半导体激光熔覆技术（共8篇）
半导体激光熔覆技术 篇1
1 3D打印智能化控制技术研究意义
激光熔覆3D打印 (即激光熔覆成型) 技术不用模具, 用CAD软件制作一个零件模型, 电脑编程后用成束的激光扫描于工件上, 使工件上的金属粉末熔化、一层一层融合在一起并堆积, 最终形成一个致密的金属零件 (见图1) 。这种技术能一步成型金属零件, 而经智能化过程控制后成型的致密金属零件是近净形的, 几乎不用后续加工, 真正实现快速、熔覆3D打印金属零件。它提供的原型零件既能作为产品开发、设计用的概念、性能检测样品, 又能直接作为功能零件使用。激光熔覆成型技术能使产品的开发至投入市场的时间极大地减少, 并且使产品开发成本极大地降低, 尤其能使产品的制造更快速、柔性、个性化、多样化, 在新产品开发和单件小批量生产中具有无可比拟的优势, 便于实现网络制造, 也适合经济全球化的趋势, 在新型汽车制造、医疗、仪表等民用领域能更高效地制造高精尖零件, 在航天、军工领域能更好地制造高性能特种零件, 特别是能制造以往极难加工的梯度功能材料、超硬材料, 还能快速制造金属间化合物材料零件, 所以此项技术应用前景广阔。
目前激光熔覆3D打印出的零件还有些缺点, 比如质量稳定性较差, 达不到用户要求的精度和粗糙度, 要对零件进一步加工才行, 所以这种技术的局限性导致它没能更好地应用于生产中。零件质量稳定性较差的原因有:在制作零件的过程中, 一些工艺参数会波动, 结果在零件某些地方形成的熔覆带的形状和大小不符合预期;当熔覆进行时还会扩大已形成的缺陷, 使突起的地方更突, 陷下的地方更陷, 厚的地方更厚, 薄的地方更薄 (见第76页图2) 。这样零件粗糙度和精度均不符合预期, 最严重的是导致零件不能成型。
由于激光熔覆3D打印过程中的熔覆状态与工艺参数之间关系复杂, 影响因素众多, 不能找到精确的数学模型, 而传统控制方法依赖于精确的数学模型, 因而难以发挥作用。目前激光熔覆3D打印的过程控制系统的研究还没有大的突破, 控制效果还不好, 制约了这种技术的发展。
智能控制系统无需精确的数学模型, 把智能技术融合于激光熔覆3D打印工艺中, 对熔覆3D打印过程进行在线的实时智能化诊断与控制, 提高和稳定制件质量, 真正实现致密金属零件的快速、熔覆3D打印。因此该项目具有十分重要的意义。
2 3D打印智能化控制技术国内外研究现状
目前国内外尚无系统的智能化激光熔覆3D打印金属零件技术, 也没有把智能技术融合于激光熔覆3D打印技术中的文献报道案例。下面介绍激光熔覆3D打印技术及其控制技术的国内外研究现状与发展趋势。
1979年美国联合技术研究中心 (UTC) 利用高能束沉积多层金属制作出大体积的金属零件, 首创了激光直接快速制造金属零件的技术。20世纪90年代中期, UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了激光工程化净成形技术, Aero Met公司研究开发了Lasform (Laser Forming) 技术, 美国Los Alamos国家实验室开发了“直接光学制造”技术, 美国密歇根大学研究开发了直接金属沉积技术, 美国Stanford University和Carnegie Mellon University合作开发了形状沉积制造技术。这些技术实质上都是激光熔覆3D打印技术, 只不过称谓不同而已。并且此激光技术已经在航空、国防等领域有了一些应用, 例如, Aero Met公司成型的钛合金构件已经用在实际飞机上。相比国外而言, 国内的研究起步较晚, 西北工业大学、清华大学、北京有色金属研究总院、北京航空航天大学、华中科技大学、湖南大学等单位曾有过一些研究。
针对制件质量问题, 有两种措施可以采用, 一种是闭环控制系统 (见图3) , 一种是激光熔覆与铣 (磨) 削组合系统。美国桑地亚国家实验室根据激光三角测量原理实时检测未熔覆点和熔池附近已熔覆点的高度差, 计算出单层熔覆的厚度, 用反馈回来的层厚信息来控制激光的扫描速度或功率, 从而保持单层熔覆厚度与设定值相等且维持不变;美国Los Alamos国家实验室能够控制激光扫描速度和功率, 从而控制单层熔覆厚度在0.3~2.5 mm之间, 且控制成型零件的表面粗糙度约10μm, 精度在±0.12 mm内;美国密歇根大学DMD技术能实时反馈控制熔覆层高度、化学成分和显微组织;E Fearon等提出调节粉末流几何形状控制熔覆带高度。国内清华大学宁国庆等对熔覆层高度进行实时监测, 检测出凹凸点, 调节粉末输送量, 控制制件质量。长沙嘉程机械制造有限公司刘继常等提出了实时运动控制的方法。激光熔覆与铣 (磨) 削组合系统的例子有:美国Missouri Rolla大学开发了一套五轴混合PR系统, 其采用的激光辅助制造工艺吸收了沉积—去除制造技术;德国弗朗和夫生产技术研究所应用材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术。总的来看, 激光熔覆3D打印零件质量控制的研究目前主要集中在实时监测系统和反馈控制技术方面, 虽然在一定程度上提高了制件质量, 但是还存在控制精度不高和控制滞后的问题, 而激光熔覆与铣 (磨) 削组合工艺实际上削减了激光熔覆3D打印技术的优越性。
光电子技术和软件设计的发展提高了检测与控制数据的精度和速度, 加快了信息传输速度, 因此激光熔覆3D打印系统硬件越来越完善, 提高了过程控制的精度, 减小了控制滞后的程度。而且控制理论类学科的发展使激光熔覆3D打印过程的控制方法和手段进行了改头换面的革新。
3 3D打印智能化控制技术拟解决的关键问题
1) 设计系统结构。
2) 建立一个便于过程智能控制中快速计算的近似预算模型。
3) 确定用于智能控制的专家系统数据库 (知识库和综合数据库等) 的结构及其数据 (包括知识和定义模型的数据) 管理和更新的规则、方法。
4) 设计过程诊断与控制的算法, 即计算机如何判定过程中实时熔覆状态是否达到预期要求和如何根据熔覆状态与工艺参数间的复杂关系调节工艺参数实现控制目标的方法。
5) 确定检测方法, 即如何从不规则的熔覆层表面实时检测到诊断与控制所需的即将熔覆前后的状态特征量的方法。
4 该项目的创新之处
1) 首次提出应用智能技术解决激光熔覆3D打印金属零件中的问题。
2) 采用近似模型计算与知识运用相结合的方法提供工艺参数的控制值, 即所谓的“中西医结合疗法”。
3) 专家系统是“自学型”的, “专家”是系统本身。
4) 近似模型可在制造过程中在线修正, 基本上是在线进行知识补充与更新, 数据库的数据源由实时检测到的工艺参数值、熔覆状态数据组成, 与一般的主要在过程结束后收集数据不同。
5 结束语
该项目把能技术融合于激光熔覆3D打印工艺中, 使控制的方法、手段发生了质的飞跃, 能真正实现金属零件的3D打印, 具有广阔的应用前景。
半导体激光熔覆技术 篇2
【目的】:适用于体表或近体表局部炎症，感染伤口照射治疗及面神经麻痹，神经性头痛等传统针灸适应证的穴位照射治疗。
【操作步骤】：1.核对医嘱将激光治疗仪推至患者床旁，核对患者姓名做好解释。
2.将激光调整到所需的位置和角度，搬动支架调节激光端口到治疗部位距离一般为(15-30cm)并为病人戴上防护眼罩
3.接通电源调节面板上的“定时选择”键，定时选择选定时间后按“定时复位”键时间显示屏显示一般为(15-30min)
4.调节激光功率分为1.2.3.根据医嘱按定所需的功率
5.开机A首先检查治疗仪机上的红色“紧急开关”是否弹起，如未弹起需向右旋转90度处于弹起位置B用钥匙打开“钥匙开关总电源”黄色指示灯亮C打开“待机/准备”键，按键上绿色指示灯亮D待机延时2秒后，再按“激光启动”键面板上的数字灯亮，激光输出
6.治疗结束机内发出报警声激光输出终止治疗完成关闭“待机/准备”按键，再关闭钥匙开关总电源，激光端口套上激光终止罩
7.移开机器处理用物用清洁治疗仪
【注意事项】：1.严禁将激光头端口对准眼睛
2.使用时操作人员应佩戴激光防护镜
3.操作人员提示患者及家属周围人员不可长时间盯视照射部位
4.治疗仪激光输出端口应定期清洁否则影响激光输出功率
十四、密闭式输液技术
（一）目的按照医嘱正确地为患者实施输液治疗。
（二）实施要点
1.评估患者:
(1)询问、了解患者的身体状况。
(2)评估患者穿刺部位的皮肤、血管状况。
2.操作要点:
(1)核对医嘱，做好准备工作。
(2)携用物至患者旁，协助患者做好准备工作，取舒适体位。
(3)将药液及输液器备好待用，选择患者适宜的穿刺部位。
(4)穿刺部位下铺垫巾，在穿刺处上部系紧止血带，消毒注射部位皮肤，嘱
患者握紧拳头，使静脉充盈。
(5)按无菌技术原则进行穿刺，成功后松止血带，固定。
(6)调节输液速度，一般成人40～60滴/分钟，儿童20～40滴/分钟。
(7)协助患者取舒适卧位，将呼叫器放置于患者可及位置。
(8)观察患者情况及有无输液反应。
3.指导患者：
(1)告知患者所输药物。
(2)告知患者输液中的注意事项。
（三）注意事项
1.对长期输液的患者，应当注意保护和合理使用静脉。
2.防止空气进入血管形成气栓，及时更换输液瓶，输液完毕后及 时拔针。
3.根据患者年龄、病情、药物性质调节滴速。
半导体激光熔覆技术 篇3
2010年3月, 某钢厂的一离心式空压机在运行中振动增大, 停车后, 检修人员发现有异物进入旋转叶轮中, 与叶轮碰撞, 导致整个叶轮出气边叶片受损, 使机组无法继续运行。
该离心空压机的设计流量为60m3/min, 介质为空气, 转数为4 950r/min, 转子材料为17-4PH不锈钢, 工作温度200℃, 该叶轮为第三级叶轮。
由于离心式空压机转速高, 因此若仍采用传统的叶片磨损修复措施, 则难以满足工作要求。而且传统的修复手段存在修理周期长、成本高及材料性能变化大等缺陷。通过调研, 拟采用激光熔覆堆焊方式进行修复。激光熔覆技术是用激光束将已制备的合金粉末涂层熔化, 成为熔覆层的主体合金, 同时基体金属有一薄层熔化, 与之构成冶金结合的一种表面处理技术。
一、试验与结果
1.试验方法
选用与叶片材质成分非常相近的激光熔覆粉末, 材料成分见表1。使用激光熔覆方法堆焊成图1形状的试验样板, 并按国家标准制作各种测试试样。
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使用HXS-1000A和SANSCMTS-305进行硬度和拉伸性能测试, 使用OLYMPUS BX51M进行显微组织观察。
2.试验结果
(1) 显微组织
激光熔覆的金相组织致密、无缺陷。焊材与基体结合良好且热影响区非常小。
(2) 力学性能
从图2基体与激光熔覆区域硬度对比图, 可以看出激光熔覆部位、熔覆热影响区的硬度与基体基本相同。
从图2基体与激光熔覆区域拉伸性能对比图, 经拉伸试验发现, 其性能与基体性能基本相同, 更为重要的是断裂在基体上, 不在焊缝和热影响区。
(3) 试验结果分析
激光熔覆技术有着传统焊接技术无法比拟的优越性, 由于激光不仅具有近似绝热的快速加热熔化过程, 而且具有非常快速的冷却过程, 类似于快速淬火, 使晶粒组织细化、化学元素成分分布均匀, 从而使堆焊部位获得非常好的性能。
此外, 通过工艺优化控制激光的输入能量, 可以将基体材料的稀释降到较低的程度。
因此, 从上述分析可以看出, 激光熔覆后热影响区、激光熔覆区域的HV、σb、σ0.2保持优良的性能, 基本与基体保持一致。
二、激光熔覆的施工工艺
针对风机叶轮的损坏情况, 基于上述的试验结果, 决定采用激光熔覆技术进行修复。施工工艺流程图如图4所示。
1.检测、清洗
叶轮出气边的八个叶片均有不同程度的缺损, 其中最大缺损面的长约35mm、宽约30mm、叶片厚2mm。对工件表面进行清污除锈处理, 检测外形尺寸等, 并进行无损探伤。
2.原型线测量
选择相对完整的叶轮型线进行测量, 并与在新转子上采取的型线样板和测量的原始数据进行对比。最终确认叶轮型线样板。叶轮型线对压缩机的性能有重大影响, 决定了压缩机的性能好坏。
3.叶轮表面预处理
叶轮本体表面腐蚀疲劳层、型面及端面磨损和损伤部分进行清理打磨处理, 主要去除表面的氧化层。全面无损探伤检查及熔覆前的表面洁净处理。
4.激光熔覆专用材料配置
由于叶轮对硬度、耐磨性要求较高, 经分析比较, 采用高强度不锈钢金属粉料作为激光熔覆金属的粉料。该合金粉料与叶轮原材料相比, 不仅具有有自我脱氧和造渣的性能, 而且具有优异的耐蚀和耐磨性, 熔覆后具有满足工件使用要求的机械性能, 与基体材料有较好的结合强度和理想的金相组织。
5.激光熔覆工艺参数确定及熔覆加工
根据上述确定的叶轮待加工尺寸、专用的激光熔覆金属粉料, 制定熔覆工艺参数。每层熔覆厚度为0.6mm, 扫描速度12mm/s, 熔覆到要求尺寸并留有足够的后续机械加工余量。
6.机加工
对照已绘制好的叶轮型线样板, 对叶轮表面进行磨削加工, 保证叶轮外形恢复到其原来的设计尺寸。在此过程中还需要进行多次着色探伤, 对此过程中发现的裂纹进行打磨和再熔覆处理。最终对处理好的叶轮进行精修, 确保其修复后尺寸精度。
7.叶轮检测
叶轮加工完成后, 再次对转子进行几何尺寸、形位公差、无损探伤检测。在型面检测完成后对叶轮表面进行抛光处理。
8.低速动平衡
进行低速动平衡试验, 保证叶轮重新校验到标准动平衡精度G2.5级。试验过程中要注意部件的润滑, 防止旋转摩擦部位磨损, 影响动平衡试验精度。
三、应用效果
半导体激光二极管的光纤耦合技术 篇4
光纤和能与光纤配套使用的激光器是构建光通信系统和光纤激光器系统的先决条件.半导体激光器, 特别是半导体激光二极管 (LD) 可直接作为光通信用光源, 也可作为激光器、放大器的泵浦源在激光工程研究领域有着十分重要的地位.随着光纤激光器输出功率的进一步提高, 一个高功率光纤激光系统往往需要多个LD提供足够的泵浦功率.于是, 将LD发出的光高效地耦合进光纤, 以及将众多的泵浦光束高效地合成一束已成为光纤激光器研究的重要问题, 引起了国内外激光器研究者及制造商的重视.光纤耦合技术包括“LD与输出尾纤的耦合技术”和“泵浦激光器尾纤与光纤激光器光纤的耦合技术”等, 相对来说“LD与输出尾纤的耦合技术”方法更多, 形式更灵活, 有些技术稍加延伸就可推广应用在“泵浦激光器尾纤与光纤激光器光纤”的耦合中.因此, 文中论述的重点放在“LD与输出尾纤的耦合技术”上, 如无特殊强调, 文中一律以“光纤耦合技术”代之.
半导体激光二极管 (LD) 包括二极管单管 (Tube) 、条形巴 (Bar) 、二维堆栈 (Stack) 以及二极管阵列 (Array) 等.随着光纤激光器和光纤放大器研究的不断深入和制作工艺的不断提高, 各种更新颖的想法和更先进的光纤耦合技术层出不穷, 文中细致比较了国内外各种光纤耦合技术的研究现状, 总结寻找出各种光纤耦合技术之间的规律, 供今后的研究人员选择和参考.
1 二极管单管与光纤的耦合技术
二极管单管结构相对简单, 功率较小, 发光元基本上只有一个, 但同样存在光束质量差, 快轴、慢轴发散性差异大等问题.要想高效的将二极管单管的出射激光耦合进光纤, 仍需采用一些特殊技术.
1.1 柱状锲形微透镜光纤法
为提高光纤耦合技术的耦合效率和失配容忍度, 可用带柱状楔形微透镜的多模光纤与大功率单片式LD进行耦合, 有关实验表明, 该方法可得到最高为87.06%的耦合效率[1].
柱状楔形光纤微透镜是近年出现的一种新型光纤微透镜.首先在光纤端头通过研磨和抛光等机械加工得到楔形角, 然后在楔角顶端继续通过研磨加工得到柱状微透镜.柱状楔形光纤微透镜通过楔角和柱状透镜的组合来对发散角比较大的半导体激光光束快轴方向整形, 激光光束慢轴方向发散角较小, 满足正弦值小于数值孔径的限制, 对这个方向上的出射光束不必整形即可顺利耦合.图1所示为柱状楔形微透镜光纤与LD耦合系统结构示意图.
与此原理类似的耦合方法还包括球状光纤耦合法[2]和伞状光纤耦合法[3,4]等.这类耦合方法的工作原理都是增大光纤对激光的接收角.就目前的文献资料来看, 柱状楔形微透镜光纤耦合法的耦合效率最高, 同时, 该方法经仔细设计还有望用于宽发射域半导体激光器及高功率二极管Bar条与光纤的耦合系统中.
1.2 V型槽侧面耦合法
不同于柱状楔形微透镜光纤耦合法, VSP (V-groove side-pumping) 技术是一种侧面耦合系统.有资料显示法国Keopsys公司利用该技术结合双包层有源光纤, 已实现了20 W的光纤激光输出.其原理如图2所示:在双包层光纤的内包层上加工出V型结构, 使激光二极管发射的泵浦光从侧面垂直入射后, 经V型槽侧面反射进入内包层中传播.
该方法应用灵活, 可将多个二极管激光器耦合在同一根光纤上, 有利于实现高功率激光输出, 但该方法也存在如下缺点:
(1) 加工工艺较为复杂:光纤内包层直径一般都很小, 需要特殊工具加工出V型槽结构, 切割成形后还需要对加工表面进行抛光处理, 技术难度大.
(2) 对激光二极管的对准精度要求很高:微小的误差都会严重影响泵浦耦合效率, 不仅调试困难, 而且环境适应性差.
(3) 单元泵浦功率一般只有瓦级, 采用这种技术研制的光纤激光器功率也较小.
可能正是基于以上因素, 这种耦合方法国内采用的并不多.
1.3 微透镜耦合法
图3所示为一种多LD单管与单根光纤的耦合结构图.其工作原理是先用一组准直器 (collimators) 将每个LD单管发出的光束在快轴方向上进行预压缩, 再用一组反射镜 (1st mirrors) 将准直后的激光束按一定角度反射到反射镜2上 (2nd mirror) , 使这10条光束排列成如图4所示的紧密结构的类圆形光束.之后再由一组透镜 (Focusing lens) 将这组光束聚焦耦合到一根光纤中去.
此结构简单明了, 便于理解和实现, 其设计思路还可被用在二极管条形巴与光纤的耦合技术以及二极管阵列与光纤的耦合技术中.但此类耦合方法仍然存在耦合效率不稳定, 系统调节复杂等问题.下文将进行详细分析.
2 二极管条形巴 (Bar) 与光纤的耦合技术
大功率二极管Bar条的光束质量很差, 在2个方向上的发散性差异也很大, 通常由19个 (或49个) 发光元组成, 每个发光元面积为150 μm×1 μm, 发光元间距为500 μm (即阵列总长为1 cm) .出射激光在快轴方向上的发散角<40°, 慢轴方向上的发散角<10°.图5 所示为一个典型的输出功率数十瓦的Bar, 它由19个发光元组成, 其光束质量为
这样差的光束质量, 不仅无法直接应用, 而且无法用简单的透镜耦合法直接耦合到一根直径小于4 mm、NA=0.22的光纤中 (若要用简单的透镜耦合法直接将Bar条发出的光耦合进一根光纤, 必须满足:
需要注意的是, 上述计算中包含了LD发光元之间的间隙对光束质量的影响.如果剔除间隙的影响, 则有
针对这种情况, 以下各种二极管条形巴与输出尾纤的耦合技术应运而生
2.1 光纤束耦合法
图6所示为早期采用的一种光纤束的耦合方法.目前有过文献报道的采用该方法的单位包括中科院半导体所、Coherent和SDL等.
光纤束耦合法是在输入端将耦合光纤排列成具有固定周期的光纤列阵, 使列阵中的光纤一一对应于组成Bar的数十个LD发光元, 在经过快轴成像之后, 将每个发光元的光耦合进一根光纤.在输出端, 以上数十根光纤将排列成圆形的光纤束 (排列原则与2.3节光束的排列原则一样, 都是要排成一个“密结构”) .必要时还可在光纤束的输出端进一步对接另一根单芯光纤, 但这就要求有很好的对接光学系统.目前已在Coherent和SDL的产品中发现有进一步的对接操作.
光纤束耦合法的优点是思路简单明了, 剔除了LD发光元之间的间隙对整体光束质量的影响, 耦合效率高.缺点是光纤束的直径、或对接的光纤的芯径通常会比较粗, 光纤输出亮度的极限低.若要得到更小的输出截面, 单根光纤的芯径就必须很细.因此, Bar的数十个LD发光元在慢轴方向上常常也必须单个地聚焦进光纤.若能结合2.1节中提到的柱状楔形光纤耦合法、球状光纤耦合法等二极管单管与光纤的耦合技术, 提高每一个发光元与对应光纤的耦合效率, 则光纤束法的整体耦合效率还可有较大幅度的提高.根据中科院长春光机所[5]、吉林大学[6]以及河南大学[7]2006年的相关文献报道, 利用微球透镜光纤列阵技术的光纤束耦合法可将最大耦合效率提高到80%以上.
其中中科院长春光机所的做法是将19根芯径均为200 m 的光纤的端面分别熔融拉锥成具有相同直径的微球透镜, 利用V形槽精密排列, 排列周期等于二极管Bar条各发光单元的周期.将微球透镜光纤列阵直接对准二极管Bar条的l9个发光单元.精密调节两者之间的距离, 使耦合输出功率达到最大.通过微球透镜光纤列阵从各个方向压缩激光束的发散角, 有效实现对激光束的整形和压缩.中科院长春光机所通过该方法用数值孔径为0.16的光纤实现了30 W的激光输出, 最大耦合效率大于80%.图7和图8分别是他们所使用的微球透镜光纤结构示意图以及二极管Bar条与微球透镜光纤列阵耦合结构简图.
河南大学的做法是用一段直径为600 μm的裸石英光纤代替柱透镜对LD输出光束进行准直整形, 再用微球透镜光纤对光束进行聚焦后直接实现和光纤耦合, 耦合效率也在80%左右.图9为其实验装置示意图.
光纤束耦合法结构简单明了, 便于理解和实现, 其耦合输入端和输出端应用的光纤列阵和光纤束的设计思路还分别被二极管阵列与光纤的耦合技术以及多根光纤和一根光纤的耦合技术所借鉴.比如, 现有部分高功率N×1的光纤耦合器 (Combiner) 就是将多根光纤排列成如图6所示的密结构, 再采用熔融拉锥法 (fused biconical taper, 简称FBT) 将其拉制成与后继光纤匹配的几何尺寸, 制成N×1的光纤耦合器, 实现将多根光纤的输出光耦合到一根光纤中的目的.耦合效率已达到90%以上, 具有很高的实用价值.表1列出了部分在国内出售的高功率光纤耦合器情况.
2.2 光束整形法
光束整形法的思路如图10所示.首先对Bar条的光束在快轴和慢轴方向上分别准直.准直后的光束为一线状光束.再通过光束整形器把这一线状光束切割成n条, 并重新排列成一个预定的分布, 譬如矩形、方形、圆形、椭圆形等.经过重排后的光束在聚焦性能上将得到极大地改善, M2因子将缩小n倍, 因此对光纤芯径的要求也将减小n倍, 可以用一个透镜聚焦耦合到一根纤细的光纤中去.经验表明, 如果在慢轴准直中使用透镜阵列以减少畸变, M2因子还可以有效地减小.
和光纤束耦合法相比较, 光束整形法的优点是可以实现更细光纤芯径的耦合, 因而实现更高的亮度.假设Bar条在快轴和慢轴方向上M2因子分别为M
图11所示为经过光束整形后的光束图样.光束整形法通常可分为两步重排整形法和一步重排整形法.
2.2.1 两步重排整形法
要把线形光束分割、排列成矩形分布, 首先是把线形光束分裂成n份, 在一个方向上实现不等量的移动, 称为第一次重排;再在另一个方向上实现不等量的移动, 实现第二次重排.如图12中2个箭头所示的过程.
典型的两步重排整形法是梯形镜法 (step-mirror) .如图13所示, 线形光束先由数个微小镜片分割并反射, 实现第一次光束重排.重排后的光束再经过第二次反射, 实现第二次重排.第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移;第二次重排的结果是实现另一个方向上不同量的平移.最终得到如图12中的整形后的输出图案.JOLD等大多数公司提供的产品里使用的都是梯形镜.另外, 属于2次重排整形法的还有棱镜组法 (Prism-group) , 一般的耦合效率在70%左右.
2.2.2 一步重排整形法
在上述的两步重排法里, 一方面结构复杂, 不利于小型化和模块化;另一方面, 由于每一次反射都损失一些光能量, 致使整形后的效率受到影响.因此, 近期发展起来的一种一步重排整形法相比之下显得很有特色, 下文将介绍2种常见的一步重排整形法.
(1) 45°倾斜柱透镜阵列旋转整形法
由于倾斜的柱透镜成像可以实现旋转功能, 如图14a中所示.可以证明, 如果柱透镜的旋转角为q, 则像的旋转的角度为2q.使用45°放置的柱透镜, 一个水平的线状物AB所成的像为一个垂直的线状A′B′.
在此思路的启示下, Limo公司设计制造了如图14b所示的45°倾斜的柱透镜阵列.水平分布的Bar条在快轴准直后, 每个发光元对应45°倾斜的柱透镜阵列中的一个柱透镜.在光经过柱透镜阵列之后, 就会出现和发光元数目相等的、已经实现重排了的矩形光分布.
和梯度镜法相比较而言, 倾斜柱透镜阵列旋转整形法只用一步就实现了光束的整形重排, 但排列出的光不再是准直光, 而是在垂直方向上发散的一个矩形分布.在Limo的实际产品中, 首先使用一个柱透镜在垂直方向上进行准直.之后再使用2个柱透镜分别在水平和垂直方向上聚焦, 最终实现了与光纤的耦合.
与此类似的一步重排整形法还有Apollo公司使用的体光栅整形法.在该方法中Apollo公司使用了具有专利权的体光栅取代了Limo公司的倾斜柱透镜阵列, 实现了单个二极管条形巴的光束整形.
(2) 折射整形法
另一种整形原理, 即折射整形法.根据折射原理, 光束以一定的角度入射到透明介质 (如玻璃等) 中时, 方向将发生改变.如果此介质是平行介质, 光束穿过后传播方向不变, 但在入射面内位置将发生移动, 如图15a所示.不同的移动量可以通过不同的入射角和介质长度来控制.采用多层透明介质即可实现光束的重排.图15b所示为一个整形模块的剖面图.
利用折射整形法, 不仅可以排列出光纤耦合所需要的矩形分布, 还可以排列出圆形、椭圆形等其他分布.同时具有体积小、结构紧凑、损耗小的优点.
另外, 一次重排实现光束整形的还有双反射器法 (Two-reflector) 等, 因为原理类似, 这里就不再展开描述.
3 二维堆栈 (Stack) 与光纤的耦合技术
一般来说, Bar条的连续功率局限在百瓦数量级.为了得到更大功率的激光输出, 就必须采用二维堆栈的组装技术.LD二维堆栈的结构如图16所示.多个条形巴平行放置, 相邻Bar之间的间隔一般在1.5～2.0 mm之间, 主要是由于散热的局限, 无法更近.目前市场上的产品中条形巴的数目从2个到25个不等, 连续输出功率可达1 000 W.
二维堆栈在快轴方向上由多条条形巴组成 (如典型的25条) , 因此, 其在快轴上的光参积 (发光尺寸和发散角之乘积, Beam-Parameter-Product, BPP) 至少要增大25倍.在图17a所示的耦合法中, 首先将每条巴分别用柱面透镜进行了快轴准直, 然后使用一个大面积柱面微透镜列阵进行慢轴准直.为了消除巴之间的不发光面积的影响, 还使用了一个光束整形镜 (Beam shaper 1) 剔除每条准直光之间的间隙——光束压缩.处理之后的光束形状如图17b所示, 其快慢轴方向上的BPP分别为100 mm·mrad和1 200 mm·mrad.
为了耦合这样的光到光纤中去, 首先必须调整2个方向上的光参积为近似对称, 调节技术依然为上面描述过的整形技术, 如上文提到的两步整形法.这里使用棱镜组法作为例子. 从图17b中得知, 经过光束压缩后的光束的快慢轴方向上的理想的BPP分别是100 mm·mrad和1 200 mm·mrad.但由于压缩效果的限制, 快轴方向上的BPP实际大致为130 mm·mrad.若想使得快慢轴方向上对称, 可以把光束在慢轴方向上切成3份然后在快轴方向重排.
如图18所示的, 采用3块直角棱镜叠加在一起组成的重排模块实现一个方向上的重排.2个这样的模块即可实现所需的光束整形.此时的快、慢轴上的BPP分别被调整为390 mm·mrad和400 mm·mrad, 近似于对称.这样的光经过合适焦距的透镜聚焦后, 就可以耦合到光纤中了.
4 多个二极管Bar条或Stack堆与光纤的耦合技术
接下来介绍一种在多个二极管Bar条或Stack堆与光纤的耦合中应用的比较多的偏振合束法.该方法是在第4节的基础上进行的, 主要由2个光束整形的二维堆栈组成, 其中一个堆栈的输出经过一个半波片后偏振方向发生90°旋转, 再使用偏振合束器对2路堆栈输出的光束进行合束, 最后经过光学聚焦系统实现光纤耦合.
其实不论是条形巴还是堆栈都可以使用偏振合束法结合前面提到的各种整形耦合法实现多个激光器巴/堆栈的单光纤耦合.如Apollo公司就是利用3.2节提到的光束整形法将每个Bar条的出射光先进行初步的重排整形后, 再结合2.3节提到的微透镜耦合法实现了10个二极管Bar条的整形耦合.最后再利用偏振合束法实现了2组共20个Bar条出射激光的耦合.最后经过光学聚焦系统实现了与400 μm光纤的耦合, 输出功率高达400 W.另外, 这种偏振合束法还可用在多个带尾纤的光纤激光器的输出功率合成中, 考虑到技术的共通性, 这里就不再展开介绍.
5 结 束 语
随着半导体激光二级管 (LD) 及其应用技术的发展, 大功率半导体激光二级管的光纤耦合技术也在不断的发展, 人们还在向着更新的整形技术, 更细的光纤耦合, 更高亮度的光纤输出等研究方向进行着不断的开拓和探究, 也取得了显著的进步.在美国、德国已经出现了40 W、100 μm光纤输出的半导体激光器组件.国内受限于制作工艺的不足, 目前还局限在实验室小批量研究阶段, 暂时还没发现自主研制的可供实用化批量生产的相关产品.因此, 激光工作者们仍需加强对半导体激光器光纤耦合技术的研究.
参考文献
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半导体激光熔覆技术 篇5
一、激光直接调制工作原理
本文采用的直接调制方案是通过将调制信号加载于激光器驱动电流对激光输出进行直接调制, 使激光器输出光的强度随信号而变化, 属于激光强度调制。
二、影响直接调制速率因素
分析制约激光器影响高速调制特性的因素以实现更大的调制带宽、更高的调制速率。
(一) 电光延迟
激光器的电光延迟导致输出光脉冲展宽, 如果注入的电流调制信号脉冲宽度与电光延迟时间特别接近时, 调制输出信号会产生影响, 影响严重时出现畸变。为实现高速激光调制, 应尽量减小电光延迟时间。主要通过增大激光器的偏置电流, 使其接近阈值电流, 可以有效地减小电光延迟时间。
(二) 弛豫振荡
半导体激光器直接调制的最大频率取决于弛豫振荡频率, 当调制信号的频率接近于弛豫振荡频率, 激光器不能正常调制。因此半导体激光器要想实现高速直接调制, 必须提高激光器的弛豫振荡频率。
(三) 电学寄生参数
半导体激光器的电学寄生参数主要有器件结构和电极连线的寄生电阻、点接触引线的寄生电感、有源区电容和电极间电容的寄生电容, 减小寄生参数可以有效提高弛豫振荡频率, 相应地可以增加激光器的调制带宽, 因此有必要对激光器结构和封装进行优化。
(四) 热效应
半导体激光器温度特性差, 温度升高时导致其工作特性下降, 甚至无法调制。激光器驱动电流增加使激光器结温度随之提升, 散热不及时导致调制效果变差或出现信号畸变, 严重时激光器被损坏。
(五) 增益饱和
增益饱和对半导体激光器高速调制特性的影响严重。增益饱和越大则峰值越低, 振荡频率也相应下降。增益饱和限制了半导体激光器弛豫振荡频率, 当然也限制了激光器的调制带宽。
三、直接调制系统设计
半导体激光器直接调制为实现线性调制, 必须保证静态工作点位于特性曲线的直线区间, 因此需要在给激光器加调制信号的同时注入合适的直流偏置电流Ib。半导体激光器直接调制时, 调制信号和直流电流共同作用所以功耗较大, 需要对激光器工作温度进行稳定控制, 否则影响或破坏正常调制。
使用半导体激光器作光源, 要施加偏置电流Ib, 使其工作点处于半导体激光器的P-I特性曲线的直线段。其调制线性好坏与调制深度m有关:
因为数字光信号在信道上传输过程中抗干扰能力强且对数字通信系统的线性要求不高, 可充分利用光源 (LD) 的发光功率。
根据在大气激光通信中激光功率的损耗和对激光光束散角小的要求, 选用了数字直接调制的, 输出功率为200 m W, 调制速率大于300 Mbps, 束散角小于1 mrad的集成激光器模块。
(一) 直接调制激光驱动器调制电流的参数设计
采用PECL电平格式, 高速、高强度电流固态混合激光二极管驱动技术。采用一种后向匹配技术, 不用匹配阻抗终端, 可直接驱动半导体激光器, 避免热源对高性能激光器的损害。利用数字、高速的半导体激光器电流驱动调制技术实现直接调制发射系统, 调制电流的峰-峰值可达到400 m A, 最高调制速率622 Mbps, 偏置电流选择范围0~40 m A。
设计直接调制高速激光器驱动器电路时, 调制电流的大小由调制电流设置端和温度补偿端所接的电阻值决定。其中调制电流设置端的外接电阻决定温度恒定不变时的电流值, 当激光管选定后, 调制电流一般就已决定。而温度补偿端的电阻值决定当温度变化时的补偿电流值。因此调制电流的设计, 关键在于确定调制电阻值和温度补偿的电阻值。
根据下式可以计算出它的温度系数LT:
其中a为激光器的输出功率与激光器电流所确定的直线斜率。
求得后, 根据以下两个公式, 确定热敏电阻RTC和调节电阻RMOD:
(二) APC电路的参数设计
从驱动器模块功能来考虑, 激光器和监控二极管, RSET和功率控制放大器形成了功率控制环路。控制环路实现维持输出功率稳定的目的。当选定激光器后, 激光器电流ID、偏置电流IBIAS也就确定了。
(三) 直接调制系统测试
对高速直接调制激光系统进行了测试, 发射功率200 m W, 调制速率500 Mbps, 利用带有前置放大器的APD进行信号探测, 其接收波形如1 所示。波形规整, 时间稳定, 调制效果良好。
参考文献
[1]薛志伟.大功率半导体激光器高频调制特性研究[D].长春理工大学, 2013.
[2]罗毅, 徐建明, 黄缙.基于直接调制和外调制的高速半导体激光光源[J].红外与激光工程, 2008, 37 (2) :200-204.
电缆导体激光打标防盗技术 篇6
目前铜在市场上现货价格约为50 000元/t, 以一根常规3芯240mm2铜芯电缆为例, 其每公里电缆铜含量约为6.4t, 价值高达38万元, 而铜导体成本约占铜芯电缆整个成本的70%～90%, 因此当很多不法分子在利益的趋势下, 铤而走险盗取国家电缆后, 除了造成电力供应中断、城市停转、工厂停工等不可估量的损失外, 也给相关单位带来了巨额的线路修复费用 (电缆重购费用+安装敷设费用) 和很长的修复周期。
虽然目前国家对电缆盗窃犯罪加大了处罚力度, 但是盗窃的侦破工作却进展缓慢。其原因是犯罪分子在盗取电缆后, 将电缆外面带有标识的绝缘、护套等迅速剥离, 只保留最有经济价值的导体 (单根铜线或多根铜线绞合) 部分, 而电缆导体部分没有任何标识, 造成了公安机关在调查过程中无法追溯导体来源, 给侦破工作带来很大阻碍, 而且取证困难;同时, 导体较强的通用性使其可直接用来继续生产电缆, 因而犯罪分子可轻易将导体销售给任何一家电缆制造公司, 而且购买导体的电缆制造公司也无法辨识所购导体是否为盗窃赃物, 从而失去了举报可能性。没有买卖就没有偷盗, 只有阻断电缆盗窃犯罪分子的销路, 加大他们销赃成本和被查处、被举报风险, 才能有效预防电缆偷盗问题。为此, 本公司采用激光打标技术在铜导体单线 (铜线) 上打印不可去除的标识信息, 任何人都可以通过手机、电脑、pad等具备上网功能的设备, 通过标识信息查询到该铜导体的所有者信息, 使盗窃赃物无所遁形。
1 导体激光打标防盗技术简介
导体激光打标防盗技术是采用激光打标机在导线上标识图形、文字、字母、数字等各种信息, 其原理是利用高能量密度的激光脉冲输出, 对铜线局部进行照射, 使其表层材料熔融、气化或产生颜色变化等物理、化学反应, 以留下永久性标识, 而且无法通过溶剂或焚烧等方法清除掉。常用导体激光打标机的主要技术参数如表1所示。
导体激光打标过程为非接触性加工, 不产生机械挤压或应力, 因此不会损坏导体, 同时激光聚焦后的尺寸很小, 热影响区域较小, 加工精细, 对铜导体电性能的影响也可忽略不计。导体激光打标机的印字间距可以根据需要在100～1 000mm范围进行调整。受限于人视力, 铜线规格为2～4mm时, 导体单线打印标识可以直接目视;铜线规格为0.5～2.0mm时, 导体单线打印标识则无法通过肉眼识别, 需要借助放大镜等工具;铜线规格小于0.5mm时, 则不宜采用导体激光打标防盗技术。
2 导体激光打标工艺的实现
导体激光打标的生产线如图1所示, 主要由收放线装置、前后槽型定位轮、激光打标装置三部分组成, 厂家可分开采购, 自行组装。放线装置用于固定需要打印标识的铜线盘具, 铜线从盘具上引出, 通过放线张力控制装置, 进入激光打标装置, 铜线打印标识完成后, 通过收线张力控制装置进入收线装置, 收线装置在驱动电机的带动下将标识打印完成的铜线收入盘具中。张力控制装置保证铜线在生产过程中速度均匀、张力恒定, 使标识大小、间距均匀, 同时避免出现铜线拉细问题。前后槽型定位轮安装在激光打标装置前后;下定位轮上开槽, 槽型为半圆形或V形, 上定位轮可以开槽也可以不开槽, 槽的大小可以根据铜线的直径调整;前后槽型定位轮的槽孔和激光射头应处于同一轴线, 铜线通过槽孔定位, 使铜线的中间位置准确处于激光照射区, 保证打印的标识不偏移和缺失。市场上激光打标装置可选品牌和规格非常多, 通常价格在15万左右。导体激光打标时, 可先根据打印要求在激光打标装置的控制面板上设置打印内容、打印深度、字符线宽、字符高度等参数, 字符高度以铜线直径的1/3～1/2设置为佳;然后根据打印内容的复杂性和激光打标装置的型号和功率调整收放线速度 (约4～5m/s) 。实心导体经激光打标工序后可以直接用于后续的电缆生产;对于绞合导体, 打印标识后的铜单线需经过绞合工序制造成各种规格的带有标识信息的铜导体, 才可用于后续的电缆生产。
3 标识信息的设计和查询
本公司设计的导体激光打印标识的信息内容通常包括两部分:a.哪里查, 即服务器地址 (如www.service.com) , 可通过互联网Internet链接该服务器;b.查什么, 即产品代码, 通过产品代码作为关键词检索、链接网页获得该产品相关信息。
为了实现导体激光打印标识信息的查询, 服务器地址可以指向电缆制造企业的某个电脑终端服务器, 电缆制造企业在完成电缆的生产和检测之后, 将产品相关信息录入该服务器。产品相关信息主要包括以下内容:电缆制造商, 电缆型号、规格、电压等级, 电缆设计制造执行标准, 电缆制造时间 (年月) , 电缆制造长度, 电缆近似重量, 铜导体近似重量, 产品项目名称, 产品所有者, 产品所有者变更情况及日期 (产品所有者发生变更时, 需要变更双方法人出具“所有权变更联合声明”通知制造商, 制造商对信息验证无误后, 才能在服务器中增加所有权变更信息, 这个服务为制造商销售该产品后提供的附加服务) 。上述产品相关信息应与产品代码一一对应, 确保任何人通过电脑、手机、pad等具有上网功能的便携设备, 登陆服务器地址, 在可视窗口中输入产品代码时, 快速查询到该产品的制造商、所有人、所有权变更及日期等所有相关信息。可以预计随着4G移动互联技术的不断普及, 导体激光打印标识信息查询会越来越快、越来越方便。
4 结束语
半导体激光熔覆技术 篇7
本文基于生产企业和临床机构调研、各国行业标准和指南文件及笔者注册技术审评经验, 对3A类半导体激光治疗机产品的结构和组成、工作原理、作用机理、预期用途、主要风险、适用标准、性能指标七个方面进行了分析研究。
1. 产品的结构和组成
1.1 结构和组成
如图1所示, 3A类半导体激光治疗机一般可以分为主机、治疗部件两大部分。其中主机包括激光电源系统、控制和防护系统等, 治疗部件包括半导体激光器 (半导体激光器也可以放在主机中) 、光束传输装置等。
1.2 产品分类
1.2.1根据半导体激光器的特征进行分类, 主要有以下几种情况:
1.2.1.1按工作光束的波长分类一般可分为可见光半导体激光治疗机、红外半导体激光治疗机等;
1.2.1.2按工作方式可分为连续半导体激光治疗机和脉冲式半导体激光治疗机;
1.2.1.3按光输出的方式分为单光路输出和多光路输出等半导体激光治疗机。
1.2.2按治疗方式分类可分为半导体激光血管外照射治疗机、半导体激光穴位治疗机等。
2.工作原理
3A类半导体激光治疗机的工作原理是半导体激光器经激励电源激励产生激光, 通过光束传输装置有效地将激光传输至治疗部位, 起到治疗作用。
半导体激光治疗机的核心部件是半导体激光器。半导体激光器以不同掺杂类型的半导体材料作为激光工作物质, 自然解理面构成谐振腔, 通过一定的激励方式, 例如在半导体激光器的PN结区加正向电压, 在半导体物质的导带与价带之间, 形成非平衡载流子的粒子数反转, 当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时, 将多余的能量以光的形式释放出来。由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈, 从而实现定向发射而输出激光。
3.作用机理
激光具有发散角小、能量密度高、单色性好、相干性好的特点, 因此当激光照射到生物组织后, 除产生与普通光类似的生物效应, 如热作用、光化作用以及对生物系统的刺激等作用外, 还有机械效应、电磁效应、色素选择性、可以对很小的空间起作用而不危害其他组织的空间选择性, 以及可以极短时间作用以免热扩散的时间选择性等[1]。
3.1 激光的生物效应
3A类半导体激光根据其波长、功率和功率密度, 主要作用为热效应和生物刺激效应。
3.1.1 热效应
激光照射生物组织时, 激光的光子作用于生物分子, 分子运动加剧, 与其他分子的碰撞频率增加, 可以直接或间接导致生物分子转动、振动和平动的增加, 产生热效应。研究表明, 3A类半导体激光的波长在红光及红外光谱, 穿透较深, 局部温度达到38˚C~42˚C[2]。
3.1.2 生物刺激效应
当低功率激光照射生物组织时, 不对生物组织直接造成不可逆性的损伤, 而是产生某种与超声波、针灸、艾灸等机械或热的物理因子所获得的生物刺激相类似的效应, 称为激光生物刺激效应[3,4]。
激光热作用、光化学作用、机械作用和生物刺激作用通常是同时发生, 并不是孤立存在的, 对许多疾病的治疗和诊断都是综合效应的结果, 只不过在特定的条件下, 以某一生物效应为主要表现而已。
3.2典型医学应用
对于3A类半导体激光治疗机, 具有较为成熟机理和较多临床研究数据支持的医学应用主要是血管外照射缓解高脂血症、高粘血症引起的临床症状[5,6]或镇痛作用[7,8]。镇痛作用是美国FDA批准激光生物刺激治疗产品的预期用途[9]。
4. 预期用途
预期用途应根据临床试验结果确定, 应体现临床适应症和治疗效果。例如, 用于临床体外照射, 缓解高脂血症和高粘血症引起的临床症状。
5. 主要风险
风险分析可参照YY/T 0316-2008《医疗器械风险管理对医疗器械的应用》的有关要求, 产品定性定量分析是否准确;危害分析是否全面;风险可接收准则, 降低风险的措施及采取措施后风险的可接收程度, 是否有新的风险产生;是否确定了风险管理的范围、规定和人员职责分工;是否确定了风险反馈的规定及信息收集情况。
依据YY/T0316附录E列举了氧化锆瓷块的危害分析见表1, 还应结合具体产品的情况。针对产品的各项风险, 生产企业应采取应对措施, 确保风险降到可接受的程度。
6. 产品的主要适用标准
目前与远红外温热治疗仪的安全性和有效性相关的常用国家和行业标准如下:
GB 2894-2008安全标志及其使用导则, GB7247.1-2001激光产品的安全第1部分:设备分类、要求和用户指南, GB 9706.1-2007医用电气设备第1部分:安全通用要求, GB/T 11748-2005二氧化碳激光治疗机, GB12257-2000氦氖激光治疗机通用技术条件, GB/T 16886.1-2001医疗器械生物学评价第1部分评价与试验, YY 0284-2004氦氖激光血管内照射治疗仪通用技术条件, YY0307-2004连续波掺钕钇铝石榴石激光治疗机通用技术条件, YY/T 0756-2009光学和光学仪器激光和激光相关设备激光光束功率 (能量) 密度分布的试验方法, YY/T 0757-2009人体安全使用激光束的指南。
7. 产品的主要性能指标
产品的主要性能指标主要体现在其注册产品标准, 通过检验符合标准来保证其质量。性能指标可以分为有效性能要求和安全性能要求两大部分。
7.1 有效性能要求
7.1.1 激光波长:波长单位一般为µm或nm, 应注意无有害谐波成分。
7.1.2终端输出激光功率:脉冲工作方式的脉冲功率或连续工作方式的平均功率, 功率不稳定度<10%。
输出功率若可调, 应有每档可调范围。输出功率可调时, 应具有输出量的指示装置。
7.1.3 输出光斑直径。
7.1.4 光路系统要求:
在患者配合下, 激光束应能照射到治疗部位采用光纤系统时, 应符合YY/T 0758-2009标准要求。
7.1.5 直接与皮肤粘膜接触材料应按照GB/T16886.1-2001标准进行生物安全性评价。
7.1.6对于不可见的半导体激光输出, 非接触使用时, 应具有目标指示装置。
7.1.7噪音要求和环境试验要求等。
7.1.8产品软件及控制功能 (如有) 。
7.2安全性能要求
7.2.1应符合GB 9706.1的全部要求。
7.2.2应符合GB 7247.1-2001中相应类型激光产品的安全要求。
8.结论与展望
3A类半导体激光治疗机的安全性应通过医用电气安全和激光波长、终端输出激光功率、光斑直径的大小等性能指标加以控制, 3A类半导体激光治疗机的有效性应通过设对照组的临床试验加以验证。
随着国内人口老龄化的比例增加和不健康生活方式, 3A类半导体激光治疗机产品作为一种理疗康复器械, 因其操作简单将得到更加广泛的应用。但同时, 该类产品也存在着临床研究不充分, 企业夸大宣传等问题, 将直接影响到患者的利益。故从监管层面, 应尽快制定行业标准;从行业层面, 应强化质量管理体系的运行和上市后的临床研究, 加强对产品电气安全和激光波长、终端输出激光功率、光斑直径的大小等性能指标的控制, 以保证产品质量;从使用层面, 患者应充分听取临床专家的指导和意见, 认真权衡使用产品的风险和受益。
参考文献
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齿面的激光熔覆修复工艺 篇8
关键词：激光熔覆,齿面,修复,工艺,缺陷
传统齿轮齿面的修复法有电镀法、热喷涂法和堆焊法。电镀法的镀层结合强度低且耐磨性差, 热喷涂法变形大, 而堆焊法工艺较复杂, 都不太适合形状复杂齿面修复的工业应用。激光熔覆修复是以激光作为热源, 通过在损坏齿面添加粉末材料, 利用激光束的高能量密度使之与齿面薄层熔凝并形成冶金结合, 从而恢复齿廓形貌。激光加工可进行局部及有选择性的修复处理, 具有工艺性灵活、修复层与齿面结合牢固、热影响小、组织致密、稀释率低等优点, 非常适合齿轮的齿面修复应用。
一、齿面激光熔覆
1. 试验装置和材料
试验设备:TJ-HL-T5000型恒流电激励连续CO2激光器, PMAC五轴联动数控机床, JKF-6型激光宽带涂敷送粉器。
试验材料:45钢斜齿轮轴整体结构, 齿数25, 螺旋角15°28′34″, 法面模数4mm, 法面压力角20°;粉末材料为Ni60粉末, 化学组分为:C0.6%~0.8%, Cr15.0%~16.5%, Si4.4%~5.0%, B2.5%~3.5%, Fe≤5.0%。
试验方案:采用侧向送粉方式, 送粉喷嘴的位置在激光束的一侧, 粉末和激光束相交于一点, 单向送粉单向扫描, 如图1所示。齿轮熔覆采用轴向分齿跳齿扫描法, 光束不动, 齿轮沿轴线方向作直线运动, 齿轮同步旋转。
2. 试验过程
本研究采用的齿面激光熔覆修复的工艺过程如下。
(1) 采用无损探伤法对损坏齿轮进行检测, 判断是否具有修复价值。
(2) 根据失效齿轮的几何参数与变化规律, 确定最佳扫描方法。
(3) 在平面样块上实验, 得到激光熔覆最佳工艺参数组合。
(4) 根据损坏齿面情况设计激光扫描轨迹, 编制相应计算机控制程序。
(5) 清洗齿面, 去除损坏处氧化膜和污垢, 以便熔融金属粉末能润湿齿轮基体。
(6) 在齿轮表面单道熔覆成形, 使覆层与基体形成冶金结合。
(7) 对面积较大损坏, 在第一道的基础上熔覆第二道, 使第二道与第一道搭接平整。
(8) 对齿面损坏较深处, 在第一层的基础上熔覆第二层, 使第二层与第一层形成冶金结合。
(9) 重复以上过程, 直到将整个损坏齿轮修复完为止。
(10) 对修复后齿面进行适当后续机加工, 恢复原有渐开线齿廓形状, 并进行质量检测。
3. 熔覆工艺
(1) 单道熔覆。
齿面轮廓复杂, 为了获得理想的激光熔覆工艺参数, 先在大量探索性实验基础上确定一个工艺参数范围。根据正交法原理, 以激光功率P、送粉量G、扫描速度V为因子安排L9 (34) 正交实验, 通过评价覆层外观、外形及稀释率, 最后确定P=1.8k W、G=80r/min、V=3.8mm/s, 试验结果为熔覆层表面光滑、外形规则并形成冶金结合, 如图2所示。
(2) 多层熔覆。
因单道熔覆层厚度有限, 对损坏较严重齿面还需进行多层修复。因多层熔覆时基体已不再是平面而是弧形, 通过多次试验, 发现影响覆层高度的因素很复杂, 没有实时闭环监测是无法精确控制的。最终将预先测得初始五层烧结高度的平均值作为分层基准, 实践证明效果较好。在多层熔覆试样上用显微硬度计测量硬度值, 发现宽度方向上硬度相差很小, 深度方向上的硬度如图3所示, 硬度分布比较均匀, 且大大超过了粉末的硬度, 能够强化修复齿面, 提高其耐磨性。
(3) 多道搭接。
在齿轮修复中, 不仅有各个磨损部位个别修复的要求, 有时还需要对一个齿面进行整体修复。但由于光斑尺寸小, 单道烧结的宽度十分有限, 对大模数齿面激光熔覆只能采用多道搭接。搭接率的大小将直接影响到齿面修复层的表面平整和修复效果。若搭接率太小, 两道之间会有一条明显的凹陷区, 若搭接率太大, 整个涂层表面呈现一斜坡。根据搭接系数确定的理论依据和实验验证, 当搭接系数为20%时修复层表面平整。
二、熔覆层缺陷控制
1. 修复精度和表面质量
大面积的齿面修复层表面虽较平整, 但很粗糙, 精度较低, 必须经过后续切削加工才能重新投入使用。究其原因, 一是因为粉末输送的不均匀和激光功率等工艺参数的不稳定, 造成单道厚度、宽度发生变化;二是采用侧向同步送粉沿齿面扫描时, 渐开面上各点的粉末运动方向与激光束扫描速度方向的夹角不一致, 导致各点的粉末堆积形状发生变化;三是熔池中凝固组织在高温状态下发生氧化, 在修复层外表面形成了氧化皮外壳。通过实验发现, 采用反复逐层机械修整的方法可以大大提高修复精度和表面质量。
2. 裂纹和气孔
对齿面进行多道多层激光熔覆后, 修复层表面会产生明显的裂纹和气孔。气孔主要是由于粉末熔化过程中产生的气体在快速凝固时来不及逃逸出表面所致。在实验前对Ni60粉末烘干, 并适当调整工艺参数, 减缓熔池冷却结晶速度有利于气体的逃逸。
激光熔覆过程修复层经受一个极为不均匀的快热快冷作用, 熔池在快速凝固及随后的快速冷却中将产生内应力, 这是导致齿面修复层开裂的主要原因。另外, Ni60粉末中B、Si元素的存在, 使得熔覆层中会产生硅化物和硼化物等脆硬相, 降低了修复层的延展性, 增加了开裂倾向。轮齿修复前对齿面进行一定温度的预热、修复后再进行一定的后处理, 可降低温度梯度从而降低开裂可能。
3. 齿顶塌陷
齿轮传动时, 主动齿轮齿顶将推动从动齿轮齿根运动。齿面激光熔覆时齿顶会发生塌陷现象, 将影响传动平稳性。齿顶塌陷主要是由于激光照射时热量向齿面边缘扩散, 位于边缘的齿顶横向剖面积小, 热集聚效应明显。此外, 齿轮齿廓曲线为渐开线, 熔融液体从高处向低处流, 齿顶熔池里的熔液向两侧流动造成齿顶材料的流失而塌陷。
在激光功率、光斑尺寸不变的情况下, 通过增加送粉量或减小扫描速度, 使齿顶基体尽量少熔化可减缓塌陷。另外, 通过实验验证, 齿顶采用预置粉末法, 先用较低的激光功率扫描, 使小部分粉末熔化或微熔, 依靠这部分粉末使大量的粉末粘结成团附着在齿顶表面, 再进行正式的激光熔覆, 基本能解决齿顶塌陷问题。
三、结语
(1) 利用激光熔覆技术对失效齿面进行了激光熔覆修复。通过优化工艺参数, 得到了表面平整、稀释率低、具有良好冶金结合且硬度较高的修复层。
(2) 通过采用反复逐层机械修整的方法提高了齿面修复精度和表面质量, 对轮齿修复前的预热和修复后的后处理降低了开裂的可能, 对熔覆粉末烘干并适当调整工艺参数解决了气孔问题, 采用粉末预置二次扫描基本解决了齿顶塌陷问题。
参考文献
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