第5章激光束加工

1、5.3 激光束加工激光束加工 5.3.1 激光加工方法激光加工方法1. 激光加工的原理激光加工的原理激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的的波長相近的(微米甚至亞微米微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強度高，小斑點上，加上它本身強度高，故可以使其焦點處的功率密度達到故可以使其焦點處的功率密度達到1081010 W/cm2，溫度可，溫度可達達10 000以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇以上。在這樣的高溫下，任何材

2、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(chǎn)生方向性很熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強的沖擊。因此，激光加工強的沖擊。因此，激光加工(如圖如圖1所示所示)是工件在是工件在光熱效應(yīng)下光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。圖圖1 激光加工示意圖激光加工示意圖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2. 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(激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng))三部分

3、組成。三部分組成。(1) 激光器激光器激光器是激光加工的重要設(shè)備，它的任務(wù)是把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)變電能轉(zhuǎn)變成光能成光能，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類。由于大類。由于He-Ne(氦氦氖氖)氣體激光器氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容所產(chǎn)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。而在激光加工中則要機械制造的精密測量

4、中被廣泛采用。而在激光加工中則要求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳氣體激光器及求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳氣體激光器及紅寶石、釹玻璃、紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。等固體激光器。 (2) 導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)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)。工件之間的裝置稱為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。(3) 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標范圍內(nèi)激光加

5、工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標范圍內(nèi)移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多激光加工系統(tǒng)已采用計算機來控制工作臺的移動，許多激光加工系統(tǒng)已采用計算機來控制工作臺的移動，實現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。實現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。 5.3.2 影響激光加工的主要因素影響激光加工的主要因素 激光的照射時間激光的照射時間 發(fā)散角小的激光束采用短焦距聚光鏡聚焦，焦面上光斑發(fā)散角小的激光束采用短焦距聚光鏡聚焦，焦面上光斑小，功率密度高。用來打孔，則孔深且錐度小并能打出小，功率密度高。用來打孔，則孔深且錐度小并能打出小直徑的孔。小直徑的孔。 焦點位置

6、對孔的影響焦點位置對孔的影響 用基膜光束聚焦打孔孔是圓形的。用基膜光束聚焦打孔孔是圓形的。 加工時，激光一次照射所得孔的深徑比為加工時，激光一次照射所得孔的深徑比為5左右，欲得到左右，欲得到工件深孔就需要采用多次照射的方法。工件深孔就需要采用多次照射的方法。(1)各種材料的吸光光譜不同對激光能量的光譜吸收比不相各種材料的吸光光譜不同對激光能量的光譜吸收比不相同，加工中應(yīng)該根據(jù)工件材料的性能來選擇激光器。同，加工中應(yīng)該根據(jù)工件材料的性能來選擇激光器。5.3.3 激光加工的特點及應(yīng)用激光加工的特點及應(yīng)用1. 激光加工的特點主要有以下幾個方面：激光加工的特點主要有以下幾個方面：(1) 激光加工的密度

7、高，幾乎對所有的金屬和非金屬材激光加工的密度高，幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。料都可以進行激光加工。 (2) 加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。變形。 (3) 激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。如微細窄縫和微型孔的加工。(4) 可以通過透明介質(zhì)加工?？梢酝ㄟ^透明介質(zhì)加工。 (5) 激光加工是利用激光束，不需加工工具，沒有工具激光加工是利用激光束，不需加工工具，沒有工具設(shè)計、制造、損耗等問題。設(shè)計、制造、損耗等問題。 (6)加工速度快，

8、效率高。對非照射區(qū)的熱影響小，工加工速度快，效率高。對非照射區(qū)的熱影響小，工件熱變形小。件熱變形小。 (7)激光加工屬于瞬時、局部的熱加工，影響因素復(fù)雜，激光加工屬于瞬時、局部的熱加工，影響因素復(fù)雜，加工精度不高，特別是重復(fù)精度難以控制。加工精度不高，特別是重復(fù)精度難以控制。2. 激光加工的應(yīng)用激光加工的應(yīng)用1) 激光打孔激光打孔隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點高的材隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點高的材料應(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，鉆石拉小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉

9、絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機中絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機中的燃料噴嘴等。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機械加工方的燃料噴嘴等。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則法很困難，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)。能比較好地完成任務(wù)。 激光打孔中，要詳細了解打孔的材料及打孔要求。從激光打孔中，要詳細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，但具體到某一臺幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一

10、臺打孔機，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，打孔機，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，最好要對現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進行充分的了解，以最好要對現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進行充分的了解，以確定能否打孔。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間、激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時間、焦距與發(fā)散角、焦點位置、光斑內(nèi)能量分布、照射次數(shù)焦距與發(fā)散角、焦點位置、光斑內(nèi)能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關(guān)。在實際加工中應(yīng)合理選擇這些及工件材料等因素有關(guān)。在實際加工中應(yīng)合理選擇這些工藝參數(shù)。工藝參數(shù)。 2) 激光切割激光切割激光切割激光切割(如圖如圖2所示所示)的原理與激光

11、打孔相似，但工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(shù)件與激光束要相對移動。在實際加工中，采用工作臺數(shù)控技術(shù)，可以實現(xiàn)激光數(shù)控切割?？丶夹g(shù)，可以實現(xiàn)激光數(shù)控切割。激光切割大多采用大功率的激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細激光器，對于精細切割，也可采用切割，也可采用YAG激光器。激光器。激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切激光可以切割金屬，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(chǎn)生機械沖擊和壓割過程中，由于激光對被切割材料不產(chǎn)生機械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，故在實際力，再加上激光切割切縫小，便于自動控

12、制，故在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。平面鏡激光束輔助氣體鈦合金噴嘴聚焦透鏡激光器圖圖2 CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖氣體激光器切割鈦合金示意圖3) 激光打標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(chǎn)生蒸發(fā)，面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)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為永久防偽標志(如圖如圖3所示所示)。圖圖3 振鏡式激光打標原理振鏡式激光打標原理

13、激光束光束準直振鏡Y軸馬達透鏡激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表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(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑面標刻，工件不會變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標記清晰、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(chǎn)品的檔次。低，無污染，可顯著提高被標刻產(chǎn)品的檔次。 激光打標廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽激光打標廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽(摩托摩托)車配車配件、醫(yī)療器械、通訊器材、計算機外圍設(shè)備、

14、鐘表等件、醫(yī)療器械、通訊器材、計算機外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。4) 激光焊接激光焊接當激光的功率密度為當激光的功率密度為105107 W/cm2，照射時間約為，照射時間約為1/100 s左右時，可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和左右時，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)域焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔熱熔”在一起即可，如圖在一起即可，如圖4所示。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，還可透過玻璃進行焊接。同種材料，也可焊接異種

15、材料，還可透過玻璃進行焊接。 圖圖4 激光焊接過程示意圖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 5) 激光表面處理激光表面處理 當激光的功率密度約為當激光的功率密度約為103105 W/cm2時，便可實時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為火。淬火層深度一般為0.71.1 mm，淬火層硬度比常，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強化問題。圖表面淬火強化問題。圖5為激光表面淬火處理應(yīng)用實例。為激光表面淬火處理應(yīng)用實例。圖圖5 激光表面強化處理應(yīng)用實例激光表面強化處理應(yīng)用實例淬硬表面淬硬表面(a) 圓錐表面(b) 鑄鐵凸輪軸表面6) 激光存儲激光存儲是利用激光進行視頻、音頻、文字資料、計算機是利用激光進行視頻、音頻、文字資料、計算機信息等的存取。激光電視唱片的