CO2激光、Nd YAG激光和准分子激光熔覆特性的比较

3种激光器的吸收率和加工精度依次是:准分子激光>Nd: YAG激光> CO2激光。CO2激光器适用于大功率、大尺寸,精度要求较低的加工和熔覆领域; Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸,精度要求较高的加工和熔覆领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。Nd: YAG激光的吸收率均约为CO2激光的3倍多,因此Nd: YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光金属直接成形制造。

CO2激光、Nd:YAG激光和准分子激光熔覆特性的比较

张安峰,朱刚贤,周志敏,卢秉恒

(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,陕西西安　710049)

摘要:对CO2、YAG和准分子激光器输出特性、吸收率、光强空间分布、熔覆特性和加工性能进行了比较。CO2和Nd:YAG激光空间分布的横截面图为高斯形,而准分子激光空间分布的横截面图为矩形。3种激光器的吸收率和加工精度依次是:准分子激光>Nd:YAG激光>CO2激光。3种激光器的平均输出功率和光斑直径依次是:准分子激光<Nd:YAG激光<CO2激光。CO2激光器适用于大功率、大尺寸,精度要求较低的加工和熔覆领域;Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸,精度要求较高的加工和熔覆领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。无论受辐射金属材料处于固相还是液相,Nd:YAG激光的吸收率均约为CO2激光的3倍多,因此Nd:YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光金属直接成形制造。关键词:CO2激光;Nd:YAG激光;准分子激光;熔覆特性;吸收率

中图分类号:TG665;TH16　　文献标识码:A　　文章编号:025426051(2008)0620014205

Comparisonofcladdingcharacteristicson2,

Nd:YAGlaserandla(StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemUniversity,Xi′anShaanxi710049,China)Abstract:Bycomparingoutputperfororpspatialdistribution,claddingcharacteristicsandmachiningperformanceof2theresultsshowthatcross2sectionalchartsofCO2andYAGla2sers′spatial()shape,buttheSDofexcimerlaser′sisrectangle.Theabsorptivityandmachiningprecisionoftheareinproperorder:excimerlaser>Nd:YAGlaser>CO2laser.Theaverageoutputpowerandlightspotdiameterofthethreelasersinproperorder:excimerlaser<Nd:YAGlaser<CO2laser.TheCO2laserissuitableforhighpowerandlargesize,andtheaccuracydemandscomparativelylowinmachiningandcladdingfields;Nd:YAGlaserisfitforsmallandmediumpower,thesmallandmediumdimension,andtheaccuracydemandshigherinmachiningandcladdingfields;Excimerlaserisapplicabletosmallpowerandsmallsize,andtheaccuracydemandsveryhighinmicro2nanomachining,micro2electricsandbiomedicinefields.Nomatterhowtheirradiatedmaterialsareinsolidphaseorliquidphase,Nd:YAGlaser′sabsorptivityisaboutthreetimesthanhigherCO2laser′s,soNd:YAGlaserisfitterthanCO2laserforlasercladdingandlaserdirectlymetalformingmanufacturing.Keywords:CO2laser;Nd:YAGlaser;excimerlaser;claddingcharacteristics;absorptivity

激光熔覆技术作为零件表面改型和改性技术,具有稀释率低、热影响区小、与基体形成冶金结合、熔覆

件扭曲畸变较小、过程易于实现自动化等诸多优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,既可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等力学性能,又可以极大提高材料的使用寿命,还可以用于废品件的修复和绿色再制造,有效节约加工成本。随着数控技术和大功率激光技术的发展,激光熔覆技术由二维熔

作者简介:张安峰(1956.05—),男,陕西西安人,副教授,博士,主要从事复杂零件定向凝固制造技术以及激光直接金属快速成形制造技术的研究,发表学术论文40余篇。联系电话:029282668557　E2mail:zhangaf@

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675171);国家“973”计划资助项目(2007CB707704)收稿日期:2008201210

内

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直接制造出金属零件力

[225]

ZHANGAn2feng,ZHUGang222heng

覆向三维熔覆构造金属零件发展。如今已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软

[1]

件和全过程参数检测系统,集成构筑成闭环控制系统,

。标志着激光熔覆技术的发

展登上了一个新的台阶———激光金属直接快速成形制造技术。

过去多采用CO2激光进行熔覆,Nd:YAG和准分子激光因功率较低,常用于打标、焊接、切割、微加工等。近年来高功率Nd:YAG激光技术取得了飞跃发展,国际上几千瓦的激光器已形成产品。由于Nd:YAG激光波长短,而准分子激光波长更短,在金属材料中的吸收率高于CO2激光,还可以用光纤传输,具有良好加工柔性,因而在激光熔覆方面显示出巨大潜

。激光制造技术在航空航天、机械冶金、汽车船

3种激光器的吸收率和加工精度依次是:准分子激光>Nd: YAG激光> CO2激光。CO2激光器适用于大功率、大尺寸,精度要求较低的加工和熔覆领域; Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸,精度要求较高的加工和熔覆领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。Nd: YAG激光的吸收率均约为CO2激光的3倍多,因此Nd: YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光金属直接成形制造。

舶、医疗器械等工业部门具有广阔的应用前景。本文从激光输出特性、熔覆特性和工程应用的几个方面对CO2激光、YAG激光和准分子激光器进行了比较,为在工程应用中合理选择激光器提供有价值的参考。

1可以看出,激光输出能量有脉冲式和连续式两种类

型,准分子激光器只能输出脉冲激光,且输出的最大功

率密度很大,脉宽窄,单脉冲能量小,平均功率较低。CO2激光和Nd:YAG激光可以是连续式,也可以是脉

1　CO2、Nd:YAG和准分子激光器的

比较

111　CO2、Nd:YAG和准分子激光的输出特性

激光是由受激辐射产生的具有高相干性的光,除具有普通光学的反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质外,它还具有单色性、高方向性、高强度的特性。而激光器的输出特性包括波长、输出能量和功率、空间分布方式、偏振特性、增益特性、相干性等。表1为CO2、Nd:YAG和准分子激光输出特征参数的比较

[6]

冲式,但脉宽要比准分子激光脉宽得多。因而用准分

子激光器加工材料时,没有足够的时间向周围材料大量扩散热量,因此热影响区极小。而用CO2激光需要较长的激光加热时间,需要的激光能量大,热影响区和热变形大,温度梯度小。Nd:YAG激光相对CO2激光温升快,需要的激光能量小,热影响区和热变形区小,处理层冷却速度快,温度梯度大。所以激光产生的热影响区和热变形区依次是:准分子激光<YAG激光<CO2激光。

。从表

[6]

表1　CO2、Nd:YAG内ww部学w激.j习光gx资修f.c料复om 网

输出方式

PW/CWPPW

Table1　Comparisonofoutputcharacteristicparam,imerlasers

激光器

CO2激光器Nd:YAG激光器

波长/μm

10161106

011～10001输出最大功率密度/W cm-2

1061061010

;CW:几十～几千焦

1～10

W:几个～几百个焦;CW:几十～几千焦

准分子激光器01193～0101～01034

注:PW—为脉冲式输出;W112　金属对CO2表2　几种金属对激光的吸收率(%)

室温

熔点(液相)

CO2激光614511131010131317121131410

Nd:YAG激光

201216124111321643138124412

,金属对激光能量的吸收是一个十分重要的参数。金属对激光吸收率与激光

Table2　Laserabsorptivityforsomekindsofmetals(%)

金属材料

AlFeTi

波长、偏振、材料成分、表面粗糙度和材料温度有关。金属中含有大量的自由电子,它们与金属晶格的离子共同组成等离子体。从物理上讲,金属对激光的吸收,

CO2激光11861155417021759172

Nd:YAG激光

518841899171

CuNi

31078113

实质上是激光光子与等离子体的相互作用。CO2激光

(波长为1016μm)和Nd:YAG激光(波长为1106μm)位于红外波段,虽然不太适合于金属吸收但因功率高,目前仍为激光加工主要波段。一般说来激光入射到金属上,会产生反射、折射、衰减和吸收。表2给率

[7]

14188251708169

碳钢

不锈钢

30172

Nd:YAG激光的波长(1106μm)短得多,在这一波长

出了上述几种金属材料对CO2和Nd:YAG激光的吸收

,从理论和试验表明:①Nd:YAG激光的吸收率

区间,许多材料如金属、玻璃、陶瓷、塑料等都能很好地吸收它。如表3所示,金属表面对激光的吸收率随激光波长的增加而减少。因而用这3种激光器进行表面处理时,准分子激光与Nd:YAG激光可直接照射被处理表面,而CO2激光则需要对被处理表面进行预处理后再用激光照射,所以金属表面对激光吸收率的大小依次是:准分子激光>Nd:YAG激光>CO2激光。113　3种激光器的平均输出功率、光斑直径和光强空

[8]

比CO2激光高,无论材料处于固相或是熔化相,均约为CO2激光的3倍多,因此Nd:YAG激光比CO2激光更

适用于激光熔覆。②激光吸收率随温度升高而增大,

在高温下吸收率增高,有利于激光熔覆。③Al、Cu等材料吸收率最低,激光熔覆有一定难度;Fe、Ni、Ti和不锈钢等材料吸收率高,有利于激光熔覆。

已商品化的4种准分子激光器的波长分别是:氟化氩(ArF)为01193μm;氟化氪(KrF)为01248μm;氯化氙(XeCl)为01308μm以及氟化氙(XeF)为01351μm。准分子激光波长范围为01193～01351μm,μm)和位于紫外波段,它们比CO2激光的波长(1016

间分布

11311　3种激光的光子能量和加工精度

CO2激光和Nd:YAG激光的红外光波长较长,频率低,光子能量小,加工过程中,主要是热作用过程,属于“激光热加工”。主要用于激光焊接、切割、激光快速成形技术、表面处理等。准分子激光的紫外光波长

3种激光器的吸收率和加工精度依次是:准分子激光>Nd: YAG激光> CO2激光。CO2激光器适用于大功率、大尺寸,精度要求较低的加工和熔覆领域; Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸,精度要求较高的加工和熔覆领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。Nd: YAG激光的吸收率均约为CO2激光的3倍多,因此Nd: YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光金属直接成形制造。

表3　几种常用金属对CO2、

Nd:YAG和准分子激光的吸收率

[8]

(%)

Table3　Absorptivityofsomekindsofmetalsincommon

useforCO2,Nd:YAGandexcimerlaser(%)

金属

AlFeCuMoNiAg

CO2激光(μ)

241451

Nd:YAG激光

(1106μm)

1035842253

激光>CO2激光。

11312　3种激光用于熔覆与焊接的平均输出功率和光斑直径

用于激光熔覆与焊接的CO2激光器的连续输出功率为015～10kW(最大为50kW)、光斑直径可达1～5

[9]

mm;而Nd:YAG激光的连续输出功率为012～2kW

[10]

(最大为4kW)、光斑直径可达0125～2mm。准分子激光器的单脉冲能量为1～350mJ、平均功率为5～20W(最大为200W)、光斑直径可达0102～1mm。11313　3种激光的光强空间分布

准分子激光

(0125μm)

186070605877

短,频率高,光子能量大,甚至可高于某些物质分子的结合能,可以直接深入到材料的内部进行加工,属于“激光冷加工”,适用于光化学沉积、激光刻蚀和氧化等。因为准分子激光的波长比CO2激光和Nd:YAG激光的波长要短得多,经聚焦后可以获得更小的光斑直径,达微米乃至亚微米尺度,具有更高的空间分辨率,因而从加工精度而言依次是:准分子激光由于激光器的内部结构不同而导致激光的强度空间分布不同。CO2激光、Nd:YAG激光空间分布横截面图为高斯形,矩形,1,2、、Nd:YAG激光器的加工效率。

[6]

2　CO2、Nd:YAG和准分子激光熔覆特

性的比较

211　Nd:YAG与CO2激光熔覆特性的比较

Nd:YAG激光器具有不同于CO2激光器的良好性

[11212]

能:①Nd:YAG激光器输出波长为1106μm,恰好比CO2激光波长1016μm小一个数量级,因而使其与

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图1　3种激光光强空间分布图

(a)激光光强空间分布图　(b)激光光强横截面分布图

Fig11　Lightintensityspacedistributionofthethreekindsoflasers

(a)spacedistributionoflightintensity　(b)crosssectiondistributionoflightintensity

金属的耦合率高,加工性能良好(一台800WNd:YAG激光器的有效功率相当于3000WCO2激光功率,即Nd:YAG激光器的有效功率为CO2激光器功率的3175

倍);②Nd:YAG激光器的成形精度优于CO2激光器,800W和1000W的Nd:YAG激光器最小光斑直径分

别可达0116mm和0124mm,而4000W的CO2激光器最小光斑可达015mm;③Nd:YAG激光与光纤有很

3种激光器的吸收率和加工精度依次是:准分子激光>Nd: YAG激光> CO2激光。CO2激光器适用于大功率、大尺寸,精度要求较低的加工和熔覆领域; Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸,精度要求较高的加工和熔覆领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。Nd: YAG激光的吸收率均约为CO2激光的3倍多,因此Nd: YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光金属直接成形制造。

好的耦合性,借助时间分割和功率分割多路系统能方便的将一束激光传输给多个工位或远距离工位,便于激光加工实现柔性化;④Nd:YAG激光能以脉冲和连续两种方式工作,脉冲状态下可以提供更多的可控参数(脉冲频率、脉宽及脉冲能量);⑤Nd:YAG激光结构紧凑,重量轻,使用简便可靠、维护要求低,其应用前景良好。

由于Nd:YAG和CO2激光波长不同,熔覆时金属材料对这两种激光的吸收率有很大的差别,对Nd:YAG激光的吸收率接近60%,对CO2激光的吸收率仅有10%。金属对Nd:YAG激光良好的吸收率,使得Nd:YAG激光熔覆具有相当大的优势。Nd:YAG脉冲激光熔覆时加热冷却速度很高,从而在熔覆层内形成极其细密的枝晶组织,多次辐照情况下,熔覆层内合金元素的烧损及蒸发很少,这与CO2激光多次辐照的情形不同,主要是脉冲瞬时加热、快速急冷的工艺所决定的。一般来说型零件常采用1～10kW的CO2进行,对于小型零件,AG较有效,特别是工作的效果更好:加热速度极快,冷却速度极快,温度梯度大,成形材料组织显著细化,性能明显提高。Nd:YAG激光光纤传输具有良好的柔性,便于改变光束的途径,有利于进行计算

[13]

加工对周围材料形貌的热影响较小,基本可以归为冷加工。

21212　准分子激光的熔覆特性

由于准分子激光瞬时产生很高的功率密度,在粉末与基体表面发生剧烈的光热交互作用,同时产生巨大的光压和等离子体冲击作用,吹掉部分预铺粉末。在高能脉冲作用下,熔液形成大量的小颗粒沉积在熔池周围。由于准分子激光的脉冲作用,熔池中有明显的液相冲击波纹,矩形熔池两头波纹幅值较大,这些沉积的小颗粒和波纹,严重影响熔覆层的表面质量。因此准分子激光不适用于激光熔覆和激光直接快速制造金属零件,而更适用于金属与非金属材料的微纳加工技术

[15]

。

3CO2机的控制,为智能加工创造了条件。也为激光熔覆

与快速成型技术的结合提供基础。212　准分子激光与Nd:YAG和CO2激光熔覆特性的比较21211　准分子激光微加工特点

在脆性硬质材料微加工方面,准分子激光有着传统的CO2和Nd:YAG激光所不可比拟的优越性。CO2和Nd:YAG激光加工材料的机理是通过将材料加热到熔点并使材料汽化,往往容易对周围区域形成热破坏,热影响区较大,属于热加工。而准分子激

[14]

光与之对比主要有以下优点:(1)准分子激光的波长相比CO2和Nd:YAG激光的更短,可以获得尺寸微小的聚焦光斑,适合于微米级乃至亚微米级的微细加工。(2)准分子激光的光子能量大,可以直接与材料中的化学键作用并使之断裂,形成自由原子、分子和离子组成的等离子体羽。(3)CO2和Nd:YAG激光的脉冲宽度为ms级,而准分子激光的脉冲宽度一般为20～60ns,前一个脉冲产生的微小加热量在下一个脉冲到来之前有充裕的时间被驱散,且等离子体羽也可带走大部分热量。因而准分子激光微细

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CO2激光和Nd:YAG激光属红外光,波

、频率低、光子能量小,主要是热作用过程,属于

“激光热加工”。主要用于激光切割、激光焊接、激光打标、激光微细加工、激光热处理、激光毛化、激光熔覆、激光快速成型、激光雕刻、激光打孔等。准分子激光属紫外光,波长短、频率高、光子能量大,甚至可高于某些物质分子的结合能,可以直接深入到材料的内部进行加工,属于“激光冷加工”,适用于光化学沉积、激光刻蚀、微纳加工和氧化等。3种激光器在特征上的差异导致了其应用的不同。CO2激光器因其功率高,稳定性好,成本相对较低,而且有近50年的发展历史,经过不断的改进和更新,越来越广泛应用于工业的许多领域。但由于其本身的局限性,CO2激光器的发展受到了制约。Nd:YAG激光波长比CO2激光小一个数量级,因此金属对Nd:YAG激光的吸收率是CO2激光的3倍多;Nd:YAG激光与光纤有很好的耦合性,便于实现计算机多工位、远距离自动控制。所以在一些

CO2激光器应用领域(如激光熔覆,激光打孔等)逐渐被Nd:YAG激光器所代替。

准分子激光相比CO2和Nd:YAG激光更适合于微细加工。一般包括金属、玻璃、陶瓷、塑料、尼龙、溶凝胶、金刚石以及半导体材料等。准分子激光微细加工的主要应用领域有以下3种:①准分子激光对材料进行刻蚀微细加工(包括:微孔和微孔阵列加工、选择性材料的去除、激光打标技术等);②利用准分子激光的短波长特性进行光刻,微机电系统(MEMS)、微电子业以及生物医学等领域;③利用光致折变效应进行光纤光栅或光波导的制备。

3种激光器的吸收率和加工精度依次是:准分子激光>Nd: YAG激光> CO2激光。CO2激光器适用于大功率、大尺寸,精度要求较低的加工和熔覆领域; Nd:YAG激光适用于中小功率、中小尺寸,精度要求较高的加工和熔覆领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。Nd: YAG激光的吸收率均约为CO2激光的3倍多,因此Nd: YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光金属直接成形制造。

4　CO2、Nd:YAG和准分子激光的比较

结果

(1)Nd:YAG激光的吸收率比CO2激光高,无论材料处于固相还是液相,均约为CO2激光的3倍多,因此Nd:YAG激光比CO2激光更适用于激光熔覆和激光直接快速制造金属零件。激光吸收率随材料温度升高而增大,在高温下吸收率增高,有利于激光熔覆。

(2)CO2激光和Nd:YAG激光为红外光,波长长、频率低、光子能量小,主要是热作用过程属于“激光热加工”。主要用于激光焊接、切割、激光快速成形技术、表面处理等。准分子激光为紫外光,波长短、频率高、光子能量大,属于“激光冷加工”,适用于光化学沉积、激光刻蚀和微纳加工等。3种激光器的加工精度依次是:准分子激光>Nd:YAG激光>CO2激光。

(3)CO2激光、Nd:YAG激光空间分布横截面图为

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高斯形,而准分子激光空间分布的横截面图为矩形种激光器的光斑直径和热影响区依次是:<Nd:YAG激光<CO2激光。

(4)CO2,;率、中小尺寸,,Nd:YAG激光比CO2激光器更适用于激光熔覆和激光直接金属快速制造领域;准分子激光器适用于小功率、小尺寸,精度要求很高的微纳加工、微电子业和生物医学领域。

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近年来,中国钢铁、制造业等都在迅速发展,为了适应行业发展的需要,中国机械工程学会热处理学会组织近百名专家学者,历经三年,对《热处理手册》这一经典工具书进行了重新修订和编写,补充了许多新技术,删减了陈旧和过时的内容,保持其实用性、可靠性、科学性和先进性,以满足行业工程技术人员的需要,更好地为行业服

(第4版)全书分为四卷,约500多万字,已由机械工业出版社于2008年1月10日在北京正式务。《热处理手册》

出版发行,并在北京国际图书展览会期间举行了隆重的发行仪式,全国热处理学会荣誉理事长樊东黎、学会副理事长兼秘书长徐跃明、机工出版社领导,以及热处理企业界代表应邀出席。大家一致认为新版手册反映了当前我国热处理领域的技术发展水平,对科研和生产将有重要的指导意义。本手册由机械工业出版社出版,精装16开,邮购单价:384元/套。

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新书介绍:热处理手册　　(热处理学会　编著)

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