大功率半导体激光器及其在工业加工中的应用.ppt

HighPowerDiodeLaser 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100W 40 60 寿命长达10000h 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 superhighefficiencydiodesource 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 ModularDiodeLasertools 的大型项目 目前单条器件输出功率已经达到500W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 辐照时间较短时 金属吸收的激光能量只能引起材料由表及里温度升高 但维持固相不变 主要用于零件退火和相变硬化处理 随着功率密度的提高 和辐照时间的加长 材料表层逐渐熔化 随输入能量增加 液 固相分界面逐渐向材料深部移动 这种物理过程主要用于金属的表面重熔 合金化 熔覆和热导型焊接 进一步提高功率密度 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laserfocusworld等 表299 06中国激光产品市场销售情况 谢谢