《特種加工》課件-第5章

第5章激光加工5.1激光加工的原理及特點5.2激光加工的設備5.3激光加工的應用 5.1激光加工的原理及特點

5.1.1激光加工的原理

激光技術是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新興學科。所謂激光，是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小，且單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的（微米甚至亞微米）小斑點上，加上它本身強度高，因此可以使其焦點處的功率密度達到107～1011W/cm2，溫度可達10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產生方向性很強的沖擊。

激光加工（LaserBeamMachining，LBM）就是利用激光的能量經過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，從而產生光熱效應來加工各種材料的。激光加工過程是工件在光熱效應下產生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程，如圖5－1所示。圖5－1激光加工示意圖

由于激光加工不需要加工工具，而且加工速度快，表面變形小，因此可以加工各種材料（如對各種硬、脆、軟、韌、難熔的金屬和非金屬進行切割和微小孔加工），已經在生產實踐中愈來愈多地顯示出了它的優(yōu)越性，所以很受人們的重視。激光加工不僅可以用于打孔、切割，而且可用于電子器件的微調、焊接、熱處理以及激光存儲等各個方面。5.1.2激光加工的特點

激光加工具有如下特點：

（1）激光經過聚焦后，功率密度高達107～1011W/cm2，光能轉化為熱能后，幾乎可以加工任何材料，如高硬材料、耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆材料和工程塑料等非金屬材料。

（2）激光光斑大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調節(jié)，因此可以用于精密微細加工。

（3）激光加工所用工具是激光束，是非接觸加工，所以沒有明顯的機械力，沒有工具損耗問題；加工速度快、熱影響區(qū)小，容易實現加工過程自動化。激光加工還能通過透明體進行，如對真空管內部進行焊接加工等。（4）和電子束加工等比較起來，激光加工裝置比較簡單，不要求復雜的抽真空裝置。

（5）激光加工是一種瞬時、局部熔化、汽化的熱加工，影響因素很多，因此，精微加工時，精度，尤其是重復精度和表面粗糙度不易保證，必須進行反復試驗，尋找合理的參數，才能達到一定的加工要求。由于光的反射作用，對于表面光澤或透明材料的加工，必須預先進行色化或打毛處理，使更多的光能被吸收后轉化為熱能，從而用于加工。

（6）加工速度快、效率高。一般激光打孔只需0.01s；激光切割可比常規(guī)方法提高效率8～20倍；激光焊接可提高效率約30倍；激光微調薄膜電阻可提高工效1000倍，提高精度1～2個數量級。（7）通過選擇適當的加工條件，可用同一臺裝置對工件進行切割、打孔、焊接和表面處理等多種加工，節(jié)省了工時，降低了成本。

（8）節(jié)能和節(jié)省材料。激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的10～1000倍，激光切割可節(jié)省材料15%～30%。

（9）加工中會產生金屬氣體及火星等飛濺物，要注意通風抽走，操作者應穿戴防護服、防護眼鏡等。 5.2激光加工的設備

激光加工的基本設備包括激光器、電源、光學系統及機械系統等四大部分。圖5－2所示為激光加工裝置結構方框圖。圖5－2激光加工裝置結構方框圖

1．激光器

激光器是激光加工的重要設備，它把電能轉變成光能，產生激光束。

激光器按工作物質的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器四大類。表5－1列出了激光加工中常用激光器的主要性能特點。表5－1常用激光器的性能、特點及用途

由于He－Ne(氨－氖)氣體激光器所產生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機械制造的精密測量中被廣泛采用。在激光加工中要求輸出功率與能量大，因而目前多采用二氧化碳氣體激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石激光器)等固體激光器。

2．激光器電源

激光器電源為激光器提供所需要的能量及控制功能。

3．光學系統

光學系統包括激光聚焦系統和觀察瞄準系統，前者用于激光束聚焦，后者能觀察和調整激光束的焦點位置，并將加工位置在投影儀上顯示。

4．機械系統

機械系統主要包括床身、能在三坐標范圍內移動的工作臺及機電控制系統等。目前，許多激光加工機已采用計算機來控制工作臺的移動，實現激光加工的數控操作。

激光加工機的種類也越來越多，完善程度不同，結構形式也不單一。圖5－3所示為某固體激光加工機的外形示意圖。圖5－3激光打孔機

5.3激光加工的應用

5.3.1常用的激光加工工藝

1．激光打孔

隨著近代工業(yè)技術的發(fā)展，硬度大、熔點高的材料的應用越來越多，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，化學纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機中的燃料噴嘴等。對于這類加工任務，常規(guī)的機械加工方法實現很困難，有的甚至是不可能實現的，而用激光打孔則能比較好地完成任務。激光打孔可分為五個階段：表面加熱、表面熔化、汽化、氣態(tài)物質噴射和液態(tài)物質噴射，如圖5－4所示。圖5－4激光打孔過程示意圖(a)表面加熱；(b)表面熔化；(c)汽化；(d)氣態(tài)物質噴射；(e)液態(tài)物質噴射

激光打孔的特點是速度快、效率高，現在最快每秒可以打孔100個；打孔的孔徑可以從幾微米到任意孔徑；可以實現在任何材料上打孔，如寶石、金剛石、陶瓷、金屬、半導體、聚合物和紙等；不需要工具，也就不存在工具磨損和更換工具問題，因此特別適合自動化打孔。另外，激光還可以打斜孔，如航空發(fā)動機上大量的斜孔加工。與其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能夠在大氣中進行打孔。

2．激光切割

激光切割(如圖5－5所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動。在實際加工中，采用工作臺數控技術可以實現激光數控切割。圖5－5

CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細切割，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，由于激光對被切割材料不產生機械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，因此在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。

激光切割過程中，影響激光切割的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。圖5－6振鏡式激光打標原理圖

3．激光打標

激光打標是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標志。圖5－6所示為激光打標原理圖。

激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產生內應力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標刻速度快，運行成本低，無污染，可顯著提高被標刻產品的檔次。

激光打標廣泛應用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通信器材、計算機外圍設備、鐘表等產品和煙酒食品防偽等行業(yè)。

4．激光焊接

當激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時間約為1/100s時，可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖5－7所示。圖5－7激光焊接過程示意圖圖5－8激光表面強化處理應用實例

（a）圓錐表面；（b）鑄鐵凸輪軸表面

5．激光表面處理

當激光的功率密度約為103～105W/cm2時，便可實現對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層深度比常規(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化問題。圖5－8所示為激光表面淬火處理應用實例。5.3.2激光加工應用實例

在實際工業(yè)應用中，目前激光已廣泛應用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃內雕、激光微調、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修