激光加工技術(shù)原理以及應(yīng)用淺析

...wd......wd......wd...激光加工技術(shù)原理以及應(yīng)用淺析專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制作及其自動(dòng)化班級(jí)：機(jī)制1306姓名：xxx學(xué)號(hào)：x日期：2016年4月11日摘要激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代開(kāi)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科。隨著大功率激光器的出現(xiàn)并用于材料加工，已逐步形成一種新的加工方法——激光加工〔LasserBeamMachining,LBM)。激光可以應(yīng)用于打孔、切割、電子器件的微調(diào)、焊接、熱處理以及激光存儲(chǔ)等各個(gè)領(lǐng)域。激光加工不需要加工工具，加工速度快，外表變形小，可以加工各種材料，而且容易進(jìn)展自動(dòng)話(huà)控制，在日常生產(chǎn)實(shí)踐中越來(lái)越受人們重視。一激光加工原理和特點(diǎn)1.1原理激光加工是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過(guò)程。它利用激光高強(qiáng)度、高亮度、方向性好、單向性好的特性，通過(guò)一系列的光學(xué)系統(tǒng)，聚焦成平行度很高的微細(xì)加工束〔直徑僅為幾微米至幾十微米〕以獲得極高的能量密度〔~〕照射到材料上，并在極短的時(shí)間內(nèi)〔千分之幾秒，甚至更短〕使光能轉(zhuǎn)化為熱能，被照部位迅速升溫，材料發(fā)生熔化、汽化、金相組織變化以及產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，到達(dá)加熱和去除材料的目的。激光加工時(shí)，為了到達(dá)各種加工要求，激光束與工件外表需要做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)光斑尺寸、功率以及能量要求可調(diào)。1.2分類(lèi)按光與物質(zhì)相互作用機(jī)理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反響加工兩類(lèi)。激光熱加工系指激光束作用于物體所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過(guò)程，也成為熱加工；激光光化學(xué)反響加工系指激光束作用于物體,借助高密度高能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反響的各種加工過(guò)程,也稱(chēng)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)展切割、打孔、刻槽、標(biāo)記等。熱加工對(duì)金屬材料進(jìn)展焊接、外表強(qiáng)化、切割均極有利;冷加工則對(duì)光化學(xué)沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化很適宜。1.3激光加工特點(diǎn)聚焦后，激光加工的功率特別高，光能轉(zhuǎn)化為熱能，可以熔化、汽化任何材料。例如耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆材料都可以加工激光光斑大小可以聚焦到微米級(jí)，輸出功率可以調(diào)節(jié)，故可以用于精細(xì)微細(xì)加工。激光加工所用工具是激光束，屬于非接觸加工，故沒(méi)有明顯的機(jī)械力，沒(méi)有工具損耗問(wèn)題。加工速度快，熱影響區(qū)小，容易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化，還可以通過(guò)透明體進(jìn)展加工，例如對(duì)真空管內(nèi)部經(jīng)行焊接加工等。與電子束加工相比擬，激光加工裝置比擬簡(jiǎn)單，不要求復(fù)雜的抽真空裝置。激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、氣化的熱加工，影響因素很多，因此，精微加工時(shí)，精度尤其是重復(fù)精度和外表粗糙度不易保證，必須進(jìn)展反復(fù)試驗(yàn)，尋找合理的加工參數(shù)，才能到達(dá)加工要求，由于光的反射作用，對(duì)于外表光澤或者透明的的材料，加工前需要進(jìn)展色化或打毛處理，使更多的光能被吸收后轉(zhuǎn)化為熱能用于加工。二激光加工工藝及應(yīng)用(依據(jù)光與物質(zhì)相互作用機(jī)理)2.1激光焊接激光焊接是把激光聚焦成很細(xì)的高能量密度光束照射到工件上,使工件受熱熔化,然后冷卻得到焊縫。激光焊縫熔深大,速度快,效率高;激光焊縫窄,熱影響區(qū)很小,工件變形也很小,可實(shí)現(xiàn)精細(xì)焊接;激光焊縫構(gòu)造均勻,晶粒很小,氣孔少,夾雜缺陷少,在機(jī)械性能,抗蝕性能和電磁學(xué)性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng),能純潔焊縫金屬,適用于一樣和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高,對(duì)高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。目前,汽車(chē)行業(yè)將不同材質(zhì)的薄鋼板實(shí)施激光拼接焊后沖壓成型。2.2激光切割激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑,將材料快速加熱至汽化溫度,蒸發(fā)形成小孔洞,并使光束與材料相對(duì)移動(dòng),實(shí)現(xiàn)連續(xù)孔洞的窄切縫。其根據(jù)發(fā)出光束的頻率可分為，脈沖激光和連續(xù)激光。脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光〔大功率連續(xù)輸出的激光器〕適用于非金屬材料,連續(xù)激光由于輸出的激光束因熱傳導(dǎo)而使切割效率降低，同時(shí)熱影響層也比擬深，在精細(xì)機(jī)械加工中一般多采用高重復(fù)頻率的脈沖激光器。同時(shí)激光器與計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)設(shè)備結(jié)合,激光束具有無(wú)限的仿形切割能力,切割軌跡修改方便;通過(guò)預(yù)先在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì),進(jìn)展眾多復(fù)雜零件整張板排料,可實(shí)現(xiàn)多零件同時(shí)切割,節(jié)省材料。2.3激光外表強(qiáng)化激光外表熱處理技術(shù)包括激光相變硬化技術(shù)、激光涂覆技術(shù)、激光合金化技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)等,這些技術(shù)對(duì)改變材料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。激光相變硬化(即激光淬火)是激光熱處理中研究最早、最多、進(jìn)展最快、應(yīng)用最廣的一種新工藝,適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。激光合金化和激光涂敷：激光合金化和激光涂夜是利用高功率激光束快速掃描金屬工件外表，使一種或多種合金元素與工件材料外表一起快速熔化再凝固，共同形成硬化層。激光沖擊強(qiáng)化：激光沖擊強(qiáng)化使用脈沖寬度極短激光照射材料外表，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波，使得金屬材料的機(jī)械性能改善，阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鋼、鋁、欽等合金的強(qiáng)度和硬度，改善其抗疲勞性能。通過(guò)激光強(qiáng)化可以消除應(yīng)力、改善微觀(guān)結(jié)提高工件外表的耐磨性、耐蝕性、耐高溫從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，成倍地延長(zhǎng)產(chǎn)構(gòu)性品使用壽命和降低本錢(qián)。2.4激光打標(biāo)刻蝕激光標(biāo)記是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)展局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反響，從而留下永久性標(biāo)記的一種技術(shù)。激光標(biāo)記有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能標(biāo)記各種字符、圖案、數(shù)字以及條形碼，標(biāo)記線(xiàn)寬可小于0.01mm，可深可淺，對(duì)很小零件也可打標(biāo)，這是其他標(biāo)記方法不能實(shí)現(xiàn)的。2.5激光快速成型激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的零件的CAD模型立體圖形，直接制造出模型，它制造模型的方法是在一層接一層的根基上不斷添加材料。三激光加工應(yīng)用例析3.1激光焊接技術(shù)圖1激光焊接示意圖圖2激光一電弧復(fù)合焊接示意圖圖3汽車(chē)駕駛室的激光焊接3.2發(fā)動(dòng)機(jī)缸套外表的激光加工和強(qiáng)化原理發(fā)動(dòng)機(jī)中,缸套/活塞環(huán)摩擦副性能的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能(動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等)有著舉足輕重的影響。缸套外表加工的最后工序是珩磨，珩磨頭上的砂條在缸套中來(lái)回往復(fù)地旋轉(zhuǎn)，使得缸套外表上的磨粒切削軌跡呈穿插而不重復(fù)的網(wǎng)紋，缸套外表形貌中的這種低頻波紋度，對(duì)實(shí)際使用時(shí)形成貯油構(gòu)造和油契起著關(guān)鍵作用，對(duì)減少磨損延長(zhǎng)運(yùn)行壽命也是非常重要的。3.2.1激光外表加工激光加工有兩種方式,即:連續(xù)和脈沖加工方式。一般情況下,采用脈沖加工方式。脈沖加工方式又有“單脈沖連續(xù)屢次〞和“單脈沖同點(diǎn)間隔屢次〞兩種形式。所謂“單脈沖連續(xù)屢次〞,是脈沖激光在同一個(gè)點(diǎn)處連續(xù)重復(fù)打多個(gè)脈沖。由于連續(xù)作用時(shí)間較長(zhǎng),熱影響的負(fù)面效應(yīng)比擬嚴(yán)重,加工面的質(zhì)量較差。而“單脈沖同點(diǎn)間隔屢次〞,就是工件上同一個(gè)點(diǎn)處所打的多個(gè)激光脈沖,是通過(guò)屢次反復(fù)間隔打出,形成微凹腔和微凹槽。這種加工方式可以最大程度地減小熱影響,顯著提高激光加工質(zhì)量。而且,“單脈沖同點(diǎn)間隔屢次〞的控制加工方式,并不降低其加工效率。其原理圖如以下列圖所示圖“單脈沖同點(diǎn)間隔屢次〞加工原理圖“單脈沖同點(diǎn)間隔屢次〞加工方式微凹槽的三維形貌圖實(shí)際加工缸套和其外表凹槽的深度測(cè)量圖脈沖寬度隨著重復(fù)頻率的增大而增大,脈沖寬度的增大會(huì)使激光與材料的作用時(shí)間延長(zhǎng)，更多熱量擴(kuò)散熔化更多的金屬材料，最終使加工質(zhì)量變差；由于采用了“單脈沖同點(diǎn)間隔屢次〞的新方法，最大程度地減少了熱效應(yīng)對(duì)金屬材料加工的影響,所以在控制條件允許的范圍內(nèi)，掃描速度對(duì)加工結(jié)果幾乎沒(méi)有影響;采用垂直吹輔助氣體的方式，使用輔助氣體時(shí)可以提高形貌底部的光潔程度，但同時(shí)也會(huì)有少量殘?jiān)鼮R到邊緣。通過(guò)進(jìn)一步的分析我們可以得知,這些殘?jiān)c熔渣不同,與基體的黏附力不大,容易去除。3.2.2外表強(qiáng)化首先，激光輻射作用可在材料外表造成假設(shè)干淬火區(qū)(白色層)，這種白色層不易被一般腐蝕劑侵蝕，外表硬度也比原始組織高得多，亞組織晶粒超細(xì)，而且含有耐高溫相。其次，對(duì)X光照片的研究也說(shuō)明，激光輻射作用區(qū)的亞組織晶粒是非常細(xì)微的,位錯(cuò)密度高，相互之間作用力強(qiáng)。用電子顯微鏡觀(guān)察激光作用區(qū)的位錯(cuò)組織,隨著輻射功率密度的增加，平均位錯(cuò)密度也在增加，而且還會(huì)形成位錯(cuò)網(wǎng)狀組織，更加增加相互作用。3.3激光加工陶瓷孔雀藍(lán)釉彩該加工工藝使用的是激光涂敷方法，它利用激光高能量光束輻照待改性的基材外表，通過(guò)迅速融溶材料、擴(kuò)展并迅速凝固的方式，在待改性的基材外表溶覆具有特殊力學(xué)、化學(xué)和物理性能的溶覆層，這個(gè)溶覆層具有基材沒(méi)有的特性，可以彌補(bǔ)基材需要的特殊性能。傳統(tǒng)的陶瓷釉彩裝飾方法，是在陶瓷還體外表噴涂、涂敷或者在釉衆(zhòng)中浸泡陶瓷還體等上釉方式將不同顏色、性能的釉裝均勻的鋪覆在胚體外表，待枯燥后放入密爐中高溫?zé)Y(jié)。它的燒結(jié)周期長(zhǎng)，能源利用率低，耗能高。激光與陶瓷材料的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，宏觀(guān)方面看，就是激光束照射陶瓷外表，光熱能轉(zhuǎn)化，使陶瓷外表迅速加熱到高溫，外表溶融并被基材稀釋?zhuān)纬删哂刑囟ㄐ阅艿娜芨矊?。從圖中可以看出，小功率、低速度輻照的每面境實(shí)比大功率、高速度福照的釉面平滑度高。當(dāng)激光能量足以熔融釉粉且使釉粉與坯體完全溶融反響時(shí)，激光功率越小，得到的釉面質(zhì)量越好。從幾個(gè)圖中還可以發(fā)現(xiàn)，激光轄照過(guò)的耗面都有微裂紋，這些微裂紋用肉眼直接看不到，但是會(huì)影響軸面的質(zhì)量，這些微裂紋的產(chǎn)生是釉層與基體的溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成的。4激光技術(shù)在軍事中的應(yīng)用展望4.1天基激光武器概述天基激光武器是以太空為根基的尖端激光武器，通過(guò)激光武器對(duì)空內(nèi)的有效載荷形成威脅和殺傷，被稱(chēng)為“殺手〞衛(wèi)星，也稱(chēng)為激光作戰(zhàn)衛(wèi)星或天基激光武器系統(tǒng)。天基激光武器所在的衛(wèi)星軌道高，覆蓋地面范圍大，可以把地球作為攻擊目標(biāo)。4.2關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于具有大口徑主鏡的發(fā)光裝置，即大型的激光裝置如何送入預(yù)定軌道，解決的主要方法是研制能夠放到運(yùn)載火箭的貨艙內(nèi)可折疊式主鏡，在太空激光武器進(jìn)入預(yù)定軌道后可折疊式主鏡能夠自動(dòng)翻開(kāi)。在太空向軌道上的太空激光武器補(bǔ)充化學(xué)介質(zhì)是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于將來(lái)激光武器都是大功率的，主要使用的都是化學(xué)激光武器，所以沒(méi)有介質(zhì)就不能發(fā)生化學(xué)反響，也就不能產(chǎn)生激光。總結(jié)本文通過(guò)對(duì)激光技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用例析，簡(jiǎn)要介紹了激光技術(shù)在生產(chǎn)生活乃至軍事方面的應(yīng)用，說(shuō)明合理運(yùn)用激光技術(shù)對(duì)我們的綜合國(guó)力提高具有極其重要的作用。作為工科機(jī)械制造的大學(xué)生，在這個(gè)根基上，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，激光的應(yīng)用具有極其重要的意義，同時(shí)，更應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，激光設(shè)備具有更加重大的作用。所以我們要更加努力，深入的了解