先进激光加工技术(上)
超薄Hastelloy C-276激光 精密焊接技术研究
▲实验设备、材料及方案制定
Hastelloy C-276化学成分 (质量分数，%)
Ni Bal. Cr 16.0 Mo 15.7 Fe 5.6 W 3.3 Mn 0.5 Si 0.03 S 0.00 P 0.01 C 0.004 Co 0.1 V 0.01
• 非金属对激光的吸收：绝缘体和半导体的 结构特征决定了它对激光波长有强烈的选 择性。
激光对材料的加热
• 激光照射区域沿法线 方向的温度剃度为：
T A Ps t n
式中，αA为靶材表面对激光的吸收比；Ps为作用于靶材表 面的激光功率密度；λt为材料热导率。 具体计算分析时做如下简化假设： 1. 被加热的材料是均匀且各向同性的物质。 2. 材料的光学特性和热力学参数与温度无关。 3. 忽略传热过程中的辐射和对流，只考虑材料内热传导。
《光机电月刊》，《工业激光解决方案》
• 德国、美国、日本、英国等国家激光产业的 发展代表了世界激光产业最高发展水平。 • 激光产业发展计划 美国：激光核聚变计划； 德国：光学促进计划；国家级激光中心9个 英国：阿维尔计划； 日本：激光研究5年计划。
中国“十二五”规划中增加：高能束与特种能场制造科学
• 对于功率密度为Pso的入射激光，穿透长度为l的蒸气等 离子体区域，透射激光功率密度为P，则有
dP s K s Ps dx P dP P P s d ln s ln so Pso P Pso Ps s d K s dx K s dx K s l
Pso 0 P l
dθ为光学厚度，表征激光 穿过蒸气等离子体被吸收 的情况。 把蒸气等离子体看做均匀时
K s d / l
' 1 exp(d )
只要测出Pso、Ps和等离子体线度l， 就可以得到光学厚度 dθ，吸收系数Ks 和等离子体屏蔽系数。
四、激光加工典型应用
• 激光宏观制造 • 激光微细加工 • 激光增材制造技术（3D打印技术）
v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔 化潜热和蒸发潜热；c(Tc-To)为 温度从熔点升至沸点靶面吸收 热量；Tc表示稳定表面温度； Ps＝αAPso；vm为质量变化率； p(Ts)为蒸气压力。
气化时间的估计
• 假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同， 且不随温度变化，则气化厚度为d0的金属所需时间可 由能量守恒定律推得的下式近似估算：
v Ps dz(t ) dt [ Lv Ln c(Tc T0 )]
t
z max v(t t n ) z max vm
tn
Ps (t )dt [ Lv Ln c(Tc T0 )]
p (Ts ) dm N (Ts )Vz v dt 2kTs M
• 吸收系数：与材料和激光波长有关 • 材料的复数折射率：n=n1+in2 • 激光垂直入射时吸收比： 4n1 A 2 2 n1 1 n2 • 吸收系数：
A
4n2
• 金属对激光的吸收与波长、材料特性、温 度、表面情况（有无涂层）及激光的偏振 特性有关。一般情况下吸收比随波长增加 减小，随温度升高增大。
4. 激光表面处理
表面强化处理
机身面板
A318—A380
焊接设备
表层支撑架链接技术
复合焊接
Hybrid weld seam
Nd:YAG-MIG Welding head
铝合复合焊接：金 高速、低变形
激光焊接技术
• 薄板热传导焊接技术 • 厚板深熔焊接焊接技术
超薄Hastelloy C-276脉冲激光焊接实验
频率
Width of Top Surface（mm） Width of Bottom Surface（mm）
0.6 0.6 0.5
20
30 40
0.6
0.7 0.8
0.4
0.6 0.8
超薄Hastelloy C-276激光 精密焊接技术研究
▲激光焊接对焊缝形貌的影响
+1 mm 离焦量
脉冲宽度对焊缝形貌的影响
超薄Hastelloy C-276激光 精密焊接技术研究
▲焊缝形貌形成机制分析
►平整焊缝成形机制分析
激光焊接熔池流动驱动力 1）浮力效应（Buoyancy Force） 2）玛尔戈尼效应（Marangoni Effect）
► 窄焊缝成形机制分析 激光焊接过程温度分布规律 1）极短的作用时间 毫秒量级
制造、金属零件直接成形（3D打印）、打标等—应用于汽车、电子、航 空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。
农业：育种等。 医学：激光眼科、微外科手术、激武器（人眼致盲、光
电探测器失效，摧毁飞机、导弹、卫星）、激光模拟训练。
科学研究等许多方面。
离焦量对焊缝形貌的影响
超薄Hastelloy C-276激光 精密焊接技术研究
▲焊缝形貌形成机制分析
► 焊缝形貌特征分析
波浪条纹 熔化边界 周期性半圆
以等轴 晶为主
焊缝 上表面
脉冲间断 作用
基材组织
无波浪条纹 无周期性 厚度方向能 量扩散以及 激光束远离
焊缝 下表面
焊缝组织 晶粒细化，无明显热影响区
交通领域中的应用
（汽车制造）
Audi A2 焊接
Laser welds
汽车焊接件
（航空领域）
1. 激光焊接
高强铝合金激光焊接已应用于空客A380，机身减重18%，成本下 降21.4%-24.3%
2. 激光分离
航空发动机打孔及激光切割，涡轮叶片的激光打孔
3. 激光成形（直接熔覆制造及修复）
美国已应用于：歼击机F/A-18E/F，F-22, JSF, 无人战斗机X-45A， 黑鹰直升机T700（修复费用500美元，传统11万美元）
激光等离子体屏蔽现象
• 激光作用于靶表面，引起蒸发，蒸 气继续吸收激光能量，使温度升高， 最后在靶表面上产生高温高密度的 等离子体。等离子体向外迅速膨胀， 在膨胀过程中等离子体继续吸收入 射激光。等离子体阻止了激光到达 靶面，切断了激光与靶的能量耦合。 靶 这种效应叫做等离子体屏蔽效应。 • 相互作用的物质分为三部分：靶， 激光，等离子体。 • 描述等离子体屏蔽程度用等离子体 屏蔽系数：定义为等离子体吸收的 能量与入射激光能量之比。
等离子体
激光束
等离子体屏蔽机制
• 蒸气等离子体吸收入射激光能量的机制是逆韧致辐射 吸收。对于铝靶，其逆韧致辐射吸收系数为 Ks，入射 激光通过蒸气的透射比为ρT，等离子体屏蔽系数为
1 T 1 exp[ K s ( x)dx]
' 0
l
Ks为吸收系数，与波长的平方成正比，说明长波长激光的 等离子体屏蔽效应比短波长激光要强烈一些，出现时间更 早。
求解方法
• 求解激光加热问题的数值解最有效也是最 重要的方法是：有限差分法。它能有效地 处理各种复杂边界条件和非线性问题，能 得到较准确地数值解。 • 其实质是：将微分方程中未知函数的导数 用温度场各个节点上的有限差分值的近似 关系来代替，进而得到有限差分方程的解。 这样就将有限差分方程的求解归结于简单 的代数运算。
激光熔融现象
• 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，前一 章讨论的激光加热与热传导方程的解将不再成立。 原因：材料熔化要吸收熔化潜热；材料的热导率 在熔化前后将成倍的变化。 • 对半无限大物体，当表面温度达到熔点 Tm时，等 温面（熔化波前） T=Tm 将以一定的速度向材料内 部传播，传播速度取决于激光功率密度和材料的 固相、液相的热力学参数。等温面传播的最大距 离称为最大熔化深度。
(1 R ) Pso t d0[cs (Tv T0 ) ( Ln Lv )]
1. 激光功率密度越高，所需气化时间越短。 2. 气化时间比熔化时间高出一个数量级，主要原因是 沸点比熔点高很多，且气化潜热比熔融潜热大一个 数量级。
举例：铝材料
• 在气压0.1 MPa时，Tv=2767 K, Lv=10770 J/g, d0=5 mm, ρR=0.8: 当：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 在激光加热直至气化过程中有两个非常重要的物理量：
tb t n 4.76Tn ( z max
1.2t T Tn ( b 1) A P so Tn Tb 1) Tn
Tn为熔化温度；λt为热导率；
Tb近似为气化温度
z max A Pso 1.2tTn (
合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度
靶材的气化模型
• 高强度激光脉冲照射金属靶材表面分为以下几个阶段：首 先，靶表面达到熔点温度时，形成熔融层，然后温度继续 上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能量变为蒸发的潜 热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶 材。最后，在强度不是很高的情况下，喷溅蒸气不能形成 强吸收，系统达到一个稳定状态。
一是激光与靶材的热耦合系数：表示激光能量中被转化为靶 的热能的部分。对于不透明材料，忽略靶蒸气动能，近似为 （1－ρR）。 发射比ρR与靶面状况（温度、相态等）有关。 另一个重要的物理量是质量迁移率Δm/E：表示在能量为E的 激光作用下靶材因气化而损失的质量Δm。与激光功率密度分 布、脉冲结构、光斑大小及靶材本身的特性有关。
内 容
1. 2. 3. 4. 引言 工业用激光器 激光加工基本物理过程 激光加工典型应用
在宏观制造领域中的应用 微细加工领域的应用 激光增材制造技术（3D打印技术）
一、引 言
• 1960 年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不 穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器 和光纤激光器等。 • 激光器应用领域 工业：焊接、切割、打孔、表面处理、合金化、熔覆修复、快速原型
激光雕刻工艺(3篇)
第1篇一、引言随着科技的不断发展，激光技术逐渐成为制造业中不可或缺的重要手段。
激光雕刻工艺作为一种新型的加工技术，凭借其独特的优势在各个领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍激光雕刻工艺的技术特点、应用领域及发展趋势。
二、激光雕刻工艺的技术特点1. 高精度：激光雕刻工艺具有极高的加工精度，可以达到微米级别。
这使得激光雕刻在精密加工领域具有显著优势。
2. 高速度：激光雕刻工艺具有很高的加工速度，可大幅度提高生产效率。
在处理大量加工任务时，激光雕刻具有明显的优势。
3. 高柔性：激光雕刻工艺可加工各种材料，如金属、塑料、木材、皮革等，适应性强。
4. 非接触加工：激光雕刻工艺采用非接触式加工，不会对工件表面造成损伤，提高工件使用寿命。
5. 环保节能：激光雕刻工艺在加工过程中，不会产生粉尘、噪音等污染，具有环保节能的特点。
6. 个性化定制：激光雕刻工艺可以实现个性化定制，满足客户多样化需求。
三、激光雕刻工艺的应用领域1. 金属加工：激光雕刻工艺在金属加工领域具有广泛的应用，如航空航天、汽车制造、模具制造等。
2. 塑料加工：激光雕刻工艺在塑料加工领域具有很高的应用价值，如电子产品、包装材料、医疗器械等。
3. 木材加工：激光雕刻工艺在木材加工领域具有广泛的应用，如家具制造、木制品加工等。
4. 皮革加工：激光雕刻工艺在皮革加工领域具有很高的应用价值，如皮具制造、鞋类加工等。
5. 石材加工：激光雕刻工艺在石材加工领域具有广泛的应用，如建筑装饰、园林景观等。
6. 玻璃加工：激光雕刻工艺在玻璃加工领域具有很高的应用价值，如玻璃工艺品、玻璃制品等。
7. 文具加工：激光雕刻工艺在文具加工领域具有广泛的应用，如办公用品、学习用品等。
四、激光雕刻工艺的发展趋势1. 激光雕刻设备向高功率、高稳定性方向发展：随着激光技术的不断发展，激光雕刻设备将朝着高功率、高稳定性的方向发展，以满足更复杂的加工需求。
2. 激光雕刻工艺向自动化、智能化方向发展：未来，激光雕刻工艺将实现自动化、智能化，提高生产效率，降低人工成本。
激光加工技术在特印行业的新应用_激光蚀刻移印钢板新工艺
2012.8Market50网印工业 / Screen Printing Industry移印，属于特种印刷方式之一。
它能够在不规则异型物品表面上印刷文字、图形和图像，已经成为一种重要的特种印刷工艺。
例如，各种塑胶玩具表面的文字和图案就是采用这种印刷方式，还有计算机键盘、化妆品包装、仪器、仪表和家用电器面饰板等很多产品的表面印刷，都以移印工艺完成。
移印工艺是自80年代初期由欧洲传到中国，由于其在小面积、凹凸面的产品上面进行印刷具有非常明显的优势，弥补了网版印刷工艺的不足。
90年代初期，随着中国市场开放，大批以电子、塑胶、礼品、玩具等传统产业为主体的外资企业相继进入中国市场，移印技术和网版印刷技术作为主要的装饰方式更是得到超常的发展，据不完全统计，移印技术和网版印刷技术在上述行业的应用分别达到27%、64%、51%、66%。
移印钢板激光蚀刻工艺的现实意义传统钢板的工艺过程包括图文设计、菲林输出、钢板清洗、曝光、显影、冲洗和烘干一系列复杂过程，特别是对凹版的深度要根据不同图形精度要求，凹版腐蚀程度过深，曝光时操作不当或灰尘影响，使凹版腐蚀效果不理想，这些工艺环节数据完全依赖师傅经验掌握，各工序都需要实践经验控东莞市恒德光电设备制造有限公司 任建明制。
此外广泛应用于金属类印版的腐蚀采用的是无色透明的酸性液体， 由于金属印版和酸类的反应的副产品对环境有一定破坏，使用时需要用大量清水稀释，直接导入污水对环境影响很大。
腐蚀水含有强烈的氧化剂，对皮肤有强烈的腐蚀作用。
以上种种情况，极大制约了这一技术的发展。
激光蚀刻就是针对传统移印钢板工艺提出的激光加工技术在特印行业的新应用——激光蚀刻移印钢板新工艺2012.8Market51Screen Printing Industry / 网印工业率；使用寿命可达10年之久；6．利用本软件系统特有的智能数据库功能，可对所有参数进行优化并自动保存，大大节省了人力物力。
操作简单，易学易懂，即或是新员工，稍为熟悉即可上机工作。
先进加工技术
第二节 电化学加工
一、电化学加工分类 电化学加工分4类: 工件(作为阳极)溶解去除金属材料的电解加工—工件材料减
少，包括电解加工和电解抛光。 工件(作为阴极)表层沉积金属的电镀、涂覆—工件材料增加，
包括电镀、局部涂镀、电铸和复合电镀。 工件作为阳极溶解去除大量材料，具有磨、研等机械作用的
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第四节 数控加工技术概述
从1970年到现在为第二阶段。1970年以后，通用小型计算机 已能批量生产，它的运算速度和可靠性比早期的专用计算机 大大提高，且成本大幅度下降，于是将小型计算机移植过来 作为机床数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC) 阶段。到1974年，美国的Intel公司将计算机核心部件运算器 和控制器采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上而制成 微处理器(CPU)。微处理器运用于机床数控系统上才真正解 决了之前的数控机床的可靠性低、价格高和应用不便等关键 性问题，使数控机床进入实用阶段。1990年以来，PC机的性 能已经发展到很高的阶段，可满足作为机床数控系统核心部 件的要求，而且PC机的生产批量大、价格低、可靠性高。从 此，数控机床进入了广泛应用的PC阶段。
1.激光打孔 激光打孔已广泛应用于金刚石拉丝模、钟表、宝石、轴承、
陶瓷、玻璃等非金属材料硬质合金、不锈钢等金属材料的小 孔加工。对于激光打孔，激光的焦点位置对孔的质量影响很 大，如果焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显 著减小，不能进行加工。
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第三节 高能束加工
如果焦点位置在被加工表面的两侧偏离1 mm左右时还可以 进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生 显著的变化。加工面在焦点和透镜之间时，加工出的孔是圆 锥形;加工面和焦点位置一致时，加工出的孔的直径上下基本 相同，当加工表面在焦点以外时，加工出的孔呈腰鼓形。
先进加工技术介绍
激光加工的应用(续)
激光焊接
热导焊：激光功率密度较低，工件吸收激光后，仅达到表面融化， 然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深 浅，深宽比较小。 深熔焊：激光功率密度高，工件吸收激光后迅速熔化乃至汽化，熔 化后的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔 不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平 衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属 绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽 比也大。
精密和超精密磨削
精密和超精密磨削是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、脆性 材料等进行加工，得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度 加工方式：固结磨料加工 游离磨料加工 加工精度1～0.1um，表面粗糙度Ra0.2-0.025um 磨削机理：靠砂轮的精细修整使磨料具有微刃性和等高性，微刃 的微切削作用、等高切削作用和微刃的滑挤、摩擦、抛光作用， 加上无火花磨削阶段的作用 磨料的种类
金刚石车削技术
金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严 格。除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度 和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而 对径向运动精度要求较低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运 动精度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影响。 超精密金刚石切削的机理：切削深度小，一般在微米级。切削表面一 般由工具的挤光作用形成。 超精密金刚石切削用金刚石刀具：1.刀具刃口的锋利性(刃口半径越小， 被切削表面的弹性恢复量就越小，加工变质层也越小。刃口圆弧半径 小到10nm左右）2.切削刃的粗糙度（决定切削表面的粗糙度，Ry0.10.27）3.刀具与被切削材料的亲和性（会加快刀具的微观磨损）4.刀具 的切削刃强度高、耐磨性 应用范围：有机玻璃、塑料、高强度镍钢、工具钢、陶瓷
激光加工技术ppt课件
固体激光器一般采用光激励，能量转化环节多，光的激 励能量大部分转换为热能，所以效率低。为了避免固体 介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式并用合 适的冷却装置，较少采用连续工作方式。由于其具有结 构紧凑、牢固耐用、使用维护方便、价格较低等特点， 所以在激光打孔、焊接、切割、划片、热处理及半导体 加工技术中得到广泛应用。
激光加工技术
主要内容
激光的产生及特性
激光加工的原理和特点
激光加工的基本设备 激光加工工艺及应用 发展趋势及展望
激光加工技术
自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光 方式，前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的 光便是激光。 激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微 米的极小光斑，使能获得极高的能量密(108——1010W ／cm2)。当激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并 迅速转化为热能，光斑区的温度可达10000℃以上，使 材料熔化甚至气化，这就是激光加工 。
5 10
2
•
激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或 带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调 整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材 料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断 被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压 力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来， 在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此， 激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和 受冲击波抛出的综合作用过程。
1960年美国研制成功世界上第一台可用激光加 工的激光器，截止今天激光加工已形成一种重要的 新兴产业。
1.激光的产生及特性
• 1.1 激光的产生 • 光的产生与光源内部原子运动状态有关，原子内 的原子核和核外电子间存在着吸引和排斥的矛盾 ，电子按一定的半径的轨道围绕原子核运动。当 原子接受一定的外来的能量或向外释放一定的能 量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，即 产生能级变化，当被激发到高能级，但这时的原 子不稳定总是试图回到低能级，当原子从高能级 跃迁到低能级时，常常以光子的形式辐射出光能 量，这就是发光的原理。
激光加工技术
离焦量对打孔质量的影响
激光打孔的分类
2013年12月11日星期三
1、复制法 激光束以一定的形状及精度重复照射到
工件固定的一点上，在和辐射传播方向
垂直的方向上，没有光束和工件的相对
位移。
复制法一般采用多脉冲法
特点：可使工件上能量的横向扩散减至
最小，有助于控制孔的大小和形状
激光打孔的分类
2013年12月11日星期三
B、焦点位置的选择：对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的 内部，如果材料比较薄，激光束焦点需放在工件表面的上方。这样的安排 会让打出来的小孔上下大小基本上一致，不出现“桶状”的小孔。
激光打孔中离焦量对打孔的影响
2013年12月11日星期三
在激光打孔中，材料上表面与聚焦透镜焦点之间的距离成为离焦量。
例1：用带Q开关的连续YAG激光器在镍基高温耐腐蚀合金的高熔点金属上打 2~10um的小孔，其深径比为250:1。 例2：在淬火模具钢上，用YAG激光打出直径为0.6mm、深度为17mm的孔，其深 径比为28:1。
例3：在碳钢上，通过对导光系统参数进行调整，在厚度为16.2mm时，打出孔
径为0.25mm的小孔，其深径比为65:1。
激光打孔的特点
2013年12月11日星期三
6、用激光可在难加工材料斜面上加工小孔 倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削 刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，
甚至产生钻头折断。而激光特别适合于加工与工件表面成6o~9o
角的小孔。 另外，由于激光打孔过程与工件不接触，加工出来的工件清 洁，没污染。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形 、热影响区域均较小，不需要特别保护。激光不仅能对置于空气 中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其他条件下的工件进行 打孔。
七.先进加工技术
生物工程
Bioengineering
制造工程
Manufacturing Engineering
生物制造
Biomanufacturing
组织和器官之假体与活体制造
பைடு நூலகம்
目的： 1. 提高生产率 2. 改善加工情况 实现： 1. 主轴的零传动：高速主轴单元——电主轴 2. 进给的零传动：直线电机
超高速加工的优点：
1. 显著提高生产效率 2. 切削力可以降低30%以上 3. 切削过程迅速，95%以上的切削热被切
屑带走，工件可以保持冷态。
4. 工作稳定振动小，远离了“机床——工 件——刀具”工艺系统的固有频率范围， 可加工非常精密，光洁的零件。
5. 表面残余应力很小。
不足： 目前只在铝合金和铸铁加工方面应用。 钢的超高速加工还有一些困难
四、超精密加工技术：
分为三种：一般加工、精密加工、超精密加工 动态变化的： 目前标准： 尺寸精度高于0.1μm 表面粗糙度高于0.025μm 形位精度高于0.1μm 从亚微米级向纳米级发展 机械去除法的极限：0.01μm。金刚刀车刀加工有
变形加工：热流动：锻造 粘滞流动：铸造、等静压成形、压铸、注塑 分子定向：液晶定向
超精密加工的要求： 高精度：静态和动态 高刚度：静刚度和动刚度 高稳定性 高度自动化，智能化：减少人为因素
目前超精密加工的主要手段： 1. 金刚石刀具超精密切削 2. 金刚石砂轮和CBN砂轮超精密磨削 3. 超精密研磨和抛光 4. 精密特种加工和复合加工
实现超精密加工的主要条件： 1. 超精密加工机床与装、夹具 2. 刀具、刀具材料、刃磨技术 3. 加工工艺 4. 加工环境控制（恒温、隔振、洁净控制等） 5. 测控技术
激光加工技术及其应用(精)
激光加工技术及其应用概述:激光加工(Laser Beam Machining,简称LBM是指利用能量密度非常高的激光束对工件进行加工的过程。
激光几乎能加工所有材料,例如,塑料、陶瓷、玻璃、金属、半导体材料、复合材料及生物、医用材料等。
在1960年12月,出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。
1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。
1966年,科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。
此外,还有输出能量大、功率高,而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。
与传统加工技术相比,激光加工技术有以下特点(1激光功率密度大,工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化,即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等也可用激光加工;(2、激光头与工件不接触,不存在加工工具磨损问题;(3、工件不受应力,不易污染;(4、可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工;(5、激光束的发散角可小于1毫弧,光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级,因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工;(6、激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合,实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度;(7、在恶劣环境或其他人难以接近的地方,可用机器人进行激光加工。
2.基本原理激光被广泛应用是因为它具有的单色波长、同调性和平行光束等3大特性。
科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质,使其原子的电子达到受激发的高能量状态。
当这些电子要回复到平静的低能量状态时,原子就会射出光子,以放出多余的能量。
这些被放出的光子又会撞击其它原子,激发更多的原子产生光子,引发一连串的连锁反应,并且都朝同一个方前进,进而形成集中的朝向某一方向的强烈光束。
由此可见,激光几乎是一种单色光波,频率范围极窄,又可在一个狭小的方向内集中高能量,所以利用聚焦后的激光束可以穿透各种材料。
激光加工技术
激光加工技术__ __摘要:作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。
本文论述了激光加工技术的主要内容，以与它的加工原理、特点与其应用。
关键词：激光技术特点应用1.引言激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工方法——激光加工〔Lasser Beam Machining 简称LBM〕。
由于激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面变形小，可以加工各种材料，已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性，所以很受人们重视。
激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。
2.激光技术研究的主要内容〔1〕激光加工用大功率CO2和固体激光器与准分子激光器的引进机型研究，提高国产机水平；同时开发和研制专用配套的激光加工机床，提高激光器产品在生产线上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器的生产基地。
〔2〕建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。
〔3〕激光切割技术研究。
〔4〕激光焊接技术研究。
〔5〕激光表面处理技术研究。
〔6〕激光加工光束质量与加工外围装置研究。
〔7〕择优支持2~3个国家级加工技术研究中心，开展激光加工工艺技术研究，重点是材料表面改性和热处理方面的研究和推广应用；开展激光快速成形技术的应用研究，拓宽激光应用领域。
3激光加工的原理和特点3.1．加工原理和特点1〕聚集后，光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。
例如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都能加工。
第5章激光加工
图5-7 焦点位置对孔形状的影响
4．光斑内的能量分布 ．
I I I
(a)
(b)
(c)
图5-8光斑能量分布对打孔质量的影响 光斑能量分布对打孔质量的影响
5．激光的多次照射 ．
第一次照射后
第二次照射后
第三次照射后
图5-9 光管效应示意图
6．工件材料 ．
二、激光切割
激光切割的原理和激光打孔原理基本相同。 激光切割的原理和激光打孔原理基本相同。 所不同 的是工件与激光束要有相对移动。 的是工件与激光束要有相对移动。激光切割大都采用重 复频率较高的脉仲激光器或连续振荡的激光器 或连续振荡的激光器。 复频率较高的脉仲激光器或连续振荡的激光器。
平平平 激激激 聚聚聚平 激激激 喷喷 辅辅辅辅 钛钛被
图5-10 CO2气体激光器切割钛合金示意图
激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精 激光器， 激光切割大多采用大功率的 激光器 细切割，也可采用YAG激光器。 激光器。 细切割，也可采用 激光器 激光可以切割金属，也可以切割非金属。 激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光 切割过程中， 切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击 和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制， 和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故 在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、 在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零 部件。 部件。 激光切割过程中， 激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素 有激光功率、吹气压力、材料厚度等。 有激光功率、吹气压力、材料厚度等。
图5-1 激光切割的样件
手机盖
集成块
图5-2 激光打商标
图5-3 激光雕刻
图5-4 激光快速成型
§5.1 激光加工的原理和特点