激光与物质相互作用综述分析 毕业设计.doc

1 安 徽 工 业 大 学 本 科 毕 业 设 计 (论 文 )任 务 书 课 题 名 称 激 光 与 物 质 相 互 作 用 分 析 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 毕 业 设 计 (论 文 )的 主 要 内 容 及 要 求 ： 主 要 内 容 ： 研 读 激 光 与 物 质 相 互 作 用 论 文 ， 对 激 光 加 热 ， 应 力 损 伤 ， 加 工 等 过 程 进 行 学 习 分 析 ， 完 成 论 文 归 纳 总 结 。 本 论 文 主 要 是 研 读 激 光 与 物 质 相 互 作 用 的 书 籍 和 文 献 ， 对 激 光 加 热 ， 应 力 损 伤 ， 加 工 等 过 程 进 行 学 习 分 析 ， 通 过 对 自 己 的 学 习 分 析 ， 总 结 激 光 在 加 工 上 的 原 理 及 应 用 ， 并 完 成 论 文 的 归 纳 总 结 。 要 求 ： 1.具 有 查 阅 相 关 文 献 的 能 力 ； 2.完 成 激 光 在 不 同 方 向 应 用 的 相 关 归 纳 总 结 工 作 ； 3.对 所 查 阅 文 献 进 行 分 析 整 理 ， 完 成 相 关 工 作 ， 学 生 需 自 备 计 算 机 。 指 导 教 师 签 字 ： 2 激 光 与 物 质 相 互 作 用 综 述 分 析 摘 要 本 文 主 要 讲 激 光 与 物 质 热 效 应 和 激 光 对 物 质 的 加 工 ,以 及 此 过 程 中 产 生 的 热 应 力 。 回 顾 近 代 的 科 技 发 明 ， 激 光 器 的 诞 生 无 疑 是 一 个 的 亮 点 ， 激 光 以 其 无 与 伦 比 的 技 术 优 势 正 继 微 电 子 技 术 之 后 ， 推 动 人 类 科 学 技 术 进 入 新 的 发 展 阶 段 。 激 光 加 工 是 指 利 用 激 光 束 投 射 到 材 料 表 面 产 生 的 热 效 应 来 完 成 加 工 过 程 ， 将 激 光 束 照 射 到 工 件 的 外 表 ， 以 激 光 的 高 能 量 来 切 除 、 熔 化 质 料 以 及 转 变 物 体 外 表 性 能 。 而 且 激 光 束 的 能 量 和 光 束 的 移 动 速 率 均 可 调 治 ， 所 以 激 光 加 工 可 应 用 于 任 意 层 面 和 领 域 上 。 由 于 激 光 加 工 热 影 响 区 域 小 ， 光 束 方 向 性 好 ， 几 乎 可 以 加 工 任 何 材 料 。 由 于 激 光 加 工 的 特 殊 特 点 ， 其 发 展 前 景 广 阔 ， 目 前 已 广 泛 应 用 于 激 光 焊 接 、 激 光 切 割 、 表 面 改 性 、 激 光 打 标 、 切 削 加 工 ， 快 速 成 形 ， 激 光 钻 孔 和 基 板 划 片 ， 半 导 体 处 理 等 。 激 光 几 乎 能 适 应 任 何 材 料 的 加 工 制 造 ， 尤 其 在 一 些 有 特 殊 精 度 和 要 求 、 特 别 场 合 和 特 种 材 料 的 加 工 制 造 方 面 起 着 无 可 替 代 的 作 用 。 而 且 激 光 因 具 有 单 色 性 、 相 干 性 和 平 行 性 三 大 特 点 ， 特 别 适 用 于 材 料 加 工 。 激 光 的 空 间 控 制 性 和 时 间 控 制 性 很 好 ， 对 加 工 对 象 的 材 质 、 形 状 、 尺 寸 和 加 工 环 境 的 自 由 度 都 很 大 ， 特 别 适 用 于 自 动 化 加 工 。 激 光 加 工 系 统 与 计 算 机 数 控 技 术 相 结 合 可 构 成 高 效 自 动 化 加 工 设 备 ， 已 成 为 企 业 实 行 适 时 生 产 的 关 键 技 术 ， 与 此 同 时 ， 激 光 加 工 过 程 中 产 生 的 热 应 力 损 伤 和 能 量 转 换 效 率 问 题 也 会 给 生 产 带 来 一 定 困 扰 。 本 文 分 别 从 激 光 加 工 技 术 的 原 理 及 其 应 用 综 合 品 评 了 激 光 加 工 较 传 统 加 工 技 术 的 优 劣 性 ,说 明 其 在 制 造 行 业 中 的 作 用 。 关 键 词 ： 激 光 加 热 激 光 加 工 焊 接 打 孔 切 割 3 abstract this article is mainly about the laser and the material thermal effects and laser material processing, and this thermal stress generated in the process. recalling modern technological inventions, the birth of the laser is undoubtedly one of the highlights, the laser is its unparalleled technical advantages following microelectronics technology, science and technology to promote human development into a new phase. laser processing is the use of a laser beam is projected onto the surface of the material to complete the effect of heat generated during processing, the laser beam is irradiated to the workpiece appearance, with high-energy laser to cut, the molten material and the appearance properties of the object changes. and the laser beam energy and beam moving speed can be modulating, the laser processing can be applied to any level and areas. because the laser processing heat affected zone is small, light, good direction, almost any material can be processed. as a special feature of laser processing, and its development prospects, has been widely used in laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, cutting, rapid prototyping, laser drilling and dicing the substrate, a semiconductor processing. laser can adapt to almost any material, processing and manufacturing, especially in some special accuracy 4 and requirements, special occasions and special materials processing and manufacturing plays an irreplaceable role. and because the laser has a monochromatic coherent and parallelism three characteristics, especially for materials processing. controlling the laser space and time controlled well, the material of the object to be processed, shape, size and processing environment of freedom are large, especially suitable for automated processing. laser processing systems and computer numerical control technology combined with efficient automated processing equipment may constitute, timely production enterprises have become the key technology, at the same time, laser processing thermal stress generated in the process and energy conversion efficiency of injury problems will bring to production certain problems. this paper from the laser processing technique and its application of integrated tasting laser processing advantages and disadvantages compared to traditional processing techniques, indicating its role in the manufacturing industry. keywords: laser heating, laser processing, welding, drilling, cutting 5 目 录 第 1 章 绪 论 7 1.1 激 光 与 物 质 相 互 作 用 综 述 简 述 8 1.2 课 题 的 来 源 8 1.3 本 课 题 的 研 究 思 路 与 研 究 方 法 9 1.4 本 章 小 结 .10 第 2 章 激 光 加 热 物 质 .11 2.1 加 热 原 理 .11 2.2 激 光 热 蒸 发 .12 2.3 物 质 的 熔 化 与 汽 化 .13 2.3 激 光 等 离 子 体 屏 蔽 现 象 .14 2.4 本 章 小 结 .14 第 3 章 激 光 与 物 质 作 用 的 热 应 力 .15 3.1 激 光 与 物 质 作 用 热 应 力 的 定 义 .15 3.2 产 生 热 应 力 的 原 因 .15 3.3 热 应 力 的 主 要 特 点 .15 3.4 热 应 力 的 计 算 .15 3.5 热 应 力 损 伤 .18 3.5 本 章 小 结 .18 第 4 章 激 光 加 工 .19 4.1 激 光 切 割 .19 4.1.1 激 光 切 割 原 理 19 4.1.2 激 光 切 割 的 分 类 .19 4.1.3 激 光 切 割 的 特 点 .20 4.1.4 激 光 切 割 的 应 用 .21 4.2 激 光 焊 接 .21 4.2.1 激 光 焊 接 原 理 .22 4.2.2 激 光 焊 接 分 类 .24 4.3.3 激 光 焊 接 优 点 和 局 限 性 .24 4.3.4 激 光 焊 接 应 用 .25 4.3 激 光 打 孔 27 4.3.1 激 光 打 孔 原 理 .27 4.3.2 激 光 打 孔 分 类 .27 4.3.3 激 光 打 孔 特 点 .28 4.3.4 激 光 打 孔 应 用 31 4.4 本 章 小 结 .31 第 5 章 总 结 与 展 望 .32 5.1 课 题 的 总 结 .32 5.2 课 题 的 展 望 .32 致 谢 33 参 考 文 献 34 6 附 录 1 英 文 原 文 36 附 录 2 英 文 翻 译 44 第 1 章 绪 论 1.1 激 光 与 物 质 相 互 作 用 综 述 简 述 激 光 与 物 质 相 互 作 用 综 述 ， 主 要 是 研 读 激 光 与 物 质 相 互 作 用 的 书 籍 和 文 献 ， 对 激 光 加 热 ， 应 力 损 伤 ， 加 工 等 过 程 进 行 学 习 分 析 ， 通 过 对 相 关 书 籍 和 文 献 的 学 习 ， 总 结 激 光 在 加 工 上 的 原 理 及 应 用 。 1.2 课 题 来 源 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 。 激 光 加 工 是 国 外 激 光 应 用 中 最 大 的 项 目 ， 也 是 对 传 统 产 业 改 造 的 重 要 手 段 ， 主 要 是 kw 级 到 10kw 级 co2 激 光 器 和 百 瓦 到 千 瓦 级 yag 激 光 器 实 现 对 各 种 材 料 的 切 割 、 焊 接 、 打 孔 、 刻 划 和 热 处 理 等 。 如 下 图 ， 激 光 加 工 的 一 些 实 例 ： 图 1-1.激 光 加 工 出 来 的 工 艺 品 7 图 1-2.激 光 在 钢 板 打 孔 图 1-3.激 光 切 割 工 程 图 激 光 加 工 应 用 领 域 中 ， co2激 光 器 以 切 割 和 焊 接 应 用 最 广 ， 分 别 占 到 70%和 20%， 表 面 处 理 则 不 到 10%。 而 yag 激 光 器 的 应 用 是 以 焊 接 、 标 记 （ 50%） 和 切 割 （ 15%） 为 主 。 在 美 国 和 欧 洲 co2激 光 器 占 到 了 7080%。 我 国 激 光 加 工 中 以 切 割 为 主 的 占 10%， 其 中 98%以 上 的 co2激 光 器 ， 功 率 在 1.5kw2kw 范 围 内 ， 而 以 热 处 理 为 主 的 约 占 15%， 大 多 数 是 进 行 激 光 处 理 汽 车 发 动 机 的 汽 缸 套 。 这 项 技 术 的 经 济 性 和 社 会 效 益 都 很 高 ， 故 有 很 大 的 市 场 前 景 1-2。 如 下 图 ， 工 业 用 稳 定 激 光 器 ： 图 1-4.适 用 性 能 高 及 稳 定 的 激 光 加 工 器 在 汽 车 工 业 中 ， 激 光 加 工 技 术 充 分 发 挥 了 其 先 进 、 快 速 、 灵 活 地 加 工 特 点 。 如 在 汽 车 样 机 和 小 批 量 生 产 中 大 量 使 用 三 维 激 光 切 割 机 ， 不 仅 节 省 了 样 板 及 工 装 设 备 ， 还 大 大 缩 短 了 生 产 准 备 周 期 ； 激 光 束 在 高 硬 度 材 料 和 复 杂 而 弯 曲 的 表 面 打 小 孔 ， 速 度 快 而 不 产 生 破 损 ； 激 光 焊 接 在 汽 车 工 业 中 已 成 为 标 准 工 艺 ， 日 本 toyota 已 将 激 光 用 于 车 身 面 板 的 焊 接 ， 将 不 同 厚 度 和 不 同 8 表 面 涂 敷 的 金 属 板 焊 接 在 一 起 ， 然 后 再 进 行 冲 压 。 虽 然 激 光 热 处 理 在 国 外 不 如 焊 接 和 切 割 普 遍 ， 但 在 汽 车 工 业 中 仍 应 用 广 泛 ， 如 缸 套 、 曲 轴 、 活 塞 环 、 换 向 器 、 齿 轮 等 零 部 件 的 热 处 理 。 在 工 业 发 达 国 家 ， 激 光 加 工 技 术 和 计 算 机 数 控 技 术 及 柔 性 制 造 技 术 相 结 合 ， 派 生 出 激 光 快 速 成 形 技 术 。 该 项 技 术 不 仅 可 以 快 速 制 造 模 型 ， 而 且 还 可 以 直 接 由 金 属 粉 末 熔 融 ， 制 造 出 金 属 模 具 3， 如 下 图 ， 激 光 加 工 打 标 机 ： 图 1-5.汽 车 加 工 激 光 打 标 机 80 年 代 ， yag 激 光 器 在 焊 接 、 切 割 、 打 孔 和 标 记 等 方 面 发 挥 了 越 来 越 大 作 用 。 通 常 认 为 yag 激 光 器 切 割 可 以 得 到 好 的 切 割 质 量 和 高 的 切 割 精 度 ， 但 在 切 割 速 度 上 受 到 限 制 。 随 着 yag 激 光 器 输 出 功 率 和 光 束 质 量 的 提 高 而 被 突 破 。 yag 激 光 器 已 开 始 挤 进 kw 级 co2激 光 器 切 割 市 场 。 yag 激 光 器 特 别 适 合 焊 接 不 允 许 热 变 形 和 焊 接 污 染 的 微 型 器 件 ， 如 锂 电 池 、 心 脏 起 搏 器 、 密 封 继 电 器 等 。 yag 激 光 器 打 孔 已 发 展 成 为 最 大 的 激 光 加 工 应 用 4-5， 如 下 图 ， yag 激 光 器 加 工 出 来 的 部 件 ： 9 图 1-6.yag 激 光 器 加 工 出 来 的 部 件 目 前 ， 国 外 激 光 打 孔 主 要 应 用 在 航 空 航 天 、 汽 车 制 造 、 电 子 仪 表 、 化 工 等 行 业 。 激 光 打 孔 的 迅 速 发 展 ， 主 要 体 现 在 打 孔 用 yag 激 光 器 的 平 均 输 出 功 率 已 由 5 年 前 的 400w 提 高 到 了 800w 至 1000w。 打 孔 峰 值 功 率 高 达 3050kw， 打 孔 用 的 脉 冲 宽 度 越 来 越 窄 ， 重 复 频 率 越 来 越 高 ， 激 光 器 输 出 参 数 的 提 高 ， 很 大 程 度 上 改 善 了 打 孔 质 量 ， 提 高 了 打 孔 速 度 ， 也 扩 大 了 打 孔 的 应 用 范 围 。 国 内 目 前 比 较 成 熟 的 激 光 打 孔 的 应 用 是 在 人 造 金 刚 石 和 天 然 金 刚 石 拉 丝 模 的 生 产 及 手 表 宝 石 轴 承 的 生 产 中 ， 如 下 图 ， 激 光 加 工 出 来 的 工 艺 品 ： 图 1-7.激 光 打 孔 技 术 加 工 出 来 的 工 艺 品 所 以 对 于 应 用 越 来 越 广 泛 的 激 光 加 工 技 术 ， 国 内 很 多 企 业 都 在 开 发 新 一 代 工 业 激 光 器 及 其 应 用 装 备 ， 随 着 中 国 由 制 造 业 大 国 向 制 造 业 强 国 转 变 ， 激 光 加 工 技 术 越 来 越 受 到 制 造 业 的 重 视 ， 国 内 大 型 、 重 型 企 业 也 越 来 越 关 注 激 光 加 工 设 备 的 进 展 ， 对 激 光 加 工 的 研 究 就 非 常 有 意 义 6。 1.3 本 章 小 结 本 章 主 要 介 绍 课 题 的 大 概 范 围 和 课 题 来 源 ， 也 包 括 激 光 加 工 在 国 内 外 的 发 展 情 况 ， 从 而 引 出 课 题 ， 确 定 本 课 题 的 研 究 的 方 向 ， 继 而 展 开 下 面 具 体 的 论 述 。 10 第 2 章 激 光 与 物 质 作 用 的 热 效 应 原 理 激 光 加 工 就 是 以 激 光 为 热 源 对 工 件 进 行 热 加 工 ， 所 以 无 论 是 哪 一 种 激 光 加 工 的 方 法 ， 都 要 将 一 定 功 率 激 光 束 聚 焦 于 被 加 工 物 体 上 ， 使 激 光 与 物 质 相 互 作 用 。 如 图 ， 激 光 束 投 射 到 物 质 表 面 ： 图 1-8.激 光 束 投 射 到 物 质 表 面 由 于 激 光 的 高 能 量 特 性 ， 激 光 束 在 材 料 的 热 处 理 、 焊 接 、 切 割 、 加 工 等 方 面 应 用 广 泛 。 激 光 加 热 物 体 时 ， 物 体 产 生 的 热 学 与 力 学 效 应 有 升 温 、 熔 化 、 汽 化 、 破 坏 等 分 析 激 光 对 物 体 的 热 力 学 效 应 ， 在 理 论 计 算 中 由 于 热 传 导 方 程 的 复 杂 性 ， 往 往 要 假 定 半 无 限 大 介 质 平 板 ， 与 外 界 无 热 交 换 的 绝 热 边 界 条 件 ， 物 体 的 热 传 导 系 数 、 比 热 容 、 密 度 、 物 体 对 激 光 的 吸 收 系 数 不 随 温 度 而 变 等 苛 刻 条 件 2.1 物 质 对 激 光 的 吸 收 激 光 热 加 工 时 ， 首 先 发 生 的 是 材 料 对 激 光 能 量 的 吸 收 。 对 材 料 起 加 热 作 用 的 主 要 是 透 入 材 料 内 部 的 光 能 ， 而 且 不 同 材 料 对 不 同 波 长 激 光 吸 收 率 不 同 。 假 设 材 料 表 面 反 射 率 为 r， 则 吸 收 率 为 （ 2.1.1）a1 当 激 光 由 空 气 垂 直 入 射 到 平 板 材 料 上 时 ， 根 据 菲 涅 尔 公 式 ， 则 有 反 射 率 为 11 21 2)(nnr （ 2.1.2） 2.2 物 质 的 加 热 假 设 入 射 激 光 束 的 光 功 率 密 度 为 qi， 材 料 表 面 吸 收 的 光 功 率 密 度 为 q0 ， 则 有 （ 2.2.1） )1(0rai 激 光 从 表 面 入 射 到 材 料 内 部 深 度 z 处 的 光 强 为 ， 一 般 我 们azeq0)( 将 激 光 在 材 料 内 的 穿 透 深 度 定 义 为 光 强 降 至 i0/e 时 的 深 度 ， 则 可 得 穿 透 深 度 为 1/a 。 为 了 得 到 加 热 阶 段 的 温 度 分 布 ， 则 须 求 解 热 传 导 微 分 方 程 ， 对 于 各 向 同 性 的 均 匀 材 料 ， 激 光 加 热 的 热 传 导 偏 微 分 方 程 的 一 般 形 式 为 : （ 2.2.2）),()()()( zyxqztyxttc ttti 如 果 光 功 率 的 损 耗 全 部 变 成 热 量 ， 则 有 （ 2.2.3）),(),(tzxqtzq 从 理 论 上 讲 ， 根 据 加 工 时 的 各 工 艺 参 数 以 及 初 始 条 件 ， 可 以 解 出 加 工 过 程 中 激 光 照 射 区 的 温 度 场 分 布 。 但 实 际 加 工 时 ， 各 方 面 的 因 素 使 热 传 导 方 程 的 求 解 十 分 困 难 ,但 是 可 以 简 化 一 下 ： 如 果 半 无 限 大 （ 即 物 体 厚 度 无 限 大 ） 物 体 表 面 受 到 均 匀 的 激 光 垂 直 照 射 加 热 ， 被 材 料 表 面 吸 收 的 光 功 率 密 度 不 随 时 间 改 变 ， 而 且 光 照 时 间 足 够 长 ， 以 至 被 吸 收 的 能 量 、 所 产 生 的 温 度 、 导 热 和 热 辐 射 之 间 达 到 动 平 衡 ， 此 时 圆 形 激 光 光 斑 中 心 的 温 度 可 以 由 下 式 确 定 （ 2.2.4）trapt0),( 如 果 光 照 时 间 为 有 限 长 (s)， 考 察 点 离 开 表 面 的 距 离 (cm)也 不 为 零 ， 此 时 圆 形 激 光 光 斑 中 心 轴 线 上 考 察 点 的 温 度 为 )22(2),( 00 ktrziefcktzierfctraptzt （ 2.2.5） 12 进 一 步 假 设 照 射 激 光 是 高 斯 光 束 ， 且 入 射 到 表 面 上 的 光 束 有 效 半 径 为 ， 则 激 光 光 斑 的 功 率 密 度 可 用 离 开 中 心 的 距 离 表 示 为 )exp()(20rssqr （ 2.2.6） 持 续 加 热 得 到 光 斑 中 心 的 温 度 最 大 值 为 trsaqt230),( （ 2.2.7） 2.3 物 质 的 熔 化 与 汽 化 激 光 加 工 时 功 率 密 度 过 高 ， 材 料 会 在 表 面 汽 化 ， 不 在 深 层 熔 化 ； 激 光 加 工 功 率 密 度 过 低 ， 能 量 会 扩 散 到 较 大 的 体 积 内 ， 使 焦 点 处 熔 化 的 深 度 很 小 。 在 激 光 深 熔 焊 接 中 ， 金 属 在 激 光 的 照 射 下 被 迅 速 加 热 ， 其 表 面 温 度 在 极 短 的 时 间 内 升 高 到 沸 点 ， 此 时 金 属 会 熔 化 并 立 即 汽 化 ， 如 图 ： 图 2-1.激 光 加 热 导 致 的 物 质 熔 融 2.4 激 光 等 离 子 体 屏 蔽 现 象 激 光 作 用 于 靶 表 面 ， 引 发 蒸 汽 ， 蒸 汽 继 续 吸 收 激 光 能 量 ， 使 温 度 升 高 ， 最 后 在 靶 表 面 产 生 高 温 高 密 度 的 等 离 子 体 。 等 离 子 体 迅 速 向 外 膨 胀 ， 在 此 过 程 中 继 续 吸 收 入 射 激 光 ， 阻 止 激 光 到 达 靶 面 ， 切 断 了 激 光 与 靶 的 能 量 耦 合 7。 如 下 图 ： 13 图 2-2.激 光 产 生 的 等 离 子 体 屏 蔽 现 象 2.5 本 章 小 结 本 章 主 要 讲 了 激 光 与 物 质 作 用 的 原 理 ， 从 物 质 对 激 光 的 吸 收 和 物 质 的 加 热 两 个 方 面 讲 述 了 激 光 如 何 与 物 质 进 行 热 作 用 的 ， 为 下 面 的 激 光 在 现 实 中 的 应 用 打 下 理 论 基 础 。 14 第 3 章 激 光 与 物 质 作 用 的 热 应 力 3.1激 光 与 物 质 作 用 热 应 力 的 定 义 所 谓 热 应 力 ， 是 指 半 成 品 干 燥 和 烧 成 热 加 工 中 由 于 温 差 作 用 而 产 生 的 一 种 应 力 .激 光 加 工 过 程 中 被 加 热 的 物 质 热 膨 胀 然 后 迅 速 冷 却 到 低 温 收 缩 而 产 生 的 内 应 力 就 是 激 光 与 物 质 作 用 的 热 应 力 。 在 很 多 地 方 ， 热 应 力 又 称 为 温 度 应 力 ， 只 要 有 温 度 变 化 ， 就 会 产 生 材 料 内 部 热 应 力 的 变 化 。 3.2产 生 热 应 力 的 原 因 (1)结 构 体 构 件 的 热 膨 胀 或 收 缩 受 到 外 界 约 束 。 (2)结 构 体 构 件 之 间 的 温 差 。 (3)结 构 体 内 某 一 构 件 中 的 温 度 梯 度 。 (4)线 膨 胀 系 数 不 同 材 料 的 组 合 。 (5)材 料 内 部 夹 杂 。 (6)材 料 的 各 向 异 性 。 3.3热 应 力 的 主 要 特 点 热 应 力 随 约 束 程 度 的 增 大 而 增 大 。 由 于 材 料 的 线 膨 胀 系 数 、 弹 性 模 量 与 泊 桑 比 随 温 度 变 化 而 变 化 ， 热 应 力 不 仅 与 温 度 变 化 量 有 关 ， 而 且 受 初 始 温 度 的 影 响 。 热 应 力 与 零 外 载 相 平 衡 ， 是 由 热 变 形 受 约 束 引 起 的 自 平 衡 应 力 ， 在 温 度 高 处 发 生 压 缩 ， 温 度 低 处 发 生 拉 伸 形 变 。 热 应 力 具 有 自 限 性 ， 屈 服 流 动 或 高 温 蠕 变 可 使 热 应 力 降 低 。 对 于 塑 性 材 料 ， 热 应 力 不 会 导 致 构 建 断 裂 ， 但 交 变 热 应 力 有 可 能 导 致 构 建 发 生 疲 劳 效 应 或 塑 性 变 形 累 积 。 3.4 热 应 力 的 计 算 当 物 体 温 度 发 生 变 化 时 ， 物 体 将 由 于 膨 胀 而 产 生 线 应 变 t， 其 中 为 材 料 的 线 膨 胀 系 数 ， t 表 示 弹 性 体 内 任 意 点 的 温 度 改 变 值 (从 整 个 物 体 处 于 初 始 均 匀 温 度 状 态 算 起 )。 在 平 面 问 题 中 ， 它 是 坐 标 x、 y 及 时 间 t 的 函 数 。 如 果 物 体 各 部 分 的 热 变 形 不 受 任 何 约 束 ， 则 虽 有 变 形 却 不 会 引 起 应 力 。 15 但 是 ， 如 果 物 体 各 部 分 的 温 度 不 均 匀 ， 或 表 面 与 其 他 物 体 相 联 系 ， 即 受 到 一 定 的 约 束 ， 热 变 形 不 能 自 由 地 进 行 ， 就 将 产 生 应 力 。 热 应 力 问 题 与 一 般 应 力 分 析 问 题 相 比 较 ， 主 要 是 应 力 一 应 变 关 系 上 稍 有 差 别 。 如 果 考 虑 到 热 应 力 物 理 方 程 将 具 有 以 下 形 式 ： 0d （ 3.4.1） 其 中 ， 0为 由 于 温 度 变 化 引 起 的 变 形 （ 3.4.2）tt010 式 中 ， 为 材 料 的 线 膨 胀 系 数 ， t 为 温 度 的 变 化 。 将 式 代 入 即 可 写 成 ： （ 3.4.3） eb )(0ebd 对 于 平 面 应 力 问 题 ， 其 中 t010 对 于 平 面 应 变 问 题 ， 其 中 )( 于 是 ， 如 果 考 虑 到 热 应 力 ， 弹 性 体 内 应 力 的 虚 应 变 能 将 为 *0()tedbtdxy tdxydbtet ) 0 （ 3.4.4） 代 入 最 小 势 能 原 理 的 表 达 式 ， 应 当 是 （ 3.4.5）tdxydbtdxybdftete 0 也 即 是 ： （ ete ktdxy0 3.4.6） 上 式 左 边 第 二 项 是 由 于 考 虑 温 度 变 化 而 增 添 出 来 的 ， 它 在 上 式 中 是 处 于 节 点 力 的 地 位 ， 相 当 于 考 虑 温 度 变 化 而 施 加 于 节 点 的 一 个 假 想 的 等 效 节 点 力 ， 称 为 热 载 荷 tdxytdbhte0 （ 3.4.6） 16 对 于 平 面 应 力 问 题 将 式 代 入 得t010 tdxytdbhtte01 （ 3.4.7） 将 = (i,j,m) ib21iibc0 和 平 面 应 力 弹 性 矩 阵 代 入 上 式 ， 得2102称对ed tdxycbcbthmjjie)1(2 （ 3.4.8） 如 果 温 度 t 的 分 布 函 数 为 已 知 时 ， 上 式 中 的 积 分 总 可 用 数 值 积 分 求 得 。 特 别 是 当 t 是 x,y 的 多 项 式 时 ， 则 容 易 写 出 精 确 积 分 的 表 达 式 。 对 于 为 线 性 分 布 时 ， 则 有 （ 3.4.9） )(31mjittdxy 其 中 、 、 分 别 为 节 点 i,j,m 处 的 温 度 。 在 此 情 况 下 ， 热 应 力 的 等 效itjm 节 点 载 荷 列 阵 为 tmjjimjie cbcbtteh)1(6 （ 3.4.10） 根 据 节 点 位 移 计 算 单 元 应 力 就 有 tmjietebd01)1(3 （ 3.4.11） 对 于 平 面 应 变 问 题 的 公 式 ， 只 要 在 平 面 应 力 问 题 的 公 式 中 用 代 替)/(2e ，e)/( 17 代 替 以 及 替 便 可 得 到 。 经 过 这 样 的 替 换 以 后 ， 等 效 节 点 热 载 荷 的)1( 公 式 为 ： tmjjimjie cbcbtteh)21(6 （ 3.4.12） 应 力 的 公 式 为 tmjietes01)21(3 （ 3.4.13） 3.5热 应 力 损 伤 当被加热的物质经过反复加热和冷却时，其内部就会产生交变热应力，在 此交变热应力的反复作用下，特别是一些金属零部件，会产生热疲劳现象，从 而导致裂纹萌生和扩展；激光加工过程中也会有热量的交替变换，所以会使被 加工的材料产生应力损伤。如图所示： 图 3-1.高 温 热 疲 劳 20次 后 的 组 织 图 3-1 为 热 疲 劳 后 的 显 微 组 织 照 片 。 从 照 片 可 知 ， 热 疲 劳 后 还 出 现 了 微 孔 洞 。 此 外 ， 因 循 环 中 的 热 应 力 和 相 含 量 改 变 带 来 的 体 积 内 应 力 ， 使 得 位 错 、 孪 晶 等 生 成 的 几 率 增 加 。 合 金 的 电 阻 增 加 正 是 由 于 这 些 变 化 引 起 的 ， 此 外 ， 出 现 的 微 孔 洞 、 晶 粒 内 和 相 界 处 的 损 伤 ， 都 将 减 少 材 料 的 有 效 承 载 面 积 ， 也 使 原 子 间 结 合 力 减 弱 ， 最 终 将 导 致 弹 性 模 量 的 下 降 ， 从 而 使 弹 性 模 量 表 征 的 损 伤 量 增 大 ， 出 现 应 力 损 伤 的 现 象 8。 18 3.6本 章 小 结 本 章 主 要 讲 了 激 光 与 物 质 作 用 的 过 程 中 的 热 应 力 方 面 的 知 识 ， 对 物 质 与 激 光 热 作 用 中 的 热 效 应 的 定 义 和 原 理 ， 以 及 热 效 应 的 特 点 都 进 行 了 介 绍 ， 最 后 分 析 了 热 应 力 的 计 算 方 法 和 热 应 力 对 加 工 物 体 造 成 的 损 伤 ， 为 下 文 激 光 在 现 实 加 工 过 程 中 会 出 现 的 热 应 力 损 伤 打 下 理 论 基 础 。 第 4 章 激 光 加 工 4.1： 激 光 切 割 4.1.1激 光 切 割 原 理 激 光 切 割 是 利 用 聚 焦 后 的 高 功 率 密 度 的 激 光 束 照 射 工 件 材 料 表 面 ， 在 极 短 时 间 内 将 光 斑 区 的 温 度 迅 速 升 高 到 材 料 的 熔 点 或 沸 点 ， 致 使 材 料 迅 速 熔 化 或 汽 化 。 当 激 光 束 沿 着 设 定 路 径 移 动 时 ， 激 光 聚 焦 光 斑 与 材 料 不 断 地 相 互 作 用 ， 形 成 所 需 的 割 缝 。 另 外 在 激 光 切 割 过 程 中 ， 利 用 辅 助 气 体 可 起 到 助 切 、 吹 渣 和 冷 却 的 作 用 9。 原 理 如 下 图 所 示 ： 图 4-1.激 光 切 割 原 理 图 4.1.2 激 光 切 割 的 分 类 （ 1） 汽 化 切 割 19 利 用 一 定 功 率 密 度 的 激 光 束 照 射 工 件 表 面 ， 使 照 射 区 迅 速 被 加 热 到 材 料 的 汽 化 温 度 （ 沸 点 ） ， 部 分 材 料 以 蒸 汽 形 式 逸 去 ， 形 成 割 缝 ， 功 率 密 度 一 般 为 108w/cm2 数 量 级 。 如 下 图 ： 喷 嘴 辅 助 气 体无 法 即 时 切断 造 成 斜 角 熔 渍 图 4-2.激 光 切 割 （ 2） 熔 化 切 割 利 用 一 定 功 率 密 度 的 激 光 加 热 工 件 使 之 熔 化 ， 形 成 孔 洞 ， 同 时 依 靠 与 光 束 同 轴 的 非 氧 化 性 辅 助 气 流 吹 除 孔 洞 内 的 熔 融 物 ， 形 成 割 缝 ， 其 功 率 密 度 约 为 汽 化 切 割 的 1/10。 （ 3） 氧 助 熔 化 切 割 当 激 光 将 工 件 加 热 至 其 燃 点 时 ， 借 助 氧 气 等 活 性 气 体 使 材 料 燃 烧 ， 燃 烧 反 应 放 出 热 量 ， 与 激 光 能 量 一 起 切 割 材 料 。 如 图 所 示 ： 图 4-3.激 光 助 氧 熔 化 切 割 （ 4） 控 制 断 裂 切 割 通 过 激 光 束 加 热 ， 易 受 热 破 坏 的 脆 性 材 料 局 部 产 生 热 梯 度 ， 随 之 引 起 严 重 的 机 械 变 形 和 高 的 机 械 应 力 ， 使 材 料 被 切 断 ， 形 成 割 缝 10-11。 4.1.3 激 光 切 割 的 特 点 20 与 常 规 切 割 方 法 相 比 ， 激 光 切 割 主 要 特 点 是 切 割 质 量 好 ， 切 割 速 度 快 ， 清 洁 、 安 全 、 无 污 染 。 具 体 表 现 为 ： （ 1） 与 其 他 热 切 割 方 法 相 比 ， 激 光 束 能 集 中 在 极 小 区 域 ， 切 缝 窄 ， 精 度 高 ， 切 口 表 面 粗 糙 度 小 ， 热 影 响 区 小 、 变 形 小 ， 激 光 能 切 割 非 金 属 ， 其 他 的 热 切 割 则 不 能 。 （ 2） 与 机 械 冲 压 加 工 相 比 ， 激 光 切 割 过 程 中 只 需 要 定 位 、 不 需 要 夹 紧 ， 无 “刀 具 ”磨 损 ， 无 “切 削 力 ”作 用 于 工 件 ， 所 以 没 有 经 常 性 磨 刃 和 更 换 等 困 难 ， 如 图 所 示 ， 激 光 的 无 冲 压 切 割 ： 图 4-4.激 光 切 割 工 程 图 （ 3） 切 割 范 围 广 。 加 工 对 象 有 各 种 金 属 、 非 金 属 材 料 。 （ 4） 切 割 效 率 高 。 （ 5） 节 省 材 料 （ 约 15 30%） 。 （ 6） 切 割 环 境 好 ， 没 有 强 辐 射 、 噪 音 和 污 染 等 。 4.1.4 激 光 切 割 的 应 用 目 前 ， 激 光 切 割 技 术 已 广 泛 应 用 于 各 种 轻 、 重 工 业 ， 如 电 子 、 汽 车 、 航 空 航 天 、 军 工 等 ， 还 应 用 到 医 学 、 通 讯 ， 甚 至 娱 乐 业 。 激 光 切 割 的 适 用 对 象 主 要 是 难 切 割 材 料 ， 如 高 强 度 、 高 韧 性 、 高 硬 度 、 高 脆 性 、 磁 性 材 料 ， 以 及 精 密 细 小 和 形 状 复 杂 的 零 件 。 激 光 切 割 不 仅 适 用 于 碳 钢 、 不 锈 钢 、 铝 合 金 、 钛 合 金 等 金 属 材 料 ， 还 适 用 于 木 材 、 塑 料 等 有 机 材 料 ， 特 别 适 合 于 石 英 、 陶 瓷 等 硬 、 脆 的 无 机 材 料 。 除 此 之 外 ， 还 可 以 切 割 部 分 复 合 材 料 12。 21 4.2.激 光 焊 接 4.2.1 激 光 焊 接 原 理 激 光 焊 接 的 基 本 过 程 是 使 用 经 光 学 系 统 聚 焦 后 具 有 高 功 率 密 度 的 激 光 束 照 射 到 焊 接 材 料 表 面 ， 利 用 材 料 对 光 能 的 吸 收 来 对 其 进 行 加 热 、 熔 化 ， 再 经 过 冷 却 结 晶 而 形 成 焊 接 接 头 的 一 种 熔 化 焊 过 程 13。 按 激 光 器 输 出 能 量 的 方 式 不 同 ， 激 光 焊 分 为 脉 冲 激 光 焊 和 连 续 激 光 焊 ， 按 激 光 聚 焦 后 光 斑 上 功 率 密 度 的 不 同 ， 激 光 焊 可 分 为 传 热 焊 和 深 熔 焊 。 如 图 ， 激 光 焊 接 的 原 理 ： 图 4-5.激 光 焊 接 示 意 图 4.2.2 激 光 焊 接 分 类 1） 激 光 传 热 焊 采 用 的 激 光 器 光 斑 上 的 功 率 密 度 小 于 105w 时 ， 激 光 将 金 属 表 面 加 热 到 熔 点 与 沸 点 之 间 ， 焊 接 时 ， 金 属 材 料 表 面 将 所 吸 收 的 激 光 能 转 变 为 热 能 ， 是 金 属 表 面 温 度 升 高 而 熔 化 ， 然 后 通 过 热 传 导 方 式 把 热 能 传 向 金 属 内 部 ， 使 熔 化 区 逐 渐 扩 大 ， 凝 固 后 形 成 焊 点 或 焊 缝 ， 近 似 形 成 一 个 半 球 形 的 其 熔 深 轮 廓 。 （ 由 于 激 光 光 斑 上 的 功 率 密 度 小 ， 而 且 很 大 一 部 分 光 被 金 属 表 面 所 反 射 ， 光 的 吸 收 率 较 低 ， 所 以 材 料 表 面 温 度 只 能 达 到 材 料 的 汽 化 温 度 ， 焊 接 熔 深 浅 ， 焊 接 速 度 慢 ， 这 种 加 热 方 法 受 到 材 料 汽 化 温 度 和 热 导 率 的 限 制 ， 主 要 用 于 薄 (1mm 左 右 )、 小 零 件 的 焊 接 加 工 。 ） 22 2） 激 光 深 熔 焊 当 激 光 光 斑 上 的 功 率 密 度 足 够 大 时 （ 大 于 等 于 106w/cm2） ,金 属 在 激 光 的 照 射 下 被 迅 速 加 热 ， 其 表 面 温 度 在 极 短 的 时 间 内 升 高 到 沸 点 ， 是 金 属 熔 化 和 汽 化 。 当 金 属 汽 化 时 ， 所 产 生 的 金 属 蒸 汽 以 一 定 的 速 度 离 开 熔 池 ， 金 属 蒸 汽 的 溢 出 对 熔 化 的 液 态 金 属 产 生 一 个 附 加 压 力 ， 使 熔 池 金 属 表 面 向 下 凹 陷 ， 在 激 光 光 斑 下 产 生 一 个 凹 坑 。 当 光 束 在 小 孔 底 部 继 续 加 热 汽 化 时 ， 所 产 生 的 金 属 蒸 汽 一 方 面 压 迫 坑 底 的 液 态 金 属 是 小 坑 进 一 步 加 深 ， 另 一 方 面 ， 向