專利名稱：強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)電類，特別涉及一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激 光裝置，尤指一種采用半導(dǎo)體激光器輸出光源強(qiáng)化機(jī)器零件表面的半 導(dǎo)體激光裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，熱處理在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、改 善加工條件、節(jié)約能源和材料的極其重要的一項(xiàng)工藝措施，以獲得機(jī)
器零件的高硬度、高強(qiáng)度、髙耐磨性的優(yōu)良特性；傳統(tǒng)的熱處理方法 很多，如常用的退火、正火、淬火以及表面淬火和化學(xué)熱處理等，但 存在很多問題，如能源消耗大、對(duì)環(huán)境污染大、機(jī)器零件變形大以及 殘留應(yīng)力大，使之發(fā)生裂紋，甚至工件尺寸小及特殊部位難以進(jìn)行加 工；
激光熱處理技術(shù)是通過激光與材料的相互作用使機(jī)器零件表面 發(fā)生所希望的物理化學(xué)變化；激光高能束流作用在金屬零件表面，被 金屬材料吸收并轉(zhuǎn)換為熱能，該熱能在金屬表面擴(kuò)散，造成相應(yīng)的溫 度場(chǎng)，從而導(dǎo)致材I4的性能在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件 的表面處理通常采用103W/cm2以上功率密度的激光高能束流集中 作用在金屬零件的表面，通過表面掃描或伴隨有附加填充材料的加 熱，使金屬零件表面加熱、溶化、氣化而產(chǎn)生冶金的、物理的、化學(xué) 的或相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，達(dá)到金屬零件表面改性的目的。
激光束熱源作用在金屬零件表面上的功率密度高、作用時(shí)間極其 短暫，加熱速度快，冷卻速度也快，處理效率高；在理論上，激光熱 處理的加熱速度可達(dá)到10 12^C/s，用不同的功率密度，不同的加熱時(shí) 間和能斑直徑相互作用后，其加熱效果是各不相同的，因此， 一臺(tái)激 光束加工系統(tǒng)，通過調(diào)整其加熱參數(shù)，可以在金屬零件表面獲得不同的加熱效果而形成不同的熱處理工藝，例如表面淬火、表面重熔、 表面合金化、表面熔覆、表面非晶化及表面沖擊硬化等；由于激光表 面熱處理對(duì)零件迸行的是非接觸式加熱，所以不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力；又由 于加熱速度和冷卻速度都很快，因此，熱影響區(qū)極小，熱應(yīng)力很小， 零件變形也小，可以應(yīng)用到尺寸很小的零件及常用熱處理難以實(shí)現(xiàn)的 特殊部位；所以在機(jī)器制造工業(yè)中，激光表面淬火已經(jīng)得到廣泛的應(yīng) 用，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，機(jī)床加工刀盤、刀具、閥門、模具及鋸齒等 多種機(jī)器零件的局部硬化處理。
對(duì)機(jī)器零件表面進(jìn)行激光熱處理時(shí)對(duì)激光光斑的要求和激光焊 接不同，所要求的激光密度較??；目前常用的激光光源有C02激光， Nd: YAG激光等，所以帶來裝置體積龐大、效率低、用電量大的問 題；需要加以改進(jìn)。 .

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝 置，解決了常用激光裝置體積龐大、效率低、用電量大等問題。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置是由 電源、計(jì)算機(jī)、激光器、微通道冷卻裝置、聚焦整形透鏡組、指示光、 光纖、加工頭及數(shù)控工作臺(tái)所組成；其中電源與激光器、微通道冷卻 器連接，為其供電；計(jì)算機(jī)與電源、數(shù)控工作臺(tái)連接，控制其操作； 激光器與微通道冷卻器連接，使激光器在安全的溫度條件下工作；聚 焦整形透鏡組與指示光連接；光纖連接聚焦整形透鏡組和加工頭。
電源的結(jié)構(gòu)為穩(wěn)壓電源、電源調(diào)節(jié)組件單元、恒流控制單元、 VMOS管和電阻。
計(jì)算機(jī)的構(gòu)成為串口通信接口、微控制器、鍵盤顯示接口、
A/D轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字量輸出接口 、 E2PROM存儲(chǔ)器和數(shù)控工作臺(tái)接口 ；
其中計(jì)算機(jī)的微控制器分別與串口通信接口、鍵盤顯示接口、
A/D轉(zhuǎn)化單元、數(shù)字量輸出接口、 ESpROM存儲(chǔ)器和數(shù)控工作臺(tái)接口 聯(lián)結(jié)；E^ROM存儲(chǔ)器內(nèi)存多種材料加工的模式，所謂加工模式包括 加工過程中所需的激光能量、照射時(shí)間和脈沖頻率；計(jì)算機(jī)微控制器通過鍵盤顯示接口與輸入鍵盤和本地顯示單元聯(lián)結(jié)，通過A/D轉(zhuǎn)換 單元與激光器溫度檢測(cè)單元和激光器電流檢測(cè)單元聯(lián)結(jié)，從而分別接 收半導(dǎo)體激光器的溫度和電流檢測(cè)信號(hào)，通過數(shù)字量輸出接口分別與 脈寬頻率控制單元和指示光強(qiáng)度控制單元聯(lián)結(jié)，進(jìn)行控制脈沖寬度和 指示光亮度，還與激光恒流控制單元、溫度調(diào)節(jié)單元、聲光報(bào)瞀單元 和關(guān)斷控制單元聯(lián)結(jié)；
半導(dǎo)體激光器采用發(fā)射波長(zhǎng)由紫外光到紅外光的邊發(fā)射半導(dǎo)體 激光迭陣；
半導(dǎo)體激光器微通道冷卻器為公示商品； 聚焦整形透鏡組采用光學(xué)玻璃制成的透鏡組； 指示光采用激光二極管650nm/5mw，可調(diào)亮度；
數(shù)控工作臺(tái)為二維工作臺(tái)，由計(jì)算機(jī)控制。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于整機(jī)體積小、重量輕、效率高、耗電少、 環(huán)保、工作壽命長(zhǎng)等。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型的電源結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本實(shí)用新型的計(jì)算機(jī)及外圍單元結(jié)構(gòu)示意圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例程序流程示意圖。
具體實(shí)施方式
如附圖1所示，本實(shí)用新型強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置是由
電源l、計(jì)算機(jī)2、激光器3、微通道冷卻器4、聚焦整形透鏡組5、 指示光6、光纖7、加工頭8和數(shù)控工作臺(tái)9所組成；
電源1與激光器3、微通道冷卻器4連接，為其供電；計(jì)算機(jī)2 與電源l、數(shù)控工作臺(tái)9連接，控制其操作；激光器3與微通道冷卻 器4連接，使激光器3在安全的溫度條件下工作，聚焦整形透鏡組5 與指示光6連接，光纖7連接聚焦整形透鏡組5和加工頭8。
如附圖2所示，電源I是由穩(wěn)壓電源IO、電流調(diào)節(jié)組件單元ll、 恒流控制單元12、 VMOS管13和電阻14所構(gòu)成；其中，穩(wěn)壓電源10的一端與激光器3聯(lián)結(jié)，另一端與220V電 源聯(lián)結(jié)VMOS管13的一端與激光器3的激光列陣模塊一端聯(lián)結(jié)， 另一端與電阻14聯(lián)結(jié)；電阻14與公共極聯(lián)接；恒流控制單元12 — 端與VMOS管13的一端聯(lián)結(jié)，另一端分別與電流調(diào)節(jié)組件單元11 的一端及電阻14聯(lián)結(jié)；電流調(diào)節(jié)組件單元11的另一端與220V電源 聯(lián)結(jié)；
穩(wěn)壓電源10提供穩(wěn)定電壓，穩(wěn)壓電源10采用D048025017M2N 集成功率模塊，這類模塊的電力電子變換技術(shù)采用了零電流、零電壓 開關(guān)技術(shù)，模塊的噪聲是傳統(tǒng)變換器噪聲的十分之一到百分之一，這 對(duì)噪聲極為敏感的激光器3的半導(dǎo)體激光列陣模塊可以滿足技術(shù)要 求，；并且電源的體積大為縮小電源1可以實(shí)現(xiàn)恒電流直流驅(qū)動(dòng)；
電流調(diào)節(jié)單元11調(diào)節(jié)恒流控制單元12的輸出電壓D，激光器3 的輸出波長(zhǎng)為810nm，電壓很小的變化將引起電流較大的變化，為了 保證其穩(wěn)定的工作，采用VMOS管13，并通過采用電阻14構(gòu)成電流 串聯(lián)，負(fù)反饋對(duì)激光器3進(jìn)行恒流控制；當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值后，計(jì)算 機(jī)2的微控制器控制語音提示器(SGZ07)發(fā)出提示音。
如附圖3所示，計(jì)算機(jī)2是由串口通信接口32、微控制器33、 鍵盤顯示接口34、 A/D轉(zhuǎn)換單元35、數(shù)字量輸出接口36、 E2PROM 存儲(chǔ)器26和數(shù)控工作臺(tái)接口27所構(gòu)成(附圖3的虛線框內(nèi))，外圍 各單元通過上述各構(gòu)成部份與微控制器33聯(lián)接。
其中，計(jì)算機(jī)2的微控制器33分別與串口通信接口32、鍵盤顯 示接口34、 A/D轉(zhuǎn)換單元35、數(shù)字量輸出接口36、 E》ROM存儲(chǔ)器 26和數(shù)控工作臺(tái)接口 27聯(lián)結(jié)；E2PROM存儲(chǔ)器26內(nèi)存多種材料加 工的模式，該加工模式包括加工過程中所需的激光能量、照射時(shí)間和 脈沖頻率；
計(jì)算機(jī)2的微控制器33通過鍵盤顯示接口 34與輸入鍵盤24和 本地顯示單元25聯(lián)結(jié)；通過A/D轉(zhuǎn)換單元35與激光器溫度檢測(cè)單 元20和激光器電流檢測(cè)單元21聯(lián)結(jié)，從而分別接收半導(dǎo)體激光器3 的激光器溫度檢測(cè)信號(hào)和激光器電流檢測(cè)信號(hào)；通過數(shù)字量輸出接口36分別與脈寬頻率控制單元22和指示光強(qiáng)度控制單元23聯(lián)結(jié)，進(jìn) 行控制脈沖寬度和指示光亮度；還與激光恒流控制單元28、溫度調(diào) 節(jié)單元29、聲光報(bào)警單元30和關(guān)斷控制單元31聯(lián)結(jié)；
半導(dǎo)體激光器3是發(fā)射波長(zhǎng)由紫外光到紅外光的邊發(fā)射半導(dǎo)體 激光迭陣，波長(zhǎng)810nm，脈沖輸出1200W，光斑直徑3mm，功率密 度1.98X104W/cm2，掃描速度2~10mm/s。
微通道冷卻器4選用德國(guó)的PROLAS公司產(chǎn)口 。
聚焦整形透鏡組5采用光學(xué)玻璃制成的透鏡組，指示光6采用激 光二極管650nm/5mw，數(shù)控工作臺(tái)9為二維工作臺(tái)，由計(jì)算機(jī)控制。
如附圖3及附圖4所示，本實(shí)用新型強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光 裝置的動(dòng)態(tài)工作過程如下計(jì)算機(jī)2對(duì)狀態(tài)、輸入、輸出、提示等進(jìn) 行控制，開機(jī)后，
經(jīng)步驟110:計(jì)算機(jī)2的微控制器33對(duì)各單元進(jìn)行初始化設(shè)置
經(jīng)步驟120:進(jìn)入自動(dòng)/手動(dòng)選擇接口；若在該步驟中選擇手動(dòng)； 經(jīng)步驟BO:執(zhí)行輸出功率設(shè)置計(jì)算機(jī)2通過數(shù)字量輸出單元
36控制數(shù)字電位器，調(diào)節(jié)VIVOR電源模塊相關(guān)電阻的方法調(diào)節(jié) VIVOR電源模塊輸出電壓，達(dá)到控制激光器電源內(nèi)耗功率和控制激 光器電流；通過測(cè)量MOSEET管電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)控VIVOR輸出電壓， 以期達(dá)到恒流控制；
經(jīng)步驟140:進(jìn)行脈沖選擇；由鍵盤設(shè)置、調(diào)節(jié)控制儀器輸出單 脈沖或重復(fù)脈沖激光信號(hào)；脈沖寬度可在100ms ls范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)
計(jì)算機(jī)2通過數(shù)字量輸出單元36輸出脈沖寬度100ms ls，脈沖 頻率0.1Hz 10Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)
計(jì)算機(jī)2通過數(shù)字量輸出單元36控制數(shù)字電位器，數(shù)字電位器 采用美國(guó)Xicor公司X系列非易量失性數(shù)字電位器，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn) 變成相應(yīng)的電壓信號(hào)，用于設(shè)定指示光亮度、激光器溫度、激光器電 流；通過數(shù)字PID控制算法，控制激光器溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)；
經(jīng)步驟150:設(shè)置工作時(shí)間；
經(jīng)步驟160:調(diào)整指示光確定加工部位；通過調(diào)節(jié)X103數(shù)字電位器對(duì)指示光的亮度進(jìn)行控制；
經(jīng)步驟170:判斷是否到達(dá)指定部位若未到達(dá)指定部位，返回 步驟160繼續(xù)調(diào)整，到達(dá)指定部位；
經(jīng)步驟180:開始加工，啟動(dòng)恒流、溫度、功耗控制微控制器 33，通過模擬量輸入單元(A/D轉(zhuǎn)換器)接收波長(zhǎng)810mn半導(dǎo)體激 光器3信號(hào)，激光器溫度檢測(cè)信號(hào)，激光器電流檢測(cè)信號(hào)；所述溫度 控制，溫度傳感器(選用AD590)，由同相比例運(yùn)算電路對(duì)溫度信號(hào) 進(jìn)行放大與調(diào)理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的采樣要求，通過數(shù)字PID控 制算法調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9C103，進(jìn)而控制VIVOR模塊的輸出電壓， 達(dá)到控制激光器溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)；所述的功耗控制，通過測(cè)量 MOSFET管電壓，動(dòng)態(tài)控制VIVOR電壓，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)；
經(jīng)步驟190:判斷是否達(dá)到加工時(shí)間；未達(dá)到加工時(shí)間繼續(xù)加工， 到達(dá)加工時(shí)間；
經(jīng)步驟200:停止加工；
經(jīng)步驟210:存儲(chǔ)加工資料；
經(jīng)步驟220:計(jì)算機(jī)2的E2PROM存儲(chǔ)器26內(nèi)存20種加工模式， 其存有加工過程中的所需激光能量，發(fā)射時(shí)間和脈沖數(shù)量；
經(jīng)步驟230:關(guān)機(jī)； 經(jīng)步驟240:結(jié)束操作；
若在步驟120:選擇自動(dòng)，經(jīng)步驟125，進(jìn)入加工模式的選擇， 加工模式確定后，執(zhí)行步驟160，進(jìn)行調(diào)整指示光確定加工部位，然
后再進(jìn)行以后的步驟。
權(quán)利要求1、一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置，其特征在于是由電源、計(jì)算機(jī)、激光器、微通道冷卻器、聚焦整形透鏡組、指示光、光纖、加工頭和數(shù)控工作臺(tái)所構(gòu)成；其中，電源與激光器、微通道冷卻器連接；計(jì)算機(jī)與電源、數(shù)控工作臺(tái)連接；激光器與微通道冷卻器連接；聚焦整形透鏡組與指示光連接；光纖連接聚焦整形透鏡組和加工頭。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置， 其特征在于所述的電源是由穩(wěn)壓電源、電流調(diào)節(jié)組件單元、恒流控 制單元、VMOS管和電阻所構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置， 其特征在于所述的計(jì)算機(jī)是由串口通信接口、微控制器、鍵盤顯示 接口、 A/D轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字量輸出接口、 E》ROM存儲(chǔ)器和數(shù)控工作 臺(tái)接口所構(gòu)成；其中，計(jì)算機(jī)的微處理器分別與串口通信接口、鍵盤 顯示接口、 ESpROM存儲(chǔ)器和數(shù)控工作臺(tái)接口聯(lián)接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置， 其特征在于所述的計(jì)算機(jī)的微處理器通過鍵盤顯示接口與輸入鍵盤 和本地顯示單元聯(lián)結(jié)；通過A/D轉(zhuǎn)換單元與激光器溫度檢測(cè)單元和 激光器電流檢測(cè)單元聯(lián)結(jié)；通過A/D轉(zhuǎn)換單元與激光器溫度檢測(cè)單 元和激光器電流檢測(cè)單元聯(lián)結(jié)；通過數(shù)字量輸出接口分別與脈寬頻率 控制單元和指示光強(qiáng)度控制單元聯(lián)結(jié)，數(shù)字量輸出接口還與激光恒溫 控制單元、溫度調(diào)節(jié)單元、聲光報(bào)警單元和關(guān)斷控制單元聯(lián)結(jié)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置， 其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器采用發(fā)射波長(zhǎng)由紫外光到紅外光的 邊發(fā)射半導(dǎo)體激光迭陣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置，其特征在于所述的聚焦整形透鏡組采用光學(xué)玻璃制成的透鏡組。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置， 其特征在于所述的指示光采用激光二極管650nm/5mw。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置， 其特征在于所述的數(shù)控工作臺(tái)為二維工作臺(tái)，由計(jì)算機(jī)控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種強(qiáng)化金屬表面的半導(dǎo)體激光裝置，屬于機(jī)電類。它是由電源、計(jì)算機(jī)、激光器、微通道冷卻器、聚焦整形透鏡組、指示光、光纖、加工頭和數(shù)控工作臺(tái)所構(gòu)成；其中，電源與激光器、微通道冷卻器連接；計(jì)算機(jī)與電源、數(shù)控工作臺(tái)連接；激光器與微通道冷卻器連接；聚焦整形透鏡組與指示光連接；光纖連接聚焦整形透鏡組和加工頭。優(yōu)點(diǎn)在于整機(jī)體積小、重量輕、效率高、耗電省和工作壽命長(zhǎng)等。
文檔編號(hào)C21D1/09GK201148447SQ200820071210
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者丁寶君, 王傳術(shù), 王峙皓, 露 甘 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春德信光電技術(shù)有限公司