先进激光加工技术(上).ppt

1、a，1，内容，引言工业用激光加工的基本物理过程激光加工典型地应用于宏观制造领域的微细加工领域的应用激光增材制造技术(3D印刷技术)，a，2，1，引言，1960年世界上首次出现了各种激光。 激光应用领域工业：应用于焊接、切断、冲孔、表面处理、合金化、熔复修复、快速原型、金属零件直接成形(3D印刷)、印字等汽车、电子、航空宇宙、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。 农业：育种等。 医学：激光眼科，显微外科手术，激光美容，口腔。 军事：激光测距，激光制导，激光通信，强激光武器(人眼失明，光电探测器故障，破坏了飞机，导弹，卫星)，激光模拟训练。 科学研究等多个方面。 光机电月刊、工业激光解决方案、a、3

2、、德国、美国、日本、英国等国家激光产业的发展代表着世界激光产业的最高发展水平。 激光产业发展计划美国：激光核聚变计划德国：光学促进计划国家级激光中心9个英国： abill计划日本：激光研究5年计划。 中国“十二五”计划包括高能束和特殊能量场制造科学、a、4、2、工业用激光、固体激光(Nd:YAG激光)气体激光(CO2激光)液体激光化学激光准分子激光(KrF激光)半导体激光飞秒、毫秒激光)、a、5功率密度对靶的影响： 103104 W/cm2、加热104106 W/cm2、熔融106108 W/cm2、气化1081010 W/cm2、等离子体、三、激光与材料的相互作用过程高功率激光和材料的相互作

3、用问题尚未解决。 原因是研究对象本身的复杂性和多样性。 是激光自身快速发展带来的新问题。 基本问题的观点、模型、适应范围等还没有明确说明。 相互作用机制的研究还很深入，a、7、激光的吸收、激光入射到材料表面时：反射、透射、吸收E0=E反射e吸收e透射1=E反射/E0 E透射/E0 1=R A T (反射比、吸收率、透射率) 不透明材料：1=R A光强度传播： I=I0e-Ax (a为材料的吸收系数)透射深度： DT=1/A，(光强度降低到I0/e时)，a、8，吸收系数：与材料和激光波长相关的材料的复折射率： n=n1 in2激光垂直入射时的吸收率： n=n1 in2 一般来说，吸收率随波长的增

4、加而减少，随温度的上升而增加。 激光的吸收：绝缘体和半导体的结构特征决定了对激光波长的强选择性。a、10、激光加热材料，激光照射区域法线方向的温度剃度为：式中，A是靶表面的激光吸收率Ps是作用于靶表面的激光功率密度，t是材料的热传导率。 具体的计算分析假定加热的材料是均匀各向同性的物质。 材料的光学特性和热力学参数与温度无关。 忽略传热中的辐射和对流，只考虑材料内的热传导。a，11、求解方法，求解激光加热问题的数值解是最有效最重要的方法是有限差分法。 能有效地处理各种复杂的边界条件和非线性问题，得到更准确的数值解。 其本质是用温度场各节点上的有限差值的近似关系替换微分方程中未知函数的导数，得到

5、有限差分方程的解。 这样把有限差分方程式的求解归结为简单的代数运算。、a、12、激光熔化现象、激光使材料表面的温度达到熔点时，上一章讨论的激光加热和热传导方程式的解就不能成立。 原因：材料的熔化必须吸收熔化潜热，材料的热传导率在熔化前后倍增。 半无限大物体在表面温度达到熔点Tm时，等温面(熔融波面) T=Tm以一定速度向材料内部传播，传播速度依赖于激光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。 等温面传播的最大距离称为最大溶解深度。 对于a、13、大部分金属，熔融波面的透过深度为： Pso光斑中心的功率密度Lt是作为材料的熔化潜热的tn激光照射到表面后到开始熔化为止的时间tb材料的表面加热到tb

6、所需的时间A是材料表面对激光的吸收率，tn是熔化温度t，热传导率tb接近气化温度， 合理调整激光功率密度和脉冲宽度可以得到最大的熔化深度，a、14、靶的气化模型、高强度激光脉冲照射金属靶表面，首先，在靶表面达到熔点温度时形成熔化层，然后，温度持续上升，直到蒸发开始为止部分吸收的激光能量变成蒸发潜热、气化质量的动能与溅射蒸汽的热，其馀部分传递给靶。 最后，当强度不太高时，溅射蒸汽无法形成强吸收，系统将处于稳定状态。 v是靶面蒸发速度Ln，Lv是熔融潜热和蒸发潜热c(Tc-To )是温度从熔点上升到沸点，靶面吸收热，Tc表示稳定表面温度. vm是质量变化率，p(Ts )是蒸气压。 a、15、气化时

7、间的估计，假设在气化过程中，所有材料都是液相和固相性质相同，如果没有温度变化，气化厚度d0的金属所需时间可以用能守恒定律推测的下式近似：激光功率密度越高，所需气化时间越短。 气化时间比溶解时间高一位数，是因为沸点比熔点高得多，气化潜热比熔融潜热大一位数。 a、16、例如铝材料、气压0.1 MPa时、Tv=2767 K、Lv=10770 J/g、d0=5 mm、r=0.8:pso=104w/cm2、t=8 s； PSO=105瓦/cm 2，t=0.8 s秒； Pso=107 W/cm2，t=0.008 s=8 ms，从激光加热到气化过程中有两个非常重要的物理量：一个是激光和靶的热耦合系数：激光能

8、量中表示转换成靶的热能的部分。 对于不透明材料，忽略靶蒸汽的动能，近似于(1-R )。 发射比R与目标面的状况(温度、相状态等)有关。 另一个重要的物理量表示质量迁移率m/E :靶在能量e的激光下气化损失的质量m。 与激光功率密度分布、脉冲结构、光斑尺寸和靶本身特性有关。 a、17、激光等离子体屏蔽现象，激光作用于靶表面，引起蒸发，蒸汽持续吸收激光能量，使温度上升，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。 等离子体向外迅速膨胀，在膨胀过程中，等离子体持续吸收入射的激光。 等离子体阻止激光到达靶面，阻断了激光和靶的能量耦合。 这个效果称为等离子体屏蔽效果。 相互作用的物质分为靶、激光、等离子三部分

9、。 说明等离子体遮蔽程度的等离子体遮蔽系数：定义为等离子体吸收的能量与入射激光能量之比。a、18、等离子体遮蔽机构、蒸汽等离子体入射来吸收激光能量的机构是逆韧性辐射吸收。 对于铝靶，其逆韧性放射吸收系数为Ks，入射激光通过蒸汽的透过率为T，等离子体遮蔽系数为Ks，显示出与波长的平方成比例，长波长激光的等离子体遮蔽效果比短波长激光强，出现时间快。 对a、19、功率密度为Pso的入射激光，透射长度为l的蒸汽等离子体区域，透射激光功率密度为p的情况下，d为光学厚度，表示激光通过蒸汽等离子体被吸收。如果均匀地看蒸汽等离子体，则如果测定Pso、Ps和等离子体线度l，就能得到光学厚度d、吸收系数Ks和等离

10、子体遮蔽系数。 a，20，4，激光加工的典型应用，激光宏观制造激光微加工激光增材制造技术(3D印刷技术)，a，21，在交通领域的应用，a，22，a，23，Audi A2焊接，a，24，汽车焊接，a，25，(航空领域)， 1 .激光焊接高强度铝合金激光焊接已经空气总线A380，机体减量18%成本下降了21.4%-24.3% 2.激光分离航空发动机的开孔和激光切割，涡轮叶片的激光开孔3 .激光成形(直接熔敷的制造和修复)美国已经战斗机JSF，无人战斗机X-45A，黑鹰直升机T700 (修复费用500美元传统11万美元)4.激光表面处理表面强化处理，a，26，机身面板，A318A380，a，27，焊

11、接设备，a，28，表层支撑框架连接技术29、复合焊接，nd : YAG-MIG焊接头，混合焊接头，a， 30、铝复合焊接：金高速、低变形、a 31、激光焊接技术、薄板热传导焊接技术厚板深熔焊接技术、a、32、极薄哈斯特洛伊c-276脉冲激光焊接实验、极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究、实验设备、材料及方案制定、哈斯特洛伊c - 研究了单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、焊接速度等参数对焊接成形的影响，分析了焊接成形机理和焊接缺陷产生机理，提出了基于焊接形态控制的精密焊接方法。 a，33， 极薄haselloyc-276激光精密焊接技术研究，激光焊接对焊接形态的影响，单脉冲能量、焊接速度、

12、频率、脉冲宽度、22222222222222222222226 mm散焦量，a，35，极薄哈斯特焊接形态形成机理分析、焊接形态特征分析、波纹熔融边界周期半圆脉冲断续作用、无波纹无周期厚度方向能量扩散和激光束分离、焊接上表面、基材组织、焊接组织等以轴晶为主，晶粒微细化，在没有明显热影响的地区，a、36、 平焊成形机理分析，激光焊接熔池流动驱动力1 )浮力效应2 )马戈尼效应(Marangoni Effect )，激光焊接过程温度分布规律1 )极短的作用时间毫秒级2 )脉冲占空比的合理加热冷却循环， 瞬时线能量密度决定了焊接过程热输入量的大小，脉冲激光加热冷却过程的交替不仅保证了焊接过程的准稳定性

13、，还避免了极高温度的出现。 焊接中的浮力效果是焊接中心隆起，两侧稍微下降的马戈尼效果是焊接中心部凹陷。 由于两个“矛盾”机制的相互作用，最终形成了平坦的焊接表面。窄焊接成形机理的分析、极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术的研究、焊接形态形成机理的分析、a，37、宏焊接缺陷的分析、x射线探伤结果(样品尺寸： 5080mm2，焊接长度40mm )、探伤结果是脉冲激光焊接技术极薄哈斯特洛伊目前对焊接的无损探伤方法主要是射线探伤、超声波探伤、涡流探伤、磁粉探伤和渗透探伤。 本检查采用了x射线探伤方法。 为了研究超薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术，焊接形态形成机理的分析，微焊接缺陷的分析，准确

14、地测定焊接的微观缺陷特征，采用逐次研磨法对x射线无损探伤的40 mm焊接实施了微细缺陷检查，每层除去10m厚度，逐次研磨检查表明另外，也从侧面说明x射线探伤结果的可靠性。a，38，极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究，焊接组织微观结构分析，焊接显微组织特征，焊接组织元素分布特征，焊接显微硬度分析，a，39，极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究，焊接微观组织特征焊接区域分为三部分：中心过渡熔化区(TFZ )和边缘熔化区(EFZ )、CFZ和TFZ区域、CFZ区域扩大，EFZ区域、穿丝生长特征、细等轴晶为主，细等轴晶和部分柱状枝晶为主，平面晶和胞状晶为主，焊接处的晶粒形态和基材晶粒

15、的不同，元素偏析引起的结果，或a、40、元素的焊接组织元素分布特征、极薄Hastelloy C-276激光精密焊接技术研究、电子探针元素的宏观分布特征结果： (a )扫描路径(b)Longitude方向的Ni-Cr-Mo分布(c)Longitude方向的Fe-W分布(d ) Traverse方向的Ni-Cr-Mo分布(e)Traverse方向Fe-W分布、焊接部5个主要元素没有出现宏观偏析现象，(a )、a、41、元素微观分布特征、典型的亚晶界特征、焊接组织元素分布特征、极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接焊接区后向散射照片，Mo元素分布规律，a，42，元素微观分布特征-EDS光谱分析，极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究，焊接组织元素分布特征，a，43， 焊接显微硬度分析、极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究、焊接材料焊接部的显微硬度不受到激光焊接过程的明显影响，主要通过焊接部的晶粒微细化来强化材料和脉冲激光焊接过程的急剧冷却过程相当于材料经过淬火过程，两者的作用效果a，44，焊接接头力学性能分析，极薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究，焊接接头常温力学性能焊接接头高温力学性能，a，45，超薄哈斯特洛伊c-276激光精密焊接技术研究，a，46， 拉伸样品： (a) 200 ，(a) 200 和(a) 200 ，切断位置随机分布在焊