特殊加工工藝--激光加工技術與線切割

1、特殊加工工藝2011.08.25特殊加工工藝特殊加工工藝-激光加工技術與線切割激光加工技術與線切割特殊加工工藝2011.08.251 激光的基本原理激光的基本原理 2 激光的特性激光的特性 3 激光加工的基本原理激光加工的基本原理 4 4 激光表面改性激光表面改性 5 激光焊接激光焊接 6 激光切割激光切割 7 激光打孔激光打孔 8 激光打標和激光雕刻激光打標和激光雕刻 1 激光激光加工技術加工技術特殊加工工藝2011.08.251.1激光的基本原理激光的基本原理 “激光”一詞譯自英語“LASER”，臺灣學者將它音譯為“鐳射”?！凹す狻边@一名稱是由我國著名科學家錢學森教授建議，經(jīng)中國科學院技術

2、科學部討論,于1964年底正式確定的。它是從“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”各詞取第一個字母縮寫而成的，直譯過來就是“受激輻射放大的光”。這一名稱揭示了激光的本質(zhì)：受激輻射放大。特殊加工工藝2011.08.25自發(fā)吸收 電子吸收光子從低“能階”躍遷到高“能階”(圖二 a)。自發(fā)輻射 電子自發(fā)地釋放光子從高“能階”躍遷到較低“能階” (圖二 b)。受激輻射 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高“能階”躍遷到低“能階”，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應于兩個“能階”的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一

3、個光子，最后就變成兩個相同的光子 (圖二 c)。 圖二 原子內(nèi)電子的躍遷過程。1.1激光的基本原理激光的基本原理 電子的躍遷電子的躍遷特殊加工工藝2011.08.25 它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。 激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當中有微量的鉻原子。在開始時，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。 此時，有些電子會通過釋放光子，回到較低的“能階”。而釋放出的光子會被設于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進行受激輻射，使激光的強度增加。 設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射，另一面鏡子則會把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過；而穿過鏡

4、子的光子就構成我們所見的激光。 1.1 激光的基本原理激光的基本原理 紅寶石激光的原理紅寶石激光的原理特殊加工工藝2011.08.251.2 激光的特性激光的特性 （1）方向性沿軸向傳播，發(fā)散角非常小（2）單色性波長頻率確定，單色性好（3）相干性（4）亮度高特殊加工工藝2011.08.251.3 激光加工的基本原理激光加工的基本原理 激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。 由于激光加工是無接觸式加工，具有其他加工技術所沒有的優(yōu)點： 光點小，能量集中，熱影響區(qū)??； 不接觸加工工件，對工件無污染； 不受電磁干擾，與電子束加工相比應用更方便； 激光束

5、易于聚焦、導向，便于自動化控制。 特殊加工工藝2011.08.25 激光加工大體可分為激光熱加工和光化學加工：激光加工大體可分為激光熱加工和光化學加工： 激光熱加工指當激光束照射到物體表面時，引起快速加熱，熱力把對象的特性改變或把物料熔解蒸發(fā)。包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標等； 光化學加工指當激光束加于物體時，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學反應的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等。 1.3 激光加工的基本原理激光加工的基本原理特殊加工工藝2011.08.251.4 激光表面改性激光表面改性 激光表面改性主要用于改善金屬制品的表面性能，它可以顯著提高金屬零件表面的硬度、強

6、度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長產(chǎn)品的使用壽命，降低成本。 激光表面改性技術包括激光淬火激光表面改性技術包括激光淬火( (相變硬化相變硬化) )、激光合金化、激光合金化、激光涂敷（熔敷）、激光非晶化和微晶化、激光沖擊硬化等多激光涂敷（熔敷）、激光非晶化和微晶化、激光沖擊硬化等多種工藝。種工藝。特殊加工工藝2011.08.251.4 激光表面改性激光表面改性 激光淬火是以高能量的激光快速掃描工件，工件表面極薄的一層吸收能量，其溫度迅速上升，此時工件的基體還處于冷態(tài)，由于熱傳導的作用，表面的熱量迅速傳到工件其他部位，工件表面在瞬間實現(xiàn)自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。工件表面

7、在瞬間實現(xiàn)自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。 從理論上講，激光淬火的冷卻速度比一般熱處理淬火的冷從理論上講，激光淬火的冷卻速度比一般熱處理淬火的冷卻速度要提高約卻速度要提高約1000倍。倍。（1）激光淬火）激光淬火特殊加工工藝2011.08.25優(yōu)點：優(yōu)點： 淬硬層晶粒細化，硬度比常規(guī)淬火提高1520。 加熱速度極快，工藝周期短，生產(chǎn)效率高，成本低，工藝過程容易實現(xiàn)計算機控制。 對于槽壁（底）、小孔、盲孔、深孔以及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要光束能照射到的部位均可進行處理。 可進行大型零件局部表面以及形狀復雜零件的硬化處理。 淬硬層深度可精確控制。 可以實現(xiàn)自冷淬火，不需要油或水等介質(zhì)?？梢詫崿F(xiàn)自冷淬火

8、，不需要油或水等介質(zhì)。1.4 激光表面改性激光表面改性（1）激光淬火）激光淬火特殊加工工藝2011.08.25 激光合金化是在高能激光束的作用下，將一種或幾種合金元素與基體材料的表面快速熔化凝固在一起，從而使基體材料的表面具有高合金特性的技術。 簡單地說，激光合金化就是利用激光改變金屬表面的化學成分從而提高表面性曲的一項技術。 經(jīng)過激光合金化處理后的材料，表面是離性能的合金層，材料內(nèi)部仍然是廉價的基體材料。 1.4 激光表面改性激光表面改性（2）激光合金化）激光合金化特殊加工工藝2011.08.25 非晶化的基本準則：將液體以大于一定的冷卻速度迅速冷卻到某一溫度以下，這樣晶體的形核和生長受到限

9、制，來不及形成規(guī)則的晶體組織，從而就可以獲得非晶態(tài)的固體。 激光表面非晶化是利用激光使材料表面薄層熔化，同時在表層的液態(tài)和基體的固態(tài)間保持很高的溫度差，從而實現(xiàn)形成非晶態(tài)所需要的急冷條件。 優(yōu)點：高效率地、易控制地在形狀復雜的制品表面大面積形成非晶層；這將擴大非晶材料的實際應用領域。 1.4 激光表面改性激光表面改性（3 3）激光表面非晶化）激光表面非晶化特殊加工工藝2011.08.251.5 激光焊接激光焊接 激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。 20世紀70年代焊接過程屬熱傳導型，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，即激光輻射加熱工件表面，表

10、面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。 特殊加工工藝2011.08.251.5 激光焊接激光焊接 在足夠高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達25000度左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，

11、隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。 深熔焊接深熔焊接特殊加工工藝2011.08.251、速度快、深度大、變形小。2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。4、焊接深寬比高，可達5：1，最高可達10：1。5、可進行微型焊接。6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接。1.5 激光焊接激光焊接激光焊接的優(yōu)點激光焊接的優(yōu)點特殊加工工藝2011.08.2517特殊加工工藝2011.08.2518特殊加

12、工工藝2011.08.2519特殊加工工藝2011.08.2520特殊加工工藝2011.08.251.5 激光焊接激光焊接激光焊接應用激光焊接應用 微型點焊微型點焊 特殊加工工藝2011.08.251.5 激光焊接激光焊接激光焊接應用激光焊接應用 縫焊縫焊 特殊加工工藝2011.08.251.5 激光焊接激光焊接激光焊接應用激光焊接應用 激光拼焊激光拼焊 激光拼焊是在車身設計制造中，根據(jù)車身不同的設計和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過激光截剪和拼裝技術完成車身某一部位的制造，例如前檔風玻璃框架、車門內(nèi)板、車身底板、中立柱等。激光拼焊具有減少零件和模具數(shù)量、減少點焊數(shù)目、優(yōu)化材料用量、降低零件

13、重量、降低成本和提高尺寸精度等好處，目前已經(jīng)被許多大汽車制造商和配件供應商所采用。特殊加工工藝2011.08.251.6 激光切割激光切割 激光束照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學反應熱能全部被材料吸收，引起照射處的材料溫度急劇上升，到達沸點后，材料開始汽化，并形成孔洞。隨著光束與材料的相對移動，最終使材料形成切縫。切縫處熔渣被具有一定壓力的輔助氣體吹掉。 特殊加工工藝2011.08.25激光切割的特點激光切割的特點1.6 激光切割激光切割 割縫窄，節(jié)省切割材料；切割速度快，熱影響區(qū)域小，因而熱變形程度低；剖縫邊緣垂直度好，切邊光滑，可直接進行焊接；切邊無機械應力，無剪切毛刺

14、，也無切屑；無刀具磨損，也不需要更換刀具，只需調(diào)整工藝參量；可同樣方便地切割易碎、脆、軟、硬材料和合成材料；光束無慣性，可實現(xiàn)高速切割，且任何方向都可同樣切割，并可在任何處開始和停止切割；能實現(xiàn)多工位操作，容易實現(xiàn)數(shù)控自動化；切割噪音低。 特殊加工工藝2011.08.251.6 激光切割激光切割 特殊加工工藝2011.08.25 激光打孔的裝置與激光焊接大致相似，打孔與焊接相比，要求激光打孔的裝置與激光焊接大致相似，打孔與焊接相比，要求聚焦后的激光束的功率密度更高，能把材料加熱到氣化溫度，利用聚焦后的激光束的功率密度更高，能把材料加熱到氣化溫度，利用氣化蒸發(fā)將材料去除。氣化蒸發(fā)將材料去除。 一

15、般用光學系統(tǒng)將光斑尺寸聚到幾微米到幾十微米。由于光斑可以聚得很細，所以能加工極微細和特別深的孔。從深徑比來看，用激光打出的孔，其深度與孔徑的比值可高達50以上，這是用其他方法難以達到的。例如用一般方法在極硬的氧化鋁陶瓷上加工小孔所得到的深徑比為2，超聲波法只有4，而用激光打孔則可達25。 1.7 激光打孔激光打孔 特殊加工工藝2011.08.25 可用于任何材料上打孔：軟的如嬰兒奶瓶蓋上的膠嘴；硬的有天然鉆石。 節(jié)省工序：生產(chǎn)化纖用的噴絲頭，是用難熔的硬質(zhì)合金制成的、一般要在直徑為10cm的噴絲頭上鉆一萬多個直徑60m的小孔，采用激光打孔后，工序由17道減為1道，節(jié)約勞動力23。激光打孔的應用

16、激光打孔的應用1.7 激光打孔激光打孔特殊加工工藝2011.08.25 速度快，效率高，尤其高密度群孔加工； 大深徑比，傳統(tǒng)不大于1：10，激光在碳鋼上加工0.25mm的小孔深徑比達65：1； 可加工硬脆軟材料； 可在難加工材料上加工斜孔。 1.7 激光打孔激光打孔激光打孔的特點激光打孔的特點特殊加工工藝2011.08.251.7 激光打孔激光打孔特殊加工工藝2011.08.251.8 激光打標和激光雕刻激光打標和激光雕刻 打標是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一項加工技術，其目的是在產(chǎn)品的表面或外包裝上打上各種標識性文字、圖案及數(shù)字等。激光可以在各種質(zhì)地、各種形狀的產(chǎn)品上打上標記，而其最具特色的依然是在

17、微小物件上打標。許多集成電路芯片上都印有公司商標和有關數(shù)據(jù)，這些芯片的標記區(qū)域一般都只有幾毫米到十幾個毫米的大小，以往用油墨打標系統(tǒng)，存在著標志質(zhì)量不高或不能永久保持等問題，改用激光打標后，標記清楚且不易脫落。激光打標激光打標特殊加工工藝2011.08.251.8 激光打標和激光雕刻激光打標和激光雕刻激光打標激光打標特殊加工工藝2011.08.25 雕刻是一門古老的藝術，傳統(tǒng)工藝都是從外部刻起；激光卻可以在不損傷工件外表面的情況下深入其內(nèi)部進行操作。1996年8月在美國丹佛舉行的國際工程光學學會年會上，俄羅斯學者展示了一件高科技工藝品。它是一塊比普通磚稍厚的玻璃磚，里面雕刻著克里姆林宮內(nèi)幾座教

18、堂式建筑，而磚表面則完整無缺。 1.8 激光打標和激光雕刻激光打標和激光雕刻激光雕刻激光雕刻特殊加工工藝2011.08.25激光加工的水晶內(nèi)雕1.8 激光打標和激光雕刻激光打標和激光雕刻激光雕刻激光雕刻 水晶內(nèi)雕產(chǎn)品是九十年代后期才出現(xiàn)的工藝品。雕刻的作品懸浮在水晶內(nèi)部，表面卻完好無缺。它就是利用了具有一定穿透力的激光，在加工水晶時在局部產(chǎn)生高熱量蒸發(fā)水晶中的一點，產(chǎn)生一個小孔，這些小孔能排列成特定的形狀，制成獨特的工藝品。特殊加工工藝2011.08.252.1 數(shù)控線切割機床數(shù)控線切割機床 一、線切割機床工作原理、特點和應用二、線切割機床組成部分三、線切割自動編程軟件使用介紹特殊加工工藝2011.08.252.2 線切割機床工作原理線切割機床工作原理 脈沖電源發(fā)出一連串的脈沖電壓，加到工件電極和鉬絲電極上。 鉬絲與工件之間噴入具有絕緣性能的工作液。當鉬絲與工件的距離小到一定程度時，在脈沖電壓的作用下，工作液被擊穿，在鉬絲與工件之間形成瞬間放電通道，產(chǎn)生瞬時高溫，使金屬局部熔化 甚至汽化而被蝕除下來。若工作臺帶動工件不斷進給，就能 切割出所需要的形狀。特殊加工工藝2011.08.252.2 線切割機床工作原理線切割機床工作原理 特殊加工工藝2