激光原理与技术--第七章激光加工技术.ppt

激光加工,三. 激光用在加工领域,以激光良好的单色性和相干性为基础。激光全息技术可以用作无损探伤，即不用损坏零件便可检测出零件内部的缺陷。,利用激光的亮度高和方向性好可以在机加工领域大有作为。,如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割，具有速度快，切面光洁，不发生形变的特点。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改性处理。,激光热加工原理,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。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图,各种参数条件下激光加工的可能应用和影响,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。,视频：激光加工演示及详解,7.2 激光表面改性技术,1 激光相变硬化又称激光淬火 显著提高材料的耐磨性和疲劳强度。此技术的优越性表现在可以局部加热处理，显著抑制变形，易于控制晶粒及组织形态，无需后续加工工艺。 早在1975年，通用汽车公司就已运用此技术处理铸铁汽车部件提高其耐磨性能。目前在汽车制造及精密机械行业，激光热处理已有广泛的应用，如菲亚持集团用其处理汽缸体，尼桑公司则用其处理发动机及其传动部件。,激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。,1 激光淬火技术的原理,激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。,45钢表面激光淬火区横截面金相组织图,淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线图,2 激光表面熔凝技术,用激光束将表面熔化而不加任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材,激光熔凝处理后横截面组织示意图,T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布,3 激光熔覆技术,激光熔覆(Laser Cladding)技术亦称激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成合金化熔覆层，以改善其表面性能的工艺。,同步送料法激光熔覆示意图,激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。,同步送料法指在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层的工艺过程。激光熔覆材料包括金属、陶瓷或者金属陶瓷，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材,激光相变相图分析,激光相变相图分析,应用,激光表面改性技术的最新进展是将其应用于凸轮轴的表面改性方面。许多发动机都是应用层片状灰口铸铁作为凸轮轴材料。传统处理技术如钨极惰性气体保护重熔或直接冷硬铸造法能获得耐磨性好的莱氏体表层组织。采用激光重熔技术同样可获得莱氏体组织，且更为方便、经济。（2 laser hard facing）,熔池CCD拍摄图,彩色云图处理,激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的部分熔化而将两个零件或部件连接起来。,激光焊接相对于传统方式的优点：,1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。,2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形,3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。,激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种。热导焊采用的激光功率为105w/cm2 左右，是靠热传导进行焊接的，焊缝深度小于2.5mm，焊缝的深宽比最大为3：1。深熔焊采用的功率密度在106107w/cm2 之间，焊缝的深宽比最大可达12：1,4 视频激光焊、焊接汽车,7.4 激光焊接,奥迪系列,宝马系列,人们对改进汽车的基本性能(驾驶性、安全性及对环境的保护性等) 作了大量的工作。由于机械、电子和光学等各种技术的综合应用，目前所制造的汽车更为安全和舒适。,奔 驰 系 列,激光发生器,激光设备, 由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。 激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频（紫外光、可见光或红外光的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发，便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束-激光。由于具同相位及单一波长，差异角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。,下面是常见的激光焊接设备,发展过程,世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒 所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦，但仍属于低能量输出。 使用钕（ND）为激发元素的钇铝石榴石晶棒（Nd:YAG）可产生1-8KW的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06uM，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。 使用CO2为激发物的CO2激光（波长10.6uM），输出能量可达25KW，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。,焊接特性,激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。 激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。,激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。 激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。,激光焊接的优点和缺点,优点：,（1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。 （2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。 （3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。 （4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。 （5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。,（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件， （7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。 （8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。,（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。 （10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。 （11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属,缺点 ：,（12）不需真空，亦不需做X射线防护。 （13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1 （14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。,（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。 （2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。 （3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。 （4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。,（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。 （6）能量转换效率太低，通常低于10%。 （7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。 （8）设备昂贵。,激光焊接工艺增强技术 为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。,(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106W/CM2。 (2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。 (3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。,激光焊接的工艺参数,(4)离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。,激光焊接国内外发展状况,20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。目前，无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。 激光拼焊是采用激光能源，将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求，用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家，激光拼焊不仅在交通运输装备制造业中被使用，还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接（连续轧制中的钢板连接）等领域中被大量使用。 世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec公司等。 中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步，2002年10月25日，中国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行，由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进。此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。 2003年 由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通过离线验收。使我国华工激光成为世界上第四家能够生产此类设备的企业。 2004年 华工激光法利莱“高功率激光切割,焊接及切焊组合加工技术与设备”项目获得国家科学技术进步二等奖,成为国内目前唯一具备该项技术与设备研制能力的激光企业。 随着工业激光产业的快速发展，市场对激光加工技术的要求越来越高，激光技术已从单一应用逐渐转向多元化应用，激光加工方面不再是单一的切割或者焊接，市场对激光加工要求切割和焊接一体化的需求也越来越多，激光切割和激光焊接的切焊一体化激光加工设备应运而生。 华工激光法利莱研究开发Walc9030切焊一体机，93米超大幅面，是目前世界最大幅面的激光切焊一体化设备。,1、制造业应用 激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。,2、粉末冶金领域 随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。,3、汽车工业 20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。,4、电子工业 激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。,5、生物医学 生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain13用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。,6、其他领域 在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。,基本工作原理是离散、堆积。,立体光造型技术的原理示意图,快速成型技术(包括激光快速成型技术)仅在需要增加材料的地方加上材料，所以从设计到制造自动化，从知识获取到计算机处理，从计划到接口、通讯等方面来看，非常适合于CIM、CAD及CAM，同传统的制造方法相比较，显示出诸多优点:快速性、适合成型复杂零件、高度柔性、高度集成化,1 立体光造型技术 是典型的逐层制造法。,7.5 激光快速成型技术,蜗 杆,选择性激光烧结技术基本原理示意图,2 选择性激光烧结技术 也是用激光束来扫描原材料，但用粉末物质代替了液态光聚合物。,激光熔覆成型技术原理示意图,3 激光熔覆成型技术 目前用此法制造出复杂截面变换器的零件外形的误差在0.5mm以内,激光熔覆的复杂截面变换器,激光近形制造技术的基本原理示意图,计算机 用于建立待制作零件的CAD模型，将零件的CAD模型转换成STL文件，对零件的CAD模型进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层，并形成每一层薄层的扫描轨迹，以控制多坐标数控工作台运动。,高功率激光器 使用的是高达几千瓦到十几千瓦功率的CO2激光器,多坐标数控工作台 采用多坐标数控工作台的运动实现扫描：在工作台上的零件除能够沿着X,Y轴方向运动外，还可以绕X,Y轴转动。,送粉装置 提供均匀稳定的粉末流。送粉装置有两种形式：侧向送粉装置和同轴送粉装置,4 激光近形制造技术(Laser Engineering Net Shaping，简称LENS)技术，将快速成型技术中的选择性激光烧结技术和激光熔覆成型技术结合了起来。该系统主要由4部分组成：计算机、高功率激光器、多坐标数控工作台和送粉装置。,5 薄片叠层制造技术 是一种常用来制作模具的新型快速成型技术。其工作原理就是，首先用大功率激光束切割金属薄片。然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型(模具)的立体几何形状,薄片叠层制造技术原理示意图,（5 视频：激光快速原型制造技术）,激光快速成型技术的重要应用,用于制造复杂形状的零件特别适合于在航天航空工业中制作大型整体薄壁结构零件。,快速制造原型可以在极短的时间内设计制造出零件的原型，进行外观、功能和运动上的考核，发现错误及时纠正，避免由于设计错误而带来的工装、模具等浪费。,用于制造多种材料或非均质材料的零件,用于制造活性金属的零件由于激光快速成型制造能够提供良好的工作气氛环境，材料浪费少，所以可以用于加工活性金属(如钛、钨、镍等)及其他的特殊金属。,用于小批量生产塑料制件,用于制造各种模具或模型选择性激光烧结技术在航空工业中最有发展前途的应用，就是快速制造精密铸造中的陶瓷模壳和型芯。,激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑或者涂层等附着物发生瞬间蒸发或者剥离、从而达到洁净化的工艺过程。,激光清洗技术,相比于普通的化学清洗法和机械清洗法,激光清洗具有如下特征：,（1）它是一种完全的“干式”清洗过程，不需要使用清洁液或者其它化学溶液，是一种“绿色”消洗工艺，并且清洁度远远高于化学清洗工艺；,（2）清洗的对利象范围很广。,（3）激光清洗适用于几平所有固体基材。,（4）激光清洗可以方便地实现自动化操作，还可利用光纤将激光引入污染区，操作人员只需远距离遥控操作、非常安全方便，这对于一些特殊的应用场合，如核反应堆冷凝管的除锈等，具有重要的意义。,6 视频：激光清洗纹身过程,激光弯曲,激光弯曲是一种柔性成形新技术，它利用激光加热产生不均匀的温度场诱发热应力代替外力实现金属板料的成形。,南京产激光发生器,激光其他应用视频,激光雕刻、打标 视频7 激光武器 视频8 激光装点舞台 视频9 等等等等,激光加工二维精细切割1,不锈钢厚1mm,铝合金0.8mm厚，小孔直径0.7 mm,单晶硅厚0.7 mm,不锈钢厚4 mm,激光加工三维精细切割2,大功率电子管栅极 钼厚300微米，直径300微米,航空发动机叶形孔 不锈钢厚1mm，孔100微米,切割