大功率半導(dǎo)體激光器及其在工業(yè)加工中的應(yīng)用.ppt

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HighPowerDiodeLaser HPDL 在工業(yè)加工中的應(yīng)用 胡永生 Outlines 1 HPDL研究現(xiàn)狀2 各工業(yè)加工用激光器3 激光加工特點(diǎn)4 激光作用下物態(tài)變化過程5 影響激光加工因素6 市場(chǎng)規(guī)模及發(fā)展前景7 主要公司信息 2000年單條超過100W 40 60 壽命長(zhǎng)達(dá)10000h 美國(guó)國(guó)防高技術(shù)研究計(jì)劃署 DARPA 于2003年啟動(dòng)了超高效率半導(dǎo)體激光源項(xiàng)目 superhighefficiencydiodesource SHEDS 目標(biāo)是將功率轉(zhuǎn)換效率提升到80 以上 德國(guó)也在1998啟動(dòng)了為期5年的名為 ModularDiodeLasertools 的大型項(xiàng)目 目前單條器件輸出功率已經(jīng)達(dá)到500W以上 功率轉(zhuǎn)換效率超過70 1 HPDL研究現(xiàn)狀 2 各工業(yè)加工用激光器 表1工業(yè)用激光器主要參數(shù) 圖1各類激光器光束質(zhì)量 圖2工業(yè)加工用HPDL結(jié)構(gòu) 3 激光加工特點(diǎn) 1 無接觸加工 激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào) 可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的 2 可以對(duì)多種金屬 非金屬加工 特別是可以加工高硬度 高脆性及高熔點(diǎn)的材料 3 激光加工過程中無 刀具 磨損 無 切削力 作用于工件 4 激光加工過程中 激光束能量密度高 加工速度快 并且是局部加工 對(duì)非激光照射部位沒有或影響極小 因此 其熱影響區(qū)小 工件熱變形小 后續(xù)加工少 5 生產(chǎn)效率高 加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效好 6 可通過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工 同時(shí)也可滿足水下加工等復(fù)雜加工環(huán)境的要求 7 由于激光束易于導(dǎo)向 因此是一種極為靈活的加工方式 除具有一般激光加工的優(yōu)點(diǎn)外 HPDL加工還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 主要表現(xiàn)在 1 光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40 是燈泵Nd YAG激光器的10倍以上 體積小 是燈泵Nd YAG激光器的1 5 壽命長(zhǎng) 可達(dá)100000小時(shí)以上 2 維護(hù)費(fèi)用低 是燈泵Nd YAG激光器的一半 4 激光作用下物態(tài)變化過程 金屬材料的激光加工主要是基于光熱效應(yīng)的熱加工 激光輻照材料表面時(shí) 在不同功率密度下 材料表面區(qū)域?qū)l(fā)生各種不同的變化 這些變化包括表面溫度升高 熔化 氣化 形成匙孔以及產(chǎn)生光致等離子體等 而且 材料表面區(qū)域物理狀態(tài)的變化極大的影響材料對(duì)激光的吸收 功率密度較低時(shí) 輻照時(shí)間較短時(shí) 金屬吸收的激光能量只能引起材料由表及里溫度升高 但維持固相不變 主要用于零件退火和相變硬化處理 隨著功率密度的提高 和輻照時(shí)間的加長(zhǎng) 材料表層逐漸熔化 隨輸入能量增加 液 固相分界面逐漸向材料深部移動(dòng) 這種物理過程主要用于金屬的表面重熔 合金化 熔覆和熱導(dǎo)型焊接 進(jìn)一步提高功率密度 和加長(zhǎng)作用時(shí)間 材料表面不僅熔化 而且汽化 汽化物聚集在材料表面附近并微弱的電離形成等離子體 這種稀薄等離子體有助于材料對(duì)激光的吸收 在汽化膨脹壓力下 液態(tài)表面變形 形成凹坑 這一階段可以用于激光焊接 再進(jìn)一步提高功率密度 和加長(zhǎng)輻照時(shí)間 材料表面強(qiáng)烈汽化 從形成較高電離度的等離子體 這種致密的等離子體可逆著光束入射方向傳輸 對(duì)激光有屏蔽作用 大大降低激光入射到材料內(nèi)部的能量密度 在較大的蒸氣反作用力下 熔化的金屬內(nèi)部形成小孔 匙孔 匙孔的存在有利于材料對(duì)激光的吸收 這一階段可用于激光深熔焊接 切割和打孔 沖擊硬化等 5 影響激光加工因素 激光器方面 波長(zhǎng) 輸出功率 功率密度 光束質(zhì)量 模式特性 偏振特性等 工藝方面 焦點(diǎn)位置 光斑大小 加工 送料 速度 輔助氣體 噴嘴形狀等 材料方面 表面光潔度 吸收率 熔沸點(diǎn) 熱膨脹特性 熱傳導(dǎo)特性等 對(duì)激光加工研究的任務(wù)就在于 通過分析各種待加工材料在不同光束特性和工藝條件下的加工效果 得出最優(yōu)化的加工條件 以降低加工成本 提高加工質(zhì)量和效率 6 市場(chǎng)規(guī)模及發(fā)展前景 目前中國(guó)激光加工設(shè)備產(chǎn)量正以平均每年20 的速度增長(zhǎng) 06年國(guó)內(nèi)激光加工設(shè)備銷售額超過20億元 02 07中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模從28 62億元增長(zhǎng)到58億元 年均增幅達(dá)到15 高于世界激光產(chǎn)業(yè)平均增長(zhǎng)率 中國(guó)激光加工產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁 已在全國(guó)幾十個(gè)城市建立了100多個(gè)面向企業(yè)服務(wù)的激光加工工作站 華中地區(qū) 環(huán)渤海灣 長(zhǎng)江三角洲 珠江三角洲4大激光產(chǎn)業(yè)群基本形成 年增長(zhǎng)率超過30 國(guó)際市場(chǎng) 07年全球商業(yè)激光器收入達(dá)到68 9億美元 預(yù)計(jì)08年達(dá)到74億美元 從02年到07年全球激光產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模從43億美元增長(zhǎng)到68 9億美元 年漲幅達(dá)8 摘自laserfocusworld等 表299 06中國(guó)激光產(chǎn)品市場(chǎng)銷售情況 謝謝