现代加工技术-07激光加工.ppt

激光加工 1 贾宝贤 5687026 LaserBeamMachiningLBM 课程内容大纲 2 1绪论 2电火花加工 3电火花线切割加工 4电化学加工 5超声波加工 6磨料与水喷射加工 7激光加工 8快速原型制造 9电子束 离子束加工 10化学 等离子体 磁性磨料加工 挤压珩磨 第六章激光加工 3 6 1激光加工的理论 原理及特点6 2激光加工的设备6 3激光加工的基本规律6 4激光加工工艺及应用 激光介绍 4 激光是英文词 Laser 的中文译名 Laser一词是 LightAmplificationbyStimulationEmissionofRadiation 的字头缩写 字面的意思是 通过辐射的受激发射实现光放大 实质是光的受激放大 简称为激光 激光的发展有很长的历史 它的原理早在1917年已被著名的物理学家爱因斯坦发现 1958年激光首次成功制造 40年来 激光已经深入我们生活的各个角落 打长途电话 看DVD 医院里做手术 都用得着激光 有人说 激光是二十世纪最伟大的发明之一 应用领域 5 激光 LASER LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 是20世纪60年代的新光源 具有方向性好 亮度高 单色性好 相干性好等特点而得到广泛应用 测量领域 激光测长度 位移 速度 振动 外形等通讯领域 激光遥感 光纤通讯医学领域 激光手术 激光祛斑军事领域 激光武器 激光制导科研领域 激光显微镜 激光核聚变新闻出版 激光照排 激光打印商业领域 条形码识别 激光防伪家庭娱乐 激光视盘 激光投影工业制造 激光制造 激光加工 6 1激光加工的理论 原理及特点 6 一 光的物理概念光具有波粒二象性波动性 具有波长l 频率 和波速c可见光波长 0 4 0 76 m红外线波长 0 76 m紫外线波长 0 4 m 一 光的物理概念 7 粒子性 具有一定能量的 以光速运动的粒子流 称为光子 光子的能量与光的频率成正比 E h 式中E 光子能量 光的频率普朗克常数h 6 63 10 34J S波长为0 4mm的紫光光子能量约为4 96 10 17J波长为0 7mm的红光光子能量约为2 84 10 17J 二 激光的产生 8 1 激光产生的原理 1 物质的结构物质由原子组成 原子的中心是原子核 由质子和中子组成 质子带有正电荷 中子则不带电 原子的外围布满着带负电的电子 绕着原子核运动 碳原子示意图 2 电子的跃迁 9 原子中电子具有不同的能量 使其处于不同的 能阶 距离原子核越远的轨道能量越高 当原子内电子处于最低的能阶 原子处于基态 当一个或多个电子处于较高的能阶 原子处于受激态 电子通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶的现象称为电子的跃迁 电子的跃迁共有三种形式 自发吸收 自发辐射 受激辐射 自发吸收 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 自发辐射 电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 受激辐射 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶 并释放光子 入射光子与释放的光子有相同的波长和相 此波长对应于两个能阶的能量差 一个光子诱发一个原子发射一个光子 最后就变成两个相同的光子 电子跃迁过程 3 粒子数反转 11 原子首先吸收能量 跃迁至受激态 原子处于受激态的时间非常短 大约10 7秒后 它便会落到一个称为亚稳态的中间状态 原子停留在亚稳态的时间很长 大约10 3秒或更长的时间 原子长时间留在亚稳态 导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目 此现象称为粒子数反转 粒子数反转是产生激光的关键 因为它使通过受激辐射由亚稳态回到基态的原子 比通过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多 从而保证了介质内的光子可以增多 以输出激光 粒子数反转的状态 12 粒子数反转的状态 4 激光的产生 13 红宝石激光示意图 闪光灯的光射入激光介质 使激光介质中的铬原子受到激发 最外层的电子跃迁到受激态 电子通过释放光子 回到较低的能阶 释放出的光子被镜子来回反射 诱发更多的电子进行受激辐射 使激光的强度增加 一面镜子会把全部光子反射 另一面镜子则会把大部分光子反射 并让其余小部分光子穿过 而穿过镜子的光子就构成激光 三 激光的基本特性1 14 1 方向性好方向性即光束偏离轴线的发散角 常以平面角 角大小来评价 角愈小 光束发散愈小 方向性愈好 普通光源中方向性最好的探照灯的发散角为0 01rad 激光束可以被压缩在很小的立体角内 其发散角一般在毫弧度数量级 比探照灯好10倍以上 比微波好约100倍 如果借助光学系统 角可减小至微弧度 10 6rad 量级 接近真正的平行光束 利用这个特性制成激光测距机 激光雷达 激光制导武器 三 激光的基本特性2 15 2 单色性好单色性是指光源发出的光强按频率 或波长 分布曲线狭窄的程度 线宽愈窄 光源的单色性愈好 这是激光获得广泛应用的物理基础之一 计量工作的标准光源 激光通讯等利用了单色性好的特点 光缆 激光通讯 三 激光的基本特性3 16 3 相干性好相干性可用相干时间或相干长度来度量 相干时间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔 在该时间内所走过的路程就是相干长度 单色性愈好 相干长度愈大 方向性愈好 相干面积愈大 激光集高度的单色性和方向性于一体 所以是优良的强相干光 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米 激光可达几十公里 全息照相 全息存储等就利用了相干性好的特点 全息照相 三 激光的基本特性4 17 4 亮度高 强度高 亮度是光源在单位面积上 向某一方向范围内辐射功率的强弱 激光光束细 发散特别小 功率密度特别大 其亮度特别大 把分散在180 范围内的光集中到0 18 范围 亮度提高100万倍 而且通过压缩脉冲宽度 还可以进一步提高亮度 18 激光能量在时间和空间上高度集中 能在极小区域产生几百万度的高温 激光加工 激光手术 激光武器等就利用了高亮度的特点 激光打孔 激光切割 利用激光杀死病人鼻癌细胞 利用激光使脱落的视网膜再复位 低能激光武器 高能激光武器 四 激光加工的基本原理 22 通过光学系统将激光束聚焦成直径几十微米到几微米的极小光斑 达到极高的能量密度 温度达10000 上 将材料在瞬间熔化和蒸发 工件表面不断吸收激光能量 凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀 压力猛然增大 熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去 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过程 激光加工示意图 激光加工原理 flv 五 激光加工的特点 23 1 激光加工属非接触加工 无明显机械力 也无工具损耗 工件不变形 加工速度快 热影响区小 可达高精度加工 易实现自动化 2 因功率密度是所有加工方法中最高的 所以不受材料限制 几乎可加工任何金属与非金属材料 3 激光可聚焦形成微米级光斑 输出功率大小可调节 可进行微细和精密加工 如微细窄缝和微型孔的加工 最高加工精度可达0 001mm 表面粗糙度Ra值可达0 4 0 1 五 激光加工的特点 24 4 可通过惰性气体 空气或透明介质对工件进行加工 如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接 5 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工 6 无需特殊环境 无加工污染 在节能 环保等方面有较大优势 激光加工的应用领域 25 1 打孔金刚石模具 钟表轴承 陶瓷 橡胶 塑料等非金屑以及硬质合不锈钢等金属材料 2 切断各种金属 木材 纸 布料 3 划线半导体材料 陶瓷 4 微调薄膜和厚膜电路的电阻微调 5 调频石英振子和音叉等 6 调动平衡钟表的摆轮 微型电动机 汽轮机 7 焊接金属箔 板 丝 玻璃 硬质合金等 8 处理表面淬火等 6 2激光加工的设备 26 激光加工的基本设备由以下四部分组成 激光器固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器激光电源光学系统机械系统 激光加工及应用7分29 mp4 1 激光器 27 激光器是激光加工的重要设备 它的任务是把电能转变成光能 产生所需要的激光束 按工作物质的种类分 固体激光器 气体激光器 液体激光器和半导体激光器 其中He Ne气体激光器在精密测量中被广泛采用 而在激光加工中采用二氧化碳气体激光器及红宝石 钕玻璃等固体激光器 按激光器的输出方式分 连续激光器和脉冲激光器 激光器发展历程 28 1960年美国休斯飞机公司的梅曼研制成功世界上第一台红宝石激光器 获得了历史上第一束激光 波长为694 3nm 1964年美国的汤斯 前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖 1997年 朱隶文 菲利普和塔罗季研究用激光冷却和捕获原子 共获诺贝尔奖 1961年中科院长春光学精密机械研究所王之江院士主持研制成功我国第一台红宝石激光器 我国的激光技术在起步阶段就发展迅速 无论是数量还是质量都和当时的国际水平接近 激光器分类 29 根据被加工工件的性能要求 光束经放大 整形 聚焦后作用于加工部位 这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统 2 导光聚焦系统 激光加工系统主要包括床身 能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等 随着电子技术的发展 许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动 实现激光加工的连续工作 3 激光加工系统 6 3激光加工的基本规律 32 将波长为 束径为D 输出面上的功率密度P的平行光线 用焦距为f的透镜聚焦 则能得到同心状的衍射域 由衍射理论可知 在这个焦点平面上 在半径r0所包括的圆形部分集中全部光通量的84 6 光的功率密度近似于高斯分布 6 3激光加工的基本规律 33 d 2r0 束斑直径由于光功率密度的这种分布规律 在进行激光加工时 就够打出比束斑直径更小的孔来 d 6 4激光加工工艺及应用 34 特种加工讲座 第六章激光加工 ppt 激光打孔技术激光切割技术激光标记技术激光焊接技术激光表面处理技术 加工材料 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 加工效率 非常高 功率密度通常为107 108w cm2 打孔时间甚至可缩短至传统切削加工的百分之一以下 生产率大大提高 加工精度 尺寸公差等级可达IT7 表面粗糙度Ra值可达0 16 0 08 一 激光打孔 激光打孔加工 flv 激光打孔 LaserDrilling 激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间 焦距与发散角 焦点位置 光斑内能量分布 照射次数及工件材料等因素有关 在实际加工中应合理选择这些工艺参数 激光打孔影响因素 激光打孔影响因素 1 输出功率与照射时间照射时间过长 散热面大 损失能量照射时间过短 工件材料气化 损失能量焦距与发散角发散角小 焦距短 光斑小 功率密度大工件材料热学常数高 难加工 激光打孔影响因素 焦点的位置 激光打孔影响因素 光斑内的能量分布 激光打孔影响因素 激光的多次照射 激光打孔实例 激光打孔 过滤板 82万个 0 7mm孔 3mm厚不锈钢板 采用了高强度激光打出的微孔不锈钢网板 可阻挡杂质及颗粒进入发电机线棒 防止杂质堆积造成线棒阻塞的事故发生 航空发动机叶形孔不锈钢厚1mm 孔100微米 激光打孔 大功率电子管栅极钼厚300微米 直径300微米 激光切割的原理与激光打孔相似 不同的是工件与激光束要相对移动 在实际加工中 采用工作台数控技术 可以实现激光数控切割 激光切割大多采用大功率的CO2激光器 对于精细切割 也可采用YAG激光器 激光可以切割金属 也可以切割非金属 在激光切割过程中 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 故在实际中常用来加工玻璃 陶瓷 各种精密细小的零部件 二 激光切割 激光切割 流畅 flv 1 能切割任何难加工的高熔点材料 耐高温和硬脆材料 2 切割精度高 3 非接触切割 4 切割速度高 5 切割的深宽比高 6 切割质量优良 7 可与计算机数控技术结合 实现自动化加工 激光切割特性 二 激光切割 激光切割原理汽化切割熔化切割氧助熔化切割控制断裂切割 二 激光切割 1 汽化切割 过程大功率密度 68w cm3 照射 直接汽化 迅速排除加工对象木材 塑料等 2 熔化切割 过程照射 熔化 被辅助气体 惰性气体 吹走 功率密度67w cm3 加工对象铝等不易产生热反应的金属 3 氧助熔化切割 过程照射 达到金属燃点 与氧产生燃烧反应 产生热量 60 为反应热 熔化 被辅助气体 氧气 吹走 功率密度5 66w cm3 加工对象钢 钛等金属 4 控制断裂切割 过程小功率密度照射 局部热变形 局部形成裂缝 断裂加工对象脆性材料 激光切割样件 激光切割 激光切割 不锈钢厚1mm 不锈钢厚4mm 切割陶瓷厚1 7mm 色片工装铝合金厚度4mm 激光切割 不锈钢厚1mm 单晶硅厚0 7mm 不锈钢厚4mm CO2气体激光器切割钛合金示意图 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 当激光的功率密度为105 107W cm2 照射时间约为1 100s左右时 可进行激光焊接 激光焊接一般无需焊料和焊剂 只需将工件的加工区域 热熔 在一起即可 激光焊接速度快 热影响区小 焊接质量高 既可焊接同种材料 也可焊接异种材料 激光焊接薄板已相当普遍 大部分用于汽车工业 宇航和仪表工业 激光精微焊接技术已成为航空电子设备 高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段 三 激光焊接 1 激光照射时间短 焊接过程极为迅速 2 具有熔化净化效应 能纯净焊缝金属 3 能量密度高 对高熔点 高导热率材料焊接有利 4 可透过透明体焊接 防止杂质污染和腐蚀 5 能以简单的措施实现光束偏转 更适用于复杂零件焊接 激光焊接特性 激光焊接分类 1 激光 2 被焊金属 3 被熔化金属 4 一冷却的金属激光焊接过程示意图 激光焊接 激光焊接 LaserWelding 激光焊接 激光焊接技术 激光焊接 激光焊接 盒体铝合金厚3mm 锅炉用钢管厚7mm 汽车齿轮 16MnCr5 纸浆过滤器不锈钢 激光焊接 69 当激光的功率密度约为103 105W cm2时 便可实现对铸铁 中碳钢 甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火 淬火层深度一般为0 7 1 1mm 淬火层硬度比常规淬火约高20 激光淬火变形小 还能解决低碳钢的表面淬火强化问题 四 激光表面处理 70 激光表面强化处理应用实例 激光表面强化处理 最大扫描宽度15mm 导板激光加工前表面原始硬度HB180 激光淬火相变后 表面硬度达HRC52 激光表面宽带扫描相变淬火 激光淬火 大型内齿圈 激光淬火 铸钢 大型双联齿轮 激光淬火 减振器内槽 激光淬火 铸铁 发动机缸孔 激光淬火 激光淬火 柱塞激光熔凝淬火 柱塞激光熔凝淬火处理 激光熔凝处理前表面原始硬度HB220 激光处理后表面硬度HRC58以上 说明 布氏硬度HB220 相当于洛氏硬度HRC20 船用尾轴套激光熔覆修复 选用耐腐蚀的合金粉末恢复工件原尺寸 激光熔覆后 表面无缺陷 变形量 0 05mm 激光熔覆修复 激光熔覆 航空发动机叶片修复熔覆层宽2mm 厚1mm 曲轴花键槽修复 18Cr2Ni4W 熔覆层宽4mm 厚0 5mm 线材轧辊修复 熔覆层8mm 导轨表面强化 材料 高强钢 激光熔覆 铸铁 大型轧辊 激光合金化 转子 激光熔覆 汽轮机叶片 激光熔覆 电机转子轴颈修复 激光熔覆 五 激光抛光 LaserPolishing 激光束聚焦于材料表面 在很短的时间内使表面温度迅速升高 材料熔化 而基体的温度基本保持室温 材料表面熔融的材料向曲率小 即曲率半径大 的地方流动 使各处的曲率趋于一致 同时 固液界面处以每秒数米的速度凝固 最终获得光滑平整的表面 五 激光抛光 LaserPolishing TiAl6V4surfacemilled left andmicropolished right 五 激光抛光 LaserPolishing Glassformforthemanufacturingofshaftsandfeetofwineglassesgrinded left andlaserpolished front 六 激光冲击强化 LaserShocking 利用强激光束产生的等离子冲击波 提高金属材料的抗疲劳 耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术 可在不增加零部件质量的前提下 大幅提高零部件的强度和抗疲劳能力 从而能够大大增强战机的寿命并降低维修成本 与现有的冷挤压 喷丸等金融材料表面强化手段相比 具有非接触 无热影响区 可控性强以及强化效果显著等突出优点 飞机零部件的激光冲击强化 激光冲击强化技术在美国航空装备制造与维修以及其他装备制造业正得到广泛的