工程材料的激光加工.doc

激光加工技术1）CO2和Nd:YAG激光器激光器1.Nd:YAG激光器N d:Y A G激光器的激光工作物质为固态的N d:Y A G棒，其激光波长为1.06μm由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到Y A G棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高但由于N d:Y A G激光器可以通过开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；N d:Y A G激光器另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作2.CO2激光器C O2激光器的激光工作物质为C O2混合气体，其主要应用的激光波长为10.6μm由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平，满足大功率激光加工的要求国内外用于激光加工的大功率C O2激光器，主要是横流、轴流激光器横流激光器的光束质量不太好，为多模输出，主要用于热处理和焊接；轴流激光器的光束质量较好，为基模或准基模输出，主要用于激光切割和焊接由于CO2和Nd:YAG激光器具有巨大的功率输出，能够通过热积累效应使得大量热能沉积在辐照区域导致材料熔融、蒸发、去除。

用这种激光作用到加工材料上时，由于光波产生的电磁场与材料要相互作用，光能可以转化为热能并进一步转化为化学热、机械能，因此材料的被加工区域通常会发生升温、熔化、汽化、等离子化等多种物理或化学变化，所以可以被广泛用于切割、打孔、焊接、淬火和切削加工等机械制造领域激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光热处理和表面处理技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光打标技术、、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术等激光切割激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件,材料吸收光能,温度急剧升高,将材料快速加热至熔化或气化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料在这一过程中,当激光照射工件表面时,一部分光被工件吸收,另一部分光被工件反射吸收部分转化为热能,使工件表面温度急剧升高,材料熔化或气化,同时,产生黑洞效应,使材料对光的吸收率提高,迅速加热熔化或气化切割区材料此时吹氧可以助燃,并提供大量的热能,使切割速度提高等。

切割宜用连续输出激光器特点:激光可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加工材料;切缝宽度很窄; 切割表面光洁; 切割表面热影响层浅,表面应力小; 切割速度快,热影响区小; 无机械变形、无刀具磨损,容易实现自动化生产激光焊接激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上,使工件受热熔化,然后冷却使工件得到焊接激光焊结熔深大,速度快,效率高; 激光焊烧区窄,热影响区很小,工件变形也很小,同时,焊缝小,可实现精密焊接; 焊接结构均匀,品粒很小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法激光热处理激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法如当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时,其表面迅速奥氏体化,然后急速自冷淬火,金属表面迅速被强化,即激光相变硬化(激光淬火)激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用 (一)钻孔 早期激光钻孔采用定点冲击法：即在一个位置上用脉冲激光束不停地加工，直至孔通这种加工方法，使加工的孔深和孔径均受到限制 高重复频率YAG激光器进入实用阶段后，出现了旋切钻孔法(Trepanning)，即用专用光学旋转头或数控自动生成圆轨迹进行激光套料加工。

这不仅消除了孔径限制，且由于有辅助吹气，加工区呈半敞开式，熔融物易排出，故孔表面质量好 对于分布有大量相同规格小孔的零件，特别是回转体，当前又发展了飞行打孔法(Drilling on the fly)，即激光对一个孔位加工一个脉冲后，不管孔是否打通，工件都利用光脉冲间隙快速运动(移动或转动)到下一个孔位，如此进行多次循环对同一位置多次冲击，直至完成所有孔的加工其优点是激光脉冲间隙的时间被用作零件孔的位移，可大大提高加工速度钻孔速度目前为每秒数10孔，预计可达每秒500孔(亚毫米孔径)技术的关键在于激光到达，工件必需运动到位，这对非均布孔来说有很大难度用CNC闭环控制系统控制，当孔加工速率更高时，为保证圆的孔形，在激光作用时间内，激光束必须与零件同步运动 激光飞行打孔在航空零件加工中已得到了应用，环形燃烧室的冷却孔加工是典型的应用实例此外，高速飞机的机翼和发动机进气道的前沿，气流极易与翼表面分离，形成紊流增大而气动力损失，为此，设计了有吸气功能的层流翼(短舱)套，其表面是由1mm厚的钛合金板制成，上面分布了1200万至10亿个锥孔，外表面孔径0.06mm，内表面孔径为0.1mm，孔间距为0.3～1mm，层流翼套的小孔也是用飞行打孔法完成的。

对于微米量级孔径的筛孔，用准分子激光或调Q的YAG激光快速扫描加工(每秒可加工数千孔)可得到满意的结果 (二)切割 激光切割近期仍以CO 2 激光为主，随着器件功率的加大，切割深度和速度都有大幅度提高为提高加工质量，采用高压吹气(压力达1.6～2.0MPa)，用 3.4kW的功率的CO 2 激光可切割5～6mm厚度的铝板，切口光滑，正、背面不留熔渣 值得提出的是采用两束激光复合切割材料，能取得更低的能耗图1是两种激光复合切割的实验装置示意图试验表明，用CO(270W)激光与KrF(30W)激光复合切割，比单用一束CO(300W)激光切割碳钢可提高速度30%，切割厚度可增加40%以上 (三)焊接 激光焊接在仪器仪表业中早有应用，近期研究方向主要集中在航空航天工业中的高温合金、钛合金和铝、镁等难焊接合金的加工;汽车工业中的大厚度、变厚度钢材的深穿透焊接方面 大型客机发动机短舱的吊挂采用2.5kW CO 2 激光焊接技术;发动机的压缩机静子是由激光切割叶型孔后再用激光将叶片和外环焊在一起构成，用2kW连续输出的YAG激光设备加工，焊接速度达7m/min 在汽车行业中，激光焊接所占比例已逐年上升，从车身面板同样材料的焊接发展到不同厚度和不同表面涂层的金属板件的焊接。

法国SCIAKY公司建立了一个6kW的 CO 2 激光加工站，用分光镜将激光束分到12个工位同时进行点焊，5秒钟可焊一件，不仅节省了6～12个电阻点焊机器人，而且因减少搭接宽度使汽车重量减轻56kg 激光焊接技术研究的前沿，一是大功率或超大功率焊接时，对出现的等离子体的控制，采用侧向吹气压缩法，将等离子云压在熔池形成的缝中来改善等离子云的屏蔽行为另一个动向是采用模糊逻辑的方法，对焊接过程进行智能控制，这对变厚度变参量的焊接过程具有重要意义 二、激光领域加工方法的新进展 (一)激光快速成型 激光快速成型技术是激光技术与计算机技术相结合的一项高新制造技术，主要功能是将三维数据快速转化成实体，具有很大效益其基本原理是先在计算机中生成产品的CAD三维实体模型，再将它“切成”规定厚度的片层数据(变换成一系列二维图形数据)，用激光切割或烧结办法将材料进行选区逐层叠加，最终形成实体模型成型原理如图2所示 逐层叠加有以下几种方法： 1.液相树脂固化法(SL)材质是光敏树脂，紫外波段激光作平面选区扫描照射，使树脂按指定区域固化(悬空部分需设支撑)机床作下沉运动，使已成型部分浸没于液面之下这种方法的优点是零件表面光滑，变形小;缺点是强度低，树脂价高且保存期短。

2.选区烧结法(SLS)材质有石蜡、塑料、尼龙、陶瓷、包覆金属和裸金属等，均为粉末状态用50～100W的CO 2 激光器作烧结工具，激光束作二维选区扫描，使粉末“烧结”成型机床须具备送粉、铺粉、刮平及预热等功能这种方法价格便宜，精度较高(±0.1mm)，可直接代替木模制砂型金属零件的快速制造，金属粉末烧结的关键是防氧化和热传导，一种方法是在金属粉末外涂覆粘合剂，用激光选区照射，粘合剂热溶粘接成型后，将零件由粉末中取出，再往缝隙中灌注金属最后制成零件另一种新研究的方法是用无涂覆的金属粉末直接烧结制造零件，如用铜、镍或铝粉，颗粒度在22.5～90μ m间用600W的YAG激光烧结采用这种方法加工的零件材质会出现空隙，为改善空隙，也有采用选区激光直接喷涂叠加成型，原材料为粉状Inconel625，用3kW射频激励的CO 2 激光作光源 3.叠层粘接法(LOM)材质是纸，经背面涂粘接剂等处理选用25～50W的 CO 2 激光平面切割机构，机床完成纸带的送进铺平及滚压(粘接)等功能成型零件尺寸较大，强度较高，但精度较低，腔形零件腔内排废纸难，零件抗潮性差为此，采用后置表面涂覆环氧加铝粉处理，可大大提高纸质的耐温、耐潮湿变形和强度等性能。

快速成型零件还有几种不用激光作工具的方法，如三维打印(FDM)法，固基光敏液相掩模造模造型(SGC)法以及电弧或喷涂添加法等 上述诸多快速成型法为零件由设计到生产提供了经济、准确、快速的工艺路线 (二)激光成形与校形 激光成型和校形是通过激光对材料局部加热产生的热应力，使板材零件发生形变的加工方法根据对局部的均匀和不均匀的加热和冷却方式，可加工不同形状的零件(如图3所示) 该加工方法十分经济，通过选择不同的激光参数，如波长、作用时间、功率等可加工所有材料，适合于许多领域，特别是微电子工业 (三)微细加工 在电子、仪表、航空航天工业中，激光加工可以高效率高质量地完成微细小孔、划片微调、切割、焊接以及标记等加工，其中尤以准分子激光的应用最为广泛由于材料对紫外波吸收率高，准分子激光脉宽窄，因而有极高的功率密度准分子激光除作常规的钻、切、划加工外，还可用掩模法直接在工件上生成图案激光辐照的地方，材料被光化学的消融作用而除去，无论钻孔、切割或刻划，都是直壁尖角，没有热影响区加工尺寸小，可达亚微米量级，精度取决于掩模，效率取决于激光的功率 掩模法又有工件表面直接掩模和掩模投影两种，如图4所示近期在微细加工领域开发激光清洗和激光作为夹持工具(镊子)的研究。

激光清洗是指去除超净超光滑表面污染微粒，其原理是激光能量被微粒或表面或人为的清洗介质(如水)吸收后产生爆炸性汽化时，把微粒从表面上除去该法可有效地用于半导体器件、激光陀螺的研制中激光镊子主要用于有机材料的 微粒搬运和固定，其原理是微米量级的有机微粒在激光的束腰处，要受一对极子力(当微粒1μ m时)或折射力(当微粒＞1μ m时)的作用，这些力都是把微粒拉向激光的束腰(光最强处)中心处，因此，可借移动或固定激光束来夹持微粒 (四)纳米材料的制备 纳米材料被称为21世纪新材料的基础，所谓纳米材料是指材料的颗粒直径在1～100nm之间的材料当材料颗粒达到这个量值时，由于表面效应、小尺寸效应和量子效应，导致材料特性发生变化，如反射率和熔点下降，硬度增高等应用激光技术可制备纳米材料准分子激光对材料有很强的消融作用，如铝材在强激光照射下，表面出现等离子体云，注入氧气或氮气，便可生成Al 203或AlN的微粒，直径在3～7nm范围，每小时可产生十余毫克 (五)激光复合加工 不同的激光复合或激光和其它能源共同对材料的复合加工，目前大多用于材料表面改性处理日本新制铁。