高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

陳安新

（濟寧市技師學院，山東 濟寧 272000）

在進行不同型號金屬材料的焊接過程中，通過高功率半導體激光器的有效應用，能夠保證焊接過程的連續性，做好大面積的硬化處理，保證硬化層的深度處于均勻狀態，半導體激光器能夠精準的控制金屬材料的最終形態，調節好熔覆層的整體結構。通過激光器功率的有效轉換，能夠全面降低金屬材料的加工成本，但其高功率發展會影響到加工流程的穩定性，因此，需要結合高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用情況，了解高功率半導體激光系統。

1 高功率半導體激光系統

高功率半導體激光器設計，需要建立能夠負擔起kW功率的系統作為支撐，高功率半導體激光系統包括冷卻、襯墊和光束三個構成部分，通過耦合技術的應用實現激光器的組裝。

1.1 二極管系統的設計

高功率半導體激光器系統的建立，首先需要做好商用二極管系統，以能夠負擔3kW功率的半導體激光器為例：包含光學系統的激光頭尺寸為580x180x155（mm），除此之外，要延續半導體激光器重量輕便的特點，將設備控制在15kg左右，在進行組裝電源選擇的過程中，要嚴格按照國家規定的材料標準，冷卻系統中的冷卻器安裝需要結合以往的工作經驗，進行安裝流程的制定。雖然實現了系統功率的提升，但成品與傳統激光器相比，重量和體積都有所減小，在工作過程中需要控制好，系統的使用距離與聚焦點之間的關系，假設以1/e2-標準為參照，在使用長焦距鏡片時能夠得到的聚焦點更為明顯，高功率半導體激光器的光束剖面圖，將呈現出慢軸矩形頂部帽狀輪廓，快軸出現高斯分布的情況。

通過對高功率半導體激光器，光束剖面圖的實際測量，可以得到結論，與傳統的激光器相比，光束的整體質量得到了顯著提升，這是由于在系統制造的過程中，采用了光束重組技術，通過耦合加工的形式，將單元融合到光纖中，讓耦合單元與激光頭進行組合，組合的過程更加便利。激光器產生的能量波動，能夠直接通過光纖傳輸到加工中心，通過光纖技術的有效應用，在聚焦平面上得到高功率激光束，工作人員需要調整好，準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。在使用過程中不應用光斑尺寸時，聚焦比例有更多的調整方案，能夠保證激光器的發散性作用，保證發散效果，采用合理的光耀增加方案進行激光棒亮度、功率的有效調節。得到激光棒、空間多路技術、偏振多路技術、波長多路技術的使用參數，并通過空間多路技術的有效應用，完成激光束的重組工作，計算出泵浦固態激光器的使用參數。但在實際應用過程中，會產生許多獨立存在的激光源，彼此之間接合到一起，處于不連貫的組合形式下，想要實現激光轉移，需要制定全新的數據處理方法。

1.2 與傳統激光器之間的差距

（1）功能特點的角度分析。新型的高功率半導體激光器加工形式與傳統的激光器加工形式相比，具有體重輕、效率高、穩定性強等明顯的使用優勢，能夠全面提高激光系統的應用成果，由于激光器體積較小，所需要的能源量較低，能夠有效達到降低能耗的目的。同時改變傳統激光器固定處理方式，降低人力、物力的損耗，能夠隨時隨地進行金屬材料的加工維修，通過移動工作站的形式，擴展使用范圍，全面提高工作成效，由于金屬的吸收力較強，在高功率半導體激光器使用的過程中，能夠將激光的波長控制在1千納米左右的近紅外波長區域內，保障鋁和合金等金屬材料的吸收率。高功率半導體激光系統的穩定性，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：高功率半導體激光器使用過程中產生的增益介質，能夠通過組合的形式，形成以激光單管為主的固態結構形式，有效預防氣態增益介質不均問題的出現，全面提高激光束質量。

（2）從實際應用的角度分析。高功率半導體激光器在使用過程中，得到的光束質量會影響到對激光器可用性的判斷，光束能量決定了激光器的具體應用領域，技術研發人員對半導體激光器、固體激光器、CO2激光器輸出的光束質量做出了對比分析：半導體激光與光纖耦合半導體激光器兩種類型，最終得到的光束寬幅存在著明顯的差異性，激光束能否直接應用反映出了不同類型激光器的加工領域。高功率半導體激光器的光束質量雖然能夠適應金屬材料的加工要求，但是與發展時間較長的CO2、NdYAG等類型的激光器相比，還存在一些問題需要解決，系統中的Bar條、堆棧中的激光器結合存在著不連貫的缺陷，高功率半導體激光器得到的激光條，改進了傳統激光器的光束構成，推動了激光器結合技術水平的提高，能夠在使用過程中將BPP降低到紅線以下。

1.3 激光與系統技術

在進行系統技術研發的過程中，研發人員會對半導體激光棒進行加工，將其應用到金屬材料加工制造的過程中，或者助力芯片組的技術發展，將得到的激光條規范的安裝到散熱器上，同時保證散熱器微通道的通暢性，在外部設置微光學的觀察鏡片，通過系統化的組裝，將激光條融入到高功率半導體激光系統建立過程中，為后續的金屬材料加工服務。在進行科技研發的過程中，通過組裝技術的創新，能夠運用光束組合的技術形式，增加激光條的性能，保證激光器的使用機動性，傳統激光器與高功率半導體激光器相比，模塊結構具有明顯的差異性。通過不同的系統模塊控制，實現對激光材料的處理，在設計過程中嚴格的遵循組裝技術的基本原則，選擇符合設計標準的基本組件，合理控制模塊構建的主要規格，模塊能夠為激光器使用提供光源，使其操作流程更加適合金屬材料的加工需求。

2 高功率半導體激光器在金屬材料加工中的應用

金屬材料加工程序中高功率半導體激光器的應用，主要方向為激光焊接、激光表面淬火、表面熔覆，根據高功率半導體激光器的使用情況來看，激光輸出方式為光纖耦合輸出，這是因為金屬材料的激光焊接對功率大小有著明確的要求，傳統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用。通過不同類型激光器的使用對比，發現在金屬材料加工的過程中，傳統的燈泵浦固體激光電光轉換效率過低，無法滿足金屬材料的焊接要求，激光焊接工藝采用半導體激光器獲得的激光光源效果，要遠高于其他類型的激光器。通過高功率半導體激光器的有效應用，能夠為企業節約加工成本，提高加工效率，保證加工流程的連續性，最終設計出的金屬材料激光焊接方案，具有經濟實用的發展特點，受到人們的廣泛關注。高功率半導體激光器的冷卻系統和機箱外殼設計，具有安裝簡便、使用簡單、穩定性高、集成性強的特點，在進行機械組裝的過程中，能夠實現產品線的集成管理，降低后續的保養和維護成本，提高系統運行的穩定性。通過高功率半導體激光器系統的有效應用，能夠全面提高金屬材料焊縫的整體質量，避免因重復加工造成時間、資金等成本浪費，通過不同類型半導體激光器的搭配使用，能夠在一定程度上消除重復工作。例如：在進行厚度低于1mm的金屬材料焊接過程中，只需要采用功率在100w左右的半導體激光器，就能夠順利完成加工任務，半導體激光器在使用過程中能夠創造400um～800um區間的光斑尺寸，保證激光器的光束質量符合加工標準。

激光焊接中高功率半導體激光器的使用過程，屬于熱傳導的過程，主要的使用程序是以激光輻射的形式進行金屬材料表面的加熱工作，在高溫高壓的環境下使工件逐漸熔化成熔池，操作人員調整激光器光斑尺寸，完成多個不同形狀金屬鋼材的連續性焊接任務。如：根據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行焊接方式的選擇，完成多個金屬材料的橫向對接焊、豎向的金屬材料搭接焊、T型焊等要求，高功率半導體激光器的焊接厚度可調，焊接速度較快，通過高功率半導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度，滿足機械設計對金屬材料的質量需求。通過對半導體激光器輸出功率、光斑直徑、焊接厚度、焊接速度、熔化深度等數據的分析，得出結論，高功率半導體激光器與其他類型的激光器相比波長較短，金屬材料的吸收率更強，激光器熱度對周圍的影響較小，激光焊接的工作流程十分穩定，能夠避免光束造成的火花飛濺，保障加工人員的安全，設置好各項參數的高功率半導體激光器能夠直接安裝到機械手臂，實現自動化控制加工。

（2）激光表面淬火工藝中的應用。在金屬材料加工過程中，進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境下的工作需求，通過激光淬火能夠進行金屬材料內部韌性調整，高功率半導體激光器能夠以光斑輸出為主要能量，通過頂部矩形光束進行金屬材料表面材質的分布調整。全面提高金屬材料成型加工后的整體質量，避免因材質能量的分布不均衡，對材料表面形態造成嚴重破壞，由于金屬材料本身具有的激光波長吸收能力不同，發光波長越短，金屬材料的吸收能力越強，因此，高功率半導體激光器在激光表面淬火工藝中具有明顯的應用優勢。

高功率半導體激光器在進行金屬材料表面淬火加工的過程中，能夠簡化加工前期的處理步驟，保證材料面積和材料深度的精準性，在進行特定金屬材料形態的加工過程中，很容易出現工件變形、熱影響區域過大等問題，通過對高功率半導體激光器的輸出功率、光斑尺寸、淬火速度、淬火寬度等參數的測量，得出結論，金屬材料表面淬火均勻，熱影響區域符合加工標準。隨著材料距離的改變，淬火層的硬度也會發生改變，當后斜率約為2.5時，處于均勻緩慢下降的狀態；當距離＞0.6mm時，淬火層硬度處于持續下降的狀態；當斜率約為6時，顯微鏡觀察到的材料表面淬火層厚度處于穩定的狀態，這一論證說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用。在進行金屬材料加工的過程中，采用高功率半導體激光器進行表面熔覆工藝技術的開展，主要是通過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，實現高能量的吸取，金屬材料會形成溫度持續提升的效果，金屬表面經過高溫作用形成熔池，在熔池內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性能的新型材料，由于高功率半導體激光器具有體積小的特點，適用于大型器械的現場恢復工作。例如：煤炭行業的液壓油缸支架修復，在長期的使用過程中會受到瓦斯氣體的腐蝕作用，降低了煤炭的生產效率，高功率半導體激光熔覆技術的有效應用，能夠建立鎳鉻合金涂層，提高液壓油缸支架的耐腐蝕性，延長使用壽命。

3 總結

綜上所述，通過高功率半導體激光器與傳統激光器之間的差距對比，分析了高功率半導體激光系統設計，深入了解高功率半導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程中的有效應用，提高金屬材料加工的整體成效。