《特種加工》課件-第5章

第5章激光加工5.1激光加工的原理及特點(diǎn)5.2激光加工的設(shè)備5.3激光加工的應(yīng)用 5.1激光加工的原理及特點(diǎn)

5.1.1激光加工的原理

激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。所謂激光，是一種強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小，且單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的（微米甚至亞微米）小斑點(diǎn)上，加上它本身強(qiáng)度高，因此可以使其焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到107～1011W/cm2，溫度可達(dá)10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。

激光加工（LaserBeamMachining，LBM）就是利用激光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度，從而產(chǎn)生光熱效應(yīng)來加工各種材料的。激光加工過程是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程，如圖5－1所示。圖5－1激光加工示意圖

由于激光加工不需要加工工具，而且加工速度快，表面變形小，因此可以加工各種材料（如對(duì)各種硬、脆、軟、韌、難熔的金屬和非金屬進(jìn)行切割和微小孔加工），已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中愈來愈多地顯示出了它的優(yōu)越性，所以很受人們的重視。激光加工不僅可以用于打孔、切割，而且可用于電子器件的微調(diào)、焊接、熱處理以及激光存儲(chǔ)等各個(gè)方面。5.1.2激光加工的特點(diǎn)

激光加工具有如下特點(diǎn)：

（1）激光經(jīng)過聚焦后，功率密度高達(dá)107～1011W/cm2，光能轉(zhuǎn)化為熱能后，幾乎可以加工任何材料，如高硬材料、耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆材料和工程塑料等非金屬材料。

（2）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)，因此可以用于精密微細(xì)加工。

（3）激光加工所用工具是激光束，是非接觸加工，所以沒有明顯的機(jī)械力，沒有工具損耗問題；加工速度快、熱影響區(qū)小，容易實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。激光加工還能通過透明體進(jìn)行，如對(duì)真空管內(nèi)部進(jìn)行焊接加工等。（4）和電子束加工等比較起來，激光加工裝置比較簡單，不要求復(fù)雜的抽真空裝置。

（5）激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、汽化的熱加工，影響因素很多，因此，精微加工時(shí)，精度，尤其是重復(fù)精度和表面粗糙度不易保證，必須進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，尋找合理的參數(shù)，才能達(dá)到一定的加工要求。由于光的反射作用，對(duì)于表面光澤或透明材料的加工，必須預(yù)先進(jìn)行色化或打毛處理，使更多的光能被吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，從而用于加工。

（6）加工速度快、效率高。一般激光打孔只需0.01s；激光切割可比常規(guī)方法提高效率8～20倍；激光焊接可提高效率約30倍；激光微調(diào)薄膜電阻可提高工效1000倍，提高精度1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。（7）通過選擇適當(dāng)?shù)募庸l件，可用同一臺(tái)裝置對(duì)工件進(jìn)行切割、打孔、焊接和表面處理等多種加工，節(jié)省了工時(shí)，降低了成本。

（8）節(jié)能和節(jié)省材料。激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的10～1000倍，激光切割可節(jié)省材料15%～30%。

（9）加工中會(huì)產(chǎn)生金屬氣體及火星等飛濺物，要注意通風(fēng)抽走，操作者應(yīng)穿戴防護(hù)服、防護(hù)眼鏡等。 5.2激光加工的設(shè)備

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。圖5－2所示為激光加工裝置結(jié)構(gòu)方框圖。圖5－2激光加工裝置結(jié)構(gòu)方框圖

1．激光器

激光器是激光加工的重要設(shè)備，它把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生激光束。

激光器按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類。表5－1列出了激光加工中常用激光器的主要性能特點(diǎn)。表5－1常用激光器的性能、特點(diǎn)及用途

由于He－Ne(氨－氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機(jī)械制造的精密測(cè)量中被廣泛采用。在激光加工中要求輸出功率與能量大，因而目前多采用二氧化碳?xì)怏w激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石激光器)等固體激光器。

2．激光器電源

激光器電源為激光器提供所需要的能量及控制功能。

3．光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)包括激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，前者用于激光束聚焦，后者能觀察和調(diào)整激光束的焦點(diǎn)位置，并將加工位置在投影儀上顯示。

4．機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要包括床身、能在三坐標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。目前，許多激光加工機(jī)已采用計(jì)算機(jī)來控制工作臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光加工的數(shù)控操作。

激光加工機(jī)的種類也越來越多，完善程度不同，結(jié)構(gòu)形式也不單一。圖5－3所示為某固體激光加工機(jī)的外形示意圖。圖5－3激光打孔機(jī)

5.3激光加工的應(yīng)用

5.3.1常用的激光加工工藝

1．激光打孔

隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點(diǎn)高的材料的應(yīng)用越來越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔。例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴等。對(duì)于這類加工任務(wù)，常規(guī)的機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)很困難，有的甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的，而用激光打孔則能比較好地完成任務(wù)。激光打孔可分為五個(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，如圖5－4所示。圖5－4激光打孔過程示意圖(a)表面加熱；(b)表面熔化；(c)汽化；(d)氣態(tài)物質(zhì)噴射；(e)液態(tài)物質(zhì)噴射

激光打孔的特點(diǎn)是速度快、效率高，現(xiàn)在最快每秒可以打孔100個(gè)；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問題，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。

2．激光切割

激光切割(如圖5－5所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對(duì)移動(dòng)。在實(shí)際加工中，采用工作臺(tái)數(shù)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)激光數(shù)控切割。圖5－5

CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對(duì)于精細(xì)切割，也可采用YAG激光器。

激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對(duì)被切割材料不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動(dòng)控制，因此在實(shí)際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件。

激光切割過程中，影響激光切割的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。圖5－6振鏡式激光打標(biāo)原理圖

3．激光打標(biāo)

激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時(shí)變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標(biāo)志。圖5－6所示為激光打標(biāo)原理圖。

激光打標(biāo)的特點(diǎn)是非接觸加工，可在任何異型表面標(biāo)刻，工件不會(huì)變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標(biāo)記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標(biāo)刻速度快，運(yùn)行成本低，無污染，可顯著提高被標(biāo)刻產(chǎn)品的檔次。

激光打標(biāo)廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通信器材、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。

4．激光焊接

當(dāng)激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時(shí)間約為1/100s時(shí)，可進(jìn)行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖5－7所示。圖5－7激光焊接過程示意圖圖5－8激光表面強(qiáng)化處理應(yīng)用實(shí)例

（a）圓錐表面；（b）鑄鐵凸輪軸表面

5．激光表面處理

當(dāng)激光的功率密度約為103～105W/cm2時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層深度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強(qiáng)化問題。圖5－8所示為激光表面淬火處理應(yīng)用實(shí)例。5.3.2激光加工應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，目前激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修