激光束加工方法

1、 高能束加工方法論文 學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械制造設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化 班級(jí)：2010級(jí)機(jī)電（3）班 姓名：趙小強(qiáng) 學(xué)號(hào)：10010318目 錄1前言32激光加工的特性32.1激光技術(shù)原理32.2激光加工技術(shù)的先進(jìn)性43激光加工的應(yīng)用43.1激光切割43.1.1激光切割的原理43.1.2激光切割的分類43.2激光焊接53.2.1激光焊接的原理53.2.2激光焊接的分類53.3激光打孔63.3.1激光打孔的原理63.3.2激光打孔的分類6 3.4 激光熱處理.6 3.5 激光特種加工方法的發(fā)展.74 加工精度.75激光加工的展望8參考文獻(xiàn)9 激光加工的應(yīng)用及展望摘 要：激光加工由于其不需要加工工

2、具，加工速度快，表面變形小，可控性好，程序簡(jiǎn)單污染程度小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是一些微細(xì)加工和某些傳統(tǒng)加工方法難以達(dá)到的高硬度、高熔點(diǎn)材料。通過(guò)介紹幾種激光加工的實(shí)際應(yīng)用，并分析其發(fā)展?fàn)顩r，提出在科技不斷進(jìn)步，技術(shù)不斷提高的時(shí)代，激光加工的應(yīng)用也會(huì)涉及更多的領(lǐng)域并且有良好的發(fā)展前景。1 前言激光是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強(qiáng)化的光。激光加工技術(shù)即利用激光與物質(zhì)相互的特性對(duì)材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門技術(shù)1，是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的嶄新的加工方法。激光不需要加工工具和特殊的環(huán)境，加工速度快，可控性好，對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸等要求小，特別適用于自動(dòng)化加工。其諸

3、多優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于電氣與電子、機(jī)械工業(yè)、化工、輕工等工業(yè)部門。從激光加工的興起到廣泛應(yīng)用，其加工技術(shù)也不斷地發(fā)展，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。2 激光加工的特性2.1激光技術(shù)原理激光具有一般光的共性，但更重要的是它的特性，即強(qiáng)度高、單色性好、相干性好、方向性好。2科學(xué)家在電管中以光或電流的能量來(lái)撞擊某些晶體或原子易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達(dá)到受激發(fā)的高能量狀態(tài)。當(dāng)這些電子要回復(fù)到平靜的低能量狀態(tài)時(shí)，原子就會(huì)射出光子，以放出多余的能量。這些被放出的光子又會(huì)撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引起一連串的連鎖反應(yīng)，并且都朝同一個(gè)方向前進(jìn)，進(jìn)而形成集中地朝向某一方向的強(qiáng)烈光束。3激光的這個(gè)特性表

4、明其可以在一個(gè)狹小的范圍內(nèi)集中高能量，聚焦以后可以穿透各種材料。這個(gè)主要特性使其得以廣泛應(yīng)用。2.2 激光加工技術(shù)的先進(jìn)性激光的四大特性為激光加工帶來(lái)了很多其他傳統(tǒng)加工所不具備的優(yōu)勢(shì)。激光加工不需要工具，屬于非接觸加工，故不存在設(shè)計(jì)制造工具和加工過(guò)程中工具損耗的問(wèn)題，并且很適宜自動(dòng)化連續(xù)操作。激光能聚焦成極小光斑，可進(jìn)行細(xì)微和精密加工，并且可以加工任何硬度的金屬和非金屬材料，加工速度快、效率高，使其應(yīng)用靈活，大大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并且不會(huì)產(chǎn)生污染。激光加工技術(shù)的各種特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)讓激光加工發(fā)揮著重要的作用，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。3 激光加工的應(yīng)用激光加工技術(shù)的上述先進(jìn)性為其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，使其具體應(yīng)用在激光

5、切割，激光焊接，激光打孔，激光打標(biāo)，激光雕刻等比較常用的加工方法和加工范圍。隨著技術(shù)的不斷提高和各種需求的不斷增長(zhǎng)，激光還應(yīng)用在激光淬火，激光熔覆，激光快速成型技術(shù)，還有水導(dǎo)激光等非常規(guī)激光加工。3.1激光切割激光切割是激光加工技術(shù)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一個(gè)方面，因此其加工過(guò)程既符合激光與材料的作用原理，又具有自己的特點(diǎn)。3.1.1激光切割的原理 激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使其照射處的材料迅速即熔化、汽化、燒蝕，并形成孔洞，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，隨著光束和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終使工件形成切縫，從而實(shí)現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。43.1.2激光切割的分類 從切

6、割過(guò)程不同的物理形式來(lái)看，激光切割大致可以分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割，其中以氧助熔化切割應(yīng)用最廣泛。汽化切割：工件在激光束加熱下升至沸點(diǎn)以上溫度，部分材料化作蒸氣逸去，部分作為噴出物從切割逢底部吹走。這是對(duì)不能熔化的材料如木材、碳素和某些塑料所要采用的切割方式。熔化切割：激光束功率密度超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)在工件內(nèi)部蒸發(fā)，形成空洞。然后，與光束同軸的輔助氣流把空洞周圍的熔融材料驅(qū)除、帶走。對(duì)于薄板材料，提高速度使更多光束照射材料，增加與材料的耦合功率，獲得保證切割質(zhì)量的較寬參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)。對(duì)于厚板材料，在冷氣流凝固前除去熔化產(chǎn)物，切割過(guò)程則可以繼續(xù)進(jìn)行。氧助熔化切割：如果用氧或其

7、它活性氣體代替熔化切割所用的惰性氣體，由于熱基質(zhì)的點(diǎn)燃，激光能外的另一熱源同時(shí)產(chǎn)生。在擁有兩個(gè)能源的氧助切割過(guò)程中，存在著兩個(gè)切割區(qū)域：一個(gè)區(qū)是氧燃燒速度高于光束行進(jìn)速度，這時(shí)切割縫寬且粗糙；另一個(gè)區(qū)是激光束行進(jìn)速度比氧燃燒速度快，所得切縫狹而相當(dāng)光滑?？刂茢嗔亚懈睿和ㄟ^(guò)激光束加熱，易受熱破壞的脆性材料高速、可控地切斷。其速度快，只需很小的功率。激光切割總的特點(diǎn)是高速度、高質(zhì)量切割，其主要的不足之處是切割深度有限和一次性投資較大。但是在常規(guī)方法不變切割的地方，激光切割就具有較大優(yōu)越性，隨著激光系統(tǒng)質(zhì)量不斷提高和激光加工系統(tǒng)價(jià)格逐漸降低，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。3.2激光焊接 工業(yè)激光器作為一種高效可

8、靠地生產(chǎn)工具已被廣泛接受，激光焊接作為一種重要的激光加工技術(shù)得到了日益廣泛的應(yīng)用和不斷地開發(fā)于研究。3.2.1激光焊接的原理 將高強(qiáng)度激光束直接輻射至材料表面，通過(guò)激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實(shí)現(xiàn)焊接。激光與材料相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)光的反射、光的吸收、熱傳導(dǎo)及物質(zhì)的傳導(dǎo)。3.2.2激光焊接的分類 按激光光束的輸出方式的不同，可以把激光焊分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊。若根據(jù)激光焊時(shí)焊縫的形成特點(diǎn)，又可以分為熱導(dǎo)焊和深熔焊。5熱傳導(dǎo)焊接：在熱傳導(dǎo)型激光焊接中，輻射至材料表面的功率密度較低，光能量只能被表層吸收，不產(chǎn)生非線性效應(yīng)或小孔效應(yīng)。深熔焊：其機(jī)制與電子束焊和等離子焊很相似，其能量傳遞

9、與轉(zhuǎn)換是通過(guò)“小孔”完成的。當(dāng)激光束功率密度足夠高，引起被焊金屬材料蒸發(fā)時(shí)，小孔即可想成。但是在大多數(shù)常規(guī)焊接很熱傳導(dǎo)焊接過(guò)程中，能量首先積聚在材料表面。然后通過(guò)熱傳導(dǎo)帶到材料內(nèi)部，是兩種不同的焊接機(jī)制。激光焊接是一種無(wú)接觸加工，對(duì)焊接零件沒有外力作用。激光能量高度集中，對(duì)金屬快速加熱，快速冷卻，對(duì)許多零件熱影響可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為不產(chǎn)生熱變形，或者說(shuō)熱變形極小。能夠焊接高熔點(diǎn)、難熔、難焊的金屬，并且在焊接過(guò)程中對(duì)環(huán)境沒有污染。激光焊接在電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、儀表工業(yè)、電池工業(yè)、醫(yī)療儀器以及許多行業(yè)中均得到了廣泛的應(yīng)用。3.3激光打孔激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的重要應(yīng)

10、用領(lǐng)域之一。3.3.1激光打孔的原理 激光打孔過(guò)程是一個(gè)激光和物質(zhì)相互作用的熱物理過(guò)程，它是由激光光束特性和物質(zhì)諸多的熱物理特性決定的。激光打孔在激光加工中屬于激光去除類，也被稱為蒸發(fā)加工。3.3.2激光打孔的分類 激光打孔分類方法較多，按激光打孔的原理、激光運(yùn)轉(zhuǎn)方式、打孔材料、激光波長(zhǎng)、空的類型可有不同的分類。按照打孔的原理主要可以分為復(fù)制法和輪廓迂回法。復(fù)制成形法：激光束以一定的形狀及精度重復(fù)照射到被加工工件固定的一點(diǎn)上，在和輻射傳播方向垂直的方向上，沒有光束和工件的相對(duì)位移，所得孔的形狀與激光束相似。通過(guò)調(diào)整參數(shù)或在光學(xué)系統(tǒng)中加入異性孔闌，使輸出激光束以特定的形狀和精度重復(fù)照射到工件固定

11、的一點(diǎn)上，“復(fù)制”出與光束形狀相同的孔。輪廓成形法：采用逐點(diǎn)挖坑，分層去除的方式進(jìn)行激光加工的。利用輪廓成形法，可以對(duì)形狀復(fù)雜的變截面孔加工，并獲得精度很高的孔形。激光打孔的速度快，效率高，可以獲得很大的深徑比，適合數(shù)量多、高密度的群孔加工，還能夠在硬、脆、軟等各類材料上進(jìn)行加工，并且無(wú)污染。利用激光幾乎可以在任何材料上打微型小孔，目前已應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、化學(xué)纖維噴絲板打孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模加工等方面。73.4激光熱處理用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)和控制照射時(shí)間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制

12、熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對(duì)盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長(zhǎng)壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。 3.5激光特種加工方法的發(fā)展激光加工的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，如用激光制造大規(guī)模集成電路，不用抗蝕劑，工序簡(jiǎn)單,并能進(jìn)行0.5微米以下圖案的高精度蝕刻加工，從而大大增加集成度。此外，激光蒸發(fā)、激光區(qū)域熔化和激光沉積等新工藝也在發(fā)展中。4 加工精度激光切割的加工精度是由加工機(jī)性能、光束品質(zhì)、加工現(xiàn)象而決定的整體精度。 4.1、 關(guān)于尺寸變化 即使按照程序進(jìn)行切割，也有加工產(chǎn)品無(wú)法滿足精度要求的情況。所以

13、需要根據(jù)不同的情況采取對(duì)策。 4.1.1加工產(chǎn)品的全體尺寸有變化 這是由于切口上激光焦點(diǎn)直徑和其周圍燃燒區(qū)域形成的切口寬度所影響的。 雖然在相同條件下，對(duì)相同的加工物，使用同一偏置補(bǔ)償值可以確保其精度，但是焦點(diǎn)位置的設(shè)定要憑借加工機(jī)操作人員的感覺來(lái)確定，而且熱透鏡作用也會(huì)造成焦點(diǎn)位置的變化，所以需要定期檢查最佳的偏置補(bǔ)償值。 4.1.2加工方向(部分)上的尺寸誤差有差別 板材上部的尺寸精度與尺寸精度有不同的情況。這個(gè)現(xiàn)象要考慮兩方面 的原因。首先，光束圓度和強(qiáng)度分布不均一，造成切口寬度沿加工方向有所不同。解決的方法是進(jìn)行光軸調(diào)整或清洗光學(xué)部件。其次，被加工物受熱膨脹會(huì)引起加工形狀長(zhǎng)方向尺寸變短

14、的情況。 4.1.3翹曲引起的變化 尺寸精度雖然在要求范圍內(nèi)，但由于熱變形等原因會(huì)造成發(fā)生翹曲。加工鋁、銅、不銹鋼等時(shí)非常顯著，它受到線膨脹系數(shù)、熱容量等物性的影響。就加工形狀來(lái)說(shuō)，縱橫比越大，翹曲量就越大。采用低熱量加工條件以及加工線路等在加工程序上下工夫，但還沒有完全解決問(wèn)題。 加工板件所擁有的殘留應(yīng)力對(duì)翹曲和尺寸誤差也有影響，所以我們需要對(duì)加工程序始終保持一定的配置方向。 4.1.4間距精度變化 加工很多孔時(shí)，孔與孔之間的間距精度會(huì)出現(xiàn)偏差。由于在熱膨脹情況下開孔，冷卻收縮后，間距變小。我們可以在程序中補(bǔ)正收縮部分的精度或者靈活運(yùn)用形狀縮放功能。無(wú)論什么情況，都要在初期加工后，測(cè)定其加工

15、尺寸，補(bǔ)誤差。當(dāng)間隔精度不隨加工位置而變化，而是在整個(gè)加工區(qū)里都惡化時(shí)，其原因是機(jī)械精度的惡化而造成的。 5圓度變化 在激光加工中加工孔切割面產(chǎn)生坡度是無(wú)法避免的，下面直徑比背面直徑大，一般都評(píng)估背面稍小一側(cè)的圓度。5 激光加工的展望由于激光束與物質(zhì)的相互作用研究的發(fā)展，以及激光器的輸出功率的提高并變成了商品，使激光器走出了實(shí)驗(yàn)室變成了工業(yè)中加工材料的設(shè)備。在20世紀(jì)80年代，激光器的質(zhì)量進(jìn)一步提高，反映在自動(dòng)化程度和檢測(cè)、控制功能上的提高。進(jìn)年來(lái)，由于準(zhǔn)分子激光器的發(fā)展，又有了新的激光加工系統(tǒng)。準(zhǔn)分子激光器的光束屬于紫外波段，其加工機(jī)理有別于YAG、CO2激光。準(zhǔn)分子激光加工的前途有待發(fā)展，如何提高準(zhǔn)分子激光器的壽命，如何提高它的輸出功率和改善其輸出光束質(zhì)量也是需要解決的。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光應(yīng)用已經(jīng)滲透到科研、產(chǎn)業(yè)的各個(gè)方面，在新能源、汽車制造、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信及國(guó)防安全等領(lǐng)域都起著重要的作用。在2007年中國(guó)嫦娥探月工程中，激光高度計(jì)、高速CCD相機(jī)已成為探月衛(wèi)星的“千里眼”。世界上已經(jīng)形成了一個(gè)圍繞激光技術(shù)的龐大、高附加值得產(chǎn)業(yè)群。而且有人預(yù)言，未來(lái)激光時(shí)代有可能取代以微芯片為代表的硅時(shí)代。6參考文獻(xiàn)1陳江，劉玉蘭.激光再制造技術(shù)工程化應(yīng)用J.中國(guó)表面工程，2006,