藍光雷射在加工應用上之優勢

作者:

宋育誠、蘇信嘉、林士廷

刊登日期:2022/01/27

摘要:藍光雷射波長落在400 nm~500 nm,由於有色金屬(高反射材料)對此波段之吸收率極高,以銅金屬為例,相比近紅外波長最高可達65%以上的吸收效果。當高功率藍光雷射首度於2017年被提出時,隨即引起產業界的高度關注,除了關注持續提升雷射功率與亮度之外,伴隨各種藍光雷射的產業應用分析研究與優勢逐漸被認可。本文將由雷射金屬銲接的原理說明藍光雷射如何在有色金屬(金、銀、銅、鋁)加工上具備優勢,並介紹藍光在產業應用成效與未來發展趨勢。
Abstract:The wavelength of blue laser is around 400 nm to 500 nm. Due to its extremely high absorption rate for non-ferrous metals (highly reflective materials), taking copper as an example, the absorption effect can reach up to 65% or more. Therefore, when high-power blue laser was first proposed in 2017, it immediately attracted great attention from the industry. In addition to the continuous improvement of laser power and brightness by laser source manufacturers, various industrial application analysis and advantages of blue laser are gradually being recognized. This article will describe how blue laser achieve its advantages in processing non-ferrous metals (gold, silver, copper, aluminum) based on the principle of laser metal welding procedure, and introduce the effects of blue laser in the industrial applications and its future development trends.

關鍵詞:藍光雷射、有色金屬、金屬銲接
Keywords:Blue laser, Non-ferrous metals, Metal welding

前言
雷射模組為所有高科技製造的關鍵組件之一,其成長推力包括5G物聯網、車聯網、智慧製造、智慧城市與汽車智慧自動駕駛等類消費性電子產品及大量啟用3D感測技術(VCSELs)、醫療與美容產業需求激增。巨觀雷射應用(Macro-processing):使用千瓦級雷射進行雷射切割(Cutting)、雷射銲接(Welding/Braze)與積層製造(Additive Manufacturing),而2020年巨觀雷射應用產值29.05億美元,占整體雷射工業應用56.3%,其持續成長的原因是汽車、航太、積層製造等大高功率千瓦級光纖雷射需求持續增加。
隨著全球對於環保意識的重視,電動車是各國政府重點輔導的產業,許多國家已經設下燃油車退場的時間點,在電動車相關市場到達一定經濟規模後,成本將有可觀下降,其中電動車電池模組佔成本50%,而製程加工成本佔其23%,過去電動車市場以北美與日本地區為主,因此主要大廠多以美日業者為主。但因近年中國受惠於政策支持,大力推動新能源車政策、並給予補助津貼,成為全球最大市場,除了帶動電動車產業鏈發展,也驅使各國際大廠相繼至中國設立電動車或電池工廠,同時生產電池和組裝車輛。而許多國際大廠與中國本土車商合作,如 Audi 奧迪與中國一汽、BMW 寶馬與長城汽車以及 Daimler 戴姆勒與北汽,都是簽署商業計畫或合作意向書,合作生產並加強各種策略整合。根據彭博 (Bloomberg)預估,全球電動車市場到 2030 年將達 3 千萬輛、2040 年更將達到 6 千萬輛,占新車總市場 55%。
而藍光雷射在有色金屬(金、銀、銅、鋁)材料加工中,具備極高的熔池穩定吸收特性,非常適合上述金屬加工需求,加上未來5G發展與電動車組件:在含銅材料的產品加工,諸如超薄銅散熱管及超薄銅均熱板成型、微型PCB板銅銲及鋰電池製造與銅、鋁等異質金屬應用,藍光雷射被視為下一代新星產品之一,將有助於發展高品質、高產速的藍光雷射銲接與加工製程,部分取代目前主流近紅外光NIR(near-infrared)雷射製程。
本文將先介紹直接半導體到藍光雷射的發展,並於文中由銲接模式論述藍光雷射於高反射金屬加工所具備之優勢,以及藍光雷射在銲接過程中展現的加工效果,最後講述藍光雷射在於產業之應用現況與未來發展趨勢及其重要性。
直接半導體雷射發展
Laser Systems Europe (2019/03):Bright future for fiber lasers一文中點出到目前為止高功率光纖雷射在其當前開發第一階段已提供了足夠原始功率,為現有設備提供服務應用。其中傳輸用光纖是可控低損耗的波導技術具備許多不同的屬性,目前為止仍未得到充分探索,包括:穩定模式下光形多變的空間特徵,或是通過設計不同摻雜比例的增益介質至寬光譜輸出、非線性和多種極化光狀態,這些都代表了使用光波導於雷射工程具有多元高效的可能性,因而驅使了下一階段高功率雷射源開發-即演進到所謂的直接半導體雷射輸出。在該階段內智慧化的導入、能量穩定、節能電光高效轉換與可易於操控等功能將被強化,打造具有附加功能、自由度高可重新配置參數的雷射引擎製造工具,先進的加工過程監控介面或相關技術,可滿足新興數位製造時代的要求。有望擴大並轉型傳統工業其應用空間,從而進一步提高直接半導體光雷射的市場滲透率。
直接驅動式半導體雷射源(Direct Diode Laser, DDL)作為下世代雷射光源,方法是直接驅動半導體雷射,將電能直接轉化為光能量輸出,減少了複雜的共振腔和反射組件系統光學設計,所以DDL雷射源的電功消耗更低,光電轉化效率更高,可有效降低耗電量,大幅降低生產成本。
而在許多工業應用中,雖然近紅外光(波長1 μm)雷射已能滿足大部分的雷射加工,但對於高反射特性材料而言,其對近紅外光雷射的吸收率偏低所造成[1],導致加工過程不穩定。參考文獻[1]中為常見有色金屬(金、銀、銅、鋁)對不同雷射波長之吸收率值,該四種有色金屬在藍光波段的吸收率較紅外光高約5~13倍,因此可知若使用藍光雷射於部分加工能有效突顯其優異性。
藍光雷射發展
藍光半導體雷射於1990年即開始發展,起初受限於材料技術及製造技術的關係,單個藍光二極體的功率受到發射源面積大小的限制,而僅能輸出相對較低的功率。隨著材料與開發技術的進步,目前藍光雷射二極體主要使用半導體材料為氮化鎵(GaN),受益於過去微光學透鏡耦光技術的成熟,搭配光纖光學空間模擬軟體分析,工程師設計並整合藍色雷射二極體雷射輸出模組的系統[2][3],創造出了適合工業應用之高功率光纖輸出的藍光雷射源。
2017年高功率藍光半導體雷射首度由德國雷射開發商Laserline提出後,隨即引起市場上眾多雷射使用端的關注,人們開始對其在工業應用上能帶來的效益產生極大興趣。目前高功率藍光雷射製造商主要為德國Laserline與美國NUBURU,兩家公司的技術特點在於,Laserline在總功率佔有優勢,商業化產品已達到2 kW藍光於600 μm光纖中輸出;NUBURU在光束品質是其強項,可於125 μm光纖中輸出1.5 kW藍光,估計亮度最大達到Laserline產品17倍左右,為目前市售亮度最高的藍光雷射源。分析兩家產品皆使用集中式自由空間耦光,各有不同設計思維,也相對存在極限,以下將探討這兩家領導廠商的技術,並分析工研院雷射中心預計採用分散式光纖耦光架構的技術特點與優勢。

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