激光制造技术.ppt

第八章 激光制造技术 6KW横流CO2激光器,六轴四联动悬臂式结构数控激光加工机床 激光制造技术 激光制造技术是涉及了光子学、机械学 电子学、计算机及材料学等多学科综合交叉 的高新技术 自激光诞生起，半个世纪以来获得了全 面发展，激光制造技术产业已成为世界科学 密集型工业中的主要产业，涵盖了所有制造 领域 本课主要介绍激光切割技术、激光焊接 技术和激光表面工程技术 各种加工方法的应用比例 第一节 激光切割技术 下料工作革命性的变革 TLV510 CO2激光切割机床 一、激光切割技术基础 广泛应用汽车、机车车辆制造及航空、化工 、轻工、电器与电子、石油冶金等 1、激光切割原理 激光高功率密度光 斑，将材料快速加热至 汽化温度，蒸发形成小 孔洞后，再使光束与工 件相对移动，从而获得 窄的切缝 激光切割头结构 典型激光器： CO2激光器 YAG激光器 CO2激光切割设备，主要由激光器、导光系统、机 床本体、数控系统等组成典型的CO2激光切割设备的 基本构成如下图所示 CO2激光加工系统组成图 1－冷却水装置；2－激光气瓶； 3－辅助气体瓶；4－空气干燥器； 5－数控装置； 6－数控系统； 7－伺服电动机；8－切割工作台； 9－割炬； 10－聚焦透镜； 11－丝杆； 12－反射镜； 13－激光束； 14－反射镜； 15－激光器； 16－激光电源； 17－伺服电动机和割炬驱动装置 切割原理 2、激光切割分类 ①、汽化切割：功率高，直接汽化。

功率密度：108W/cm2 如：飞秒激光器的切割 ②、熔化切割：主要由惰性气体保护，并 吹除激光融化材料 功率密度：107W/cm2 如：铝合金、钛合金、不锈钢等 ③、反应熔化切割（氧化助熔切割）： 金属—氧化放热反应 特别是应用碳钢 ④、控制断裂切割：热脆性材料 不熔化控制裂纹，如：玻璃切割 3、激光切割的主要特点 ①、切缝质量好：切缝窄（0.1-0.5mm）、 精度高（误差±0.05mm）、 切缝光滑（Ra12.5-25μm） ②、切割速度快、效率高：数控系统， 无接触加工 ③、热影响区小、几乎无变形 （虽然功率高，但光斑小、速度快 特定场合可控制在0.05mm以下 ④、良好的切割环境：清洁、安全、劳动强度低 自动化程度高，全封闭无污染、无噪声 ⑤、切割范围广：几乎可用于任何材料的切割 包括金属、非金属，高硬度、高脆性、高 熔点材料 ⑥、抗电磁干扰：与电子束相比 ⑦、易于传输：与数控系统或者机器人连接用 光纤传输，构成柔性加工系统 ⑧、激光切割经济效益好：对难加工的材料更 好 ⑨、节能和节省材料： 节能：对于常规热加工 节省材料：切缝窄、数控套裁 激光切割 4、、常用工程材料的激光切割 （1）、金属板材的激光切割 ①、普通碳钢的激光切割：通过吹氧可以高效、高质 完成 ②、不锈钢及合金钢的激光切割：高压氮气辅助切割， 要求不高时可用压缩空气。

也可用脉冲激光器 ③、铝及合金的激光切割 ：铝的激光反射率很高，表 面处理或钻孔和从边缘切起也可高重复频率、高 峰值功率脉冲激光 ④、铜及其合金的激光切割：高反射率、高热导率，连 续激光很难切割用高重复频率、高峰值功率激光， 辅助吹氧进行 ⑤、钛及合金的激光切割：辅助气体空气 ⑥、镍合金的激光切割：高压氧气 （2）、非金属材料的激光切割 ①、有机材料激光切割： 用CO2激光器激光吸收好，熔化切割，需要功率小100W可以 切割20mm厚 特殊场合：有机聚合物，微加工，紫外激光质量高 ②、纸张、木材激光切割： 特点：气化切割，快速 高质：辅助气体氮气 ③、玻璃和石英的激光切割： 激光器：CO2激光器，玻璃易碎，石英效果好 ④、陶瓷材料的激光切割： 防止裂纹：预加热或使用脉冲激光 ⑤、复合材料的激光切割： 加工优势：无接触 切割原则：复合材料的切割性能好的一面 ⑥、酚甲醛树脂：不易激光切割 原因：产生黏性物质不易吹除；反射激光 污染镜头 如：夹布胶木、玻璃胶布板 激光切割金属激光切割非金属 不锈钢厚1mm 铝合金0.8mm厚，小孔直径0.7 mm 单晶硅厚0.7 mm 不锈钢厚4 mm 二、激光切割质量 1、激光切割质量的评判依据 ①、切缝垂直度 ②、切口宽度 ③、热影响区 ④、切口表面粗糙度 2、激光切割质量的影响因素 （1）、激光切割质量的影响因素： ①、材料特性 ②、激光光束特性 ③、切割工艺参数 激光切割过程的影响因素 材料对切割质量的影响 影响切割的激光光束参数 （2）、工艺参数的影响 ①、气流与喷嘴：喷嘴形状、流量、速度的影响。

②、聚焦镜焦距、焦点位置：焦距大小焦深长短 焦点控制—高度传感器 ③、切割穿孔技术：首先必须穿透孔 ④、切割速度：综合激光功率、气流气压、 氧气量确定注意尖角效应 ⑤、程序设计：好的软件可以提高切割质量、 提高效率、节省材料 切割质量与焦点位置的关系 割缝宽度与焦点位置的关系 激光切割主要辅助气体的适用材料 工件拐角处的切割编程方法 3、影响激光切割表面粗糙度的参数 ①、激光系统参数： 激光光束质量，光斑模式，焦距深度 ②、切割工艺参数： 功率，切割速度，辅助气体及压力 ③、切割材料的特性： 金属氧化物的黏滞系数及张力 4、激光切割的质量控制 （1）、激光切割方法 ①、焦点的确定 ②、穿孔操作要点 ③、尖角的防烧熔 （2）、优化加工工艺参数 ①、激光功率W： 合理利用激光器 ②、切割速度V0：激光功率W与辅助气体 压力P0一定时，最佳速度 ③、辅助气体压力P0：W与V0一定时 （3）、优化激光系统参数 ①、焦点位置：离焦量，厚板考虑 ②、光束模式：TEM00最好 ③、透镜焦距：透镜焦距f与焦斑直径成正比 ④、焦深（fd) ：焦深fd与焦距f成正比 厚板考虑 三、连续CO2激光切割的特色应用 1、钣金件激光切割 优势：批量小、形状复杂、产品订货急，开模具不划算 。

2、整卷带钢的连续激光切割 ①、效率高 ②、省材料 ③、降低成本（带钢比板材便宜） 整卷带钢激光切割机 3、纸及木板的切割 优点：无接触、干净、无废削 应用：工艺品、砂纸、不干胶 4、亚克力及各种装饰板材的切割 建筑业的亚克力模型； 装潢用文字、图案及仪器面板 （树皮、木材、有机板） 5、成衣业 服装打板的激光切割：减少工序 皮衣、皮件和商标的激光切割；单体量体裁衣 加工面料广、切口光滑无飞边、自动收口、 无变形、自动化 激光切割的皮件 激光切割工艺品 割缝断面为矩形的窄缝激光割缝管样件 割缝断面为梯形的窄缝激光割缝管样件 石油割缝管达的激光切割 激光切割的平面木模切板 四、脉冲固体激光切割应用 1、微喷水波导激光切割应用 微喷水波导激光技术： 调QNd:YAG激光器；功率：30-70W；金刚石水嘴， 水压100-300Pa；水柱直径50-100μm，可引导功率 密度50MW/cm2的激光此技术还可用于特征记忆合金、 铬镍铁合金、碳化硅晶片等切割 微喷水波导激光切割晶片原理 微喷水波导激光切割100μm厚硅晶片 2、紫外脉冲激光切割高精度模板 （1）、表面帖装元器件SMT不锈钢模板要求： ①、准确的开口位置和开口尺寸。

②、开口有锥度，侧壁光滑 ③、材料无应力 ④、模板张力均匀 （2）、SMT模板制作工艺： ①、化学腐蚀：精度低、工序复杂、生产周期长、 污染环境 ②、电铸成型：技术复杂、精度高、制作周期长、 价格昂贵没有广泛应用 ③、紫外激光切割：无材料错位变形、热影响小、 切缝光滑无裂纹、精度高、周期短、效率高 355nm的DPSS激光切割0.25mm厚AL2O3样品 激光三维切割过程 激光切割完的式样 五、激光三维切割 大功率电子管栅极 钼厚300微米，直径300微米 航空发动机叶形孔 不锈钢厚1mm，孔100微米 切割陶瓷厚1.7mm 色片工装 铝合金厚度4mm 激光加工——三维精细切割 作业： 1、简述连续激光切割材料的机理和特点 2、激光切割有哪些类型？ 3、激光切割质量的评判依据是什么？ 4、激光切割质量的影响因素有哪些？ 5、激光切割工艺参数有哪些？ 6、激光切割碳钢时辅助气体用什么？ 第二节 激光焊接技术 金属薄壳激光焊接专用系统 一、 激光焊接技术概述 1、 激光焊接机理 激光照射焊接件，使焊接件熔化，但不汽化，待熔化 后冷却凝固，两部分材料就焊接在一起了 2、激光焊接特点 ①、激光焊接是一种无接触加工技术，对焊接零件没有外力作用 ②、激光对于焊接件快速加热、快速熔化、快速冷却，热影响区 域小，热变形小 ③、能够焊接高熔点、难熔、难焊的金属，异种金属甚至非金属 ④、激光焊接工艺简单，（对于电子束）在空气中直接焊接。

⑤、焊点、焊缝整齐美观强度高，其机械强度往往高于母材的 机械强度对材料的杂质净化） ⑥、易于自动焊接，生产效率高可以与计算机数控系统、机械 手、机器人连接 ⑦、改善工作环境电焊产生有害气体 ） 2、激光焊接方式 ①、对缝焊④、气体保护焊 ②、搭接焊⑤、激光钎焊 ③、穿透焊 3、应用范围 ①、汽车工业（板材） ②、机械工业（齿轮） ③、电子行业（电机） ④、化工工业（反应釜） ⑤、国防工业（飞机板材） ⑥、仪器仪表（仪表板） ⑦、电池工业（锂电池安全阀 ） ⑧、医疗器械（各种不锈钢工 具） 摩托车排气管 小法兰焊接 微型USB接头 二、激光焊接原理 1、激光热传导焊接 ①、激光热传导焊接机理： 脉冲激光照射焊件的结合部， 焊件表面 吸收光能而使温度升高， 热量按照固体材料的热传导理论向 金属内部传播扩散，达到熔点后冷却凝固，焊件熔接在一起激 光作用时间一般是毫秒量级 激光热导焊液态熔池流动趋势 ②、激光热传导焊接参数： 激光参数（能量、脉宽、重 复频率）影响扩散时间和深度 ③、激光热传导焊接焊接效果 决定于激光参数、被焊接材料 的物理特性（热导率、熔点、沸点 、材料表面状态、涂层、粗糙度、 对激光的反射特性） ④、激光热传导焊接焊 接应用 一般熔深小于2毫米， 主要用于薄板、仪表外壳、 电子元件等小零件 。

2、激光深熔焊接 （1）、激光深熔焊原理和特点 ①、机理：连续激光—熔化（甚至汽化） —小孔—熔池 —移动—焊缝 ②、小孔效应：作为一个黑体吸收激光能量，使能量向深 部传递 激光焊接小孔 ③、特点： a、焊缝与深度比：1：12 b、热影响区小，变形小 c、组织细化，干净、强度高 d、焊接速度快，生产效率高 （2）、等离子的产生及其性质 激光深熔焊接是激光、保护气体、等离 子体和材料之间的作用过程等离子体可以 增加激光吸收和屏蔽激光的作用 等离子云变化过程 （3）、影响材料对激光吸收的因素 ①、激光波长 ②、材料物理性质 ③、材料表面温度 ④、材料表面状况 （4）、小孔的形成及其效应 小孔是焊缝形成的前提 视为黑体增加激光吸收 3、激光填丝焊 4、激光电弧复合焊 ①特点：降低激光功率、提高焊接速度 ②应用：薄板高速焊接 5、激光钎焊 工艺参数： 激光功率、光斑直径、 钎焊速度、送丝速度 优点：速度快、精度高、 热影响小、焊接 质量高 工艺参数：激光功率、 点焊时间、离焦量、脉冲特性 6、激光点焊 三、激光焊接工艺 工艺参数： ①、光束特性：激光能量、光斑尺寸、 光束模式、偏振特性、激光波长 ②、焊接特性：焊接速度、焦点位置、 接头形式 ③、保护气特性：气体成分、保护方式 、 气体压力和流速 ④、材料特性：材料成分、表面状态1、激光参数 激光功率~焊接速度 （2）、激光脉冲宽度 ： 对于激光热传导焊接而言。

脉宽 决定了材料熔化的深度和焊缝的宽度 熔深~脉冲能量 直径~脉冲能量 （1）、激光功率： 激光功率与熔深和焊接速度的关系 （3）、激光脉冲重复频率： 每个激光脉冲形成一个熔斑，焊件的移动 速度决定了熔斑的重叠率，决定了生产效率 2、焊接速度 焊接速度~熔深 3、焦点位置 （1）、离焦量的选择：当深度焊接时，离焦量最好是负离焦焊 缝宽度决定于光斑尺寸，焦平面的光斑：D=Fθ，F是聚焦。