激光原理與應(yīng)用講第7章

1、激光原理與應(yīng)用講第7章本章主要內(nèi)容： 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 接激 光 快 速 成 型 技 術(shù)其 他 激 光 加 工 技 術(shù)激光加工：激光束作用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。7.1 激光熱加工原理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7-1示圖7-1 各種參數(shù)條件下激光加工的可能應(yīng)用和影響7.1 激光熱加工原理1.對激光與材料的相互作用過程的物理描

2、述可以分為以下四個(gè)方面：(1) 材料對激光的吸收 激光熱加工時(shí)首先發(fā)生的是材料對激光能量的吸收。透入材料內(nèi)部的光能主要對材料起加熱作用。 不同材料對不同波長激光吸收率不同。假設(shè)材料表面反射率為R，則吸收率為 當(dāng)激光由空氣垂直入射到平板材料上時(shí)，根據(jù)菲涅爾公式，反射率為 (2) 材料的加熱 設(shè)入射激光束的光功率密度為qi，材料表面吸收的光功率密度為q0 ，則有 激光從表面入射到材料內(nèi)部深度為處的光強(qiáng) 一般將激光在材料內(nèi)的穿透深度定義為光強(qiáng)降至I0/e時(shí)的深度，因而穿透深度為1/a 7.1 激光熱加工原理(2) 材料的加熱 為了得到加熱階段的溫度分布，必須求解熱傳導(dǎo)微分方程。對于各向同性的均勻材料

3、，激光加熱的熱傳導(dǎo)偏微分方程的一般形式為 如果光功率的損耗全部變成熱量，則有 從理論上講，根據(jù)加工時(shí)的各工藝參數(shù)以及初始條件，可以解出加工過程中激光照射區(qū)的溫度場分布。但實(shí)際加工時(shí)，各方面的因素使熱傳導(dǎo)方程的求解十分困難 簡化：如果半無限大（即物體厚度無限大）物體表面受到均勻的激光垂直照射加熱，被材料表面吸收的光功率密度不隨時(shí)間改變，而且光照時(shí)間足夠長，以至被吸收的能量、所產(chǎn)生的溫度、導(dǎo)熱和熱輻射之間達(dá)到動(dòng)平衡，此時(shí)圓形激光光斑中心的溫度可以由下式確定 7.1 激光熱加工原理(2) 材料的加熱 如果光照時(shí)間為有限長(s)，考察點(diǎn)離開表面的距離(cm)也不為零，此時(shí)圓形激光光斑中心軸線上考察點(diǎn)的

4、溫度為 進(jìn)一步假設(shè)照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半徑為，則激光光斑的功率密度可用離開中心的距離表示為 持續(xù)加熱得到的光斑中心的溫度最大值為 (2) 材料的熔化與汽化 激光功率密度過高，材料在表面汽化，不在深層熔化；激光功率密度過低，則能量會(huì)擴(kuò)散到較大的體積內(nèi)，使焦點(diǎn)處熔化的深度很小7.1 激光熱加工原理(4) 激光等離子體屏蔽現(xiàn)象 如圖7-2所示，為等離子云變化的過程激光作用于靶表面，引發(fā)蒸汽，蒸汽繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶表面產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。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(dá)靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。圖7-2 等離子云變化

5、的過程小結(jié)：激光與材料的相互作用過程主要包括：光的吸收、材料加熱、熔化與汽化、等離子屏蔽以及復(fù)合過程。7.2.1 激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用7.2 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(qiáng)化、激光表面毛化等。 7.2.1 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。圖7-4 鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖圖7-5 淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向分布曲線圖影響淬硬層性能的主要因素：激光淬火的應(yīng)用實(shí)例：內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)溝側(cè)面激光相變硬化激光淬火的特點(diǎn)7.2.2 激光表面熔凝技術(shù)1

6、. 激光表面熔凝技術(shù)：用激光束將表面熔化而不加任何合金元素，以達(dá)到表面組織改善的目的。圖7-9 激光熔凝處理后橫截面組織示意圖2. 與激光淬火工藝相比：又叫激光液相淬火，激光熔凝層比激光相變淬火層的硬化深度更深，硬度更高，耐磨性也更好，熔凝淬火可使工件表層硬化深度達(dá)到0.52.0mm。 （1）激光熔凝處理的關(guān)鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個(gè)快速熔化一凝固過程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。圖7-9 激光熔凝處理后橫截面組織示意圖圖7-10 T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布 （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

7、工量大 。7.2.3 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。 圖7-11 同步送料法激光熔覆示意圖2. 激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂層法和同步送料法。 7.2.3 激光熔覆技術(shù)3. 常用激光熔覆材料包括鎳基、鐵基、鉆基、銅基自熔合金、 以及上述合金與碳化物(WC、TiC、SiC等)，顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括鋼鐵、鋁合金、銅合金、鎳合金和鈦合金等。 小結(jié)：激光淬火與激光熔凝技術(shù)的作用：提高

8、金屬表面硬度。7.3 激光去除材料技術(shù)激光打孔的原理激光束是一種在時(shí)間上和空間上高度集中的光子流束，其發(fā)散角極小、聚焦性能良好， 采用光學(xué)聚焦系統(tǒng)， 可以將激光束會(huì)聚到微米量級的極小范圍內(nèi)， 其功率密度可高達(dá)108-1015w/c當(dāng)這種微細(xì)的高能激光束照射工件上時(shí)， 由于這種高強(qiáng)熱源對材料加熱的結(jié)果， 可使得照射區(qū)內(nèi)的溫度瞬時(shí)上升到一萬度以上， 從而引起被照射區(qū)內(nèi)的材料瞬時(shí)熔化并大量汽化蒸發(fā)，氣壓急劇上升， 高速氣流猛烈向外噴射，在照射點(diǎn)上立即形成一個(gè)小凹坑。隨著激光能量的不斷輸入， 凹坑內(nèi)的汽化程度加劇， 蒸氣量急劇增多， 氣壓驟然上升，對凹坑的四周產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波作用， 致使高壓蒸氣帶著溶

9、液， 從凹坑底部高速向外噴射， 在工件上迅速打出一個(gè)具有一定錐度的小孔來打孔的直徑和深度可以由能量平衡原理用右邊的公式算出式中為脈沖激光能量，LP為材料單位體積破壞能LB材料的汽化熱比能，Lm材料的熔化熱比能 是光束的發(fā)散角激光打孔工藝參數(shù)工件表面的狀態(tài) 激光打孔是用激光照射到工件表面上開始加工的,工件表面的狀態(tài),對光的反射率影響很大,表面越精細(xì)粗糙度越小,則反射率越大,激光打孔越困難.表面粗糙度對打孔的影響 表面粗糙度金剛石激光打孔傳統(tǒng)打孔厚度/mm孔徑/mm能量/J脈沖數(shù)打孔時(shí)間/min打孔時(shí)間h0.890.469.0855.5101.300.035.0384.6161.470.057.0

10、655.0121.820.108.0755.25122.000.157.02337.9142.410.3810.534011.4202.910.5112.535111.925金剛石模具激光打孔和傳統(tǒng)打孔的對比激光打孔的應(yīng)用激光打孔特點(diǎn)及應(yīng)用電路板印刷零件加工鋼板上打孔制衣飛機(jī)部件打孔激光切割激光切割的特點(diǎn)激光切割的分類影響激光切割質(zhì)量的 因素激光切割組合木板1. 激光焊接相對于傳統(tǒng)方式的優(yōu)點(diǎn)： 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(qiáng)的材料實(shí)施焊接2）在激光焊接過程中無機(jī)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(diǎn)使得焊接工作能夠更方便的實(shí)

11、現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。激光焊接：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(gè)零件或部件連接起來。 將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶成形成焊接。激光焊接激光焊接優(yōu)點(diǎn)熱傳導(dǎo)焊接：當(dāng)激光照射在材料表面時(shí)，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能熔化，材料表面層的熱以熱傳導(dǎo)的方式繼續(xù)向材料深處傳遞，最后將兩焊件熔接在一起。激光深熔焊：當(dāng)功率密度比較大的激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時(shí)產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨

12、著激光的繼續(xù)照射，凹坑穿入更深，當(dāng)激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件接在一起。7.4.1 激光熱導(dǎo)焊1. 激光熱導(dǎo)焊 熱導(dǎo)焊的激光功率為105w/cm2 左右，是靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行焊接的，焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比一般小于1。 熱導(dǎo)焊時(shí)，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(kuò)散，使材料熔化并形成熔池，待熔池凝固后形成連接兩塊材料的焊縫。7.4.1 激光熱導(dǎo)焊2. 激光熱導(dǎo)焊的工藝參數(shù)3）脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度：脈寬時(shí)間長，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之熱影響區(qū)域則小。1）離焦量對焊接質(zhì)量的影響：要求熔深較大時(shí)采用負(fù)離焦，焊接薄材料時(shí)宜用正離焦,此外離焦量還

13、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(shí)現(xiàn)后續(xù)的熱導(dǎo)焊過程，需要脈沖帶有一個(gè)前置的尖峰。7.4.2 激光深熔焊1. 激光深熔焊的原理 當(dāng)激光功率密度達(dá)到106107Wcm2時(shí)，功率輸入遠(yuǎn)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(dòng)態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。 7.4.2 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(shí)，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

14、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。圖7-21 深熔焊小孔示意圖小孔效應(yīng)原理圖小結(jié)： 激光熱導(dǎo)焊中是通過熱傳導(dǎo)的方式將材料表面的熱量向下傳播，激光深熔焊中由于材料汽化而形成匙孔，使得激光束能夠直接照射到材料表面以下較深的部位。圖7-29 立體光造型技術(shù)的原理示意圖2立體光造型技術(shù) 1快速成型技術(shù)的基本工作原理是：離散、堆積。 圖7-30 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基本原理示意圖3選擇性激光燒結(jié)技術(shù) 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)與立體光造型技術(shù)相似，也是用激光束來掃描各原材料，但用粉末物質(zhì)代替了液態(tài)光聚合物。圖7-31 激光熔覆成型技術(shù)原理示意圖4激光熔覆成型技術(shù) 圖7-32 激光熔覆的復(fù)雜截面變換器5激光近型制造技術(shù)圖7-33 激光近形制造技術(shù)的基本原理示意圖 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。 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