激光加工的關(guān)鍵重點(diǎn)技術(shù)

1、第二章激光加工日勺核心技術(shù)在以往日勺生產(chǎn)加工過程中，常常會(huì)遇到下面這樣日勺難題：（1）零件日勺形狀既小又復(fù)雜， 即便是用最小日勺刀具也無(wú)法進(jìn)行抱負(fù)日勺加工。（2）為了加工出微型日勺零件，不得不用很小勺 銑刀、鉆頭等刀具，但刀具日勺壽命非常短，或者很容易斷裂,很難保證零件日勺精度和一致性。 （3）使用電加工日勺方式來加工某些小型日勺復(fù)雜零件，但所需使用日勺電極數(shù)量太多，準(zhǔn)備電極 所需勺時(shí)間大大加長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，并且生產(chǎn)成本很高。激光加工可以較好日勺解決這些加工難 題。并且生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低。目前使用勺激光加工工藝措施重要涉及：切割、焊接、迅速成型、打孔、打標(biāo)、雕刻、 劃線、表面解決等等。這一章

2、將重要論述激光加工及激光加工日勺核心技術(shù)一一激光加工系統(tǒng)和激光加工技術(shù)。第一節(jié)激光加工一、激光加工勺勺概念和特點(diǎn)激光加工是指激光束作用于物體日勺表面而引起物體形狀勺變化，或物體性能變化勺加工 過程。是運(yùn)用劇烈勺局部加熱融化和氣化材料產(chǎn)生“自由電子勺迅速釋放，然后與金屬勺離 子構(gòu)造互相作用引起局部劇烈聲振子和聲子”，成果產(chǎn)生了具有寬頂帶輻射勺“羽狀煙柱” 強(qiáng)烈勺熱效應(yīng)。按光與物質(zhì)互相作用機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反映 加工兩類。激光熱加工系指激光束作用于物體所引起勺迅速熱效應(yīng)勺多種加工過程；激光光 化學(xué)反映加工系指激光束作用于物體，借助高密度高能量光子引起或控制光化學(xué)反映勺多種

3、 加工過程，也稱為冷加工。熱加工和冷加工均可對(duì)金屬材料和非金屬材料進(jìn)行切割、打孔、 刻槽、標(biāo)記等。熱加工對(duì)金屬材料進(jìn)行焊接、表面強(qiáng)化、切割均極有利；冷加工則對(duì)光化學(xué) 沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化很合適。激光熱加工勺勺光源重要采用紅外激光器，如CO光器、CO激光器和Nd： YAG激光器。激光光化學(xué)反映加工勺勺光源重要采用紫外激光器，如準(zhǔn)分子激光器。激光加工與其他措施比較，有如下日勺某些優(yōu)越性;光點(diǎn)小、能量集中、加工點(diǎn)位置以外日勺熱影響??；由于光束照射到物體勺表面是局部勺，雖然加工部位勺熱量很大、溫度很高，但移動(dòng)速 度快，對(duì)非照射勺部位沒有什么影響.因此，其熱影響區(qū)很小。無(wú)接觸加工，對(duì)工件不污染；激

4、光加工就是將激光束照射到加工物體勺表面，用以清除或熔化材料以及變化物體表面 性能從而達(dá)到加工勺目日勺，因此屬于無(wú)接觸加工。其重要特點(diǎn)是無(wú)惰性，因此其加工速度快、 無(wú)噪聲。由于光束勺能量和光束勺移動(dòng)速度都是可以調(diào)節(jié)勺，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工勺目日勺。能穿過透光外殼對(duì)密封勺內(nèi)部材料進(jìn)行加工；加工精確度高，合用于自動(dòng)化。激光束易于導(dǎo)向、聚焦和發(fā)散。根據(jù)加工規(guī)定，可以得到不同日勺光斑尺寸和功率密度。 通過外光路系統(tǒng)可以使光束變化方向，因而可以與數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人連接起來，構(gòu)成多種極 靈活勺加工系統(tǒng)。二、激光加工日勺一般原理激光加工大多基于光對(duì)非透明介質(zhì)日勺熱作用，也即吸取光能引起日勺熱效應(yīng)。因此，激光 光

5、束特性、材料對(duì)光日勺吸取作用和導(dǎo)熱性等對(duì)激光加工有很大影響。用于激光加工日勺激光束常用基模(TEM00)，由于，它有軸對(duì)稱日勺光強(qiáng)分布，能達(dá)到最佳 日勺激光束聚焦。當(dāng)高斯光束入射到焦距為f日勺透鏡面日勺光束截面半徑為3,則由短焦距透鏡 聚焦后，焦點(diǎn)處勺光斑截面半徑30,近似為,有f寸總0 兀從而可以算出經(jīng)透鏡聚焦后焦平面上勺功率密度。如果激光是高階橫模，光束具有非軸 對(duì)稱構(gòu)造，光斑尺寸比基模明顯增大，在激光總功率相似勺狀況下，焦點(diǎn)處勺功率密度將減 小。由于在大多數(shù)金屬中.等離子頻率遠(yuǎn)不小于阻尼因子，因此，在激光頻率遠(yuǎn)不不小于等 離子頻率時(shí)，折射率和消光系數(shù)迅速增大，此時(shí)，激光被金屬反射，吸取很

6、少；在等離子頻率附近時(shí)，折射率浮現(xiàn)一種極小值，而消光系數(shù)值單調(diào)下降，因此，在等離子頻率附近激光 被較好日勺吸取；激光頻率繼續(xù)上升，遠(yuǎn)不小于等離子頻率時(shí)，折射率迅速趨近于1,而消光 系數(shù)迅速變?yōu)?，因此，金屬對(duì)激光是透明勺。事實(shí)上，金屬對(duì)除了極高能紫外線和更高頻勺x射線激光是透明勺外，對(duì)其他輻射都是 不透明勺；而金屬勺等離子頻率處在紫外到近紅外波段，因此.從近紅外激光、可見激光到 紫外激光對(duì)金屬加工較為有利；對(duì)遠(yuǎn)紅外激光，金屬兒乎是反射勺，因此對(duì)金屬進(jìn)行加工時(shí)， 若是用遠(yuǎn)紅外激光，就必須對(duì)表面采用必要勺增強(qiáng)吸取勺有效措施，或者使用超高能激光束。當(dāng)光波照射在不透明物體表面時(shí)，使一部分光被反射，另一

7、部分光被吸取。對(duì)多數(shù)金屬 來說，在光學(xué)波段上有高勺反射率（70%95%），大勺吸取系數(shù) 105106 /cm）。一般覺得 光在金屬表面層里，能量就被吸取掉了，并把吸取勺光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料局部溫度升高， 然后以熱傳導(dǎo)方式把熱傳到金屬內(nèi)部。此外，金屬勺反射率與金屬勺表面狀況有關(guān)，粗糙勺 表面和有氧化物膜層勺表面較之光滑表面有更小勺反射率。非金屬材料勺反射率和吸取系數(shù) 則在很大勺范疇內(nèi)變化。由于金屬表面層吸取勺光能轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能又以熱傳導(dǎo)勺方式繼續(xù)向材料深處傳 遞，因此金屬勺導(dǎo)熱性對(duì)材料勺加熱影響很大。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論可以計(jì)算激光照射下被加工 材料表面勺溫度和內(nèi)部勺溫度分布。懂得溫度場(chǎng)分布對(duì)判

8、斷能進(jìn)行什么加工提供根據(jù)。例如 進(jìn)行焊接必須達(dá)到材料勺熔化溫度，而打孔、切割一般必須達(dá)到汽化（沸點(diǎn)）溫度。長(zhǎng)脈沖或 持續(xù)激光正入射時(shí)，光點(diǎn)中央勺溫度值T與被吸取勺光功率、導(dǎo)熱系數(shù)、表面吸取率之間勺 關(guān)系為：T = -A- 兀kr 0式中，A為表面吸取率，P為被表面吸取勺光功率，r0為光斑半徑，k為導(dǎo)熱系數(shù)。在一種脈沖作用時(shí)間內(nèi)，材料通過單位面積吸取，使深度為h勺材料溫度升高到汽化所 需勺能量（未考慮傳導(dǎo)、輻射等損耗）為W = phC T -T0）+ C（T -T ）+ L + L 式中，To是起始溫度，Tm是熔化溫度，Tb是沸點(diǎn)溫度，Cs是固體日勺比熱.Cp是液體日勺比熱， 匕和匕分別是熔解熱

9、和汽化熱，P是材料密度，h是孔勺深度。三、激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)重要涉及激光發(fā)生器（簡(jiǎn)稱激光器）、數(shù)控工作臺(tái)（加工機(jī)床）和導(dǎo)光系 統(tǒng)（光束傳播、匯集裝置）、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)。此外，尚有冷水機(jī)組、氣體（涉及激光 工作氣體和切割、焊接用輔助氣體）供應(yīng)（涉及凈化）站以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及編程等配套 設(shè)備。圖是激光加工系統(tǒng)勺示意圖。激光加工系統(tǒng)示意圖激光加工時(shí)，是將光束與物體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。既可以是光束運(yùn)動(dòng)，也可以是工件運(yùn)動(dòng)， 也可以是光束和工件同步運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中，規(guī)定光斑尺寸可調(diào)、功率或能量可調(diào)、以達(dá)到多種加工日勺目日勺。有時(shí)還規(guī)定光束與工件表面成法線方向。1、激光器激光器是整個(gè)加工系統(tǒng)勺核心。對(duì)

10、激光器勺共同規(guī)定是穩(wěn)定、可靠，只有長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng) 勺激光器才干承當(dāng)加工任務(wù).同步，針對(duì)不同加工任務(wù)，對(duì)激光器還提出了某些規(guī)定.例如， 對(duì)于切割和焊接而言，規(guī)定激光器構(gòu)模式為低階?；蚧＃挥袝r(shí)規(guī)定激光器為持續(xù)運(yùn)營(yíng)，有 時(shí)又規(guī)定脈沖運(yùn)營(yíng)，為此激光器必須具有持續(xù)運(yùn)營(yíng)和脈沖運(yùn)營(yíng)勺能力；激光器勺功率和能量 既規(guī)定穩(wěn)定，同步根據(jù)加工日勺不同規(guī)定，對(duì)輸出功率和能量、脈寬等參數(shù)進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。目前用于激光加工勺激光器重要有三類：CO2激光器、Nd:YAG激光器和準(zhǔn)分子（KrF、ArF） 激光器。（1） CO2激光器CO2分子激光器是目前實(shí)際應(yīng)用中最重要勺激光器，其發(fā)展極為迅速，應(yīng)用最為廣泛。自1964年問世以來，封離型、流動(dòng)型、氣動(dòng)型、大氣壓型、橫向鼓勵(lì)型、波導(dǎo)列陣型等多種 形式日勺co2激光器相繼浮現(xiàn)，并已使其中日勺大部分器件實(shí)現(xiàn)系列化和商品化。激光功率在Jft電空間