大功率半導體激光器及其在工業(yè)加工中的應用

1、High Power Diode Laser（HPDL）在工業(yè)加工中的應用在工業(yè)加工中的應用 胡永生胡永生Outlines1. HPDL研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀2. 各工業(yè)加工用激光器各工業(yè)加工用激光器 3. 激光加工特點激光加工特點 4. 激光作用下物態(tài)變化過程激光作用下物態(tài)變化過程 5. 影響激光加工因素影響激光加工因素 6. 市場規(guī)模及發(fā)展前景市場規(guī)模及發(fā)展前景7. 主要公司信息主要公司信息 2000年年 單條超過單條超過100 W, 40%60%,壽命長達壽命長達10 000 h. 美國國防高技術研究計劃署美國國防高技術研究計劃署(DARPA)于于2003年啟年啟動了超高效率半導體激光源項目動

2、了超高效率半導體激光源項目(super high efficiency diode source, SHEDS),目標是將功率目標是將功率轉換效率提升到轉換效率提升到80%以上以上. 德國也在德國也在1998啟動了為期啟動了為期5年的名為年的名為 Modular Diode Laser tools 的大型項目的大型項目. 目前單條器件輸出功率已經達到目前單條器件輸出功率已經達到500 W以上以上,功率功率轉換效率超過轉換效率超過70%. 1. HPDL研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 2. 各工業(yè)加工用激光器各工業(yè)加工用激光器 表表1 工業(yè)用激光器主要參數(shù)工業(yè)用激光器主要參數(shù) 圖圖1 各類激光器光束質量各類激

3、光器光束質量 圖圖2 工業(yè)加工用工業(yè)加工用HPDL結構結構 3. 激光加工特點激光加工特點 1）無接觸加工，激光束的能量及其移動速度均可調，可以實）無接觸加工，激光束的能量及其移動速度均可調，可以實 現(xiàn)多種加工現(xiàn)多種加工 的目的；的目的；2）可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、）可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、 高脆性及高熔點的材料；高脆性及高熔點的材料；3）激光加工過程中無）激光加工過程中無“刀具刀具”磨損，無磨損，無“切削力切削力”作用于工作用于工件；件；4）激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且）激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并

4、且 是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小. 因此，其因此，其 熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工少；熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工少；5）生產效率高，加工質量穩(wěn)定可靠，經濟效益和社會效好；）生產效率高，加工質量穩(wěn)定可靠，經濟效益和社會效好；6）可通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工，同時）可通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工，同時 也可滿足水下加工等復雜加工環(huán)境的要求；也可滿足水下加工等復雜加工環(huán)境的要求；7）由于激光束易于導向，因此是一種極為靈活的加工方式）由于激光束易于導向，因此是一種極為靈活的加工方式. 除具有一般激光加工

5、的優(yōu)點外，除具有一般激光加工的優(yōu)點外，HPDL加工加工還具有其獨特的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：還具有其獨特的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：1）光電轉換效率高達）光電轉換效率高達40%，是燈泵，是燈泵Nd-YAG激激 光器的光器的10倍以上，體積小，是燈泵倍以上，體積小，是燈泵Nd- YAG激光器的激光器的1/5，壽命長，可達，壽命長，可達100000 小時以上；小時以上；2）維護費用低維護費用低，是燈泵，是燈泵Nd-YAG激光器的一半激光器的一半. 4. 激光作用下物態(tài)變化過程激光作用下物態(tài)變化過程 金屬材料的激光加工主要是基于金屬材料的激光加工主要是基于光熱效光熱效應應的熱加工的熱加工,激光輻照材料表面時激光輻

6、照材料表面時,在不同功率在不同功率密度下密度下,材料表面區(qū)域將發(fā)生各種不同的變化材料表面區(qū)域將發(fā)生各種不同的變化.這些變化包括這些變化包括表面溫度升高表面溫度升高、熔化熔化、氣化氣化、形成匙孔形成匙孔以及以及產生光致等離子體等產生光致等離子體等.而且而且,材料材料表面區(qū)域物理狀態(tài)的變化極大的影響材料對表面區(qū)域物理狀態(tài)的變化極大的影響材料對激光的吸收激光的吸收. 功率密度較低時功率密度較低時( )和加長作用時間和加長作用時間,材料表面不僅熔化材料表面不僅熔化,而且而且汽化汽化,汽化物聚集在材料表面汽化物聚集在材料表面附近并微弱的電離形成附近并微弱的電離形成等離子體等離子體,這種稀薄等離子體這種稀

7、薄等離子體有助于材料對激光的吸收有助于材料對激光的吸收.在汽化膨脹壓力下在汽化膨脹壓力下,液態(tài)表液態(tài)表面變形面變形,形成凹坑形成凹坑.這一階段可以用于這一階段可以用于激光焊接激光焊接. 再進一步提高功率密度再進一步提高功率密度( )和加長輻照時和加長輻照時間間,材料表面材料表面強烈汽化強烈汽化,從形成從形成較高電離度的等離子體較高電離度的等離子體,這種致密的等離子體可逆著光束入射方向傳輸這種致密的等離子體可逆著光束入射方向傳輸,對激對激光有屏蔽作用光有屏蔽作用,大大降低激光入射到材料內部的能量大大降低激光入射到材料內部的能量密度密度.在較大的蒸氣反作用力下在較大的蒸氣反作用力下,熔化的金屬內部

8、形成熔化的金屬內部形成小孔小孔(匙孔匙孔),匙孔的存在有利于材料對激光的吸收匙孔的存在有利于材料對激光的吸收.這一這一階段可用于階段可用于激光深熔焊接激光深熔焊接、切割和打孔切割和打孔、沖擊硬化等沖擊硬化等.6210 W/cm7210 W / cm5. 影響激光加工因素影響激光加工因素 激光器方面激光器方面：波長、輸出功率、功率密度、光束質：波長、輸出功率、功率密度、光束質量、模式特性、偏振特性等；量、模式特性、偏振特性等； 工藝方面工藝方面：焦點位置、光斑大小、加工（送料）速：焦點位置、光斑大小、加工（送料）速度、輔助氣體、噴嘴形狀等；度、輔助氣體、噴嘴形狀等； 材料方面材料方面：表面光潔度

9、、吸收率、熔沸點、熱膨脹：表面光潔度、吸收率、熔沸點、熱膨脹特性、熱傳導特性等特性、熱傳導特性等. 對激光加工研究的任務就在于對激光加工研究的任務就在于：通過分析各種待加：通過分析各種待加工材料在不同光束特性和工藝條件下的加工效果，工材料在不同光束特性和工藝條件下的加工效果，得出最優(yōu)化的加工條件，以降低加工成本、提高加得出最優(yōu)化的加工條件，以降低加工成本、提高加工質量和效率工質量和效率. 6. 市場規(guī)模及發(fā)展前景市場規(guī)模及發(fā)展前景 目前中國激光加工設備產量正以平均每年目前中國激光加工設備產量正以平均每年20的速度增長的速度增長. 06年國內激光加工設備銷售額超過年國內激光加工設備銷售額超過20

10、億元億元. 02-07中國激光產業(yè)中國激光產業(yè)市場規(guī)模從市場規(guī)模從28.62億元億元增長到增長到58億元億元，年均增幅達到，年均增幅達到15%，高，高于世界激光產業(yè)平均增長率于世界激光產業(yè)平均增長率. 中國激光加工產品市場發(fā)展勢頭強勁，已在全國幾十個城市建中國激光加工產品市場發(fā)展勢頭強勁，已在全國幾十個城市建立了立了100多個多個面向企業(yè)服務的激光加工工作站，面向企業(yè)服務的激光加工工作站，華中地區(qū)華中地區(qū)、環(huán)、環(huán)渤海灣、長江三角洲、珠江三角洲渤海灣、長江三角洲、珠江三角洲4大激光產業(yè)群基本形成，大激光產業(yè)群基本形成，年增長率超過年增長率超過30. 國際市場，國際市場，07年全球商業(yè)激光器收入達

11、到年全球商業(yè)激光器收入達到68.9億美元億美元，預計，預計08年達到年達到74億美元億美元. 從從02年到年到07年全球激光產業(yè)市場規(guī)模從年全球激光產業(yè)市場規(guī)模從43億億美元美元增長到增長到68.9億美元億美元，年漲幅達，年漲幅達8%. 摘自摘自laser focus world等等表表2 9906中國激光產品市場銷售情況中國激光產品市場銷售情況 國國 內內公司公司簡要信息簡要信息公司主頁公司主頁深圳大族激光深圳大族激光中國激光裝備行業(yè)的領軍企業(yè)中國激光裝備行業(yè)的領軍企業(yè)http:/www.hans- 推出由推出由Rofin- Sinar公司的元器件制造的千瓦及系的公司的元器件制造的千瓦及系的CO2激光器激光器. http:/www.eastern- http:/www.unity- 外外德國德國Rofin-Sinar世界工業(yè)激光設計與制造的領導者世界工業(yè)激光設計與制造的領導者,產品包括產品包括CO2,固體和半導體激固體和半導體激光器光器,市值最高市值最高,為為14億美元億美元http:/www.rofin- Hegner聯(lián)合聯(lián)合,在上海建立了在上海建立了Trumpf Siber Hegner公司公司,集