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Fuentes láser de alta potencia para la industria y sus aplicaciones
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Fuentes láser de alta potencia para la industria y sus aplicaciones

Vistas:71     Autor:Editor del sitio     Hora de publicación: 2019-01-18      Origen:Sitio

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LÁSERES DE ESTADO SÓLIDO

La aparición de diodos láser fiables 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, entre otras cosas, otros han impulsado el desarrollo de diodos láser de alta potencia, concretamente su uso como fuente de bombeo para láseres de estado sólido13, se ha hecho realidad a finales de siglo: se encuentran disponibles en el mercado láseres de varilla bombeados por diodos en el rango de kW lugar como productos industriales.Sin embargo, entretanto han aparecido nuevos láseres de estado sólido bombeados por diodos, que no tienen un equivalente convencional, es decir, bombeado por lámpara.Estos tipos de láser, que son exclusivamente (o al menos (sólo preferentemente y eficientemente) posibles mediante el uso de diodos láser como fuente de bombeo, son, por ejemplo, el láser de disco y el láser de fibra, que ahora están entrando en el mercado de procesamiento de materiales.Además, la propia tecnología del láser de diodo tiene desarrollado con tal potencia y calidad que incluso los láseres de diodo directos se pueden utilizar para el procesamiento de materiales.


Tecnología láser semiconductor


La acción del láser sobre diodos láser GaAs o GaAsP a temperaturas criogénicas ya se demostró en 196214. Lo que empezó como una curiosidad física como base para láseres extremadamente caros y con una vida útil muy corta, hoy en día es el base para fuentes láser muy duraderas y económicas que cubren el mayor mercado de fuentes láser, con un volumen de 3,10 millones.US$ en 200615: La mayor parte del mercado actual de láseres de diodo está relacionada con aplicaciones de baja potencia en telecomunicaciones 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 y Una 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 mucho más allá de los requisitos de telecomunicaciones, la emisión de un solo emisor sigue siendo limitado a unos pocos vatios (con una vida útil razonable).Por lo tanto, se combinan varios emisores en un elemento monolítico llamado barra láser, que luego se monta en un disipador de calor de microcanales para una refrigeración eficiente16;hasta 120 W son un potencia típica de una barra comercial, pero recientemente se han reportado más de 500 W en experimentos de laboratorio17.Para la colimación del haz altamente divergente se utilizan microlentes cilíndricas asféricas.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 varilla bombeados por diodos (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, normalmente esta varilla tiene un diámetro de 4 a 8 mm, una longitud de 150 a 200 mm y La excitación se realiza mediante lámparas de arco de criptón.Aunque este tipo de láser de estado sólido ha sido el láser de estado sólido más destacado en los últimos años, tiene dos desventajas inherentes al sistema: primero, la vida útil del arco de criptón. El tiempo de funcionamiento de las lámparas es bastante breve (sólo varios cientos de horas) y, por lo tanto, es necesario sustituirlas con frecuencia.En segundo lugar, y aún más grave, sólo una fracción muy pequeña de la luz proporcionada por las lámparas de arco de criptón se utiliza realmente para bombear el proceso láser;el resto es generar calor y así desperdiciar energía y causar problemas, sobre todo creando el efecto de lente térmica.Mediante el bombeo de diodos uno puede deshacerse de estos problemas: los diodos láser proporcionan una larga vida útil de más de 10.000 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 térmica reducida del cristal permite una mayor potencia de salida de una varilla, así como proporciona mejor Calidad del haz: normalmente, los láseres de varilla bombeados por diodos en el rango de (multi)kilovatios se especifican con un parámetro de haz productc) de ≥12 mm mrad, mientras que los láseres de varilla bombeados por lámpara muestran aproximadamente 25 mm mrad.Por lo tanto, diámetros de fibra más pequeños (normalmente 300 µm).Además, estos láseres tienen una eficiencia de conexión de pared del 10%, en comparación con aproximadamente el 3% para los dispositivos bombeados por lámpara.En la Fig. 15 se muestra un típico láser de varilla bombeada por diodos de alta potencia. el modelo superior de una serie de 500 W a 4 kW y está equipado con ocho cámaras láser.


Además del hecho de que las aplicaciones ya existentes como corte y soldadura de acero dulce y acero inoxidable podrían ampliarse a espesores de material mayores o velocidades más altas, el aumento de la densidad de potencia, que se puede alcanzar con El láser Nd:YAG de varilla bombeada por diodos también permitió cortar y soldar materiales que antes eran difícilmente accesibles, como por ejemplo, especialmente las aleaciones a base de aluminio.Esto se muestra en la Fig. 16, donde se muestran las curvas de soldadura para AlMg3 (5457) con un láser ROFIN DP 040 (ver Fig. 15).

Láser de alta potencia Láser de alta potencia

Fig. 15: ROFIN DP040HP – diodo bombeado Láser de varilla con potencia de salida de 4 kW. Fig. 16: curvas de soldadura para soldadura de AlMg3 de 8 mm de espesor con un láser Nd:YAG bombeado por diodos de 4 kW

Láser de varilla bombeada por diodo a 8 KW


Como prototipo de laboratorio basado en la serie ROFIN DP descrita anteriormente, se utilizó un láser Nd:YAG bombeado por diodos de tipo varilla con una potencia de salida de máx.8 kW se ha realizado en colaboración con el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser de Aquisgrán. Alemania.El objetivo del proyecto es comprender mejor el procesamiento de materiales de alta potencia en el rango de longitud de onda de 1 µm.La radiación del láser de 8 kW llega a las estaciones de trabajo a través de fibras con un diámetro central de 600 µm y una longitud de hasta 50 m.


El corte de acero inoxidable se ha realizado para materiales con espesores comprendidos entre 4 y 10 mm.La velocidad máxima que se ha podido alcanzar para cortes libres de óxido ha sido de 2,5 m/min;alcanzar esta velocidad con un láser de CO2 aproximadamente un 20% más alto Se requiere potencia a pesar de la calidad superior del haz19.Los experimentos de soldadura han Se ha realizado en acero inoxidable y material de acero dulce en el rango entre 6 y 10 mm de espesor.En estos experimentos se ha detectado una columna de vapor inesperadamente fuerte durante la soldadura.Una supresión suficiente del penacho podría Las boquillas estándar convencionales no pueden alcanzarlo sin alterar el baño de soldadura.Por lo tanto, el desafío importante ha sido desarrollar una boquilla especial, que pudiera suprimir eficazmente la pluma por un lado pero dejar el baño de soldadura. imperturbable por el otro.Se demostró que un nuevo diseño de boquilla exitoso soluciona el problema: la Fig. 17 muestra los resultados reales de soldadura para acero dulce y acero inoxidable.Investigaciones adicionales sobre la columna de vapor, especialmente la interacciónentre la pluma, la radiación láser y el flujo de gas de proceso deberán ser investigado más a fondo y abre aún más el potencial de los láseres de estado sólido de alta potencia.

Láser de alta potencia

Fig. 17: Soldadura con estado sólido de 8 kW

El láser Nd:YAG de alta potencia con conmutación Q


Impulsado por una aplicación especial, concretamente la eliminación de la contaminación de las hojas de las vías del ferrocarril20, se ha desarrollado un láser Nd:YAG con conmutación Q de alta potencia (ROFIN DQx80S).La contaminación de las hojas crea principalmente dos problemas, que influyen la seguridad del sistema ferroviario: baja adherencia de las ruedas que provoca problemas de frenado y aceleración e interferencias con los circuitos eléctricos de vía relevantes para la seguridad.Se ha descubierto que la ablación con láser es el proceso de elección para el eliminación eficiente de esta capa.Como es bien sabido, la ablación con láser necesita pulsaciones cortas, del orden de varios diez nanosegundos.Así, hasta ahora se han utilizado principalmente láseres excimer;Sin embargo, como los sistemas láser para esta aplicación deben ser circulan en trenes, se han descartado los láseres excimer, entre otras cosas, por razones de seguridad.Se ha solicitado una potencia media de aproximadamente 1 kW ya que la potencia media determina la tasa de eliminación del contaminante y un tren medio mínimo Para un uso económico del método se debe alcanzar una velocidad de aproximadamente 70 km/h.Basado en el diseño del láser de varilla bombeada por diodos descrito anteriormente, se ha realizado una unidad Nd:YAG con conmutación Q que proporciona una potencia promedio de 800 W en modo Q-switch en pulsos de aproximadamente 38 ns y con una frecuencia de repetición de 6 a 15 kHz.La energía se entrega a través de una fibra de 800 µm a un cabezal de trabajo especial, que forma un foco de línea con el ancho y la longitud del camino,Proc.de SPIE vol.6735 67350T-7 que garantiza la superposición de impulsos incluso a máxima velocidad del tren para realizar una limpieza completa de las vías;Los cabezales de trabajo están montados debajo del vagón del 'tren de limpieza'.El sistema ha sido probado con éxito y cumple con los requisitos técnicos. y necesidades económicas.El láser descrito aquí es, hasta donde sabemos, el láser comercial con conmutación Q 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 bombeada en el extremo

En los láseres de estado sólido bombeados longitudinalmente (o en los extremos), la radiación de bombeo se proporciona a lo largo del resonador óptico a través del espejo del extremo del láser.Naturalmente, el bombeo en esta geometría sólo es posible si la calidad del haz de la bomba La fuente es lo suficientemente buena como para que la luz de la bomba pueda acoplarse eficientemente a la varilla láser.Por tanto, el concepto sólo es viable con bombeo por láser (de diodo);La emisión rectangular altamente astigmática de las barras de diodos debe reorganizarse para encajar en la forma circular de la varilla.A diferencia del concepto de bombeo lateral, en dicha configuración la región bombeada se puede adaptar al volumen de modo del resonador y, por lo tanto, se puede obtener una fuente láser muy eficiente con alta calidad de haz. ser realizado.El bombeo de diodos también califica para láseres otros materiales activos para láser además del conocido cristal Nd:YAG: los láseres bombeados por los extremos suelen utilizar Nd:YVO4 (itrio-vanadato), que, entre otros, tiene una banda de absorción más amplia para los 808 nm. radiación de los diodos y, por tanto, es menos sensible al cambio de temperatura o al envejecimiento de los diodos.La calidad de la luz de carretera (modo fundamental) y la configuración de resonador corto del concepto de bombeo final, así como el corto La vida útil de la fluorescencia de Nd:YVO4 hace que esta configuración sea la combinación preferida para la generación de pulsos cortos de interruptor Q y también para la conversión de frecuencia.


Las aplicaciones típicas de estos láseres se encuentran en el área del marcado de alta precisión y del mecanizado de alta precisión.Un ejemplo típico y muy representativo de una aplicación de marcado de este láser es la generación de tarjetas inteligentes, como se muestra en Fig. 18: La alta potencia máxima del 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 para pulsos láser individuales.Las imágenes en escala de grises permiten reducir el número de bits de una imagen determinada, acortando notablemente el tiempo de marcado en comparación con las imágenes convencionales en blanco y negro que permiten una fotografía de alta calidad. impresión.


Un ejemplo de eliminación de películas finas es la estructuración del material de las células solares: el electrodo transparente, normalmente de óxido de indio y estaño, debe estructurarse en franjas con líneas de separación lo más estrechas posible como sea posible. Se pierden líneas para la 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 a una velocidad de hasta 1000 mm/s.Para otra aplicación la eliminación completa de la fina Se requiere una película sobre las células solares.El láser puede realizar esta tarea con una velocidad de 5 cm²/s.


Láser de disco


Uno de los factores limitantes de los láseres de varilla en términos de calidad del haz, incluso si se utiliza bombeo de diodos, es el 'efecto de lente térmica'.Una idea a evitar fue publicada en 1994 por A.Giesen et.al.21, quien propuso utilizar una delgada disco (de aproximadamente 150 a 300 µm de espesor y aproximadamente 7 mm de diámetro) como medio láser.Este disco delgado se monta sobre un disipador de calor con su parte trasera y así se enfría en dirección axial, evitando un gradiente de temperatura radial.Como En este caso se utiliza el material activo Yb:YAG ya que, entre otros, este material permite niveles de dopaje mucho más altos (hasta un 30%) que el dopaje con Nd;Los altos niveles de dopaje son importantes para esta tecnología, como el volumen de donde se extrae la luz láser. es mucho más pequeño que en el caso del tipo de 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);Como no toda la luz de la bomba se puede absorber en un solo camino al día. Se realiza la configuración de múltiples pasadas.Además, el defecto cuántico en el sistema Yb:YAG es mucho menor 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 comparación a los láseres de varilla bombeados por diodos y, de hecho, se pueden lograr 7 mm mrad en una configuración típica de láser de disco.En el Al mismo tiempo, se alcanza una mayor eficiencia, que llega hasta el 50% óptico a óptico, lo que da como resultado una eficiencia del enchufe de pared de aproximadamente el 20%.


Proc.de SPIE vol.6735 67350T-8


Hoy en día, los láseres de disco de alta potencia se entregan 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 (NA utilizado = 0,12).Curvas de soldadura para un láser de 1,5 kW y para En la Fig. 19 se muestran dos diámetros de foco diferentes (100 µm y 300 µm) para soldadura de acero inoxidable en comparación con un láser de placa de CO2 (ROFIN DC015, consulte el capítulo 2.1).La ventaja del láser de disco para materiales finos es claramente visible.


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


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


Sistema de soldadura con escáner robotizado


Láser de alta potencia

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

Láser de alta potencia

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

Derivada 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 campo especial llamado 'plano lens' proporciona el enfoque en un plano de trabajo plano, independientemente de la posición. La emisión del haz a través de una fibra óptica con un diámetro de núcleo típico de 150 a 200 µm hace que sea fácil combinar una unidad de desviación de haz de este tipo con un robot como se muestra en Figura 21 (derecha).

Láser de alta potenciaLáser de alta potencia

Esta configuración da como resultado una herramienta muy flexible: mientras el robot realiza un movimiento suave del cabezal de escaneo siguiendo la dirección principal de la costura, los espejos galvánicos desvían el haz a su posición exacta, realizando un movimiento recto. puntadas, círculos, ondas o cualquier otra forma deseada.Si, por ejemplo, para soldar sólo se necesitan puntadas rectas con un 50% de longitud de soldadura y un intervalo del 50%, un movimiento del haz a una velocidad constante conduciría a un 50% de utilización del láser;Mediante la implementación del sistema de soldadura con escáner robótico, la velocidad (del movimiento del robot) se puede casi duplicar, ya que el escáner puede guiar el punto a lo largo de los intervalos muy rápidamente (es decir, en el rango de milisegundos).


Por tanto, esta configuración es una posibilidad muy interesante para soldar, por ejemplo, carrocerías en blanco, en sustitución de la soldadura eléctrica por puntos.

Fig. 21: Izquierda: esquema de un sistema de espejo galvánico con lente de campo plano para un posicionamiento rápido del haz22.Derecha: combinación con un robot Láser de fibra

La otra posibilidad para evitar el efecto de lente térmica es reducir el diámetro y aumentar la longitud de la varilla, de modo que finalmente el medio activo haya degenerado a una fibra óptica e incluso el enfriamiento radial no provoque una gradiente de temperatura sobre la sección transversal de la fibra.De hecho, el diámetro del núcleo activo puede ser tan delgado que sólo se amplifica un único modo y, por lo tanto, se puede generar radiación monomodo de alta calidad de haz.El bombeo es Normalmente se realiza mediante el uso de la denominada 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 del fibra.Hay dos generales Proc.de SPIE vol.6735 67350T-9 posibilidades para el acoplamiento de la luz de la bomba al 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 fibra de la bomba, y (b) el ' Acoplamiento Y' configuración, que necesita una gran cantidad de diodos acoplados a fibras, que deben alimentarse al núcleo de la bomba mediante métodos bastante complejos,por ejemplo, empalme de fibras o rejillas de Bragg.

Por la densidad de potencia máxima en el núcleo activo de la fibra, la potencia que se puede extraer de una sola fibra (¡no necesariamente de modo único!) es limitada.En los sistemas comerciales, este límite se sitúa por el momento en unos 800 W, con la calidad del haz está limitada por la difracción entre 1 y 2 veces, mientras que en el laboratorio se han demostrado 3 kW23, con un haz que está 'casi limitado por la difracción'.El escalado de potencia se realiza mediante una combinación 'de lado a lado' de varias fibras. y por tanto, va acompañado de una pérdida de calidad del haz.

Láser de alta potencia

Los láseres de fibra de alta potencia se encuentran actualmente en fase de evaluación para aplicaciones industriales.Proporcionan una tecnología con un alto potencial, si pueden fabricarse a costos razonables y pueden proporcionar el mismo rendimiento que el láser de disco, especialmente en el rango de alta potencia.Una aplicación destacada de estos láseres debido a la calidad superior de su haz en el rango de baja potencia es el marcado;La Fig. 22 muestra un sistema de marcado por 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 utilizar para el procesamiento directo.Este tipo de unidades convencen por su tamaño extremadamente pequeño, incluso con alta potencia: el cabezal láser de 3 kW que se muestra en la Fig. 23 es tan pequeño como 555 (incluido el tubo óptico) x 260 x 200 [mm] y el peso es de sólo 25 kg.Para completar todo el sistema láser, se añadirán una unidad de control y un enfriador con un tamaño de aproximadamente 600 x 800 x 1000 [mm] cada uno.Láseres de diodo de alta potencia, sin embargo, no pueden proporcionar una calidad de haz tan alta como los láseres bombeados por diodos descritos anteriormente.Esto es consecuencia del acoplamiento incoherente de los emisores individuales de las barras de láser de diodo18.Al aumentar la potencia P la calidad del haz disminuye en un factor ,/P mientras el brillo de los emisores individuales permanezca sin cambios.El acoplamiento de polarización y el acoplamiento de longitud de onda se utilizan para mejorar la situación16, 18: Los láseres de diodo de alta potencia suelen ser

Láser de alta potencia

Fig. 23: Cabezal de un láser de diodo de alta potencia,3,1kW (ROFIN DL031Q) no polarizados y emiten 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 bastante pobre del haz en el rango de alta potencia, las aplicaciones láser tradicionales, como el corte y la soldadura de penetración profunda a alta velocidad, no son realmente un mercado abierto para los láseres de diodo de alta potencia (consulte el Capítulo 4, Figura 27).Sin embargo, la figura también muestra que existen 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 CO2. láseres, pero no pudieron penetrar con estos láseres en la fabricación industrial por razones tecnológicas o, sobre todo, de costes.Los costes de inversión de los sistemas láser de diodo de alta potencia actuales son considerablemente inferiores a los del Nd:YAG, láseres de disco o de fibra, que emiten casi la misma longitud de onda o ligeramente más corta;Los costos de funcionamiento son mucho menores que los de otros láseres debido a su alta eficiencia (normalmente la eficiencia del enchufe de pared está en el rango o incluso por encima del 30%) y ya que prácticamente no requieren 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 simples muestran que, además de la depreciación, la sustitución de los diodos genera la mayor parte de los costes de funcionamiento.Por último, pero no menos importante, el pequeño tamaño no sólo del cabezal láser de diodo, sino también - basado en la alta potencia eléctrica a óptica eficiencia, también de la fuente de alimentación y del enfriador, los convierten en una herramienta muy atractiva para muchas de aquellas aplicaciones en las que la calidad del haz del láser convencional simplemente no es necesaria.


La posibilidad de producir cordones de soldadura ópticamente perfectos mediante un proceso de soldadura por conducción térmica 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 es como se muestra 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 esmerilar ni reparar!Este hecho condujo a un costo beneficio, incluso si el La inversión para un láser de diodo de 2,5 kW es mayor que para una máquina de soldar TIG24.

Láser de alta potenciaLáser de alta potencia

La soldadura fuerte se está convirtiendo cada vez más en una tecnología de unión atractiva en la fabricación de carrocerías de automóviles, así como en el sellado de carcasas protectoras herméticas de RF para componentes electrónicos.Experimentos en los laboratorios de aplicaciones de ROFIN-SINAR han demostrado la exitosa soldadura fuerte de acero recubierto de Zn (0,9 mm) con soldadura dura de CuSi alimentada como un alambre de 1 mm de diámetro.Los experimentos dieron como resultado costuras muy suaves (Fig. 25).La velocidad de soldadura fue de 2-4 m/min con una potencia de 2,5 kW, pero esto depende en gran medida del requisitos individuales para rellenar huecos con el material de soldadura duro.Con un láser de diodo de alta potencia se pueden obtener al menos los mismos resultados que con un láser Nd:YAG, ¡pero a un coste considerablemente menor!


Debido a su forma rectangular, con un perfil de sombrero de copa en una dirección y un perfil gaussiano en la otra, el rayo láser de diodo de alta potencia es especialmente adecuado para aplicaciones de endurecimiento de superficies.Además, 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 tanto, descarta la necesidad de cualquier recubrimiento para mejorar la absorción.La mayor eficiencia de los láseres de diodo junto con la Las ventajas mencionadas anteriormente hacen que el láser de diodo de alta potencia sea una herramienta de endurecimiento muy eficiente, confiable y rentable.Un ejemplo muy destacado de una aplicación de fabricación de láseres de diodo de alta potencia es el endurecimiento de resortes de torsión, que se utilizan en las bisagras de las puertas de los automóviles (Fig. 26).El láser de diodo de alta potencia no sólo proporciona una geometría de haz y una distribución de intensidad ideales, sino que también es la forma más rentable de transformación. endurecimiento.El resorte de torsión con un diámetro de 8 mm, como se muestra en la Fig. 26. debe endurecerse en un ángulo de >170°, en una longitud de aprox.10 mm y hasta 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 una posición determinada.En una configuración, que utiliza dos láseres bajo un ángulo de aproximadamente Inserto: sección transversal del resorte: zona endurecida 120°, esta geometría se puede endurecer de forma homogénea si los láseres escanean a lo largo de 10 mm de longitud.Un control de proceso activo, que utiliza dos pirómetros para el registro de temperatura, garantiza la calidad del proceso para cada parte individual25.

Láser de alta potenciaLáser de alta potencia

Se está investigando el revestimiento con láseres de diodo de alta potencia, ya que tampoco son necesarias altas densidades de potencia para esta aplicación láser, que hoy en día también se realiza con láseres de CO2 o Nd:YAG;sin embargo, la alimentación en polvo necesita ciertas distancia de trabajo y, por tanto, una determinada calidad del haz, pero que puede lograrse con los láseres de diodo más modernos.


Además, los láseres de diodo son la herramienta perfecta para la soldadura láser de polímeros, que se describe en detalle más adelante26, 27.

BREVE COMPARACIÓN DE DIFERENTES TECNOLOGÍAS LÁSER

La decisión final sobre qué láser elegir para una determinada aplicación depende de muchos aspectos.Por supuesto, antes que nada un estudio de viabilidad debe aclarar cuál es el mejor láser para conseguir el resultado deseado.Sin embargo, una clasificación típica como propone P. Loosen28, puede proporcionar una pista sobre la tecnología láser adecuada (Fig. 27), además de permitir una comparación de la mejor calidad de haz alcanzable para cada tipo de láser.

Láser de alta potencia

Fig. 27: Producto del parámetro del haz versus potencia del láser para varios tipos de láser y regímenes típicos para aplicaciones industriales28

Las aplicaciones tradicionalmente más importantes y que ocupan la mayor parte del mercado (ver capítulo 1), es decir, el corte y la soldadura, también requieren la mejor calidad del haz.Esta calidad del haz se puede alcanzar con el láser de CO2 y con el Láseres de estado sólido bombeados por diodos.La soldadura también se puede realizar mediante láser YAG bombeado por lámpara, como se demuestra en muchas aplicaciones industriales.Sin embargo, hay que mencionar aquí que el láser de CO2, especialmente en la configuración de losa (ver capítulo 2.1) sigue proporcionando los fotones más baratos para aplicaciones de procesamiento de materiales y también la mejor calidad del haz, es decir, la mejor capacidad de enfoque en el rango de potencia de varios kW.'costo de propiedad' económico: consideraciones, También se tendrá en cuenta el impacto de cada tecnología en los costes de las piezas, si los experimentos han demostrado que diferentes láseres pueden realizar el trabajo igualmente bien.La ilustración de la Fig. 27 también muestra que a pesar del haz reducido El láser de diodo de alta calidad y alta potencia puede ser una fuente de fotones atractiva para muchas aplicaciones láser debido a su alta eficiencia de aproximadamente el 30%.El láser de disco y de fibra se acerca a esa cifra en aproximadamente un 20%, mientras que el láser de CO2 utiliza aproximadamente un 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 todavía mantiene, con diferencia, la mayor cuota de mercado (41,1%) en el mercado de procesamiento de materiales por láser4 (1,69 mil millones de dólares para fuentes láser).Por el aparición de diodos láser potentes y fiables como fuente de bombeo para láseres de estado sólido, esta imagen ha cambiado ligeramente y los láseres de estado sólido se están poniendo al día cada año;sin embargo, en 2006 sigue siendo la mayor cantidad de estado sólido Los láseres estuvieron cubiertos por los sistemas bombeados por lámparas (20,4%), seguidos por los láseres de fibra (8,5%, frente al 6% en 2005) y los sistemas bombeados por diodos (varilla/disco) (6,4%).Los láseres de diodo directo cubren todavía sólo el 1% del mercado.Se espera que el láser de disco y el láser de fibra crecerán, principalmente a expensas de las unidades de bombeo con lámpara;Por supuesto, las aplicaciones tridimensionales y remotas se beneficiarán de la calidad mejorada del haz de estos láseres y brindarán nuevas oportunidades.Alto Los láseres de diodo de potencia ocupan actualmente nichos como el tratamiento de superficies y la soldadura por conducción de calor;por lo tanto, más que otros láseres, los láseres de diodo de alta potencia compiten con las tecnologías convencionales.El láser de CO2, sin embargo, seguirá siendo el caballo de batalla para las aplicaciones de procesamiento de materiales con láser en los próximos años, especialmente para todas las tareas bidimensionales.

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