1. المادة مقابل الطول الموجي لليزر
منذ ولادة أول ليزر في عام 1960، وبعد أكثر من 60 عامًا من التطوير، تم استخدام الليزر، باعتباره السكين الأكثر حدة والأكثر دقة، تدريجيًا في حياتنا.يتم دمج الليزر مع علم الأحياء والعلاج والتشخيص الطبي والعلوم الصيدلانية، وقد تغلغل تدريجياً في الحياة اليومية في جوانب مثل العلاج بالليزر والجراحة بالليزر والتشخيص بالليزر.في مجال تصنيع المعدات، تلعب معدات الليزر عالية الطاقة دورًا متزايد الأهمية في القطع واللحام والقياس ووضع العلامات والجوانب الأخرى في مجالات تصنيع المعدات المتطورة مثل الطيران والفضاء والسيارات والسكك الحديدية عالية السرعة والسفن. .فيما يتعلق بالتصنيع الدقيق الدقيق، تلعب أشعة الليزر النبضية فائقة القصر دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في الحفر والنقش والحز وتركيب السطح وتعديل السطح والتشذيب والتنظيف والجوانب الأخرى من الخلايا الكهروضوئية وشاشات الكريستال السائل وأشباه الموصلات ومصابيح LED ومصابيح OLED وغيرها من المجالات.دور.مع التطور السريع لتكنولوجيا مضخة أشباه الموصلات، شكلت أشعة الليزر ذات الطول الموجي 1um القريبة من الأشعة تحت الحمراء، بعد سنوات من التطوير، سلسلة صناعية كاملة وتحتل موقعًا محوريًا في تطبيقات المعالجة الصناعية.على وجه الخصوص، أصبح ليزر الألياف القريب من الأشعة تحت الحمراء 1um أحد أنواع الليزر المستخدمة على نطاق واسع نظرًا لتغطية الطاقة الواسعة وجودة الشعاع الممتازة والاستقرار والموثوقية.يعد النحاس ثالث أكثر المعادن استخدامًا في العالم بعد الحديد والألومنيوم.تعد مادة النحاس واحدة من المواد المعدنية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في المعالجة الصناعية الحديثة.يغطي هيكل الطلب النهائي لسلسلة صناعة النحاس أكثر من 30 قطاعًا فرعيًا، مثل الفضاء الجوي والقطارات عالية السرعة والمنتجات الطرفية الذكية والاتصالات الإلكترونية والسيارات، وهو المعيار الرئيسي للتطبيقات الصناعية المتطورة.إن ليزر الألياف بالأشعة تحت الحمراء بنطاق 1 ميكرون المستخدم حاليًا على نطاق واسع له عيوب مثل الترشيش الكبير وعمق الاختراق الذي لا يمكن التحكم فيه في معالجة المواد النحاسية بسبب ضعف امتصاصه للنحاس.يوضح الشكل 1 منحنيات الامتصاص للمواد المعدنية شائعة الاستخدام لأشعة الليزر ذات الأطوال الموجية المختلفة.يمكن ملاحظة أن معدلات امتصاص الليزر بواسطة معادن مختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا عند أطوال موجية مختلفة.ويبين الشكل 2 منحنيات مقارنة معدل الامتصاص عند أطوال موجية مختلفة للنحاس المعدني وحده.في درجة حرارة الغرفة، يكون معدل امتصاص النحاس للأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (حوالي 1 ميكرون) أقل من 5%، لذا فإن استخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء لمعالجة المواد النحاسية غير فعال على الإطلاق.سوف ينعكس 95% من الليزر وسيتسبب أيضًا في تلف الليزر نفسه؛يصل معدل امتصاص النحاس عند الأطوال الموجية للضوء الأخضر (515 نانومتر و532 نانومتر) إلى أكثر من 40%.تحدد انتقائية طول موجة الليزر للمادة نفسها أن الطول الموجي الأكثر مثالية للمعالجة الدقيقة للمواد شديدة الانعكاس هو الطول الموجي القصير (700 نانومتر).
بالمقارنة مع الطول الموجي القصير لليزر فوق البنفسجي، فإن قيود عنق الزجاجة الحالية لعلم المواد لا يمكن أن تدعم تحقيق إنتاج مستقر لليزر فوق البنفسجي عالي الطاقة.تعد أشعة الليزر فوق البنفسجية التي تتجاوز مائة واط نادرة للغاية.على العكس من ذلك، من خلال جهود العلماء من مختلف البلدان، أحرزت أجهزة الليزر الخضراء التجارية تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة.حصلت شركتا TRUMPF الألمانية وIPG الأمريكية على خرج ضوء أخضر عالي الطاقة يزيد عن 3 كيلووات و1 كيلووات، على التوالي، من خلال تقنية الليزر القرصي وتقنية ليزر الألياف.تلعب أشعة الليزر ذات الضوء الأخضر المستمر عالية الطاقة دورًا مهمًا للغاية في مشكلتين مهمتين في التطبيقات الصناعية الحالية: الطباعة ثلاثية الأبعاد واللحام الدقيق للمواد النحاسية.
2. آفاق تطبيق ومزايا الضوء الأخضر عالي الطاقة
في معرض الصين الدولي الرابع عشر لتكنولوجيا البطاريات في عام 2021، أطلقت شركة TRUMPF الألمانية لأول مرة جهاز ليزر قرصي ذو ضوء أخضر مستمر عالي الطاقة بقدرة 3 كيلووات.يصل متوسط الطاقة الناتجة لهذا المنتج إلى 3 كيلووات، وهو ما يمثل أقوى قوة في سلسلة الليزر الأخضر الحالية ومناسب جدًا لحام المواد شديدة الانعكاس مثل النحاس والألومنيوم.خاصة في صناعة بطاريات الليثيوم التي تمثلها بطاريات طاقة مركبات الطاقة الجديدة، يمكن لأشعة الليزر الخضراء TRUMPF (1000-3000 واط) أن تلحم ما يصل إلى 120 طبقة من رقائق النحاس دون أي تناثر تقريبًا واختراق دقيق ويمكن التحكم فيه.بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الضوء الأخضر عالي الطاقة أيضًا بمزايا بارزة في تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النحاسية النقية.في الوقت الحاضر، لا تزال هناك فجوة في أجهزة الليزر الخضراء عالية الطاقة في الصين.
2.1 لحام المعادن عالية الانعكاس
نظرًا للتوصيل الكهربائي المتميز للمواد النحاسية، تُستخدم المواد النحاسية على نطاق واسع في صناعة بطاريات الليثيوم، خاصة في بطاريات طاقة مركبات الطاقة الجديدة.في الوقت الحاضر، لا يزال الاتجاه السائد يستخدم ليزر الألياف بالأشعة تحت الحمراء عالي الطاقة لحام النحاس.بالمقارنة مع نطاق الأشعة تحت الحمراء، فإن لحام النحاس باستخدام الضوء الأخضر أكثر كفاءة ولا يوجد به أي تناثر تقريبًا.يعتبر تناثر السوائل قاتلاً لمعالجة البطارية، وسيؤثر رذاذ الماء على سلامة الإنتاج والأداء وعمر البطارية.
يوضح الشكل 3 امتصاص النحاس للأشعة تحت الحمراء 1064 نانومتر.كما يتبين من الشكل 3، مع زيادة درجة حرارة الانصهار من 0 إلى 1400 كلفن، يرتفع امتصاص النحاس للضوء تحت الأحمر ببطء من 5% إلى حوالي 10%؛عندما يصل النحاس إلى نقطة الانصهار (1400 كلفن)، سيرتفع معدل امتصاص النحاس لنطاق الليزر بالأشعة تحت الحمراء تدريجيًا من 10% إلى حوالي 17%، وبعد ذلك مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة، سيزداد معدل الامتصاص ببطء.هذا التغيير المفاجئ في الامتصاص حول نقطة الانصهار يمكن أن يتسبب في تفريغ بعض المواد المنصهرة على شكل بقع، ويمكن أن يتسبب أيضًا في انهيار ثقوب صغيرة، مما يجبر على إعادة تشغيل العملية بأكملها.خاصة بالنسبة لعملية اللحام الخلفية لبطاريات الليثيوم، فإن إنتاجية اللحام لها تأثير مباشر على تكلفة البطارية.
ويبين الشكل 4 منحنيات امتصاص النحاس لأطوال موجية مختلفة (الضوء تحت الأحمر والأخضر والأزرق) عند درجات حرارة مختلفة.تمثل الخطوط الخضراء في الشكل معدل امتصاص النحاس للضوء الأخضر عند 20 درجة مئوية (الحالة الصلبة) و1600 درجة مئوية (الحالة المنصهرة).عند درجة حرارة الغرفة 20 درجة مئوية، عندما يكون النحاس في حالة صلبة، يبلغ معدل امتصاصه في نطاق الضوء الأخضر حوالي 40%.ومع ذلك، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1600 درجة مئوية ويكون النحاس في حالة منصهرة، ينخفض معدل الامتصاص بحوالي 5%.أي أن امتصاص الضوء الأخضر يقل قليلًا بعد ذوبان النحاس.تساعد هذه الميزة على تحقيق ثقوب ثابتة وصفر تناثر تقريبًا عند معالجة النحاس.هذه هي الميزة الواضحة للحام بالليزر بالضوء الأخضر مقارنة باللحام بالليزر بالأشعة تحت الحمراء.
2.2 الطباعة ثلاثية الأبعاد لمواد النحاس النقي
تستخدم مادة النحاس على نطاق واسع في الصناعات التحويلية المتطورة بسبب الموصلية الحرارية الممتازة والتوصيل الكهربائي وغيرها من الخصائص الممتازة.على سبيل المثال، في مجال الطيران والقطارات عالية السرعة وصناعة السيارات وغيرها من المجالات، هناك طلب مباشر على تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النحاسية النقية.
يستخدم مصدر ضوء الليزر للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المعدنية حاليًا بشكل أساسي ليزر ألياف أحادي الوضع قريب من الأشعة تحت الحمراء 1um.يتميز ليزر الألياف أحادي الوضع القريب من الأشعة تحت الحمراء 1um بعيب معامل الامتصاص المنخفض بسبب معامل الامتصاص للمادة النحاسية، والتأثير الكبير على درجة الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة العينات المطبوعة وضعف قوة العملية.الليزر الأخضر، باعتباره أفضل مصدر للضوء للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المعدنية شديدة الانعكاس، يمكنه حل المشكلات ذات الصلة بشكل فعال وتحقيق كثافة أكبر من 99.95% للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النحاسية النقية.
3. ضوء أخضر أحادي الوضع مستمر عالي الطاقة من ليزر OUHK
تعمل شركة Shenzhen Gongda Laser Co., Ltd. بشكل رئيسي في مجال البحث والتطوير والإنتاج والمبيعات لـ "أشعة الليزر المتقدمة ذات الطول الموجي القصير" و"حلول المعالجة الدقيقة بالليزر".إنها شركة تركز على البحث والتطوير وإنتاج أشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير والمتوسط والعالي (الأخضر والأشعة فوق البنفسجية).والمنتجات الرئيسية الحالية هي أجهزة ليزر خضراء أحادية الوضع عالية الطاقة بقدرة 50 إلى 500 واط، وأشعة ليزر ألياف نبضية أحادية الوضع بقدرة 100 إلى 1000 واط MOPA.تركز شركة OUHK Laser على البحث والتطوير في مجال ليزر الألياف ذو الطول الموجي القصير عالي الطاقة، وقد أخذت زمام المبادرة في إطلاق ليزر أخضر أحادي الوضع بقدرة 500 واط: GCL-500 الذي يمكن استخدامه للطباعة والدقة ثلاثية الأبعاد المعدنية العاكسة للغاية. لحام.يعتمد ليزر الضوء الأخضر GCL-500 ترددًا أساسيًا من الألياف بالكامل بالإضافة إلى حل مضاعفة تردد التجويف الإضافي، مما يحقق إخراج ضوء أخضر مستمر أحادي الوضع يصل إلى أكثر من 500 وات، مما يسد الفجوة المحلية في هذا النوع من المنتجات.
4. ملتزمون بالتطبيق المتقدم لأشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير والطاقة العالية
يتميز الليزر الأخضر أحادي الوضع المستمر GCL-500 باستقرار جيد في طاقة الإخراج، وجودة شعاع ممتازة، ومعدل امتصاص عالي للمواد شديدة الانعكاس، وخاصة النحاس، مما يجعله واعدًا للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النحاسية النقية.ومن خلال إضافة مُعدِّل مكاني إضافي، يمكن أيضًا الحصول على ضوء أخضر نابض بتردد تعديل عالي السرعة، مما يجعله يتمتع أيضًا بآفاق تطبيق واسعة في القطع الدقيق واللحام للمواد شديدة الانعكاس.يستخدم الليزر الأخضر أحادي الوضع المستمر GCL-500 مخرجات المساحة الحرة، مما يساعد على ضمان جودة شعاع ممتازة.يمكن أن يوفر الليزر أيضًا طريقة نقل مرنة مقترنة بالألياف الضوئية، والتي يمكن أن تتوافق بسهولة أكبر مع التحكم الآلي ويمكن استخدامها في عمليات لحام المواد عالية الانعكاس.بعد استكشاف عملية اللحام بالليزر على المدى الطويل، تبين أنه يمكن تحقيق نتائج لحام أفضل باستخدام نقاط الإخراج (تشكيل الشعاع) مع توزيعات مختلفة للطاقة.بالإضافة إلى ذلك، استنادًا إلى الليزر الأخضر أحادي الوضع GCL-500 من OULD Laser، فإنه يمكنه أيضًا إجراء دمج لمساحة متعددة الوحدات أو دمج شعاع الألياف.من ناحية، يمكن الحصول على إخراج الضوء الأخضر مع توزيع طاقة الشعاع المرن؛من ناحية أخرى، يمكن الحصول على إخراج الضوء الأخضر المستمر من الألياف الضوئية بعدة كيلووات أو حتى عشرات الآلاف من الواط، مما يوفر إمكانات لحام ليزر أساسية متطورة للحام ليزر عالي الجودة وعالي الكفاءة وعالي الإنتاجية.مصدر ضوء قوي ذو طول موجي قصير.يمكن أن يوفر الليزر الأخضر المستمر عالي الطاقة حلاً فعالاً لمعالجة وتطبيق المواد النحاسية، ومن المتوقع أن يتألق في الطباعة ثلاثية الأبعاد من النحاس النقي واللحام الدقيق للمعادن عالية الانعكاس.