特種加工技術(shù)激光加工

特種加工技術(shù)激光加工第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日目錄激光加工簡(jiǎn)介1激光加工原理和特點(diǎn)2激光加工基本設(shè)備的組成3激光加工技術(shù)的應(yīng)用45第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日1.激光加工簡(jiǎn)介

激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科。由于激光加工熱影響區(qū)域小，光束方向性好，幾乎可以加工任何材料。常用來進(jìn)行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點(diǎn)，其發(fā)展前景廣闊，目前已廣泛應(yīng)用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、切削加工，快速成形，激光鉆孔和基板劃片，半導(dǎo)體處理等。第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日1.激光加工簡(jiǎn)介激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程,包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。根據(jù)激光束與材料相互作用的機(jī)理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工光化學(xué)反應(yīng)加工是指激光束照射到物體,借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程。包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日2.激光加工原理和特點(diǎn)

激光加工是以激光為熱源對(duì)工件進(jìn)行熱加工。

激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會(huì)與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。激光加工原理第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日2.激光加工原理和特點(diǎn)階段一階段二階段三加工過程大體上可分為如下幾個(gè)階段：激光束照射工件材料（光的輻射能部分被反射，部分被吸收并對(duì)材料加熱，部分因熱傳導(dǎo)而損失）階段四階段五工件材料吸收光能；光能轉(zhuǎn)變成熱能是工件材料無損加熱（激光進(jìn)入工件材料的深度極淺，所以在焦點(diǎn)中央，表面溫度迅速升高）；工件材料被熔化、蒸發(fā)、汽化并濺出去除或破壞；作用結(jié)束與加工區(qū)冷凝。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日2.激光加工原理和特點(diǎn)激光加工特點(diǎn)1.由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。2.它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。3.激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。

激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日2.激光加工原理和特點(diǎn)6.由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。7.使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。例如：1美國(guó)通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)可省5萬美元。2激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。5.它可以通過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。4.激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日3.激光加工基本設(shè)備的組成激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)等四大部分。激光器：是激光加工的核心設(shè)備，它是把電能轉(zhuǎn)換為光能，

產(chǎn)生激光束；激光器電源：為激光器提供電能以及實(shí)現(xiàn)激光器和機(jī)械系統(tǒng)

自動(dòng)控制；光學(xué)系統(tǒng)：主要包括聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)；機(jī)械系統(tǒng)：包括床身、數(shù)控工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)等。激光加工機(jī)的組成部分第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日3.激光加工基本設(shè)備的組成激光加工示意圖第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日3.激光加工基本設(shè)備的組成1.固體激光器固體激光器由工作物質(zhì)、光泵、玻璃套管和濾光液、冷卻水、聚光器以及諧振腔等組成固體激光器常用的工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石三種固體激光器采用光激勵(lì)，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，效率低激光加工常用激光器第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日3.激光加工基本設(shè)備的組成第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日3.激光加工基本設(shè)備的組成2.氣體激光器采用電激勵(lì)，效率高、壽命長(zhǎng)、連續(xù)輸出功率大用于切割、焊接、熱處理等加工第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用

由于激光加工技術(shù)具有許多其他加工技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用較廣。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)等。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日激光加工技術(shù)的應(yīng)用激光快速成型技術(shù)激光快速快速成型技術(shù)是指通過三維模型和體積單元疊加的方法生產(chǎn)制造模型或者零件的工藝，也定義為加成技術(shù)。其制造原理是在計(jì)算機(jī)上生成零件的CAD模型，通過特殊的軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行切片處理，使一個(gè)復(fù)雜的三維零件轉(zhuǎn)變成一系列的二維平面圖形，計(jì)算機(jī)由此獲得掃描軌跡指令。根據(jù)CAD給出的路線，數(shù)控系統(tǒng)控制激光束來回掃描，便可形成逐層堆積而形成的任意形狀的實(shí)體模型。其類型主要有液體材料的固化(光敏樹脂固化如SLA)的點(diǎn)-線-面、實(shí)體疊層制造(LOM)和區(qū)域選擇激光燒結(jié)(SLS)。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日激光加工技術(shù)的應(yīng)用第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用激光焊接技術(shù)1.激光焊接原理(1)熱傳導(dǎo)熱焊接。采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2時(shí)，激光將金屬表面加熱到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間。焊接時(shí)，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴(kuò)大，凝固后形成焊點(diǎn)或焊縫，這種焊接機(jī)理稱為熱傳導(dǎo)熱焊。鎳鈦諾線之間的焊接金剛石鋸片第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用

(2)激光深熔焊接。

當(dāng)激光光斑上的功率密度大于106W/cm2時(shí)，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化或汽化，產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定速度離開熔池，逸出的蒸氣對(duì)熔化液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凹坑。當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱時(shí)，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小坑進(jìn)一步加深；另一方面，坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，此過程連續(xù)進(jìn)行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的孔洞而進(jìn)行焊接，因此稱之為激光深熔焊。第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號(hào)和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級(jí)，這對(duì)產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。激光打標(biāo)激光竹簡(jiǎn)激光刻線第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用激光打孔技術(shù)大功率電子管柵極（鉬，厚0.3mm，線寬0.3mm）1.激光打孔的原理和方式在所有的打孔技術(shù)中激光打孔是最新的無屑加工技術(shù)。在工業(yè)用脈沖激光器中，光泵浦的Nd：YAG固體激光器調(diào)制后輸出的脈沖峰值功率是比較高的。聚焦后焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到107W/cm2的量級(jí)。如此高的能量密度足以汽化任何已知的材料。激光打孔分為五個(gè)階段：表面加熱、表面熔化、汽化、氣態(tài)物質(zhì)噴射和液態(tài)物質(zhì)噴射。第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用手機(jī)翻蓋（鋁合金，厚0.8mm，孔徑0.7mm）2.激光打孔的特點(diǎn)及應(yīng)用激光打孔的特點(diǎn)是速度快、效率高，現(xiàn)在最快每秒可以實(shí)現(xiàn)打100孔；打孔的孔徑可以從幾微米到任意孔徑；可以實(shí)現(xiàn)在任何材料上打孔，如寶石、金剛石、陶瓷、金屬、半導(dǎo)體、聚合物和紙等；不需要工具，也就不存在工具磨損和更換工具，因此特別適合自動(dòng)化打孔。另外，激光還可以打斜孔，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)上大量的斜孔加工。與其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能夠在大氣中進(jìn)行打孔。第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期日4.激光加工技術(shù)的應(yīng)用激光切割技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械切割方式和其他切割方式(如等離子切割、水切割、氧溶劑電弧切割、沖裁等)相比，激光切割具有如下優(yōu)點(diǎn)。(1)切縫細(xì)小，可以實(shí)現(xiàn)幾乎任意輪廓線的切割。(2)切割速度高。(3)切口的垂直度和平行度好，表面粗糙度好。(4)熱影響區(qū)非常小，工件變形小。(5)幾乎沒有氧化層。第23頁，共24頁，20