高功率半导体激光器在金属材料加工中的应用

2021-11-30陈安新

中国金属通报 2021年6期

陈安新

（济宁市技师学院，山东济宁 272000）

在进行不同型号金属材料的焊接过程中，通过高功率半导体激光器的有效应用，能够保证焊接过程的连续性，做好大面积的硬化处理，保证硬化层的深度处于均匀状态，半导体激光器能够精准的控制金属材料的最终形态，调节好熔覆层的整体结构。通过激光器功率的有效转换，能够全面降低金属材料的加工成本，但其高功率发展会影响到加工流程的稳定性，因此，需要结合高功率半导体激光器在金属材料加工中的应用情况，了解高功率半导体激光系统。

1 高功率半导体激光系统

高功率半导体激光器设计，需要建立能够负担起kW功率的系统作为支撑，高功率半导体激光系统包括冷却、衬垫和光束三个构成部分，通过耦合技术的应用实现激光器的组装。

1.1 二极管系统的设计

高功率半导体激光器系统的建立，首先需要做好商用二极管系统，以能够负担3kW功率的半导体激光器为例：包含光学系统的激光头尺寸为580x180x155（mm），除此之外，要延续半导体激光器重量轻便的特点，将设备控制在15kg左右，在进行组装电源选择的过程中，要严格按照国家规定的材料标准，冷却系统中的冷却器安装需要结合以往的工作经验，进行安装流程的制定。虽然实现了系统功率的提升，但成品与传统激光器相比，重量和体积都有所减小，在工作过程中需要控制好，系统的使用距离与聚焦点之间的关系，假设以1/e²-标准为参照，在使用长焦距镜片时能够得到的聚焦点更为明显，高功率半导体激光器的光束剖面图，将呈现出慢轴矩形顶部帽状轮廓，快轴出现高斯分布的情况。

通过对高功率半导体激光器，光束剖面图的实际测量，可以得到结论，与传统的激光器相比，光束的整体质量得到了显著提升，这是由于在系统制造的过程中，采用了光束重组技术，通过耦合加工的形式，将单元融合到光纤中，让耦合单元与激光头进行组合，组合的过程更加便利。激光器产生的能量波动，能够直接通过光纤传输到加工中心，通过光纤技术的有效应用，在聚焦平面上得到高功率激光束，工作人员需要调整好，准直镜和物镜之间的焦距比例，使其更加适合光斑的整体尺寸。在使用过程中不应用光斑尺寸时，聚焦比例有更多的调整方案，能够保证激光器的发散性作用，保证发散效果，采用合理的光耀增加方案进行激光棒亮度、功率的有效调节。得到激光棒、空间多路技术、偏振多路技术、波长多路技术的使用参数，并通过空间多路技术的有效应用，完成激光束的重组工作，计算出泵浦固态激光器的使用参数。但在实际应用过程中，会产生许多独立存在的激光源，彼此之间接合到一起，处于不连贯的组合形式下，想要实现激光转移，需要制定全新的数据处理方法。

1.2 与传统激光器之间的差距

（1）功能特点的角度分析。新型的高功率半导体激光器加工形式与传统的激光器加工形式相比，具有体重轻、效率高、稳定性强等明显的使用优势，能够全面提高激光系统的应用成果，由于激光器体积较小，所需要的能源量较低，能够有效达到降低能耗的目的。同时改变传统激光器固定处理方式，降低人力、物力的损耗，能够随时随地进行金属材料的加工维修，通过移动工作站的形式，扩展使用范围，全面提高工作成效，由于金属的吸收力较强，在高功率半导体激光器使用的过程中，能够将激光的波长控制在1千纳米左右的近红外波长区域内，保障铝和合金等金属材料的吸收率。高功率半导体激光系统的稳定性，确保其输出功率与其他激光器相比，更加适合金属材料的表面加工工作，例如：高功率半导体激光器使用过程中产生的增益介质，能够通过组合的形式，形成以激光单管为主的固态结构形式，有效预防气态增益介质不均问题的出现，全面提高激光束质量。

（2）从实际应用的角度分析。高功率半导体激光器在使用过程中，得到的光束质量会影响到对激光器可用性的判断，光束能量决定了激光器的具体应用领域，技术研发人员对半导体激光器、固体激光器、CO2激光器输出的光束质量做出了对比分析：半导体激光与光纤耦合半导体激光器两种类型，最终得到的光束宽幅存在着明显的差异性，激光束能否直接应用反映出了不同类型激光器的加工领域。高功率半导体激光器的光束质量虽然能够适应金属材料的加工要求，但是与发展时间较长的CO2、NdYAG等类型的激光器相比，还存在一些问题需要解决，系统中的Bar条、堆栈中的激光器结合存在着不连贯的缺陷，高功率半导体激光器得到的激光条，改进了传统激光器的光束构成，推动了激光器结合技术水平的提高，能够在使用过程中将BPP降低到红线以下。

1.3 激光与系统技术

在进行系统技术研发的过程中，研发人员会对半导体激光棒进行加工，将其应用到金属材料加工制造的过程中，或者助力芯片组的技术发展，将得到的激光条规范的安装到散热器上，同时保证散热器微通道的通畅性，在外部设置微光学的观察镜片，通过系统化的组装，将激光条融入到高功率半导体激光系统建立过程中，为后续的金属材料加工服务。在进行科技研发的过程中，通过组装技术的创新，能够运用光束组合的技术形式，增加激光条的性能，保证激光器的使用机动性，传统激光器与高功率半导体激光器相比，模块结构具有明显的差异性。通过不同的系统模块控制，实现对激光材料的处理，在设计过程中严格的遵循组装技术的基本原则，选择符合设计标准的基本组件，合理控制模块构建的主要规格，模块能够为激光器使用提供光源，使其操作流程更加适合金属材料的加工需求。

2 高功率半导体激光器在金属材料加工中的应用

金属材料加工程序中高功率半导体激光器的应用，主要方向为激光焊接、激光表面淬火、表面熔覆，根据高功率半导体激光器的使用情况来看，激光输出方式为光纤耦合输出，这是因为金属材料的激光焊接对功率大小有着明确的要求，传统激光器的直接输出模式难以满足金属材料的焊接处理需求，只能承担金属材料的淬火、熔覆等表面处理工作。

（1）激光焊接工艺中的应用。通过不同类型激光器的使用对比，发现在金属材料加工的过程中，传统的灯泵浦固体激光电光转换效率过低，无法满足金属材料的焊接要求，激光焊接工艺采用半导体激光器获得的激光光源效果，要远高于其他类型的激光器。通过高功率半导体激光器的有效应用，能够为企业节约加工成本，提高加工效率，保证加工流程的连续性，最终设计出的金属材料激光焊接方案，具有经济实用的发展特点，受到人们的广泛关注。高功率半导体激光器的冷却系统和机箱外壳设计，具有安装简便、使用简单、稳定性高、集成性强的特点，在进行机械组装的过程中，能够实现产品线的集成管理，降低后续的保养和维护成本，提高系统运行的稳定性。通过高功率半导体激光器系统的有效应用，能够全面提高金属材料焊缝的整体质量，避免因重复加工造成时间、资金等成本浪费，通过不同类型半导体激光器的搭配使用，能够在一定程度上消除重复工作。例如：在进行厚度低于1mm的金属材料焊接过程中，只需要采用功率在100w左右的半导体激光器，就能够顺利完成加工任务，半导体激光器在使用过程中能够创造400um～800um区间的光斑尺寸，保证激光器的光束质量符合加工标准。

激光焊接中高功率半导体激光器的使用过程，属于热传导的过程，主要的使用程序是以激光辐射的形式进行金属材料表面的加热工作，在高温高压的环境下使工件逐渐熔化成熔池，操作人员调整激光器光斑尺寸，完成多个不同形状金属钢材的连续性焊接任务。如：根据金属材料最终成型效果的差距，激光焊接的工作人员需要进行焊接方式的选择，完成多个金属材料的横向对接焊、竖向的金属材料搭接焊、T型焊等要求，高功率半导体激光器的焊接厚度可调，焊接速度较快，通过高功率半导体激光器完成的金属材料成型加工，能够保障焊缝的平整度和强度，满足机械设计对金属材料的质量需求。通过对半导体激光器输出功率、光斑直径、焊接厚度、焊接速度、熔化深度等数据的分析，得出结论，高功率半导体激光器与其他类型的激光器相比波长较短，金属材料的吸收率更强，激光器热度对周围的影响较小，激光焊接的工作流程十分稳定，能够避免光束造成的火花飞溅，保障加工人员的安全，设置好各项参数的高功率半导体激光器能够直接安装到机械手臂，实现自动化控制加工。

（2）激光表面淬火工艺中的应用。在金属材料加工过程中，进行表面淬火是为了全面提高材料的耐磨性和耐腐蚀性，能够更好地满足不同环境下的工作需求，通过激光淬火能够进行金属材料内部韧性调整，高功率半导体激光器能够以光斑输出为主要能量，通过顶部矩形光束进行金属材料表面材质的分布调整。全面提高金属材料成型加工后的整体质量，避免因材质能量的分布不均衡，对材料表面形态造成严重破坏，由于金属材料本身具有的激光波长吸收能力不同，发光波长越短，金属材料的吸收能力越强，因此，高功率半导体激光器在激光表面淬火工艺中具有明显的应用优势。

高功率半导体激光器在进行金属材料表面淬火加工的过程中，能够简化加工前期的处理步骤，保证材料面积和材料深度的精准性，在进行特定金属材料形态的加工过程中，很容易出现工件变形、热影响区域过大等问题，通过对高功率半导体激光器的输出功率、光斑尺寸、淬火速度、淬火宽度等参数的测量，得出结论，金属材料表面淬火均匀，热影响区域符合加工标准。随着材料距离的改变，淬火层的硬度也会发生改变，当后斜率约为2.5时，处于均匀缓慢下降的状态；当距离＞0.6mm时，淬火层硬度处于持续下降的状态；当斜率约为6时，显微镜观察到的材料表面淬火层厚度处于稳定的状态，这一论证说明了最终得到的金属材料表面淬火均匀，相同深度下金属材料淬火层硬度差距较小。

（3）表面熔覆工艺中的应用。在进行金属材料加工的过程中，采用高功率半导体激光器进行表面熔覆工艺技术的开展，主要是通过高能量的激光束在金属材料的表面形成辐射作用。借助金属材料的吸收性，实现高能量的吸取，金属材料会形成温度持续提升的效果，金属表面经过高温作用形成熔池，在熔池内添加适量的熔覆材料，能够在金属材料的表面形成带有物理力学性能的新型材料，由于高功率半导体激光器具有体积小的特点，适用于大型器械的现场恢复工作。例如：煤炭行业的液压油缸支架修复，在长期的使用过程中会受到瓦斯气体的腐蚀作用，降低了煤炭的生产效率，高功率半导体激光熔覆技术的有效应用，能够建立镍铬合金涂层，提高液压油缸支架的耐腐蚀性，延长使用寿命。