袁振玉，石 巖

(長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022)

0 引言

激光表面改性通常采用大功率激光器(大于1.5kW)對零件表面進(jìn)行處理，利用高能激光束輻照基體表面改變其表面的組織結(jié)構(gòu)、物理性能和化學(xué)成分等，從而改善基體表面的耐磨、耐蝕等性能，延長零件的使用壽命。直接利用來自激光器的光束有時(shí)不能滿足激光表面改性的要求，因此，激光表面改性中經(jīng)常使用變換激光功率密度分布的勻光變換系統(tǒng)。

1 激光表面改性常用激光器

目前應(yīng)用于激光表面改性的激光器主要有CO2激光器、固體激光器和半導(dǎo)體激光器等。

1.1 CO2激光器

用于激光表面改性的大功率CO2激光器主要有橫流、軸快流和擴(kuò)散冷卻板條等三種類型。目前國內(nèi)激光表面改性主要使用大功率橫流CO2激光器，該激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、諧振腔一般采用單程諧振腔、價(jià)格便宜、輸出功率高而且光斑的尺寸較大、可以實(shí)現(xiàn)均勻分布的多模光斑輸出、聚焦后光斑內(nèi)能量分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。但是，橫流CO2激光器光束質(zhì)量比較差。圖1是采用瞬時(shí)照射有機(jī)玻璃板的方法得到的單程諧振腔多模激光光斑痕跡和能量分布圖，中心光斑為矩形對稱，外側(cè)則呈圓形對稱［1］。

圖1 單程諧振腔光束模式

軸快流CO2激光器諧振腔較長，放電長度的輸出功率顯著提高，所以其效率高、輸出功率穩(wěn)定，光束質(zhì)量很好［2］。軸快流CO2激光器比較有代表性的生產(chǎn)廠家是德國Trumpf公司，該公司生產(chǎn)的Tru-Flow系列激光器具備優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，輸出激光功率可達(dá)萬瓦以上。擴(kuò)散冷卻板條CO2激光器產(chǎn)于德國Rofin-Sinar公司，目前有DC、StarShape HP兩個(gè)系列，該激光器結(jié)構(gòu)緊湊小巧，熱穩(wěn)定性高，沒有氣體流動(dòng)。軸快流和擴(kuò)散冷卻板條CO2激光器輸出光束模式為準(zhǔn)基模或低階模的高斯光束，光束質(zhì)量好，主要用于激光切割和焊接。由于這兩種激光器均輸出高斯光束，聚焦后光斑尺寸較小而且能量分布不均勻，有時(shí)不能直接用于激光表面改性，需要利用勻光變換系統(tǒng)進(jìn)行光束模式變換后使用。

1.2 固體激光器

目前激光表面改性應(yīng)用較多的固體激光器有YAG激光器，碟片式激光器、光纖激光器。由于激光功率和價(jià)格的限制，固體激光器以前多用于切割和焊接等加工領(lǐng)域，很少用于激光表面改性。近幾年來，隨著大功率固體激光器技術(shù)逐漸成熟，性能穩(wěn)定，價(jià)格不斷下降，越來越多地應(yīng)用于表面改性領(lǐng)域［3］。

固體激光器輸出光束波長要比CO2激光器輸出光束波長小一個(gè)數(shù)量級，由于波長短，能量在工件上的反射損失減少，金屬對其吸收率高。CO2激光10.6μm的波長在表面改性時(shí)不易被金屬吸收，在激光表面改性前通常需要進(jìn)行預(yù)處理，使用固體激光器可不需要預(yù)處理。由于固體激光器波長短，使其與金屬的耦合效率高，一臺Nd:YAG激光器的有效功率大約相當(dāng)于CO2激光器的4倍左右［4］。

固體激光器輸出的光束模式為準(zhǔn)基模或低階?；旌陷敵?，聚焦焦點(diǎn)光斑功率密度分布基本為準(zhǔn)高斯分布，光束質(zhì)量高。本實(shí)驗(yàn)室人員對德國Trumpf公司生產(chǎn)HL4600燈泵浦Nd:YAG激光器聚焦光斑功率密度分布進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)表明:光斑能量為準(zhǔn)高斯分布，功率密度分布不均勻。

圖2 HL4600燈泵浦YAG激光器聚焦光斑功率密度分布

近幾年光纖激光器的發(fā)展十分迅猛，工作物質(zhì)是一段光纖，光纖中摻有不同的元素，能夠產(chǎn)生波段不同的激光。美國的IPG公司是生產(chǎn)光纖激光器的龍頭企業(yè)，該公司生產(chǎn)的YLR-HP系列:1～50kW摻鐿光纖激光器，波長1060nm，光束質(zhì)量好，主要用于焊接、切割，表面改性［5］。

此外，固體激光器輸出光束可通過光纖傳輸，能靈活到達(dá)表面，可和機(jī)器人相匹配達(dá)到對復(fù)雜表面的改性，具有良好加工柔性。

1.3 大功率半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器相對CO2激光器、固體激光器具有波長多樣性的特點(diǎn)，波長較短提高了金屬的激光吸收率。

大功率半導(dǎo)體激光器在激光表面改性方面主要優(yōu)勢在其可以直接產(chǎn)生非常獨(dú)特的矩形光斑，光斑能量分布為平頂矩形光束，可以得到均勻的處理效果［6］。此外，半導(dǎo)體激光器光電轉(zhuǎn)換率高，對冷卻要求低，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于攜帶和現(xiàn)場使用，可以實(shí)現(xiàn)對不便于拆卸的重型設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場表面改性和修復(fù)。大功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)工作時(shí)靈活、方便，其焦點(diǎn)可精確的作用于需要熱處理的外框部位，其輸出功率和光束質(zhì)量完全能夠滿足表面改性的需求［7］。目前國際市場上廣泛采用的激光表面改性都是以半導(dǎo)體激光為主，占有率達(dá)到表面改性市場的90%左右。

在工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器的研制方面，德國Laserline和DILAS公司走到了半導(dǎo)體激光器發(fā)展的前列。Laserline研制出的LDF、LDM兩個(gè)系列半導(dǎo)體激光器，輸出功率為1～10kw的，其聚焦光斑以直徑為2～4mm的圓斑或者2mm×2mm，3mm×3mm，1mm×5mm等多種尺寸輸出，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%，可以用于大面積激光表面改性。國內(nèi)在大功率半導(dǎo)體激光器的研發(fā)與國外相比還有一定差距。目前，西安炬光在半導(dǎo)體激光表面處理系統(tǒng)的研究中取得了一些進(jìn)展，所研制半導(dǎo)體激光器輸出波長976nm，輸出功率為2～5kW，可以分別輸出4 mm×4 mm or 2 mm×4 mm，2.5 mm×11.5mm幾種光斑組合。另外，長春光機(jī)所的朱洪波等通過采用偏振合束和波長合束技術(shù)研制出萬瓦級的半導(dǎo)體激光表面改性光源［8］。

2 勻光變換系統(tǒng)

在激光表面改性中，激光功率密度均勻分布的矩形光斑被認(rèn)為是一種較為理想的光束［9］。激光器輸出多為基模或低階模高斯光束，聚焦后光斑的能量分布不均勻，利用勻光變換系統(tǒng)，可以使光斑能量分布均勻，得到均勻表面處理效果。

勻光變換系統(tǒng)大致可以分為兩大類:一是產(chǎn)生穩(wěn)定光束的勻光變換系統(tǒng)，即通過光學(xué)元件的搭接對光束進(jìn)行變換、整形:包括積分鏡、波導(dǎo)積分器、二元光學(xué)元件、光楔陣列均束器、隨機(jī)位相板均束器等;二是動(dòng)態(tài)掃描勻光變換系統(tǒng):包括振動(dòng)鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡［10］。以上各種勻光系統(tǒng)并不代表每種方式都適合應(yīng)用在任何激光器上，選用勻光系統(tǒng)時(shí)需要考慮所使用激光器輸出光束的特性、參數(shù)等。

激光表面改性常用的勻光變換系統(tǒng)有反射式積分鏡、波導(dǎo)積分器、組合鏡和掃描轉(zhuǎn)鏡、振動(dòng)鏡等。表1是四種典型光斑，其中A型光斑為組合鏡、振鏡產(chǎn)生的方形光斑，B型光斑代表積分鏡產(chǎn)生的小矩形光斑，C型光斑代表多模激光掃描轉(zhuǎn)鏡線光斑，D型光斑近似表示聚焦法產(chǎn)生的離焦光斑［11］。

表1 四種光斑圖形及參數(shù)

2.1 靜態(tài)光束變換系統(tǒng)

2.1.1 反射式積分鏡

反射式積分鏡的基本原理都是將光束沿波面分割成多份小光束，然后將每一份光束在一定的平面內(nèi)疊加，從而使光斑內(nèi)的功率密度分布均勻，圖3a為線光斑轉(zhuǎn)換光路示意圖。還有一種帶式反射積分鏡，在一定型面的反射鏡基體上分布多個(gè)鏡帶，每個(gè)鏡帶反射激光的一部分，如圖3b所示。帶式積分鏡不需要粘結(jié)，制作簡單，可采用高精車一次加工成型，避免大功率激光照射時(shí)所引起的鏡面變形［12］。低階模激光束經(jīng)過反射式積分鏡光束變換后，其光斑的能量分布為中間高，兩側(cè)低的“馬鞍型”光斑。

圖3 積分鏡

反射式積分鏡目前是激光表面改性使用效果最好的勻光系統(tǒng)。它不同于振動(dòng)鏡及旋轉(zhuǎn)多棱鏡，沒有運(yùn)動(dòng)部件，簡單可靠，效率比波導(dǎo)積分鏡高，而且加工空間大，但是光斑尺寸不易調(diào)節(jié)，柔性較差，適合固定批量處理。

2.1.2 組合鏡(分割疊加變換系統(tǒng))

組合鏡的原理是將高斯光束平行分割為幾個(gè)子系統(tǒng)，并沿著割線平行及垂直兩個(gè)方向分別進(jìn)行放大，后將子光束按一定的相對位置進(jìn)行疊加，從而獲得沿橫截面能量分布均勻的光斑。圖4為分割可調(diào)組合鏡原理示意圖，各鏡片由其背后的螺絲各鏡片由其背后的螺絲調(diào)整方向，使鏡面的法線不平行，得到光強(qiáng)較均勻的矩形斑。例如，4片鏡的鏡組可得到1.4mm×15mm的勻強(qiáng)光斑［13］。

圖4 分割可調(diào)組合鏡

2.2 聚焦掃描變換系統(tǒng)

聚焦光斑掃描系統(tǒng)是在聚焦光路中放置振鏡或旋轉(zhuǎn)多棱鏡，使聚焦或離焦光斑以一定的頻率在被加工表面來回掃描，形成具有一定寬度的形式上的光帶。

掃描轉(zhuǎn)鏡是把多面體棱鏡作為掃描元件，利用棱鏡反射使光束快速擺動(dòng)，把光束拉寬成線形光斑，原理如圖5所示。

圖5 掃描轉(zhuǎn)鏡原理圖

振動(dòng)鏡掃描原理示意圖如圖6所示，通過機(jī)械或電磁方式驅(qū)動(dòng)兩塊相互垂直放置的平面鏡以不同頻率作正弦波掃描，形成類似于矩形的光斑。振動(dòng)鏡掃描形成的光斑內(nèi)的功密度分布取決于振動(dòng)鏡的振動(dòng)規(guī)律以及原始光斑的功率密度分布。當(dāng)原始光班為高斯分布，振動(dòng)鏡按正弦規(guī)律振動(dòng)時(shí)，光班沿一個(gè)振動(dòng)方向的功率密度分布呈現(xiàn)的馬鞍形。振動(dòng)鏡的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的柔性，可根據(jù)需要通過調(diào)整其振幅改變掃描光斑尺寸。

圖6 掃描振動(dòng)鏡原理示意圖

3 結(jié)語

1)目前，國內(nèi)激光表面改性使用最多的是大功率橫流CO2激光器，光束多模輸出，光斑能量分布均勻且尺寸較大，但光束質(zhì)量差。國外激光表面改性則以大功率半導(dǎo)體激光器為主，半導(dǎo)體激光器不需要光束變換系統(tǒng)可以直接輸出功率密度均勻分布的矩形光斑，而且基體的激光吸收率較高。

2)激光表面改性常用的勻光變換系統(tǒng)有積分鏡、組合鏡和掃描轉(zhuǎn)鏡等，具體采用何種勻光變換系統(tǒng)要根據(jù)激光表面改性使用激光器的輸出參數(shù)和具體需要。我國用于激光表面改性的激光器功率一般在2～5kW，常用的勻光系統(tǒng)主要有反射積分鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡等。

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