激光加工设备总论.doc

激光加工设备总论王瑞延 徐世璞 付百泉 编写17目录激光加工设备总论1第一章概述1第二章激光加工机理3一激光切割41.汽化切割42.熔化切割43.氧化熔化切割54.导向断裂切割5二激光焊接5三激光加工典型应用91.切割92.焊接93.表面处理10第三章激光加工设备的组成12第四章激光加工设备的场地、环境要求16一地面及基础161.平整、坚固162.垫铁163.防震164.管线沟165.安全通道16二环境条件16激光加工设备总论第一章 概述上海团结普瑞玛激光设备有限公司，是一家专业从事各类型成套激光设备的研发和生产的高科技股份制企业。这是我公司对外宣传所使用的正式用语。在2005版网站的首页第一句，向全球如此宣告。图 1 激光演示设备及效果 图 2 半导体激光弱视治疗仪 图 3 手持激光测距仪图 4 激光切割机望文生义，或者叫顾名思义，激光设备应该是指利用激光进行工作的设备。激光干涉仪、激光照排机、激光唱机、激光美容治疗机、激光演示仪，都是激光设备。激光加工设备属于激光设备。 图 5 激光打标机 图 6三坐标测量机在目前，团结普瑞玛主要生产激光加工设备。那么，什么是激光加工？简单而言，就是利用激光与材料的相互作用，实现对材料的加工，比如材料去除（激光切割），材料连接（激光焊接），材料烧蚀（激光打标），等等。用于激光加工的激光器，与其他用途的激光器相比，最突出之处是功率大，一般是几百瓦，上千瓦；而激光治疗仪一般在几十瓦以内，多媒体演示用激光器则从数百毫瓦到几瓦。顺理成章，激光加工设备，就是利用激光对材料进行加工的设备。在现阶段，团结普瑞玛主要生产激光切割和激光焊接设备，其中，又以激光切割机为主。在激光切割机市场上，团结普瑞玛占据行业第一的地位。第二章 激光加工机理回过头来，我们探讨一下激光加工的机理。1.辅助气体Process gas2.喷嘴Cutting nozzle3.喷嘴高度Nozzle offset4.切割速度Cutting speed5.熔融物Molten material6.渣Dross7.切割粗糙度Cut roughness8.热影响区Heat affected zone9.割缝宽度Kerf width图 1 激光切割原理激光加工的机理是，激光照射到被加工物上，其能量在短时间内高度集中，瞬间使物质熔化和气化。用这种方法进行钻孔、切割、焊接、刻蚀，解决了坚硬、极脆、难熔物质的加工困难，而且速度快、精度高、工件变形微乎其微，特别适于对精密部件和微型部件的操作，并且比一般加工工艺更为经济。另外，用激光进行工件表面的热处理，可使其表面形成液化速凝薄层，从而增强了表面的硬度和强度，大大提高表面的耐磨性。用激光给手表的红宝石轴承打孔，1秒钟可以加工14只到16只，合格率达99%；用激光加工发动机燃烧室及涡轮叶片等部件的密集小孔，加工费可降低70%80%。用激光对发动机气缸内壁作表面处理，硬度和耐磨性提高约10倍，气缸的寿命成倍提高。总结起来，典型应用有： 热转换：退火、硬化、重熔。 连接：焊接、钎焊、传导焊、穿透焊。 改性：合金化、上釉、表面硬化。 材料去除：即打孔、切割、剥离。 烧蚀：即打标、划刻、电路元件的微调。一 激光切割不同的材料，切割机理是不一样的。主要分：汽化切割、熔化切割、氧化熔化切割、控制断裂切割。序号切割机理对应切割材料1汽化切割木材、碳素材料和某些塑料2熔化切割铝3氧化熔化切割碳钢4导向断裂切割陶瓷1. 汽化切割激光束焦点处功率密度非常高，可达106W/cm2以上，激光光能转换成热能，保持在极小的范围内，材料很快被加热至汽化温度，部分材料汽化为蒸汽逸去，部分材料被辅助气体吹走，随着激光束与材料之间的连续不断的相对运动，便形成宽度很窄（如0.2mm）的割缝。这种切割机制的功率密度在108W/cm2左右。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料即通过这种机制进行切割。汽化切割过程中，带走质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，材料的40化作蒸汽逸去，其余约60，则以熔滴形式被辅助气流吹走。2. 熔化切割当入射的激光束的功率密度超过某一阈值时，被激光束照射处的材料内部开始蒸发，形成孔洞，作为黑体吸收所有的入射激光束能量。小孔被熔化金属所包围。与激光束同轴的辅助气体，把孔洞周围的熔融材料带走、驱除。这种切割机制的功率密度在107W/cm2左右。3. 氧化熔化切割如果在熔化切割过程中吹送氧气，作为切割辅助气体，材料在激光束照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应，从而产生另一热源，称为氧化熔化切割。（1） 材料表面在激光束照射下，很快被加热到燃点温度，与氧气发生激烈的燃烧反应，放出大量热量，在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔周围为熔融的加工材料所包围。（2） 燃烧物质转移成熔渣，控制氧和加工材料的燃烧速度，氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。但是，如果氧气流速过快，将导致割缝出口处的反应产物即金属氧化物的快速冷却，对切割质量造成不利影响。（3） 切割过程存在两个热源：激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计，切割碳钢时，氧化反应所产生的热能约占切割所需能量的60。（4） 在氧化熔化切割过程中，如果氧化燃烧的速度高于激光束移动速度，割缝将变宽且粗糙，反之，如果移动速度慢，则割缝窄而光滑。4. 导向断裂切割某些受热易破坏的脆性材料，通过激光加热，引起定向加热梯度、高机械应力和严重机械变形，从而形成裂缝，裂缝原则光束移动方向不断生成，最终将材料切断，称为导向断裂切割。如果保持均衡的热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。导向断裂切割切勿使用太高的功率，否则会引起无规则龟裂或者材料表面熔化，导致切割失败。二 激光焊接激光焊接工艺通常要比切割工艺复杂一些。1.等离子云Plasma Cloud2.熔融物Molten material3.钥匙孔Keyhole4.焊接深度Weld depth图 2 热传导激光焊接原理激光焊接的特点是：1）非接触焊接，通常不需要填料。2）焊接速度快，热影响区小，工件不易变形。激光焊接属于热传导型，即激光辐射加热工件材料表面，表面热量通过热传导向内部扩散，使工件熔化，形成特定的熔池。在焊接过程中，光能除熔化金属外，还以汽化、形成等离子体等形式表现出来。要实现良好的焊接，就要控制激光参数，使激光能量主要用于金属熔化。激光焊接过程中，激光与金属相互作用过程主要涉及光的反射、吸收、热传导及物质的传导。由于辐射到材料表面的功率密度较低，光能量仅被表层吸收，不产生非线性或小孔效应。当光穿透微米量级后，光强趋于零。材料内部加热以传导方式进行。当表面温度达到熔点，表面熔化且熔化波前向材料内部传播，其传播速度与激光功率密度、材料的液相和固相热力学参数有关。焊接时要求金属表面在沸点附近的状况下传递能量。最大熔深反比于功率密度，正比于热传导。团结普瑞玛生产的平板叠层焊接机，焊接对象为两层，中间有空气隙，情形比较复杂。（1） 两层金属之间的间隙多为空气，空气的热传导率远小于金属，可用热阻1表示，12K3/h式中，K3空气热导率，h空气隙距离。热量在两层金属之间的传导表现为对流效应。（2） 由于非理想接触，在空气隙消失前，上层下表面（我们权且称之为F12面，而将上层上表面称为F11面）的温度时间曲线，与下层上表面（我们权且称之为F21面）的显著不同。由于激光热源的能量传导受阻，F12面温度出现急剧上升的过程。如果参数控制不当，在焊接完成前，表面温度易超过沸点，形成材料汽化，甚至出现孔洞，因而不能实现良好连接。（3） 形成熔融焊接所需要的最小能量随着空气隙增加而增加。当间隙小于上层材料厚度（以T1表示）的1/10，即h0.1mob/ m3，氯化物含量 2ppm，硫化物含量 2ppm，PH值7-8激光器工作气体(12) 氮气1瓶（99.998%）(13) 氦气1瓶（99.998%）(14) 二氧化碳1瓶（99.998%）辅助气体碳钢切割用气体(15) 高纯氧1瓶（99.995%）(16) 氧气3