工程材料的激光加工教材

工程材料的激光加工材料學(xué)院材料成型及控制工程系2009秋冬學(xué)期2/11/20241工程材料的激光加工主要內(nèi)容一、激光加工技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展情況二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笕?shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求2/11/20242工程材料的激光加工一、激光加工技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展情況1、激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史1960年:梅曼（T.MAIMAN)第一臺(tái)紅寶石激光器;1961年:德諾凡(俄)第一臺(tái)氣體激光器(He-Ne);1962年:第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器;1964年:帕特爾(C.Patel)第一臺(tái)CO2激光器;1965年:貝爾實(shí)驗(yàn)室第一臺(tái)YAG激光器;1971年:第一臺(tái)商用1kW的CO2激光器;1971~1980年:開(kāi)展激光切割、焊接、表面處理等激光加工技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。2/11/20243工程材料的激光加工2、工業(yè)激光器的市場(chǎng)分布激光器制造商：美國(guó)：PRCPRAMA德國(guó)：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英國(guó)：LUMONICS日本：川崎重工東芝中國(guó)：武漢華工激光、武漢金石凱、沈陽(yáng)大陸、武漢團(tuán)結(jié)2/11/20244工程材料的激光加工3、激光加工特點(diǎn)（1）激光加工不需要工具，無(wú)工具損耗、更換等問(wèn)題（2）工件無(wú)受力變形，易保證加工精度（3）幾乎能加工所有的金屬和非金屬材料（4）加工速度快，效率高，熱影響區(qū)?。?）能進(jìn)行精細(xì)加工（6）能夠透過(guò)惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)等進(jìn)行加工2/11/20245工程材料的激光加工各種加工方法的應(yīng)用比例激光加工技術(shù)應(yīng)用2/11/20246工程材料的激光加工激光加工技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用返回2/11/20247工程材料的激光加工二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、了解工程材料激光加工的基本原理和工藝過(guò)程；2、了解激光加工設(shè)備的基本組成；3、通過(guò)具體的板料激光加工（切割、焊接等），使學(xué)生了解基本概念，工藝特點(diǎn)，以及在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。返回2/11/20248工程材料的激光加工激光加工是一種利用光能進(jìn)行加工的方法。激光是一種能量密度高、方向性強(qiáng)、單色性好的相干光。三、實(shí)驗(yàn)原理2/11/20249工程材料的激光加工通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長(zhǎng)相近的極小光斑，焦點(diǎn)處的能量密度可達(dá)107~1011W/cm2，溫度可高達(dá)1萬(wàn)℃，從而使任何材料均在瞬時(shí)（＜10－3s）被急劇熔化乃至汽化。在不同的功率密度等條件下，材料表面區(qū)域發(fā)生各種不同的變化。這種變化包括溫度升高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金屬在保護(hù)氣體作用下結(jié)晶凝固形成焊縫；汽化后的金屬蒸氣在輔助氣體的吹力作用下而離開(kāi)被加工表面形成割縫或孔洞。如果加工過(guò)程中加入一定的粉末材料，使其和被加工工件表面部分材料熔合在一起，就可以得到高性能的熔覆層。2/11/202410工程材料的激光加工激光切割激光焊接激光表面處理激光雕刻激光打孔激光快速成型各種加工方法的適用范圍2/11/202411工程材料的激光加工（1）激光焊接激光束焊接是以聚集的激光束作為能源的特種熔化焊接方法。激光束經(jīng)聚焦后，能量更為集中，能量密度可達(dá)105~107W/cm2。如將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到焊件結(jié)合處，光能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝固后成為焊縫。2/11/202412工程材料的激光加工熱導(dǎo)焊接深熔焊接熱導(dǎo)焊焊縫深熔焊焊縫

2/11/202413工程材料的激光加工金屬材料的激光焊接

2/11/202414工程材料的激光加工激光焊接應(yīng)用舉例2/11/202415工程材料的激光加工首飾焊接樣品手機(jī)殼體焊接2/11/202416工程材料的激光加工（2）激光切割激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（105~107W/cm2）激光束連續(xù)照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過(guò)程附加的化學(xué)反應(yīng)熱能均被材料吸收，引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后材料開(kāi)始汽化，并形成孔洞，且光束與工件相對(duì)移動(dòng)，使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。2/11/202417工程材料的激光加工汽化切割：工件加熱到沸點(diǎn)以上溫度熔化切割：工件加熱到熔點(diǎn)溫度以上氧助熔化切割：氧等活性氣體代替熔化切割的惰性氣體控制斷裂切割：易受熱破壞的脆性材料2/11/202418工程材料的激光加工激光切割應(yīng)用舉例2/11/202419工程材料的激光加工2/11/202420工程材料的激光加工木皮切割大功率切割大功率切割2/11/202421工程材料的激光加工（3）激光表面處理

當(dāng)激光能量密度在103～105W/cm2左右時(shí)，對(duì)工件表面進(jìn)行掃描，在極短的時(shí)間內(nèi)加熱到相變溫度（由掃描速度決定時(shí)間長(zhǎng)短），工件表層由于熱量迅速向內(nèi)傳導(dǎo)快速冷卻，實(shí)現(xiàn)了工件表層材料的相變硬化（激光淬火）。2/11/202422工程材料的激光加工激光熔覆利用大功率高能量激光束聚集能量極高的特點(diǎn)，瞬間將被加工件表面微熔，同時(shí)使零件表面預(yù)置或與激光束同步自動(dòng)送置的合金粉末完全熔化。激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，恢復(fù)幾何尺寸和表面強(qiáng)化等特點(diǎn)。2/11/202423工程材料的激光加工

齒輪損傷狀態(tài)修復(fù)后齒輪局部

軸修復(fù)前狀態(tài)激光熔覆過(guò)程中2/11/202424工程材料的激光加工激光表面合金化、激光沖擊硬化、激光上釉2/11/202425工程材料的激光加工（4）激光打孔、打標(biāo)激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模等非金屬材料和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的細(xì)微孔的加工。陶瓷基片激光打孔2/11/202426工程材料的激光加工激光打標(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。2/11/202427工程材料的激光加工材料: 不銹鋼材料: 壓鑄鋁2/11/202428工程材料的激光加工材料: 塑料復(fù)合材料材料: 彩色塑料2/11/202429工程材料的激光加工

木梳

紐扣手表飲料蓋

牛仔衣2/11/202430工程材料的激光加工

水晶內(nèi)雕返回2/11/202431工程材料的激光加工四、激光加工設(shè)備激光器是激光加工設(shè)備的核心，它能把電能轉(zhuǎn)換成激光束輸出。激光器的組成：泵浦源、激活介質(zhì)、光學(xué)諧振腔激光器有固體、氣體和半導(dǎo)體三大類。2/11/202432工程材料的激光加工CO2氣體激光器橫流式軸流式擴(kuò)散冷卻Nd:YAG固體激光器燈泵浦二極管泵浦半導(dǎo)體激光器

2/11/202433工程材料的激光加工橫流CO2激光器系統(tǒng)1.激光束2.切向排風(fēng)機(jī)

3.氣流方向4.熱交換器

5.后鏡6.折疊鏡

7.高頻電極

8.輸出鏡

9.輸出窗口

2/11/202434工程材料的激光加工軸流式CO2激光器系統(tǒng)2/11/202435工程材料的激光加工板條式擴(kuò)散冷卻CO2激光器系統(tǒng)2/11/202436工程材料的激光加工激光器類型：

橫流軸流擴(kuò)散冷卻

輸出功率等級(jí)：

3~45kW1.5~20kW0.2~3.5kW

脈沖能力：

DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播系數(shù)(K)

0.150.40.8

氣體消耗：

小大極小電-光轉(zhuǎn)換效率：

15%15%30%

焊接效果：

較好好優(yōu)良

切割效果：

差好優(yōu)良

相變硬化：

好一般一般

表面涂層：

好一般一般表面熔覆：

好一般一般

2/11/202437工程材料的激光加工燈泵浦Nd:YAG激光器

2/11/202438工程材料的激光加工二極管泵浦YAG激光器2/11/202439工程材料的激光加工激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成激光器CNC控制系統(tǒng)CNC控制工作臺(tái)循環(huán)水冷系統(tǒng)氣體供給系統(tǒng)光束傳輸及聚焦激光器控制器2/11/202440工程材料的激光加工激光加工成套設(shè)備返回2/11/202441工程材料的激光加工五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、了解激光加工的基本原理并熟悉激光加工設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及其基本操作；2、材料準(zhǔn)備；3、激光加工實(shí)驗(yàn)；由于時(shí)間的限制，每次結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的其它任務(wù)選擇焊接、切割或熔覆中的一種工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。4、檢查加工件質(zhì)量并進(jìn)行問(wèn)題分析。返回2/11/202442工程材料的激光加工(1)未經(jīng)指導(dǎo)老師許可，嚴(yán)禁開(kāi)動(dòng)接通設(shè)備電源，觸動(dòng)控制按鈕；(2)操作人員須戴防護(hù)眼鏡，嚴(yán)禁眼睛對(duì)激光口觀看，以免傷害眼睛；(3)激光器內(nèi)有高壓，維護(hù)操作時(shí)須小心謹(jǐn)慎，勿觸高壓；(4)CO2激光器控制柜內(nèi)有高壓電源，嚴(yán)禁在啟動(dòng)激光的條件下打開(kāi)(5)請(qǐng)勿用手直接取放、觸摸壓