高功率半导体直接出光系统

高功率半导体直接出光系统

莫衡阳，胡家强，李春旺，张炜，郭涛  武汉武钢华工激光大型装备有限公司

1.  引言

1.1激光加工时代来临

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。随着科技的发展，已经研制出了各种性能优良的激光器。如今激光已成为先进制造技术的重要组成部分。激光加工技术现在已是一种智能化的加工技术。已在航空、航天、船舶、汽车、石化、纺织、电子、医疗都有着广泛的应用。21世纪激光加工时代已经来临。

1.2半导体激光器的发展

激光器的种类多样，按其工作介质的不同进行分类，主要分为固体激光器、气体激光器、液体激光器等。其中半导体激光器就是固体激光器的一种。

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。较成熟的激励方式主要有3种，即：电注入式、光泵浦、电激励。这种激光器具有体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固等特点，在激光热处理、激光熔覆、激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光雕刻、激光医疗、激光美容、激光检测及激光测量等方面应用。高功率半导体激光器按出光方式可分为半导体直接出光激光器和半导体光纤耦合激光器，本文主要介绍半导体直接出光激光器。

1.3高功率半导体直接出光激光器的原理

图1半导体发光原理示意图

图1为半导体发光原理示意图，图1中1为微型激光发射体，在激光发射体两端面加载一电压微型激光发射体就会发出散射光。一般25个微型激光发射体并排在一起组成一个扁平的激光发射体组，我们称之为“巴条”。

图二 巴条示意图

巴条周围包裹着铜质的换热涂层（图二中4），冷却水穿过巴条体内冷却通道（图二中5）将巴条发光时产生的热量带走。巴条前方安装有微型聚焦用柱面镜（图二中7）将巴条发射的散射光整合成为平行光。

图三  栈示意图

    多个巴条叠加形成一个栈（图三中9），整个栈输出平行的激光。在栈前面安装一较大的柱面聚焦镜，就可以得到想要的聚焦光。

                                 图四 半导体直接出光激光系统    

如图四所示，半导体直接出光激光器包含了半导体栈、发光IC控制器、外光路镜头、半导体激光器专用冷却系统、半导体激光器专用电源、以及直接出光的总控制系统。直接出光总控制系统可以直接和运动控制器相连接，搭配工业机器人或是CNC系统形成完整的激光加工机床。

1.4高功率半导体直接出光系统的主要特点：

半导体直接出光系统,是典型的半导体激光系统，激光的光模式具有以下几个特点：1、激光波长较短，一般介于8xx-9xxnm之间；2、光束能量分布为平顶型，能量分布较为均匀；3、通过不同的外光路得到不同的光斑形状；4、能量密度较光纤传输的光纤激光器、半导体激光器略低。

波长较短更适合金属吸收，整体功率较高，能量密度比较高，能量分布均匀的光学特性适合金属表面的非深度加工处理的工作。

2.  高功率半导体直接出光系统应用

2.1激光钎焊

激光钎焊一直是高功率半导体激光器的优势应用。能量密度略低于光纤激光器，且能量分布均匀，在钎焊工艺过程中钎丝熔化均匀不易产生飞溅。大量汽车厂的激光钎焊市场一直被半导体光纤耦合激光器占据。随着半导体直接出光激光器的稳定性、光束质量、外光路的不断进步越来越接近半导体光纤耦合激光器的性能，半导体直接出光系统也有希望进入并且占据一部分市场。在具有相同工艺功能的情况下，半导体直接出光激光器具有更低廉的价格，所以也会分享钎焊的市场。

2.2激光焊接

高功率半导体激光器在拼焊时焊接强度高，焊缝光滑平整无需后处理效率高，广泛应用于汽车、冶金国防军工等领域。

2.3激光表面处理及再制造

高功率半导体激光器电光转换效率高（可达50%），稳定可靠，光斑能量分布均匀，广泛用于金属零部件的淬火、合金化及熔覆/修复等工艺。高功率半导体激光器在表面处理及再制造领域较传统的CO₂横流激光器激光加工方法有着激光波长短，金属吸收率高，无需吸光涂料，激光器体积小等优势已开始逐步替代CO₂横流激光器。可通过下面激光表面合金化的对比实验说明。

2.3.1目的

用半导体激光器和CO₂激光器进行合金化对比的工艺研究。

2.3.2设备及材料

设备：2.7KW半导体激光强化修复系统、5KWCO₂横流激光器；工件：45#样块、涂料：204。

2.3.3工艺方案

合金化涂料喷涂厚度100um左右，功率、焦距不改变的情况下提高激光扫描速度检测合金化成型、硬

度、层深及组织，同时与CO₂激光合金化在相同速度下的合金效果对比。

2.3.4工艺参数

表1  工艺参数

2.3.5工艺数据

2.3.5.1硬度层深分布

表2 硬度层深分布

2.3.5.2手持显微镜下形貌

表3 手持显微镜下形貌

表4 400倍金相显微镜下形貌

2.3.6结论

上面数据可以看出半导体在100mm/s时其枝晶组织很浅，只有距表面0.1mm内可以看到，而在图中硬

度数据可以看到CO₂的有效硬度层深要比半导体的浅。半导体激光金属的吸收效率较CO₂激光更高。

3.  高功率半导体直接出光激光表面处理及再制造系统

半导体激光器体积小，可控性强，设备集成方便，与工业机器人及控制系统组合，形成柔性加工成套系统（多种结构：龙门结构、车载结构、落地结构、机床结构等）。满足对金属零部件进行激光淬火、激光合金化、激光熔覆/再制造等工艺要求。

3.1通用型半导体直接出光激光机器人柔性加工设备

半导体激光机器人配以立卧二用机床和平移轴，可满足长轴类、盘类、异形曲线曲型零部件的激光表面处理及再制造的要求。主要应用于冶金钢铁、石化、电力、国防军工及科研院所。

半导体直接出光激光机器人柔性加工设备

3.2半导体激光机器人模具淬火、修复设备

半导体激光器机器人辅以龙门机床，满足大型汽车模具的淬火及熔覆/修复的要求。还可通过三维数模导入进行离线编程，提高设备的加工效率，配智能装置可保证对复杂的曲线和曲面在运动速度均匀无法保证的情况下满足工件表面的加工。主要用于模具加工行业，特别是汽车模具行业。

半导体激光机器人模具淬火、修复设备

3.3半导体直接出光激光专用加工设备

3.3.1 轴类加工设备

  半导体激光器基于车床结构配以升降Z轴，专门针对轴类零件的激光表面处理及再制造应用，此设备为生产型设备，辅以专用夹具用于单一轴类产品批量加工。目前已在煤机行业推广使用，还可推广到其他制造业。

3.3.2 移动加工设备

   半导体激光机器人配以其他辅助设备，集成到一个专用集装箱里可组成一个移动的激光加工站。通过车载进行在线服务，特别适合于对超大型、不便于拆卸和运输的零部件现场激光修复加工。

4.结束语

半导体直接出光激光器具有的波长短、金属吸收效率高、电光转换效率高、能量分布均匀等特点，在激光表面处理及再制造领域得到了广泛应用，带来了更优良的加工质量。其可控性在使用时更智能，可靠性更高。可满足现代化先进工业应用的需要，为国产化激光设备的竞争力提升奠定了基础。