第五章-激光加工-特種加工課件

1、Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5 激光加工Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.高能束（High Energy Density Beam: HEDB）加工v 利用高能量密度的束流（激光束、電子束、離子束）作為熱源，對(duì)材料或構(gòu)件進(jìn)行加工的特種加工技術(shù)。v 主要包括：w 激光加工（Laser Beam Machining: LBM）w 電子束加工（ Electron Beam Machining: EBM）w 離子束加工（Ion Beam Machining: IBM）Precision Engineeri

2、ng Lab., Xiamen Univ.5 激光加工v激光（Laser）是二十世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門新興科學(xué)。自1960年七月美國(guó)T.梅曼制成世界第一臺(tái)紅寶石激光器，激光技術(shù)迅速發(fā)展。v激光加工可以用于焊接、切割、打孔、打標(biāo)、熱處理、快速原型等。 v激光是可控的能量密度大的單色光。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5 激光加工5.1 激光加工的原理和特點(diǎn)5.2 激光加工的基本設(shè)備5.3 激光加工工藝及應(yīng)用Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1 激光加工的原理和特點(diǎn)5.1.1 激光的產(chǎn)生原理5.1

3、.2 激光的特性5.1.3 激光加工的原理和特點(diǎn)Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)生原理v光的物理概念w 光的電磁學(xué)說(shuō)在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波。 波長(zhǎng)； 頻率； 波速；cvcvPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)生原理v光的物理概念（續(xù)）w 光的量子學(xué)說(shuō)w 光是一種具有一定能量的以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流（光子）。不同頻率的光對(duì)應(yīng)不同能量的光子：E光子能量；v光的頻率；h普朗克常數(shù)；EhvPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1

4、.1 激光的產(chǎn)生v原子的發(fā)光w 基態(tài)與激發(fā)態(tài)電子在最靠近原子核的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子所處的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)。當(dāng)外界傳給原子一定的能量時(shí)，原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道半徑擴(kuò)大，被激發(fā)到高能級(jí)，稱為激發(fā)態(tài)（高能態(tài)）。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)生v 原子的發(fā)光（續(xù)）w 躍遷原子從高能級(jí)回到低能級(jí)的過(guò)程稱為“躍遷”。被激發(fā)到高能級(jí)的原子不是很穩(wěn)定，總是力圖回到能量較低的能級(jí)去。具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的原子和離子的存在是形成激光的重要條件。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)

5、生v原子的發(fā)光（續(xù)）w 光輻射當(dāng)原子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)或基態(tài)時(shí)，常常以光子的形式輻射出光能量：w 自發(fā)輻射原子從高能級(jí)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)而發(fā)光的過(guò)程稱為自發(fā)輻射。（日光燈發(fā)光）各受激原子躍遷回到基態(tài)的時(shí)序先后不一，且具有多個(gè)能級(jí)，因此方向性、單色性都很差。1nvEEhPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)生v原子的發(fā)光（續(xù)）w 受激輻射滿足一定頻率要求的一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子的系統(tǒng)中，刺激處在激發(fā)能級(jí)上的原子躍遷回到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一束與入射光具有相同特性（頻率、相位、傳播方向、偏振方向等）的光。Precision En

6、gineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)生v激光的產(chǎn)生條件w 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來(lái)光子能量激發(fā)條件下，吸收光能，使處于亞穩(wěn)態(tài)（高能級(jí)）的原子數(shù)目大于處于基態(tài)（低能級(jí)）的原子數(shù)目的現(xiàn)象。w 受激輻射在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，一束光子入射該物體，當(dāng)光子能量恰好等于兩個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能量差時(shí)，產(chǎn)生受激輻射，輸出大量光能。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.1 激光的產(chǎn)生Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.2 激光的特性v 激光具有一般光的共性

7、（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激輻射）w 強(qiáng)度、亮度和能量密度高：一臺(tái)紅寶石激光器的亮度是太陽(yáng)表面亮度的兩百多億倍?？臻g上和時(shí)間上的集中w 單色性好：具有很窄的譜線寬度。w 相干性好：?jiǎn)紊栽胶?，相干長(zhǎng)度越長(zhǎng)。w 方向性好：具有很小的發(fā)散角。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.1.3 激光加工的原理和特點(diǎn)v激光加工原理w 利用高強(qiáng)度、方向性好、單色性好的相干光，獲得極高的能量密度（1081010W/cm2）和10000以上的高溫，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)到去除材料的目的。Precision Engin

8、eering Lab., Xiamen Univ.5.1.3 激光加工的原理和特點(diǎn)v激光加工特點(diǎn)w 聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能轉(zhuǎn)化為熱能幾乎可以熔化、氣化任何材料。w 激光光斑可以聚焦到微米級(jí)，輸出功率可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)精密微細(xì)加工。w 非接觸式加工，無(wú)機(jī)械力，無(wú)工具損耗，易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化。w 與其他高能束加工比較，加工裝置比較簡(jiǎn)單。1324Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.2 激光加工的基本設(shè)備v激光加工的基本設(shè)備包括以下四部分：w 激光器：將電能轉(zhuǎn)變成光能。w 電源：為激光器提供能量和控制功能。w 光學(xué)系統(tǒng)：聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系

9、統(tǒng)。w 機(jī)械系統(tǒng)：床身、工作臺(tái)、機(jī)電控制系統(tǒng)。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.2 激光加工的基本設(shè)備v激光器的分類w 按激活介質(zhì)的種類固體激光器和氣體激光器w 按工作方式連續(xù)激光器和脈沖激光器Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.2 激光加工的基本設(shè)備v固體激光器的基本組成1 1全反射鏡全反射鏡 2 2工作物質(zhì)工作物質(zhì) 3 3玻璃套管玻璃套管 4 4部分反射鏡部分反射鏡 5 5聚光鏡聚光鏡 6 6氙燈氙燈 7 7電源電源Precision Engineering Lab., Xiamen Univ

10、.5.2 激光加工的基本設(shè)備Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.2 激光加工的基本設(shè)備v固體激光器的分類w 紅寶石激光器w 釹玻璃激光器w 摻釹釔鋁石榴石激光器Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.2 激光加工的基本設(shè)備v氣體激光器w 二氧化碳激光器以二氧化碳?xì)怏w為工作物質(zhì)的分子激光器，目前目前連續(xù)輸出功率最連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器高的氣體激光器。w 氬離子激光器Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3 激光加工工藝及應(yīng)用5.3.1 激光打孔5.3.2

11、 激光切割5.3.3 其他應(yīng)用Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔v激光打孔原理w 基于聚焦后的激光具有極高的功率密度使得工件材料融化、氣化等熱物理現(xiàn)象綜合的結(jié)果。v激光打孔特點(diǎn)w 幾乎可以在任何材料上打微型微型小孔;w 適合于自動(dòng)化連續(xù)打孔，加工效率高；w 直徑可小到0.01um以下，深徑比可達(dá)50:1。直徑10m的精密微孔，機(jī)械加工很難達(dá)到0.25mmPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素w 輸出功率與照射時(shí)間輸出功率大，光照時(shí)間長(zhǎng)，則工件獲

12、得的激光能量大。照射時(shí)間為幾分之一到幾毫秒，時(shí)間不能太短也不能太長(zhǎng)。1Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續(xù)）w 聚焦與發(fā)散角盡可能減小激光的發(fā)散角，使其在聚焦以后獲得很小的光斑和更高的功率密度，從而加工直徑更小、深度更深的孔。2Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續(xù)）w 焦點(diǎn)位置焦點(diǎn)位置對(duì)于孔的形狀和深度都有很大影響。3Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光

13、打孔v激光打孔的主要影響因素（續(xù)）w 光斑內(nèi)的能量分布4Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續(xù)）w 激光的多次照射激光照射一次，加工深度約為孔徑的五倍，且錐度很大；多次照射則深度大大增加、錐度減小、孔徑幾乎不變。5Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔v 激光打孔的主要影響因素（續(xù)）w 工件材料各種工件材料吸收光譜不同，相當(dāng)一部分能量將被反射或透射掉，必須根據(jù)工件材料的吸收光譜合理選擇激光器。對(duì)于高反射率和透射率的工件，采用打毛或黑化，增大對(duì)激

14、光的吸收效率。工件表面粗糙度值越小，吸收效率越低，打的孔也就愈淺。6Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.1 激光打孔Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.2 激光切割v激光切割原理w 基于聚焦后的激光具有極高的功率密度使得工件材料瞬時(shí)氣化蝕除。w 工件和激光束具有相對(duì)移動(dòng)（一般移動(dòng)工件）。w 一般采用高重復(fù)頻率的脈沖激光器。Precision Engineering Lab., Xiamen U

15、niv.5.3.2 激光切割v激光切割的特點(diǎn)w 能夠加工各種各樣的材料，金屬、玻璃、陶瓷、木材、布、紙張等；w 適合于異形孔加工，精密零件的窄縫切割切割；w 切割深寬比大；w 切口質(zhì)量良好，邊緣平滑，無(wú)切割殘?jiān)?，熱影響區(qū)域??；w 具有較高的加工效率，加工成本可顯著降低。國(guó)外汽車70%的部件切割焊接采用激光加工Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.2 激光切割Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.2 激光切割Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.3

16、. 其他應(yīng)用v激光焊接w 利用聚焦后的激光，將工件的加工區(qū)“燒熔”，使其粘合在一起。所需能量密度較低，功率密度一般為105106W/cm2。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.3. 其他應(yīng)用v激光焊接的特點(diǎn)w 激光照射時(shí)間短，焊接過(guò)程極為迅速，不僅有利于生產(chǎn)率的提高，而且被焊材料不易氧化，熱影響區(qū)域小熱影響區(qū)域小。w 可以透過(guò)透明體進(jìn)行焊接，防止雜質(zhì)污染和腐蝕，適適宜于精密儀表宜于精密儀表、真空儀器元件的焊接。w 具有熔化凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬純凈焊縫金屬，無(wú)焊渣，無(wú)需去除工件的氧化膜，焊縫的機(jī)械性能在各方面都相當(dāng)于甚至優(yōu)于母材。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.5.3.3. 其他應(yīng)用v激光淬火w 采用功率密度為103105W/cm2的激光，短時(shí)間（102min）