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一超激光打标机设备

日期:2019-07-24 13:28

  新日铁利用脉冲激光和电脑辅助设计,成功开发了彩色不锈钢的制造技术。新日铁开发的方法是将不锈钢钢板浸渍于硝酸溶液中,然后用脉冲激光照射,控制照射时间的长短,钢板的表面便会呈现蓝、绿、金黄等7种颜色,所需要的费用仅为其他着色工艺的1/7左右。 该公司将台铬17%的不锈钢板与含铬18%、含镍8%的不锈钢板浸于5%的硝酸溶液中,然后以每平方米0.8焦耳能量密度的脉冲激光照射,结果发现,不锈钢板未受激光照射的部分含铬量降低至10%;而受激光照射的部分含铬量会随着照射时间的增加而提高,最高可达30%。在脉冲激光的照射下,不锈钢板表面所形成的氧化膜的颜色,会随着含铬量的增加而发生变化。因此,可以通过控制激光照射时间,得到不同颜色的不锈钢。 在常用的原色不锈钢中,奥氏体不锈钢是最适合着色的材料,可以得到令人满意的彩色外观。铁素体不锈钢由于在着色溶液内会增加被腐蚀的可能性,得到的包彩不如奥氏体不锈钢鲜艳。而低铬高碳马氏体不锈钢,由于其耐腐蚀性能较差,只能得到灰暗的色彩。或黑色的表面。据报道,奥氏体不锈钢经过低温表面氧化处理着色法着色后,在工业大气中暴露6年、在海洋性气氛中暴露1.5年、在沸水中提泡28天、或被加热到300℃左右,其色彩光泽均无明显变化。此外,采用这种方法着色的彩色不锈钢还可以承受一般的模压、拉延和弯曲等加工工序。

  导读本文扼要阐明铝合金的使用特性及焊接特性,从焊接预备,加焊缝维护气,选用双光斑激光焊,激光填丝焊或激光-MIG复合焊,工艺参数调理等方面阐明铝合金激光焊的质量确保办法,工业生产中还能够凭借现有的高端激光头来安稳焊接质量。关键词:铝合金;焊接;激光焊;双光斑;复合焊铝合金使用特性:铝合金因原料轻,耐腐蚀,低温功能和机械归纳功能好而广泛使用于航空、航天、轿车、机械制作、船只及化学工业等很多范畴。跟着近年国家对节能经济的寻求,铝合金的需求又上了一个台阶。现在,轿车行业中适用铝合金首要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系列)及Al-Mg-Zn(7000系列)三大系列,轿车外壳多用耐蚀可焊的5000系合金,而梁柱等强度要求较高的部位则用6000系或7000系合金。研讨标明,选用铝合金材料恰当减轻轿车的分量能够把油耗下降37%;悬挂设备的负荷下降18%;振荡强度下降5%。在各大轿车厂加大对铝合金加工研制与制作投入的一起,铝合金的焊接又成为一个不得不处理好的根底问题。铝合金的焊接特性:  现在,首要选用TIG焊、MIG焊等惯例办法来焊接铝合金。选用惯例办法焊接,热输入量大导致焊缝广大且熔深较浅,铝合金导热快,冶金时高温溶解很多的氢来不及溢出发生孔(溶入熔池中的氢分出构成的气孔,称为冶金气孔;未彻底熔化的氧化膜中的水分因受热分化分出氢构成的气孔,称为氧化膜气孔);因为冶金速度快焊缝金属晶粒粗大,焊接接头软化可使强度削减到达40%;铝合金熔点低而导热快,熔融金属流动性差而使焊缝成型不漂亮;受热面积大,加工材料简单变形而影响加工尺度精度。铝合金惯例焊接质量难以确保,且焊接速度难以满意批量生产要求。跟着激光加工使用普及化水平的进步,选用激光焊接铝合金,热输入量小且热源会集,特别是光纤激光器面世后,激光焊接铝合金的能量密度愈加会集,激光波长更短,高反射得到改进。经过激光填丝,激光-MIG复合焊,双光斑激光焊等工艺,可显着改进铝合金焊接的成型作用,且焊接质量得到改进。无论是何种焊接办法,铝合金焊接前预备工作是必不可少的,对铝合金的焊接质量影响很大。焊接前对铝合金件表面进行或擦试,以铲除表面所吸附的水或油等杂质。为避免工件在空气中被氧化,需求对工件进行机械打磨或化学处理并烘干,以赶快完结焊接。为了加速铝合金焊接时的熔池流动性,能够在铝合金工件焊接反面加垫铜板以改进焊缝成型。焊接时,选用Ar气维护,阻隔空气,能减小气孔的发生。  激光焊铝合金优化质量具体措施:铝合金激光焊接开端时,存在高反射现象,严峻影响材料对激光能量的吸收,而波长越短,材料对光的吸收就越好,因而,光纤激光比CO2激光对铝合金的吸收要好。光纤激光的光束形式也会比CO2激光好,能量密度愈加会集。一旦材料开端吸收光能,对液态金属对光的反射率就显着下降。选用双光斑激光焊,能够显着改进气孔率,首要是因为选用双光束进行焊接时,两束光构成一个相对较大的匙孔,进步了匙孔的安稳性,有利于气体的逸出;比较于串行双光束,选用并行双光束焊接时,熔池内部温度梯度更小,下降了液态金属凝结速度,延伸气泡的逸出时刻,有利于减小气孔倾向;并行双光束激光焊也能进步送丝的安稳性,对安稳焊接质量有利。 选用激光填丝焊,比较铝合金激光自熔焊,能够得到更好的成型。激光填丝焊能够兼容激光焊的高能量密度和填丝焊的高桥接才能,关于有必定空隙的焊缝,能够确保杰出的成型作用。并且经过不同的填充材料的挑选,能够对母材进行不同的化学冶金,起到必定合金元素弥补且强化的成效。选用激光复合焊,经过激光与电弧的复合,能够有用消除激光焊构成的等离子体的影响。经过光丝距离、吹气、焊视点等参数的调理,能够取得漂亮的焊缝,并且关于厚板无需开坡口或只需开小坡口就能够构成杰出的焊缝。 选用适宜的焊接工艺参数,能够确保焊接质量。图8为6061铝合金激光填丝焊接的激光功率和焊接速度的优化参数规模联系图。从该图中能够看到,激光功率和焊接速度的优化匹配参数曲线呈直线式上升,斜率根本坚持不变。每一个给定的激光功率值,在优化参数曲线上都有一个优化的焊接速度与之对应,且焊接速度可在必定规模内改变仍能取得成形质量好的焊缝,此区域归于焊接安稳区。在某一功率值时,当焊接速度过大,热输入变小,铝合金板材不能焊透,此刻焊接速度过大则向上超越安稳区规模,归于未熔透区;当焊接速度过小,热输入过大,熔池下塌严峻,此刻归于熔池崩塌区。要取得安稳的焊缝成型,需求匹配适宜的焊接工艺参数。(本文由武汉法利莱切焊系统工程有限责任公司高级工程师沈义供给,感谢作者的大力支持!)

  摘要:介绍激光技术在铝合金铸造过程中液位自动控制方面的应用,以及对提高扁锭质量的作用。 关键词:铝合金;铸造;激光技术;液位控制;定位 随着铝加工业的发展,各铝加工企业和研究机构致力于提高铸锭表面质量的研究,使铸锭表面尽可能平整光滑,减少或消除粗晶层、偏析瘤等表面缺陷,减少铸锭厚差,底部翘曲和肿胀等。使扁铸锭在热轧前尽可能少铣面或不铣面,以提高成才率。铝合金铸造技术的新进展和有前途的技术是:脉冲水冷和加气铸造,电磁铸造,液位自动控制技术,可调结晶器等相关技术。2002年我公司从德国洛伊热工业公司引进先进的全自动水冷25t铸造机。此台铸造机应用了脉冲水冷、激光技术液位自动控制技术,下面介绍激光技术在液位自动控制方面的应用,以及对提高扁锭质量的作用。 1 液位自动控制技术 从20世纪80年代以来,工业发达国家在铝合金扁锭铸造中广泛采用液位自动控制技术。这不仅使金属液位实现了自动稳定控制,而且可以实现低液位铸造,提高了扁锭内部质量和表面质量,从而减少铣面量。我公司原有铸造线基本采用分配漏斗控制,金属液位波动大,难以实现低液位控制。为了生产高质量的铸锭,引进了以激光传感器为检测元件。与之配套的执行器为精密步进电机的液位控制系统。  1.1传感器功能这种传感器是利用光学三角网技术研发出来的,并适用于高温条件下不接触测量。该传感器的设计是将瑞士precimeter的专利数字技术和光学技术结合起来,达到很高准确度(现场激光上下误差为±0.03mm),激光传感器光源是一个激光二极管发射的红色可见光,使其便于成为直线和功能测试。 激光源可以连续调整最佳折射光反馈给传感器,与被测物表面特征无关。在无需重新校正的情况下可精确地测量各种材料。利用charg coupled device图像检测器获得了散光,具有抗干扰性和高析像能力。检测器的信号直接转换成模拟信号和数字信号,所形成信号与物体的远近成正比。 1.2液面控制系统 传感器基于一个CD扫描场,作为反射光的接收器,通过CD扫描场像数字照相机一样实际接收一幅照片。这样可以分析接收到光线的轮廓,通过对反射的照片进行智能分析,由蒸汽或其他干扰因素引起的散热可被消除。因此,这种传感器在一定条件下对水蒸气和灰尘不敏感,但在现场实际应用时发现火焰、黑烟会对它产生干扰,造成铝合金铸造开头液位波动大。在设备带负载试车时,针对这种情况,瑞士peceimeter公司更换了Ⅲ级激光,由于接收器高度灵敏,所以避免了纯铝料、火焰、浓烟对它的干扰。 2 铸造工艺过程 铸造铝合金锭的工艺流程如下:操纵手在电脑操作画面提示下将铸造条件准备好,将所铸扁锭工艺参数给予确定(如铸造温度、铸造速度、冷却水流量等),然后把钥匙开关达到自动位置上,铸造机进入到自动铸造过程。铸造机首先进行自检,均符合条件后,开始检测激光传感器。开放24 V电源,射出红色光点,在自动控制程序控制下开始对激光传感器进行基准位校验。根据工艺需要及现场条件,程序中激光传感器的基准位我们设定为铸造模具加上一个标准钢板的厚度为基准零位,以此基准位向下减去工艺菜单中设定液位值后,所检测到的铝液液位作为实际值。在铸造过程中与设定值形成一个闭环控制。参看图1。                                                                    图l 铸造过程闭环控制框图铝液液面的控制:控制铝液使其以一定速度下流(电气控制方面是由激光传感器和栓塞执行器完成)。铝液经流槽流过来,这时铸嘴上的栓塞被执行器(内含0 V~10 V小步进电机和一个气缸)控制,以一定开口度让铝液经铸嘴流下去,而激光传感器作为检测装置,时时反馈结晶器中液位的数值,从而以PID闭环形式控制执行器微动,保证几个铸嘴中的铝液以几乎相同的速度下行,其误差范围仅为0.03mm。 不稳定的液位容易使铸锭表面出现冷隔,对缺口敏感性较强的合金扁锭来说,冷隔有可能直接导致侧裂纹。所以稳定的液位是避免冷隔产生的重要条件,另外,稳定的液位也可以减少粗晶粒和粗大柱壮晶的形成。这是因为在铸造速度一定的情况下,结晶器内液位控制的平稳就表示浇注嘴向结晶器内的供流非常均匀,这样就使液穴中熔体温度均匀,在结晶时就减少了不均匀晶粒的产生,从而减少了粗晶粒和粗大柱状晶的形成,进而提高扁锭的内部质量。 此激光检测器运行近9年,状态良好几乎无维修量。液位控制精确,大大改善了扁锭表面粗糙度,减少了铣面深度。 使用激光控制液位时需注意以下问题:   ①调试时,发现激光检测器对纯铝(即洗炉料)液面检测不好,经分析是纯铝反射不好导致接收不到信号,反馈给制造商后提供了接收器更强的激光检测器。②铸造初始阶段如果润滑油量大,会导致铸造开头润滑油着火且冒浓烟,给激光检测器带来很大的外界干扰,常造成收不到液位信号,报警系统启动,铸造过程中断。针对此现象,我们一方面改善润滑油的自动运行,减少火焰、烟对激光检测器的干扰;另一方面,对控制程序加以修改,改变报警启动的等待时间,而加大采样频率,从而提高了一次铸造成品率。

  节能降耗和减轻环境污染是世界各国交通运输业面临的紧迫问题。为解决这一问题,各种轻质合金(如铝、镁合金) 越来越多地应用于交通运输工具上。其中铝合金具有十分优良的物理、机械力学性能,且重量轻,在汽车制造业得到了广泛应用,其中滤清器就是较典型的应用之一。由于铝合金的化学活泼性很强,表面极易形成氧化膜,且具有难熔性质,加之铝合金导热性强,焊接时容易造成不熔合现象;同时,氧化膜可以吸收较多的水分,从而导致焊缝气孔的形成;此外,铝合金的线膨胀系数大,导热导电性强,焊接时容易产生咬边、翘曲变形等缺陷,并且焊后接头力学性能下降。采用常规的氩弧焊( TIG) 和惰性气体熔化级电弧(MIG)方法焊接铝合金时,容易产生气孔、焊接裂纹以及焊接变形大等问题,制约了其在工业中的应用推广。与常规的焊接方法相比,激光焊接是一种功能多、适应性强、可靠性高的精密焊接方法,且易于实现自动化。由于激光高的功率密度,焊接时热输入量低,在保证熔深的基础上,焊接热影响区小,焊接变形小,激光焊接不需要真空装置,因此激光焊接具有质量高、精度高、速度高的特点。同时随着大功率、高性能激光加工设备的不断开发, 使得铝合金激光焊接技术在汽车制造业得到了广泛应用。 本文以车用铝合金滤清器为研究对象,分析了车用铝合金滤清器焊接的工艺要点及相关影响因素。滤清器焊缝为环焊缝,接头为锁底对接,要求焊缝表观均匀美观,熔宽达2mm以上,熔深达1.5mm以上,样件如图1所示。图1 样件 1 设备、材料及方法 设备:Trumpf 3001激光器和焊接头(光学配置:聚焦镜焦长为300mm、准直镜200mm、光纤芯径300μm),如图2所示;图2 Trumpf激光器和焊接头 材料:6系铝合金; 方法:激光焊接头在固定位置不动,工件绕固定轴旋转实现环焊缝焊接,焊接过程采用高纯Ar气旁轴保护。 2 焊接工艺易出现的问题 1、保护气吹向导致的问题:当保护气吹向与工件旋转方向同向时,即保护气后吹,因而焊接过程中保护气不能及时将待焊焊缝处空气排开,易导致焊接过程中空气的混入,从而使得焊缝极易氧化,焊后焊缝表面发黑且成形很差(如图3所示)。图3 保护气吹向与工件旋转方向同向形成的焊缝形貌 2、使用小内径气管导致保护范围过窄,且单位面积气体吹力过大:如当采用内径为4mm单铜管保护气保护,且样件是竖直摆放时(如图4所示),由于液态铝合金流动性较大,在保护气吹力和自身重力等因素的作用下,熔池中的铝合金易往重力方向下流,导致焊后焊缝下塌(如图5所示)。另外,小内径铜管的气体吹向面积小,气体吹力较大,也易导致焊缝成形不稳定。3、保护气不纯导致焊缝局部氧化,表面发黄:由于铝合金化学性质较活泼,在高温下极易氧化,因而焊接铝合金滤清器时保护气要采用高纯氩气(纯度99.99%),采用纯氩(纯度99.9%)保护时,由于高温焊接时气体杂质的侵入,也会导致焊缝局部氧化,甚至焊接不良,如图6所示。图6 保护气不纯导致的焊缝不良 4、工艺参数不匹配导致的焊接不良:激光焊接根据熔深的不同分为热导焊(功率密度在105 W/ cm2 —— 106 W/ cm2 之间)和深熔焊(功率密度在106 W/ cm2 —— 107 W/ cm2之间),热导焊时浅层金属主要靠表面吸收激光能量后向下的热传导而被加热至熔化,形成的焊缝近半圆型,焊缝熔深较浅。在激光焊接过程中小孔的出现可大大提高材料对激光的吸收率,小孔作为一个黑体可使焊件获得更多的能量耦合,这是获得良好焊接质量的前提条件。铝合金对激光具有极高的初始反射率,对C02激光束的反射率可达96%,对Nd:YAG激光束的反射率也接近80%。铝合金的热导率在室温下约为普通中碳钢的3倍,因此在实际焊接铝合金过程中,需要保证足够的激光功率,以获得需要的熔深。在不同铝合金的激光焊接中都发现存在一个激光能量密度阈值,若低于此值,焊件仅发生表面熔化,焊接以热传导型进行,熔深很浅,仅在表面形成一道激光冲击痕,而一旦达到或超过此值,等离子体产生,同时诱导出小孔,熔深大幅度提高。因而铝合金激光焊接若想达到深熔焊效果,需要达到一定功率值。但功率也不能达大,易导致因热输入过大使得焊缝凹陷,咬边严重,如图7a所示。在能量小于激光能量密度阈值时,会出现明显的热传导焊形貌,如图7b所示。图7 激光功率对焊缝成形的影响 3 解决方法和结果 1、针对保护气体吹力过大且吹向面积过小而导致熔池不稳定、焊缝保护范围过窄的问题,采用内径较大的保护气管(直径9mm)替代,如图8所示。该气管能在对熔池形成较大保护范围的前提下,减弱气体对熔池成形的干扰。图8 大内径气管保护 2、为了满足焊缝表面成形均匀美观和熔宽2mm以上的要求,采用了慢速、离焦焊接。另外焊接过程中采取上坡调时间100ms、下坡调时间300ms,以减小收弧处形成的弧坑。 选取表1参数作为优化的焊接工艺参数,焊后样件如图9所示,收弧形貌如图10所示。焊缝表面形貌和横断面形貌分别如图11和图12所示。从图9、图10和图11中可以看出,焊缝表面形成细密且均匀一致的鱼鳞纹形貌,并且没有任何表面裂纹和气孔等缺陷,另外收弧弧坑大大减小。从图12中可以检测出,焊缝熔宽达2.5mm,熔深达1.7mm,且内部无气孔、裂纹等缺陷。

  一、铝合金焊接技能铝合金具有高比强度、高疲劳强度以及杰出的断裂韧性和较低的裂纹扩展率,一起还具有优秀的成形工艺性和杰出的抗腐蚀性,在航空、航天、轿车、机械制作、船只及化学工业中已被许多运用。铝合金的广泛运用促进了铝合金焊接技能的开展,一起焊接技能的开展又拓宽了铝合金的运用范畴。不过,铝合金自身的特性使得其相关的焊接技能面临着一些亟待解决的问题:表面难熔的氧化膜、接头软化、易发作气孔、简单热变形以及热导率过大等。传统的铝合金焊接一般选用TIG焊或MIG焊工艺,尽管这两种焊接办法能量密度较大,焊接铝合金时能取得杰出的接头,但仍然存在熔透才能差、焊接变形大、出产功率低一级缺点,所以人们开端寻求新的焊接办法,20世纪中后期激光技能逐步开端运用于工业。欧洲空中客车公司出产的A340飞机机身,就选用激光焊接技能替代原有的铆接工艺,使机身的分量减轻18%左右,制作本钱下降了近25%。德国奥迪公司A2和A8全铝结构轿车也获益于铝合金激光焊接技能的开发和运用。这些成功的案例大大促进对激光焊接铝合金的研讨,激光技能已经成为了未来铝合金焊接技能的首要开展方向。激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等长处,使其在铝合金焊接范畴遭到分外的注重。二、铝合金激光焊接的问题和对策1.铝合金表面的高反射性和高导热性这一特色能够用铝合金的微观结构来解说。因为铝合金中存在密度很大的自由电子,自由电子遭到激光(激烈的电磁波)逼迫轰动而发作次级电磁波,构成激烈的反射波和较弱的透射波,因而铝合金表面对激光具有较高的反射率和很小的吸收率。一起,自由电子的布朗运动受激而变得更为剧烈,所以铝合金也具有很高的导热性。针对铝合金对激光的高反射性,国内外已作了许多研讨,实验结果表明,进行恰当的表面预处理如喷砂处理、砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等均能够下降光束反射,有效地增大铝合金对光束能量的吸收。别的,从焊接结构规划方面考虑,在铝合金表面人工制孔或选用光收集器方式接头,开V形坡口或选用拼焊(拼接空隙相当于人工制孔)办法,都能够添加铝合金对激光的吸收,取得较大的熔深。别的,还能够运用合理规划焊接缝隙来添加铝合金表面对激光能量的吸收。2.小孔效应及等离子体对铝合金激光焊接的影响在铝合金激光焊接进程中,小孔的呈现能够大大进步材料对激光的吸收率,焊接能够取得更多的能量,而铝元素以及铝合金中的Mg、Zn、Li沸点低、易蒸腾且蒸汽压大,尽管这有助于小孔的构成,但等离子体的冷却作用(等离子体对能量的屏蔽和吸收,削减了激光对母材的能量输入)使得等离子体自身过热,却阻止了小孔保持接连存在,简单发作气孔等焊接缺点,然后影响焊接成形和接头的力学性能,所以小孔的诱导和安稳成为确保激光焊接质量的一个要点。因为铝合金的高反射性和高导热性,要诱导小孔的构成就需要激光有更高的能量密度。因为能量密度阈值的凹凸本质上受其合金成分的操控,因而能够经过操控工艺参数,挑选断定激光功率确保适宜的热输入量,来取得安稳的焊接进程。别的,能量密度阈值必定程度上还遭到维护气体品种的影响。例如,激光焊接铝合金时运用N2气时可较简单地诱导出小孔,而运用He气则不能诱导出小孔。这是因为N2和Al之间可发作放热反应,生成的Al-N-O三元化合物进步了对激光吸收率。3.气孔问题铝合金品种不同,发作的气孔类型也不同。一般以为,铝合金在焊接进程中发作以下几类气孔。1)孔。铝合金在有氢的环境中熔化后,其内部的含氢量可到达0.69ml/100g以上。但凝结今后,其平衡状态下的溶氢才能较多只要0.036ml/100g,两者相差近20倍。因而,在由液态向固态改动的进程中,液态铝中剩余的必定要分出。假如分出的氢不能顺畅上浮逸出,就会聚集成气泡残留在固态铝合金成为气孔。2)维护气体发作的气孔。在高能激光焊接铝合金的进程中,因为熔池底部小孔前沿金属的激烈蒸腾,使维护气体被卷进熔池构成气泡,当气泡来不及逸出而残留在固态铝合金中即成为气孔。3)小孔陷落发作的气孔。在激光焊接进程中,当表面张力大于蒸气压力时,小孔将不能保持安稳而陷落,金属来不及填充就构成了孔洞。对削减或防止铝合金激光焊接中的气孔缺点也有许多实践办法,如调整激光功率波形,削减小孔不安稳陷落,改动光束焦点高度和歪斜照耀,在焊接进程时施加电磁经场作用以及在真空中进行焊接等。近几年来,又呈现了选用填丝或预置合金粉未、复合热源和双焦点技能来削减气孔发作的工艺,有不错的作用。4.裂纹问题铝合金归于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝结下更简单发作热裂纹,焊缝金属结晶时在柱状晶鸿沟构成AL-Si或Mg-Si等低熔点共晶是导致裂纹发作的原因。为削减热裂纹,能够选用填丝或预置合金粉未等办法进行激光焊接。经过调整激光波形,操控热输入也能够削减结晶裂纹。三、铝合金激光焊接的开展前景铝合金激光焊接较为人引人重视的特色是其高功率,而要充分发挥这种高功率就是把它运用到大厚度深熔焊接中。因而,研讨和运用大功率激光器进行大厚度深熔焊接将是未来开展的必然趋势。大厚度深熔焊愈加突出了小孔现象及对焊缝气孔的影响,因而小孔构成机理及操控变得愈加,它必将成为业界一起关怀和研讨的热点问题。改进激光焊接进程的安稳性和焊缝成形、进步焊接质量是人们寻求的方针。因而,激光-电弧复合工艺、填丝激光焊接、预置粉未激光焊接、双焦点技能以及光束整形等新技能将会得到进一步完善和开展。

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  一、稀土激光材料 激光是一种新式光源,它具有很好的方向性和相干性,并且能够到达很高的亮度。与激光技能相应开展起来的各种晶体,如非线性晶体,能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相效果;能批改传输过程中激光图画的畸变;热电勘探晶体能活络地勘探到红外光等。这些特性使激光很快就运用到工、农、医和国防部分。 激光与稀土激光材料是一起诞生的。到现在为止,大约90%的激光材料都涉及到稀土。自从1960年在红宝石中呈现激光以来,同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961年首要运用掺钕的硅酸盐玻璃取得脉冲激光,从此拓荒了具有广泛用处的稀土玻璃激光器的研讨。1962年首要运用CaWO4:Nd3+晶体输出接连激光,1963年首要研发稀土螯合物液体激光材料,运用掺铕的酰的醇溶液取得脉冲激光,1964年找出了室温下可输出接连激光的掺钕的钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12:Nd3+),它已成为现在取得了广泛运用的固体激光材料,1973年初次完成铕-氦的稀土金属蒸气的激光振动。由此可见,在短短的十多年里,稀土的固态、液态和气态都完成了受激发射。在激光作业物质中,稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、许多可运用的能级和光谱特性有关。 稀土激光材料可分为:固体、液体和气体三大类。但后两大类因为其功能、品种和用处等远不如固体材料。所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料,而激光晶体又占主导地位。 二、稀土固态激光材料 1.稀土晶体激光材料 现在已知约有320种激光晶体,主要是含氧的化合物或含氟的化合物,其间约290种是掺入稀土作为激活离子的,即稀土激光晶体约占90.6%,稀土中已完成激光输出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等,虽然激光晶体许多,但重要的只要数十种,而有用的更少。典型的、优秀的激光晶体有如下几种: (1)稀土石榴石体系(YAG) YAG是现在国内外研讨、开发和运用最活泼的体系,其间掺钕钇铝石榴石晶体(YAG∶Nd)功能最好,用处最广,产值最大。它用作重复频率高的脉冲激光器。近年来开发了功率更高的掺钕和铬的钆钪镓石榴石。 (2)掺Nd的铝酸钇体系 YAlO3∶Nd(YAP∶Nd) YAP属正交晶系,具有各向异性,故可运用晶体的不同取向而得到不同的激光特性。别的YAP晶体的长生速度比YAG快。输出功率不易饱满。其缺陷是在高温下存在相不稳定性,热膨胀系数各向异性,致使晶体在生长过程中易呈现开裂、色心和散射颗粒等缺陷。 (3)钇(YLF)激光材料 YLF是一种优秀的激光基质,其间许多稀土激光离子都完成了激光输出。它的长处是受光辐照后,不发生色心而变色,基质吸收的截止波长移向短波。YLF:Nd晶体荧光寿命长,发射截面积大,合适二极管的泵浦的激光晶体。 2.稀土玻璃激光材料 在玻璃中可发生激光的稀土激活离子比在晶体中少,现在已知有Nd、Er、Ho、Tm等三价离子。稀土玻璃激光材料的长处是:易于制备,运用热成型和冷加工工艺可制得不同巨细尺度和形状的玻璃,灵活性比晶体大,既可拉成直径小至微米的纤维,又可制成几厘米直径和几米长的棒或圆盘。稀土玻璃是现在输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料,用这种激光材料制成的大型激光器用于热核聚变的研讨中。 3.化学计量激光材料 在这类激光材料中,稀土激活离子不是以掺杂的办法参加的,而是作为晶体的组分之一。其潜在的运用是用于集成光学、光通讯、测距,将来光计算机与半导体激光器将有一番竞赛。 4.稀土上转化激光材料 现在完成的激光波长主要是红和红外波段,极缺蓝和绿激光波段,使激光的开展和运用受到影响。除倍频技能使长波长的激光转变为短波长激光外,近年来,人们运用发光学中的反斯托克斯效应,大力开展上转化激光材料,并使之到达有用化、商品化。 5.稀土光纤激光材料 跟着集成光学和光纤维通迅的开展,需求有微型的激光器和扩展器。90年代起,信息高速公路对信息的传输提出了更高的要求,多媒体技能要求能一起传送图、文、声、像,并且是高度明晰的声、像。信息高速公路要到达象样的高速,一般的光纤通讯技能传送信息的速度差之甚远,期望能以超高速、超长间隔办法传送信息需求跨过许多技能上的妨碍,其间之一就是怎么弥补在长间隔传送过程中光衰减的能量。所以光信号直接扩展就成为尚待处理的课题。其间掺铒的光纤扩展器能直接扩展光信息,进行大容量、长间隔通讯,使光纤通讯取得长足开展。 近年来对掺铒的光纤扩展器的研发取得了很大的发展。将铒掺入普通石英光纤,再配以980纳米、1480纳米的两种波长的半导体激光器,就根本构成了直接扩展1550纳米光信号的光扩展器。铒从高能态跃迁至基态时发射的光弥补了衰减的信号光,起到光扩展的效果。为防止无用的吸收,光纤中铒的掺杂量为几十至几百ppm,并且,在光密度高的芯的中心部分掺杂可取得高增益。 三、稀土激光材料的运用器材 1.YAG∶Nd激光器 这是用量最多、最老练的激光晶体,对其需求占激光晶体的90%左右,在未来5年内仍为主体。材料加工是激光器巨大商场之一。CO2激光器与YAG∶Nd激光器在材料加工方面供应量之比为2∶1。 2.光存贮激光器 作为信息高速公路重要组成部分,商场潜力十分巨大,其间一部分归于光存储。进步存储密度的办法是用更短波长的激光,现在最佳挑选是808微米的LED泵浦YVO4∶Nd晶体。 3.2微米激光器 Ho和Tm激光器有很大的商场潜力。因为Ho和Tm激光输出波长在2微米左右,与水的吸收峰相挨近,有极好的对人体安排切开和凝血效果,能够用普通光纤传输,是抱负的手术激光光源。美国已同意20多种2微米激光在医疗临床运用。可治疗多种疾病。2微米激光对人眼安全,大气穿透好,可作为激光雷达光源,其归纳功能优于YAG∶Nd和CO2激光器。 4.LED泵浦的固体激光器 LED泵浦固体激光器其功率比灯泵浦进步10倍,全固体化可靠性进步100倍,在光存储、微细加工、有线电视、遥感、雷达等科研方面有巨大商场。LED泵浦激光材料现在主要有YAG∶Nd、YAG∶Tm、YVO4∶Nd、Y2SiO5∶Nd等。 四、稀土激光材料开展方向 稀土材料是激光体系的心脏,是激光技能的根底,由激光而开展起来的光电子技能,不只广泛用于军事,并且在国民经济许多范畴,如光通讯、医疗、材料加工(切开、焊接、打孔、热处理等)、信息贮存、科研、检测和防伪等方面取得广泛运用,构成新工业。在军事上,稀土激光材料广泛运用于激光测距、制导、盯梢、雷达、激光兵器和光电子对立、遥测、精细定位及光通讯等方面。进步和改动各军种和军种的作战才能和办法,在战术进攻和防护中起重大效果。高功率激光材料可配备激光致盲兵器,以及光电对立等兵器。光发射二极管(LED)泵浦的激光晶体制成的激光器输出光束质量好,非线性移频功率高,可把毫瓦级的激光移频到蓝光、绿光和红光区,用于光存贮、显现、遥感、雷达和科研等。1985~1986年全世界的激光器的供应额从4.6亿美元增加到1996年的15亿美元。均匀年增长率为11%。激光产品供应额的散布:美国占45%、欧洲占30%、太平洋区域占25%。供应额占前六位运用范畴是材料加工、医疗、光通讯、科学研讨、光存储和丈量设备。到下世纪初,光通讯、光存储和信息高速公路等光电子技能将得到飞速开展。我国激光工业的供应额从1985年的0.6亿元上升到1994年的5.82亿元。均匀每年以32%的速度递加。

  稀土的分类 1)轻稀土(又称铈组):镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 2)重稀土(又称钇组):铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。 铈组与钇组之别,是由于矿藏经别离得到的稀土混合物中,常以铈或钇份额多的而得名。 稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素,是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称,常用R或RE表明。它们的称号和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。 铒(Er) 1843年,瑞典的莫桑德发现了铒元素(Erbium)。铒的光学性质十分杰出,一直是人们重视的问题: (1)Er3+在1550nm处的光发射具有特殊含义,由于该波长正好坐落光纤通讯的光学纤维的最低丢失,铒离子(Er3+)遭到波长980nm、1480nm的光激起后,从基态4I15/2跃迁至高能态4I13/2,当处于高能态的Er3+再跃迁回至基态时发射出1550nm波长的光,石英光纤可传送各种不同波长的光,但不同的光光衰率不同,1550nm频带的光在石英光纤中传输韶光衰减率最低(0.15分贝/公里),简直为下限极限衰减率。因而,光纤通信在1550nm处作信号光时,光丢失最小。这样,如果把恰当浓度的铒掺入适宜的基质中,可根据激光原理效果,扩大器可以补偿通讯体系中的损耗,因而在需求扩长1550nm光信号的电讯网络中,掺铒光纤扩大器是必不可少的光学器材,现在掺铒的二氧化硅纤维扩大器已完成商业化。据报道,为防止无用的吸收,光纤中铒的掺杂量几十至几百ppm。光纤通信的迅猛发展,将拓荒铒的使用新领域。 (2)别的掺铒的激光晶体及其输出的1730nm激光和1550nm激光对人的眼睛安全,大 气传输功能较好,对战场的硝烟穿透才能较强,保密性好,不易被敌人勘探,照耀军事目标的对比度较大,已制成军事上用的对人眼安全的便携式激光测距仪。(3)Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料,是现在输出脉冲能量最大,输出功率最高的固体激光材料。 (4)Er3+还可做稀土上转化激光材料的激活离子。 (5)别的铒也可使用于眼镜片玻璃、结晶玻璃的脱色和上色等。  氧化铒稀土氧化铒为玻璃添光荣铒激光和超脉冲CO2激光使用于口腔临床医治掺铒光纤扩大器

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