激光加工技术

激光加工技术简介 人们曾用凸透镜将太阳光聚焦 使纸张木材引燃 但无法用做材料加工 原因何在 1 地面上太阳光的能量密度不高 2 太阳光不是单色光 而是红橙黄绿青蓝紫等多种不同波长的多色光 聚焦后焦点不在同一平面上 只有激光是可控的单色光 强度高 能量密度大 聚焦后可以在空气介质中将任何材料融化 气化 高速加工各种材料 激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学 在材料加工方面 已逐步形成一种崭新的加工方法 激光加工 简称LBMlasserbeammachining 激光加工可以用于打孔 切割 焊接 热处理等各个领域 主要内容 一 激光加工的原理和特点二 激光加工基本设备及其组成部分三 激光加工的应用四 激光空化泡概述 一 激光加工的原理和特点 一 激光的产生原理1 光的物理概念及原子的发光过程 1 光的物理概念光究竟是什么 直到近代 人们才认识到光即具有波动性 又具有微粒性 也就是说 光具有波粒二象性 根据光的电磁学说 可以认为光实质上是一定波长范围内的电磁波 同样也有波长 频率 波速C 它们三者之间的关系为 C V如果把所有电磁波按波长和频率依次进行排列 就可以得到电磁波波谱 如图 人们能够看见的光称为可见光 它的波长为0 4 0 76um 根据波长不同 可见光分为红 橙 黄 绿 青 蓝 紫等七种光 波长大于0 76um的称为红外光或红外线 小于0 4的称为紫外线 根据光的量子学说 又可以认为光是一种具有一定能量的以光速运动的微粒子流 这种具有一定能量的粒子就称为光子 不同频率的光对应于不同能量的光子 光子的能力与光的频率成正比 光子能量 E hv 2 原子的发光原子由原子核和绕原子核作公转运动的电子组成 原子的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和 如果由于外界的作用 使电子与原子核的距离增加或缩小 则原子的内能也随之增大或缩小 只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的 人们把这时原子所处的能级状态称为基态 当外界传给原子一定的能量时 原子的内能增加 外层电子的轨道半径扩大 被激发到高能级 称为激发态或高能态 被激发到高能级的原子一般是很不稳定的 它总是力图回到能量较低的能级去 原子从高能级回落到低能级的过程 称为 跃迁 在基态时 原子可以长时间的存在 而在激发状态的各种高能级的原子停留的时间一般都较短 但有些原子或离子的高能级或次高能级却有着较长的寿命 这种寿命较长的较高能级 称为亚稳定能级 当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时 常常会以光子的形式辐射出光能量 所放出光的频率V与高能态En和低能态E1之差的关系为V En E1 h式中h为普朗克常数原子从高能态自发的跃迁到低能态而发光的过程 称为自发辐射 日光灯等光源都是由于自发辐射而发光的 由于各个受激原子自发跃迁返回基态时在时序上先后不一 辐射出来的光子在各个方向上 加上它们的激光能级较多 自发辐射出来光的频率和波长大小不一 所以单色性差 方向性也差 物质的发光除自发辐射外 还存在一种受激辐射 当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中 若这束光的频率V与En E1 h很接近 则处在激发能级上的原子 在这束光的刺激下会跃迁回较低能级 同时发出一束光 这束光与入射光有着完全相同的特性 它的频率 相位 传播方向 偏振方向都完全一致的 因此可以认为它们是一模一样的 相当于把入射光放大 这样的发光过程称为受激辐射 受激辐射是产生激光的基础 3 激光的产生某些具有亚稳定能级结构的物质 在一定外来光子能量激发的条件下 会吸收光能 使处在较高能级的原子数目大于处于低能级的原子数目 这种现象称为 粒子数反转 在粒子数反转的状态下 如果有一束光子照射该物体 而光子的能量恰好等于这两个能级相对应的能量差 这时就能产生受激辐射 输出大量的光能 二 激光的特性1 强度高一台红宝石脉冲激光器的亮度要比高压脉冲氙灯高37亿倍 比太阳表面的亮度也要搞20多亿倍2 单色性好激光出现之前 单色性最好的光源要算氪灯 它发出的单色光中心波长为605 7nm 谱线宽0 00047nm 激光出现后 激光的谱线宽可小于10 8nm3 相干性好4 方向性好 三 激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面 1 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工 2 激光能聚焦成极小的光斑 可进行微细和精密加工 如微细窄缝和微型孔的加工 3 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 4 加工时不需用刀具 属于非接触加工 无机械加工变形 5 无需加工工具和特殊环境 便于自动控制连续加工 加工效率高 加工变形和热变形小 二 激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器 导光聚焦系统和加工机 激光加工系统 三部分组成 一 激光器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 按工作物质的种类可分为1 固体激光器 红宝石激光器 钕玻璃激光器 YGA 掺钕钇铝石榴石 激光器2 气体激光器 二氧化碳激光器 氩离子激光器 固体激光器的基本结构示意图 封离式CO2激光器结构示意图 二 导光聚焦系统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 三 激光加工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 激光加工示意图 三 激光加工的应用 一 激光打孔随着近代工业技术的发展 硬度大 熔点高的材料应用越来越多 并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔 例如 钟表或仪表的宝石轴承 钻石拉丝模具 化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等 这类加工任务 用常规的机械加工方法很困难 有的甚至是不可能的 而用激光打孔 则能比较好地完成任务 激光打孔中 要详细了解打孔的材料及打孔要求 从理论上讲 激光可以在任何材料的不同位置 打出浅至几微米 深至二十几毫米以上的小孔 但具体到某一台打孔机 它的打孔范围是有限的 所以 在打孔之前 最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解 以确定能否打孔 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 二 激光切割激光切割的原理与激光打孔相似 但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 图7 10CO2气体激光器切割钛合金示意图 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 三 激光焊接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 如图7 12所示 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 还可透过玻璃进行焊接 图7 12激光焊接过程示意图 四 激光表面处理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 图7 13为激光表面淬火处理应用实例 激光表面强化处理应用实例 五 激光打标和雕刻传统的打标是用酸腐蚀的 不仅有污染 而且要好几步工艺 费时费工 激光打标无污染 而且标记不易磨损 目前在汽车业及半导体工业已经普及 激光打标分两种方式 一种是用掩模板在产品