第5章激光束加工

5.3激光束加工

5.3.1激光加工方法

1.激光加工的原理 激光是一種強(qiáng)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的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點(diǎn)上，加上它本身強(qiáng)度高，故可以使其焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到108～1010W/cm2，溫度可達(dá)10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。因此，激光加工(如圖1所示)是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。圖1激光加工示意圖 2.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(jī)(激光加工系統(tǒng))三部分組成。

(1)激光器 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He-Ne(氦—氖)氣體激光器所產(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，因而在機(jī)械制造的精密測量中被廣泛采用。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?xì)怏w激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。 (2)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)。

(3)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(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)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(jì)算機(jī)來控制工作臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)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激光的照射時(shí)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。焦點(diǎn)位置對(duì)孔的影響用基膜光束聚焦打孔孔是圓形的。加工時(shí)，激光一次照射所得孔的深徑比為5左右，欲得到工件深孔就需要采用多次照射的方法。各種材料的吸光光譜不同對(duì)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。 5.3.3激光加工的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.激光加工的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)激光加工的密度高，幾乎對(duì)所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。(2)加工時(shí)不需用刀具，屬于非接觸加工，無機(jī)械加工變形。

(3)激光能聚焦成極小的光斑，可進(jìn)行微細(xì)和精密加工，如微細(xì)窄縫和微型孔的加工。

(4)可以通過透明介質(zhì)加工。

(5)激光加工是利用激光束，不需加工工具，沒有工具設(shè)計(jì)、制造、損耗等問題。(6)加工速度快，效率高。對(duì)非照射區(qū)的熱影響小，工件熱變形小。(7)激光加工屬于瞬時(shí)、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。 2.激光加工的應(yīng)用

1)激光打孔 隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點(diǎn)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小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴等。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機(jī)械加工方法很困難，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)。

激光打孔中，要詳細(xì)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，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一臺(tái)打孔機(jī)，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，最好要對(duì)現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進(jìn)行充分的了解，以確定能否打孔。 激光打孔的質(zhì)量主要與激光器輸出功率和照射時(shí)間、焦距與發(fā)散角、焦點(diǎn)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(shí)際加工中應(yīng)合理選擇這些工藝參數(shù)。 2)激光切割 激光切割(如圖2所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對(duì)移動(dòng)。在實(shí)際加工中，采用工作臺(tái)數(shù)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)激光數(shù)控切割。 激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對(duì)于精細(xì)切割，也可采用YAG激光器。 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(duì)被切割材料不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動(dòng)控制，故在實(shí)際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件。

圖2CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖

3)激光打標(biāo) 激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時(shí)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，以作為永久防偽標(biāo)志(如圖3所示)。圖3振鏡式激光打標(biāo)原理

激光打標(biāo)的特點(diǎn)是非接觸加工，可在任何異型表面標(biāo)刻，工件不會(huì)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(biāo)記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標(biāo)刻速度快，運(yùn)行成本低，無污染，可顯著提高被標(biāo)刻產(chǎn)品的檔次。 激光打標(biāo)廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通訊器材、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。 4)激光焊接 當(dāng)激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時(shí)間約為1/100s左右時(shí)，可進(jìn)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“熱熔”在一起即可，如圖4所示。

激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進(jìn)行焊接。圖4激光焊接過程示意圖5)激光表面處理當(dāng)激光的功率密度約為103～105W/cm2時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強(qiáng)化問題。圖5為激光表面淬火處理應(yīng)用實(shí)例。圖5激光表面強(qiáng)化處理應(yīng)用實(shí)例 6)激光存儲(chǔ) 是利用激光進(jìn)行視頻、音