CO2激光、Nd YAG激光和准分子激光熔覆特性的比较(4)

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

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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

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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

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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。