专利名称：强化金属表面的半导体激光装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电类，特别涉及一种强化金属表面的半导体激 光装置，尤指一种采用半导体激光器输出光源强化机器零件表面的半 导体激光装置。
背景技术：
众所周知，热处理在现代工业生产中已经成为保证产品质量、改 善加工条件、节约能源和材料的极其重要的一项工艺措施，以获得机
器零件的高硬度、高强度、髙耐磨性的优良特性；传统的热处理方法 很多，如常用的退火、正火、淬火以及表面淬火和化学热处理等，但 存在很多问题，如能源消耗大、对环境污染大、机器零件变形大以及 残留应力大，使之发生裂纹，甚至工件尺寸小及特殊部位难以进行加 工；
激光热处理技术是通过激光与材料的相互作用使机器零件表面 发生所希望的物理化学变化；激光高能束流作用在金属零件表面，被 金属材料吸收并转换为热能，该热能在金属表面扩散，造成相应的温 度场，从而导致材I4的性能在一定范围内发生变化，实现对金属零件 的表面处理通常采用103W/cm2以上功率密度的激光高能束流集中 作用在金属零件的表面，通过表面扫描或伴随有附加填充材料的加 热，使金属零件表面加热、溶化、气化而产生冶金的、物理的、化学 的或相结构的转变，达到金属零件表面改性的目的。
激光束热源作用在金属零件表面上的功率密度高、作用时间极其 短暂，加热速度快，冷却速度也快，处理效率高；在理论上，激光热 处理的加热速度可达到10 12^C/s，用不同的功率密度，不同的加热时 间和能斑直径相互作用后，其加热效果是各不相同的，因此， 一台激 光束加工系统，通过调整其加热参数，可以在金属零件表面获得不同的加热效果而形成不同的热处理工艺，例如表面淬火、表面重熔、 表面合金化、表面熔覆、表面非晶化及表面冲击硬化等；由于激光表 面热处理对零件迸行的是非接触式加热，所以不产生机械应力；又由 于加热速度和冷却速度都很快，因此，热影响区极小，热应力很小， 零件变形也小，可以应用到尺寸很小的零件及常用热处理难以实现的 特殊部位；所以在机器制造工业中，激光表面淬火已经得到广泛的应 用，如汽车发动机缸套，机床加工刀盘、刀具、阀门、模具及锯齿等 多种机器零件的局部硬化处理。
对机器零件表面进行激光热处理时对激光光斑的要求和激光焊 接不同，所要求的激光密度较小；目前常用的激光光源有C02激光， Nd: YAG激光等，所以带来装置体积庞大、效率低、用电量大的问 题；需要加以改进。 .
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种强化金属表面的半导体激光装 置，解决了常用激光装置体积庞大、效率低、用电量大等问题。
本实用新型的技术方案是强化金属表面的半导体激光装置是由 电源、计算机、激光器、微通道冷却装置、聚焦整形透镜组、指示光、 光纤、加工头及数控工作台所组成；其中电源与激光器、微通道冷却 器连接，为其供电；计算机与电源、数控工作台连接，控制其操作； 激光器与微通道冷却器连接，使激光器在安全的温度条件下工作；聚 焦整形透镜组与指示光连接；光纤连接聚焦整形透镜组和加工头。
电源的结构为稳压电源、电源调节组件单元、恒流控制单元、 VMOS管和电阻。
计算机的构成为串口通信接口、微控制器、键盘显示接口、
A/D转换单元、数字量输出接口 、 E2PROM存储器和数控工作台接口 ；
其中计算机的微控制器分别与串口通信接口、键盘显示接口、
A/D转化单元、数字量输出接口、 ESpROM存储器和数控工作台接口 联结；E^ROM存储器内存多种材料加工的模式，所谓加工模式包括 加工过程中所需的激光能量、照射时间和脉冲频率；计算机微控制器通过键盘显示接口与输入键盘和本地显示单元联结，通过A/D转换 单元与激光器温度检测单元和激光器电流检测单元联结，从而分别接 收半导体激光器的温度和电流检测信号，通过数字量输出接口分别与 脉宽频率控制单元和指示光强度控制单元联结，进行控制脉冲宽度和 指示光亮度，还与激光恒流控制单元、温度调节单元、声光报瞀单元 和关断控制单元联结；
半导体激光器采用发射波长由紫外光到红外光的边发射半导体 激光迭阵；
半导体激光器微通道冷却器为公示商品； 聚焦整形透镜组采用光学玻璃制成的透镜组； 指示光采用激光二极管650nm/5mw，可调亮度；
数控工作台为二维工作台，由计算机控制。 本实用新型的优点在于整机体积小、重量轻、效率高、耗电少、 环保、工作寿命长等。
图1为本实用新型的结构示意图2为本实用新型的电源结构示意图
图3为本实用新型的计算机及外围单元结构示意图4为本实用新型的实施例程序流程示意图。
具体实施方式
如附图1所示，本实用新型强化金属表面的半导体激光装置是由
电源l、计算机2、激光器3、微通道冷却器4、聚焦整形透镜组5、 指示光6、光纤7、加工头8和数控工作台9所组成；
电源1与激光器3、微通道冷却器4连接，为其供电；计算机2 与电源l、数控工作台9连接，控制其操作；激光器3与微通道冷却 器4连接，使激光器3在安全的温度条件下工作，聚焦整形透镜组5 与指示光6连接，光纤7连接聚焦整形透镜组5和加工头8。
如附图2所示，电源I是由稳压电源IO、电流调节组件单元ll、 恒流控制单元12、 VMOS管13和电阻14所构成；其中，稳压电源10的一端与激光器3联结，另一端与220V电 源联结VMOS管13的一端与激光器3的激光列阵模块一端联结， 另一端与电阻14联结；电阻14与公共极联接；恒流控制单元12 — 端与VMOS管13的一端联结，另一端分别与电流调节组件单元11 的一端及电阻14联结；电流调节组件单元11的另一端与220V电源 联结；
稳压电源10提供稳定电压，稳压电源10采用D048025017M2N 集成功率模块，这类模块的电力电子变换技术采用了零电流、零电压 开关技术，模块的噪声是传统变换器噪声的十分之一到百分之一，这 对噪声极为敏感的激光器3的半导体激光列阵模块可以满足技术要 求，；并且电源的体积大为縮小电源1可以实现恒电流直流驱动；
电流调节单元11调节恒流控制单元12的输出电压D，激光器3 的输出波长为810nm，电压很小的变化将引起电流较大的变化，为了 保证其稳定的工作，采用VMOS管13，并通过采用电阻14构成电流 串联，负反馈对激光器3进行恒流控制；当电流达到规定值后，计算 机2的微控制器控制语音提示器(SGZ07)发出提示音。
如附图3所示，计算机2是由串口通信接口32、微控制器33、 键盘显示接口34、 A/D转换单元35、数字量输出接口36、 E2PROM 存储器26和数控工作台接口27所构成(附图3的虚线框内)，外围 各单元通过上述各构成部份与微控制器33联接。
其中，计算机2的微控制器33分别与串口通信接口32、键盘显 示接口34、 A/D转换单元35、数字量输出接口36、 E》ROM存储器 26和数控工作台接口 27联结；E2PROM存储器26内存多种材料加 工的模式，该加工模式包括加工过程中所需的激光能量、照射时间和 脉冲频率；
计算机2的微控制器33通过键盘显示接口 34与输入键盘24和 本地显示单元25联结；通过A/D转换单元35与激光器温度检测单 元20和激光器电流检测单元21联结，从而分别接收半导体激光器3 的激光器温度检测信号和激光器电流检测信号；通过数字量输出接口36分别与脉宽频率控制单元22和指示光强度控制单元23联结，进 行控制脉冲宽度和指示光亮度；还与激光恒流控制单元28、温度调 节单元29、声光报警单元30和关断控制单元31联结；
半导体激光器3是发射波长由紫外光到红外光的边发射半导体 激光迭阵，波长810nm，脉冲输出1200W，光斑直径3mm，功率密 度1.98X104W/cm2，扫描速度2~10mm/s。
微通道冷却器4选用德国的PROLAS公司产口 。
聚焦整形透镜组5采用光学玻璃制成的透镜组，指示光6采用激 光二极管650nm/5mw，数控工作台9为二维工作台，由计算机控制。
如附图3及附图4所示，本实用新型强化金属表面的半导体激光 装置的动态工作过程如下计算机2对状态、输入、输出、提示等进 行控制，开机后，
经步骤110:计算机2的微控制器33对各单元进行初始化设置
经步骤120:进入自动/手动选择接口；若在该步骤中选择手动； 经步骤BO:执行输出功率设置计算机2通过数字量输出单元
36控制数字电位器，调节VIVOR电源模块相关电阻的方法调节 VIVOR电源模块输出电压，达到控制激光器电源内耗功率和控制激 光器电流；通过测量MOSEET管电压，动态调控VIVOR输出电压， 以期达到恒流控制；
经步骤140:进行脉冲选择；由键盘设置、调节控制仪器输出单 脉冲或重复脉冲激光信号；脉冲宽度可在100ms ls范围内连续可调
计算机2通过数字量输出单元36输出脉冲宽度100ms ls，脉冲 频率0.1Hz 10Hz范围内连续可调
计算机2通过数字量输出单元36控制数字电位器，数字电位器 采用美国Xicor公司X系列非易量失性数字电位器，将数字量信号转 变成相应的电压信号，用于设定指示光亮度、激光器温度、激光器电 流；通过数字PID控制算法，控制激光器温度在设定值范围内；
经步骤150:设置工作时间；
经步骤160:调整指示光确定加工部位；通过调节X103数字电位器对指示光的亮度进行控制；
经步骤170:判断是否到达指定部位若未到达指定部位，返回 步骤160继续调整，到达指定部位；
经步骤180:开始加工，启动恒流、温度、功耗控制微控制器 33，通过模拟量输入单元(A/D转换器)接收波长810mn半导体激 光器3信号，激光器温度检测信号，激光器电流检测信号；所述温度 控制，温度传感器(选用AD590)，由同相比例运算电路对温度信号 进行放大与调理，以满足A/D转换器的采样要求，通过数字PID控 制算法调节数字电位器X9C103，进而控制VIVOR模块的输出电压， 达到控制激光器温度在设定值范围内；所述的功耗控制，通过测量 MOSFET管电压，动态控制VIVOR电压，使其达到最佳工作状态；
经步骤190:判断是否达到加工时间；未达到加工时间继续加工， 到达加工时间；
经步骤200:停止加工；
经步骤210:存储加工资料；
经步骤220:计算机2的E2PROM存储器26内存20种加工模式， 其存有加工过程中的所需激光能量，发射时间和脉冲数量；
经步骤230:关机； 经步骤240:结束操作；
若在步骤120:选择自动，经步骤125，进入加工模式的选择， 加工模式确定后，执行步骤160，进行调整指示光确定加工部位，然
后再进行以后的步骤。
权利要求1、一种强化金属表面的半导体激光装置，其特征在于是由电源、计算机、激光器、微通道冷却器、聚焦整形透镜组、指示光、光纤、加工头和数控工作台所构成；其中，电源与激光器、微通道冷却器连接；计算机与电源、数控工作台连接；激光器与微通道冷却器连接；聚焦整形透镜组与指示光连接；光纤连接聚焦整形透镜组和加工头。
2、 根据权利要求1所述的一种强化金属表面的半导体激光装置， 其特征在于所述的电源是由稳压电源、电流调节组件单元、恒流控 制单元、VMOS管和电阻所构成。
3、 根据权利要求1所述的一种强化金属表面的半导体激光装置， 其特征在于所述的计算机是由串口通信接口、微控制器、键盘显示 接口、 A/D转换单元、数字量输出接口、 E》ROM存储器和数控工作 台接口所构成；其中，计算机的微处理器分别与串口通信接口、键盘 显示接口、 ESpROM存储器和数控工作台接口联接。
4、 根据权利要求3所述的一种强化金属表面的半导体激光装置， 其特征在于所述的计算机的微处理器通过键盘显示接口与输入键盘 和本地显示单元联结；通过A/D转换单元与激光器温度检测单元和 激光器电流检测单元联结；通过A/D转换单元与激光器温度检测单 元和激光器电流检测单元联结；通过数字量输出接口分别与脉宽频率 控制单元和指示光强度控制单元联结，数字量输出接口还与激光恒温 控制单元、温度调节单元、声光报警单元和关断控制单元联结。
5、 根据权利要求1所述的一种强化金属表面的半导体激光装置， 其特征在于所述的半导体激光器采用发射波长由紫外光到红外光的 边发射半导体激光迭阵。
6、 根据权利要求1所述的一种强化金属表面的半导体激光装置，其特征在于所述的聚焦整形透镜组采用光学玻璃制成的透镜组。
7、 根据权利要求1所述的一种强化金属表面的半导体激光装置， 其特征在于所述的指示光采用激光二极管650nm/5mw。
8、 根据权利要求1所述的一种强化金属表面的半导体激光装置， 其特征在于所述的数控工作台为二维工作台，由计算机控制。
专利摘要本实用新型涉及一种强化金属表面的半导体激光装置，属于机电类。它是由电源、计算机、激光器、微通道冷却器、聚焦整形透镜组、指示光、光纤、加工头和数控工作台所构成；其中，电源与激光器、微通道冷却器连接；计算机与电源、数控工作台连接；激光器与微通道冷却器连接；聚焦整形透镜组与指示光连接；光纤连接聚焦整形透镜组和加工头。优点在于整机体积小、重量轻、效率高、耗电省和工作寿命长等。
文档编号C21D1/09GK201148447SQ200820071210
公开日2008年11月12日 申请日期2008年1月4日 优先权日2008年1月4日
发明者丁宝君, 王传术, 王峙皓, 露 甘 申请人:长春德信光电技术有限公司