激光原理與技術(shù)-第七章 激光加工技術(shù)

激光加工

三.激光用在加工領(lǐng)域利用激光的亮度高和方向性好可以在機(jī)加工領(lǐng)域大有作為。如可以在零件上打一般鉆頭不能打的異形孔和尺寸達(dá)微米級(jí)的小孔。利用激光進(jìn)行切割，具有速度快，切面光潔，不發(fā)生形變的特點(diǎn)。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的難熔金屬。還可以利用激光亮度高、能量集中、可通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行控制的特點(diǎn)對(duì)金屬工件外表進(jìn)行改性處理。激光熱加工原理無(wú)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)用范圍如圖各種參數(shù)條件下激光加工的可能應(yīng)用和影響激光等離子體屏蔽現(xiàn)象

激光作用于靶外表，引發(fā)蒸汽，蒸汽繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶外表產(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(guò)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。視頻：激光加工演示及詳解激光熔凝處理后橫截面組織示意圖T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布同步送料法激光熔覆示意圖激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂層法和同步送料法。同步送料法指在激光束照射基材的同時(shí)，將待熔覆的材料送入激光熔池，經(jīng)熔融、冷凝后形成熔覆層的工藝過(guò)程。激光熔覆材料包括金屬、陶瓷或者金屬陶瓷，材料的形式可以是粉末、絲材或者板材激光相變相圖分析激光相變相圖分析應(yīng)用熔池CCD拍攝圖彩色云圖處理激光焊接相對(duì)于傳統(tǒng)方式的優(yōu)點(diǎn)：

2〕在激光焊接過(guò)程中無(wú)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)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。激光焊接主要有熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種。熱導(dǎo)焊采用的激光功率為105w/cm2左右，是靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行焊接的，焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比最大為3：1。深熔焊采用的功率密度在106~107w/cm2

之間，焊縫的深寬比最大可達(dá)12：1

4視頻激光焊、焊接汽車(chē)7.4激光焊接奧迪系列寶馬系列奔馳系列激光發(fā)生器激光設(shè)備☆由光學(xué)震蕩器及放在震蕩器空穴兩端鏡間的介質(zhì)所組成。介質(zhì)受到激發(fā)至高能量狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生同相位光波且在兩端鏡間來(lái)回反射，形成光電的串結(jié)效應(yīng)，將光波放大，并獲得足夠能量而開(kāi)始發(fā)射出激光。☆激光亦可解釋成將電能、化學(xué)能、熱能、光能或核能等原始能源轉(zhuǎn)換成某些特定光頻〔紫外光、可見(jiàn)光或紅外光的電磁輻射束的一種設(shè)備。轉(zhuǎn)換形態(tài)在某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中很容易進(jìn)行。當(dāng)這些介質(zhì)以原子或分子形態(tài)被激發(fā)，便產(chǎn)生相位幾乎相同且近乎單一波長(zhǎng)的光束-----激光。由于具同相位及單一波長(zhǎng)，差異角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及熱處理等功能前可傳送的距離相當(dāng)長(zhǎng)。下面是常見(jiàn)的激光焊接設(shè)備開(kāi)展過(guò)程世界上的第一個(gè)激光束于1960年利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖然瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)10^6瓦，但仍屬于低能量輸出。

使用釹〔ND〕為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒〔Nd:YAG〕可產(chǎn)生1---8KW的連續(xù)單一波長(zhǎng)光束。YAG激光，波長(zhǎng)為1.06uM，可以通過(guò)柔性光纖連接到激光加工頭，設(shè)備布局靈活，適用焊接厚度0.5-6mm。

使用CO2為激發(fā)物的CO2激光〔波長(zhǎng)10.6uM〕，輸出能量可達(dá)25KW，可做出2mm板厚單道全滲透焊接，工業(yè)界已廣泛用于金屬的加工上。焊接特性

激光焊接屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上。激光束可由平面光學(xué)元件〔如鏡子〕導(dǎo)引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊可以與MIG焊組成激光MIG復(fù)合焊，實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比MIG焊大為減小。激光焊接的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：〔1〕可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低?！?〕32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時(shí)間甚至可省掉填料金屬的使用?！?〕不需使用電極，沒(méi)有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低?！?〕激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周?chē)臋C(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法那么因受到上述的空間限制而無(wú)法發(fā)揮?！?〕工件可放置在封閉的空間〔經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下〕。〔6〕激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件，

〔7〕可焊材質(zhì)種類(lèi)范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

〔8〕易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制?！?〕焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾?！?0〕不受磁場(chǎng)所影響〔電弧焊接及電子束焊接那么容易〕，能精確的對(duì)準(zhǔn)焊件?！?1〕可焊接不同物性〔如不同電阻〕的兩種金屬

缺點(diǎn)：〔12〕不需真空，亦不需做X射線防護(hù)?！?3〕假設(shè)以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1〔14〕可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站?！?〕焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)?！?〕焊件需使用夾治具時(shí)，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。〔3〕最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過(guò)19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接?！?〕高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變?！?〕當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周?chē)碾x子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。〔6〕能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%?！?〕焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮?！?〕設(shè)備昂貴。(1)功率密度。功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)間范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，產(chǎn)生大量汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度到達(dá)沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層到達(dá)熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍在10^4~10^6W/CM^2。(2)激光脈沖波形。激光脈沖波形在激光焊接中是一個(gè)重要問(wèn)題，尤其對(duì)于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料外表，金屬外表將會(huì)有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨外表溫度變化。在一個(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。(3)激光脈沖寬度。脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。激光焊接的工藝參數(shù)

(4)離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響。激光焊接通常需要一定的離做文章一，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過(guò)程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，激光加熱50~200us材料開(kāi)始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問(wèn)分汽化，形成市壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比外表還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)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。激光焊接國(guó)內(nèi)外開(kāi)展?fàn)顩r4、電子工業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。

5、生物醫(yī)學(xué)

生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來(lái)的優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。有關(guān)激光焊接神經(jīng)方面目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在激光波長(zhǎng)、劑量及其對(duì)功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進(jìn)行了激光焊接小血管及皮膚等根底研究的根底上又對(duì)大白鼠膽總管進(jìn)行了焊接研究。激光焊接方法與傳統(tǒng)的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過(guò)程中沒(méi)有異物反響，保持焊接部位的機(jī)械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。根本工作原理是離散、堆積。

蝸桿激光熔覆的復(fù)雜截面變換器計(jì)算機(jī)用于建立待制作零件的CAD模型，將零件的CAD模型轉(zhuǎn)換成STL文件，對(duì)零件的CAD模型進(jìn)行切片處理，生成一系列具有一定厚度的薄層，并形成每一層薄層的掃描軌跡，以控制多坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

高功率激光器使用的是高達(dá)幾千瓦到十幾千瓦功率的CO2激光器多坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)采用多坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描：在工作臺(tái)上的零件除能夠沿著X,Y軸方向運(yùn)動(dòng)外，還可以繞X,Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

送粉裝置提供均勻穩(wěn)定的粉末流。送粉裝置有兩種形式：側(cè)向送粉裝置和同軸送粉裝置

用于制造復(fù)雜形狀的零件特別適合于在航天航空工業(yè)中制作大型整體薄壁結(jié)構(gòu)零件。

快速制造原型可以在極短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)制造出零件的原型，進(jìn)行外觀、功能和運(yùn)動(dòng)上的考核，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)糾正，防止由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而帶來(lái)的工裝、模具等浪費(fèi)。用于制造多種材料或非均質(zhì)材料的零件用于制造活性金屬的零件由于激光快速成型制造能夠提供良好的工作氣氛環(huán)境，材料浪費(fèi)少，所以可以用于加工活性金屬(如鈦、鎢、鎳等)及其他的特殊金屬。用于小批量生產(chǎn)塑料制件相比于普通的化學(xué)清洗法和機(jī)械清洗法,激光清洗具有如下特征：

〔1〕它是一種完全的“干式〞清洗過(guò)程，不需要使用清潔液或者其它化學(xué)溶液，是一種“綠色〞消洗工藝，并且清潔度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)清洗工藝；〔2〕清洗的對(duì)利象范圍很廣?！?〕激光清洗適用于幾平所有固體基材?！?〕激光清洗可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，還可利用光纖將激光引入污染區(qū)，操作人員只需遠(yuǎn)距離遙控操作、非常平安方便，這對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如核反響堆冷凝管的除銹等，具有重要的意義。6視頻：激光清洗紋身過(guò)程激光彎曲南京產(chǎn)激光發(fā)生器激光其他應(yīng)用視頻激光雕刻、打標(biāo)視頻7激光武器視頻8激光裝點(diǎn)舞臺(tái)視頻9等等等等激光加工——二維精細(xì)切割1

不銹鋼厚1mm鋁合金0.8mm厚，小孔直徑0.7mm單晶硅厚0.7mm不銹鋼厚4mm激光加工——三維精細(xì)切割2大功率電子管柵極鉬厚300微米，直徑300微米航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉形孔不銹鋼厚1mm，孔100微米切割陶瓷厚1.7mm色片工裝鋁合金厚度4mm激光加工——焊接盒體鋁合金厚3mm鍋爐用鋼管厚7mm汽車(chē)齒輪〔16MnCr5〕紙漿過(guò)濾器不銹鋼激光加工——熔覆與熱處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)熔覆層寬2mm，厚1mm曲軸花鍵槽修復(fù)〔18Cr2Ni4W〕熔覆層寬4mm，厚0.5mm線材軋輥修復(fù)，熔覆層8mm

導(dǎo)軌外表強(qiáng)化(材料:高強(qiáng)鋼)激光加工——生物芯片多種激光器聯(lián)合制作具有復(fù)雜流路的生物芯片20個(gè)循環(huán)PCR微流控芯毛細(xì)管微流控芯超短激光和長(zhǎng)脈沖激光作用的比較Laser-matterinteractionwithlongpulse

Laser-matterinteractionwithultrashortpulse4、飛秒微加工與微制備Adrillinginsteelproducedby3.3-nspulses.Astrongblurformationoccursandsolidifieddropletsstickonthesurface.Notetheheat-affectedzonearoundthehole.Adrillinginsteelproducedby200-fspulses.Pulsesenergyisdecreasedbynearlyoneorderofmagnitude.飛秒激光角膜切割FlapcutbyfslaserpulseFlapcut