高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

李學敏,蘇國強, 翟光美,劉青明

(1.太原理工大學 新材料工程技術研究中心,太原 030024；2.北京陸合飛虹激光科技有限公司,北京 101102)

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高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

李學敏1,2,蘇國強2, 翟光美1,劉青明1

(1.太原理工大學 新材料工程技術研究中心,太原 030024；2.北京陸合飛虹激光科技有限公司,北京 101102)

摘要:高功率半導體激光器及其陣列具有體積小、質量輕、能耗低、光斑易調節、光電轉換效率較高的優點,廣泛應用于金屬材料焊接、金屬表面相變硬化和金屬材料表面熔覆。利用高功率半導體激光器可以連續性焊接不同型號的合金鋼,獲得大面積深度均勻的相變硬化層,也能夠精確控制熔覆層結構及其幾何形狀。

關鍵詞:高功率半導體激光器;焊接;淬火;激光熔覆;材料表面硬化；金屬材料加工

激光為人類繼原子能、電子計算機、半導體之后又一重大發明[1]。半導體激光器逐漸從同質結、異質結激光器發展為量子阱激光器。1962年,美國科學家成功研制出GaAs同質結半導體激光器[2-3],激光器正式登上歷史舞臺。1970年,美國和蘇聯實驗室各自獨立研制出室溫下連續工作的雙異質結激光器[4-7],從此半導體激光器開始在光纖通訊、光盤存儲等領域嶄露頭角[8]。20世紀80年代以來,隨著分子束外延(MBE)以及金屬有機化合物氣相外延技術(MOCVD)的不斷成熟,量子阱半導體激光器在電子計算機、通訊等領域得到了長足發展[9-10]。然而,半導體激光器的輸出功率較小,還不適合用于材料加工領域。自半導體激光器冷卻系統出現后,半導體激光器輸出功率逐漸得到提升。特別是隨著芯片的集成技術、微通道熱沉技術等關鍵問題的突破,半導體激光器的輸出功率得到了極大的提升。從20世紀90年代中期開始,半導體激光器在金屬材料加工中得到了廣泛應用。與其他激光器相比,大功率半導體激光器有不可比擬的優勢。首先,半導體激光器結構占用空間較小,可以在較為靈活的狹小空間中工作,這極大擴展了其應用領域。其次,半導體激光器光電轉換效率高達50%～70%,遠遠高于CO2激光器、燈泵浦Nd:YAG激光器,極大地節省了能源,降低了運行成本。再者,半導體激光器波長較短,金屬材料對該波段下的光吸收效率較高。另外,半導體激光器系統穩定,壽命可達10 000 h以上,體積較小,易于更換。半導體激光器因其優良性能在金屬材料加工方面得到了較為廣泛的應用,主要用于材料焊接、表面相變硬化、表面熔覆等領域。其加工過程為無接觸無磨損加工,熱影響區域較小,質量可靠,成本低廉。本文簡述半導體激光器基本原理及特點,重點闡述其在金屬材料加工,特別是金屬焊接、熔覆、淬火方面的應用,并以實例加以具體說明。

1高功率半導體激光器原理及特點

1.1半導體激光器基本發光原理

利用金屬有機氣相化學沉積技術(MOCVD)在GaAs襯底上沉積n-AlGaAs,GaAs/InGaAs有源區,p-AlGaAs等外延層,具體結構詳見圖1。激光器外延片經過后續一系列加工制作成為激光器。激光器工作有三要素:泵浦源,工作物質,諧振腔。泵浦源是使電子由低能態向高能態躍遷的動力,泵浦源激勵方式主要有電注入、電子束激勵、光泵浦三種方式。工作物質是產生不同波長激光的內因,不同的工作物質具有不同的能級結構,可以產生不同的波長。諧振腔類似于平面鏡的反射面,通過解理GaAs[110]面制得,起放大光量子的作用。激光器工作具體原理為:由泵浦源提供動力,電子由低能態激發至高能態,高能態電子和空穴不穩定,發生躍遷,躍遷時釋放光子;所釋放的光子在諧振腔內來回震蕩,使電子空穴受激輻射,又產生更多能量相同的光子,最終實現高能量光束的輸出。按出光類型,半導體激光器可以分為垂直腔面發射激光器和邊發射激光器[11]。垂直腔面發射激光器與傳統的邊發射激光器在外延生長工藝上沒有太大的差異[12],但是在芯片結構設計上差異較大[13]。金屬材料加工領域以邊發射激光器為主流,其基本結構如圖1所示。

圖1　980 nm激光器基本結構Fig.1　Basic structure of 980 nm laser

1.2半導體激光垂直堆棧

半導體激光器的核心發光源是激光芯片。激光芯片可以分為激光單管和激光巴條。激光巴條其實就是將數個單管合并在一起而成。將數個巴條封裝至銅制熱沉后,排列在垂直方向上,能夠獲得更高輸出功率的半導體激光器,即高功率半導體激光器。激光巴條的光束分為光束快軸和光束慢軸,兩者的光束質量差異非常大,快軸發散角為35°,慢軸發散角為5°;通過使用微型光學透鏡對光束快軸和光束慢軸進行壓縮,快軸和慢軸方向的發散角可分別小于1.15°,0.17°。高功率激光垂直疊陣的光束實質上為非相干疊加的面陣光源,隨著巴條數目的增加,快、慢軸方向上的光束差異逐漸增大,這需要通過透射式鏡組對半導體激光巴條的光束進行分割重排[14];重新排列后的光束可以更好地進行準直聚焦,輸出功率能滿足金屬材料加工的要求。目前商用激光單管輸出功率可達10 W,商用巴條可達200 W。國外高功率激光芯片生產商主要有德國OSRAM、德國GENOPTIK、美國Coherent、美國Ⅱ-Ⅵ、美國JDSU等公司;國內高功率激光芯片生產商主要有山西飛虹光電集團、山東浪潮華光光電子股份有限公司、中國電子科技集團第十三研究所等。

1.3高功率半導體激光器的優點

與傳統工業級CO2激光器、YAG激光器相比,高功率半導體激光器具有以下優點:

1) 體積小、能耗低。傳統CO2、YAG激光加工系統均以固定方式工作,需將維修工件運送至激光加工車間進行維修;而半導體激光器體積小巧,可以組成移動工作站,極大地擴展了激光加工應用范圍[14]。

2) 金屬吸收效率高。高功率半導體激光器的激光波長位于近紅外波長區域,波長范圍為800～1 100 nm,金屬材料特別是鋁及其合金材料在此波長區域有較高的吸收率。

3) 功率輸出穩定,適合表面加工。高功率半導體激光器增益介質為眾多激光單管組成的固態結構,不會出現氣態增益介質不均勻的情況,有效地提高了光束質量。

2高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

高功率半導體激光器廣泛應用于金屬材料焊接、金屬材料表面相變硬化、金屬材料表面熔覆等領域。按激光輸出模式可分光纖耦合輸出和直接輸出兩大類。光纖耦合半導體激光器更適合用于對激光輸出功率要求較高的激光焊接,也可用于金屬表面處理;而直接輸出半導體激光器適用于金屬的表面處理,如激光淬火和激光熔覆。

2.1激光焊接

高功率半導體激光焊接過程屬于熱傳導型,即通過激光輻射加熱金屬材料表面,使工件熔化并形成熔池。通過控制高功率半導體激光器的光斑尺寸,可以實現不同形狀鋼材的連續焊接,如對接焊、搭接焊、角焊、T型焊，等等,焊接厚度可達3 mm,焊速可達到1.5～2.0 m/min.采用高功率半導體激光器焊接不銹鋼(見圖2),焊縫平整光滑,焊后強度可滿足工件使用要求。圖3為使用高功率半導體激光器焊接全不銹鋼病毒研究室的示意圖,輸出功率為1 600 W,光斑直徑1.2 mm,焊接厚度3 mm,焊速0.8～1.0 m/min,熔深3.5～4.0 mm。與其他激光器相比,高功率半導體激光器的波長較短,金屬材料吸收率高,熱影響區域較小,焊接過程穩定,不會產生嚴重的飛濺;更為重要的是,將高功率半導體激光器安裝在機械手上,可以實現自動控制。

圖2　采用高功率半導體激光對接焊后的表面Fig.2　Photograph of stainless steel butt weldedby high power semiconductor laser

圖3　高功率半導體激光器焊接不銹鋼實物圖Fig.3　Stainless steel welded by high power semiconductor laser

2.2激光表面淬火

淬火技術主要用于提升金屬材料表面耐磨性、耐腐蝕性,同時可以保證金屬材料內部較好的韌性。高功率半導體激光器在此領域有著獨特的優勢。首先,輸出光斑為能量均勻分布的平頂矩形光束,可有效避免由能量分布不均勻而引起的材料表面破壞。其次,金屬材料對不同激光波長的吸收效率不同,高功率半導體激光器的發光波長較短,金屬材料更易吸收。使用高功率半導體激光器對金屬材料淬火一般無需前期處理,并能精確控制所加工材料的面積及深度,最大程度減小工件的熱畸變及熱影響區域[15]。

圖4為半導體激光器對汽車模具12CrMoV進行淬火后的材料表面圖。高功率半導體激光器的輸出功率為2 500 W,光斑尺寸為20.0 mm×1.5 mm,淬火速度2 m/min,淬火寬度20 mm。由圖4可知，模具表面淬火均勻。圖5為淬火層硬度隨表面距離變化折線圖,A、B、C為淬火層中隨機的三個點。由圖5可知,相同深度淬火層的硬度相差不大。淬火層硬度隨著距離逐漸下降,在0.0～0.6 mm以內淬火層的硬度均勻緩慢下降,擬合后斜率約為2.5;距離大于0.6 mm時淬火層的硬度下降較快,斜率約為6。斷面金相顯微鏡結果表明淬火層厚度約為0.6 mm(本文未列出)。這說明使用高功率半導體激光器可以對工件進行較為均勻的淬火,且硬度能達到工件使用要求。

圖4　高功率半導體激光淬火后的12CrMoV的表面Fig.4　Photograph of 12CrMoV quenched by high-power semiconductor laser

圖5　半導體激光淬火后12CrMoV硬度隨深度變化折線圖Fig.5　Hardness change with surface distance quenched by high-power semiconductor laser

2.3表面熔覆

激光表面熔覆技術是將高能量密度的激光束輻射至金屬表面,金屬表面吸收光子的能量而溫度升高,高溫下金屬表面形成熔池,通過在熔池內添加一些熔覆材料而使表面形成一層具有特殊物理、力學性能的材料。高功率半導體激光器的體積較小,特別適合對大型工件進行現場修復,如煤炭行業的液壓油缸支架、刮板機,發電廠的大型渦輪葉片等。以高功率半導體激光熔覆液壓油缸支架為具體實例加以說明,如圖6所示。傳統液壓油缸支架一般通過電鍍來鍍鉻,鍍鉻層會因瓦斯氣體腐蝕、井下碎石的飛濺而鼓泡,起皮,甚至剝落,嚴重影響了煤炭生產效率。使用高功率半導體激光熔覆的方法制備鎳鉻

合金涂層,液壓油缸支架的硬度及耐腐蝕性得到顯著增強,其壽命可至少提高5倍。另外,采用高功率半導體激光熔覆可避免電鍍過程帶來的環境污染。

圖6　半導體激光熔覆液壓油缸支架Fig.6　Bracket of hydraulic cylinders cladded by high-power semiconductor laser

3結論

高功率半導體激光器的輸出功率已經達到千瓦級,在金屬材料加工中得到了廣泛的應用。在未來發展中,通過研發新的芯片結構以及改善封裝技術來實現半導體激光器更高功率的輸出,同時高功率半導體激光設備成本將不斷地下降,激光技術在我國再制造行業中將得到更大面積的推廣。

參考文獻：

[1]王立軍,寧永強,秦莉,等.大功率半導體激光器研究進展[J].發光學報,2015,36(1):1-19.

[2]QUIST T,REDIKER R,KEYES R.Semiconductor maser of GaAs[J].Applied Physical Letter,1962,1(4):91-92.

[3]NATHAN M I,DUMKE W P G,BURNS P G.Stimulated emission of radiation from GaAs p-n junctions[J].Applied Physical Letter,1962,1(3):62-64.

[4]HOLONYAK N,BEVACQUA S.Oscillations in semiconductors due to deep levels[J].Applied Physical Letter,1963,2(4):71-73.

[5]HALL R.Coherent light emission from p-n junctions [J].Solid-State Electronics,1963,6(5):405-408.

[6]PANISH M,SUMSKI S,HAYASHI I.Preparation of multilayer LPE heterostructures with crystalline solid solutions of AlxGa1-xAs heterostructure lasers[J].Metallurgical Transactions,1971,2(3):795-801.

[7]ALFEROV Z L,ANDREEV V,KAGAN M.Solar cells based on heterojunction p-AlGaAs-n-GaAs [J].Polymers for Advanced Technology,1970,4:2378-2379.

[8]TUCKERMAN B D.Heat-transfer Microstructures for Integrated Circuits[D].Palo Al To,California:Univ of Stanford,1984:22.

[9]KERN A,WAHL D,HAIDAR M T.Monolithic integration of VCSELs and PIN photodiodes for bidirectional data communication over standard multimode fibers[J].Proc Spie,2010,77200:77200B-77200B-9.

[10]HOGHOOGHI N,OZDUR I,BHOOPLAPUR S.Direct demodulation and channel filtering of phase-modulated signals using an injection-locked VCSEL[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2010,22(20):1509-1511.

[11]張春陽.980 nm高功率半導體激光器光纖耦合模塊研究[D].長春:長春理工大學,2011:1-2.

[12]張金勝.高功率半導體激光器結構研究[D].長春:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2014:8-9.

[13]SEURIN J F,GHOSH C L,KHALFIN V.High-power vertical-cavity surface-emitting arrays[C]∥International Society for Optics and Photonics Lasers and Applications in Science and Engineering,2008:68760-68769.

[14]王智勇,秦文斌,曹銀花.國際工業大功率半導體激光器發展現狀[R/OL].[2015-10-08]:http:∥laser.ofweek.com/2010-04/ART-240002-8500-28422451-2.html.

[15]曹銀花,劉友強,王智勇.大功率半導體激光陣列整形裝置:CN200810246844[P].2008-12-31.

(編輯：張紅霞)

The Application of High-power Semiconductor Laser in Metallic Material Processing

LI Xuemin1,2,SU Guoqiang2,ZHAI Guangmei1, LIU Qingming1

(1.ResearchCenterofAdvancedMaterialsScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.BeijingLucoFeihongLaserTechnologyCo.Ltd.,Beijing101102,China)

Abstract:High power semiconductor laser has a series of advantages, such as small size, light weight, low energy consumption, adjustable beam spot, high quantum efficiency,and high electro-optical efficiency. It has been widely used in material welding, surface hardening, cladding and engineering material surface processing. By using the high-power semiconductor laser,we can continuously join alloy steels of different type,easily obtain large area of phase change layer and accurately control the shape of cladding layer.

Key words:high power semiconductor laser; welding;quenching;laser cladding;surface hardening;metal deformation process

文章編號:1007-9432(2016)02-0140-04

*收稿日期：2015-10-18

基金項目：國家自然科學基金資助項目：InGaN基藍綠光LED外延材料與器件的研究(61475110)

作者簡介：李學敏(1956-)，男，美籍華人，博士，教授，“山西省百人計劃”特聘專家，主要從事化合物半導體材料器件的開發及應用研究，(E-mail)xmli@tyut.edu.cn

中圖分類號:TG457;TN249

文獻標識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.003