工程材料的激光加工开放实验-1

工程材料的激光加工工程材料的激光加工材料学院材料成型及控制工程系材料学院材料成型及控制工程系2009秋冬学期秋冬学期Date 1工程材料的激光加工主要内容主要内容一、激光加工技术简介及发展情一、激光加工技术简介及发展情况况二、实验目的和要求二、实验目的和要求三、实验原理三、实验原理 四、实验设备四、实验设备五、实验内容与步骤五、实验内容与步骤六、实验注意事项六、实验注意事项七、实验报告要求七、实验报告要求Date 2工程材料的激光加工一、激光加工技术简介及发展情况一、激光加工技术简介及发展情况1、激光技术发展简史、激光技术发展简史 1960年年 : 梅曼（梅曼（ T.MAIMAN) 第一台红宝石激光器第一台红宝石激光器 ; 1961年年 : 德诺凡德诺凡 (俄俄 ) 第一台气体激光器第一台气体激光器 (He-Ne); 1962年年 : 第一台半导体激光器第一台半导体激光器 ; 1964年年 : 帕特尔帕特尔 (C.Patel) 第一台第一台 CO2激光器激光器 ; 1965年年 : 贝尔实验室第一台贝尔实验室第一台 YAG激光器激光器 ; 1971年年 : 第一台商用第一台商用 1kW的的 CO2激光器激光器 ; 19711980年年 : 开展激光切割、焊接、表面处理等激光加开展激光切割、焊接、表面处理等激光加工技术的研究与开发。工技术的研究与开发。Date 3工程材料的激光加工2、工业激光器的市场分布、工业激光器的市场分布激光器制造商：激光器制造商：美国：美国： PRCPRAMA德国：德国： HAASTRUMPFROFIN-SINAR英国：英国： LUMONICS日本：川崎重工日本：川崎重工东芝东芝 中国：武汉华工激光、武汉金石凯、沈阳大陆、武汉团结中国：武汉华工激光、武汉金石凯、沈阳大陆、武汉团结Date 4工程材料的激光加工3、激光加工特点、激光加工特点（ 1）激光加工不需要工具，无工具损耗、更换等问题）激光加工不需要工具，无工具损耗、更换等问题（ 2）工件无受力变形，易保证加工精度）工件无受力变形，易保证加工精度（ 3）几乎能加工所有的金属和非金属材料）几乎能加工所有的金属和非金属材料（ 4）加工速度快，效率高，热影响区小）加工速度快，效率高，热影响区小（ 5）能进行精细加工）能进行精细加工（ 6）能够透过惰性气体、空气或透明介质等进行加工）能够透过惰性气体、空气或透明介质等进行加工Date 5工程材料的激光加工各种加工方法的应用比例激光加工技术应用激光加工技术应用Date 6工程材料的激光加工激光加工技术在汽车中的应用返回Date 7工程材料的激光加工二、实验目的和要求二、实验目的和要求 1、了解工程材料激光加工的基本原理和工艺过程、了解工程材料激光加工的基本原理和工艺过程； 2、了解激光加工设备的基本组成；、了解激光加工设备的基本组成； 3、通过具体的板料激光加工（切割、焊接等），、通过具体的板料激光加工（切割、焊接等），使学生了解基本概念，工艺特点，以及在工业生产使学生了解基本概念，工艺特点，以及在工业生产中的具体应用。中的具体应用。返回Date 8工程材料的激光加工激光加工是一种利用光能进行加工的方法。激光是一种能量密度高、方向性强、单色性好的相干光。三、实验原理三、实验原理Date 9工程材料的激光加工通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，焦点处的的极小光斑，焦点处的 能量密度可达能量密度可达 1071011W/cm2，温度可高达，温度可高达 1万万 ，从而使任何材料均在瞬时（，从而使任何材料均在瞬时（ 10 3s）被急剧熔化乃至汽化。在不同的功率密度等条件）被急剧熔化乃至汽化。在不同的功率密度等条件下，材料表面区域发生各种不同的变化。这种变化包下，材料表面区域发生各种不同的变化。这种变化包括温度升高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金属括温度升高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金属在保护气体作用下结晶凝固形成焊缝；汽化后的金属在保护气体作用下结晶凝固形成焊缝；汽化后的金属蒸气在辅助气体的吹力作用下而离开被加工表面形成蒸气在辅助气体的吹力作用下而离开被加工表面形成割缝或孔洞。如果加工过程中加入一定的粉末材料，割缝或孔洞。如果加工过程中加入一定的粉末材料，使其和被加工工件表面部分材料熔合在一起，就可以使其和被加工工件表面部分材料熔合在一起，就可以得到高性能的熔覆层。得到高性能的熔覆层。 Date 10工程材料的激光加工激光切割 激光焊接 激光表面处理激光雕刻 激光打孔 激光快速成型各种加工方法的适用范围Date 11工程材料的激光加工（ 1）激光焊接 激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。特种熔化焊接方法。 激光束经聚焦后，能量更为集中，能量密激光束经聚焦后，能量更为集中，能量密度可达度可达 105107W/cm 2。如将焦点调节到焊。如将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。Date 12工程材料的激光加工热导焊接 深熔焊接 热导焊焊缝 深熔焊焊缝 Date 13工程材料的激光加工金属材料的激光焊接 Date 14工程材料的激光加工激光焊接应用举例Date 15工程材料的激光加工首 饰焊 接 样 品 手机壳体 焊 接Date 16工程材料的激光加工（ 2）激光切割 激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（105107W/cm 2）激光束连续照射工件，光束能）激光束连续照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能均被材料吸收，引起照射点材料温度急剧热能均被材料吸收，引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞上升，到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，且光束与工件相对移动，使材料形成切缝，且光束与工件相对移动，使材料形成切缝，切缝处熔渣被一定压力的辅助气体吹除。切缝处熔渣被一定压力的辅助气体吹除。Date 17工程材料的激光加工 汽化切割：工件加热到沸点以上温度汽化切割：工件加热到沸点以上温度 熔化切割：工件加热到熔点温度以上熔化切割：工件加热到熔点温度以上 氧助熔化切割：氧等活性气体代替熔化切割的氧助熔化切割：氧等活性气体代替熔化切割的惰性气体惰性气体 控制断裂切割：易受热破坏的脆性材料控制断裂切割：易受热破坏的脆性材料 Date 18工程材料的激光加工激光切割应用举例Date 19工程材料的激光加工Date 20工程材料的激光加工木皮切割大功率切割大功率切割Date 21工程材料的激光加工（ 3）激光表面处理 当激光能量密度在当激光能量密度在 103 105W/cm 2左右时，对工件左右时，对工件表面进行扫描，在极短的时间内加热到相变温度表面进行扫描，在极短的时间内加热到相变温度（由扫描速度决定时间长短），工件表层由于热（由扫描速度决定时间长短），工件表层由于热量迅速向内传导快速冷却，实现了工件表层材料量迅速向内传导快速冷却，实现了工件表层材料的相变硬化的相变硬化 （激光淬火）（激光淬火） 。Date 22工程材料的激光加工激光熔覆激光熔覆 利用大功率高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间利用大功率高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉末完全熔化。激光束扫描后束同步自动送置的合金粉末完全熔化。激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，恢复几快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，恢复几何尺寸和表面强化等特点。何尺寸和表面强化等特点。 Date 23工程材料的激光加工齿轮损伤状态 修复后齿轮局部轴修复前状态 激光熔覆过程中Date 24工程材料的激光加工激光表面合金化、激光冲击硬化、激光表面合金化、激光冲击硬化、激光上釉激光上釉Date 25工程材料的激光加工（ 4）激光打孔、打标 激光打孔激光打孔 主要用于特殊材料或特殊工件上的孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。等金属材料的细微孔的加工。陶瓷基片激光打孔Date 26工程材料的激光加工 激光激光 打标打标 是利用高能量密度的是利用高能量密度的 激光激光 对工件进对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发