激光加工技術(shù)

1、激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 張凱 研交通15班 15011002主要內(nèi)容主要內(nèi)容 激光的產(chǎn)生及特性激光的產(chǎn)生及特性 激光加工的原理和特點(diǎn)激光加工的原理和特點(diǎn) 激光加工的基本設(shè)備激光加工的基本設(shè)備 激光加工工藝及應(yīng)用激光加工工藝及應(yīng)用 發(fā)展趨勢(shì)及展望發(fā)展趨勢(shì)及展望 激光加工技術(shù) 自然界存在著自發(fā)輻射和受激輻射兩種不同的發(fā)光方式，前者發(fā)出的光是隨處可見(jiàn)的普通光，后者發(fā)出的光便是激光。 激光如果通過(guò)透鏡將其聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，使能獲得極高的能量密(1081010Wcm2)。當(dāng)激光照射在工件表面時(shí)，光能被工件吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)的溫度可達(dá)10000以上，使材料熔化甚至氣化，這

2、就是激光加工 。 1960年美國(guó)研制成功世界上第一臺(tái)可用激光加工的激光器，截止今天激光加工已形成一種重要的新興產(chǎn)業(yè)。1.激光的產(chǎn)生及特性激光的產(chǎn)生及特性 1.1 激光的產(chǎn)生 光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，原子內(nèi)的原子核和核外電子間存在著吸引和排斥的矛盾，電子按一定的半徑的軌道圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。當(dāng)原子接受一定的外來(lái)的能量或向外釋放一定的能量時(shí)，核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑將發(fā)生變化，即產(chǎn)生能級(jí)變化，當(dāng)被激發(fā)到高能級(jí)，但這時(shí)的原子不穩(wěn)定總是試圖回到低能級(jí)，當(dāng)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，常常以光子的形式輻射出光能量，這就是發(fā)光的原理。 激光是通過(guò)入射光子影響處于亞穩(wěn)態(tài)的較高能級(jí)的原子、離子或分子躍遷到

3、低能級(jí)時(shí)完成受激輻射時(shí)發(fā)出的光，簡(jiǎn)言之，激光就是受激輻射得到的加強(qiáng)光。 激光被廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂械膯紊ㄩL(zhǎng)、同調(diào)性和平行光束等3大特性。科學(xué)家在電管中以光或電流的能量來(lái)撞擊某些晶體或原子易受激發(fā)的物質(zhì),使其原子的電子達(dá)到受激發(fā)的高能量狀態(tài)。當(dāng)這些電子要回復(fù)到平靜的低能量狀態(tài)時(shí),原子就會(huì)射出光子（以光速運(yùn)動(dòng)具有一定能量的粒子）,以放出多余的能量。這些被放出的光子又會(huì)撞擊其它原子,激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子,引發(fā)一連串的連鎖反應(yīng)，并且都朝同一個(gè)方前進(jìn),進(jìn)而形成集中的朝向某一方向的強(qiáng)烈光束。由此可見(jiàn),激光幾乎是一種單色光波,頻率范圍極窄,又可在一個(gè)狹小的方向內(nèi)集中高能量,所以利用聚焦后的激光束可以穿透

4、各種材料。1.2 激光的特性 激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，它具有具有強(qiáng)度高、單色性好、相干性好和方向性好強(qiáng)度高、單色性好、相干性好和方向性好四大綜合性能。 激光的強(qiáng)度和亮度之所以高，原因在于激光可以實(shí)現(xiàn)光能在空間上和時(shí)間上的亮度集中。 單色是指波長(zhǎng)為一個(gè)確定的數(shù)值，實(shí)際上 嚴(yán)格的單色光是不存在的，l0為單色光的中心波長(zhǎng)，Dl單色光的譜線寬， Dl越小，單色性越好。 單色性越好，相干長(zhǎng)度越大，光源的相干性越好。 激光的各個(gè)發(fā)光中心是相互關(guān)聯(lián)的定向發(fā)射，可以把光束壓縮在很小的立體角內(nèi)。 2. 激光加工的原理和特點(diǎn)激光加工的原理和特點(diǎn)2.1 激光加工的原理激光加工的原理 激光加工是一種重的高能

5、束加工方法，它是利用激光高強(qiáng)度、高亮度、方向性好、單色性好的特性，通過(guò)一系列的光學(xué)系統(tǒng)聚焦成平行度很高的微細(xì)光束（直徑幾微米至幾十微米），獲得極高的能量密度（ W/ ）照射到材料上，使材料在極短的時(shí)間內(nèi)（千分之幾秒甚至更短）熔化甚至氣化，以達(dá)到加熱和去除材料的目的。1010105cm2 激光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后可得到柱狀或帶狀光束，而且光束的粗細(xì)可根據(jù)加工需要調(diào)整，當(dāng)激光照射在工件的加工部位時(shí)，工件材料迅速被熔化甚至氣化。隨著激光能量的不斷被吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸式地高速?lài)娚涑鰜?lái)，在工件內(nèi)部形成方向性很強(qiáng)的沖擊波。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融

6、和受沖擊波拋出的綜合作用過(guò)程。圖1 激光加工示意圖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)2.2、 激光加工的特點(diǎn)激光加工的特點(diǎn)(1) 幾乎對(duì)所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。 （2）加工效率高，可實(shí)現(xiàn)高速切割和打孔。 （3）加工作用時(shí)間短，除加工部位外，幾乎不受熱影響和不產(chǎn)生熱變形。 （4）非接觸加工，工件不受機(jī)械切削力，無(wú)彈性變形。 （5）激光束容易實(shí)現(xiàn)空間控制時(shí)間控制，可進(jìn)行微細(xì)的精密圖形加工。 （6）不存在工具磨損問(wèn)題。 （7）在大氣中無(wú)能量損失，設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要真空室。 （8）可通過(guò)空氣、惰性氣體或者光學(xué)透明解質(zhì)，可對(duì)隔離室或真空室內(nèi)工件進(jìn)行

7、加工 （9）加工時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)和機(jī)械噪聲。 (10)屬于熱加工，影響因素多。 (11)產(chǎn)生金屬氣體，火星等飛濺物，操作人員戴防護(hù)眼鏡。 激光加工的基本設(shè)備由激光器、激光器光源，光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。激光器：激光加工中的重要設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生激光束。激光器電源：為激光器提供能量和控制功能光學(xué)系統(tǒng)：將光束聚焦并觀察和調(diào)整焦點(diǎn)位置，包括聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)：包括床身、工作臺(tái)和機(jī)電控制系統(tǒng)。3 3、激光加工基本設(shè)備、激光加工基本設(shè)備3.13.1、 激光器激光器 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。按工作物質(zhì)的種類(lèi)可分為固體激光器、氣體激光器

8、、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類(lèi)。由于He-Ne(氦氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機(jī)械制造的精密測(cè)量中被廣泛采用。而在激光加工中則要求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳?xì)怏w激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。 固體激光器一般采用光激勵(lì)，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，所以效率低。為了避免固體介質(zhì)過(guò)熱，固體激光器通常多采用脈沖工作方式并用合適的冷卻裝置，較少采用連續(xù)工作方式。由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用、使用維護(hù)方便、價(jià)格較低等特點(diǎn)，所以在激光打孔、焊接、切割、劃片、熱處理及半導(dǎo)體加工技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用

9、。固體激光器常由主體光泵（激勵(lì)源）及諧振腔（由全反射鏡、半反射鏡組成）、工作物質(zhì)（一些發(fā)光材料如釔鋁石榴石、紅寶石、釹玻璃等）、聚光器、聚焦透鏡等組成。圖中激光器的工作物質(zhì)為釔鋁石榴石。 氣體激光器一般采用電激勵(lì)，效率高，壽命長(zhǎng)，膨脹系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高。廣泛應(yīng)用于焊接、熱處理加工。常用于材料加工的有二氧化碳激光器和氬離子激光器。 二氧化碳激光器是以二氧化碳?xì)怏w為工作物質(zhì)的分子激光器，連續(xù)輸出功率可達(dá)10kw，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器，二氧化碳激光器的效率高達(dá)20%以上。它主要包括放電管、諧振腔、冷卻系統(tǒng)和激勵(lì)電源等部分。氬離子激光器是惰性氣體氬通過(guò)氣體放電，使氧原子電離子激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離

10、子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。由于氬激光器波長(zhǎng)短，發(fā)散角小，所以用于精密微細(xì)加工，如用于激光存儲(chǔ)光盤(pán)基板的蝕刻制造等。氦氖激光器的結(jié)構(gòu)圖氦氖氣體激光器由套管、毛細(xì)管、連接管、陽(yáng)極、陰極、布魯斯特窗和反射鏡等組成。在套管內(nèi)充有氦氖混合氣體。氦氖激光器是依靠氣體放電提供能源的，放電在毛細(xì)管中進(jìn)行，所以毛細(xì)管亦稱(chēng)放電管，由硬質(zhì)玻璃或熔融石英制成。布魯斯特窗的作用是減少激光反射損耗、增加激光輸出功率并輸出偏振光。兩端有多層介質(zhì)膜的反射鏡，組成諧振腔。電源系統(tǒng)為高電壓小電流電流源，由高壓變壓器、整流及濾波回路組成。4.1、激光打孔、激光打孔 隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點(diǎn)高的材料應(yīng)用越來(lái)越多，并且常常要求在

11、這些材料上打出又小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴等。這類(lèi)加工任務(wù)，用常規(guī)的機(jī)械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務(wù)。4. 4. 激光加工工藝及應(yīng)用激光加工工藝及應(yīng)用 激光打孔中，要詳細(xì)了解打孔的材料及打孔要求。從理論上講，激光可以在任何材料的不同位置，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一臺(tái)打孔機(jī)，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，最好要對(duì)現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進(jìn)行充分的了解，以確定能否打孔。 激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時(shí)間、焦距與發(fā)散角、焦點(diǎn)位置、光斑內(nèi)

12、能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關(guān)。在實(shí)際加工中應(yīng)合理選擇這些工藝參數(shù)。 激光打孔影響因素激光打孔影響因素 輸出功率和打孔時(shí)間 焦距和發(fā)散角 焦點(diǎn)位置 光斑內(nèi)能量分布 激光多次照射 工件材料 激光的輸出功率大、照射時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，工件所獲得的激光能量也大。 激光的照射時(shí)間一般為幾分之一到幾毫秒。當(dāng)激光能量一定時(shí)，時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使熱量傳散到非加工區(qū)，時(shí)間太短，則因功率密度過(guò)高而使蝕除物以高溫氣體噴出，都會(huì)使能量的使用效率降低。 發(fā)散角小的激光束經(jīng)短焦距的聚焦物鏡以后，在焦面上可以獲得更小的光般及更高的功率密度。焦面上的光斑直徑小，所打的孔小，而且，由于功率密度大，激光束對(duì)工件的穿透力也大，打出的孔不

13、僅深，而且錐度小。所以，要減少激光束的發(fā)散角，并盡可能的采用短焦距物鏡（20mm左右），只有在一些特殊情況下，才采用較長(zhǎng)的焦距。 激光束焦點(diǎn)位置對(duì)于孔的形狀和深度都有很大影響。當(dāng)焦點(diǎn)位置很低時(shí)，透過(guò)工作表面的光斑面積大，這不僅會(huì)產(chǎn)生很大的喇叭口，還會(huì)影響加工深度。焦點(diǎn)逐漸提高，孔深也增加，但焦點(diǎn)過(guò)高，同樣會(huì)分散能量密度而無(wú)法加工下去。一般激光的實(shí)際焦點(diǎn)在工件表面或略微低于工件表面。在基模光束聚焦的情況下，焦點(diǎn)的中心強(qiáng)度I0最大，越是遠(yuǎn)離中心，光強(qiáng)度越小，能量是以焦點(diǎn)為軸心對(duì)稱(chēng)分布的，這種加工出的孔是正圓形的，如圖a。當(dāng)激光束不是基模輸出時(shí)，其能量分布是不對(duì)稱(chēng)的，打出的孔也必然是不對(duì)稱(chēng)的，如圖b

14、。如果焦點(diǎn)附近有二個(gè)光斑（存在基模和高次模），則打出的孔如圖c。用激光照射一次，加工的深度大約是孔徑的5倍，但錐度較大。如果用激光多次照射，其深度可以增加，錐度可以較小，而孔徑幾乎不變。但是，孔的深度并不是與照射次數(shù)成正比，而是加工到一定深度后，由于孔內(nèi)壁的反射、透射以及激光的散射，使孔的前段能量密度不斷減小，以致不能繼續(xù)打下去。多次照射能在不擴(kuò)大孔徑的情況下將孔打深是由于“光管效應(yīng)”的結(jié)果。如圖5-13所示，第一次照射打出不太深的孔，第二次照射時(shí)，聚焦光在第一次照射所打的孔內(nèi)發(fā)散，由于光管效應(yīng)，發(fā)散的光在孔壁上反射而向下深入孔內(nèi)，延伸孔的深度，但孔徑基本不變。所以，多次照射能加工出深而錐度小

15、的孔來(lái)，多次照射的焦點(diǎn)位置以宜固定在工件表面而不宜逐漸移動(dòng)。上圖是用紅寶石激光器照射鋼表表面時(shí)獲得的工件表面粗超度與加工深度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線。結(jié)果表明，工件表面粗超度值越小，其吸收效率越低，打的孔也就越淺。 激光打孔特點(diǎn) 1）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 3）可加工異形孔 4）能在所有金屬和非金屬材料上打孔 5）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加工效率高4.2、 激光切割激光切割 激光切割(如圖2所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對(duì)移動(dòng)。在實(shí)際加工中，采用工作臺(tái)數(shù)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)激光數(shù)控切割。平面鏡激光束輔助氣體鈦合金噴嘴聚焦透鏡激光器圖2 CO2氣體激光器切割鈦合金示

16、意圖激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對(duì)于精細(xì)切割，也可采用YAG激光器。激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過(guò)程中，由于激光對(duì)被切割材料不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動(dòng)控制，故在實(shí)際中常用來(lái)加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件激光切割過(guò)程中，影響激光切割參數(shù)的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。 激光切割特性 1）能切割任何難加工的高熔點(diǎn)材料、耐高溫和硬脆材料 2）切割精度高 3）非接觸切割 4）切割速度高 5）切割的深度比高 6）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)化加工圖3 振鏡式激光打標(biāo)原理激光束光束準(zhǔn)直振鏡Y軸馬達(dá)透鏡4.3、 激

17、光打標(biāo)激光打標(biāo) 激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時(shí)變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標(biāo)志(如圖所示)。 激光打標(biāo)的特點(diǎn)是非接觸加工，可在任何異型表面標(biāo)刻，工件不會(huì)變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標(biāo)記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標(biāo)刻速度快，運(yùn)行成本低，無(wú)污染，可顯著提高被標(biāo)刻產(chǎn)品的檔次。 激光打標(biāo)廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽(摩托)車(chē)配件、醫(yī)療器械、通訊器材、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。4.4激光焊接 當(dāng)激光的功率密度為105107 W/cm2，照射時(shí)間約為1/10

18、0 s左右時(shí)，可進(jìn)行激光焊接。激光焊接一般無(wú)需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖4所示。 激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過(guò)玻璃進(jìn)行焊接。 圖4 激光焊接過(guò)程示意圖12341激光；2被焊接零件；3被熔化金屬；4已冷卻的熔池 激光焊接特性 1）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 3）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 5）能以簡(jiǎn)單的措施實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，更適用于復(fù)雜零件焊接4.5激光表面處理激光表面處理 當(dāng)激光的功率密度約為103105 W/c

19、m2時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.71.1 mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強(qiáng)化問(wèn)題。圖5為激光表面淬火處理應(yīng)用實(shí)例。圖5 激光表面強(qiáng)化處理應(yīng)用實(shí)例淬硬表面淬硬表面(a) 圓錐表面(b) 鑄鐵凸輪軸表面 激光表面處理特性 1）能量傳遞方便，可以對(duì)處理工件表面有選擇的局部強(qiáng)化 2）能量作用集中，加工時(shí)間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形小 3）處理表面形狀復(fù)雜的工件，而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線 4）改性效果比普通方法更顯著，速度快，效率高，成本低 5）通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材4

20、.2應(yīng)用應(yīng)用激光刻錄用激光刻錄方法記錄音頻信號(hào)的圓形薄片載音體。激光數(shù)字唱片又稱(chēng)致密唱片和小型唱片。激光錄放音是20世紀(jì)70年代末期唱片向數(shù)字化方向發(fā)展的成果。激光數(shù)字唱片直徑120毫米，厚度1.2毫米，單面錄音，可放唱1小時(shí)立體聲節(jié)目，動(dòng)態(tài)范圍為90分貝。這種記錄密度極高的聲跡是由激光束按信號(hào)編碼刻錄的小坑和坑間平面組成的。它們分別代表二進(jìn)制的0和1。唱片在重放時(shí)，用激光束掃描拾取。 二進(jìn)制數(shù)碼，整個(gè)放音設(shè)備采用十分精密的伺服控制系統(tǒng)來(lái)保證循跡良好。激光唱片已可擦除舊信號(hào)重新記錄。由于激光唱片的記錄密度大，重放音質(zhì)好，體積小、易保存等優(yōu)點(diǎn)，它正逐步取代普通唱片和磁帶成為未來(lái)音頻信號(hào)的主要載體

21、。 獎(jiǎng)牌雕刻 激光打孔在紡織面料、塑料制品上的應(yīng)用激光加工二維精細(xì)切割1不銹鋼厚不銹鋼厚1mm鋁合金鋁合金0.8mm厚，小孔直徑厚，小孔直徑0.7 mm單晶硅厚單晶硅厚0.7 mm不銹鋼厚不銹鋼厚4 mm激光加工三維精細(xì)切割2大功率電子管柵極大功率電子管柵極鉬厚鉬厚300微米，直徑微米，直徑300微米微米航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉形孔航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉形孔不銹鋼厚不銹鋼厚1mm，孔，孔100微米微米切割陶瓷厚切割陶瓷厚1.7mm色片工裝色片工裝鋁合金厚度鋁合金厚度4mm激光加工焊接盒體鋁合金厚盒體鋁合金厚3mm鍋爐用鋼管厚鍋爐用鋼管厚7mm汽車(chē)齒輪（汽車(chē)齒輪（16MnCr5）紙漿過(guò)濾器不銹鋼紙漿過(guò)濾器不銹鋼激光加工熔覆與熱處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)熔覆層寬熔覆層寬2mm，厚，厚1mm曲軸花鍵槽修復(fù)（曲軸花鍵槽修復(fù)（18Cr2Ni4W）熔覆層寬熔覆層寬4mm，厚，厚0.5mm線材軋輥修復(fù)，線材軋輥修復(fù)，熔覆層熔覆層8mm8mm導(dǎo)軌表面強(qiáng)化導(dǎo)軌表面強(qiáng)化 (材料材料: 高強(qiáng)鋼高強(qiáng)鋼) 激光加工生物芯片多種激光器聯(lián)合制作具有復(fù)雜流路的生物芯