第五章激光加工特種加工課件

第五章激光加工特種加工課件第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一高能束（HighEnergyDensityBeam:HEDB）加工利用高能量密度的束流（激光束、電子束、離子束）作為熱源，對材料或構(gòu)件進行加工的特種加工技術(shù)。主要包括：激光加工（LaserBeamMachining:LBM）電子束加工（ElectronBeamMachining:EBM）離子束加工（IonBeamMachining:IBM）第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5激光加工激光（Laser）是二十世紀60年代發(fā)展起來的一門新興科學。自1960年七月美國T.梅曼制成世界第一臺紅寶石激光器，激光技術(shù)迅速發(fā)展。激光加工可以用于焊接、切割、打孔、打標、熱處理、快速原型等。激光是可控的能量密度大的單色光。第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5激光加工§5.1激光加工的原理和特點§5.2激光加工的基本設備§5.3激光加工工藝及應用第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1激光加工的原理和特點§5.1.1激光的產(chǎn)生原理§5.1.2激光的特性§5.1.3激光加工的原理和特點第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生原理光的物理概念光的電磁學說在一定波長范圍內(nèi)的電磁波。

——波長；

——頻率；

——波速；第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生原理光的物理概念（續(xù)）光的量子學說光是一種具有一定能量的以光速運動的粒子流（光子）。不同頻率的光對應不同能量的光子：E——光子能量；v——光的頻率；h——普朗克常數(shù)；第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生原子的發(fā)光基態(tài)與激發(fā)態(tài)電子在最靠近原子核的軌道上運動時，原子所處的能級狀態(tài)稱為基態(tài)。當外界傳給原子一定的能量時，原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道半徑擴大，被激發(fā)到高能級，稱為激發(fā)態(tài)（高能態(tài)）。第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生原子的發(fā)光（續(xù)）躍遷原子從高能級回到低能級的過程稱為“躍遷”。被激發(fā)到高能級的原子不是很穩(wěn)定，總是力圖回到能量較低的能級去。具有亞穩(wěn)態(tài)能級的原子和離子的存在是形成激光的重要條件。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生原子的發(fā)光（續(xù)）光輻射當原子從高能級躍遷回到低能級或基態(tài)時，常常以光子的形式輻射出光能量：自發(fā)輻射原子從高能級自發(fā)地躍遷到低能級而發(fā)光的過程稱為自發(fā)輻射。（日光燈發(fā)光）各受激原子躍遷回到基態(tài)的時序先后不一，且具有多個能級，因此方向性、單色性都很差。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生原子的發(fā)光（續(xù)）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)能級上的原子躍遷回到低能級，同時發(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。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光子能量激發(fā)條件下，吸收光能，使處于亞穩(wěn)態(tài)（高能級）的原子數(shù)目大于處于基態(tài)（低能級）的原子數(shù)目的現(xiàn)象。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，當光子能量恰好等于兩個能級相對應的能量差時，產(chǎn)生受激輻射，輸出大量光能。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的產(chǎn)生第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.2激光的特性激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激輻射）強度、亮度和能量密度高：一臺紅寶石激光器的亮度是太陽表面亮度的兩百多億倍?？臻g上和時間上的集中單色性好：具有很窄的譜線寬度。相干性好：單色性越好，相干長度越長。方向性好：具有很小的發(fā)散角。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.3激光加工的原理和特點激光加工原理利用高強度、方向性好、單色性好的相干光，獲得極高的能量密度（108~1010W/cm2）和10000℃以上的高溫，使材料在極短的時間內(nèi)（千分之幾秒甚至更短）熔化甚至氣化，以達到去除材料的目的。第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.1.3激光加工的原理和特點激光加工特點聚焦后，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。激光光斑可以聚焦到微米級，輸出功率可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)精密微細加工。非接觸式加工，無機械力，無工具損耗，易實現(xiàn)加工過程自動化。與其他高能束加工比較，加工裝置比較簡單。1324第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本設備激光加工的基本設備包括以下四部分：激光器：將電能轉(zhuǎn)變成光能。電源：為激光器提供能量和控制功能。光學系統(tǒng)：聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系統(tǒng)。機械系統(tǒng)：床身、工作臺、機電控制系統(tǒng)。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本設備激光器的分類按激活介質(zhì)的種類固體激光器和氣體激光器按工作方式連續(xù)激光器和脈沖激光器第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本設備固體激光器的基本組成1—全反射鏡2—工作物質(zhì)3—玻璃套管4—部分反射鏡5—聚光鏡6—氙燈7—電源第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本設備第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本設備固體激光器的分類紅寶石激光器釹玻璃激光器摻釹釔鋁石榴石激光器第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本設備氣體激光器二氧化碳激光器以二氧化碳氣體為工作物質(zhì)的分子激光器，目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。氬離子激光器第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3激光加工工藝及應用§5.3.1激光打孔§5.3.2激光切割§5.3.3其他應用第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔原理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。激光打孔特點幾乎可以在任何材料上打微型小孔;適合于自動化連續(xù)打孔，加工效率高；直徑可小到0.01um以下，深徑比可達50:1。直徑10μm的精密微孔，機械加工很難達到0.25mm第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影響因素輸出功率與照射時間輸出功率大，光照時間長，則工件獲得的激光能量大。照射時間為幾分之一到幾毫秒，時間不能太短也不能太長。1第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影響因素（續(xù)）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。2第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影響因素（續(xù)）焦點位置焦點位置對于孔的形狀和深度都有很大影響。3第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影響因素（續(xù)）光斑內(nèi)的能量分布4第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影響因素（續(xù)）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。5第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影響因素（續(xù)）工件材料各種工件材料吸收光譜不同，相當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。對于高反射率和透射率的工件，采用打毛或黑化，增大對激光的吸收效率。工件表面粗糙度值越小，吸收效率越低，打的孔也就愈淺。6第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.2激光切割激光切割原理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氣化蝕除。工件和激光束具有相對移動（一般移動工件）。一般采用高重復頻率的脈沖激光器。第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一§5.3.2激光切割激光切割的特點能夠加工各種各樣的材料，金屬、玻璃、陶瓷、木材、布、紙張等；適合于異形孔加工，精密零件的窄縫切割切割；切割深寬比大；切口質(zhì)量良好，邊緣平滑，無切割殘渣，熱影響區(qū)域小；具有較高的加工效率，加工成本可顯著降低。國外汽車70%的部件切割焊接采用激光加工第34