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I Laser a diodi
I diodi stanno entrando sempre più nel mercato riguardante il processo dei materiali tramite laser, in due modi: nei processi tradizionali con laser convenzionali pompati da (diodi) semiconduttori e nei processi diretti con un nuovo ed interessante laser a diodi ad elevata potenza (si è arrivati fino a parecchi kW). L’industria tedesca occupa una posizione importante sia nello sviluppo delle tecnologie sia nella loro applicazione in nuovi campi. A tal proposito, sono stati sviluppati e presentati progetti con obiettivi significativi. Sono passati circa dieci anni dalla prima applicazione: una saldatura realizzata con un laser a diodi di 15 W. Con il passare del tempo si è andata sempre più sviluppando la tecnologia relativa a tale laser ed al momento si è arrivati ad una potenza di 8 kW.
I vantaggi di un laser a diodi riguardano la compattezza, l’efficienza ,la vita utile ed i costi competitivi. Fin dal 1962 si dimostrò l'azione dei laser a diodi alle temperature criogeniche ed alcuni anni più tardi per le applicazioni a temperatura ambiente, tuttavia non si aveva ancora una visione dell’importante ruolo che questi laser potevano giocare nel processare i materiali, dato che fornivano soltanto basse potenze per un breve periodo, presentando un costo comunque elevato. Per mezzo di uno studio approfondito sulle strutture e di una conoscenza dettagliata dei meccanismi fallimentari, ed un miglioramento considerevole dei processi di manufacturing, i laser a diodi sono entrati con successo a far parte del mercato elettronico e delle comunicazioni con un volume incredibilmente alto: il mercato dei laser a diodi nel 1999 è stato di 3.17 miliardi di dollari americani,coprendo i 2/3 dell'intero mercato. Ad oggi, soltanto il 3.4% del mercato è rappresentato da laser pompati da semiconduttori (diodi) e lo 1.5% da laser a diodi per le applicazioni dirette. A causa delle loro caratteristiche uniche nel settore , come ad esempio le piccole dimensioni ed il basso peso che li rendono facilmente integrabili ed ancora, l’alta efficienza e affidabilità, che comportano bassi costi, questi laser stanno guadagnando estremo interesse sia come pompa sorgente per altri laser sia come fonte di luce per processare direttamente i materiali.
Tra i materiali più adatti da impiegare come emettitori di radiazione luminosa alle lunghezze d’onda di interesse vi sono i semiconduttori. In questi materiali si ritrova la struttura a due livelli :al livello E2 corrisponde la Ec della banda di conduzione mentre ad E1 corrisponde la Ev della banda di valenza. In funzione del materiale e dell’energia di gap (E2-E1) si ricava la lunghezza d’onda l0
Ogni volta che, nel semiconduttore, un elettrone eccitato nella banda di conduzione ritorna nella banda di valenza , si ha l’emissione di un fotone alla lunghezza d’onda l0 . Sfortunatamente a temperatura ambiente la concentrazione di elettroni eccitati è piccola per avere una emissione significativa; anche se il semiconduttore è fortemente drogato è quindi necessario ricorrere ad una sorgente esterna per aumentare il numero di elettroni eccitati.
Il modo più semplice per raggiungere questo scopo è realizzare una giunzione p-n polarizzata iniettando direttamente un elevato numero di elettroni nella zona attiva.
Nel caso in cui questo laser produce un raggio luminoso continuo con potenze superiori a 0.5 W si parla di laser ad elevata potenza o HPDLs.
Gli HPDLs hanno speciali proprietà ottiche tra le quali una ampia banda spettrale, un'ampia divergenza del fascio (fino ad un semi angolo di 45°) , una distribuzione del fascio asimmetrica e astigmatismo.
Da un singolo elemento del laser a diodi si possono estrarre dalla transizione p-n soltanto alcuni milliwatt; tali elementi, per esempio, vengono utilizzati nella comunicazione o nei lettori CD ROM, ma la potenza è naturalmente di gran lunga non sufficiente per le applicazioni di alta potenza. Molte di queste unità di base quindi vengono integrate in un elemento semiconduttore, che si definisce barra laser. Una barra laser (fig. 1) ha un formato di ca. 10000 x 1000 x 115 µm³, in cui 1000 µm è oggi una lunghezza tipica del risonatore.
Fig. - Schema di una barra laser
Il modo speciale con la quale la luce è generata nella transizione p-n conduce ad insolite caratteristiche di emissione per un laser: l’emissione evidenzia una gran divergenza a partire da una strettissima fessura nella direzione della transizione p-n ("asse-veloce") ed una più piccola divergenza, ma una larga banda di emissione nel piano della transizione p-n ("asse-lento"), come mostrato in fig.2.
Anche se l’efficienza di conversione elettro-ottico (he-o= Popt/Pel = Popt/ (Popt+PQ) ) è compresa tra il 40 - 50% ,una ragionevole quantità di calore si deve comunque asportare nel caso in cui si vuole aumentare la potenza senza danneggiare il semiconduttore . Di conseguenza, la barra viene posta su speciali dissipatori di calore raffreddati ad acqua (fig.3), i quali consentono al semiconduttore la possibilità di essere percorso da correnti elevate ( 50 o 60 A), permettendo di raggiungere una potenza compresa tra 40 e 50 W per barra.
L’elevata divergenza nella direzione della transizione p-n ("asse-veloce") si può compensare per mezzo di una lente cilindrica, in modo tale che il fascio di luce risulti parallelo all’asse ( fig. 4).Si può , inoltre, realizzare una collimazione degli “assi-lenti " per mezzo di micro-lenti allineate, come indicato schematicamente in fig.5.
Fig.4 Collimazione degli assi veloci per mezzo di lenti cilindriche
Per ragioni geometriche è evidente che, la distanza delle zone emittenti (pitch) deve essere sufficiente affinché la collimazione avvenga prima che la radiazione si sovrapponga . Tuttavia, nel caso in cui la distanza non sia sufficiente c’è una soluzione più complessa: si deflettono le aree adiacenti degli emettitori, tramite micro-prismi, in differenti piani , rendendoli paralleli per mezzo di un altro insieme di prismi, in modo che la sovrapposizione nel piano di emissione venga evitata e la collimazione sia tuttavia possibile. Questi elementi di base della barra , dell'unità di raffreddamento e - se necessario - della micro-ottica, si possono mettere l’uno sull’altro e dalla combinazione di circa 30 unità si può arrivare fino ad una potenza di 1.5 kW (fig.6).
Fig.6 Combinazione di sei laser a diodi.
Un ulteriore accrescimento della potenza in uscita (a parità di qualità) si può ottenere se questi si combinano in modo tale che le zone libere di apertura di una pila vengano riempite dalle altre, come schematizzato in fig.7: le “linee” di radiazione della pila 1 e 3 vengono curvate dai prismi e la radiazione della pila 2 viene trasmessa attraverso un gap nella pila prismatica, in modo che tutte e tre le pile irradino nella stessa zona.Come appare dalle figure, i laser a diodi di alta potenza non sono singoli laser ma consistono in un accoppiamento incoerente di diverse sorgenti laser di bassa potenza.
Fig.7 Combinazione di laser a diodi tramite riempimento delle aperture. A sinistra: vista dall’alto –curvatura della radiazione da parte del prisma. A destra:vista frontale- schema delle linee di emissione
Singole unità o pile di diverse unità si possono accoppiare nello stesso percorso ottico con differenti lunghezze d'onda . L'accoppiamento (fig.8) considera la possibilità di avere barre di laser a diodi per lunghezze d'onda arbitrarie, garantendo una certa disponibilità all’interno di una ragionevole gamma .
Fig.8 Combinazione di laser a diodi con differenti lunghezze d’onda
In realtà, tuttavia, è necessario sviluppare un processo di manufacturing stabile per ogni fissata lunghezza d'onda affinché vengano prodotte barre con alto rendimento e vita media elevata; ecco perché , si utilizzano per i laser industriali soltanto poche lunghezze d'onda . Dal punto di vista dei materiali da processare, questa combinazione è accettabile, poiché la maggior parte dei processi non dipendono in modo critico dalla lunghezza d'onda . È comune a tutti i metodi di combinazione precedentemente descritti, il fatto che la radiazione delle pile si combini nello stesso percorso ottico; l'accoppiamento non soltanto genera una più alta potenza , ma la potenza è aumentata - teoricamente - mantenendo la medesima qualità del fascio, il che significa aumentare la densità di potenza . Usando tali metodi di combinazione oggi, si è arrivati a generare in una testa laser, che non è molto più grande di una scatola di scarpe, una potenza di 8 kW , fino ad una densità di potenza di 5 x 10^5 W/cm². Per migliorare ulteriormente la qualità e per adattare le differenti qualità del fascio lungo l’asse veloce e lento sono stati sviluppati i concetti espressi in precedenza, agendo per esempio sul passo dello specchio o sull'unità di inclinazione del fascio . Tali elementi ottici speciali tagliano l’ampio asse lento del fascio laser in parti più piccole e le riorganizzano in piani differenti l’uno sull’altro, di modo che alla fine la qualità del fascio lungo un asse (quello lento) venga migliorata a scapito dell' altro (il veloce), in modo tale che le due siano confrontabili. Ciò è particolarmente importante per l'accoppiamento della radiazione laser (a diodi) nelle fibre ottiche.
Utilizzando le tecnologie menzionate in precedenza per il raffreddamento, la formazione del fascio e l’accoppiamento, si possono realizzare sistemi a diodi di elevate potenze fino a parecchi kW . Un esempio è indicato in fig. 9.
Fig.9 Laser a diodi
L'immagine mostra un sistema laser a diodi di 2,5 kW. La dimensione della testa del laser è di appena 580 mm (ottica compresa) x 180 mm x 155 mm ed il peso è di soli 15 Kg. Naturalmente, il gruppo di alimentazione ed il refrigeratore devono essere comunque aggiunti , ma a causa dell'alta efficienza sono molto più piccoli di quelli utilizzati per i laser convenzionali. Il sistema produce uno spot quadrato di 1.3 mm x 1.3 mm ad una distanza di funzionamento di 42 millimetri (f=63 mm) il quale può essere ingrandito per mezzo di speciali elementi ottici. A causa del miglioramento della qualità del fascio, queste unità possono persino essere usate con una fibra ottica. L'unità d’accoppiamento (fig. 10) può essere montata facilmente davanti alla testa; la potenza del laser quindi viene condotta da una fibra ottica con un diametro di 1.5 mm ed una N.A di 0.35.
Il profilo del fascio di un laser a diodi di alta potenza tipicamente, mostra una figura rettangolare con un profilo a cappello in un senso e gaussiano nell' altro (fig. 11a); se si usa una fibra , si può fornire una elevata qualità con un profilo avente la parte superiore circolare (fig. 11b).
Le combinazioni di laser a diodi come mostrato in fig. 6 o configurazioni simili trovano una importante applicazione se usati come pompa sorgente per i laser . La durata piuttosto breve delle lampade di eccitazione nei laser convenzionali di Nd:YAG richiedeva, infatti, una soluzione per ridurre i tempi nel manufacturing. Inoltre, la lunghezza d'onda del laser a diodi può essere regolata in funzione del processo di manufacturing ad una lunghezza d'onda, dove l'assorbimento del materiale è massimo. Ciò riduce da una parte il carico termico sulla parte attiva del materiale e dall’altra aumenta l’efficienza . Quindi, confrontate con le lampade convenzionali dei laser Nd:YAG, determinano alte potenze migliorando la qualità del fascio e l’efficienza.
Un concetto nuovo ed interessante del laser semiconduttore, il cosiddetto " disco-laser sottile " è stato proposto da Giesen et. parecchi anni fa: un sottile disco verniciato di itterbio , montato su un dissipatore di calore, che egualmente funge da specchio risonatore, viene pompato intensivamente (tramite un laser a diodi) con una radiazione avente una lunghezza d’onda di 940 nm. Poiché il disco è raffreddato in modo omogeneo dal lato posteriore, non vi è quasi alcun gradiente termico in senso radiale, il che significa, che l'effetto termico viene quasi completamente eliminato. Quindi, di conseguenza, il disco fornisce una qualità del fascio molto elevata. La fig. 12a mostra il principio del disco laser mentre la fig 12b rappresenta una fotografia della messa a punto sperimentale.
Finora, con questo sistema si è arrivati a più di 600 W con una qualità del fascio di 5 mm mrad , con un’efficienza di conversione elettro-ottica del 48%.C’è da dire che si è arrivati anche a più di 1 kW , ma con qualità del fascio inferiori.
Mentre le applicazioni dei laser a diodi spesso differiscono da quelle " tradizionali " degli altri laser a causa delle loro singolari caratteristiche, il laser Nd:YAG pompato da un diodo semiconduttore si può utilizzare principalmente nelle ben conosciute applicazioni di taglio e saldatura. Naturalmente, oltre al vantaggio dell'eliminazione delle lampade ad arco, il laser pompato da un diodo semiconduttore offre nuove possibilità a causa della qualità del fascio superiore .Questo comporta un’alta densità di potenza, un’elevata efficienza del processo per una distanza operativa costante o una più elevata distanza operativa per una costante densità di potenza (se confrontato con le unità pompate da una lampada a parità di potenza).
La lunghezza d’onda alla quale il laser a diodi emette dipende dal gap energetico, dalla lunghezza della cavità e dall’indice di rifrazione del semiconduttore. Dipende dal materiale, dalla temperatura e dalla corrente guida.In tabella 1 sono riportate le lunghezze d’onda per diversi laser a diodi. AlGaAs e InGaAs sono i materiali più utilizzati per un laser operante nello spettro IR.
Nella pratica , gli HPDLs hanno bande di lunghezza d’onda più ampie dei laser CO2 e Nd:YAG.
Materiale |
AlGaAs |
InGaAs |
AlGaInP |
Lunghezza d’onda(nm) |
720-880 |
940-990 |
630-690 |
Tabella1 Lunghezze d’onda per i diversi materiali utilizzati nei laser a diodi
Gli HPDLs sono sempre guidati da una sorgente di corrente continua con basso voltaggio. L’output di un laser a diodi si può interrompere rapidamente agendo sulla corrente. L’efficienza di conversione da segnale elettrico ad ottico è del 20-30% con picchi fino al 50% sebbene teoricamente si arrivi fino ad un 90%.
Questi valori risultano elevati se confrontati con quelli degli altri laser(10-15% per il laser CO2 e 1-5% per Nd:YAG).
Un laser a diodi singolo ha una potenza limitata (<5W),quindi , gli HPDLs commerciali si basano su combinazioni di più sorgenti e per questo non vi è alcun limite alla potenza ottenibile con questi laser. Gli HPDLs commerciale sono generalmente raffreddati ad acqua per potenze al di sopra di 120 W. Al di sotto di tale potenza si preferisce un raffreddamento ad aria. La vita commerciale di un laser a diodi si aggira sulle 4000-5000 ore operative .Il fascio risultante in output si deve al contributo di un diverso numero di sorgenti emittenti per cui questi non sarà coerente. Tipicamente, 
per materiali processati con un laser a diodi è compreso tra 50-500 e l’apertura è tra 0.3-0.5.
Questo ne limita la focalizzazione. D’altro canto, la partecipazione al fascio da parte di diversi emettitori garantisce a questi una stabilità temporale superiore a quella che si ottiene con altre tipologie di laser.
Visto che l’emissione di un laser a diodi è confinata in un range stretto della regione di giunzione p-n(1-3 µm), la diffrazione della luce comporta un’ampia divergenza del fascio.Il semi-angolo si ottiene dalla relazione
(2)
dove con a si indica la dimensione della regione attiva e con l la lunghezza d’onda. Il semi angolo in direzione perpendicolare alla faccia può arrivare fino a 45°.
Vista la non circolarità della sezione di attraversamento della regione attiva, la radiazione in output del laser a diodi diverge velocemente nella direzione ortogonale al piano della giunzione p-n e lentamente nella direzione parallela.
Dal punto di vista delle applicazioni, la qualità del fascio e la potenza definiscono le possibilità ed i campi di applicazione dei differenti laser. In fig. 13, facendo riferimento sulle ordinate alla qualità del fascio e sulle ascisse alla potenza in uscita ,viene messa in risalto la vasta gamma dei laser, che sono oggi disponibili sul mercato . Il grafico dimostra la qualità inferiore del fascio per gli odierni sistemi laser a diodi rispetto ai laser CO2 ed ai laser Nd:YAG; ciò è naturalmente una conseguenza dell'accoppiamento incoerente di diversi sorgenti.
Fig.13 Qualità del fascio in funzione della potenza di un laser a diodi messa a confronto con quella dei laser convenzionali
Nonostante la qualità del fascio richiesta da applicazioni tradizionali quali taglio e saldatura ad alta velocità con profonda penetrazione non sia poi così elevata, tali applicazioni non rappresentano ancora
un mercato per i laser a diodi ad alta potenza . Nonostante il forte limite dovuto alla qualità del fascio come si può facilmente osservare in fig.13 , ci sono applicazioni che richiedono una elevata potenza e sono ideali per questi laser.Al contrario , un ulteriore confronto in fig.13 e fig.14, dal punto di vista dei laser pompati da un semiconduttore (diodi) ,evidenzia come questa tipologia di laser estenderà il suo campo di applicazione fino alle applicazioni " classiche " del laser CO2 , in particolare nel campo del 3D-cutting.
Fig. 14 Applicazioni per un laser a diodi
I costi d’investimento odierno per i laser a diodi ad elevata potenza sono persino inferiori a quelli dei laser CO2 , già considerevolmente minori dei laser Nd:YAG . I costi di esercizio sono molto minori rispetto ai convenzionali laser, a causa della loro elevata efficienza .Una considerevole riduzione dei costi ci si aspetta dal prolungamento del corso di vita della barra del laser a diodi, dato che semplici calcoli di costo, mostrano che la sostituzione dei diodi fa la parte da leone nei costi correnti (questo è valido se si fa riferimento a laser pompati da un semiconduttore a diodi). Inoltre, il piccolo formato non soltanto della testa del laser a diodi, ma anche del gruppo di alimentazione e di refrigerazione, lo rende uno strumento molto attraente per applicazioni dove la qualità del fascio non è strettamente necessaria. Oltre alla saldatura dei polimeri , che è stata la prima applicazione manifatturiera , la saldatura per conduzione di calore ed il trattamento superficiale possono diventare mercato per i laser a diodi.
Brasatura
La brasatura è stata una delle prime applicazioni dei laser a diodi. Uno dei principali vantaggi rispetto alle applicazioni convenzionali si deve al fatto che il fascio laser focalizza sull’obiettivo senza riscaldare le zone circostanti riducendo i danneggiamenti di origine termica.
La compattezza e la regolarità del laser a diodi offre vantaggi rispetto agli altri laser. Inoltre, a causa delle piccole lunghezze d’onda, il fascio laser viene assorbito dai materiali in quantità superiore .
Trattamenti termici
Gli HPDLs a bassa potenza (550 W) si possono utilizzare per l'indurimento dei materiali .Ad esempio, l’indurimento di acciai inossidabili serie 400 con uno spessore di 0,1 mm si può realizzare tramite un laser a diodi di 15 W (condotto da fibra) avente lo spot di 1 mm oppure, si può ottenere l’indurimento di fogli d’acciaio inossidabile con uno spessore di 0,15 mm sfruttando un HPDL di 500 W con una velocità trasversale di 30 m/min. Si riesce ad ottenere una buona uniformità di profondità indurita in particolare se si utilizza un fascio avente la parte superiore del profilo rettangolare. Se si desidera trattare un 42CrMoS4 usando un HPDL di 200 W con un formato del fascio di 0.8*5 mm2 si deve stare attenti alla “backreflaction” (il sistema laser a diodi è molto sensibile), la quale può provocare danni al laser stesso. Questi laser hanno fasci distribuiti rettangolari uniformi e sono, quindi, ideali per il trattamento di superficie. Si possono riportare ulteriori applicazioni: è stato già dimostrato l’utilizzo di un HPDL di 2.4 kW con un profilo del fascio lineare per l’indurimento di un acciaio al carbonio M1044 che ha prodotto una profondità indurita costante di 1 mm con una larghezza di 20 mm o ancora, è stato utilizzato un laser a diodi di 1,5 kW (in una direzione gaussiano e nell' altra rettangolare) per l'indurimento di utensili d’acciaio.Tale lavoro ha indicato che si può realizzare con un HPDL una più elevata durezza ed una più ampia larghezza di traccia grazie al migliore assorbimento del fascio, dovuto ad una più corta lunghezza d'onda rispetto ad un laser Nd:YAG di 2 kW (fascio gaussiano ), da parte del materiale. Proprio riguardo a questo è stato descritto da Bonss l'uso di un HPDL di 1.4 kW (lunghezza d’onda di 940 µm) con uno spot rettangolare di 6.6*6.1 mm2 per l'indurimento di un acciaio al carbonio (AISI 1045) ; il lavoro ha indicato che l’assorbimento per un HPDL è circa uguale al 70% rispetto al 10-15% di un laser CO2 ed al 65% di un laser Nd:YAG. In questi casi particolari il laser CO2 indurente richiede l'applicazione di un rivestimento assorbente sulla superficie del pezzo da lavorare.Grande importanza ha anche la direzione trasversale per il fascio (rettangolare) di un laser HPDL. L’efficienza del processo (definita come volume indurito/ potenza del laser) decresce fino al 60% quando l'asse lungo del fascio è lungo il senso dell'alimentazione .
Un altro esempio d’applicazione di manufacturing dei laser a diodi di alta potenza è l'indurimento di molle di torsione, utilizzate agli angoli dei portelli dell'automobile (fig 15a). Per aumentare la vita utile della molla, questa, mostrata in fig. 15b deve essere indurita sopra un angolo di 170°, su una lunghezza di ca. 10 mm per una profondità compresa tra 0,2 e 0,4 mm.
Fig.15a door hinge
Il laser a diodi di alta potenza non soltanto fornisce una distribuzione ideale della geometria e dell’intensità del fascio, ma è allo stesso tempo lo strumento più efficiente dal punto di vista economico per l'indurimento. Con un set-up, che permette di utilizzare due laser sotto un angolo di circa 120° ed un dispositivo di raffreddamento ad acqua per la molla di torsione (fig 15c), si può ottenere un indurimento omogeneo ( fig. 15d), se i laser vengono applicati su una lunghezza di 10 mm.
Fig.15d Sezione della molla
Un controllo sul processo si può realizzare per mezzo di due pirometri i quali registrano la temperatura, assicurando la qualità richiesta in ogni parte. Il tempo di ciclo di manufacturing è di 2 secondi; il laser è acceso per 0.8 s e spento per 1.2 s; il manufacturing avviene 24 ore al giorno, 6 giorni a settimana. Due sistemi di manufacturing con due laser da 1.5 kW sono in produzione da 16 mesi e più di 12 milioni di molle sono state prodotte finora senza alcun problema di riguardo.
Per la bassa densità di potenza attualmente raggiungibile con i laser HPDLs, le maggiori applicazioni riguardano la saldatura a conduzione limitata. Come esempio, si può considerare l’uso di un laser HPDL di 500 W per saldare un acciaio dolce con uno spessore di 0.5 mm ad una velocità di saldatura di 6000 mm/min. Non si riscontra alcuna formazione di plasma o foro. In più, usando un HPDL di 2kW si può effettuare una saldatura di testa su un alluminio spesso 0.8 mm oppure utilizzando un laser HPDL di 800 W si lavora su dei fogli di acciaio dolce con uno spessore di 0.8mm (X5CrNi189). Saldature lisce senza difetti di pori o altro. La saldatura per conduzione è particolarmente adatta per l’alluminio dove il processo è più instabile dovuto alla bassa soglia di vaporizzazione e ionizzazione. La straordinaria levigatezza della superficie del cordone riscontrata si deve attribuire alla stabilità del sistema HPDL. Se si effettua una saldatura di testa per conduzione di un X5CrNi189 usando un laser a diodi di 600 W ( lunghezza d'onda di 940 µm), non solo si ottiene una superficie libera da difetti, ma si può osservare chiaramente il confine che divide la zona saldata ed il materiale originario. Inoltre, la saldatura con l’asse veloce nella direzione trasversale determina una zona affetta da calore più piccola. Un paragone tra un laser a diodi (1.5 kW) ed un laser CO2 (1 kW) per saldare un acciaio con una elevata percentuale di carbonio è stata prospettata da Ng e Waston, i quali mostrano chiaramente che il laser a diodi (2.1*10^4 W/cm2) genera cordoni con linee di crack centrali per alte velocità che non si riscontrano per il laser CO2. A favore del laser a diodi, però, è stata riscontrata una uniformità di durezza in funzione della profondità di saldatura. Volumi simili di saldatura sono stati raggiunti per entrambi i laser per velocità superiori ai 10 mm/s, riscontrando un assorbimento maggiore da parte dei materiali se si utilizza un laser a diodi. Gli HPDLs possono essere effettivamente usati per saldare fili metallici di termocoppie. La qualità della saldatura prodotta con il fascio condotto da fibra degli HPDLs è superiore alle esistenti termocoppie ottenute con i sistemi convenzionali ad arco. La resistenza a trazione risulta aumentata di 4 volte ed il tempo di risposta alla misurazione di temperatura ridotto del 35% rispetto alle termocoppie tradizionali. Sono risultate di poco migliori a quelle ottenute con un laser Nd:YAG come mostrato in figura 16.
Fig.16 Confronto tra le prestazioni di termocoppie saldate con HPDL, Nd:YAG e commerciali sistemi ad arco
Dovuto al requisito di avere una densità di potenza laser al di sopra di 10^5 W/cm2 per la saldatura di materiali metallici tramite profonda penetrazione, la maggior parte dei risultati riferiti agli HPDLs si basano sul meccanismo di conduzione termica (vista la densità di potenza raggiungibile).
La possibilità di realizzare da un punto di vista estetico giunzioni perfette conduce ad una importante applicazione industriale dei laser a diodi ad alta potenza, la saldatura di lavandini (fig.17).
Fig.17b Lavandino dopo la saldatura e prima della finitura
L'uso della saldatura tramite laser a diodi al posto della saldatura convenzionale TIG ha permesso una riduzione considerevole delle lavorazioni di finitura: è necessaria soltanto una pulizia della superficie, ma nessuna rettifica o riparazione! Questo fatto ha condotto ad un beneficio dal punto di vista dei costi, anche se naturalmente l'investimento per un laser a diodi di 2.5 kW è superiore a quello per una saldatrice TIG. Il laser è montato su un braccio di un robot, che guida il laser sulla giuntura della saldatura con una velocità di circa 1 m/min; questa è una caratteristica unica del laser a diodi: non necessita di una apparecchiatura complessa per guidare il fascio. L'applicazione ha preso piede nel manufacturing da più di due anni con successo.
Il miglioramento della qualità del fascio di un laser Nd:YAG pompato a diodi (12 mm MRAD) rispetto sistemi pompati a lampada (25 mm MRAD) ha portato - come previsto - un incremento della velocità di saldatura a parità di profondità, se si utilizzano la stessa lunghezza focale e la stessa potenza sul pezzo da lavorare, come mostrato in fig. 18.
Fig.18 Confronto tra le velocità di saldatura che si ottengono con un laser pompato a lampada(linea tratteggiata) ed un laser pompato a diodi (linea continua)
L’alta flessibilità dovuta all’utilizzo della fibra come sistema di distribuzione del fascio rendono il laser ideale per le saldature, con quasi nessuna concorrenza per geometrie complesse, in particolare per quelle, che sono accessibili soltanto da un lato.Un esempio è la saldatura per punti effettuata sugli sportelli di una Porche, mostrata in figura 19.Questo processo determina una maggiore robustezza della zona.
Il fenomeno interfacciale della bagnabilità è spesso il fattore primario che decide se un rivestimento aderirà e legherà in maniera adeguata ad un substrato nelle applicazioni pratiche quali il rivestimento termico tramite spruzzo. Le caratteristiche del “wetting” di una selezionata gamma di materiali ceramici, metallici e compositi si possono modificare con un trattamento superficiale tramite laser a diodi. I cambiamenti nella morfologia della superficie (per esempio rugosità), nella composizione della superficie (per esempio il contenuto di O2) e nell'energia di superficie (principalmente la componente polare) sono identificati come i fattori principali che influenzano le caratteristiche della bagnabilità. I cambiamenti della microstruttura hanno poca influenza sulle caratteristiche del “wetting “. I confronti sono stati fatti fra il HPDL ed altri laser ad alta potenza (CO2, Nd:YAG ) per il trattamento di superficie di compositi e di metalli. Riguardo alla fusione, sulle superfici trattate dal HPDL sono stati trovati valori di rugosità minori rispetto a quelli trattati con altri laser per gli acciai dolci, come indicato in tabella 2:
Tabella 2 Rugosità,energia di superficie ed angolo di contatto prima e dopo il trattamento da parte del laser
Un laser a diodi di 60 W può essere utilizzato per vetrificare materiali refrattari con una base di Al2O3 dal 60 allo 85%. Il trattamento migliora la resistenza all’erosione ed alla corrosione di questi materiali alle alte temperature. Il laser a diodi produce una fase più omogenea e più densa rispetto ai materiali non trattati. Rispetto ai campioni trattati con i laser CO2 , quelli prodotti con gli HPDL presentano zone trattate più aderenti ed una quantità minore di crack come mostrato in figura 20 .
Fig.20 Trattamento su un ceramico refrattario con un 85 % di allumina.(a)Trattamento con laser CO2
(b)Trattamento con laser a diodi
Questo trattamento ha mostrato che, c’è una definitiva differenza nel comportamento del materiale se trattato con un laser a diodi o con un laser CO2. L’utilizzo di un HPDL per il “glazing” ,ha rivelato che l’HPDL può produrre una migliore qualità superficiale rispetto a quella ottenuta con un laser CO2 , visto che quest’ultimo genera una zona più ampia affetta di calore, schegge e crack sui campioni sotto le stesse condizioni operative .Un motivo per questa marcata differenza si può trovare nella significativa differenza della lunghezza di assorbimento del fascio (470 +/- 22 µm per il laser CO2 e 177+/-15 µm per i laser a diodi) come conseguenza delle differenti lunghezze d'onda dei laser.
Un laser a diodi di 60W condotto nella parte finale da fibra si può utilizzare per l’incisione e la marcatura del marmo, del granito, delle mattonelle di argilla, delle mattonelle di ceramica, delle mattonelle del tetto, del cemento, dei mattoni, del vetro ed del legno. I marchi si possono generare su questi materiali tramite riscaldamento, fusione o meccanismi che prevedono la rimozione di materiale. Si è riscontrato che il colore dei materiali influenza l'assorbimento del fascio: i materiali di colore chiaro riflettono di più il fascio laser. Ciò determina una larghezza non uniforme della riga per i marmi con vani di colore differente; a tal proposito, per ridurre questo effetto si può utilizzare un rivestimento assorbente. Differenti schermi di gas egualmente possono avere un significativo effetto sulla qualità ed il colore dei marchi generati: con la protezione del gas O2 si ottengono zone meno porose e più scure rispetto a quelle che si verificano usando il gas Ar. Un laser a diodi con fascio condotto da fibra (diametro di 400 µm) di 15 W (lunghezza d'onda di 820 nm) si può utilizzare per scrivere nastri di vetro metallico 2605 spessi 25 µm (Fe80B12Si8) usati nei trasformatori . Quando il materiale è tracciato, il fascio laser del diodo fonde velocemente il nastro localmente ed il fuso solidifica nuovamente nella condizione amorfa. Si possono tracciare materiali amorfi soltanto utilizzando laser di bassa potenza. Una potenza troppo alta determina uno sforzo localizzato eccessivo. In questa applicazione, il laser a diodi ha sostituito i laser precedentemente utilizzati ( Nd:YAG ) soprattutto per i bassi costi.
Un laser a diodi di 60 W con un fascio condotto da fibra si può utilizzare per lavorare direttamente dei compositi. Lo scopo è quello di produrre parti solide metalliche o parti funzionali di ceramica sinterizzando tramite laser le parti di composito. I materiali altamente riflessivi quali l’alluminio ed il rame possono essere lavorati facilmente dal laser usando questa tecnica. In questo processo, un blocco pre-mescolato di composito (metallo/polimero) viene esaminato dal laser a diodi. Il legante polimerico è rimosso selettivamente dal fascio laser a temperature molto basse (intorno a 300 °C) e viene espulso con un getto di gas (Ar). Quando il fascio laser viene focalizzato direttamente sui blocchi di metallo di Al e di NiCr, c’è soltanto un piccolo aumento di temperatura, ma non vi è fusione . Quando il fascio laser viene focalizzato su blocchi di polimero (trasparente), questi attraversa il polimero senza lasciare alcun effetto visibile. Il meccanismo del “laser machining” si deve all'assorbimento del fascio laser da parte delle polveri di metallo che quindi trasferiscono l'energia termica, per conduzione, al legante polimerico che si riscalda fino al relativo punto di decomposizione, dopo di che le polveri del metallo vengono espulse dal getto di gas. La tecnica, non precedentemente segnalata per mezzo di altri laser, è quindi una nuova applicazione. Si preferisce un polimero termoindurente anziché uno termoplastico. I laser a bassa potenza (più di 20 volte minore rispetto a quella richiesta per un “machining” di un blocco metallico solido) possono essere utilizzati per produrre le parti metalliche. Si può applicare un “machining” anche su dei marmi usando un laser a diodi di 60 W . Il marmo è una roccia metamorfica composta di calcite o dolomite ricristallizzata, di conseguenza il marmo contiene il 95 % in peso di CaCO3. Il riscaldamento del marmo attraverso il laser provoca la decomposizione di CaCO3 alle temperature fra 825 e 950 °C.
CaCO3=CaO+CO2-42.52 kcal/mol
La ripartizione provoca calce viva (CaO) e anidride carbonica.
I sistemi HPDLs si possono utilizzare per la rimozione di vernice. Il meccanismo si identifica principalmente in un processo di combustione controllata dal laser a diodi e non in processi chimici , acustici ed ablativi incontrati con l’utilizzo degli altri laser. Il gas O2 viene usato nel processo per aiutare il processo di combustione. La profondità di rimozione della vernice (utilizzando gas O2 ) è 4 volte più alta del caso in cui si utilizza gas N2 o Ar. Quando il fascio del laser a diodi si spenge il processo di combustione si arresta. Il processo di combustione permette un continuo assorbimento del fascio che è normalmente minore del 2% per questo materiale. Fra potenza del laser ed il tasso di rimozione della vernice esiste una relazione lineare. Inoltre, la dimensione delle particelle di cenere aumentano con il crescere della densità di potenza del laser e diminuiscono con l'aumento del flusso di ossigeno che favorisce sia la combustione sia la vaporizzazione/ablazione. È stato fatto un confronto con altri laser (fig.22). I coefficienti di assorbimento, le soglie di ablazione ed il carico termico di questi laser sono confrontati in tabella 3. Si può osservare che il laser a diodi non presenta un vantaggio su questi aspetti, tuttavia, è portatile ed ha una maggiore efficienza come generatore di potenza. Questi vantaggi possono compensare la debolezza nell’assorbimento del fascio. In più, l'ablazione attraverso un laser eccimero mostra un problema di ri-deposizione ed ha un tasso di rimozione molto lento, mentre il laser CO2 produce residui che sono difficili da rimuovere ed i substrati si danneggiano molto facilmente (scabbled).Il laser Nd:YAG produce superfici molto ruvide con rimozione incompleta della vernice dovuto alla prevalenza di foto-ablazione piuttosto che di combustione. Il laser a diodi ha un controllo eccellente sulla profondità di rimozione (Fig.21) ed i residui prodotti possono essere estratti via facilmente . La robustezza e la trasferibilità del laser a diodi dà un vantaggio per questo tipo di applicazione.
è stato dimostrato che un laser a diodi ad onda continua di 100 W (CW) con una lunghezza d'onda di 810 nm ed un fuoco di 1 mm*0.5 mm può essere utilizzato per piegare dei fogli in lega d’alluminio (AlMg3), una lamiera d’acciaio St14 del corpo dell'automobile oppure un acciaio inossidabile di 0.5-2 mm. Il lavoro indica che l’effetto della diffusività termica del materiale dipende dallo spessore materiale. Un recente lavoro all’UMIST condotto da Lawrence usando un fascio laser a diodi rettangolare (6*6 mm2) di 2,5 kW su un acciaio dolce spesso 0,8 mm ha riscontrato che esiste una soglia minima (138 J/ mm) di densità d’energia al di sotto della quale non si può ottenere nessuna piegatura, indipendentemente dal numero di passate. Una relazione lineare che lega il numero di passate all'angolo di piegatura fino alle 55 passate si trova per densità d’energia della linea del laser inferiore a 260 J/ mm. Un confronto fra il laser a diodi ed i laser CO 2 / Nd: YAG per la piegatura si sta attualmente portando avanti dalla squadra d’UMIST.
Si sono fatti altri tentativi d’applicazioni come quello di usare HPDLs per il taglio e le applicazioni perforanti, nonostante la scarsa focalizzazione degli HPDLs. Queste si riferiscono principalmente a fogli sottili. I materiali studiati includono l'acciaio inossidabile (1 millimetro di spessore), l'acciaio dolce (0,5 millimetri di spessore), l'alluminio (0,25 millimetri di spessore), il rame (0,25 millimetri di spessore), la plastica, la carta ed il legno. Un rapporto dettagliato sull’effetto del taglio e della perforazione non è stato ancora presentato. La qualità del taglio non può essere buona quanto quella prodotta con i laser CO2 e Nd:YAG. Un problema comune è la grande larghezza del taglio e le grandi zone affette dal calore. Ciò si deve soprattutto alle dimensioni degli spot del fascio (normalmente superiori al diametro di 500 µm) degli HPDLs attualmente disponibili .Secondo Li ed altri il taglio con un HPDL del vetro attraverso microcracking controllato provoca un taglio migliore di quello ottenuto con i mezzi meccanici convenzionali . Un rivestimento per l’assorbimento è richiesto per i vetri chiari poiché sono trasparenti ai fasci degli HPDLs. A causa dell’alta qualità del fascio dei laser Nd:YAG pompati a diodo, questi stanno guadagnando sempre più interesse per le applicazioni di taglio, in particolare se si devono trattare parti tridimensionali . In fig. 22 vengono presentati i dati caratteristici di taglio per un acciaio dolce con una potenza di 600 W e di 1200 W con un diametro della fibra di 300 µm . Un'applicazione prominente di questi laser è il taglio tridimensionale di parti formate ad acqua come indicato in fig. 23.
Si riporta una tabella nella quale sono riassunte le applicazioni degli HPDLs ed i relativi aspetti salienti:
Applicazioni |
Caratteristiche |
Brasature |
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Trattamenti d’indurimento |
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Saldature/brasature |
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Fusione delle superfici |
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Marcatura |
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Machining |
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Sverniciatura |
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Sinterizzazione |
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Formatura |
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Cladding |
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Taglio e foratura |
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L’applicazione degli HPDL è stata focalizzata sia su processi tradizionali che richiedono potenze specifiche inferiori a 2*10^5 W/cm2, quali trattamenti superficiali, marcatura e saldatura per conduzione ,sia su nuove applicazioni come brasatura ,microsaldatura,sinterizzazione selettiva e lavorazioni su strutture di grosse dimensioni, realizzabili grazie alla trasportabilità del sistema.
Per quanto riguarda il comportamento del materiale trattato con questi laser, questi risulta differente da quello derivante dall’uso di altri laser ad alta potenza, per i seguenti aspetti:
Questi vantaggi sono il risultato di aspetti unici di tale tipologia di laser, come lunghezze d’onda più corte (miglior assorbimento del fascio da parte di molti materiali metallici) e migliore stabilità temporale (dovuta all’integrazione del fascio) .
L’impiego di laser di questo tipo per i processi elencati permette dunque migliori qualità, più affidabilità e ripetibilità dei risultati nel caso d’applicazioni che richiedono dimensioni degli spot superiori a 0.5 mm di diametro. Inoltre gli HPDL potrebbero essere particolarmente utili per
processi su alluminio dal momento che l’assorbimento del fascio ha un valore di picco proprio alle lunghezze d’onda di questo tipo di laser come si può osservare in figura 24.
Fig.24 Spettro di riflettanza per diverse superfici di materiali
Uno degli aspetti più importanti da curare nella produzione in serie è la ripetibilità.
È inoltre un fatto accertato che pur ponendosi nelle stesse condizioni di lavoro il risultato di più lavorazioni laser non è detto che fornisca gli stessi risultati. È stato però dimostrato che con i laser a diodi d’alta potenza è possibile ottenere in termini di ripetibilità risultati migliori che nel caso di laser a Nd:YAG. Questo aspetto insieme al fatto che i costi di funzionamento sono più bassi e la vita del laser in servizio è maggiore fa preferire questi laser nelle applicazioni per produzioni in serie, come ad esempio è stato per la brasatura dei connettori dei telefoni.
Altri vantaggi di questi laser sono:
I costi d’investimento sono già più bassi dei laser Nd:YAG e dei laser ad eccimeri mentre ci si aspetta che sarà più basso dei laser a CO2 in pochi anni. Questo sarà reso possibile dal fatto che la domanda per l’impiego in produzione di serie è in aumento. Nonostante gli innumerevoli vantaggi rispetto agli altri laser d’alta potenza, gli HPDL sono ancora limitati nelle applicazioni per parecchi svantaggi:
Quindi, si ribadisce che i laser a diodi d’alta potenza si prestano bene ad essere utilizzati per le brasature (fig.25),indurimento superficiale ,fusione ,saldature e vari trattamenti superficiali. Inoltre altri impieghi legati alla trasportabilità dell’impianto sono, come precedentemente detto, microsaldature ,brasature,sverniciatura,marcatura e rapid prototyping.
Questo risulta anche dall’esame della figura, dal momento che questi laser attualmente sono solo disponibili con potenza specifica massima pari a 2.6*10^5 W/cm2 e molti di essi operano in CW mode. Pertanto per ottenere alte potenze specifiche i laser tradizionali non risultano ancora sostituibili e quindi gli HPDL non si prestano ad essere utilizzati per taglio, foratura, marcatura di materiali metallici e micro-lavorazioni.
In base alla suddetta analisi, si può ragionevolmente valutare che gli HPDLs possibilmente competeranno pesantemente con la gamma ad alta potenza di laser CO2 per il trattamento e la saldatura di superfici per materiali metallici. Ciò si deve soprattutto alla migliore stabilità del fascio del HPDL, dell'assorbimento del fascio migliore da parte dei metalli, ai più piccoli formati fisici ed ai costi d’esercizio più bassi. Tuttavia, il laser CO2 sigillato, il laser CO2 con flusso assiale veloce presentano una migliore qualità e focalizzazione rispetto ai laser a diodi. I laser CO2 egualmente presenta il vantaggio di avere un fascio che viene bene assorbito dai materiali organici, di vetro e ceramica e sono relativamente indipendenti dal colore, per questo nei prossimi 5-10 anni si prevede che questi sistemi laser con una potenza minore di 4 kW domineranno il mercato del taglio ed il processo di materiali organici (per esempio polimero, tessile, carta, materiale del tessuto ed alimento), di vetro e di ceramica. I laser a diodi non presentano vantaggi significativi riguardo alla lunghezza d'onda rispetto ai laser Nd:YAG, anche se si è notato un migliore assorbimento del fascio per i materiali metallici . In più, i laser a diodi non possono produrre direttamente un fascio Q-switched, anche se lo possono fare i laser pompati da diodi semiconduttori. Di conseguenza, i laser Nd:YAG, in particolare quelli pompati a diodi, che presentano una migliore qualità del fascio ed una più elevata efficienza rispetto a quelli pompati ad arco (persino più elevati dei laser CO2) giocheranno un importante ruolo nel processare i materiali (perforazione, marcatura e micromachining ) dovuto alla possibilità da parte loro di produrre Q-switched . I laser Nd:YAG con pompaggio ad arco potranno trovare delle difficoltà a competere con i laser Nd:YAG pompati a diodo in avvenire per la loro più bassa efficienza e qualità del fascio . Di conseguenza, i laser a diodi già stanno sostituendo indirettamente i laser Nd:YAG convenzionali pompati ad arco. Tuttavia, il costo di questi laser è più del 100-500% superiore ai laser a diodi diretti. Per questa ragione, è previsto che i laser Nd:YAG daranno a loro volta spazio agli HPDLs. La loro incapacità nel produrre alti livelli di potenza ed impulsi molto brevi, li rendono incapaci di prendere il posto di laser a vapore di rame per le applicazioni di micromaching, anche se i laser pompati a diodi stanno iniziando a competere .Infatti, molti degli svantaggi suddetti degli HPDLs, quali la scarsa coerenza del fascio e l'asimmetria, possono essere sormontati con i laser Nd:YAG pompati a diodi. Inoltre, la trasferibilità degli HPDLs permetterebbe lo sviluppo di nuovi campi d’applicazioni quali il processo di materiali da costruzione e riparazioni in servizio. Non è da escludere che lo sviluppo futuro dei laser a diodi avrà come obiettivo la riduzione del M2 per permettere l'uso di una lunghezza focale più lunga ed il raggiungimento di formati del fascio più piccoli, e quindi di una densità di potenza più alta. Per quanto è stato detto un laser a diodi potrà essere utilizzato per processare i materiali, se e solo se questi sarà usato con il fine di economizzare, per l’efficienza d’energia e per l’affidabilità e la ripetibilità dei processi. I laser a diodi saranno usati in modo attivo negli anni futuri (5-10 anni) per l'indurimento, il rivestimento, la brasatura, la sverniciatura, la saldatura, per i processi desk top, per applicazioni portatili ed integrati con le macchine utensili convenzionali . Queste applicazioni, tuttavia, sono una piccola parte del mercato dei processi tramite laser che è ancora dominato dal taglio e dalla marcatura.Di conseguenza, nei prossimi 5-10 anni, l’uso diretto degli HPDLs nel mercato dei processi tramite laser passerà dallo 0,2% al 5%. Si prevede che oltre all'aumento diretto degli HPDL nelle percentuali del mercato, i laser Nd:YAG pompati a diodo egualmente aumentino notevolmente la loro percentuale d’uso nel mercato delle applicazioni. Anche se il mercato degli HPDL come mostrato in figura 26 nel 1999 ha subito un forte calo, al giorno d’oggi le vendite sono lievitate e per il futuro si ha una visione ottimistica pensando ad una riduzione di prezzo per unità ed ad una migliore consapevolezza delle possibili applicazioni da parte di questi laser.
L’industria tedesca occupa una posizione importante sia nello sviluppo delle tecnologie sia nelle applicazione in nuovi campi.
La produzione di sorgenti laser per processare i materiali (CO2 e NdYAG) è passata da 165.2 milioni di marchi tedeschi nel 1994 a 523.3 milioni di marchi tedeschi nel 1999, secondo una recente ricerca della VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau3) . Allo stesso tempo, l'esportazione delle sorgenti laser è aumentata passando da 65,5 milioni di marchi tedeschi a 189.2 milioni di marchi tedeschi. Quindi, il mercato mondiale per il manufacturing è coperto per 1/3 da laser tedeschi.Questo ruolo importante della Germania nel mercato dei laser è tra altro una conseguenza d’infrastrutture uniche e di programmi di ricerca avanzatissimi.Per elaborare delle valide fondamenta tecnico scientifiche ,per abbattere gli ostacoli per le attuali o le nuove applicazioni laser e per assicurare sempre una posizione competitiva della Germania nella tecnologia laser ci sono diversi progetti con obiettivi ben fissati:
A riguardo,per lo sviluppo di questa nuova tecnologia laser (HPDLs) il progetto più interessanti è il MDS.
Conclusioni
È stata presentata una revisione delle possibili applicazioni dei laser a diodi per il processo dei materiali. Sono state identificate molte caratteristiche speciali d’interazione degli HPDL con i materiali. Queste caratteristiche includono migliore finitura superficiale, minore zona di calore affetta, migliore assorbimento del fascio, migliori caratteristiche morfologiche, risultati più consistenti e ripetibili, poche crepe ed una minore generazione di porosità. Questi si devono all'integrazione multipla del fascio ed alla lunghezza d'onda più corta degli HPDLs rispetto ai laser CO2 e Nd:YAG . In più, gli HPDLs presentano il vantaggio di avere potenzialmente un costo più basso, un’elevata efficienza, una più elevata attendibilità, una vita utile più lunga.Gli HPDLs sono ideali per i trattamenti superficiali e le applicazioni di saldatura. Altre applicazioni portatili e desktop includono la saldatura, la micro-saldatura, la brasatura,la marcatura, la sverniciatura, prototyping veloce e machining. Le debolezze dei laser ad alta potenza a diodi includono l’alta divergenza del fascio , la dipendenza dell’assorbimento del fascio dai colori del pezzo in lavorazione e la difficoltà nel produrre un fascio d’elevata potenza pulsato per un tempo breve (Q-switching). Queste ragioni impediscono di competere direttamente con altri laser d’alta potenza per il taglio, per la perforazione, per la marcatura di materiali metallici e per le micro-machining. Tuttavia, i laser pompati a diodo possono sormontare molte delle suddette debolezze degli HPDLs. Di conseguenza, gli HPDLs possono anche competere con altri laser per processare materiali entrando a far parte integrante di questi.
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Fonte: http://www.uniroma2.it/didattica/tbs2/deposito/Laser_a_diodi.doc
Sito web da visitare: http://www.uniroma2.it
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