激光加工-教材課件

激光加工激光的概念與產生激光的特點激光加工技術激光加工技術的特點激光加工技術的應用激光加工激光的概念與產生1激光的概念與產生激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。物質處于受激輻射便要發(fā)光，輸出大量的光能，這就是激光，因此激光也是一種光。普通光源的發(fā)光是以自發(fā)輻射為主，基本上是無次序地、相互獨立地產生光發(fā)射的，發(fā)光的光波無論方向、相位或者偏振狀態(tài)都是不同的。而激光則不同，它的光發(fā)射是以受輻射為主，因而發(fā)光物質中基本上是有組織地、相互關聯(lián)地產生光發(fā)射的，發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴格的位相關系。激光的概念與產生激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體2激光的特點高單色性由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點上，得到很高的功率密度。

高相干性相干性主要描述光波各個部分的相位關系。正是激光具有如上所述的奇異特性因此在工業(yè)加工中得到了廣泛地應用激光的特點高單色性由于激光的單色性極高，從而保證了光束能3高方向性激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是激光加工的重要條件高亮度固體激光器的亮度更可高達1011W/cm2Sr。不僅如此，具有高亮度的激光束經透鏡聚焦后，能在焦點附近產生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。高方向性激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時4激光加工技術激光加工是利用能量密度極高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬間熔化或蒸發(fā)，并在沖擊波作用下，將熔融物質噴射出去，從而對工件進行穿孔、蝕刻、切割，或采用較小能量密度，使加工區(qū)域材料熔融黏合或改性，對工件進行焊接或熱處理的一種新技術。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，對加工對象的材質、形狀、尺寸等要求小，特別適用于自動化加工。其諸多優(yōu)點使其廣泛應用于電氣與電子、機械工業(yè)、化工、輕工等工業(yè)部門。從激光加工的興起到廣泛應用，其加工技術也不斷地發(fā)展，發(fā)揮著越來越重要的作用。激光加工技術激光加工是利用能量密度極高的激光束照射工件的被加5激光加工技術的特點光點小，能量集中，熱影響區(qū)小不接觸加工工件，對工件無污染不受電磁干擾切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺激光束易于聚焦、導向范圍廣泛安全可靠精確細致效果一致節(jié)省材料高速快捷成本低廉切割縫細小熱變形小適合大件產品的加工

激光加工技術的特點光點小，能量集中，熱影響區(qū)小高6激光加工機器人機器人是高度柔性加工系統(tǒng)，所以要求激光器必須具有高度的柔性，目前都選擇可光纖傳輸?shù)募す馄?。智能化激光加工機器人主要由以下幾大部分組成：1)高功率可光纖傳輸激光器；2)光纖耦合和傳輸系統(tǒng)；3)激光光束變換光學系統(tǒng)；4)六自由度機器人本體；5)機器人數(shù)字控制系統(tǒng)(控制器、示教盒)；6)計算機離線編程系統(tǒng)(計算機、軟件)；7)機器視覺系統(tǒng)；8)激光加工頭；9)材料進給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機、送粉器)；10)激光加工工作臺。圖1為一種激光熔覆機器人的示意圖，圖中給出了其主要組成部分

1.示教盒2.控制器3.計算機4.光纖激光器5.光纖耦合器6.六軸機器人7.機械手8.光纖傳輸器9.機器視覺系統(tǒng)10.激光加工工作臺11.激光加工頭12.激光光束變換光學系統(tǒng)13.光纖耦合頭14材料進給系統(tǒng)(送粉裝置）15.材料進給系統(tǒng)（高壓氣體）激光加工機器人機器人是高度柔性加工系統(tǒng)，所以要求激光器必須具7激光加工機器人工作原理從高功率激光器發(fā)出的激光，經光纖耦合傳輸?shù)郊す夤馐儞Q光學系統(tǒng)，光束經過整形聚焦后進入激光加工頭。根據(jù)用途不同(切割、焊接、熔覆)選擇不同的激光加工頭，配用不同的材料進給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機、送粉器)。激光加工頭裝于六自由度機器人本體手臂末端。激光加工頭的運動軌跡和激光加工參數(shù)是由機器人數(shù)字控制系統(tǒng)提供指令進行的。先由激光加工操作人員在機器人示教盒上進行示教編程或在計算機上進行離線編程。材料進給系統(tǒng)將材料(高壓氣體、金屬絲、金屬粉末)與激光同步輸入到激光加工頭，高功率激光與進給材料同步作用完成加工任務。機器視覺系統(tǒng)對加工區(qū)檢測，檢測信號反饋至機器人控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)加工過程的適時控制。激光加工機器人工作原理從高功率激光器發(fā)出的激光，經光纖耦合傳8激光加工技術的應用1.激光切割激光切割是利用經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，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，隨著光束和工件的相對運動，最終使工件形成切縫，從而實現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。激光加工技術的應用1.激光切割9激光切割與等離子切割的對比激光切割與等離子切割的對比102.激光焊接將高強度激光束直接輻射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實現(xiàn)焊接。激光與材料相互作用過程中，會出現(xiàn)光的反射、光的吸收、熱傳導及物質的傳導。2.激光焊接113.激光打孔幾乎所有金屬材料和非金屬材料均能打孔，特別對堅強材料可進行微小孔加工，深徑達50~100,也可加工異型孔，如寶石軸承打孔、硬質合金打孔等。3.激光打孔12

4.激光熱處理用激光照射材料，選擇適當?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處

理部位，工件變形小,可處理

形狀復雜的零件和部件,可對

盲孔和深孔的內壁進行處理。

例如，氣缸活塞經激光熱處

理后可延長壽命；用激光熱

處理可恢復離子轟擊所引起

損傷的硅材料。

4.激光熱處理135.激光清洗5.1激光清潔技術具有如下優(yōu)點：清潔過程中不使用化學試劑，因此不會造成環(huán)境污染;無機械接觸，降低了損傷基體的可能性；可處理不堅固表面和風化表面;可控性好，允許選區(qū)清潔，可遙控清潔常規(guī)清潔技術難以到達或危險的地方；與計算機技術集成可以實現(xiàn)清潔過程的自動化5.激光清洗5.1激光清潔技術具有如下優(yōu)點：145.2激光清潔技術機理及分類（1）熱沖擊

干表面上尺寸小于50um的微粒和表面之間的粘接力主要是范德華力（物質的聚集態(tài)中存在著的一種較弱的吸引力，比化學鍵弱得多），在有一定變形的基體表面上一個球形微粒所受到的粘接力為（1）

式中h為與材料無關的范德華力常數(shù)，r1為微粒的半徑,r2為粘接面的半徑,Z為粘接面上基體和微粒的原子比。由上述公式可以計算出基體與微粒之間的粘接力。5.2激光清潔技術機理及分類15

從基體表面去除微粒的清潔力主要是熱彈性力。它是由于基體表面和微粒吸收激光輻照能量，導致微粒和基體發(fā)生迅速的熱膨脹而產生的。假設激光照射時絕大部分能量均被界面有效地吸收，根據(jù)以下幾個公式可以依次算出界面的溫度變化ΔT、熱膨脹Δ叢界面的加速度a和界面受到的熱彈性力F。

式中R為反射率；為激光的能量密度；為密度；c為比熱容；為激光脈沖期間的熱擴散長度；a為熱膨脹系數(shù)；為激光脈沖寬度；m為基體表面微粒的質量。若F>Fa，微粒就從基體表面被清除。從基體表面去除微粒的清潔力主要是熱彈性力。它是由16（2）熱消融

這一機理建立在表面污染物和基體對激光的吸收系數(shù)顯著不同的基礎之上。在此，有3個激光參數(shù)需要考慮1）激光的波長

為確保清潔有效，污染物對激光應該有大的吸收系數(shù)、低反射率和小的透射率，大多數(shù)污染物都是有機物，能強烈地吸收中長波紅外線和紫外線，因此CO2激光和準分子激光（冷激光，無熱效應，發(fā)生作用為化學反應）是最佳選擇。2）脈沖寬度

為了迅速地清除污染物而又不對基體表面造成損傷，使用短脈沖激光是很必要的。脈沖寬度短而能量高，使污染物瞬間被光熱分解或光化學分解，在此情況下，熱傳導是不重要的，基體不會受到有害的影響。（2）熱消融17

3）激光能量密度激光的能量密度必須控制在污染物的損傷閾值和基體的損傷閾值之間。當一次激光掃描不能達到預期的清潔效果時，可以通過多次掃描來實現(xiàn)。（3）光壓

由于光子具有能量，激光輻照基體表面時會對微粒產生光壓，使微粒的勢能增加，勢能轉化為動能獲得足夠動能的微粒就會從基體表面噴射出去。由于光壓很小，僅靠這一機理很難獲得令人滿意的清潔效果。3）激光能量密度185.3影響激光清潔效果的因素

影響激光清潔效果最重要的因素是激光的功率密度。在進行激光清潔時，功率密度應該在一定范圍內選取，其上限為基體的損傷閾值，下限為污染物的損傷閾值。在此范圍內，隨著功率密度的增大，清潔效果增強，如同時增加脈沖的數(shù)量，則清潔效果將會得到進一步提高。

影響清潔效果的另一個重要因素是激光束的入射角。垂直入射時，微粒正下方的表面被遮住，不能接受激光的直接照射，而斜角入射時，激光束可直接照射微粒的正下方，恰在微粒和基體的界面處發(fā)揮作用，清潔效率比直射時提高了很多，而且對基體的損傷大大降低，甚至沒有損傷。

激光的波長也是影響清潔效果的一個因素。一般說來，激光的波長越短，清潔效果越好，這是因為在短波范圍內，由于基體和污染物吸收了較多的輻射能量而經歷較大的熱膨脹。5.3影響激光清潔效果的因素影響激195.4激光清潔技術的應用實例及發(fā)展

華中科技大學的王澤敏等人采用HGM-50Q開關Nd；YAG脈沖激光器清潔厚為1mm的硬鋁輪胎印字模具表面的橡膠層，激光入射方向與工件表面垂直，掃描速度為300mm/s，當激光束的能量密度達到25.1J/cm2時，實現(xiàn)了模具表面橡膠層的完全清洗，清潔率達到100%，而模具基材完好無損。

激光清潔是一種快速高效的新型激光加工技術，在實際生活中的應用已表現(xiàn)出良好的清潔效果，對它的研究和探索將進一步促進其發(fā)展、增強實用性、拓寬應用范圍。但目前設備的高成本和對精密控制的要求在一定程度上限制了它的應用，隨著激光器生產技術的不斷改進和價格的降低以及人們對激光加工技術研究的日益深入，激光清潔必將在未來的工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮日益重要的作用。5.4激光清潔技術的應用實例及發(fā)展20Thankyou!Thankyou!21

激光加工激光的概念與產生激光的特點激光加工技術激光加工技術的特點激光加工技術的應用激光加工激光的概念與產生22激光的概念與產生激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。物質處于受激輻射便要發(fā)光，輸出大量的光能，這就是激光，因此激光也是一種光。普通光源的發(fā)光是以自發(fā)輻射為主，基本上是無次序地、相互獨立地產生光發(fā)射的，發(fā)光的光波無論方向、相位或者偏振狀態(tài)都是不同的。而激光則不同，它的光發(fā)射是以受輻射為主，因而發(fā)光物質中基本上是有組織地、相互關聯(lián)地產生光發(fā)射的，發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴格的位相關系。激光的概念與產生激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體23激光的特點高單色性由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點上，得到很高的功率密度。

高相干性相干性主要描述光波各個部分的相位關系。正是激光具有如上所述的奇異特性因此在工業(yè)加工中得到了廣泛地應用激光的特點高單色性由于激光的單色性極高，從而保證了光束能24高方向性激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是激光加工的重要條件高亮度固體激光器的亮度更可高達1011W/cm2Sr。不僅如此，具有高亮度的激光束經透鏡聚焦后，能在焦點附近產生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。高方向性激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時25激光加工技術激光加工是利用能量密度極高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬間熔化或蒸發(fā)，并在沖擊波作用下，將熔融物質噴射出去，從而對工件進行穿孔、蝕刻、切割，或采用較小能量密度，使加工區(qū)域材料熔融黏合或改性，對工件進行焊接或熱處理的一種新技術。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，對加工對象的材質、形狀、尺寸等要求小，特別適用于自動化加工。其諸多優(yōu)點使其廣泛應用于電氣與電子、機械工業(yè)、化工、輕工等工業(yè)部門。從激光加工的興起到廣泛應用，其加工技術也不斷地發(fā)展，發(fā)揮著越來越重要的作用。激光加工技術激光加工是利用能量密度極高的激光束照射工件的被加26激光加工技術的特點光點小，能量集中，熱影響區(qū)小不接觸加工工件，對工件無污染不受電磁干擾切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺激光束易于聚焦、導向范圍廣泛安全可靠精確細致效果一致節(jié)省材料高速快捷成本低廉切割縫細小熱變形小適合大件產品的加工

激光加工技術的特點光點小，能量集中，熱影響區(qū)小高27激光加工機器人機器人是高度柔性加工系統(tǒng)，所以要求激光器必須具有高度的柔性，目前都選擇可光纖傳輸?shù)募す馄?。智能化激光加工機器人主要由以下幾大部分組成：1)高功率可光纖傳輸激光器；2)光纖耦合和傳輸系統(tǒng)；3)激光光束變換光學系統(tǒng)；4)六自由度機器人本體；5)機器人數(shù)字控制系統(tǒng)(控制器、示教盒)；6)計算機離線編程系統(tǒng)(計算機、軟件)；7)機器視覺系統(tǒng)；8)激光加工頭；9)材料進給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機、送粉器)；10)激光加工工作臺。圖1為一種激光熔覆機器人的示意圖，圖中給出了其主要組成部分

1.示教盒2.控制器3.計算機4.光纖激光器5.光纖耦合器6.六軸機器人7.機械手8.光纖傳輸器9.機器視覺系統(tǒng)10.激光加工工作臺11.激光加工頭12.激光光束變換光學系統(tǒng)13.光纖耦合頭14材料進給系統(tǒng)(送粉裝置）15.材料進給系統(tǒng)（高壓氣體）激光加工機器人機器人是高度柔性加工系統(tǒng)，所以要求激光器必須具28激光加工機器人工作原理從高功率激光器發(fā)出的激光，經光纖耦合傳輸?shù)郊す夤馐儞Q光學系統(tǒng)，光束經過整形聚焦后進入激光加工頭。根據(jù)用途不同(切割、焊接、熔覆)選擇不同的激光加工頭，配用不同的材料進給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機、送粉器)。激光加工頭裝于六自由度機器人本體手臂末端。激光加工頭的運動軌跡和激光加工參數(shù)是由機器人數(shù)字控制系統(tǒng)提供指令進行的。先由激光加工操作人員在機器人示教盒上進行示教編程或在計算機上進行離線編程。材料進給系統(tǒng)將材料(高壓氣體、金屬絲、金屬粉末)與激光同步輸入到激光加工頭，高功率激光與進給材料同步作用完成加工任務。機器視覺系統(tǒng)對加工區(qū)檢測，檢測信號反饋至機器人控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)加工過程的適時控制。激光加工機器人工作原理從高功率激光器發(fā)出的激光，經光纖耦合傳29激光加工技術的應用1.激光切割激光切割是利用經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，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，隨著光束和工件的相對運動，最終使工件形成切縫，從而實現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。激光加工技術的應用1.激光切割30激光切割與等離子切割的對比激光切割與等離子切割的對比312.激光焊接將高強度激光束直接輻射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實現(xiàn)焊接。激光與材料相互作用過程中，會出現(xiàn)光的反射、光的吸收、熱傳導及物質的傳導。2.激光焊接323.激光打孔幾乎所有金屬材料和非金屬材料均能打孔，特別對堅強材料可進行微小孔加工，深徑達50~100,也可加工異型孔，如寶石軸承打孔、硬質合金打孔等。3.激光打孔33

4.激光熱處理用激光照射材料，選擇適當?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處

理部位，工件變形小,可處理

形狀復雜的零件和部件,可對

盲孔和深孔的內壁進行處理。

例如，氣缸活塞經激光熱處

理后可延長壽命；用激光熱

處理可恢復離子轟擊所引起

損傷的硅材料。

4.激光熱處理345.激光清洗5.1激光清潔技術具有如下優(yōu)點：清潔過程中不使用化學試劑，因此不會造成環(huán)境污染;無機械接觸，降低了損傷基體的可能性；可處理不堅固表面和風化表面;可控性好，允許選區(qū)清潔，可遙控清潔常規(guī)清潔技術難以到達或危險的地方；與計算機技術集成可以實現(xiàn)清潔過程的自動化5.激光清洗5.1激光清潔技術具有如下優(yōu)點：355.2激光清潔技術機理及分類（1）熱沖擊

干表面上尺寸小于50um的微粒和表面之間的粘接力主要是范德華力（物質的聚集態(tài)中存在著的一種較弱的吸引力，比化學鍵弱得多），在有一定變形的基體表面上一個球形微粒所受到的粘接力為（1）

式中h為與材料無關的范德華力常數(shù)，r1為微粒的半徑,r2為粘接面的半徑,Z為粘接面上基體和微粒的原子比。由上述公式可以計算出基體與微粒之間的粘接力。5.2激光清潔技術機理及分類36

從基體表面去除微粒的清潔力主要是熱彈性力。它是由于基體表面和微粒吸收激光輻照能量，導致微粒和基體發(fā)生迅速的熱膨脹而產生的。假設激光照射時絕大部分能量均被界面有效地吸收，根據(jù)以下幾個公式可以依次算出界面的溫度變化ΔT、熱膨脹Δ叢界面的加速度a和界面受到的熱彈性力F。

式中R為反射率；為激光的能量密度；為密度；c為比熱容；為激光脈沖期間的熱擴散長度；a為熱膨脹系數(shù)；為激光脈沖寬度；m為基體表面微粒的質量。若F>Fa，微粒就從基體表面被清除。從基體表面去除微粒的清潔力主要是熱彈性力。它是由37（2）熱消融

這一機理建立在表面污染物和基體對激光的吸收系數(shù)顯著不同的基礎之上。在此，有3個激光參數(shù)需要考慮1）激光的波長

為確保清潔有效，污染物對激光應該有大的吸收系數(shù)、低反射率和小的透射率，大多數(shù)污染物都是有機物，能強烈地吸收中長波紅外線和紫外線，因此CO2激光和準分子激光（冷激光，無熱效應，發(fā)生作用為化學反應）是最佳選擇。2）脈沖寬度

為了迅速地清除污染物而又不對基體表面造成損傷，使用短脈沖激光是很必要的。脈沖寬度短而能量高，使污染物瞬間被光熱分解或光化學分解，在此情況下，熱傳導是不重要的，基體不會受到有害的影響。（2）熱消融38

3）激光能量密度激光的能量密度必須控制在污染物的損傷閾值和基體的損傷閾值之間。當一次激光掃描不能達到預期的清潔效果時，可以通過多次掃描來實現(xiàn)。（3）光壓

由于光子具有能量，激光輻照基體表面時會對微粒產生光壓，使微粒的勢能增加，勢能轉化為動能獲得足夠動能的微粒就會從基體表面噴射出去。由于光壓很小，僅