《特种加工》课件-第5章

第5章激光加工5.1激光加工的原理及特点5.2激光加工的设备5.3激光加工的应用 5.1激光加工的原理及特点

5.1.1激光加工的原理

激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴学科。所谓激光，是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小，且单色性好，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，因此可以使其焦点处的功率密度达到107～1011W/cm2，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汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。

激光加工（LaserBeamMachining，LBM）就是利用激光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，从而产生光热效应来加工各种材料的。激光加工过程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，如图5－1所示。图5－1激光加工示意图

由于激光加工不需要加工工具，而且加工速度快，表面变形小，因此可以加工各种材料（如对各种硬、脆、软、韧、难熔的金属和非金属进行切割和微小孔加工），已经在生产实践中愈来愈多地显示出了它的优越性，所以很受人们的重视。激光加工不仅可以用于打孔、切割，而且可用于电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等各个方面。5.1.2激光加工的特点

激光加工具有如下特点：

（1）激光经过聚焦后，功率密度高达107～1011W/cm2，光能转化为热能后，几乎可以加工任何材料，如高硬材料、耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料和工程塑料等非金属材料。

（2）激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可以用于精密微细加工。

（3）激光加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题；加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化。激光加工还能通过透明体进行，如对真空管内部进行焊接加工等。（4）和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。

（5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求。由于光的反射作用，对于表面光泽或透明材料的加工，必须预先进行色化或打毛处理，使更多的光能被吸收后转化为热能，从而用于加工。

（6）加工速度快、效率高。一般激光打孔只需0.01s；激光切割可比常规方法提高效率8～20倍；激光焊接可提高效率约30倍；激光微调薄膜电阻可提高工效1000倍，提高精度1～2个数量级。（7）通过选择适当的加工条件，可用同一台装置对工件进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工，节省了工时，降低了成本。

（8）节能和节省材料。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10～1000倍，激光切割可节省材料15%～30%。

（9）加工中会产生金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应穿戴防护服、防护眼镜等。 5.2激光加工的设备

激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。图5－2所示为激光加工装置结构方框图。图5－2激光加工装置结构方框图

1．激光器

激光器是激光加工的重要设备，它把电能转变成光能，产生激光束。

激光器按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。表5－1列出了激光加工中常用激光器的主要性能特点。表5－1常用激光器的性能、特点及用途

由于He－Ne(氨－氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。在激光加工中要求输出功率与能量大，因而目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石激光器)等固体激光器。

2．激光器电源

激光器电源为激光器提供所需要的能量及控制功能。

3．光学系统

光学系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，前者用于激光束聚焦，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置在投影仪上显示。

4．机械系统

机械系统主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。目前，许多激光加工机已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的数控操作。

激光加工机的种类也越来越多，完善程度不同，结构形式也不单一。图5－3所示为某固体激光加工机的外形示意图。图5－3激光打孔机

5.3激光加工的应用

5.3.1常用的激光加工工艺

1．激光打孔

随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料的应用越来越多，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。对于这类加工任务，常规的机械加工方法实现很困难，有的甚至是不可能实现的，而用激光打孔则能比较好地完成任务。激光打孔可分为五个阶段：表面加热、表面熔化、汽化、气态物质喷射和液态物质喷射，如图5－4所示。图5－4激光打孔过程示意图(a)表面加热；(b)表面熔化；(c)汽化；(d)气态物质喷射；(e)液态物质喷射

激光打孔的特点是速度快、效率高，现在最快每秒可以打孔100个；打孔的孔径可以从几微米到任意孔径；可以实现在任何材料上打孔，如宝石、金刚石、陶瓷、金属、半导体、聚合物和纸等；不需要工具，也就不存在工具磨损和更换工具问题，因此特别适合自动化打孔。另外，激光还可以打斜孔，如航空发动机上大量的斜孔加工。与其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能够在大气中进行打孔。

2．激光切割

激光切割(如图5－5所示)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5－5

CO2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，因此在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。

激光切割过程中，影响激光切割的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。图5－6振镜式激光打标原理图

3．激光打标

激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志。图5－6所示为激光打标原理图。

激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。

激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通信器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。

4．激光焊接

当激光的功率密度为105～107W/cm2，照射时间约为1/100s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5－7所示。图5－7激光焊接过程示意图图5－8激光表面强化处理应用实例

（a）圆锥表面；（b）铸铁凸轮轴表面

5．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，淬火层深度比常规淬火约高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5－8所示为激光表面淬火处理应用实例。5.3.2激光加工应用实例

在实际工业应用中，目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修