Ch4激光去除加工资料

1、2016 10 12 1 第4章激光去除加工 激光打孔 激光切割 激光打标 雕刻 1 4 1 激光打孔 第4章 激光去除加工 2 I x 光强分布 激光束 聚焦透镜 工作气体 气嘴 金属蒸汽 工件 熔渣孔径 激光照射工件 工件吸收光能 光能转换为热能 材料局部温度升高 熔化或汽 化 材料去除 4 1 激光打孔 第4章 激光去除加工 34 4 1 1 激光打孔的原理及特点 激光打孔的三个阶段 当高强度的聚焦脉冲能量照射到材料时 材料表面温度升高至接 近材料的蒸发温度 此时固态金属开始发生强烈的相变 首先出 现液相 继而出现气相 金属蒸汽瞬间膨胀以极高的压力从液相的底部猛烈喷出 同时也 携带着大部分液相一起喷出 由于金属材料溶液和蒸汽对光的吸 收比固态金属要强的多 所以材料将继续被强烈地加热 加速熔 化和气化 在开始相变区域的中心底部形成了更强烈的喷射中心 开始时在 较大的立体角范围内外喷 而后逐渐收拢 形成稍有扩散的喷射 流 这是由于相变来得极其迅速 横向熔融区域还来不及扩大 就已经被蒸汽携带喷出 激光的光通量几乎完全用于沿轴向逐渐 深入材料内部 形成孔型 2016 10 12 2 5

2、4 1 1 激光打孔的原理及特点 激光打孔的特点 不受材料硬度 刚性 强度和脆性等影响 满足被加工材料对激光束吸收及材料热物理特性 可加工导电材料 非金属材料 宝石 陶瓷 金刚石 塑 料等 速度快 效率高 经济效益好 适合于数量多 高密度的群孔加 工 孔的密度高 在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比 效 率提高l0 1000倍 可获得大的深径比 比如 Nd YAG激光打孔 2 10 m 深径比可达250 1 6 4 1 1 激光打孔的原理及特点 激光打孔的特点 续 无工具损耗 可在难加工材料倾斜面上加工小孔 对工件装夹要求简单 易实现生产线上的联机和自动 化 7 4 1 2 激光打孔的分类 复制成形法 控制激光束形状进行加工 所得孔型与光束相似 轮廓成形法 打孔形状由激光束和工件相对位移轨迹逐层形成 8 4 1 3 加工系统 激光器是激光打孔设备的重要组成部分 用于打孔的气体激光器主要 有二氧化碳激光器 而用于打孔的固体激光器主要有红宝石激光器 钕玻璃激光器和YAG激光器 激光打孔的激光器 转换效率高于其它激光器 可以为许多非金属材料 如有机玻璃 塑 料 木材 多层复合板材

3、 石英玻璃等 所吸收 二氧化碳激光器与其他激光器相比 可以进行大功率输出 当与其他 技术配合时 可以实现高速打孔 最高速度可达100孔 秒 这是其他 激光器很难做到的 二氧化碳激光器的对焦 调光都不方便 设备一次性投资也比较大 二氧化碳激光器 2016 10 12 3 9 4 1 3 加工系统 固体激光器以其独特的优点在激光打孔中得到广泛的应用 它的主要 优点是 1 输出波长短 2 输出的光可用普通的光学材料传递 3 整机体积小 使用维护方便 价格低于二氧化碳激光器 固体激光器 10 4 1 3 加工系统 激光打孔用机床简单又通用的形式为三维机床 两维运动在水平面 以X Y表示 两坐标轴相互垂直 第三维Z轴与Z Y平面垂直 每一维可通过步进电机带动滚珠丝杠在直线滚珠导轨上运行 它的精 度由丝杠的精度和滚珠导轨的精度确定 如果配以微处理机系统 三维机床就可以完成平面内各种孔及一定范 围内群孔的激光加工 当需要在管材或桶形材料进行系列孔的加工时 机床应具有五维功能 除了前面提到的三维以外 增加的两维是X Y平面360度的旋转 我们 定义它为A轴 X Y平面在Z方向上的0 90度倾斜 我们定

4、义它为B轴 激光打孔机床 11 4 1 4 激光打孔工艺 4 1 4 1 激光打孔工艺步骤 对被加工材料的物理性质和加工要求进行分析 材质 激光器 孔型 模拟试验加工 得出最佳加工参数 为正式加工做准备 设计简便实用的工装夹具 保证装夹效率 设计加工程序 进行有效的激光打孔加工 12 4 1 4 激光打孔工艺 4 1 4 2 影响打孔质量的工艺参数 1 激光输出功率的影响 激光输出功率 光斑处能量密度 孔的纵向深度 孔深h 孔的横向直径 孔径d 2016 10 12 4 13 4 1 4 激光打孔工艺 1 激光输出功率的影响 4 1 4 2 影响打孔质量的工艺参数 激光照射率密度增大 孔深 孔径都会增大 14 4 1 4 激光打孔工艺 4 1 4 2 影响打孔质量的工艺参数 2 焦距与发散角的影响 焦距越小 光斑能量密度越大 激光束的穿透力越大 打出的孔不仅深 而且锥 度小 15 4 1 4 激光打孔工艺 4 1 4 2 影响打孔质量的工艺参数 3 脉冲宽度的影响 脉冲能量不变时 脉冲宽度越窄 能量密度越大 反之 能量密度变小 因此 脉冲宽度对孔深 孔型 孔径都有较大影响 16 4 1

5、 4 激光打孔工艺 4 1 4 2 影响打孔质量的工艺参数 4 焦点位置的影响 当焦点处于工件表面以下某个位置时 在相同条件下打的孔最深 2016 10 12 5 17 4 1 4 激光打孔工艺 4 1 4 2 影响打孔质量的工艺参数 5 脉冲重复频率的影响 多脉冲打孔 孔的深度可以明显增加 锥度也能减小 而孔径几乎不变 6 工件材料的影响 最大的影响是材料对光波的吸收率 需要根据不同材料选择合适的激光 器 或者对材料表面进行处理 改善吸收率 18 图5 22 激光打孔应用 a 手术针 b 燃油滤清器 c 生物过滤网 d 透明金属薄片 e 喷墨头微孔 非金 属材 料激 光打 孔 激 光 在 金 刚 石 上 打 出 的 孔 4 2 激光切割 第4章 激光去除加工 20 4 2 1 激光切割的特点 过程 将激光束聚焦成很小的光斑 焦点处功率密度超过104W mm2 照射材料后引起照射点温度急 剧上升 在瞬间达到汽化温度 产生蒸发 形成孔洞 随着激光束的运动 形成切缝 2016 10 12 6 21 4 2 1 激光切割的特点 切缝窄 光斑直径小 能量集中 切缝可达0 1mm左右 优点 切割

6、速度快 热影响区小 能量集中 照射时间短 切割面质量好 非接触加工 没有机械应力 无工具损耗 可加工材料广泛 玻璃 陶瓷 半导体 塑料 金属 容易实现数控自动化 22 4 2 2 激光切割的方式 汽化切割 熔化切割 氧助熔化切割 控制断裂切割 23 要求 激光功率很高 超过106W mm2 光斑照射处温度瞬间升至沸点以上 化作蒸汽逃逸 切割材料 适用于不能熔化的材料 如木材 纸张和塑料 不同厚度材料激光气化切割加工速度对比 功率500W CO2连续激光 4 2 2 激光切割的方式 汽化切割 24 激光束功率密度超过一定值时 105W mm2 会将工件 内部材料蒸发 形成孔洞 孔洞将吸收所有入射光能量 辅助气体 一般为惰性气体 不参与辅助燃烧 吹走 熔体 当光束与被加工材料产生相对运动时 小孔平移形成 切缝 主要参数 切割速度 焦距和切割辅气压力 4 2 2 激光切割的方式 熔化切割 2016 10 12 7 25 不同厚度不锈钢板材激光熔化切割速度曲线 4 2 2 激光切割的方式 熔化切割 26 氧作辅助气体 在切割中发生激烈的燃烧反应 发出大量热量 可获得更高的切割速度和更大的切割厚

7、度 氧助熔化切割示意图不同铁基板材厚度氧助熔化切割速度曲线 4 2 2 激光切割的方式 氧助熔化切割 27 4 2 2 激光切割的方式 氧助熔化切割 28 通过激光束加热 可以高速 可控地切断易受热破坏的脆 性材料 称为控制断裂切割 主要过程是 激光束加热脆性材料小块区域 引起该区域 大的热梯度和严重的机械变形 导致材料形成裂缝 只要 保持均衡的加热梯度 激光束可引导裂缝在任何需要的方 向产生 制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝 使用的激光功率 也较小 功率太高会造成工件表面熔化 4 2 2 激光切割的方式 控制断裂切割 2016 10 12 8 29 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 1 光束特性对切割质量的影响 光束模式的影响 聚焦光斑及焦点位置的影响 光束偏振的影响 30 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 1 光束特性对切割质量的影响 光束模式的影响 基模TEM00多模 基模光束可聚焦成为最小光斑尺寸 能量密度高 如同刀具刃 口非常锋利 可获得窄的 平直的切缝 热影响区小 多模激光可聚焦光斑尺寸大 能量分布扩张 能量密度较低 如同刀具刃口钝化 31 4 2 3

8、 影响切割质量的因素 4 2 3 1 光束特性对切割质量的影响 聚焦光斑及焦点位置的影响 光斑尺寸增加一倍 焦深增加到 四倍 透镜焦距越短 光斑尺寸越小 焦深也越小 焦点处功率密度很 高 适合高速切割薄型材料 透镜焦距越长 光斑尺寸越大 焦深也越长 适合厚度较大的工 件切割 但必须保证足够的功率 密度 聚焦光斑及焦点位置的影响 大多数情况下 切割焦点位置处于工件表面 或略低于工件表面 的位置为最佳 2016 10 12 9 极化振荡的分布方向 磁平面 H 磁矢量 传播方向 电平面 E 电矢量 偏振平面 波长 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 1 光束特性对切割质量的影响 光束偏振的影响 切割走向不同 材料对于线性偏 振光束的吸收能力不同 34 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 1 光束特性对切割质量的影响 光束偏振的影响 光束偏振位相与切割质量关系示意 光束偏振的影响 36 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 2 材料特性对切割质量的影响 材料表面反射率的影响 材料表面状态的影响 材料切割厚度的影响 2016 10 12 10 37 4 2 3 影响切割质量

9、的因素 4 2 3 2 材料特性对切割质量的影响 材料表面反射率的影响 材料对光束的吸收率随不同材料 不同温度而变化 吸收率对 加热初始阶段尤为重要 38 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 2 材料特性对切割质量的影响 材料表面反射率的影响 39 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 2 材料特性对切割质量的影响 材料表面状态的影响 材料表面粗糙度和氧化层可以引起材料表面吸收率的明显变化 40 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 2 材料特性对切割质量的影响 材料切割厚度的影响 材料厚度增加 要保持原有的 切割速度 必须提高激光输出 功率 在同样激光功率的情况下 切 割速度随材料厚度增加而降低 2016 10 12 11 41 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 3 其他工艺参数对切割质量的影响 激光切割速度的影响 辅助工艺气体的影响 42 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 3 其他工艺参数对切割质量的影响 激光切割速度的影响 提高功率密度 可以加快切割 速度 改善光束模式 单模比多模切 割速度高 减小光斑尺寸 可以提高切割 速度 材料密度越低

10、 切割速度越快 材料厚度越薄 切割速度越快 43 4 2 3 影响切割质量的因素 4 2 3 3 其他工艺参数对切割质量的影响 辅助工艺气体的影响 辅助工艺气体的作用 吹走切割过程中的熔渣 保护透镜不受飞溅的熔渣破坏 在氧助熔化切割中作为另一加热源 提高切割效率 44 4 2 4 常用工程材料的激光切割 钢材 较多使用快速轴流CO2激光器 对10 6 m波长光束的 起始吸收率较低 但到达熔化温度后 吸收率急剧上升 铝及合金 对10 6 m波长光束具有高的反射率 需要比加工 钢材更高的功率密度 大多数非金属 材料对10 6 m波长光束能很好地吸收 热导 率小 热量传导损失小 陶瓷 没有塑性 适合采用可控导向断裂的激光切割机制 2016 10 12 12 4 3 激光打标 雕刻 第4章 激光去除加工 45 4 3 1 激光打标 激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记 打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质 或者是通过 光能导致表层物质的化学物理变化而 刻 出痕迹 或者是通过光能 烧掉部分物质 显出所需刻蚀的图案 文字 激光打标雕刻的优越性在于 应用范围广 多种物质 金属

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