激光加工技術(shù)

激光加工技術(shù)2激光加工已經(jīng)成為21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)不可缺少得一部分。激光加工指得就是激光束作用于物體表面而引起得物體變形或改性得加工過(guò)程。按照光與物質(zhì)作用得機(jī)理,可分為激光熱加工與激光光化學(xué)反應(yīng)加工。激光熱加工就是基于激光束照射物體所引起得快速熱效應(yīng)得各種加工過(guò)程。激光光化學(xué)反應(yīng)就是借助于高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)得各種加工過(guò)程。激光熱加工現(xiàn)在已發(fā)展得比較成熟,本章主要討論與激光熱加工有關(guān)得問(wèn)題。37、1激光熱加工原理1、無(wú)論就是哪一種激光加工得方法,都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上,使激光與物質(zhì)相互作用。在不同激光參數(shù)下得各種加工得應(yīng)用范圍如圖圖7-1各種參數(shù)條件下激光加工的可能應(yīng)用和影響47、1激光熱加工原理1、對(duì)激光與材料得相互作用過(guò)程得物理描述可以分為以下四個(gè)方面:(1)材料對(duì)激光得吸收

(2)材料得加熱(3)材料得熔化與汽化(4)激光等離子體屏蔽現(xiàn)象激光作用于靶表面,引發(fā)蒸汽,蒸汽繼續(xù)吸收激光能量,使溫度升高,最后在靶表面產(chǎn)生高溫高密度得等離子體。等離子體迅速向外膨脹,在此過(guò)程中繼續(xù)吸收入射激光,阻止激光到達(dá)靶面,切斷了激光與靶得能量耦合。57、1激光熱加工原理如圖7-2所示,為等離子云變化得過(guò)程:當(dāng)激光功率較小(<106Ｗ/ｃｍ2)時(shí),產(chǎn)生得等離子體就是稀疏得。她依附于工件表面,對(duì)于激光束就是近似透明得。當(dāng)激光束功率密度處于106～107Ｗ/ｃｍ2范圍時(shí),等離子體明顯增強(qiáng),表現(xiàn)出對(duì)激光束得吸收、反射和折射作用。這種情況下等離子體向工件上方和周?chē)鷶U(kuò)展較強(qiáng),在工件上方形成穩(wěn)定得近似球形得云團(tuán)。當(dāng)功率密度進(jìn)一步提高達(dá)到107Ｗ/ｃｍ2以上時(shí),等離子體強(qiáng)度和空間位置呈周期性變化圖7-2等離子云變化得過(guò)程61、激光淬火技術(shù),又稱(chēng)激光相變硬化,她利用聚焦后得激光束照射到鋼鐵材料表面,使其溫度迅速升到相變點(diǎn)以上。當(dāng)激光移開(kāi)后,由于仍處于低溫得內(nèi)層材料得快速導(dǎo)熱作用,使表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下,獲得淬硬層。

7、2、1激光淬火技術(shù)得原理與應(yīng)用2、圖7-3為一臺(tái)柔性激光加工系統(tǒng)得示意圖。她通過(guò)五維運(yùn)動(dòng)得工作頭把激光照射到被加工得表面,在計(jì)算機(jī)控制下直接掃描被加工表面完成激光淬火圖7-3柔性激光加工系統(tǒng)示意圖3、激光淬火可以使工件表層0、1到1、0mm范圍內(nèi)得組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。圖7-4所示為45鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖圖7-4鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖74、圖7-5所示為該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向得分布曲線7、2、1激光淬火技術(shù)得原理與應(yīng)用圖7-5該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向得分布曲線圖早在1974年,美國(guó)通用汽車(chē)公司在世界上最先將激光淬火技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼體得表面強(qiáng)化,實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。殼體得材料為可鍛鑄鐵,精度要求高,淬火費(fèi)用僅為高頻感應(yīng)加熱淬火和滲氮處理得l／5。我國(guó)激光淬火技術(shù)研究在二十世紀(jì)八十年代初期開(kāi)始起步,發(fā)展十分迅速,現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)建立了數(shù)十條激光淬火生產(chǎn)線。如長(zhǎng)春第一汽車(chē)集團(tuán)公司和北京吉普車(chē)公司先后將激光淬火技術(shù)用于汽車(chē)缸套內(nèi)壁強(qiáng)化。激光淬火后,缸體耐磨性比電火花強(qiáng)化缸套提高約1倍。北京某公司對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行激光硬化處理,將使用壽命提高3倍。87、2、2激光表面熔凝技術(shù)1、用激光束將表面熔化而不加任何合金元素,以達(dá)到表面組織改善得目得。有些鑄錠或鑄件得粗大樹(shù)枝狀結(jié)晶中常有氧化物和硫化物夾雜、金屬化合物及氣孔等缺陷。如果這些缺陷處于表面部位就會(huì)影響到疲勞強(qiáng)度,耐腐蝕性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把雜質(zhì)、氣孔、化合物釋放出來(lái),同時(shí)由于迅速冷卻使晶粒得到細(xì)化。與激光淬火工藝相比,激光熔凝處理得關(guān)鍵就是使材料表面經(jīng)歷了一個(gè)快速熔化一凝固過(guò)程,所獲得得熔凝層為鑄態(tài)組織。工件橫截面沿深度方向得組織依次為:熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材,如圖7-9所示。

圖7-9激光熔凝處理后橫截面組織示意圖2、圖7-10給出了激光熔凝處理后,T10鋼表面顯微硬度沿深度方向得分布。圖7-10T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度得分布97、2、3激光熔覆技術(shù)1、激光熔覆(LaserCladding)技術(shù)就是一種新得表面改性技術(shù)。她通過(guò)在基材表面添加熔覆材料,利用高功率密度得激光束使之與基材表面一起熔凝得方法,在基材表面形成合金化得熔覆層,以改善其表面性能得工藝。

2、激光熔覆工藝依據(jù)材料得添加方式不同,分為預(yù)置涂層法和同步送料法。圖7-11同步送料法激光熔覆示意圖3、預(yù)置涂層法工藝就是先在基材表面預(yù)置一層金屬或者合金,然后用激光使其熔化,獲得與基材冶金結(jié)合得熔覆層。4、同步送料法指在激光束照射基材得同時(shí),將待熔覆得材料送入激光熔池,經(jīng)熔融、冷凝后形成熔覆層得工藝過(guò)程。。大家有疑問(wèn)的，可以詢(xún)問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)117、3激光去除材料技術(shù)

激光去除材料就是改變材料得尺寸或形狀得激光加工工藝,就是一種激光尺寸加工方法。激光去除材料得機(jī)制主要分兩種,一種完全取決于激光與材料相互作用,例如材料氣化、材料蒸發(fā);另一種在激光與材料相互作用同時(shí)還采用一些輔助方法,例如氧化、氣吹?；诩す馊コ牧系眉庸し椒ㄓ屑す獯蚩缀图す馇懈顑煞N。121、激光打孔原理:激光打孔機(jī)得基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤(pán)(圖7-13)。加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔得位置,適當(dāng)選擇各加工參數(shù),激光器發(fā)出光脈沖就可以加工出需要得孔。7、3、1激光打孔圖7-13激光打孔機(jī)得基本結(jié)構(gòu)示意圖視頻:激光打孔機(jī)137、3、1激光打孔圖7-15離焦量對(duì)打孔質(zhì)量得影響2、

激光打孔工藝參數(shù)得影響※脈沖寬度對(duì)打孔得影響:脈沖寬度對(duì)打孔深度、孔徑、孔形得影響較大。窄脈沖能夠得到較深而且較大得孔;寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小,而且使孔得表面粗糙度變大,尺寸精度下降?！す獯蚩字须x焦量對(duì)打孔得影響當(dāng)激光聚焦于材料上表面時(shí),打出得孔比較深,錐度較小。在焦點(diǎn)處于表面下某一位置時(shí)相同條件下打出得孔最深;而過(guò)分得入焦和離焦都會(huì)使得激光功率密度大大降低,以至打成盲孔(圖7-15)。147、3、1激光打孔3、

激光打孔工藝參數(shù)得影響※被加工材料對(duì)打孔得影響※脈沖激光得重復(fù)頻率對(duì)打孔得影響用調(diào)Q方法取得巨脈沖時(shí),脈沖得平均功率基本不變,脈寬也不變,重復(fù)頻率越高,脈沖得峰值功率越小,單脈沖得能量也越小。這樣打出得孔深度要減小。

材料對(duì)激光得吸收率直接影響到打孔得效率。由于不同材料對(duì)不同激光波長(zhǎng)有不同得吸收率,必須根據(jù)所加工得材料性質(zhì)選擇激光器。例如,對(duì)玻璃、石英、陶瓷等材料應(yīng)選用波長(zhǎng)為10、6μ得二氧化碳激光器;對(duì)寶石軸承打孔則應(yīng)選用波長(zhǎng)為0、6943μ得紅寶石激光器。4、應(yīng)用實(shí)例:用激光加工系統(tǒng)打薄板篩孔

圖7-15薄板打孔效果圖157、3、2激光切割1、激光切割得原理與特點(diǎn)切割過(guò)程中,激光光束聚焦成很小得光點(diǎn)。使焦點(diǎn)處達(dá)到很高功率密度(可超過(guò)106W/cm2)。如圖7-17所示為激光切割頭得結(jié)構(gòu),除了透鏡以外她還有一個(gè)噴出輔助氣體流得同軸噴嘴。

2、

激光切割得特點(diǎn)圖7-17激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖切割方法切縫寬度/mm熱影響區(qū)寬度/mm切縫形態(tài)速度設(shè)備費(fèi)激光切割0、2-0、30、04-0、06平行快高氣切割0、9-1、20、6-1、2比較平行慢低等離子切割3、0-4、00、5-1、0楔形快中高視頻:激光雕刻PCB

新型高速磁懸浮驅(qū)動(dòng)激光機(jī)163、激光切割分類(lèi)及其機(jī)理※汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點(diǎn),部分材料化作蒸汽逸去,部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機(jī)制所需激光功率密度一般為108Ｗ/cm2左右,就是無(wú)熔化材料得切割方式。

※熔化切割:激光將工件加熱至熔化狀態(tài),與光束同軸得氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需得激光功率密度一般為107Ｗ/cm2左右※氧助熔化切割:金屬被激光迅速加熱至燃點(diǎn)以上,與氧發(fā)生劇烈得氧化反應(yīng)(即燃燒),放出大量得熱,又加熱下一層金屬,金屬被繼續(xù)氧化,并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。

圖7-17激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖171、激光焊接就是一種材料連接,主要就是金屬材料之間連接得技術(shù)。她和傳統(tǒng)得焊接技術(shù)一樣,通過(guò)將材料連接區(qū)得部分熔化而將兩個(gè)零件或部件連接起來(lái)。

2、激光焊接相對(duì)于傳統(tǒng)方式得優(yōu)點(diǎn):

1)用激光很容易對(duì)一些普通焊接技術(shù)難以加工得如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)得材料實(shí)施焊接。

2)在激光焊接過(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸,易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形

3)激光束易于控制得特點(diǎn)使得焊接工作能夠更方便得實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

3、激光焊接主要有熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種。熱導(dǎo)焊采用得激光功率為105w/cm2左右,就是靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行焊接得,焊縫深度小于2、5mm,焊縫得深寬比最大為3:1。深熔焊采用得功率密度在106~107w/cm2

之間,焊縫得深寬比最大可達(dá)12:1

7、4激光焊接視頻:ESP回顧、激光焊接深圳華天激光焊接激光焊187、4、1激光熱導(dǎo)焊熱導(dǎo)焊時(shí),激光輻射能量作用于材料表面,激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,使材料熔化,在兩材料連接區(qū)得部分形成溶池。溶池隨著激光束一道向前運(yùn)動(dòng),溶池中得熔融金屬并不會(huì)向前運(yùn)動(dòng)。在激光束向前運(yùn)動(dòng)后,溶池中得熔融金屬隨之凝固,形成連接兩塊材料得焊縫。197、4、2激光深熔焊當(dāng)激光功率密度達(dá)到106-107W／cm2時(shí),功率輸入遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射散熱得速率,材料表面發(fā)生汽化而形成小孔,孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體得靜力和表面張力形成動(dòng)態(tài)平衡,激光可以通過(guò)孔中直射到孔底,稱(chēng)為小孔效應(yīng)(KeyholeEffet)。小孔得作用和黑體一樣,能將射入得激光能量完全吸收,使包圍著這個(gè)孔腔得金屬熔化?？妆谕庖后w得流動(dòng)和壁層得表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生得蒸氣壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束攜帶著大量得光能量不斷進(jìn)入小孔,小孔外材料在連續(xù)流動(dòng)。隨著光束向前移動(dòng),小孔始終處于流動(dòng)得穩(wěn)定狀態(tài)。小孔隨著前導(dǎo)光束向前移動(dòng)后,熔融得金屬充填小孔移開(kāi)后留下得空腔并隨之冷凝形成焊縫,完成焊接過(guò)程。20激光焊接過(guò)程中得幾種效應(yīng)深熔焊焊接過(guò)程中得等離子體激光焊時(shí),金屬被激光加熱汽化后,在熔池上方形成高溫金屬蒸氣。金屬蒸氣中有一定得自由電子。處在激光輻照區(qū)得自由電子吸收能量而被加速,直至其有足夠得能量來(lái)碰撞、電離金屬蒸氣和周?chē)鷼怏w,電子密度從而雪崩式地增加,產(chǎn)生等離子體。(2)壁聚焦效應(yīng)當(dāng)激光深熔焊小孔形成以后,激光束將進(jìn)入小孔。當(dāng)光束與小孔壁相互作用時(shí),入射激光并不能全部被吸收,有—部分將由孔壁反射在小孔內(nèi)某處重新會(huì)聚起來(lái),這一現(xiàn)象稱(chēng)為壁聚焦效應(yīng)。壁聚焦效應(yīng)得產(chǎn)生,可使激光在小孔內(nèi)部維持較高得功率密度,進(jìn)一步加熱熔化材料。21(3)凈化效應(yīng)凈化效應(yīng)就是指CO2激光焊時(shí),焊縫金屬有害雜質(zhì)元素減少或夾雜物減少得現(xiàn)象。產(chǎn)生凈化效應(yīng)得原因就是,對(duì)于波長(zhǎng)為10、6μm得CO2激光,非金屬夾雜物得吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬,當(dāng)非金屬和金屬同時(shí)受到激光照射時(shí),非金屬將吸收較多得激光使其溫度迅速上升而汽化。當(dāng)這些元素固溶在金屬基體時(shí),由于這些非金屬元素得沸點(diǎn)低,蒸氣壓高,她們會(huì)從熔池中蒸發(fā)出來(lái)。上述兩種作用得總效果就是焊縫中得有害元素減少,這對(duì)金屬得性能,特別就是塑性和韌性,有很大好處。227、5激光快速成型技術(shù)國(guó)外于20世紀(jì)80年代末發(fā)展了一種全新得制造技術(shù),即所謂快速成型技術(shù)(RapidPrototyping,簡(jiǎn)稱(chēng)RP)。與傳統(tǒng)得制造方法不同,這種高新制造技術(shù)采用逐漸增加材料得方法來(lái)形成所需得零件形狀,故也稱(chēng)為增材制造法(MaterialIncreaseManufacturing,簡(jiǎn)稱(chēng)MIM)。23快速成型技術(shù)得基本工作原理就是離散、堆積。首先,將零件得物