第五章激光加工技术.ppt
第五章 激光加工技术,自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式，前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，使能获得极高的能量密度(1081010Wcm2)。当激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区的温度可达10000以上，使材料熔化甚至气化，这就是激光加工。（lasser beam machining,LBM）1960年美国研制成功世界上第一台可用激光加工工的激光器，截止今天激光加工已形成一种重要的新兴产业。,5.1 激光加工的原理和特点,一、激光加工原理 激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好四大综合性能。激光的强度和亮度之所以高，原因在于激光可以实现光能在空间上和实践上的亮度集中。单色是指波长为一个确定的数值，实际上 严格的单色光是不存在的，l0为单色光的中心波长，Dl单色光的谱线宽，Dl越小，单色性越好。单色性越好，相干长度越大，光源的相干性越好。激光的各个发光中心是相互关联的定向发射，可以把光束压缩在很小的立体角内。,激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。,图1 激光加工示意图,二、激光加工的特点(1)几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。（2）加工效率高，可实现高速切割和打孔（3）加工作用时间短，除加工部位外，几乎不受热影响和不产生热变形。（4）非接触加工，工件不受机械切削力，无弹性变形。(5）激光束容易实现空间控制时间控制，可进行微细的精密图形加工。,（6）不存在工具磨损问题。（7）在大气中无能量损失，设备简单，不需要真空室。（8）可通过空气、惰性气体或者光学透明解质，可对隔离室或真空室内工件进行加工（9）加工时不产生振动和机械噪声。(10)属于热加工，影响因素多。(11)产生金属气体，火星等飞溅物，操作人员戴防护眼镜。,激光加工的基本设备由激光器、激光器光源，光学系统和机械系统组成。激光器：激光加工中的重要设备，将电能转换成光能，产生激光束。激光器电源：为激光器提供能量和控制功能光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准系统。机械系统：包括床身、工作台和机电控制系统。,5.2 激光加工基本设备,二、激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于He-Ne(氦氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。,固体激光器常由主体光泵（激励源）及谐振腔（由全反射镜、半反射镜组成）、工作物质（一些发光材料如钇铝石榴石、红宝石、钕玻璃等）、聚光器、聚焦透镜等组成。图中激光器的工作物质为钇铝石榴石,气体激光器一般采用电激励，效率高，寿命长，膨胀系数小，机械强度高。广泛应用于焊接、热处理加工。常用于材料加工的有二氧化碳激光器和氩离子激光器。,一、激光打孔随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务。,5.3 激光加工工艺及应用,激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能否打孔。激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。,激光打孔影响因素输出功率和打孔时间焦距和发散角焦点位置光斑内能量分布激光多次照射工件材料,二、激光切割激光切割(如图2所示)的原理与激光打孔相似，但工件与激光束要相对移动。在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割。,图2 CO2气体激光器切割钛合金示意图,激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细切割，也可采用YAG激光器。激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。,图3 振镜式激光打标原理,三、激光打标 激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志(如图所示)。,激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。,4)激光焊接当激光的功率密度为105107 W/cm2，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图4所示。激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。,图4 激光焊接过程示意图,图5 激光表面强化处理应用实例,5)激光表面处理当激光的功率密度约为103105 W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。图5为激光表面淬火处理应用实例。,激光加工二维精细切割1,不锈钢厚1mm,铝合金0.8mm厚，小孔直径0.7 mm,单晶硅厚0.7 mm,不锈钢厚4 mm,激光加工三维精细切割2,大功率电子管栅极钼厚300微米，直径300微米,航空发动机叶形孔不锈钢厚1mm，孔100微米,切割陶瓷厚1.7mm,色片工装铝合金厚度4mm,激光加工焊接,盒体铝合金厚3mm,锅炉用钢管厚7mm,汽车齿轮（16MnCr5）,纸浆过滤器不锈钢,激光加工熔覆与热处理,航空发动机叶片修复熔覆层宽2mm，厚1mm,曲轴花键槽修复（18Cr2Ni4W）熔覆层宽4mm，厚0.5mm,线材轧辊修复，熔覆层8mm,导轨表面强化(材料:高强钢),激光加工生物芯片,多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片,20个循环PCR微流控芯,毛细管微流控芯,
