第五章激光加工技术.ppt

1第五章第五章 激光加工技术激光加工技术第五章第五章 激光加工技术激光加工技术            自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式，前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光 激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微米的极激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，使能获得极高的能量密度小光斑，使能获得极高的能量密度(108——1010W／／cm2)当激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能，激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区的温度可达光斑区的温度可达10000℃以上，使材料熔化甚至气化，这就以上，使材料熔化甚至气化，这就是激光加工是激光加工lasser beam machining ,LBM））       1960年美国研制成功世界上第一台可用激光加工工的激光器，截止今天激光加工已形成一种重要的新兴产业2第五章第五章 激光加工技术激光加工技术 5.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点一、激光加工原理一、激光加工原理           激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有强度高、单具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好四色性好、相干性好和方向性好四大综合性能。

激光的强度和亮度之所以高，原因在于激光可以实现光能在空间上和实践上的亮度集中单色是指波长为一个确定的数值，实际上 严格的单色光是不存在的，l0为单色光的中心波长，Dl单色光的谱线宽， Dl越小，单色性越好单色性越好，相干长度越大，光源的相干性越好激光的各个发光中心是相互关联的定向发射，可以把光束压缩在很小的立体角内3第五章第五章 激光加工技术激光加工技术         激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波因此，出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。

波抛出的综合作用过程4第五章第五章 激光加工技术激光加工技术图1  激光加工示意图5第五章第五章 激光加工技术激光加工技术二、二、 激光加工的特点激光加工的特点 (1) 几几乎乎对对所所有有的的金金属属和和非非金金属属材材料料都都可可以以进进行行激激光加工2）加工效率高，可实现高速切割和打孔）加工效率高，可实现高速切割和打孔（（3））加加工工作作用用时时间间短短，，除除加加工工部部位位外外，，几几乎乎不不受受热热影响和不产生热变形影响和不产生热变形4））非非接接触触加加工工，，工工件件不不受受机机械械切切削削力力，，无无弹弹性性变变形5））激激光光束束容容易易实实现现空空间间控控制制时时间间控控制制，，可可进进行行微微细细的精密图形加工的精密图形加工6第五章第五章 激光加工技术激光加工技术（（6）不存在工具磨损问题不存在工具磨损问题7））在在大大气气中中无无能能量量损损失失，，设设备备简简单单，，不不需需要要真空室8））可可通通过过空空气气、、惰惰性性气气体体或或者者光光学学透透明明解解质质，，可对隔离室或真空室内工件进行加工可对隔离室或真空室内工件进行加工（（9）加工时不产生振动和机械噪声。

加工时不产生振动和机械噪声10)属于热加工，影响因素多属于热加工，影响因素多11)产产生生金金属属气气体体，，火火星星等等飞飞溅溅物物，，操操作作人人员员戴戴防护眼镜防护眼镜7第五章第五章 激光加工技术激光加工技术         激激光光加加工工的的基基本本设设备备由由激激光光器器、、激激光光器器光光源源，，光学系统和机械系统组成光学系统和机械系统组成激激光光器器：：激激光光加加工工中中的的重重要要设设备备，，将将电电能能转转换换成成光光能能，，产生激光束产生激光束激光器电源：为激光器提供能量和控制功能激光器电源：为激光器提供能量和控制功能光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准系统光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准系统机械系统：包括床身、工作台和机电控制系统机械系统：包括床身、工作台和机电控制系统5.2 激光加工基本设备激光加工基本设备8第五章第五章 激光加工技术激光加工技术二、二、 激光器激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类由于He-Ne(氦—氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。

而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器 9第五章第五章 激光加工技术激光加工技术固体激光器常由主体光泵（激励源）及谐振腔（由全反射镜、半反射镜组成）、工作物质（一些发光材料如钇铝石榴石、红宝石、钕玻璃等）、聚光器、聚焦透镜等组成图中激光器的工作物质为钇铝石榴石10第五章第五章 激光加工技术激光加工技术气体激光器一般采用电激励，效率高，寿命长，膨胀系数小，机械强度高广泛应用于焊接、热处理加工常用于材料加工的有二氧化碳激光器和氩离子激光器11第五章第五章 激光加工技术激光加工技术12第五章第五章 激光加工技术激光加工技术一、激光打孔一、激光打孔随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务5.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用13第五章第五章 激光加工技术激光加工技术   激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。

从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的所以，在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能否打孔激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关在实际加工中应合理选择这些工艺参数 14第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光打孔影响因素激光打孔影响因素输出功率和打孔时间焦距和发散角焦点位置光斑内能量分布激光多次照射工件材料15第五章第五章 激光加工技术激光加工技术16第五章第五章 激光加工技术激光加工技术17第五章第五章 激光加工技术激光加工技术18第五章第五章 激光加工技术激光加工技术19第五章第五章 激光加工技术激光加工技术20第五章第五章 激光加工技术激光加工技术二、二、 激光切割激光切割激光切割(如图2所示)的原理与激光打孔相似，但工件与激光束要相对移动在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割图2  CO2气体激光器切割钛合金示意图21第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细切割，也可采用YAG激光器。

  激光可以切割金属，也可以切割非金属在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等 22第五章第五章 激光加工技术激光加工技术图3  振镜式激光打标原理三、 激光打标    激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志(如图所示)23第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次 激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业24第五章第五章 激光加工技术激光加工技术4) 激光焊接当激光的功率密度为105～107 W/cm2，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。

激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图4所示 激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接 25第五章第五章 激光加工技术激光加工技术图4  激光焊接过程示意图26第五章第五章 激光加工技术激光加工技术图5  激光表面强化处理应用实例27第五章第五章 激光加工技术激光加工技术5) 激光表面处理当激光的功率密度约为103～105  W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火淬火层深度一般为0.7～1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题图5为激光表面淬火处理应用实例28第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光加工激光加工——二维精细切割二维精细切割1                                             不锈钢厚不锈钢厚1mm铝合金铝合金0.8mm厚，小孔直径厚，小孔直径0.7 mm单晶硅厚单晶硅厚0.7 mm不锈钢厚不锈钢厚4 mm29第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光加工激光加工——三维精细切割三维精细切割2大功率电子管栅极大功率电子管栅极钼厚钼厚300微米，直径微米，直径300微米微米航空发动机叶形孔航空发动机叶形孔不锈钢厚不锈钢厚1mm，，孔孔100微米微米切割陶瓷厚切割陶瓷厚1.7mm色片工装色片工装铝合金厚度铝合金厚度4mm30第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光加工激光加工——焊接焊接锅炉用钢管盒盒体铝合金厚体铝合金厚3mm锅炉用钢管厚锅炉用钢管厚7mm汽车齿轮（汽车齿轮（16MnCr5））纸浆过滤器不锈钢纸浆过滤器不锈钢31第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光加工激光加工——熔覆与热处理熔覆与热处理航空发动机叶片修复航空发动机叶片修复熔覆层宽熔覆层宽2mm，，厚厚1mm曲轴花键槽修复（曲轴花键槽修复（18Cr2Ni4W）熔覆层宽熔覆层宽4mm，，厚厚0.5mm线材轧辊修复，线材轧辊修复，熔覆层熔覆层8mm8mm导轨表面强化导轨表面强化 (材料材料: 高强钢高强钢) 32第五章第五章 激光加工技术激光加工技术激光加工激光加工——生物芯片生物芯片多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片20个个循环循环PCR微流控微流控芯芯毛细管微毛细管微流控流控芯芯。