先進制造技術9激光加工技術課件

2023/7/11一、激光加工系統(tǒng)的組成(2)YAG是固體激光中能發(fā)出最大功率的離子激光。YAG的結晶母材是由釔、鋁和石榴石構成的，其中微量的釹離子起激光作用。YAG的激光波長為1.06μm，相當于二氧化碳氣體激光波長的1/10。它的綠色的激光束可在脈沖或連續(xù)波的情況下應用，波長短、聚光性好，適于精密加工特別是在脈沖下進行孔加工最為有效，也可用于切削、焊接和光刻等。由于聚光性好，可通過光導纖維傳輸能量，適用于內(nèi)腔加工等特定切合，其能量效率不及CO2氣體激光源，最多不超過3％，目前產(chǎn)品的輸出功率大多在600W以下，最大已達4kW。2023/7/12一、激光加工系統(tǒng)的組成(3)

光泵是使工作物質(zhì)發(fā)生粒子反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的激勵光源，因此光泵的發(fā)射光譜應與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。常用的光泵有脈沖氙燈和氪燈，脈沖氙燈的發(fā)光強度和頻率較高，適用于脈沖工作的固體激光器，而氪燈的發(fā)光光譜能與YAG的吸收光譜很好匹配，是YAG連續(xù)激光器的理想光泵。為改善照射的均勻性，光泵可用雙燈（如圖1所示的件3有上、下兩個）、三燈或四燈。2023/7/13一、激光加工系統(tǒng)的組成(4)

聚光器罩在光泵的外圍，它是把光泵發(fā)生的光有效地、均勻地集中到工作物質(zhì)上。聚光器中常用的是圓柱聚光器和橢圓聚光器，也有球形、橢球和緊包形的聚光器。其要求為聚光均勻、散熱好、結構簡單、內(nèi)壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光效率達80％。諧振腔是光學反饋元件，它的作用是為光放大介質(zhì)產(chǎn)生光振蕩。其類型對激光輸出能量和發(fā)散角有很大影響，常用的平行平面諧振腔由圖1中反射鏡1與4組成，諧振腔的長度為激光半波長的整倍數(shù)，反射鏡平行度＜10"。2023/7/14一、激光加工系統(tǒng)的組成(5)

（2）氣體激光器

常用的工作物質(zhì)有分子激光的二氧化碳（CO2）和離子激光的氬氣（Ar），后者輸出功率為25W，它的10ns級短脈沖，使熱影響區(qū)小，用于半導體、陶瓷和有機物的高精度微細加工。而CO2激光器的功率在連續(xù)方式工作時可達45kW，脈沖式可達5kW，故在加工中應用最廣。

CO2氣體激光器的波長為10.6μm，處于紅外線領域，因而其激光束為不可見光。它是在氦的體積分數(shù)約80％，氮的體積分數(shù)約15％和CO2的體積分數(shù)約5％的混合氣體中進行放電形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的分子激光。它的能量效率通常為5％～10％，高效裝置甚至可達10％～15％。2023/7/15一、激光加工系統(tǒng)的組成(6)CO2激光器的工作原理圖如圖2所示。

氣體激光的激勵雖也可用光泵的方法，但大多用直流放電（圖2）或高頻放電的方式。

諧振腔由放電管兩端的鏡面構成，一端是鍍金凹鏡，另一端是鍺或砷化鎵平鏡，它們也兼作密封之用。2023/7/16CO2激光器的輸出功率與放電管的長度成正比，低速軸流式的氣體流速慢，輸出功率小，約50～70W/m，但其輸出功率穩(wěn)定，易得到單模，一般用于百瓦級激光器。對于千瓦級的CO2激光器則采用氣體循環(huán)速度達100m/s的高速軸流式的激光器或氣流及放電與激光光軸垂直的雙軸直交型以及氣流、放電與激光光軸三者互相垂直的三軸直交型，可達到使激光器小型化。一、激光加工系統(tǒng)的組成(7)2023/7/172.聚焦系統(tǒng)

其作用是把激光束通過光學系統(tǒng)精確地聚焦至工件上，并具有調(diào)節(jié)焦點位置和觀察顯示的功能。CO2激光器輸出的是紅外線，故要用鍺單晶、砷化鎵等紅外材料制造的光學透鏡才能通過。為減少表面反射需鍍金全反射鏡。一、激光加工系統(tǒng)的組成(8)2023/7/18一、激光加工系統(tǒng)的組成(9)

圖3為應用于CO2激光切割機的透射式聚焦系統(tǒng)。圖中在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。工作臺用抽真空方法使薄板工件能緊貼在臺面上。

2023/7/193．電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括激光器電源和控制系統(tǒng)兩部分，其作用是供給激光器能量（固體激光器的光泵或CO2激光器的高壓直流電源）和輸出方式（如連續(xù)或脈沖、重復頻率等）進行控制。此外，工件或激光束的移動大多采用CNC控制。

為了實現(xiàn)聚焦點位置的自動調(diào)整，尤其當激光切割的工件表面不平整時，需采用焦點自動跟蹤的控制系統(tǒng)，它通常用電感式或電容式傳感器來實時檢測，通過反饋來控制聚焦點的位置，其控制精度的要求一般為±0.05～0.005mm。一、激光加工系統(tǒng)的組成(10)2023/7/1101．激光打孔尺寸及其精度的控制

（1）孔徑尺寸控制

采用小的發(fā)散角的微光器（0.001～0.003rad），縮短焦距或降低輸出能量可獲得小的孔徑。對于熔點高、導熱性好的材料可實現(xiàn)孔徑0.01～1mm的微小孔加工，最小孔徑可達0.001mm。

（2）孔的深度控制

提高激光器輸出能量，采用合理的脈沖寬度（材料的導熱性越好宜取越短的脈沖寬），應用基模模式（光強呈高斯分布的單模）可獲得大的孔深。對于孔徑小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距（15～30mm）的物鏡打孔。二、激光加工的合理工作參數(shù)(1)2023/7/111

（3）提高激光加工孔的圓度

激光器模式采用基模加工，聚焦透鏡用消球差物鏡，且透鏡光軸與激光束光軸重合，工件適當偏離聚焦點以及選擇適當?shù)募す饽芰康瓤商岣呒庸A度。

（4）降低打孔的錐度

通?？椎腻F度隨其孔深孔徑比增大而增加，采用適當?shù)募す廨敵瞿芰炕蛐∧芰慷啻握丈?，較短的焦距，小的透鏡折射率及減少入射光線與光軸間的夾角等措施可減小孔的錐度。二、激光加工的合理工作參數(shù)(2)2023/7/112

（5）硬脆材料激光打孔的實用參數(shù)

用YAG激光加工機對紅寶石和金剛石打孔，當孔徑為0.05mm時，所用的單個脈沖的激光能量分別為0.05～1J，每秒的脈沖數(shù)約為20個；加工Si3N4、SiC和Al2O3等陶瓷，當孔徑為0.25～1.5mm時，所用單個脈沖激光能量在5～8J，每秒的脈沖數(shù)為5～10個，脈沖寬度0.63ms，輔助氣體用空氣或N2。

二、激光加工的合理工作參數(shù)(3)2023/7/1132．激光切割的合理工作參數(shù)

除精細切割如切割硅片可用YAG固體激光器外，激光切割一般采用CO2以激光器，其工作參數(shù)主要有切割速度、切縫寬度和切割厚度。

（1）激光切割速度

它隨激光功率和噴氣壓力增大而增加，而隨被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚度碳素鋼鋼板的速度達到2.5m／min，而厚度為12mm的鋼板僅為0.8m/min。切割15.6mm厚的膠合板為4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度則達27m/min。二、激光加工的合理工作參數(shù)(4)2023/7/114

（2）切縫寬度

一般在0.5mm左右，它與被切材料性質(zhì)及厚度、激光功率大小、焦距及焦點位置、激光束直徑、噴吹氣體壓力及流量等因素有關，其影響程度大致與對打孔直徑的影響相似。切割精度可達±0.02～0.01mm。

（3）切割厚度

它主要取決于激光輸出功率。切割碳素鋼時，1kW級激光器的極限切割厚度為9mm，1.5kW級為12mm，2.5kW級為19mm；2.5kw級切割不銹鋼的最大切割厚度則為15mm。對于厚板切割則需配置3kw以上的高功率激光器。二、激光加工的合理工作參數(shù)(5)2023/7/115

（4）輔助氣體提高切割效率和切口質(zhì)量

由于金屬表面的激光反射率可高達的95%，使激光能量不能有效地射入金屬表面。噴吹氧氣或壓縮空氣能促進金屬表面氧化，可提高對激光的吸收率來提高切割效率。增加吹氧壓力還可使切縫減小，切割石英時，吹氧可防止再粘結。切割易燃材料時，可噴惰性氣體防止燃燒，切割帶有金屬夾層的易燃材料，宜采用無氧空氣。當吹氣壓力未超過某一數(shù)值時，增加壓力可增大切割厚度。

對于熔點低、分解點低及導熱性差的塑料、纖維、木材、布料等，一般應采用長焦距的鍺透鏡來聚焦激光束。二、激光加工的合理工作參數(shù)(6)2023/7/116三、激光焊接技術（1）1．激光焊接的工藝特點

按焊接熔池形成的機理區(qū)分，激光焊接有兩種基本模式：熱導焊和深熔焊。熱導焊所用激光功率密度較低（105-106W/cm2），工件吸收激光后，僅達到表面熔化，然后依靠熱傳導向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。熱導焊焊接模式熔深淺，深寬比較小。深熔焊激光功率密度高（106-107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方2023/7/117三、激光焊接技術（2）

方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫（圖1）。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機械制造領域，除了那些微薄零件之外，一般應選用深熔焊。2023/7/118

深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護氣體，在激光作用下發(fā)生電離，從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量，并影響光束的聚焦效果，對焊接不利。通?？奢o加側吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應，使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生，研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關系，和利用這些特征信號對激光焊接過程及質(zhì)量進行監(jiān)控，具有十分重要的理論意義和實用價值。三、激光焊接技術（3）2023/7/119

由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑小(0.1～0.3mm)，功率密度高，比電弧焊(5×102～104W/cm2)高幾個數(shù)量級，因而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點：加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，接頭性能優(yōu)良；殘余應力和焊接變形小，可以實現(xiàn)高精度焊接；可對高熔點、高熱導率、熱敏感材料及非金屬進行焊接；焊接速度快，生產(chǎn)率高；具有高度柔性，易于實現(xiàn)自動化。

激光焊與電子束焊有許多相似之處，但它不需要真空室，不產(chǎn)生X射線，更適合生產(chǎn)中推廣應用。激光焊接實際上已取得了電子束焊接20年前的地位，成為高能束焊接技術發(fā)展的主流。三、激光焊接技術（4）2023/7/120三、激光焊接技術（5）2．激光焊接設備

激光焊接設備主要由激光器、導光系統(tǒng)、焊接機和控制系統(tǒng)組成。

(1)激光器

用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。兩者優(yōu)缺點比較如下表所示。2023/7/121

激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方面考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應用大多數(shù)還處在1.5～6kW范圍，但現(xiàn)在世界上最大的CO2激光器已達50kW。而YAG激光器在過去相當長一段時間內(nèi)提高功率有困難，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微聯(lián)接。但是，近幾年來，國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進展，最大功率已達5kW，并已投入市場。由于其波長短，僅為CO2激光的1/10，有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸使導光系統(tǒng)大為簡化。三、激光焊接技術（6）2023/7/122

可以預料，大功率YAG激光焊接技術在今后一段時間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展，成為CO2激光焊接強有力的競爭對手。

(2)導光和聚焦系統(tǒng)

導光聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向、傳輸光束和聚焦的功能。這些光學零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學部件，尤其是透鏡性能會劣化使透過率下降；會產(chǎn)生熱透鏡效應(透鏡受熱膨脹焦距縮短)；表面污染也會增加傳輸損耗。所以光學部件的質(zhì)量、維護和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質(zhì)量至關重要。三、激光焊接技術（7）2023/7/123三、激光焊接技術（8）(3)激光焊接機

它的作用是實現(xiàn)光束與工件之間的相對運動，完成激光焊接，分焊接專機和通用焊接機兩種。后者常采用數(shù)控系統(tǒng)，有直角坐標二維、三維焊接機或關節(jié)型激光焊接機器人。2023/7/124三、激光焊接技術（9）3．改善和發(fā)展激光焊接的新技術

以下幾項技術有助擴展激光焊接的應用范圍及提高激光焊接自動控制水平。

（1）填充焊絲激光焊

激光焊接一般不填充焊絲，但對焊件裝配間隙要求很高，實際生產(chǎn)中有時很難保證，限制了其應用范圍。采用填絲激光焊，可大大降低對裝配間隙的要求。例如板厚2mm的鋁合金板，如不采用填充焊絲，板材間隙必須為零才能獲得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊絲做為填充金屬，即使間隙增至1.0mm，也可保證焊縫良好的成形。

此外，填充焊絲還可以調(diào)整化學成分或進行厚板多層焊。

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（2）光束旋轉(zhuǎn)激光焊

使激光束旋轉(zhuǎn)進行焊接的方法，也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求。例如在2mm厚高強合金鋼板對接時，容許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm；而對4mm厚的板，則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準允許誤差從0.25mm增加至0.5mm.三、激光焊接技術（10）2023/7/126(3)激光焊接質(zhì)量在線檢測與控制

利用等離子體的光、聲、電荷信號對激光焊接過程進行檢測，近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點，少數(shù)研究成果已達到了閉環(huán)控制的程度。該系統(tǒng)所用傳感器及其功能如下：

1)等離子體監(jiān)測傳感器

a.等離子體光學傳感器（PS）：它的