hoy en día elBase para fuentes láser de larga vida y económicas que cubren el mayor mercado de fuentes láser, con un volumen de 3,10 Mio. US $ en 200615: la mayor parte del mercado actual de láser de diodo está relacionada con aplicaciones de baja potencia enTelecomunicaciones y almacenamiento óptico, pero la tecnología también tiene un impacto muy fuerte en el procesamiento de materiales con láseres de alta potencia. Investigación cuidadosa de las estructuras cristalinas, comprensión detallada de los mecanismos de falla yLa mejora considerable de los procesos de fabricación ha conducido a este éxito. Sin embargo, incluso si los conceptos de refrigeración sofisticados permiten un aumento de potencia más allá de los requisitos de telecomunicaciones, la emisión de un solo emisor todavía eslimitado a unos pocos vatios (a una vida útil razonable). Por lo tanto, varios emisores se combinan en un elemento monolítico llamado barra láser, que luego se monta en un disipador de calor de micro-canales para un enfriamiento eficiente16; Hasta 120 W son unapotencia típica de una barra comercial, pero más de 500 W se reportan en experimentos de laboratorio recientemente17. Las microlentes cilíndricas asféricas se utilizan para la colimación del haz altamente divergente. El brillo sin embargo es limitado.debido a las limitaciones de la calidad del haz de los emisores individuales y especialmente debido a su acoplamiento incoherente18.

  Láseres tipo diodo bombeado (bombeado lateral)

  La forma original y aún más utilizada del medio activo en un láser de estado sólido de alta potencia (Nd: YAG) es la varilla cilíndrica; en un láser de alta potencia, típicamente esta varilla tiene un diámetro de 4 a 8 mm, una longitud de 150 a 200 mm yLa excitación se realiza mediante lámparas de arco de criptón. Incluso si este tipo de láser de estado sólido ha sido el láser de estado sólido más prominente en los últimos años, tiene dos desventajas inherentes al sistema: Primero, la vida útil del arco de criptón.Las lámparas son bastante cortas (solo varios cientos de horas) y, por lo tanto, necesitan reemplazo frecuente. En segundo lugar, e incluso más grave, solo una pequeña fracción de la luz proveniente de las lámparas de arco de criptón se utiliza realmente para el bombeo delproceso laser el resto genera calor y, por lo tanto, desperdicia energía y causa problemas, especialmente creando el efecto de lente térmica. Mediante el bombeo de diodos se pueden eliminar estos problemas: los diodos láser ofrecen una vida útil prolongada de más de10000 horas y su longitud de onda de emisión se puede adaptar exactamente al pico de absorción del material activo, 808 nm en el caso del cristal Nd: YAG. La carga de calor reducida al cristal permite una mayor potencia de salida de una varilla, así comoproporciona mejorcalidad del haz: por lo general, los láseres de varilla bombeados por diodo en el rango de (múltiples) kilovatios se especifican con un parámetro de haz productoc) de 飞 12 mm mrad, mientras que los láseres de barra bombeada por lámpara muestran aproximadamente 25 mm mrad. Por lo tanto, los diámetros de fibra más pequeños(típicamente 300 µm) puede ser usado. Además, una eficiencia de enchufe de pared del 10% es característica de estos láseres, en comparación con aproximadamente el 3% para dispositivos bombeados por lámpara. En la Fig. 15 se muestra un láser típico de varilla bombeada por diodo de alta potencia. Este láser esEl modelo superior en una serie de 500 W a 4 kW y está equipado con ocho cámaras láser.

  Además del hecho, las aplicaciones ya existentes como el corte y soldadura de acero dulce y acero inoxidable podrían extenderse a un mayor grosor del material o una mayor velocidad, el aumento de la densidad de potencia, que se puede alcanzar conEl láser tipo Nd: YAG de varilla bombeada por diodo también condujo a la capacidad de cortar y soldar materiales, que han sido difícilmente accesibles antes como, por ejemplo, Especialmente aleaciones a base de aluminio. Esto se muestra en la Fig. 16, donde las curvas de soldadura para AlMg3 (5457)con un láser ROFIN DP 040 (ver Fig. 15) se presentan.

Fig. 15: ROFIN DP040HP - diodo bombeadoLáser de varilla con 4 kW de potencia de salida.Fig. 16: curvas de soldadura para soldadura de 8 mm de espesor AlMg3con un diodo de 4 kW bombeado con láser Nd: YAG

  Láser de varilla de diodo bombeado a 8 kW.

  Como un prototipo de laboratorio basado en la serie ROFIN DP descrito anteriormente, un diodo Nd: YAG bombeado por diodo tipo varilla con una potencia de salida de máx. Se han realizado 8 kW en colaboración con el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser en Aachen,Alemania. El objetivo del proyecto es lograr una mejor comprensión del procesamiento de materiales de alta potencia en el rango de longitud de onda de 1 µm. La radiación del láser de 8 kW se ha suministrado a las estaciones de trabajo mediante fibras con un diámetro de núcleo de600 µm y una longitud de hasta 50 m.

  El corte de acero inoxidable se ha realizado para materiales con espesores de entre 4 y 10 mm. La velocidad máxima, que podría alcanzarse para cortes libres de óxido, ha sido de 2.5 m / min; Alcanzar esta velocidad con un láser de CO2 un 20% más alto.Se requiere potencia a pesar de la calidad superior del haz19. Experimentos de soldadura tienenrealizado en acero inoxidable y acero suave en el rango entre 6 y 10 mm de espesor. En estos experimentos se ha reconocido una pluma de vapor inesperadamente fuerte durante la soldadura. Supresión suficiente de la pluma podríaNo se puede alcanzar con las boquillas convencionales sin molestar la piscina de soldadura. Por lo tanto, el desafío importante ha sido desarrollar una boquilla especial, que podría suprimir efectivamente la pluma por un lado, pero dejar la piscina de soldadura.sin ser molestado en el otro. Se comprobó que un nuevo diseño exitoso de boquilla solucionó el problema: la Fig. 17 muestra los resultados reales de soldadura para acero dulce y acero inoxidable. Investigaciones adicionales de la columna de vapor, especialmente la interacción.entre la pluma, la radiación láser y el flujo de gas de proceso seránInvestigamos más y abrimos el potencial de los láseres de estado sólido de alta potencia.

Fig. 17: Soldadura con 8 kW de estado sólido.

  El láser de alta potencia Q-switch Nd: YAG

  Desencadenado por una aplicación especial, a saber, la eliminación de la contaminación de las hojas de las vías ferroviarias20, se ha desarrollado un láser Nd: YAG de alta potencia QQ (ROFIN DQx80S). La contaminación de la hoja crea principalmente dos problemas, que influyenLa seguridad del sistema del tren: baja adherencia de las ruedas que causa problemas de rotura y aceleración e interferencia con los circuitos de vías eléctricas relevantes para la seguridad. Se ha encontrado que la ablación con láser es el proceso de elección para elEliminación eficiente de esta capa. Como es bien sabido, la ablación con láser necesita pulsos cortos en el rango de varios diez nanosegundos. Así, los láseres de excímero se han utilizado principalmente hasta ahora; Sin embargo, como los sistemas láser para esta aplicación tienen que sercorrer en trenes, los láseres de excímero han sido descartados entre otros por razones de seguridad. Se ha solicitado una potencia promedio de aproximadamente 1 kW ya que la potencia promedio determina la tasa de remoción del contaminante y un tren promedio mínimoSe debe alcanzar una velocidad de aproximadamente 70 km / h para el uso económico del método. Basado en el diseño de láser de varilla bombeada por diodo descrito anteriormente, se ha realizado una unidad Nd: YAG Q-switching que proporciona una potencia promedio de 800 W en modo Q-switch enPulsos de aproximadamente 38 ns y con una tasa de repetición de 6 a 15 kHz. La energía se entrega a través de una fibra de 800 µm en un cabezal especial de trabajo, que forma un foco de línea con el ancho del sendero y una longitud,Proc. de SPIE vol. 6735 67350T-7que asegura pulsos superpuestos incluso a la velocidad máxima del tren para realizar la limpieza completa de las vías; las cabezas de trabajo están montadas debajo del vagón del "tren de limpieza". El sistema ha sido probado con éxito y cumple con los requisitos técnicos.y requisitos económicos. El láser descrito aquí es, según nuestro mejor conocimiento, el láser comercial Q-switching más potente disponible. Pueden surgir aplicaciones en el campo del decapado de pintura, limpieza de superficies, estructuración de alta velocidad,Especialmente para células solares, y otros.

  Láser de varilla de bombeo final

  En los láseres de estado sólido bombeados longitudinalmente (o al final), la radiación de la bomba se proporciona a lo largo del resonador óptico a través del espejo final del láser. Por supuesto, el bombeo en esta geometría solo es posible si la calidad del haz de la bombaLa fuente es lo suficientemente buena para que la luz de la bomba se pueda acoplar de manera eficiente en la varilla del láser. Por lo tanto, el concepto solo es factible con el bombeo con láser (diodo); La emisión rectangular altamente astigmática de las barras de diodo se debe reorganizar paraEncaja en la forma circular de la varilla. Contrariamente al concepto de bombeo lateral en una configuración de este tipo, la región bombeada puede adaptarse al volumen del modo del resonador y, por lo tanto, una fuente de láser muy eficiente con alta calidad de haz puedeser realizado. El bombeo de diodo también califica otros materiales activos con láser además del conocido cristal Nd: YAG para láseres: los láseres de bombeo final usan a menudo Nd: YVO4 (Yttrium-Vanadate), que entre otros tiene una banda de absorción más ancha para 808 nmLa radiación de los diodos y, por tanto, es menos sensible al cambio de temperatura o al envejecimiento de los diodos. La alta calidad del haz (modo fundamental) y la configuración del resonador corto del concepto de bombeo final, así como el cortola vida útil de fluorescencia de Nd: YVO4 hace de esta configuración una combinación preferida para la generación de pulsos cortos de interruptor Q y también para la conversión de frecuencia.

  Las aplicaciones típicas para tales láseres son en el área de marcado de alta precisión y mecanizado de alta precisión. Un ejemplo típico y muy representativo de una aplicación de marcado de este láser es la generación de tarjetas inteligentes, que se muestra enFig. 18: La alta potencia de pulso y la alta tasa de repetición del láser reducen los tiempos de impresión para muchas aplicaciones. Los láseres ROFIN para esta aplicación utilizan un innovador software de escala de grises que permite diferentes intensidades paraPulsos láser individuales. La imagen en escala de grises permite reducir el número de bits en una imagen dada, lo que acorta notablemente el tiempo de marcado en comparación con las imágenes en blanco y negro convencionales que ofrecen fotografías de alta calidadimpresión.

  Un ejemplo de eliminación de película delgada es la estructuración del material de la célula solar: el electrodo transparente, típicamente hecho de óxido de estaño e indio, debe estructurarse en franjas con líneas de separación tan estrechas como sea posible en el área de éstas.Las líneas se pierden por conversión de energía y, por lo tanto, influyen en la eficiencia de la célula solar. Líneas con un ancho tan pequeño como 10 µm y se pueden escribir con una velocidad de hasta 1000 mm / s. Para otra aplicación la eliminación completa del delgado.Se requiere película sobre las células solares. El láser puede realizar esta tarea con una velocidad de 5 cm² / s.

  Disco laser

  Uno de los factores limitantes para los láseres de tipo varilla en términos de calidad del haz, incluso si se utiliza el bombeo de diodos, es el efecto de la lente térmica. Una idea para eludir que ha sido publicada en 1994 por A.Giesen et. al.21, quien propuso utilizar una delgadaDisco (alrededor de 150 a 300 µm de espesor y alrededor de 7 mm de diámetro) como medio láser. Este disco delgado se monta en un disipador de calor con su parte trasera y, por lo tanto, se enfría en la dirección axial, evitando un gradiente de temperatura radial. Comoel material activo Yb: YAG se usa en este caso, ya que, entre otros, este material permite niveles de dopaje mucho más altos (hasta un 30%) que el dopaje Nd; Los altos niveles de dopaje son importantes para esta tecnología como el volumen, donde se extrae la luz láser.Es mucho más pequeño que en el caso del tipo varilla. Por supuesto, el bombeo se realiza con diodos, cuya longitud de onda está sintonizada con la absorción principal del cristal Yb: YAG (940 nm); ya que no toda la luz de la bomba puede ser absorbida en un camino aSe realiza configuración de paso múltiple. Además, el defecto cuántico en el sistema Yb: YAG es mucho más pequeño que en el caso del Nd: YAG, lo que conduce a una mayor reducción de la carga térmica. Por estas razones, una mejora adicional en comparacióna diodo se esperan láseres bombeados y, de hecho, se pueden lograr 7 mm mrad en una configuración típica de láser de disco. En elal mismo tiempo se alcanza una mayor eficiencia, que es tan alta como 50% de óptica a óptica, lo que resulta en una eficiencia de enchufe de pared de aproximadamente 20%!

  Proc. de SPIE vol. 6735 67350T-8

Hoy en día, los láseres de disco de alta potencia se suministran desde 750 W (ROFIN DSx75HQ) desde un disco con una fibra de 150 µm hasta una potencia de 3 kW (ROFIN DS030HQ) desde dos discos y una fibra de 200 µm (utilizado NA = 0.12). Curvas de soldadura para un láser de 1.5 kW y paraEn la Fig. 19 se muestran dos diámetros de enfoque diferentes (100 µm y 300 µm) para la soldadura de acero inoxidable en comparación con un láser de losa de CO2 (ROFIN DC015, consulte el capítulo 2.1). La ventaja del disco láser para material delgado es claramentevisible.

  Un ejemplo de aplicación industrial es la soldadura de una caja de batería hecha de acero inoxidable 1.4301 (Fig. 20); Con 700 W y un diámetro de punto de 100 µm, la pieza puede soldarse perfectamente con una velocidad de 5 m / min bajo una atmósfera de He.

  Por supuesto, el láser de disco también es adecuado para el corte: se han cortado láminas de acero inoxidable de 0,5 mm (4 mm) de grosor con una potencia de 1,5 kW a una velocidad de 40 m / min (2 m / min); El corte asistido por oxígeno de acero dulce se realizó a 1 mm y 10 mm.Material de mm de espesor con 10 m / min y 1 m / min, respectivamente.

  Sistema de soldadura robot de escaneo

  Fig. 19: Curvas de soldadura para soldadura de acero inoxidable con un láser de disco de 1,5 kW (DS015) en comparación con un láser de CO2 de tipo placa (ROFIN DC015): la ventaja del láser de disco es claramente visible. Por los efectos del plasma, el CO2.El láser es ventajoso para material más grueso.

  Fig. 20: caja de la batería (1.4301) soldada con un láser de disco delgado de 750 W (ROFIN DSx75HQ) tamaño del lugar 100 µm, velocidad de soldadura 5 m / min

  Derivado de la configuración bien establecida para aplicaciones de marcado, la alta calidad del haz del láser de disco permite el posicionamiento del haz a alta velocidad mediante un sistema de dos espejos accionados galvánicamente (Fig. 21, izquierda). Un especial llamado "campo plano"lente & quot; Proporciona el enfoque en un plano de trabajo plano, a pesar de la posición. El suministro de haz mediante una fibra óptica con un diámetro de núcleo típico de 150 a 200 µm facilita la combinación de dicha unidad de desviación de haz con un robot como se muestra enFig. 21 (derecha).

  Esta configuración lleva a una herramienta muy flexible: mientras el robot está realizando un movimiento suave del cabezal de escaneo siguiendo la dirección principal de la costura, los espejos galvánicos desvían la viga a su posición exacta, actuando en línea recta.Puntadas, círculos, ondas o cualquier otra forma deseada. Si, como ejemplo, solo se requieren puntos rectos con una longitud de soldadura del 50% e intervalos de 50% para la soldadura, un movimiento de la viga a una velocidad constante llevaría a un 50%utilización del láser; Al implementar el sistema de soldadura del escáner del robot, la velocidad (del movimiento del robot) puede casi duplicarse, ya que el escáner puede guiar el punto a través de los intervalos muy rápidamente (es decir, en el rango de milisegundos).

  Por lo tanto, esta configuración es una posibilidad muy interesante para la soldadura de, por ejemplo, Cuerpo en blanco, sustituyendo la soldadura eléctrica por puntos.

  Fig. 21: Izquierda: boceto de un sistema de espejo galvánico con lente de campo plano para un posicionamiento rápido de la viga22. Derecha: combinación con un robot.Láser de fibra

  La otra posibilidad para evitar el efecto de la lente térmica es reducir el diámetro y aumentar la longitud de la varilla, para que finalmente el medio activo se haya degenerado en una fibra óptica e incluso el enfriamiento radial no provoquegradiente de temperatura sobre la sección transversal de la fibra. De hecho, el diámetro del núcleo activo puede ser tan delgado, que solo se amplifica un solo modo y, por lo tanto, se puede generar una radiación de modo único de alta calidad del haz. El bombeo esnormalmente se realiza mediante el uso de la llamada fibra de doble revestimiento: la luz de la bomba se acopla al revestimiento interior que rodea el núcleo de fibra activa y se absorbe sucesivamente desde el núcleo de fibra activa a lo largo de toda la longitud delfibra. Hay dos generalesProc. de SPIE vol. 6735 67350T-9posibilidades de acoplamiento de la luz de la bomba en el núcleo de la bomba: (a) el concepto de bombeo final, que requiere una pila de diodos con una calidad de haz bastante alta para encajar en el revestimiento de la bomba de la fibra, y (b) el & quot; Y & quot; -acoplamientoconfiguración, que necesita un alto número de diodos acoplados a fibra, que deben introducirse en el núcleo de la bomba mediante métodos bastante complejos,p.ej. Empalme de fibra o rejillas Bragg.

  Por la densidad de potencia máxima en el núcleo activo en la fibra, la potencia que se puede extraer de una sola fibra (¡no necesariamente un solo modo!) Está limitada. En sistemas comerciales, este límite es de aproximadamente 800 W por el momento conaproximadamente 1 a 2 veces la calidad de haz limitada por difracción, mientras que en el laboratorio se han demostrado 3 kW23, con un haz que está casi limitado por difracción. La escala de potencia se realiza mediante & quot; lado a lado & quot; combinación de varias fibrasy por lo tanto, va junto con una pérdida de calidad del haz.

  Los láseres de fibra en el rango de alta potencia se encuentran en una fase de evaluación para aplicaciones industriales en este momento. Proporcionan una tecnología con un alto potencial, si pueden fabricarse a costos razonables y pueden proporcionar la mismaRendimiento como el disco láser, especialmente en el rango de alta potencia. Una aplicación prominente de estos láseres debido a su calidad de haz superior en el rango de baja potencia es el marcado; La figura 22 muestra un sistema de marcado láser de fibra con un galvo.Escáner delante del láser de fibra.

Láser de diodo directo

  En lugar de utilizar el láser de diodo para bombear láseres de estado sólido de alta potencia, también se pueden usar para el procesamiento directo. Estas unidades impresionan por su tamaño extremadamente pequeño incluso a alta potencia: el cabezal láser de 3 kW que se muestra en la Fig. 23 es tan pequeño como555 (incluido el tubo óptico) x 260 x 200 [mm] y el peso es de solo 25 kg. Se agregarán una unidad de control y una enfriadora con un tamaño de aproximadamente 600 x 800 x 1000 [mm] cada una para completar todo el sistema láser. Láseres de diodo de alta potencia,sin embargo, no puede proporcionar una calidad de haz tan alta como los láseres bombeados por diodo descritos anteriormente. Esto es una consecuencia del acoplamiento incoherente de los emisores individuales de las barras láser de diodo18. Con potencia creciente P la calidad del haz.disminuye por un factor, / P, siempre que el brillo de los emisores individuales permanezca sin cambios. El acoplamiento de polarización y el acoplamiento de longitud de onda se utilizan paramejorar la situación16, 18: los láseres de diodo de alta potencia son típicamente

Fig. 23: Cabeza de un láser de diodo de alta potencia,3.1 kW (ROFIN DL031Q)sin polarizar y emitir en dos o tres longitudes de onda. El punto es rectangular (1,3 x 0,8 [mm] a una distancia focal de 66 mm para el sistema de 3 kW que se muestra en la Fig. 23 con un perfil de sombrero de copa en una dirección y un gaussiano en la otra.

  Aplicaciones de láseres de diodo de alta potencia.

  Como consecuencia de la calidad de haz bastante pobre en el rango de alta potencia, las aplicaciones de láser tradicionales, como el corte y la soldadura de penetración profunda a alta velocidad, no están realmente abiertas como un mercado para los láseres de diodo de alta potencia (ver Cap. 4,Fig. 27). Sin embargo, la figura también muestra que hay aplicaciones con un alto potencial para los láseres de diodo de alta potencia: algunas de las aplicaciones adecuadas para los láseres de diodo de alta potencia se demostraron hace años con Nd: YAG o CO2Láseres, pero no pudieron penetrar en la fabricación industrial con estos láseres por razones tecnológicas o, principalmente, de costos. Los costos de inversión de los sistemas láser de diodo de alta potencia de hoy en día son considerablemente más bajos que los de Nd: YAG.Láseres de disco o fibra, emitiendo casi la misma o ligeramente más corta longitud de onda; los costos de funcionamiento son mucho menores que los de otros láseres debido a su alta eficiencia (por lo general, la eficiencia del enchufe de pared está en el rango oincluso por encima del 30%) y dado que casi no tienen servicio durante la larga vida útil de los diodos. Se espera una mayor reducción de los costos de funcionamiento con el aumento de la vida útil de las barras láser de diodo, ya que los cálculos de costos simplesDemuestre que, además de la depreciación, la sustitución de los diodos crea la mayor parte de los costos de funcionamiento. Por último, pero no por ello menos importante, el tamaño pequeño no solo del cabezal del láser de diodo, sino que se basa en el alto nivel eléctrico y óptico.La eficiencia, también de la fuente de alimentación y del refrigerador, los convierte en una herramienta muy atractiva para muchas de esas aplicaciones, donde la calidad del haz del láser convencional simplemente no es necesaria.

La posibilidad de producir costuras de soldadura ópticamente perfectas en un proceso de soldadura por conducción de calor ha llevado a la primera aplicación industrial de láseres de diodo de alta potencia, la soldadura de fregaderos de cocina. Una sección transversal a través de una soldadura esmostrado en la Fig. 24. El uso del láser de diodo en lugar de la soldadura TIG convencional permitió una reducción considerable del trabajo posterior: ¡solo es necesario pulir, pero casi no hay pulido ni reparación! Este hecho llevó a un costo beneficio, incluso si ella inversión para un láser de diodo de 2,5 kW es mayor que para una máquina soldadora TIG24.

  La soldadura fuerte se convierte cada vez más en una tecnología de unión atractiva en la fabricación de carrocerías de automóviles, así como en el sellado de carcasas de RF herméticas para componentes electrónicos. Los experimentos en los laboratorios de aplicación de ROFIN-SINAR han demostradola soldadura exitosa de acero recubierto con Zn (0,9 mm) con soldadura dura CuSi alimentada como cable de 1 mm de diámetro. Los experimentos llevaron a costuras muy lisas (Fig. 25). La velocidad de soldadura fue de 2-4 m / min con 2,5 kW de potencia, pero esto depende en gran medida de laRequisitos individuales de relleno de huecos con el material de soldadura duro. Al menos los mismos resultados que con un láser Nd: YAG se pueden obtener con un láser de diodo de alta potencia, ¡pero a un costo considerablemente menor!

  Debido a su forma rectangular, con un perfil de sombrero de copa en una dirección y un gaussiano en la otra, el rayo láser de diodo de alta potencia es especialmente adecuado para aplicaciones de endurecimiento de superficies. Adicionalmente, en comparación con el CO2.Láser La longitud de onda de emisión de estos láseres es corta, lo que conduce a una mayor absorción y, por lo tanto, descarta la necesidad de cualquier recubrimiento para la mejora de la absorción. La mayor eficiencia de los láseres de diodo junto con elLas ventajas mencionadas anteriormente hacen del láser de diodo de alta potencia una herramienta de endurecimiento muy eficiente, confiable y rentable. Un ejemplo muy destacado para una aplicación de fabricación de láseres de diodo de alta potencia es el endurecimiento deMuelles de torsión, que se utilizan en las bisagras de las puertas de los automóviles (Fig. 26). El láser de diodo de alta potencia no solo proporciona una geometría de haz y distribución de intensidad ideales, sino que también es la forma más rentable para la transformación.endurecimiento. El resorte de torsión con un diámetro de 8 mm, que se muestra en la Fig. 26 tiene que ser endurecido en un ángulo de > 170 °, en una longitud de aprox. 10 mm y una profundidad de 0,2 a 0,4 mm en el área marcada para reducir el desgaste del resorte por los rodillos de sujeción, que mantienen la puerta en cierta posición. En una configuración, queutiliza dos láseres bajo un ángulo de aproximadamenteInserción: sección transversal del muelle: zona endurecida120 °, esta geometría puede endurecerse homogéneamente, si los láseres escanean a lo largo de 10 mm. Un control activo del proceso, que utiliza dos pirómetros para el registro de la temperatura, asegura la calidad del proceso para cada parte individual25.

  El revestimiento con láseres de diodo de alta potencia está bajo investigación, ya que las altas densidades de potencia tampoco son necesarias para esta aplicación de láser, que también se realiza con láseres de CO2 o Nd: YAG en la actualidad; Sin embargo, la alimentación en polvo necesita ciertadistancia de trabajo y, por lo tanto, una cierta calidad de haz, pero que se puede cumplir con los láseres de diodo de última generación.

  Además, los láseres de diodo son la herramienta perfecta para la soldadura de polímeros por láser, que se describe en detalle elsevere26, 27.

  BREVE COMPARACIÓN DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS LÁSER

  La decisión final, qué láser debe seleccionarse para una aplicación determinada, depende de muchos aspectos. Por supuesto, en primer lugar, un estudio de viabilidad debe aclarar, el mejor láser para obtener el resultado deseado. Sin embargo, una clasificación típicasegún lo propuesto por P. Loosen28, puede proporcionar una pista para la tecnología láser adecuada (Fig. 27), así como también permite comparar la mejor calidad de haz alcanzable para cada tipo de láser.

Fig. 27: Producto de parámetros de haz frente a potencia de láser para varios tipos de láser y regímenes típicos para aplicaciones industriales28

  Las aplicaciones tradicionalmente más importantes, que proporcionan la mayor cantidad de mercado (ver capítulo 1), a saber, corte y soldadura, requieren también la mejor calidad de haz. La calidad del haz puede ser alcanzada por el láser de CO2 y por elLáseres de estado sólido bombeados por diodo. La soldadura también se puede realizar mediante láser YAG bombeado por lámpara, como se demuestra en muchas aplicaciones en la industria. Sin embargo, debe mencionarse aquí que el láser de CO2, especialmente en la configuración de la losa(ver cap. 2.1) todavía está entregando los fotones más baratos para aplicaciones de procesamiento de materiales y también la mejor calidad de haz, es decir, la mejor capacidad de enfoque en el rango de potencia de varios kW. Económico "costo de propiedad" - consideraciones,Se incluirá el impacto de cada tecnología en los costos de las piezas, si los experimentos han demostrado que diferentes láseres pueden realizar el trabajo igualmente bien. La ilustración en la Fig. 27 también muestra que, a pesar de la luz reducida,El láser de diodo de alta potencia y calidad puede ser una fuente de fotones atractiva para muchas aplicaciones de láser debido a su alta eficiencia de alrededor del 30%; el láser de disco y de fibra se acerca a eso en aproximadamente un 20%, mientras que el láser de CO2 está utilizando aproximadamente el 10%De la energía consumida en la salida final del rayo láser.

  CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS

  Durante mucho tiempo, el láser de gas CO2 ha dominado el área de procesamiento de materiales de alta potencia y aún posee, con mucho, la mayor participación de mercado (41,1%) en el mercado de procesamiento de materiales láser4 (1,69 mil millones de dólares para fuentes de láser). Por elLa aparición de diodos láser confiables y potentes como fuente de bombeo para láseres de estado sólido, esta imagen ha cambiado ligeramente y los láseres de estado sólido se están recuperando cada año; Sin embargo, en 2006 sigue siendo la mayor cantidad de estado sólido.los láseres se cubrieron a partir de sistemas bombeados por lámpara (20,4%), seguidos de láseres de fibra (8,5%, aumentaron de 6% en 2005) y sistemas bombeados por diodos (varilla / disco) (6,4%). Los láseres de diodo directo cubren todavía solo el 1% del mercado. Se espera queEl láser de disco y el láser de fibra crecerán, principalmente a expensas de las unidades bombeadas por lámpara; Las aplicaciones tridimensionales y remotas, por supuesto, se beneficiarán de la calidad de haz mejorada de estos láseres y brindarán nuevas oportunidades. AltoLos láseres de diodo de potencia están alimentando nichos como tratamiento de superficie y soldadura por conducción de calor en este momento; por lo tanto, más que otros láseres, los láseres de diodo de alta potencia compiten contra las tecnologías convencionales. El láser de CO2, sin embargo,seguir siendo el caballo de trabajo para las aplicaciones de procesamiento de materiales láser en los próximos años, especialmente para todas las tareas bidimensionales.