Grenzen und Durchbrüche von Nahinfrarotlasern

In den letzten Jahrzehnten haben sich Hochleistungs-CW-Laser zu einem gängigen Werkzeug in der modernen Fertigung entwickelt und decken Anwendungen wie Schweißen, Auftragschweißen, Oberflächenvorbereitung, Härten, Hartlöten, Schneiden, 3D-Druck und additive Fertigung ab. Mit der Generation von Hochleistungs-Kohlendioxidlasern (CO2) mit einer Wellenlänge von 10,6 µm und im nahen Infrarot mit einer Wellenlänge von 1064 nmHalbleitergepumptes Nd:YAG Bei den Festkörperlasern hat die Hochleistungs-CW-Lasertechnologie den ersten Höhepunkt ihrer Entwicklung erreicht.

Einschränkungen von NIR-Lasern

Aufgrund seiner Wellenlänge ist es schwierig, Kohlendioxidlaser durch optische Fasern zu übertragen, was gewisse Schwierigkeiten für industrielle Anwendungen mit sich bringt; während Festkörperlaser durch ihre Helligkeits- und Leistungsverstärkungsfähigkeiten begrenzt sind. Diese CW-Hochleistungsfaserlaser arbeiten typischerweise bei Wellenlängen im nahen Infrarot (NIR) innerhalb von 1 µm, was für viele Anwendungen in Ordnung ist. Es eignet sich beispielsweise für die Bearbeitung von Stählen mit einem Absorptionsgrad von über 50 %, ist jedoch dadurch eingeschränkt, dass einige Metalle 90 % oder mehr der auf ihre Oberfläche einfallenden Laserstrahlung im nahen Infrarot reflektieren. Insbesondere beim Schweißen von gelben Metallen wie Kupfer und Gold mit NIR-Lasern ist aufgrund der geringen Absorptionsrate viel Laserleistung erforderlich, um den Schweißprozess zu starten.

Das Tiefschweißen führt zu einer hohen Absorption des Laserstrahls, da der Laserstrahl auf seinem Weg durch das Material mehrfach mit dem Metall und dem Metalldampf interagiert. Die Aktivierung eines Schlüssellochs mit einem Nahinfrarotlaser erfordert jedoch eine beträchtliche einfallende Laserintensität, insbesondere wenn das zu schweißende Material stark reflektierend ist. Und sobald sich ein Schlüsselloch gebildet hat, steigt das Absorptionsvermögen stark an und der hohe Metalldampfdruck im Schmelzbad des leistungsstarken Nahinfrarotlasers kann zu Spritzern und Porosität führen. Daher müssen die Laserleistung oder die Schweißgeschwindigkeit sorgfältig gesteuert werden, um zu verhindern, dass übermäßig viel Spritzer aus der Schweißnaht spritzt. Wenn das Schmelzbad erstarrt, können auch „Blasen“ in Metalldämpfen und Prozessgasen eingeschlossen werden, wodurch Hohlräume in der Schweißnaht entstehen. Eine solche Porosität schwächt die Schweißnahtfestigkeit und erhöht den Widerstand der Verbindung, was zu einer schlechteren Qualität der Schweißverbindung führt. Daher stellen NIR-Laser eine große Herausforderung bei der Bearbeitung von Materialien wie Kupfer mit einem Absorptionsgrad < 5 % bei 1 µm dar. Um diese Materialien mit hohem Reflexionsvermögen besser verarbeiten zu können, wurden Methoden wie die Erhöhung der Laserlichtabsorptionsrate des Materials durch die Erzeugung von Plasma auf dem verarbeiteten Material eingesetzt. Da diese Methoden die Materialverarbeitung jedoch auf Prozesse mit tiefer Eindringung beschränken, ist das Schweißen dünner Materialien im Wärmeleitungsmodus nicht möglich, und es besteht die inhärente Gefahr von Sputtern und kontrollierter Energieablagerung. Daher stoßen bestehende Lasersysteme mit einer Wellenlänge von 1 µm bei der Bearbeitung stark reflektierender Materialien wie Nichteisenmetalle sowie bei Unterwasseranwendungen an ihre Grenzen.

Ein Durchbruch bei Nahinfrarotlasern

Um die begrenzten Anwendungsbereiche dieser Nahinfrarotlaser zu erschließen, müssen neue Laserlichtquellen erforscht werden. Um Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ersetzen neue Energiefahrzeuge außerdem Benzinmotoren und Verbrennungsmotoren durch Elektromotoren. Die Verwendung von viel Kupfer beim Bau von Elektromotoren, insbesondere von Energiebatterien, hat zu einer enormen Nachfrage nach zuverlässigen Kupferverarbeitungslösungen geführt und bietet ein ebenso breites Anwendungsspektrum in anderen erneuerbaren Energiesystemen wie Windkraftanlagen.

Heutzutage sind industrielle Hochleistungsfaserlaser die Lösung für Laser mit hoher Helligkeit und hoher Leistung, die über Fasern geliefert werden können. Heutzutage haben Faserlaser CO2-Laser in den allermeisten Anwendungen ersetzt und werden in zahlreichen industriellen Verarbeitungsanwendungen effektiv eingesetzt. Vor allem in den letzten Jahren hat er sich zum Arbeitspferd industrieller Laser wie Laserschweißen und -schneiden entwickelt, die eine höhere Geschwindigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit als CO2-Laser aufweisen.