lesson5激光加工技術(shù)

1、1激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)2l激光表面改性技術(shù)（激光淬火技術(shù)、激光表面熔凝、激光熔覆）l激光去除材料技術(shù)（激光打孔、激光切割）l激光焊接（激光熱導(dǎo)焊、激光深熔焊、激光復(fù)合焊）l激光快速成型技術(shù)（立體光造型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、薄片疊層制造技術(shù)）l激光清洗技術(shù)l激光彎曲3l 激光加工已經(jīng)成為21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)不可缺少的一部分。l 激光加工指的是激光束作用于物體表面而引起的物體變形或改性的加工過(guò)程。按照光與物質(zhì)作用的機(jī)理，可分為激光熱加工與激光光化學(xué)反應(yīng)加工。激光熱加工是基于激光束照射物體所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過(guò)程。激光光化學(xué)反應(yīng)是借助于高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過(guò)程

2、。l 激光熱加工現(xiàn)在已發(fā)展得比較成熟，本章主要討論與激光熱加工有關(guān)的問(wèn)題。47.1 7.1 激光熱加工原理激光熱加工原理1.無(wú)論是哪一種激光加工的方法，都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。在不同激光參數(shù)下的各種加工的應(yīng)用范圍如圖圖7-1 各種參數(shù)條件下激光加工的可能應(yīng)用和影響57.1 7.1 激光熱加工原理激光熱加工原理1.對(duì)激光與材料的相互作用過(guò)程的物理描述可以分為以下四個(gè)方面：(1) 材料對(duì)激光的吸收 (2) 材料的加熱 (3) 材料的熔化與汽化 (4) 激光等離子體屏蔽現(xiàn)象 激光作用于靶表面，引發(fā)蒸汽，蒸汽繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶表面產(chǎn)生高溫高密度

3、的等離子體。等離子體迅速向外膨脹，在此過(guò)程中繼續(xù)吸收入射激光，阻止激光到達(dá)靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。67.1 7.1 激光熱加工原理激光熱加工原理如圖7-2所示，為等離子云變化的過(guò)程：當(dāng)激光功率較小(106/2)時(shí)，產(chǎn)生的等離子體是稀疏的。它依附于工件表面，對(duì)于激光束是近似透明的。當(dāng)激光束功率密度處于106107/2范圍時(shí)，等離子體明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)出對(duì)激光束的吸收、反射和折射作用。這種情況下等離子體向工件上方和周?chē)鷶U(kuò)展較強(qiáng)，在工件上方形成穩(wěn)定的近似球形的云團(tuán)。當(dāng)功率密度進(jìn)一步提高達(dá)到107/2以上時(shí)，等離子體強(qiáng)度和空間位置呈周期性變化 圖7-2 等離子云變化的過(guò)程71.激光淬火技術(shù)，又稱(chēng)激

4、光相變硬化，它利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升到相變點(diǎn)以上。當(dāng)激光移開(kāi)后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，獲得淬硬層。 7.2.1 7.2.1 激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用2.圖7-3 為一臺(tái)柔性激光加工系統(tǒng)的示意圖。它通過(guò)五維運(yùn)動(dòng)的工作頭把激光照射到被加工的表面，在計(jì)算機(jī)控制下直接掃描被加工表面完成激光淬火圖7-3 柔性激光加工系統(tǒng)示意圖3. 激光淬火可以使工件表層0.1到1.0mm范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。圖7-4所示為45鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖圖7-4 鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖8

5、4.圖7-5所示為該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向的分布曲線7.2.1 7.2.1 激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用圖7-5該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向的分布曲線圖早在1974年，美國(guó)通用汽車(chē)公司在世界上最先將激光淬火技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體的表面強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。殼體的材料為可鍛鑄鐵，精度要求高，淬火費(fèi)用僅為高頻感應(yīng)加熱淬火和滲氮處理的l5。我國(guó)激光淬火技術(shù)研究在二十世紀(jì)八十年代初期開(kāi)始起步，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)建立了數(shù)十條激光淬火生產(chǎn)線。如長(zhǎng)春第一汽車(chē)集團(tuán)公司和北京吉普車(chē)公司先后將激光淬火技術(shù)用于汽車(chē)缸套內(nèi)壁強(qiáng)化。激光淬火后，缸體耐磨性比電火花強(qiáng)化缸套提高約1倍。北京

6、某公司對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行激光硬化處理，將使用壽命提高3倍。97.2.2 7.2.2 激光表面熔凝技術(shù)激光表面熔凝技術(shù)1.用激光束將表面熔化而不加任何合金元素，以達(dá)到表面組織改善的目的。有些鑄錠或鑄件的粗大樹(shù)枝狀結(jié)晶中常有氧化物和硫化物夾雜、金屬化合物及氣孔等缺陷。如果這些缺陷處于表面部位就會(huì)影響到疲勞強(qiáng)度，耐腐蝕性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把雜質(zhì)、氣孔、化合物釋放出來(lái)，同時(shí)由于迅速冷卻使晶粒得到細(xì)化。與激光淬火工藝相比，激光熔凝處理的關(guān)鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個(gè)快速熔化一凝固過(guò)程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材，如圖7-9所

7、示。 圖7-9 激光熔凝處理后橫截面組織示意圖2.圖7-10給出了激光熔凝處理后，T10鋼表面顯微硬度沿深度方向的分布。 圖7-10 T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布107.2.3 7.2.3 激光熔覆技術(shù)激光熔覆技術(shù)1.激光熔覆(Laser Cladding)技術(shù)是一種新的表面改性技術(shù)。它通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成合金化的熔覆層，以改善其表面性能的工藝。 2.激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂層法和同步送料法。 圖7-11 同步送料法激光熔覆示意圖3.預(yù)置涂層法工藝是先在基材表面預(yù)置一層金屬或者合金，

8、然后用激光使其熔化，獲得與基材冶金結(jié)合的熔覆層。 4.同步送料法指在激光束照射基材的同時(shí)，將待熔覆的材料送入激光熔池，經(jīng)熔融、冷凝后形成熔覆層的工藝過(guò)程。 11 l激光去除材料是改變材料的尺寸或形狀的激光加工工藝，是一種激光尺寸加工方法。l激光去除材料的機(jī)制主要分兩種，一種完全取決于激光與材料相互作用，例如材料氣化、材料蒸發(fā)；另一種在激光與材料相互作用同時(shí)還采用一些輔助方法，例如氧化、氣吹。l基于激光去除材料的加工方法有激光打孔和激光切割兩種。 121.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、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤(pán)（圖7-13）。加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適

9、當(dāng)選擇各加工參數(shù)，激光器發(fā)出光脈沖就可以加工出需要的孔。 7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔圖7-13 激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖視頻：激光打孔機(jī)137.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔圖7-15 離焦量對(duì)打孔質(zhì)量的影響2. 激光打孔工藝參數(shù)的影響 脈沖寬度對(duì)打孔的影響 ：脈沖寬度對(duì)打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄脈沖能夠得到較深而且較大的孔；寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小，而且使孔的表面粗糙度變大，尺寸精度下降。 激光打孔中離焦量對(duì)打孔的影響當(dāng)激光聚焦于材料上表面時(shí)，打出的孔比較深，錐度較小。在焦點(diǎn)處于表面下某一位置時(shí)相同條件下打出的孔最深；而過(guò)分的入焦和離焦都會(huì)使得激光功率密度大

10、大降低，以至打成盲孔（圖7-15）。 147.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔3. 激光打孔工藝參數(shù)的影響 被加工材料對(duì)打孔的影響 脈沖激光的重復(fù)頻率對(duì)打孔的影響用調(diào)Q方法取得巨脈沖時(shí)，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復(fù)頻率越高，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。 材料對(duì)激光的吸收率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。例如，對(duì)玻璃、石英、陶瓷等材料應(yīng)選用波長(zhǎng)為10.6的二氧化碳激光器；對(duì)寶石軸承打孔則應(yīng)選用波長(zhǎng)為0.6943的紅寶石激光器。 4.應(yīng)用實(shí)例：用激光加工系統(tǒng)打薄板篩孔 圖7-15

11、 薄板打孔效果圖157.3.2 7.3.2 激光切割激光切割1. 激光切割的原理與特點(diǎn) 切割過(guò)程中，激光光束聚焦成很小的光點(diǎn)。使焦點(diǎn)處達(dá)到很高功率密度（可超過(guò)106W/cm2）。如圖7-17所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu)，除了透鏡以外它還有一個(gè)噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。 2. 激光切割的特點(diǎn)圖7-17 激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖切割方法切縫寬度/mm熱影響區(qū)寬度/mm切縫形態(tài)速度設(shè)備費(fèi)激光切割0.2-0.30.04-0.06平行快高氣切割0.9-1.20.6-1.2比較平行慢低等離子切割3.0-4.00.5-1.0楔形快中高視頻：激光雕刻 PCB新型高速磁懸浮驅(qū)動(dòng)激光機(jī)163. 激光切割分類(lèi)及其機(jī)理 汽化

12、切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點(diǎn)，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機(jī)制所需激光功率密度一般為108/cm2左右，是無(wú)熔化材料的切割方式。 熔化切割: 激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107/cm2左右 氧助熔化切割: 金屬被激光迅速加熱至燃點(diǎn)以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。 圖7-17 激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖171. 激光焊接是一種材料連接，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。它和傳統(tǒng)的焊接技

13、術(shù)一樣，通過(guò)將材料連接區(qū)的部分熔化而將兩個(gè)零件或部件連接起來(lái)。 2.激光焊接相對(duì)于傳統(tǒng)方式的優(yōu)點(diǎn)： 1）用激光很容易對(duì)一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料實(shí)施焊接。 2）在激光焊接過(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸,易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形 3）激光束易于控制的特點(diǎn)使得焊接工作能夠更方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。 3. 激光焊接主要有熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種。熱導(dǎo)焊采用的激光功率為105w/cm2 左右，是靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行焊接的，焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比最大為3：1。深熔焊采用的功率密度在106107w/cm2 之間，焊縫的深寬比最大可達(dá)12：1 7.4 7.4 激光焊接激光焊接視

14、頻：ESP回顧、激光焊接 深圳華天激光焊接 激光焊187.4.1 7.4.1 激光熱導(dǎo)焊激光熱導(dǎo)焊熱導(dǎo)焊時(shí)，激光輻射能量作用于材料表面，激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶池隨著激光束一道向前運(yùn)動(dòng)，溶池中的熔融金屬并不會(huì)向前運(yùn)動(dòng)。在激光束向前運(yùn)動(dòng)后，溶池中的熔融金屬隨之凝固，形成連接兩塊材料的焊縫。 197.4.2 7.4.2 激光深熔焊激光深熔焊當(dāng)激光功率密度達(dá)到106-107Wcm2時(shí)，功率輸入遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔，孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動(dòng)態(tài)平衡，激光可以通過(guò)

15、孔中直射到孔底，稱(chēng)為小孔效應(yīng)(Keyhole Effet)。小孔的作用和黑體一樣，能將射入的激光能量完全吸收，使包圍著這個(gè)孔腔的金屬熔化?？妆谕庖后w的流動(dòng)和壁層的表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸氣壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束攜帶著大量的光能量不斷進(jìn)入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動(dòng)。隨著光束向前移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。小孔隨著前導(dǎo)光束向前移動(dòng)后，熔融的金屬充填小孔移開(kāi)后留下的空腔并隨之冷凝形成焊縫，完成焊接過(guò)程。20激光焊接過(guò)程中的幾種效應(yīng) l深熔焊焊接過(guò)程中的等離子體 激光焊時(shí)，金屬被激光加熱汽化后，在熔池上方形成高溫金屬蒸氣。金屬蒸氣中有一定的自由電子。處在激光輻照區(qū)的自由電子吸收能量而

16、被加速，直至其有足夠的能量來(lái)碰撞、電離金屬蒸氣和周?chē)鷼怏w，電子密度從而雪崩式地增加，產(chǎn)生等離子體。 （2） 壁聚焦效應(yīng) 當(dāng)激光深熔焊小孔形成以后，激光束將進(jìn)入小孔。當(dāng)光束與小孔壁相互作用時(shí)，入射激光并不能全部被吸收，有部分將由孔壁反射在小孔內(nèi)某處重新會(huì)聚起來(lái)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為壁聚焦效應(yīng)。壁聚焦效應(yīng)的產(chǎn)生，可使激光在小孔內(nèi)部維持較高的功率密度，進(jìn)一步加熱熔化材料。 21（3）凈化效應(yīng) 凈化效應(yīng)是指CO2激光焊時(shí)，焊縫金屬有害雜質(zhì)元素減少或夾雜物減少的現(xiàn)象。 產(chǎn)生凈化效應(yīng)的原因是，對(duì)于波長(zhǎng)為10.6m的CO2激光，非金屬夾雜物的吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬，當(dāng)非金屬和金屬同時(shí)受到激光照射時(shí)，非金屬將吸收較多的激

17、光使其溫度迅速上升而汽化。當(dāng)這些元素固溶在金屬基體時(shí)，由于這些非金屬元素的沸點(diǎn)低，蒸氣壓高，它們會(huì)從熔池中蒸發(fā)出來(lái)。 上述兩種作用的總效果是焊縫中的有害元素減少，這對(duì)金屬的性能，特別是塑性和韌性，有很大好處。227.5 激光快速成型技術(shù) l國(guó)外于20世紀(jì)80年代末發(fā)展了一種全新的制造技術(shù)，即所謂快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)RP)。與傳統(tǒng)的制造方法不同，這種高新制造技術(shù)采用逐漸增加材料的方法來(lái)形成所需的零件形狀，故也稱(chēng)為增材制造法 (Material Increase Manufacturing，簡(jiǎn)稱(chēng)MIM)。 23l 快速成型技術(shù)的基本工作原理是離散、堆積。首先，將零

18、件的物理模型通過(guò)CAD造型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)電子模型，然后將CAD模型轉(zhuǎn)化為STL（stereolithography）文件格式，用分層軟件將計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型在Z向離散，形成一系列具有一定厚度的薄片，用計(jì)算機(jī)控制下的激光束有選擇地固化或粘結(jié)某一區(qū)域，從而形成構(gòu)成零件實(shí)體的一個(gè)層面。這樣逐漸堆積形成一個(gè)原型(三維實(shí)體)。l 近期發(fā)展的快速成型技術(shù)主要有：立體光造型SLA(Stereolithography Apparatus)；選擇性激光燒結(jié)SLS(Selective Laser Sintering)等 7.5 激光快速成型技術(shù) 24圖7-22 立體光造型技術(shù)的原理示意圖7.57.5激光快速成型技術(shù)

19、激光快速成型技術(shù)1立體光造型技術(shù) 立體光造型技術(shù)又稱(chēng)光固化快速成型技術(shù)。立體光造型技術(shù)的原理如圖7-22所示。它是典型的逐層制造法。它以液態(tài)光聚合物光敏樹(shù)脂(聚丙烯酸酯，聚環(huán)氧基等)為原料。紫外激光在計(jì)算機(jī)控制下按零件的各分層截面信息，在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層(約零點(diǎn)幾毫米)產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，以便在原先固化好的樹(shù)脂表面在敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，然后進(jìn)行下一層的掃描加工。新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此反復(fù)，直到整個(gè)原型制造完畢。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時(shí)只需功率較低的激光

20、源。此外，因?yàn)闆](méi)有熱擴(kuò)散，能保證聚合反應(yīng)不發(fā)生在激光點(diǎn)之外，因而加工精度高(0.1mm)，表面質(zhì)量高，原材料的利用率高(接近100)，制作效率較高，能夠制造形狀復(fù)雜(如空心零件和模具)、特別精細(xì)(如手飾、工藝品等)的零件。聯(lián)泰SLA激光快速成型機(jī).25圖7-23 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基本原理示意圖7.5 7.5 激光快速成型技術(shù)激光快速成型技術(shù)2選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)用粉末物質(zhì)代替了液態(tài)光聚合物。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基本原理見(jiàn)圖所示。CO2激光束在計(jì)算機(jī)控制下，以一定的掃描速度和能量在選定的掃描軌跡上作用于粉末材料，有選擇的熔化粉末，使粉末粘結(jié)固化而形成一個(gè)層面。然后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使粉末固結(jié)面下降一定的高度，鋪上一定厚度的新粉末后重復(fù)以上工序，直到形成整個(gè)零件。德國(guó)EOS激光燒結(jié)機(jī)267.5 7.5 激光快速成型技術(shù)激光快速成型技術(shù)3薄片疊層制造技術(shù) 薄片疊層制造技術(shù)是一種常用來(lái)制作模具的新型快速成型技術(shù)。其工作原理是：首先用大功率激光束切割金屬薄片。然后將多層薄片疊加，并使其形狀逐漸發(fā)生變化，最終獲得所需原型(模具)的立體幾何形狀。 圖7-27 薄片疊層制造技術(shù)原理示意圖27圖7-24 激光熔覆成型技術(shù)原理示意圖7.5.2 7.5.2 激光快速成型技術(shù)激光快速成型技術(shù)4激光熔覆成型技術(shù) 激光熔覆成型 (Laser Cladding Forming，