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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)
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