先進(jìn)激光加工技術(shù)(上)課件

1、內(nèi) 容,引言 工業(yè)用激光器 激光加工基本物理過程 激光加工典型應(yīng)用 在宏觀制造領(lǐng)域中的應(yīng)用 微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用 激光增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）,一、引 言,1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生，隨后各種激光器層出不窮，如氣體、液體、固體、化學(xué)、準(zhǔn)分子、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等。 激光器應(yīng)用領(lǐng)域 工業(yè)：焊接、切割、打孔、表面處理、合金化、熔覆修復(fù)、快速原型制造、金屬零件直接成形（3D打印）、打標(biāo)等應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、機(jī)械、冶金、鐵路、船舶等工業(yè)領(lǐng)域。 農(nóng)業(yè)：育種等。 醫(yī)學(xué)：激光眼科、微外科手術(shù)、激光美容、口腔。 軍事：激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、激光通信、強(qiáng)激光武器（人眼致盲、光電探測(cè)器失效，摧

2、毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星）、激光模擬訓(xùn)練。 科學(xué)研究等許多方面。,光機(jī)電月刊，工業(yè)激光解決方案,德國、美國、日本、英國等國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了世界激光產(chǎn)業(yè)最高發(fā)展水平。 激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃 美國：激光核聚變計(jì)劃； 德國：光學(xué)促進(jìn)計(jì)劃；國家級(jí)激光中心9個(gè) 英國：阿維爾計(jì)劃； 日本：激光研究5年計(jì)劃。,中國“十二五”規(guī)劃中增加：高能束與特種能場(chǎng)制造科學(xué),二、工業(yè)用激光器,固體激光器（Nd:YAG激光器） 氣體激光器（CO2激光器） 液體激光器 化學(xué)激光器 準(zhǔn)分子激光器（KrF激光器） 半導(dǎo)體激光器 光纖激光器 超快激光器（皮秒、飛秒、阿秒激光）,功率密度對(duì)靶材的影響： 103104 W/cm2，加熱 1

3、04106 W/cm2，熔融 106108 W/cm2，氣化 1081010 W/cm2，等離子體,三、激光與材料相互作用過程,激光加工：熱加工，冷加工,激光與材料的相互作用過程十分復(fù)雜：靶材的多樣化，作用激光參數(shù)的多樣化，作用條件的多樣化。 高功率激光與材料相互作用問題遠(yuǎn)沒有解決，原因是： 一是研究對(duì)象本身的復(fù)雜性和多樣性 二是激光器本身的快速發(fā)展帶來的新的問題 三是一些基本問題的觀點(diǎn)、模型以及適應(yīng)范圍等仍沒有得到清楚地解釋和驗(yàn)證。,相互作用機(jī)理研究尚待深入,激光的吸收,激光入射到材料表面時(shí)：反射、透射、吸收 E0=E反射E吸收E透射 1=E反射/E0E吸收/E0E透射/E0 1=R+A+T

4、（反射比，吸收比，透射比） 對(duì)于不透明材料： 1=R+A 光強(qiáng)傳播：I=I0e-Ax，（A為材料的吸收系數(shù)） 穿透深度：DT=1/A，（光強(qiáng)降至I0/e時(shí)）,吸收系數(shù)：與材料和激光波長有關(guān) 材料的復(fù)數(shù)折射率：n=n1+in2 激光垂直入射時(shí)吸收比： 吸收系數(shù)：,金屬對(duì)激光的吸收與波長、材料特性、溫度、表面情況（有無涂層）及激光的偏振特性有關(guān)。一般情況下吸收比隨波長增加減小，隨溫度升高增大。 非金屬對(duì)激光的吸收：絕緣體和半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征決定了它對(duì)激光波長有強(qiáng)烈的選擇性。,激光對(duì)材料的加熱,激光照射區(qū)域沿法線方向的溫度剃度為：,式中，A為靶材表面對(duì)激光的吸收比；Ps為作用于靶材表面的激光功率密度；

5、t為材料熱導(dǎo)率。 具體計(jì)算分析時(shí)做如下簡化假設(shè)： 被加熱的材料是均勻且各向同性的物質(zhì)。 材料的光學(xué)特性和熱力學(xué)參數(shù)與溫度無關(guān)。 忽略傳熱過程中的輻射和對(duì)流，只考慮材料內(nèi)熱傳導(dǎo)。,求解方法,求解激光加熱問題的數(shù)值解最有效也是最重要的方法是：有限差分法。它能有效地處理各種復(fù)雜邊界條件和非線性問題，能得到較準(zhǔn)確地?cái)?shù)值解。 其實(shí)質(zhì)是：將微分方程中未知函數(shù)的導(dǎo)數(shù)用溫度場(chǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的有限差分值的近似關(guān)系來代替，進(jìn)而得到有限差分方程的解。這樣就將有限差分方程的求解歸結(jié)于簡單的代數(shù)運(yùn)算。,激光熔融現(xiàn)象,當(dāng)激光致使材料表面的溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)，前一章討論的激光加熱與熱傳導(dǎo)方程的解將不再成立。原因：材料熔化要吸收熔

6、化潛熱；材料的熱導(dǎo)率在熔化前后將成倍的變化。 對(duì)半無限大物體，當(dāng)表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)Tm時(shí)，等溫面（熔化波前）T=Tm將以一定的速度向材料內(nèi)部傳播，傳播速度取決于激光功率密度和材料的固相、液相的熱力學(xué)參數(shù)。等溫面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x稱為最大熔化深度。,對(duì)于大多數(shù)金屬，熔化波前的穿透深度可簡單表示為：,Pso為光斑中心的功率密度； Lt為材料的熔化潛熱； tn激光照射表面至開始熔化時(shí)間； tb材料表面加熱到Tb所需時(shí)間； A為材料表面對(duì)激光的吸收比； Tn為熔化溫度；t為熱導(dǎo)率； Tb近似為氣化溫度,合理調(diào)整激光功率密度和脈寬可得到最大融化深度,靶材的氣化模型,高強(qiáng)度激光脈沖照射金屬靶材表面分為以下幾個(gè)階

7、段：首先，靶表面達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)，形成熔融層，然后溫度繼續(xù)上升直到蒸發(fā)開始。一部分吸收的激光能量變?yōu)檎舭l(fā)的潛熱、氣化質(zhì)量的動(dòng)能和噴濺蒸氣的熱量，其余部分傳給靶材。最后，在強(qiáng)度不是很高的情況下，噴濺蒸氣不能形成強(qiáng)吸收，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。,v為靶面蒸發(fā)速度；Ln，Lv為熔化潛熱和蒸發(fā)潛熱；c(Tc-To)為溫度從熔點(diǎn)升至沸點(diǎn)靶面吸收熱量；Tc表示穩(wěn)定表面溫度；PsAPso；vm為質(zhì)量變化率；p(Ts)為蒸氣壓力。,氣化時(shí)間的估計(jì),假設(shè)氣化過程中，所有材料在液相和固相時(shí)性質(zhì)相同，且不隨溫度變化，則氣化厚度為d0的金屬所需時(shí)間可由能量守恒定律推得的下式近似估算：,激光功率密度越高，所需氣化時(shí)間越短。

8、 氣化時(shí)間比熔化時(shí)間高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，主要原因是沸點(diǎn)比熔點(diǎn)高很多，且氣化潛熱比熔融潛熱大一個(gè)數(shù)量級(jí)。,舉例：鋁材料,在氣壓0.1 MPa時(shí)，Tv=2767 K, Lv=10770 J/g, d0=5 mm, R=0.8: 當(dāng)：Pso=104 W/cm2, t=8 s; Pso=105 W/cm2, t=0.8 s; Pso=107 W/cm2, t=0.008 s=8 ms,在激光加熱直至氣化過程中有兩個(gè)非常重要的物理量： 一是激光與靶材的熱耦合系數(shù)：表示激光能量中被轉(zhuǎn)化為靶的熱能的部分。對(duì)于不透明材料，忽略靶蒸氣動(dòng)能，近似為（1R）。 發(fā)射比R與靶面狀況（溫度、相態(tài)等）有關(guān)。 另一個(gè)重要的物理

9、量是質(zhì)量遷移率m/E：表示在能量為E的激光作用下靶材因氣化而損失的質(zhì)量m。與激光功率密度分布、脈沖結(jié)構(gòu)、光斑大小及靶材本身的特性有關(guān)。,激光等離子體屏蔽現(xiàn)象,激光作用于靶表面，引起蒸發(fā)，蒸氣繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶表面上產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。等離子體向外迅速膨脹，在膨脹過程中等離子體繼續(xù)吸收入射激光。等離子體阻止了激光到達(dá)靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。這種效應(yīng)叫做等離子體屏蔽效應(yīng)。 相互作用的物質(zhì)分為三部分：靶，激光，等離子體。 描述等離子體屏蔽程度用等離子體屏蔽系數(shù)：定義為等離子體吸收的能量與入射激光能量之比。,等離子體屏蔽機(jī)制,蒸氣等離子體吸收入射激光能量的機(jī)制是逆韌致

10、輻射吸收。對(duì)于鋁靶，其逆韌致輻射吸收系數(shù)為Ks，入射激光通過蒸氣的透射比為T，等離子體屏蔽系數(shù)為,Ks為吸收系數(shù)，與波長的平方成正比，說明長波長激光的等離子體屏蔽效應(yīng)比短波長激光要強(qiáng)烈一些，出現(xiàn)時(shí)間更早。,對(duì)于功率密度為Pso的入射激光，穿透長度為l的蒸氣等離子體區(qū)域，透射激光功率密度為P，則有,d為光學(xué)厚度，表征激光穿過蒸氣等離子體被吸收的情況。,把蒸氣等離子體看做均勻時(shí),只要測(cè)出Pso、Ps和等離子體線度l，就可以得到光學(xué)厚度 d，吸收系數(shù)Ks和等離子體屏蔽系數(shù)。,四、激光加工典型應(yīng)用,激光宏觀制造 激光微細(xì)加工 激光增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）,交通領(lǐng)域中的應(yīng)用,（汽車制造）,Audi

11、A2 焊接,汽車焊接件,（航空領(lǐng)域）,1. 激光焊接 高強(qiáng)鋁合金激光焊接已應(yīng)用于空客A380，機(jī)身減重18%，成本下降21.4%-24.3% 2. 激光分離 航空發(fā)動(dòng)機(jī)打孔及激光切割，渦輪葉片的激光打孔 3. 激光成形（直接熔覆制造及修復(fù)） 美國已應(yīng)用于：殲擊機(jī)F/A-18E/F，F(xiàn)-22, JSF, 無人戰(zhàn)斗機(jī)X-45A，黑鷹直升機(jī)T700（修復(fù)費(fèi)用500美元，傳統(tǒng)11萬美元） 4. 激光表面處理 表面強(qiáng)化處理,機(jī)身面板,A318A380,焊接設(shè)備,表層支撐架鏈接技術(shù),復(fù)合焊接,Nd:YAG-MIG Welding head,Hybrid weld seam,鋁合復(fù)合焊接：金 高速、低變形,

12、激光焊接技術(shù),薄板熱傳導(dǎo)焊接技術(shù) 厚板深熔焊接焊接技術(shù),超薄Hastelloy C-276脈沖激光焊接實(shí)驗(yàn),超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及方案制定,Hastelloy C-276化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%),研究單脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率、焊接速度等參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，分析焊縫成形機(jī)制以及焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)制，提出基于焊縫形貌控制的精密焊接方法。,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,激光焊接對(duì)焊縫形貌的影響,單脈沖能量,焊接速度,頻率,脈沖寬度,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,激光焊接對(duì)焊縫形貌的影響,脈沖寬

13、度對(duì)焊縫形貌的影響,離焦量對(duì)焊縫形貌的影響,+1 mm 離焦量,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫形貌形成機(jī)制分析, 焊縫形貌特征分析,波浪條紋 熔化邊界 周期性半圓 脈沖間斷 作用,無波浪條紋 無周期性 厚度方向能量擴(kuò)散以及激光束遠(yuǎn)離,焊縫 上表面,焊縫 下表面,基材組織,焊縫組織,以等軸 晶為主,晶粒細(xì)化，無明顯熱影響區(qū),平整焊縫成形機(jī)制分析,激光焊接熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力 1）浮力效應(yīng)（Buoyancy Force） 2）瑪爾戈尼效應(yīng)（Marangoni Effect）,激光焊接過程溫度分布規(guī)律 1）極短的作用時(shí)間 毫秒量級(jí),2）脈沖占空比 合理的加熱冷卻循環(huán),瞬時(shí)線能

14、量密度決定了焊接過程熱輸入量的大小,脈沖激光加熱冷卻過程的交替，不僅保證了焊接過程的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，也避免極高溫度的出現(xiàn)。,焊接過程中浮力效應(yīng)導(dǎo)致焊縫中心隆起，兩側(cè)略有下降；而瑪爾戈尼效應(yīng)導(dǎo)致焊縫中心處凹陷。在兩種“矛盾”機(jī)制的相互作用下，形成了最終平整的焊縫表面。, 窄焊縫成形機(jī)制分析,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫形貌形成機(jī)制分析, 宏觀焊縫缺陷分析,X射線探傷結(jié)果 （樣品尺寸：5080mm2，焊縫長度40mm）,探傷結(jié)果說明脈沖激光焊接技術(shù)可以應(yīng)用于超薄Hastelloy C-276屏蔽套的焊接成形加工，焊縫形貌平整，而且可以得到無宏觀缺陷的焊縫。,目前針對(duì)焊縫的無

15、損探傷方法主要包括射線探傷，超聲探傷，渦流探傷，磁粉探傷以及滲透探傷。本檢測(cè)采用X射線探傷方法。,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫形貌形成機(jī)制分析, 微觀焊縫缺陷分析,為確保準(zhǔn)確衡量焊縫微觀缺陷特征，采用逐層拋光法對(duì)X射線無損探傷的40 mm焊縫開展微細(xì)缺陷檢測(cè)，每層去除厚度10m,在逐層拋光檢測(cè)中并未發(fā)現(xiàn)明顯的微孔特征，因此說明該焊縫不存在大于10 m尺度的微觀缺陷。同時(shí)，也從側(cè)面說明X射線探傷結(jié)果的可靠性。,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫組織微觀結(jié)構(gòu)分析,焊縫微觀組織特征 焊縫組織元素分布特征 焊縫相結(jié)構(gòu)特征 焊縫顯微硬度分析,超薄

16、Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫微觀組織特征,焊縫區(qū)域分為三個(gè)部分：中心熔化區(qū)（CFZ）、過渡熔化區(qū)（TFZ）和邊緣熔化區(qū)（EFZ）,CFZ 和TFZ區(qū),CFZ區(qū)域放大,EFZ區(qū)域,穿線生長特征,細(xì)小等軸晶為主,細(xì)小等軸晶和 部分柱狀枝晶,以平面晶和胞狀晶為主,焊縫處晶粒形態(tài)與基材晶粒 的差別，是否是元素偏析導(dǎo) 致的結(jié)果？, 元素宏觀分布特征,焊縫組織元素分布特征,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,電子探針元素宏觀分布特征結(jié)果：（a）掃描路徑 ；（b）Longitude 方向 Ni-Cr-Mo分布；（c）Longitude 方向 Fe-W分布；（d

17、）Traverse 方向 Ni-Cr-Mo分布；（e）Traverse 方向 Fe-W分布,焊縫處5大主要元素未出現(xiàn)宏觀偏析現(xiàn)象,（a）, 元素微觀分布特征,典型次晶界特征,焊縫組織元素分布特征,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫區(qū)域背散射照片,Mo元素分布規(guī)律, 元素微觀分布特征-EDS能譜分析,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊縫組織元素分布特征,焊縫顯微硬度分析,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊接材料焊縫處微觀硬度并未受到激光焊接過程的明顯影響,主要和焊縫處晶粒細(xì)化所引起的材料強(qiáng)化和脈沖激光焊接過程劇烈的冷卻過程

18、相當(dāng)于材料經(jīng)歷淬火過程，兩者的作用效果與基材所經(jīng)歷的固溶強(qiáng)化作用相似。,焊接接頭力學(xué)性能分析,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊接接頭常溫力學(xué)性能 焊接接頭高溫力學(xué)性能, 常溫拉伸試驗(yàn),焊接樣品均在焊縫處斷裂 焊接樣品屈服極限未變，抗拉極限降為基材的88%,焊接接頭常溫力學(xué)性能分析,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,拉伸樣品： (a) 200 , (b) 300 and (c) 400 , 斷口位置隨機(jī)分布于焊縫或基材處. 基材發(fā)生塑性失穩(wěn). 焊縫斷口處，斷裂變形均勻.,超薄Hastelloy C-276激光精密焊接技術(shù)研究,焊接接頭高溫力學(xué)性能分析, 高溫拉伸試驗(yàn), 在同一溫度下，焊接接頭和基材的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和延展率無明顯差別 焊縫斷口的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)