第六章激光加工

1、第5章 激光加工 激光的產(chǎn)生原子核原子核原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定穩(wěn)定狀狀態(tài)態(tài)當(dāng)外加能量為當(dāng)外加能量為零時(shí)，分子處零時(shí)，分子處于穩(wěn)定狀態(tài)。于穩(wěn)定狀態(tài)。原子核原子核原子核原子核激勵(lì)激勵(lì)激激勵(lì)狀勵(lì)狀態(tài)態(tài)當(dāng)原子獲得高能量時(shí)當(dāng)原子獲得高能量時(shí)其結(jié)構(gòu)處于其結(jié)構(gòu)處于不不穩(wěn)定穩(wěn)定狀狀態(tài)態(tài)還原還原光不不穩(wěn)定的原子放出激光后，穩(wěn)定的原子放出激光后，還原到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)還原到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。激光的發(fā)生原理激勵(lì)激勵(lì)還原還原激勵(lì)激勵(lì)還原還原圖圖 紅寶石激光示意圖紅寶石激光示意圖 激光激光的特性激光的特性 普通光源 激光光源亮度電燈：約470sb太陽(yáng)：約1.65X105 sb 紅寶石激光器，約1.65X1015sb功率1000MW/

2、cm2方向無(wú)確定方向、發(fā)散角大、難會(huì)聚 發(fā)散角小到0.1mrad（近似平行光），光束會(huì)聚其焦點(diǎn)處光斑10um單色性氪燈的光源譜線寬為0.0047 激光的譜線寬度為10-7相干性氪燈光源的相干長(zhǎng)度78cm激光的相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里 激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。激光打孔激光打孔激光切割激光切割利用激光殺死病人鼻癌細(xì)胞利用激光殺死病人鼻癌細(xì)胞 利用激光使脫落的視網(wǎng)膜再?gòu)?fù)位利用激光使脫落的視網(wǎng)膜再?gòu)?fù)位5.1 激光加工原理與特點(diǎn)一、激光加工的原理1234561激光器；2激光束；3全反射棱鏡；4聚焦物鏡；5工件；6工作臺(tái)(1) 幾

3、乎對(duì)所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。 (2) 激光能聚焦成極小的光斑，可進(jìn)行微細(xì)和精密加工，如微細(xì)窄縫和微型孔的加工。(3) 可用反射鏡將激光束送往遠(yuǎn)離激光器的隔離室或其它地點(diǎn)進(jìn)行加工。 (4) 加工時(shí)不需用刀具，屬于非接觸加工，無(wú)機(jī)械加工變形。 (5) 無(wú)需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動(dòng)控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。二、激光加工的特點(diǎn)5.2 激光加工的基本設(shè)備激光加工的基本設(shè)備由激光器、電源、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)和加工機(jī)床(激光加工系統(tǒng)) 四部分組成。1) 激光器激光器是激光加工的重要設(shè)備，它的任務(wù)是把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生所需要的激光束。2) 導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)根據(jù)被加工工件的性能

4、要求，光束經(jīng)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。3) 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多激光加工系統(tǒng)已采用計(jì)算機(jī)來(lái)控制工作臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。 一) 激光打孔5. 3 激光加工工藝及應(yīng)用激光打孔原理激光打孔原理 激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤。卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤。 激光打孔工藝參數(shù)的影響激光打孔工藝參數(shù)的影響 主要影響因素：輸出功率與照射時(shí)間、焦距與發(fā)散角、焦

5、點(diǎn)位置、光斑內(nèi)的能量分布、工件材料等。 被加工材料對(duì)打孔的影響被加工材料對(duì)打孔的影響 材料對(duì)激光的吸收率材料對(duì)激光的吸收率直接影響到打孔直接影響到打孔的效率。由于不同材料對(duì)不同激光波長(zhǎng)有的效率。由于不同材料對(duì)不同激光波長(zhǎng)有不同的吸收率，必須根據(jù)所加工的材料性不同的吸收率，必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光器。質(zhì)選擇激光器。 激光打孔特點(diǎn)激光打孔特點(diǎn)1）可加工精度高、深徑比大的微小孔可加工精度高、深徑比大的微小孔2）能加工小至幾微米的小孔能加工小至幾微米的小孔5）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加工效率高容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加工效率高3）可加工異型孔可加工異型孔4）能在所有金屬和非金屬材料上打孔能在所有金屬和非金屬材

6、料上打孔二）激光切割二）激光切割平面鏡激光束輔助氣體鈦合金噴嘴聚焦透鏡激光器CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖激光切割特點(diǎn)激光切割特點(diǎn)1）能切割任何難加工的高熔點(diǎn)材料、耐高溫和能切割任何難加工的高熔點(diǎn)材料、耐高溫和硬脆材料硬脆材料2）切割精度高切割精度高5）切割的深寬比高切割的深寬比高3）非接觸切割非接觸切割4）切割速度高切割速度高6）切割質(zhì)量?jī)?yōu)良切割質(zhì)量?jī)?yōu)良7）可與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工可與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工三）激光焊接激光焊接12341激光；2被焊接零件；3被熔化金屬；4已冷卻的熔池1、激光熱導(dǎo)焊、激光熱導(dǎo)焊 激光熱導(dǎo)焊的激光熱導(dǎo)焊的連接形連接形式式：片狀工件的焊

7、接形式：片狀工件的焊接形式有對(duì)焊、端焊、中心穿透有對(duì)焊、端焊、中心穿透熔化焊。熔化焊。 激光激光功率密度功率密度：激：激光功率密度低則熔深光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。淺、焊接速度慢。脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度：脈沖寬度影響到焊接熔脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區(qū)的寬度等焊接的質(zhì)量要求。脈寬時(shí)間長(zhǎng)，深，熱影響區(qū)的寬度等焊接的質(zhì)量要求。脈寬時(shí)間長(zhǎng)，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之則小。因此，要根據(jù)激光焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之則小。因此，要根據(jù)激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來(lái)功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來(lái)適當(dāng)選擇脈沖寬度。適當(dāng)選擇脈沖寬度

8、。 離焦量離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響：對(duì)焊接質(zhì)量的影響：因?yàn)榻裹c(diǎn)處激光光斑因?yàn)榻裹c(diǎn)處激光光斑中心的光功率密度過(guò)高，激光熱導(dǎo)焊通常需要一定中心的光功率密度過(guò)高，激光熱導(dǎo)焊通常需要一定的離焦量，使得光功率分布相對(duì)均勻。的離焦量，使得光功率分布相對(duì)均勻。 正離焦正離焦：焦平面位于工件上方；：焦平面位于工件上方；負(fù)離焦負(fù)離焦：焦平面位于：焦平面位于工件下方工件下方 。 脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形：脈沖波形對(duì)于焊接質(zhì)量脈沖波形對(duì)于焊接質(zhì)量也有很大的影響。也有很大的影響。2、激光深熔焊、激光深熔焊 臨界功率密度臨界功率密度：深熔焊時(shí)，深熔焊時(shí)，功率密度必須大于某一數(shù)值，功率密度必須大于某

9、一數(shù)值，才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)值，稱為臨界功率密度值，稱為臨界功率密度 激光激光深熔焊的熔深深熔焊的熔深 ：激激光深熔焊熔深與激光輸出功光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)，也是功率率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)和光斑直徑的函數(shù)。 1）激光照射時(shí)間短，焊接過(guò)程極為迅速激光照射時(shí)間短，焊接過(guò)程極為迅速2）具有熔化凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬具有熔化凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬5）能以簡(jiǎn)單的措施實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，更適用于復(fù)雜零能以簡(jiǎn)單的措施實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，更適用于復(fù)雜零件焊接件焊接3）能量密度高，對(duì)高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率材料焊接有利能量密度高，對(duì)高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率材料焊接有利4）可透過(guò)透明體焊接，防止雜質(zhì)污染和腐蝕可透過(guò)透明體焊接，防止雜質(zhì)污染和腐蝕激光焊接