大功率半导体激光器及其在工业加工中的应用.pptVIP

High Power Diode Laser（HPDL ） 在工业加工中的应用 胡永生 Outlines 1. HPDL研究现状 2. 各工业加工用激光器 3. 激光加工特点 4. 激光作用下物态变化过程 5. 影响激光加工因素 6. 市场规模及发展前景 7. 主要公司信息 2000年 单条超过100 W, 40%60%,寿命长达10 000 h. 美国国防高技术研究计划署(DARPA)于2003年启 动了超高效率半导体激光源项目(super high efficiency diode source, SHEDS),目标是将功率 转换效率提升到80%以上. 德国也在1998启动了为期5年的名为 Modular Diode Laser tools 的大型项目. 目前单条器件输出功率已经达到500 W以上,功率 转换效率超过70%. 1. HPDL研究现状 2. 各工业加工用激光器 表1 工业用激光器主要参数 图1 各类激光器光束质量 图2 工业加工用HPDL结构 3. 激光加工特点 1）无接触加工，激光束的能量及其移动速度均可调，可以实 现多种加工 的目的； 2）可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、 高脆性及高熔点的材料； 3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件； 4）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且 是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小. 因此，其 热影响区小，工件热变形小，后续加工少； 5）生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效好； 6）可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工，同时 也可满足水下加工等复杂加工环境的要求； 7）由于激光束易于导向，因此是一种极为灵活的加工方式. 除具有一般激光加工的优点外，HPDL加工 还具有其独特的优点，主要表现在： 1）光电转换效率高达40%，是灯泵Nd-YAG激 光器的10倍以上，体积小，是灯泵Nd- YAG激光器的1/5，寿命长，可达100000 小时以上； 2）维护费用低，是灯泵Nd-YAG激光器的一半 . 4. 激光作用下物态变化过程 金属材料的激光加工主要是基于光热效 应的热加工,激光辐照材料表面时,在不同功率 密度下,材料表面区域将发生各种不同的变化. 这些变化包括表面温度升高、熔化、气化、 形成匙孔以及产生光致等离子体等.而且,材料 表面区域物理状态的变化极大的影响材料对 激光的吸收. 功率密度较低时( )和加长作用时间, 材料表面不仅熔化,而且汽化,汽化物聚集在材料表面 附近并微弱的电离形成等离子体,这种稀薄等离子体有 助于材料对激光的吸收.在汽化膨胀压力下,液态表面 变形,形成凹坑.这一阶段可以用于激光焊接. 再进一步提高功率密度( )和加长辐照时 间,材料表面强烈汽化,从形成较高电离度的等离子体, 这种致密的等离子体可逆着光束入射方向传输,对激光 有屏蔽作用,大大降低激光入射到材料内部的能量密度 .在较大的蒸气反作用力下,熔化的金属内部形成小孔( 匙孔),匙孔的存在有利于材料对激光的吸收.这一阶段 可用于激光深熔焊接、切割和打孔、冲击硬化等. 5. 影响激光加工因素 激光器方面：波长、输出功率、功率密度、光束质 量、模式特性、偏振特性等； 工艺方面：焦点位置、光斑大小、加工（送料）速 度、辅助气体、喷嘴形状等； 材料方面：表面光洁度、吸收率、熔沸点、热膨胀 特性、热传导特性等. 对激光加工研究的任务就在于：通过分析各种待加 工材料在不同光束特性和工艺条件下的加工效果， 得出最优化的加工条件，以降低加工成本、提高加 工质量和效率. 6. 市场规模及发展前景 目前中国激光加工设备产量正以平均每年20的速度增长. 06 年国内激光加工设备销售额超过20亿元. 02-07中国激光产业市 场规模从28.62亿元增长到58亿元，年均增幅达到15%，高于 世界激光产业平均增长率. 中国激光加工产品市场发展势头强劲，已在全国几十个城市建 立了100多个面向企业服务的激光加工工作站，华中地区、环 渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲4大激光产业群基本形成， 年增长率超过30. 国际市场，07年全球商业激光器收入达到68.9亿美元，预计08 年达到74亿美元. 从02年到07年全球激光产业市场规模从43亿 美元增长到68.9亿美元，年涨幅达8%. 摘自laser focus world等 表2 9906中国激光产品市场销售情况 国 内 公司简要信息公司主页 深圳大族激光中国激光装备行业的领军企业/ 武汉楚天激光工业激光、医疗激光、激光加工 建有中国规模最大的激光加工站和 全球最大的激光工艺品生产基地 / 武汉华工激光激光加工整体解决方案的权威提供 商 /t est/hglaser/china/index2. asp 武汉光谷激光主要开发生产和销售千瓦级CO2激 光器及各类激光加工系统 /cn/ 南京东方激光一家南京国营772厂与美国SIDA的 合资公司, 推出由Rofin- Sinar 公司的元器件制造的千瓦及系的 CO2激光器. http:/www.eastern- / 上海团结激光中意合资，国内最大的大功率激光 切割与焊接设备制造商，国内激 光加工装备行业中产品品种最全 、技术最优、规模最大的高科技 股份制企业. http:/www.unity- /newEbiz1/Eb izPortalFG/portal/html/i ndex.html 国 外 德国Rofin-Sinar世界工业激光设计与制造的领导者, 产品包括CO2,固体和半导体激光 器,市值最高,为14亿美元 http:/www.rofin- /index-e.htm 德国Trumpf产值占全球第一,也与瑞士营销集团 Siber Hegner联合,在上海建立了 Trumpf Siber Hegner公司,集中精 力开发核心产品用于激光切割 、打孔和成型的机床,并在江苏省 建立激光加工中心. http:/www.trumpf- / 德国Dilas全球领先的HPDL供应商http:/www.dilas.de 德国Laserline主要生产半导体激光器 / 美国Coherent世界第一大激光器及相关光电子产 品生产商, 能提供全面的激光器 和激光参数测量产品 / 德国IPG