大功率半导体激光器及其在工业加工中的应用

1、High Power Diode Laser（HPDL）在工业加工中的应用在工业加工中的应用 胡永生胡永生Outlines1. HPDL研究现状研究现状2. 各工业加工用激光器各工业加工用激光器 3. 激光加工特点激光加工特点 4. 激光作用下物态变化过程激光作用下物态变化过程 5. 影响激光加工因素影响激光加工因素 6. 市场规模及发展前景市场规模及发展前景7. 主要公司信息主要公司信息 2000年年 单条超过单条超过100 W, 40%60%,寿命长达寿命长达10 000 h. 美国国防高技术研究计划署美国国防高技术研究计划署(DARPA)于于2003年启年启动了超高效率半导体激光源项目动

2、了超高效率半导体激光源项目(super high efficiency diode source, SHEDS),目标是将功率目标是将功率转换效率提升到转换效率提升到80%以上以上. 德国也在德国也在1998启动了为期启动了为期5年的名为年的名为 Modular Diode Laser tools 的大型项目的大型项目. 目前单条器件输出功率已经达到目前单条器件输出功率已经达到500 W以上以上,功率功率转换效率超过转换效率超过70%. 1. HPDL研究现状研究现状 2. 各工业加工用激光器各工业加工用激光器 表表1 工业用激光器主要参数工业用激光器主要参数 图图1 各类激光器光束质量各类激

3、光器光束质量 图图2 工业加工用工业加工用HPDL结构结构 3. 激光加工特点激光加工特点 1）无接触加工，激光束的能量及其移动速度均可调，可以实）无接触加工，激光束的能量及其移动速度均可调，可以实 现多种加工现多种加工 的目的；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、）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；高脆性及高熔点的材料；3）激光加工过程中无）激光加工过程中无“刀具刀具”磨损，无磨损，无“切削力切削力”作用于工作用于工件；件；4）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并

4、且 是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小. 因此，其因此，其 热影响区小，工件热变形小，后续加工少；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；）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）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；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）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

5、的优点外，除具有一般激光加工的优点外，HPDL加工加工还具有其独特的优点，主要表现在：还具有其独特的优点，主要表现在：1）光电转换效率高达）光电转换效率高达40%，是灯泵，是灯泵Nd-YAG激激 光器的光器的10倍以上，体积小，是灯泵倍以上，体积小，是灯泵Nd- YAG激光器的激光器的1/5，寿命长，可达，寿命长，可达100000 小时以上；小时以上；2）维护费用低维护费用低，是灯泵，是灯泵Nd-YAG激光器的一半激光器的一半. 4. 激光作用下物态变化过程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金属材料的激光加工主要是基于光热效光热效应应的热加工的热加工,激光辐照材料表面时激光辐

6、照材料表面时,在不同功率在不同功率密度下密度下,材料表面区域将发生各种不同的变化材料表面区域将发生各种不同的变化.这些变化包括这些变化包括表面温度升高表面温度升高、熔化熔化、气化气化、形成匙孔形成匙孔以及以及产生光致等离子体等产生光致等离子体等.而且而且,材料材料表面区域物理状态的变化极大的影响材料对表面区域物理状态的变化极大的影响材料对激光的吸收激光的吸收. 功率密度较低时功率密度较低时( )和加长作用时间和加长作用时间,材料表面不仅熔化材料表面不仅熔化,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电离形成附近并微弱的电离形成等离子体等离子体,这种稀薄等离子体这种稀

7、薄等离子体有助于材料对激光的吸收有助于材料对激光的吸收.在汽化膨胀压力下在汽化膨胀压力下,液态表液态表面变形面变形,形成凹坑形成凹坑.这一阶段可以用于这一阶段可以用于激光焊接激光焊接. 再进一步提高功率密度再进一步提高功率密度( )和加长辐照时和加长辐照时间间,材料表面材料表面强烈汽化强烈汽化,从形成从形成较高电离度的等离子体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这种致密的等离子体可逆着光束入射方向传输,对激对激光有屏蔽作用光有屏蔽作用,大大降低激光入射到材料内部的能量大大降低激光入射到材料内部的能量密度密度.在较大的蒸气反作用力下在较大的蒸气反作用力下,熔化的金属内部

8、形成熔化的金属内部形成小孔小孔(匙孔匙孔),匙孔的存在有利于材料对激光的吸收匙孔的存在有利于材料对激光的吸收.这一这一阶段可用于阶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、冲击硬化等冲击硬化等.6210 W/cm7210 W / cm5. 影响激光加工因素影响激光加工因素 激光器方面激光器方面：波长、输出功率、功率密度、光束质：波长、输出功率、功率密度、光束质量、模式特性、偏振特性等；量、模式特性、偏振特性等； 工艺方面工艺方面：焦点位置、光斑大小、加工（送料）速：焦点位置、光斑大小、加工（送料）速度、辅助气体、喷嘴形状等；度、辅助气体、喷嘴形状等； 材料方面材料方面：表面光洁度

9、、吸收率、熔沸点、热膨胀：表面光洁度、吸收率、熔沸点、热膨胀特性、热传导特性等特性、热传导特性等. 对激光加工研究的任务就在于对激光加工研究的任务就在于：通过分析各种待加：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，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工质量和效率. 6. 市场规模及发展前景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目前中国激光加工设备产量正以平均每年20的速度增长的速度增长. 06年国内激光加工设备销售额超过年国内激光加工设备销售额超过20

10、亿元亿元. 02-07中国激光产业中国激光产业市场规模从市场规模从28.62亿元亿元增长到增长到58亿元亿元，年均增幅达到，年均增幅达到15%，高，高于世界激光产业平均增长率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立了100多个多个面向企业服务的激光加工工作站，面向企业服务的激光加工工作站，华中地区华中地区、环、环渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲4大激光产业群基本形成，大激光产业群基本形成，年增长率超过年增长率超过30. 国际市场，国际市场，07年全球商业激光器收入达

11、到年全球商业激光器收入达到68.9亿美元亿美元，预计，预计08年达到年达到74亿美元亿美元. 从从02年到年到07年全球激光产业市场规模从年全球激光产业市场规模从43亿亿美元美元增长到增长到68.9亿美元亿美元，年涨幅达，年涨幅达8%. 摘自摘自laser focus world等等表表2 9906中国激光产品市场销售情况中国激光产品市场销售情况 国国 内内公司公司简要信息简要信息公司主页公司主页深圳大族激光深圳大族激光中国激光装备行业的领军企业中国激光装备行业的领军企业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- 外外德国德国Rofin-Sinar世界工业激光设计与制造的领导者世界工业激光设计与制造的领导者,产品包括产品包括CO2,固体和半导体激固体和半导体激光器光器,市值最高市值最高,为为14亿美元亿美元http:/www.rofin- Hegner联合联合,在上海建立了在上海建立了Trumpf Siber Hegner公司公司,集