李學(xué)敏,蘇國強(qiáng), 翟光美,劉青明

(1.太原理工大學(xué) 新材料工程技術(shù)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)

?

高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用

李學(xué)敏1,2,蘇國強(qiáng)2, 翟光美1,劉青明1

(1.太原理工大學(xué) 新材料工程技術(shù)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(dǎo)體激光器及其陣列具有體積小、質(zhì)量輕、能耗低、光斑易調(diào)節(jié)、光電轉(zhuǎn)換效率較高的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)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(dǎo)體激光器可以連續(xù)性焊接不同型號(hào)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(jié)構(gòu)及其幾何形狀。

關(guān)鍵詞:高功率半導(dǎo)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(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后又一重大發(fā)明[1]。半導(dǎo)體激光器逐漸從同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)激光器發(fā)展為量子阱激光器。1962年,美國科學(xué)家成功研制出GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器[2-3],激光器正式登上歷史舞臺(tái)。1970年,美國和蘇聯(lián)實(shí)驗(yàn)室各自獨(dú)立研制出室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)激光器[4-7],從此半導(dǎo)體激光器開始在光纖通訊、光盤存儲(chǔ)等領(lǐng)域嶄露頭角[8]。20世紀(jì)80年代以來,隨著分子束外延(MBE)以及金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)(MOCVD)的不斷成熟,量子阱半導(dǎo)體激光器在電子計(jì)算機(jī)、通訊等領(lǐng)域得到了長足發(fā)展[9-10]。然而,半導(dǎo)體激光器的輸出功率較小,還不適合用于材料加工領(lǐng)域。自半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)后,半導(dǎo)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(shù)、微通道熱沉技術(shù)等關(guān)鍵問題的突破,半導(dǎo)體激光器的輸出功率得到了極大的提升。從20世紀(jì)90年代中期開始,半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中得到了廣泛應(yīng)用。與其他激光器相比,大功率半導(dǎo)體激光器有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。首先,半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)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(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。其次,半導(dǎo)體激光器光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%～70%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CO2激光器、燈泵浦Nd:YAG激光器,極大地節(jié)省了能源,降低了運(yùn)行成本。再者,半導(dǎo)體激光器波長較短,金屬材料對(duì)該波段下的光吸收效率較高。另外,半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)穩(wěn)定,壽命可達(dá)10 000 h以上,體積較小,易于更換。半導(dǎo)體激光器因其優(yōu)良性能在金屬材料加工方面得到了較為廣泛的應(yīng)用,主要用于材料焊接、表面相變硬化、表面熔覆等領(lǐng)域。其加工過程為無接觸無磨損加工,熱影響區(qū)域較小,質(zhì)量可靠,成本低廉。本文簡述半導(dǎo)體激光器基本原理及特點(diǎn),重點(diǎn)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(yīng)用,并以實(shí)例加以具體說明。

1高功率半導(dǎo)體激光器原理及特點(diǎn)

1.1半導(dǎo)體激光器基本發(fā)光原理

利用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)(MOCVD)在GaAs襯底上沉積n-AlGaAs,GaAs/InGaAs有源區(qū),p-AlGaAs等外延層,具體結(jié)構(gòu)詳見圖1。激光器外延片經(jīng)過后續(xù)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(zhì),諧振腔。泵浦源是使電子由低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的動(dòng)力,泵浦源激勵(lì)方式主要有電注入、電子束激勵(lì)、光泵浦三種方式。工作物質(zhì)是產(chǎn)生不同波長激光的內(nèi)因,不同的工作物質(zhì)具有不同的能級(jí)結(jié)構(gòu),可以產(chǎn)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(dòng)力,電子由低能態(tài)激發(fā)至高能態(tài),高能態(tài)電子和空穴不穩(wěn)定,發(fā)生躍遷,躍遷時(shí)釋放光子;所釋放的光子在諧振腔內(nèi)來回震蕩,使電子空穴受激輻射,又產(chǎn)生更多能量相同的光子,最終實(shí)現(xiàn)高能量光束的輸出。按出光類型,半導(dǎo)體激光器可以分為垂直腔面發(fā)射激光器和邊發(fā)射激光器[11]。垂直腔面發(fā)射激光器與傳統(tǒng)的邊發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上差異較大[13]。金屬材料加工領(lǐng)域以邊發(fā)射激光器為主流,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　980 nm激光器基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Basic structure of 980 nm laser

1.2半導(dǎo)體激光垂直堆棧

半導(dǎo)體激光器的核心發(fā)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(shí)就是將數(shù)個(gè)單管合并在一起而成。將數(shù)個(gè)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(dǎo)體激光器,即高功率半導(dǎo)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(zhì)量差異非常大,快軸發(fā)散角為35°,慢軸發(fā)散角為5°;通過使用微型光學(xué)透鏡對(duì)光束快軸和光束慢軸進(jìn)行壓縮,快軸和慢軸方向的發(fā)散角可分別小于1.15°,0.17°。高功率激光垂直疊陣的光束實(shí)質(zhì)上為非相干疊加的面陣光源,隨著巴條數(shù)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(duì)半導(dǎo)體激光巴條的光束進(jìn)行分割重排[14];重新排列后的光束可以更好地進(jìn)行準(zhǔn)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(dá)10 W,商用巴條可達(dá)200 W。國外高功率激光芯片生產(chǎn)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(nèi)高功率激光芯片生產(chǎn)商主要有山西飛虹光電集團(tuán)、山東浪潮華光光電子股份有限公司、中國電子科技集團(tuán)第十三研究所等。

1.3高功率半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)工業(yè)級(jí)CO2激光器、YAG激光器相比,高功率半導(dǎo)體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 體積小、能耗低。傳統(tǒng)CO2、YAG激光加工系統(tǒng)均以固定方式工作,需將維修工件運(yùn)送至激光加工車間進(jìn)行維修;而半導(dǎo)體激光器體積小巧,可以組成移動(dòng)工作站,極大地?cái)U(kuò)展了激光加工應(yīng)用范圍[14]。

2) 金屬吸收效率高。高功率半導(dǎo)體激光器的激光波長位于近紅外波長區(qū)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(qū)域有較高的吸收率。

3) 功率輸出穩(wěn)定,適合表面加工。高功率半導(dǎo)體激光器增益介質(zhì)為眾多激光單管組成的固態(tài)結(jié)構(gòu),不會(huì)出現(xiàn)氣態(tài)增益介質(zhì)不均勻的情況,有效地提高了光束質(zhì)量。

2高功率半導(dǎo)體激光器在金屬材料加工中的應(yīng)用

高功率半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)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(lǐng)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(dǎo)體激光器更適合用于對(duì)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(dǎo)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(dǎo)體激光焊接過程屬于熱傳導(dǎo)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(dǎo)體激光器的光斑尺寸,可以實(shí)現(xiàn)不同形狀鋼材的連續(xù)焊接,如對(duì)接焊、搭接焊、角焊、T型焊，等等,焊接厚度可達(dá)3 mm,焊速可達(dá)到1.5～2.0 m/min.采用高功率半導(dǎo)體激光器焊接不銹鋼(見圖2),焊縫平整光滑,焊后強(qiáng)度可滿足工件使用要求。圖3為使用高功率半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的波長較短,金屬材料吸收率高,熱影響區(qū)域較小,焊接過程穩(wěn)定,不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的飛濺;更為重要的是,將高功率半導(dǎo)體激光器安裝在機(jī)械手上,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖2　采用高功率半導(dǎo)體激光對(duì)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(dǎo)體激光器焊接不銹鋼實(shí)物圖Fig.3　Stainless steel welded by high power semiconductor laser

2.2激光表面淬火

淬火技術(shù)主要用于提升金屬材料表面耐磨性、耐腐蝕性,同時(shí)可以保證金屬材料內(nèi)部較好的韌性。高功率半導(dǎo)體激光器在此領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(duì)不同激光波長的吸收效率不同,高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長較短,金屬材料更易吸收。使用高功率半導(dǎo)體激光器對(duì)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(qū)域[15]。

圖4為半導(dǎo)體激光器對(duì)汽車模具12CrMoV進(jìn)行淬火后的材料表面圖。高功率半導(dǎo)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(jī)的三個(gè)點(diǎn)。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(nèi)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(shí)淬火層的硬度下降較快,斜率約為6。斷面金相顯微鏡結(jié)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(dǎo)體激光器可以對(duì)工件進(jìn)行較為均勻的淬火,且硬度能達(dá)到工件使用要求。

圖4　高功率半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(nèi)添加一些熔覆材料而使表面形成一層具有特殊物理、力學(xué)性能的材料。高功率半導(dǎo)體激光器的體積較小,特別適合對(duì)大型工件進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù),如煤炭行業(yè)的液壓油缸支架、刮板機(jī),發(fā)電廠的大型渦輪葉片等。以高功率半導(dǎo)體激光熔覆液壓油缸支架為具體實(shí)例加以說明,如圖6所示。傳統(tǒng)液壓油缸支架一般通過電鍍來鍍鉻,鍍鉻層會(huì)因瓦斯氣體腐蝕、井下碎石的飛濺而鼓泡,起皮,甚至剝落,嚴(yán)重影響了煤炭生產(chǎn)效率。使用高功率半導(dǎo)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(qiáng),其壽命可至少提高5倍。另外,采用高功率半導(dǎo)體激光熔覆可避免電鍍過程帶來的環(huán)境污染。

圖6　半導(dǎo)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(jié)論

高功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到千瓦級(jí),在金屬材料加工中得到了廣泛的應(yīng)用。在未來發(fā)展中,通過研發(fā)新的芯片結(jié)構(gòu)以及改善封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器更高功率的輸出,同時(shí)高功率半導(dǎo)體激光設(shè)備成本將不斷地下降,激光技術(shù)在我國再制造行業(yè)中將得到更大面積的推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]王立軍,寧永強(qiáng),秦莉,等.大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J].發(fā)光學(xué)報(bào),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(dǎo)體激光器光纖耦合模塊研究[D].長春:長春理工大學(xué),2011:1-2.

[12]張金勝.高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)研究[D].長春:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)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(yè)大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)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(qiáng),王智勇.大功率半導(dǎo)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(hào):1007-9432(2016)02-0140-04

*收稿日期：2015-10-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：InGaN基藍(lán)綠光LED外延材料與器件的研究(61475110)

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

中圖分類號(hào):TG457;TN249

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

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