激光加工技術(shù)

1、激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)簡介激光加工技術(shù)簡介激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 人們曾用凸透鏡將太陽光聚焦，使紙張木材引燃，人們曾用凸透鏡將太陽光聚焦，使紙張木材引燃，但無法用做材料加工。原因何在？但無法用做材料加工。原因何在？1、地面上太陽光的能量密度不高。、地面上太陽光的能量密度不高。2、太陽光不是單色光，而是紅橙黃綠青藍(lán)紫等多種不同、太陽光不是單色光，而是紅橙黃綠青藍(lán)紫等多種不同波長的多色光，聚焦后焦點(diǎn)不在同一平面上。波長的多色光，聚焦后焦點(diǎn)不在同一平面上。 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 只有激光是可控的單色光，強(qiáng)度高，能量密度大，只有激光是可控的單色光，強(qiáng)度高，能量密度大，聚焦后可以在空

2、氣介質(zhì)中將任何材料融化、氣化，高聚焦后可以在空氣介質(zhì)中將任何材料融化、氣化，高速加工各種材料。速加工各種材料。 激光技術(shù)是激光技術(shù)是20世紀(jì)世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新興年代初發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，在材料加工方面，已逐步形成一種嶄新的加工科學(xué)，在材料加工方面，已逐步形成一種嶄新的加工方法方法激光加工（簡稱激光加工（簡稱LBM lasser beam machining）。激光加工可以用于打孔、切割、焊接、）。激光加工可以用于打孔、切割、焊接、熱處理等各個(gè)領(lǐng)域。熱處理等各個(gè)領(lǐng)域。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、激光加工的原理和特點(diǎn)一、激光加工的原理和特點(diǎn) 二、二、 激光加工基本

3、設(shè)備及其組成部分激光加工基本設(shè)備及其組成部分 三、激光加工的應(yīng)用三、激光加工的應(yīng)用 四、激光空化泡概述四、激光空化泡概述激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)一、激光加工的原理和特點(diǎn)一、激光加工的原理和特點(diǎn)（一）、（一）、 激光的產(chǎn)生原理激光的產(chǎn)生原理 1、光的物理概念及原子的發(fā)光過程、光的物理概念及原子的發(fā)光過程（1）光的物理概念 光究竟是什么？直到近代，人們才認(rèn)識(shí)到光即具有波動(dòng)性，又具有微粒性，也就是說，光具有波粒二象性。 根據(jù)光的電磁學(xué)說，可以認(rèn)為光實(shí)質(zhì)上是一定波長范圍內(nèi)的電磁波，同樣也有波長、頻率、波速C，它們?nèi)咧g的關(guān)系為激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) =C/V 如果把所有電磁波按波長和頻率依次進(jìn)行排

4、列，就可以得到電磁波波譜。如圖。 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)人們能夠看見的光稱為可見光，它的波長為人們能夠看見的光稱為可見光，它的波長為0.4-0.76um。根據(jù)波長不同，可見光分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、根據(jù)波長不同，可見光分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等七種光，波長大于紫等七種光，波長大于0.76um的稱為紅外光或紅外線，的稱為紅外光或紅外線，小于小于0.4的稱為紫外線。的稱為紫外線。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 根據(jù)光的量子學(xué)說，又可以認(rèn)為光是一種具有一定能量的以光速運(yùn)動(dòng)的微粒子流，這種具有一定能量的粒子就稱為光子。不同頻率的光對(duì)應(yīng)于不同能量的光子，光子的能力與光 的頻率成正比。光子能量：E=

5、hv（2）原子的發(fā)光 原子由原子核和繞原子核作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子組成。原子的內(nèi)能就是電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能和電子被原子核吸引的位能之和。如果由于外界的作用，使電子與原子核的距離增加或縮小，則原子的內(nèi)能也隨之增大或縮小。只有電子在最靠近原子核的軌道上運(yùn)動(dòng)才是最穩(wěn)定的，人們把這時(shí)原子所處的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)基態(tài)。當(dāng)外界傳給原子一定的能量時(shí)，原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道半徑擴(kuò)大，被激發(fā)到高能級(jí)，稱為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 被激發(fā)到高能級(jí)的原子一般是很不穩(wěn)定的，它總是力圖回到能量較低的能級(jí)去，原子從高能級(jí)回落到低能級(jí)的過程，稱為“躍遷躍遷”。 在基態(tài)時(shí)，原子可以長時(shí)間的存在

6、，而在激發(fā)狀態(tài)的各種高能級(jí)的原子停留的時(shí)間一般都較短。但有些原子或離子的高能級(jí)或次高能級(jí)卻有著較長的壽命，這種壽命較長的較高能級(jí)，稱為亞穩(wěn)定能級(jí)亞穩(wěn)定能級(jí)。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 當(dāng)原子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)或基態(tài)時(shí)，常常會(huì)以光子的形式輻射出光能量，所放出光的頻率V與高能態(tài)En和低能態(tài)E1之差的關(guān)系為 V=En-E1/h 式中h為普朗克常數(shù) 原子從高能態(tài)自發(fā)的躍遷到低能態(tài)而發(fā)光的過程，稱為自發(fā)輻射自發(fā)輻射，日光燈等光源都是由于自發(fā)輻射而發(fā)光的。由于各個(gè)受激原子自發(fā)躍遷返回基態(tài)時(shí)在時(shí)序上先后不一，輻射出來的光子在各個(gè)方向上。加上它們的激光能級(jí)較多，自發(fā)輻射出來光的頻率和波長大小不一，所以單色性

7、差，方向性也差。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 物質(zhì)的發(fā)光除自發(fā)輻射外，還存在一種受激輻射受激輻射。當(dāng)一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子的系統(tǒng)中，若這束光的頻率V與En-E1/h很接近，則處在激發(fā)能級(jí)上的原子，在這束光的刺激下會(huì)躍遷回較低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一束光，這束光與入射光有著完全相同的特性，它的頻率、相位、傳播方向、偏振方向都完全一致的。因此可以認(rèn)為它們是一模一樣的，相當(dāng)于把入射光放大，這樣的發(fā)光過程稱為受激輻射，受激輻射是產(chǎn)生激光的基礎(chǔ)。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（3）、激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生 某些具有亞穩(wěn)定能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光子能量激發(fā)的條件下，會(huì)吸收光能，使處在較高能級(jí)的原子數(shù)目大于處于低能

8、級(jí)的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，如果有一束光子照射該物體，而光子的能量恰好等于這兩個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能量差，這時(shí)就能產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（二）激光的特性（二）激光的特性1、強(qiáng)度高 一臺(tái)紅寶石脈沖激光器的亮度要比高壓脈沖氙燈高37億倍，比太陽表面的亮度也要搞20多億倍2、單色性好 激光出現(xiàn)之前，單色性最好的光源要算氪燈，它發(fā)出的單色光中心波長為605.7nm，譜線寬0.00047nm，激光出現(xiàn)后，激光的譜線寬可小于10-8nm3、相干性好4、方向性好激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（三）激光加工的特點(diǎn)（三）激光加工的特點(diǎn)激光加工的特

9、點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：1、幾乎對(duì)所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。 2、激光能聚焦成極小的光斑，可進(jìn)行微細(xì)和精密加工，如微細(xì)窄縫和微型孔的加工。3、可用反射鏡將激光束送往遠(yuǎn)離激光器的隔離室或其它地點(diǎn)進(jìn)行加工。 4、加工時(shí)不需用刀具，屬于非接觸加工，無機(jī)械加工變形。 5、無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動(dòng)控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)二、二、 激光加工基本設(shè)備及其組成部分激光加工基本設(shè)備及其組成部分激光加工的基本設(shè)備由激光器、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)和加工機(jī)(激光加工系統(tǒng))三部分組成。（一）激光器（一）激光器激光器是激光加工的重要設(shè)備，它的任務(wù)是把電能轉(zhuǎn)變成光能

10、，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為1、固體激光器：紅寶石激光器、釹玻璃激光器、YGA (摻釹釔鋁石榴石)激光器2、氣體激光器：二氧化碳激光器、氬離子激光器激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)封離式封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（二）導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)（二）導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。（三）激光加工系統(tǒng)（三）激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)

11、電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多激光加工系統(tǒng)已采用計(jì)算機(jī)來控制工作臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光加工示意圖1234561激光器；2激光束；3全反射棱鏡；4聚焦物鏡；5工件；6工作臺(tái)激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)三、三、激光加工的應(yīng)用激光加工的應(yīng)用（一）激光打孔（一）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。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機(jī)械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務(wù)。

12、激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 激光打孔中，要詳細(xì)了解打孔的材料及打孔要求。從理論上講，激光可以在任何材料的不同位置，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一臺(tái)打孔機(jī)，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，最好要對(duì)現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進(jìn)行充分的了解，以確定能否打孔。激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時(shí)間、焦距與發(fā)散角、焦點(diǎn)位置、光斑內(nèi)能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關(guān)。在實(shí)際加工中應(yīng)合理選擇這些工藝參數(shù)。 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（二）激光切割（二）激光切割激光切割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。激光

13、加工技術(shù)激光加工技術(shù)平面鏡激光束輔助氣體鈦合金噴嘴聚焦透鏡激光器圖7-10 CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 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，故在實(shí)際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（三）激光焊接（三）激光焊接當(dāng)激光的功率密度為105107 W/cm2，照射時(shí)間約為1/100 s左右時(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

14、工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖7-12所示。 激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進(jìn)行焊接。 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)圖7-12 激光焊接過程示意圖12341激光；2被焊接零件；3被熔化金屬；4已冷卻的熔池激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) （四）激光表面處理（四）激光表面處理當(dāng)激光的功率密度約為103105 W/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0.71.1 mm，淬火層硬度比常規(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7-13為激光表面淬火處理應(yīng)用實(shí)例。激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光表面強(qiáng)化處理應(yīng)用實(shí)例淬硬表面淬硬表面(a) 圓錐表面(b) 鑄鐵凸輪軸表面激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)（五）激光打標(biāo)和雕刻（五）激光打標(biāo)和雕刻 傳統(tǒng)的打標(biāo)是用酸腐蝕的，不僅有污染，而且要好幾步工藝，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。激光打標(biāo)無污染，而且標(biāo)記不易磨損。目前在汽車業(yè)及半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)普及。激光打標(biāo)分兩種方式：一種是用掩模板在產(chǎn)品上形成固定的標(biāo)記，另一種是用計(jì)算機(jī)