精密與特種加工技術(shù)課件：激光加工技術(shù)-

1激光加工技術(shù)27.1激光原理與特點7.1.1激光的產(chǎn)生激光最初被譯作“萊塞”，即英語“Laser”，是“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”(意為“輻射的受激發(fā)射光放大”)的縮寫。后來在20世紀(jì)60年代初期，由錢學(xué)森建議，把光受激發(fā)射器改稱為“激光”或“激光器”。世界上第一臺紅寶石激光器由美國科學(xué)家梅曼于1960年發(fā)明成功，隨后各種激光器不斷涌現(xiàn)，我國科學(xué)家王之江也于1961年在長春光機所研究成功我國第一臺激光器。激光器作為20世紀(jì)四大發(fā)明之一，它為人們科學(xué)研究、生產(chǎn)提供一個新的方法，也給人類的生活提供了很大方便，特別在是進入20世紀(jì)80年代以來，激光加工技術(shù)在工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)上不可缺少的一種方法。31.光的自發(fā)輻射由于電子在原子外層的不同分布，具有不同的內(nèi)部能量，從而形成所謂的能級。若原子處于內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，則稱原子處于基態(tài)。其他比基態(tài)能量高的狀態(tài)，都稱激發(fā)態(tài)。在熱平衡情況下，絕大多數(shù)原子都處于基態(tài)。處于基態(tài)的原子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。42.光的受激吸收當(dāng)原子受到外來的能量為hν21的光子作用(激勵)下，處于低能級E1上的原子由于吸收一個能量為hν21的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級E2上去，這種過程稱為光的受激吸收。53.光的受激輻射當(dāng)原子受到外來的能量為hν的光子作用(激勵)時，處在高能級E2上的原子也會在能量為hν的光子誘發(fā)下，從高能級E2躍遷到低能級E1，這時原子發(fā)射一個與外來光子一模一樣的光子，這種過程稱為光的受激輻射。67.1.2激光工作原理1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，高能級上的粒子數(shù)總是小于低能級的粒子數(shù)。由于外界能源的激勵(光泵或放電激勵)，破壞了熱平衡，有可能使得處于高能級E2上的粒子數(shù)n2大大增加，達到n2>n1。這種情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。一般可把原子從低能級n1激勵到高能級n2以使在某兩個能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程稱為泵浦(或抽運)。泵浦裝置實質(zhì)上是激光器的外來能源，提供光能、電能、熱能、化學(xué)反應(yīng)能或原子核能等。激光泵浦裝置的作用，是通過適當(dāng)?shù)姆绞?，將一定的能量傳送到工作物質(zhì)，使其中的發(fā)光原子(或分子、離子)躍遷到激發(fā)態(tài)上，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。72.諧振腔光學(xué)諧振腔裝有兩面反射鏡，分置在工作物質(zhì)的兩端并與光的行進方向嚴(yán)格垂直。反射鏡對光有一定的透過率，便于激光輸出；但又有一定的反射率，便于進行正反饋。由于兩反射鏡嚴(yán)格平行，使在兩鏡間(即諧振腔內(nèi))往返振蕩的光有高度的平行性，因而激光有好的方向性。3.激光振蕩處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，一旦發(fā)生受激發(fā)射，由于在激光工作物質(zhì)的兩端裝上反射鏡，光就在反射鏡間多次來回反射。于是在反射鏡之間光強度增大，有效地產(chǎn)生受激發(fā)射，形成急劇的放大。若事先使一端的反射鏡稍微透光，則放大后的一部分激光就能輸出到腔外84.激光放大處于激活狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，當(dāng)有一束能量為E=hν21=E2-E1的入射光子通過該激活物質(zhì)，這時光的受激輻射過程將超過受激吸收過程，而使受激輻射占主導(dǎo)地位。在這種情況下，光在激活物質(zhì)內(nèi)部將越走越強，使該激光工作物質(zhì)輸出的光能量超過入射光的能量，這就是光的放大過程。其實，這樣一段激活物質(zhì)就是一個放大器。97.1.3激光特性激光器具有與普通光源很不相同的特性，一般稱為激光的四性：方向性好、單色性好、相干性好以及高亮度。激光的這些特性不是彼此獨立的，它們相互之間有聯(lián)系。實際上，正是由于激光的受激輻射本質(zhì)決定了它是一個相干光源，因此其單色性和方向性好，能量集中。107.2材料加工用激光器簡介7.2.1激光加工常用激光器激光器種類比較多，但在工業(yè)上最常用材料加工的激光器是CO2激光器和Nd：YAG激光器。CO2激光器產(chǎn)生的激光波長為10.6，電光轉(zhuǎn)換效率為10%~15%。117.2.2激光加工基本設(shè)備的組成激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機械系統(tǒng)等四大部分。(1)激光器：是激光加工的核心設(shè)備，它是把電能轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生激光束。(2)激光器電源：為激光器提供電能以及實現(xiàn)激光器和機械系統(tǒng)自動控制。(3)光學(xué)系統(tǒng)：主要包括聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。(4)機械系統(tǒng)：包括床身、數(shù)控工作臺和數(shù)控系統(tǒng)等。127.3激光切割和打孔技術(shù)7.3.1激光切割與傳統(tǒng)的機械切割方式和其他切割方式(如等離子切割、水切割、氧溶劑電弧切割、沖裁等)相比，激光切割具有如下優(yōu)點。(1)切縫細小，可以實現(xiàn)幾乎任意輪廓線的切割。(2)切割速度高。(3)切口的垂直度和平行度好，表面粗糙度好。(4)熱影響區(qū)非常小，工件變形小。(5)幾乎沒有氧化層。(6)幾乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材料和極軟、極硬的材料，既可以切割金屬，也可以切割非金屬如玻璃、陶瓷以及木材、布料、紙張等。(7)無力接觸式加工，沒有“刀具”磨損，也不會破壞精密工件的表面。(8)具有高度的適應(yīng)性、加工柔性高，可以實現(xiàn)小批量、多品種的高效自動化加工。(9)噪聲小，無公害。137.3.2激光打孔1.激光打孔的原理和方式在所有的打孔技術(shù)中激光打孔是最新的無屑加工技術(shù)。在工業(yè)用脈沖激光器中，光泵浦的Nd：YAG固體激光器調(diào)制后輸出的脈沖峰值功率是比較高的。聚焦后焦點處的功率密度達到107W/cm2的量級。如此高的能量密度足以汽化任何已知的材料。激光打孔分為五個階段：表面加熱、表面熔化、汽化、氣態(tài)物質(zhì)噴射和液態(tài)物質(zhì)噴射142.激光打孔的特點及應(yīng)用激光打孔的特點是速度快、效率高，現(xiàn)在最快每秒可以實現(xiàn)打100孔；打孔的孔徑可以從幾微米到任意孔徑；可以實現(xiàn)在任何材料上打孔，如寶石、金剛石、陶瓷、金屬、半導(dǎo)體、聚合物和紙等；不需要工具，也就不存在工具磨損和更換工具，因此特別適合自動化打孔。另外，激光還可以打斜孔，如航空發(fā)動機上大量的斜孔加工。與其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能夠在大氣中進行打孔。157.4激光焊接技術(shù)7.4.1激光焊接技術(shù)的興起及發(fā)展在激光出現(xiàn)不久就有人開始了激光焊接技術(shù)的研究，激光焊接技術(shù)是激光在工業(yè)應(yīng)用的一個重要方面。激光焊接技術(shù)從小功率薄板焊接到大功率厚件焊接，由單工件加工向多工作臺多工件同時焊接發(fā)展，以及由簡單焊縫向復(fù)雜焊縫發(fā)展，激光焊接的應(yīng)用也在不斷發(fā)展。在航空工業(yè)以及其他許多應(yīng)用中，激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)很多類型材料的連接，而且激光焊接通常具有許多其他熔焊工藝所無法比擬的優(yōu)越性，尤其是激光焊接能夠連接航空與汽車工業(yè)中比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金等，并且構(gòu)件的變形小，接頭質(zhì)量高，重現(xiàn)性好。167.4.2激光焊接的原理及特點1.激光焊接原理(1)熱傳導(dǎo)熱焊接。采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2時，激光將金屬表面加熱到熔點和沸點之間。焊接時，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬表面溫度升高而熔化，然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，這種焊接機理稱為熱傳導(dǎo)熱焊。17(2)激光深熔焊接。當(dāng)激光光斑上的功率密度大于106W/cm2時，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)升高到沸點，使金屬熔化或汽化，產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定速度離開熔池，逸出的蒸氣對熔化液態(tài)金屬產(chǎn)生一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個小凹坑。當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱時，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小坑進一步加深；另一方面，坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，此過程連續(xù)進行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個細長的孔洞而進行焊接，因此稱之為激光深熔焊。182.激光焊接的特點(1)激光加熱范圍小，在同等功率和焊接厚度條件下，焊接速度高，熱輸入小，熱影響區(qū)小，焊接應(yīng)力和變形小。(2)激光可通過光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳輸、偏轉(zhuǎn)、聚焦，特別適合于微型零件和遠距離或一些難以接近的部位的焊接。(3)一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和熱處理，一機多用。19(4)激光在大氣中損耗不大，可以穿過玻璃等透明物體，適用于在玻璃制成的密封容器里焊接能對人體產(chǎn)生副作用的材料；激光不受電磁場影響，不存在X射線防護，也不需要真空保護。(5)可以焊一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點金屬等，甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃；焊后無需熱處理，適合于某些對熱輸入敏感的材料的焊接。(6)屬于非接觸焊接；由于激光焊接的焊接接頭沒有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能和高的抗拉強度。207.4.3激光焊接的形式與質(zhì)量1.激光焊接的接頭形式212.影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)(1)脈沖能量E和功率密度。(2)激光脈沖寬度。(3)離焦量。(4)光束直徑。(5)焊接速度。(6)保護氣體。3.采用填充材料的激光焊接焊接大厚度板或接頭存在較大間隙時，可以采用填充焊絲或粉末來填補縫隙，熔化的焊絲材料填滿間隙而獲得均勻連續(xù)的焊縫。高強鋁合金焊接時，也需要采用填充焊絲來調(diào)節(jié)焊縫成分以消除焊接熱裂紋。227.5激光表面技術(shù)7.5.1激光表面技術(shù)分類采用激光高能束流集中作用在金屬表面，通過表面掃描或伴隨有附加填充材料的加熱，使金屬表面由于加熱、熔化、汽化而產(chǎn)生冶金的、物理的、化學(xué)的或相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，達到了金屬表面改性的目的，這種加工技術(shù)稱為激光表面技術(shù)。據(jù)激光加熱和處理工藝方法的特征，激光表面處理的種類很多，如下圖列出了幾種典型工藝。23激光表面技術(shù)的分類圖

247.5.2激光相變硬化1.激光相變硬化的原理激光相變硬化也稱為激光淬火，是利于激光輻照的能量把金屬材料表面快速加熱至相變溫度與熔點溫度之間，然后利用材料本身對加熱表面進行快速冷卻使其發(fā)生固態(tài)相變產(chǎn)生硬化層的一種工藝方法。252.激光相變硬化的特點激光束硬化與傳統(tǒng)的硬化方法相比，主要的特點有：(1)加熱冷卻速度快，處理效率高。(2)激光能量、光斑大小和形狀以及激光作用時間可以精確控制，處理效果好。(3)只在需要的部位進行處理。(4)工件熱變形小甚至基本無變形。(5)激光束易于傳輸和導(dǎo)向，因此可以對復(fù)雜零件表面進行處理，如深孔和溝槽表面。(6)易于實現(xiàn)自動化控制，勞動生產(chǎn)率高。(7)節(jié)省能源，不產(chǎn)生環(huán)境污染。263.激光相變硬化的應(yīng)用激光相變硬化的應(yīng)用很多，如平面類零件，導(dǎo)軌、刀片、葉片以及板狀零件；圓環(huán)類零件，活塞環(huán)、汽缸漲圈、汽室漲圈、油封座、進氣門、排氣門、缸蓋座口、各類軸承環(huán)等，以提高硬度和耐磨性為目的；套筒類零件，有汽車、拖拉機、船舶等發(fā)動機缸套或缸體、汽閥導(dǎo)管、電錘套簡、各類襯套和泵筒等；各種軸類、長桿導(dǎo)柱等，異型類零件，如齒輪、模具、針布、鐘表的擒縱叉、發(fā)動機飛錘、刀具、離合器連接件、花鍵套等。277.6激光重熔1.激光表面重熔的原理和特點激光重熔是在激光作用下使材料表面局部區(qū)域快速加熱至熔化，隨后借助于冷態(tài)的金屬基體的熱傳導(dǎo)作用，使熔化區(qū)域快速凝固，形成結(jié)構(gòu)極其細小的非平衡鑄態(tài)組織的工藝技術(shù)。經(jīng)激光重熔的零件表面硬度高，耐磨抗蝕性好。重熔的主要目的是改善材料的原始組織，特別是獲得彌散細化效應(yīng)。282.激光表面重熔的應(yīng)用激光重熔硬化在含有鉻的碳鋼、工具鋼、包括高速鋼以及結(jié)構(gòu)不銹鋼和軸承鋼的應(yīng)用上具有明顯的優(yōu)越性。激光重熔硬化對改善材料性能具有明顯的效果，工作壽命可相應(yīng)延長數(shù)倍。鋁合金的激光重熔硬化主要應(yīng)用于鑄態(tài)鋁合金組織細化。297.7激光合金化1.激光合金化的原理和特點激光合金化是在激光重熔的基礎(chǔ)上通過向熔化區(qū)內(nèi)添加一些合金元素，熔化的基體材料和添加的合金元素由于激光熔池的運動而得到混合，凝固后形成以基體成分為基礎(chǔ)而又不同于基體成分的新的合金層，以達到所要求的使用性能的工藝技術(shù)。302.激光合金化的應(yīng)用有資料表明，為了提高中碳低合金鋼的耐腐蝕性能，可以采用Cr-Mo粉末進行激光合金化處理。將Cr粉與Mo粉按Cr:Mo=4:1比例混合，用等離子噴涂在基材表面，形成約200厚的預(yù)置涂層。采用2kWCO2橫流激光器，光斑直徑1.75mm，功率密度6.25×104W/cm2，掃描速度5~45mm/s，進行多道搭接掃描。鈦和鈦合金的激光氣體表面氮化是一種提高材料耐腐蝕性能的常用技術(shù)。采用5kW橫流CO2激光器，同軸送N2合金化氣并加N2保護激光熔池。激光合金化層厚度達0.5mm，合金層的組織為富氮的基體，并分布TiN枝晶。317.8激光熔覆1.激光熔覆的原理激光熔覆是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的工藝技術(shù)，是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法。2.激光熔覆的特點與應(yīng)用激光熔覆的主要目的是在廉價金屬材料表面形成高性能的合金層，達到降低成本、提高零件表面耐磨、耐蝕及耐高溫抗氧化等的綜合性能。激光熔覆的合金材料包括自熔性合金材料、炭化物彌散或復(fù)合材料、陶瓷材料等。這類材料具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕等性能，通常以粉末的形式使用。在激光熔覆工藝中還有單道、多道、單層、多層等多種形式。通過多道搭界和多層疊加，可以實現(xiàn)寬度和厚度的增加。激光熔覆時常出現(xiàn)氣孔和裂紋等現(xiàn)象，應(yīng)盡量防止。327.9其他激光加工簡介7.9.1激光銑削技術(shù)與應(yīng)用當(dāng)聚焦的高能激光束作用于物體微小區(qū)域，瞬間可使任何材料熔化或者蒸發(fā)，激光銑削就是利用激光束按規(guī)定的圖案，一層一層掃描剝離(或稱燒蝕)材料，就像機械銑削過程一樣對材料進行成形加工，這類似機械銑削加工，可以形象地把它稱為激光銑削。利用激光銑削加工可以直接進行零件的成形加工，激光銑削加工具有很大的柔性，特別適合單件小批量生產(chǎn)。337.9.