激光原理---激光加工技術(shù)

1、激光原理與應(yīng)用激光加工技術(shù)制作人：光信息七班劉博清 1210407038 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術(shù)。激光加工作為先進制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。激光加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比具有很多優(yōu)點，所以得到如此廣泛的應(yīng)用。尤其適合新產(chǎn)品的開發(fā)：一旦產(chǎn)品圖紙形成后，馬上可以進行激光加工，可以在最短的時間內(nèi)得到新產(chǎn)品的實物。1、光點小，能量集中，熱影響區(qū)小；2、不接觸加工工件，對工件無

2、污染；3、不受電磁干擾，與電子束加工相比應(yīng)用更方便；4、激光束易于聚焦、導(dǎo)向，便于自動化控制。5、范圍廣泛：幾乎可對任何材料進行雕刻切割。6、安全可靠：采用非接觸式加工，不會對材料造成機械擠壓或機械應(yīng)力。7、精確細致：加工精度可達到0.1mm8、效果一致：保證同一批次的加工效果幾乎完全一致。9、高速快捷：可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進行高速雕刻和切割，且激光切割的速度與線切割的速度相比要快很多。10、成本低廉：不受加工數(shù)量的限制，對于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。11、切割縫細?。杭す馇懈畹母羁p一般在0.1-0.2mm。12、切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺。13、熱變形?。杭す饧庸さ募す飧?/p>

3、縫細、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。14、適合大件產(chǎn)品的加工：大件產(chǎn)品的模具制造費用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料沖剪時形成的塌邊，可以大幅度地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品的檔次。15、節(jié)省材料：激光加工采用電腦編程，可以把不同形狀的產(chǎn)品進行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企業(yè)材料成本。激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等的特種加工。早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、 氣體激光器加工原理高重復(fù)頻率釔鋁石榴

4、石激光器的出現(xiàn)，以及對激光加工機理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計算機數(shù)字控制、工業(yè)機器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機的自動化水平和使用功能。 固體激光器加工原理從激光器輸出的高強度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點處的功率密度高達10(10(瓦/厘米(，溫度高達1萬攝氏度以上，任何材料都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對材料進行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器和氣體激光器。激光加工：激光束作用

5、于物體表面而引起的物體成形或改性的加工過程， 主要包括激光熱加工和激光光化學(xué)反應(yīng)加工。 1. 激 光 熱 加 工 原 理 2. 激 光 表 面 改 性 技 術(shù) 3. 激 光 去 除 材 料 技 術(shù) 4. 激 光 焊 接 其 他 激 光 加 工 技 術(shù)1. 無論是哪一種激光加工的方法，都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。在不同激光參數(shù)下的各種加工的應(yīng)用范圍如圖圖7-1 各種參數(shù)條件下激光加工的可能應(yīng)用和影響2. 對激光與材料的相互作用過程的物理描述可以分為以下四 個方面： (1) 材料對激光的吸收 激光熱加工時首先發(fā)生的是材料對激光能量的吸收。 (2) 材料的加熱 透入

6、材料內(nèi)部的光能主要對材料起加熱作用。 (3) 材料的熔化與汽化 激光功率密度過低，則能量會擴散到較大的體積內(nèi)，使焦點處熔化的深度很小；激光功率密度過高，材料在表面汽化，不在深層熔化(4) 激光等離子體屏蔽現(xiàn)象 等離子體迅速向外膨脹，在此過程中繼續(xù)吸收入射激光，阻止激光到達靶面，切斷了激光與靶的能量耦合（吸收、散射、折射）。激光表面改性技術(shù)：材料表面局部快速處理工藝的一種新技術(shù)，包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光沖擊強化、激光表面毛化等。 激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用1. 1. 激光淬火技術(shù)：激光淬火技術(shù)： （1）利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速

7、升到相變點以上。 2）當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。 激光淬火原理與感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火技術(shù)類似，只是其所使用的能量的密度更高，加熱速度更快，工件形變小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制。 柔性激光加工系統(tǒng)示意圖激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用 2. 激光淬火可以使工件表層0.1到1.0mm范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向分布曲線圖基材含碳量與激光淬火層顯微硬度的關(guān)系激光表面熔凝技術(shù)激光表面熔凝技術(shù) 1. 激光表面熔凝技術(shù)：用激光束將表面熔化而不加

8、任何合金元素，以達到表面組織改善的目的。 2. 與激光淬火工藝相比： （1）激光熔凝處理的關(guān)鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個快速熔化一凝固過程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。激光熔凝處理后橫截面組織示意圖 (2）工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材，如圖7-9所示。 （3）表面粗糙度較大，后續(xù)加工量大 。 激光熔凝處理后橫截面組織示意圖激光熔覆技術(shù)激光熔覆技術(shù)1. 激光熔覆技術(shù)：通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，以改善其表面性能的工藝。2. 激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂

9、層法和同步送料法。 同步送料法激光熔覆示意圖激光焊接：是一種材料連接，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。它和傳統(tǒng)的焊接技術(shù)一樣，通過將材料連接區(qū)的部分熔化而將兩個零件或部件連接起來。 1. 激光焊接相對于傳統(tǒng)方式的優(yōu)點： 1）用激光很容易對一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料實施焊接 2）在激光焊接過程中無機械接觸，易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形。 3）激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。2. 激光焊接主要有熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種。激光熱導(dǎo)焊激光熱導(dǎo)焊 1. 激光熱導(dǎo)焊熱導(dǎo)焊時，激光輻射在材料表面轉(zhuǎn)化為熱能，統(tǒng)過熱傳導(dǎo)的方式向內(nèi)部擴散，使材料熔化并

10、形成熔池，待熔池凝固后形成連接兩塊材料的焊縫。 熱導(dǎo)焊的激光功率為105w/cm2 左右，是靠熱傳導(dǎo)進行焊接的，焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比最大為3:1。激光熱導(dǎo)焊激光熱導(dǎo)焊 2. 激光熱導(dǎo)焊的工藝參數(shù)1）離焦量對焊接質(zhì)量的影響：要求熔深較大時采用負離焦，焊接薄材料時宜用正離焦,此外離焦量還直接影響到焊逢的寬度。 2）脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形：為了突破高反射率的屏障，使金屬瞬間熔化把反射率降低下來，實現(xiàn)后續(xù)的熱導(dǎo)焊過程，需要脈沖帶有一個前置的尖峰。3）脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度：脈寬時間長，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之熱影響區(qū)域則小。激光深熔焊激光深熔焊 1. 激光深熔焊的原理當(dāng)激光功率密

11、度達到106107Wcm2時，功率輸入遠大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成匙孔， 孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。 激光深熔焊激光深熔焊 2. 激光深熔焊的工藝參數(shù)1）臨界功率密度：深熔焊時，功率密度必須大于某一數(shù)值，才能引起小孔效應(yīng),這一數(shù)值稱為臨界功率密度。2）激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)；激光功率一定，提高焊接速度焊接熔深減少。深熔焊小孔示意圖 1快速成型技術(shù)的基本工作原理是：離散、堆積。 2立體光造型技術(shù) 立體光造型技術(shù)的原理示意圖4激光熔覆成型技術(shù) 1激光熔覆成型技術(shù)原理示意圖激光熔覆的復(fù)雜截面變換器5激光近型制造技術(shù) 激光近形制造技術(shù)，將快速成型技術(shù)中的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和激光熔覆成型技術(shù)結(jié)合了起來。激光近形制造技術(shù)的基本原理示意圖6薄片疊層制造技術(shù) 首先用大功率激光束切割金屬薄片。然后將多層薄片疊加并使其形狀逐漸發(fā)生變化，最終獲得所需原型(模具)的立體幾何形狀。薄片疊層制造技術(shù)原理示意圖 激光清洗技術(shù)激光清洗技術(shù)