高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用

陳安新

（濟(jì)寧市技師學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272000）

在進(jìn)行不同型號(hào)金屬材料的焊接過(guò)程中，通過(guò)高功率半導(dǎo)體激光器的有效應(yīng)用，能夠保證焊接過(guò)程的連續(xù)性，做好大面積的硬化處理，保證硬化層的深度處于均勻狀態(tài)，半導(dǎo)體激光器能夠精準(zhǔn)的控制金屬材料的最終形態(tài)，調(diào)節(jié)好熔覆層的整體結(jié)構(gòu)。通過(guò)激光器功率的有效轉(zhuǎn)換，能夠全面降低金屬材料的加工成本，但其高功率發(fā)展會(huì)影響到加工流程的穩(wěn)定性，因此，需要結(jié)合高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用情況，了解高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)。

1 高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)

高功率半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)，需要建立能夠負(fù)擔(dān)起kW功率的系統(tǒng)作為支撐，高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)包括冷卻、襯墊和光束三個(gè)構(gòu)成部分，通過(guò)耦合技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)激光器的組裝。

1.1 二極管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的建立，首先需要做好商用二極管系統(tǒng)，以能夠負(fù)擔(dān)3kW功率的半導(dǎo)體激光器為例：包含光學(xué)系統(tǒng)的激光頭尺寸為580x180x155（mm），除此之外，要延續(xù)半導(dǎo)體激光器重量輕便的特點(diǎn)，將設(shè)備控制在15kg左右，在進(jìn)行組裝電源選擇的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定的材料標(biāo)準(zhǔn)，冷卻系統(tǒng)中的冷卻器安裝需要結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行安裝流程的制定。雖然實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率的提升，但成品與傳統(tǒng)激光器相比，重量和體積都有所減小，在工作過(guò)程中需要控制好，系統(tǒng)的使用距離與聚焦點(diǎn)之間的關(guān)系，假設(shè)以1/e2-標(biāo)準(zhǔn)為參照，在使用長(zhǎng)焦距鏡片時(shí)能夠得到的聚焦點(diǎn)更為明顯，高功率半導(dǎo)體激光器的光束剖面圖，將呈現(xiàn)出慢軸矩形頂部帽狀輪廓，快軸出現(xiàn)高斯分布的情況。

通過(guò)對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器，光束剖面圖的實(shí)際測(cè)量，可以得到結(jié)論，與傳統(tǒng)的激光器相比，光束的整體質(zhì)量得到了顯著提升，這是由于在系統(tǒng)制造的過(guò)程中，采用了光束重組技術(shù)，通過(guò)耦合加工的形式，將單元融合到光纖中，讓耦合單元與激光頭進(jìn)行組合，組合的過(guò)程更加便利。激光器產(chǎn)生的能量波動(dòng)，能夠直接通過(guò)光纖傳輸?shù)郊庸ぶ行?，通過(guò)光纖技術(shù)的有效應(yīng)用，在聚焦平面上得到高功率激光束，工作人員需要調(diào)整好，準(zhǔn)直鏡和物鏡之間的焦距比例，使其更加適合光斑的整體尺寸。在使用過(guò)程中不應(yīng)用光斑尺寸時(shí)，聚焦比例有更多的調(diào)整方案，能夠保證激光器的發(fā)散性作用，保證發(fā)散效果，采用合理的光耀增加方案進(jìn)行激光棒亮度、功率的有效調(diào)節(jié)。得到激光棒、空間多路技術(shù)、偏振多路技術(shù)、波長(zhǎng)多路技術(shù)的使用參數(shù)，并通過(guò)空間多路技術(shù)的有效應(yīng)用，完成激光束的重組工作，計(jì)算出泵浦固態(tài)激光器的使用參數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生許多獨(dú)立存在的激光源，彼此之間接合到一起，處于不連貫的組合形式下，想要實(shí)現(xiàn)激光轉(zhuǎn)移，需要制定全新的數(shù)據(jù)處理方法。

1.2 與傳統(tǒng)激光器之間的差距

（1）功能特點(diǎn)的角度分析。新型的高功率半導(dǎo)體激光器加工形式與傳統(tǒng)的激光器加工形式相比，具有體重輕、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等明顯的使用優(yōu)勢(shì)，能夠全面提高激光系統(tǒng)的應(yīng)用成果，由于激光器體積較小，所需要的能源量較低，能夠有效達(dá)到降低能耗的目的。同時(shí)改變傳統(tǒng)激光器固定處理方式，降低人力、物力的損耗，能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行金屬材料的加工維修，通過(guò)移動(dòng)工作站的形式，擴(kuò)展使用范圍，全面提高工作成效，由于金屬的吸收力較強(qiáng)，在高功率半導(dǎo)體激光器使用的過(guò)程中，能夠?qū)⒓す獾牟ㄩL(zhǎng)控制在1千納米左右的近紅外波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，保障鋁和合金等金屬材料的吸收率。高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保其輸出功率與其他激光器相比，更加適合金屬材料的表面加工工作，例如：高功率半導(dǎo)體激光器使用過(guò)程中產(chǎn)生的增益介質(zhì)，能夠通過(guò)組合的形式，形成以激光單管為主的固態(tài)結(jié)構(gòu)形式，有效預(yù)防氣態(tài)增益介質(zhì)不均問(wèn)題的出現(xiàn)，全面提高激光束質(zhì)量。

（2）從實(shí)際應(yīng)用的角度分析。高功率半導(dǎo)體激光器在使用過(guò)程中，得到的光束質(zhì)量會(huì)影響到對(duì)激光器可用性的判斷，光束能量決定了激光器的具體應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)研發(fā)人員對(duì)半導(dǎo)體激光器、固體激光器、CO2激光器輸出的光束質(zhì)量做出了對(duì)比分析：半導(dǎo)體激光與光纖耦合半導(dǎo)體激光器兩種類(lèi)型，最終得到的光束寬幅存在著明顯的差異性，激光束能否直接應(yīng)用反映出了不同類(lèi)型激光器的加工領(lǐng)域。高功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量雖然能夠適應(yīng)金屬材料的加工要求，但是與發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)的CO2、NdYAG等類(lèi)型的激光器相比，還存在一些問(wèn)題需要解決，系統(tǒng)中的Bar條、堆棧中的激光器結(jié)合存在著不連貫的缺陷，高功率半導(dǎo)體激光器得到的激光條，改進(jìn)了傳統(tǒng)激光器的光束構(gòu)成，推動(dòng)了激光器結(jié)合技術(shù)水平的提高，能夠在使用過(guò)程中將BPP降低到紅線以下。

1.3 激光與系統(tǒng)技術(shù)

在進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)的過(guò)程中，研發(fā)人員會(huì)對(duì)半導(dǎo)體激光棒進(jìn)行加工，將其應(yīng)用到金屬材料加工制造的過(guò)程中，或者助力芯片組的技術(shù)發(fā)展，將得到的激光條規(guī)范的安裝到散熱器上，同時(shí)保證散熱器微通道的通暢性，在外部設(shè)置微光學(xué)的觀察鏡片，通過(guò)系統(tǒng)化的組裝，將激光條融入到高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)建立過(guò)程中，為后續(xù)的金屬材料加工服務(wù)。在進(jìn)行科技研發(fā)的過(guò)程中，通過(guò)組裝技術(shù)的創(chuàng)新，能夠運(yùn)用光束組合的技術(shù)形式，增加激光條的性能，保證激光器的使用機(jī)動(dòng)性，傳統(tǒng)激光器與高功率半導(dǎo)體激光器相比，模塊結(jié)構(gòu)具有明顯的差異性。通過(guò)不同的系統(tǒng)模塊控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光材料的處理，在設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格的遵循組裝技術(shù)的基本原則，選擇符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基本組件，合理控制模塊構(gòu)建的主要規(guī)格，模塊能夠?yàn)榧す馄魇褂锰峁┕庠?，使其操作流程更加適合金屬材料的加工需求。

2 高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用

金屬材料加工程序中高功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用，主要方向?yàn)榧す夂附?、激光表面淬火、表面熔覆，根?jù)高功率半導(dǎo)體激光器的使用情況來(lái)看，激光輸出方式為光纖耦合輸出，這是因?yàn)榻饘俨牧系募す夂附訉?duì)功率大小有著明確的要求，傳統(tǒng)激光器的直接輸出模式難以滿足金屬材料的焊接處理需求，只能承擔(dān)金屬材料的淬火、熔覆等表面處理工作。

（1）激光焊接工藝中的應(yīng)用。通過(guò)不同類(lèi)型激光器的使用對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在金屬材料加工的過(guò)程中，傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光電光轉(zhuǎn)換效率過(guò)低，無(wú)法滿足金屬材料的焊接要求，激光焊接工藝采用半導(dǎo)體激光器獲得的激光光源效果，要遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的激光器。通過(guò)高功率半導(dǎo)體激光器的有效應(yīng)用，能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)約加工成本，提高加工效率，保證加工流程的連續(xù)性，最終設(shè)計(jì)出的金屬材料激光焊接方案，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的發(fā)展特點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。高功率半導(dǎo)體激光器的冷卻系統(tǒng)和機(jī)箱外殼設(shè)計(jì)，具有安裝簡(jiǎn)便、使用簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、集成性強(qiáng)的特點(diǎn)，在進(jìn)行機(jī)械組裝的過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品線的集成管理，降低后續(xù)的保養(yǎng)和維護(hù)成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的有效應(yīng)用，能夠全面提高金屬材料焊縫的整體質(zhì)量，避免因重復(fù)加工造成時(shí)間、資金等成本浪費(fèi)，通過(guò)不同類(lèi)型半導(dǎo)體激光器的搭配使用，能夠在一定程度上消除重復(fù)工作。例如：在進(jìn)行厚度低于1mm的金屬材料焊接過(guò)程中，只需要采用功率在100w左右的半導(dǎo)體激光器，就能夠順利完成加工任務(wù)，半導(dǎo)體激光器在使用過(guò)程中能夠創(chuàng)造400um～800um區(qū)間的光斑尺寸，保證激光器的光束質(zhì)量符合加工標(biāo)準(zhǔn)。

激光焊接中高功率半導(dǎo)體激光器的使用過(guò)程，屬于熱傳導(dǎo)的過(guò)程，主要的使用程序是以激光輻射的形式進(jìn)行金屬材料表面的加熱工作，在高溫高壓的環(huán)境下使工件逐漸熔化成熔池，操作人員調(diào)整激光器光斑尺寸，完成多個(gè)不同形狀金屬鋼材的連續(xù)性焊接任務(wù)。如：根據(jù)金屬材料最終成型效果的差距，激光焊接的工作人員需要進(jìn)行焊接方式的選擇，完成多個(gè)金屬材料的橫向?qū)雍?、豎向的金屬材料搭接焊、T型焊等要求，高功率半導(dǎo)體激光器的焊接厚度可調(diào)，焊接速度較快，通過(guò)高功率半導(dǎo)體激光器完成的金屬材料成型加工，能夠保障焊縫的平整度和強(qiáng)度，滿足機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)金屬材料的質(zhì)量需求。通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出功率、光斑直徑、焊接厚度、焊接速度、熔化深度等數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論，高功率半導(dǎo)體激光器與其他類(lèi)型的激光器相比波長(zhǎng)較短，金屬材料的吸收率更強(qiáng)，激光器熱度對(duì)周?chē)挠绊戄^小，激光焊接的工作流程十分穩(wěn)定，能夠避免光束造成的火花飛濺，保障加工人員的安全，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)的高功率半導(dǎo)體激光器能夠直接安裝到機(jī)械手臂，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制加工。

（2）激光表面淬火工藝中的應(yīng)用。在金屬材料加工過(guò)程中，進(jìn)行表面淬火是為了全面提高材料的耐磨性和耐腐蝕性，能夠更好地滿足不同環(huán)境下的工作需求，通過(guò)激光淬火能夠進(jìn)行金屬材料內(nèi)部韌性調(diào)整，高功率半導(dǎo)體激光器能夠以光斑輸出為主要能量，通過(guò)頂部矩形光束進(jìn)行金屬材料表面材質(zhì)的分布調(diào)整。全面提高金屬材料成型加工后的整體質(zhì)量，避免因材質(zhì)能量的分布不均衡，對(duì)材料表面形態(tài)造成嚴(yán)重破壞，由于金屬材料本身具有的激光波長(zhǎng)吸收能力不同，發(fā)光波長(zhǎng)越短，金屬材料的吸收能力越強(qiáng)，因此，高功率半導(dǎo)體激光器在激光表面淬火工藝中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

高功率半導(dǎo)體激光器在進(jìn)行金屬材料表面淬火加工的過(guò)程中，能夠簡(jiǎn)化加工前期的處理步驟，保證材料面積和材料深度的精準(zhǔn)性，在進(jìn)行特定金屬材料形態(tài)的加工過(guò)程中，很容易出現(xiàn)工件變形、熱影響區(qū)域過(guò)大等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率、光斑尺寸、淬火速度、淬火寬度等參數(shù)的測(cè)量，得出結(jié)論，金屬材料表面淬火均勻，熱影響區(qū)域符合加工標(biāo)準(zhǔn)。隨著材料距離的改變，淬火層的硬度也會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)后斜率約為2.5時(shí)，處于均勻緩慢下降的狀態(tài)；當(dāng)距離＞0.6mm時(shí)，淬火層硬度處于持續(xù)下降的狀態(tài)；當(dāng)斜率約為6時(shí)，顯微鏡觀察到的材料表面淬火層厚度處于穩(wěn)定的狀態(tài)，這一論證說(shuō)明了最終得到的金屬材料表面淬火均勻，相同深度下金屬材料淬火層硬度差距較小。

（3）表面熔覆工藝中的應(yīng)用。在進(jìn)行金屬材料加工的過(guò)程中，采用高功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行表面熔覆工藝技術(shù)的開(kāi)展，主要是通過(guò)高能量的激光束在金屬材料的表面形成輻射作用。借助金屬材料的吸收性，實(shí)現(xiàn)高能量的吸取，金屬材料會(huì)形成溫度持續(xù)提升的效果，金屬表面經(jīng)過(guò)高溫作用形成熔池，在熔池內(nèi)添加適量的熔覆材料，能夠在金屬材料的表面形成帶有物理力學(xué)性能的新型材料，由于高功率半導(dǎo)體激光器具有體積小的特點(diǎn)，適用于大型器械的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)工作。例如：煤炭行業(yè)的液壓油缸支架修復(fù)，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中會(huì)受到瓦斯氣體的腐蝕作用，降低了煤炭的生產(chǎn)效率，高功率半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠建立鎳鉻合金涂層，提高液壓油缸支架的耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命。

3 總結(jié)

綜上所述，通過(guò)高功率半導(dǎo)體激光器與傳統(tǒng)激光器之間的差距對(duì)比，分析了高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，深入了解高功率半導(dǎo)體激光器在激光焊接工藝、表面淬火工藝、表面熔覆工藝等金屬材料加工過(guò)程中的有效應(yīng)用，提高金屬材料加工的整體成效。