激光加工技术课件

1、激光加工技术,3. 激光表面改性技术,2.激光焊接,1. 激光打孔和切割,4. 激光清洗技术,2016-5-3,1 激光打孔,1、激光打孔,在元件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，比如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔，用普通的机械加工工具怕是不容易办到，即使能够做，加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打微型小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小钻头加工的，用这个办法一般也只能加工孔径大于0.25毫米的小孔。在今天的工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中，多层印刷电路板的生产，就要求在板上钻成千上万个直径约为0.10.3

2、毫米的小孔。显然，采用刚才说的钻头来加工，遇到的困难就比较大，加工质量不容易保证，加工成本不低。早在本世纪60年代后，科学家在实验室就用激光在钢质刀片上打出微小孔，经过近30年的改进和发展，如今用激光在材料上打微小直径的小孔已无困难，而且加工质量好。打出的小孔孔壁规整，没有什么毛刺。打孔速度又很快，大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。,2016-5-3,激光打孔原理：加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。,2016-5-3,1）、打孔质量的影响因素（脉宽和聚焦位置）,怎样用好激光“钻头”？,A、脉冲能量一定时：脉宽增加，功率密度下

3、降，融熔了的材料没有办法充分汽化，却把在它附近的材料加热，使熔化层增厚，结果，被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。如果使用的是高重复率激光器输出的光脉冲，这时每个光脉冲平均的能量并不很高，但由于光脉冲的宽度窄，功率水平却不低。于是每个激光脉冲在材料上形成的融熔体不多，主要是发生汽化。由于使小孔附近的材料加热时融熔体很少，因而也就不出现在用单脉冲打孔时出现的事。打出的小孔形状和大小就规整得多了。,B、焦点位置的选择：对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的内部，如果材料比较薄，激光束焦点需放在工件表面的上方。这样的安排会让打出来的小孔上下大小基本上一致，不出现“桶状”的小孔。,2016-

4、5-3,离焦量对打孔质量的影响, 激光打孔中离焦量对打孔的影响,2016-5-3,4）、激光打孔的应用,陶瓷0.5mm孔激光打孔,2016-5-3,激光切割,1）、激光切割工作原理,激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。,2016-5-3,2）、激光切割的特点,G、噪声低，无公害,A、切割速度快，热影响区小。热影响层深度 0.05

5、-0. 1mm，热畸变形小。,F、可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。,E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。,C、无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。,B、切割质量好。切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。割缝窄。一般为0.1-1mm。,2016-5-3,3） 激光切割分类, 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108/cm2左右，是无熔化材料的切割方式，适用木材、塑料等。,

6、熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107/cm2左右，适合金属材料。, 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。适用金属材料。,2016-5-3,聚焦能力与它光束模式有关。基模(TEM00) ，光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀。,4)、影响激光切割质量的因素,激光切

7、割质量包括：,影响激光切割质量的因素：,割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。,激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。,A、激光功率：,激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。,B、光束模式,2016-5-3,焦点位置对熔深和熔池形状的影响很大。这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。图所示为采用激光切割5mm厚高合金钢板时的焦点价置与切割缝宽度的关系曲线。由图可知；在焦距位置距工件表面1mm处所得到的割缝最窄。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，

8、但焦深受到限制。它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。,C、焦点位置,4)、影响激光切割质量的因素,2016-5-3, 与金属产生放热化学反应，增加能量强度。 从切割区吹掉熔渣，清洁切缝； 冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸； 保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。,D、辅助气体和喷嘴,辅助气体的作用是：,喷嘴的设计原则,喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。,喷嘴喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合。,气流量与喷嘴尺寸关系,4)、影响激光切割

9、质量的因素,2016-5-3,E、切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。,激光切割对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出。而这些都与气流作用在工件表面的滞止压力有关，可称之为切割压力。为了得到高的切割速度和切口质量，切割压力应该大。,当Pn/Pa=3，喷出超音速气流,4)、影响激光切割质量的因素,2016-5-3,喷嘴的形状和大小及吹氧压力对激光切割质量有较大影响,2016-5-3,几种切割方式的比较,2016-5-3,激光焊接可在大气中进行，无环境污染

10、。,2）激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：,激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金屑材料进行焊接(对钨丝进行有效焊接)。,聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。,脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。,激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接，而且激光可通过玻璃在真空中焊接。,1）激光焊接基本模式：热导焊和深熔焊。,热导焊：激光功率密度较低（105106Wcm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。,深熔焊：激光功率密度高（106107Wcm2），工件迅速熔化乃至气化形成小孔。这种焊接模式熔

11、深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。,2.激光焊接技术概述,2016-5-3,4、脉冲激光焊接（热传导焊接）,1）常用脉冲激光器：Nd：YAG激光器,调Q YAG激光器,脉冲CO2激光器,2）焊接接头形式：,对接焊、搭接焊、交叉焊和平行焊,3）影响焊接质量的工艺参数：功率密度、脉冲宽度、脉冲波型和离焦量,2016-5-3,焊接质量影响因素,激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。,激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射

12、而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。,激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它是决定材料是否熔化的重要参数。为了保证激光焊接过程中材料表面不出现强烈气化，一般假定在脉冲终止时材料表面温度达到沸点。,激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。,2016-5-3,深熔焊：激光功率密度高（106107Wcm2），工件吸收激光后迅

13、速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。,激光深熔焊接,1）激光深熔焊接介绍,2016-5-3,激光深熔焊接本质特征为存在小孔效应的焊接。在激光功率密度足够高时，材料蒸发产生小孔充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射的激光能量，孔腔里的温度较高（25000）热量从孔壁传出去，使孔周围的金属熔化。,2）激光深熔焊接

14、原理,深熔焊形成的小孔,2016-5-3,3）影响激光焊接质量的因素,1 焊接设备 对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊缝深宽越大。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，不会成为激光焊接的问题。 光学系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。,2.工件状况 激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光

15、斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床F料一般不能满足要求必须经过机械加工或用高精度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。,2016-5-3,3.焊接参数 （1）激光功率密度：对

16、激光焊接模式和焊缝成形稳定件的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率密度，它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下：随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定热导焊、模式不稳定焊和稳定深熔焊。,（2）光束焦点位置：是焊接参数中对焊接质量影响极大而又最难监测和控制的一个因素。目前在生产中需靠人工调节和反复工艺试验的方法确定合适的焦点位置，以获得理想的熔深。但在焊接过程中由于工件变形，热透镜效应或者空间曲线的多维焊接，焦点位置会发生变化而 可能超出允许的范围。,2016-5-3,4）几种激光焊接机的技术参数,2016-5-3,5)激光焊接的应用,在工业发达国家，激光焊接已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中

17、最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的多块小坯料拼焊起来，再冲压成形。材料利用率由4060提高到7080，而且减轻了重量，提高了综合性能。在这里只有采用激光焊接才能保证拼焊后表面平整，无翘曲和变形，确保冲压后的质量。世界著名的汽车公司都采用了这种方法。,我国激光焊接技术经过十余年的研究，已开始应用，包括电机中的定子转子、金刚石锯片、多联齿轮、热轧硅钢片、显像管阴极、食品罐头盒罐身等。例如用激光焊接技术焊接了装核燃料棒的核供热堆锆元件盒，外形尺寸为166.5mm166.5mm2384mm，采用2mm厚高活性锆合金板焊接而成，最后在锆盒全长范围内

18、，各面及相互间的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均达到在0.20.3mm范围内，正反面焊缝表面不平度小于 0.15mm。充分体现了激光焊接的先进性。,2016-5-3,3 激光表面改性技术,激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外研究和应用最多的两种工艺。,2016-5-3,1.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使

19、表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。,激光淬火技术（激光相变硬化）,说明：1、升温速度可达103-106/s，降温速度可达106/s。 2、淬火温度在相变温度以上，材料熔点以下；在相变点 处以高于临界冷却速度冷却。,2.如图为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火,2016-5-3,3. 激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。,钢表面激光淬火区横截面金相组织图,2016-5-3,4. 淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线（HV维氏硬度1300）,5. 影响淬硬性能的主

20、要因素：,1) 材料成分：一般说来，随着钢中含碳量的增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也就越高。,基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系,1：20钢 2：45钢 3：T8钢 4：T10钢 5：T12钢,说明：45钢表示平均含碳量0.45%的优质碳素结构钢,2020/7/2,2) 激光工艺参数：激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径；淬硬层深度由激光功率、光斑直径和扫描速度共同决定；描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104Wcm2，一般为1000-6000Wcm2。,淬硬层深度：,2016-5

21、-3,3)表面预处理（黑化处理）：,磷化法：20世纪80年代最常用的方法之一。通过磷化处理在工件表面形成一层磷化膜（磷酸锰居多），使材料表面吸收率达到80%以上。但磷化处理也常使材料表面出现裂纹。,黑漆法：黑漆主要成分为石墨粉和碳酸钠,Sio2型涂料法：涂料主要成份为200-300目精制石英粉。,不同涂层钢表面对CO2激光反射率的典型值,2016-5-3,激光淬火的特点,2016-5-3,活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高活塞环耐磨性延长其使用寿命，对由42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理。,应用实例： 内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化,效果：激光硬化区主要是由细长板条马氏体

22、和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为713HV0.1；硬化层深为0.5mm；激光硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。,工艺：激光输出功率1.65kw，扫描速度22mm/s，光斑直径3mm。,2016-5-3,应用实例,2016-5-3,二、激光熔覆技术,1.激光熔覆(Laser Cladding)技术亦称激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐

23、蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。,2.激光熔覆技术与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。,3.激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。,4.同步送料法指在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层的工艺过程。激光熔覆材料包括金属、陶瓷或者金属陶瓷，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材，工艺过程如图10所示。 。,2016-5-3,5.评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层厚度、宽度、形状系数(宽度厚度)、稀释率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区深度

24、及变形程度等。典型熔覆层的截面示意图见图11,熔覆层的截面示意图,6.激光熔覆层的宽度主要决定于光斑直径；而激光熔覆层的厚度与送粉量、扫描速度、功率密度等参数密切相关。,7.常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)，颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。,2016-5-3,激光表面处理技术和其它几种典型表面处理技术的比较,2016-5-3,船用尾轴套激光熔覆修复，选用耐腐蚀的合金粉末恢复工件原尺寸。激光熔覆后，表面无缺陷，变形量0.05mm。,2016-5-3

25、,激光清洗技术,激光清洗技术是近十年来飞速发展起来的新型清洗技术，它因自身的许多优点在许多领域中正逐步取代传统清洗工艺。它能适应各种表面污物的清洗，对环境污染极小，也可以做到不损伤基体。目前该方法已成为传统清洗方法的补充和延伸，并因其固有的许多优点而展示了广阔的应用前景（0.1m）。,机械方法无法满足高清洁度清洗要求。,化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有限。,超声波清洗法尽管清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度。,大于1m,达到0.5m,大于1m,2016-5-3,（1）它是一种“干式”清洗，不需要清洁液或其他化学溶液，且清洁度

26、远 远高 于化学清洗工艺； （2）清除污物的范围和适用的基材范围十分广泛； （3）通过调控激光工艺参数，可以在不损伤基材表面的基础上，有效去 除污染物，使表面复旧如新； （4）激光清洗可以方便地实现自动化操作； （5）激光去污设备可以长期使用，运行成本低； （6）激光清洗技术是一种“绿色”清洗工艺，消除的废料是固体粉末状， 体积小，易于存放，基本上不污染环境。,激光清洗技术特点：,2016-5-3,（1）激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污； （2 ）激光液膜的方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光 使液膜发生爆炸去污； （3 ）激光惰性气体的方法，即激光辐射的同时，用惰性气体吹向工

27、件 表面，当污物从表 面剥离后，就被气体远远吹离表面，避免清洁表 面再次污染和氧化； （4）用激光使污物 松散后，再用非腐蚀性的化学方法去污。目前在工业 生产中主要采用前面三种清洗方法，其 中激光干洗法和激光液膜 清洗方法用得最多；第四种方法仅见于艺术品的清洗保护中。,激光清洗的方法：,2016-5-3,主要是基于物体表面污染物吸收激光能量后，或汽化挥发，或瞬间受热膨胀而克服表面对粒子的吸附力，使其脱离物体表面，进而达到清洗的目的。目前对激光清洗的机理存在着一些分歧，但大多数机理都能对激光清洗实验中的一些现象进行合理的解释。 归纳起来大致包括四个方面： 激光汽化分解 激光剥离 污物粒子热膨胀 基体表面振动和粒于振动。 激光清洗常常是多种机理同时作用的结果。,激光清洗机理,2016-5-3,科隆大教堂位于科隆市中心地区。这座哥特式建筑始建于年，之后陆续建设