特种加工技术课件第3章 激光束加工

第三章激光束加工（LBM）3.1激光加工的原理与特点

激光束加工LaserBeamMachining缩写为LBM简称：激光加工3.1.1激光及其特性

在国内激光又叫“镭射”，Laser的音译,它是“lightamplificationbystimulatedemissionofradiation.”的词头缩写，意为“受激辐射的光放大”可能是可见光，也可能是不可见光。激光的基本特性：①激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。②激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。③激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象，这赋予了激光的极其高的亮度和高的能量密度。④定向发光，方向性好。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。3.1.2激光加工原理和特点利用激光的能量密度高、方向性好、单色性好和相干光等特性，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，在加上凸透镜聚焦，故其焦点处的功率密度达到107～1012W/cm2，光能转化成热能，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和气化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击图3.4。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔蚀、气化和受冲击波抛出的综合过程凸透镜聚焦→→高温→→熔化气化激光加工工艺类型：

热处理、焊接、切割、打孔、打标记、表面处理、清洁和辅助车削等。激光可以加工任何材料（透光的玻璃例外）特点之优点：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，精细齿轮的切割。特别是在难加工或脆性材料上加工微孔、窄缝（图3.7）。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，甚至液体里加工④加工无刀具，没有刀具磨损，非接触加工，无机械加工变形，工件装夹简单⑤无需抽真空等特殊环境，自动控制连续加工，效率高，加工变形和热变形小⑥工件的热影响层比其他非传统热蚀工艺的更薄，图3.5局限（缺点）：①加工靠局部熔化、气化，影响因素较多，规律性不强，重复精度和表面粗糙度一致性差。如，图3.8聚焦点的光斑不同会影响到打孔的形状或切割槽面的形状。盲孔的加工深度不易控制，加工的孔有锥度，出口处有毛刺或粘附物需去除。②加工时有金属气体或火星飞溅，需要抽风，操作者需戴护目镜，图3.9。③设备成本高材料去除率低，不适于大量材料去除的场合。④依靠焦点能量，钻和切割孔的深度度受限，不能超过50mm。3.2.1激光加工装置的组成：电源、激光器、光学系统、冷却系统和机械结构与运动系统部分组成3.2激光加工装置

激光加工中则要求输出功率大，多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器

种类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类3.2.2工业激光器按工作物质不同激光器分为固体激光器和气体激光器两大类3.3激光加工工艺类型3.3.1孔加工

两种情况：脉冲式激光冲击打孔和加工套料孔。1.脉冲式激光冲击打孔2.套料孔3.3.2板材切割1.普通激光切割激光切割的原理与激光套料孔加工类同，即工件与激光束需要作相对移动几何要素有：槽面粗糙度(条纹)、槽宽、出口熔渣（毛刺）、切割槽面直角（垂直度）、热影响层及工件厚度激光切割质量的主要影响因素有激光功率、吹气压力、靶距、材料厚度、熔点和沸点、热传导率等2.气体辅助激光切割连续供给空气、氧气或惰性气体（N2,Ar,或He)，气体有如下三方面作用：①通入空气/氧气时，提供更好的氧化环境，由此减少光的反射，增加能量吸收。②通入氧气时，提升放热反应，切割所需能量的80%由此供给，极大提高加工效率。③通入气体，它们都会有助于排除加工区或钻孔孔底部的气化、熔化金属等渣屑。3.3.3焊接3.3.4打标记①汽车零部件：活塞、活塞环、齿轮、轴、轴瓦、离合器、车灯等。②电子元件：电阻、电容、芯片、印刷电路板、键盘等。③机械零部件：轴承、齿轮、标准件、电机等。④仪器仪表：面板、标牌、精密器械等。⑤五金工具：刀具、工具、量具、锁具、刃具等。图3.17a。⑥生活用品：工艺品、拉链、钥扣、首饰戒指、洁具⑦装修家具：石材、大理石、陶瓷、木制家具等3.3.5表面处理1.激光表面淬火（硬化）热处理凸轮表面，轴承滚道、齿轮渐开面、发动机缸套及活塞环等需要提高耐磨性2.金属表面合金化处理3.3.6激光辅助传统机械加工3.3.7激光清洗（清理）技术1.激光表面清洗（理）的原理高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应：①高能量密度的脉冲激光束被污染层吸收而部分气化、挥发。另一方面，激光照射时表面由外到里的温度梯度较大，造成内外材料的膨胀不一，使得污染物与基体材料松弛脱落。光脉冲宽度足够短，以免热积累破坏处理表面。②大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体(高度电离的不稳定气体)，产生冲击波，粉碎并剥蚀污染。实验表明当金属表面上有氧化物时，等离子体产生于金属表面。等离子体只在能量密度高于某个门槛值（也叫阈值）的情况下产生，这个门槛值取决于污染层或氧化层。这个门槛值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。对于基体材料，等离子体的出现同样存在某个门槛值，超过它则基体材料会被破坏2.技术优势①环保：不用化学药剂和清洗液的激光清洗是一种绿色环保的干式清洗方法，严格讲应该叫做“清理”，清理下来的废料有气态和固太粉末，易于抽吸回收。②无次生损坏：激光清理没有机械力的作用不会损伤基体材料，能做到“选择性”去除。③操控方便：通过细小光纤传输容易到达拐角、