大功率半导体激光器及其在工业加工中的应用.ppt
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(),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laser focus world等,表2 9906中国激光产品市场销售情况,谢谢！,
