CO2激光、Nd YAG激光和准分子激光熔覆特性的比较(2)

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

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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

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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