第5章-激光加工dmu.ppt

1、第一、五章激光加工，2014.10.21材料2011，2，概述，激光加工：Laser Beam Machining，LBM是特殊加工的重要分支，发展于20世纪60年代初，目前：比较成熟，加工原理：(1)利用光的能量聚焦镜头，从焦点高度能量密度，3，第一节激光加工的原理和特征，光的物理概念和原子的发光过程光是波粒二象性可变性：波长L、频率M、波速C可见光波长：0.4-0.76毫米红外波长：0.76毫米紫外线波长：0.4毫米，CuCl2水溶液，1，激光普朗克常数H: 6.6310-34js波长为0.4毫米的紫色光子能量约为4.9610-17J波长为0.7毫米的红色光子能量约为2.8410-17J，

2、CuCl2水溶液，5，原子内部能量：电子绕原子核旋转的动能，电子被原子核吸引的比特，2，原子的发光，跳跃，刺激，6，自发辐射：原子从高能量状态自发跳跃到低能量状态发光的过程；发射的光子的频率和高能状态与低能状态的区别如下：例如，荧光灯，氙灯特性：频率波长不同，单色和方向性不好，转变：以高能水平刺激的原子不稳定。我想回到低能耗水平。从高能级降到低能级的过程称为“转移”。牙齿射线与入射光频率、相位、传播方向和偏振方向完全一致。这种发光过程称为刺激辐射。8，激光生成激光产生的两个茄子条件：粒子数反转具有稳定结构的物质，在一定的外来光子能量激发条件下吸收光能，使高能(亚稳态)中的原子或粒子数大于低能级

3、原子或粒子数。2.刺激辐射，9，激光的特性具有普通光源的特性，不同于普通光源。光发射以刺激辐射为主，发射的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的方向关系。1.由于强度高，激光在空间和时间上实现了光能的亮度和能量集中，亮度和能量密度数值都很高。10，2。单色性好在光学领域，单色性是光的波长(或频率)牙齿常数，没有严格意义的单色光。波长为l0的单色光是以l0为中心的波长、谱线宽度的频谱范围。越小单色越好。在激光出现之前，氪光是最好的，只有0.00047 nm。激光光源谱线宽度可以小于10-8 nm 3。具有良好关联性的光源的一致性可以测量为一致的时间和一致的长度。光源连续发出的两条光线可能引起

4、干涉的最大时间间隔。在最大时间间隔内经过的路是一致的长度。光源的一致长度L、11、4。定向性好的梁的方向是梁的发散角度，表示从一般光源发射的梁发散，发散角度为0.1sr。激光束的每个发光中心可以达到徐璐关联的方向辐射，发散角为110-4sr。12，激光加工的特点，1)适应性强，激光加工的功率密度高，几乎可以加工各种金属、陶瓷、石英、钻石、橡胶等所有材料。2)加工精度高，3)加工质量好，4)加工速度快，效率高，激光束聚焦微米级光斑(理论上直径可以小于1um)，适合精密微调加工。高激光加工能量密度、短热作用时间、整个加工区几乎不受热的影响、工件的热变形很小，可以加工热冲击敏感材料。激光打孔只需要0

5、.01s。切削效率比一般方法高820倍。激光焊接可以将效率提高30倍。薄膜电阻微调可提高1000倍，准确度12数量级。5)自动化加工容易，激光束传输方便，控制方便，与机器人、自动检测、电脑数字控制等先进技术相结合。13，6)通用性强，可以用一台激光改变其他照明系统，处理各种形状和尺寸工件。您也可以选取适当的加工条件，以相同的装置执行各种加工，例如切削、冲孔、焊接和表面处理。7)节约能源绝缘、激光束的能量利用率为一般热加工工艺101000倍，激光切割材料150%。8)激光可以通过光学透明介质(玻璃、空气、惰性气体和一些液体)加工工件。激光加工是瞬间，局部熔化和汽化加工，影响因素很多。因此，在精细

6、加工时，不能保证重复加工精度和表面粗糙度。另外，具有高导热系数材料的加工比较困难。不足点，14，2节激光加工的基本设备，激光是激光加工的关键设备，通过将电力转换为光能，可以获得良好的方向、高能量密度、稳定的激光束。激活介质的种类：固体激光、气体激光。根据工作方式：连续激光和脉冲激光。1)激光，2)激光电源，3)光学系统，4)机械系统提供激光所需的能量和控制功能。光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。焦点系统的作用是将激光引导到焦点透镜，聚焦加工工件。观测跟踪系统可以观察和调整激光束的聚焦位置，并在投影仪上显示加工位置。机械系统主要包括床、工作台和机械控制系统。15，16，固体激光器包括工作材料、

7、光泵、玻璃套管和过滤器、冷却剂、电容器和谐振腔等。17，光泵：提供工作物质光能量，通常是溴等。电容器：将氙灯发出的光能收集到工作物质中。有球形、圆柱形、椭圆形圆柱形和紧身内质网。玻璃套管和过滤器：主要用于过滤钚灯产生的紫外线成分。谐振腔：由两个反射镜组成，激光沿轴反射共振，加强和改善激光输出。18，固体激光红宝石激光，红宝石激光是质量分数为0.05%的氧化铬混合的氧化铝晶体，发射l=0.6943mm的红光，易于获得相关性好的单模输出，稳定性好，红宝石激光3能级系统激光主要由铬离子起刺激辐射作用。19，固体激光红宝石激光，红宝石激光转换过程图。高压溴灯照射下，铬离子从基态E1输送到E3吸收台。E

8、3平均寿命短，低于10-7s，因此大多数粒子通过无辐射跳跃下降到亚稳定E2，E2平均寿命为310-3s，可以存储大量粒子，从而反转E2和E1之间的粒子数量。通常是脉冲输出，工作频率低于一次。激光发展初期应用较多，现在大部分被玻璃激光和钚混合的铝石榴石激光器取代。20、固体激光钕玻璃激光器，钕玻璃激光器是掺少量氧化钕的非晶硅酸盐玻璃，钕离子的质量分数约为1-5%，发射l=1.06mm毫米红外激光器。玻璃激光是4能级系统激光，粒子反转更容易。激光跃迁如右图所示。21，在固体激光钕玻璃激光、高压氙灯照射下，钕离子在基态E1到E4能级，E4平均寿命短，没有辐射的E3能级，E3平均寿命为310-4s，形

9、成了E3到E2之间粒子数的反转。优点：光线辐射角度小，适用于精密精细加工，一般是脉冲输出，工作数/秒。缺点：导热性不好，需要更好的冷却系统。22，固体激光器是掺有钚铝石榴石激光器，钚铝石榴石激光器是在钇铝石榴石晶体中掺有1.5%左右的钚制成的。4也属于能级系统。产生激光也是钚离子，l=1.06mm毫米的红外激光也发射出来。优点：钚铝石榴石与钕玻璃激光器相比，其热物理性能好，导热性好，膨胀系数小，机械强度高，效率高3%。脉冲或连续运行，最高可达10-100次/秒，连续输出功率可达数百瓦。价钱贵，但性能优良，广泛应用于冲压、切割、焊接微曹征等工作。23，气体激光器，气体激光器一般采用传记激励，由于

10、高效、寿命、连续输出功率大小，广泛应用于切割、焊接、热处理加工。材料加工常用的气体激光器有二氧化碳激光器、离子激光器等24种，是用于二氧化碳工作材料的分子激光器。高输出功率：最高10，000瓦连续输出功率是目前连续输出功率最高的激光。为了提高出口动力，经常加入氮氦氙等辅助气体和水蒸气。高效率：最高可达20%以上；一方面是因为工作能级寿命长，约为10-1-10-3s，另一方面是因为激励阈值低。通过高压直流放电，激励波长10.6米附近的红外线包括可见光、气体激光CO2激光器、25、二氧化碳激光结构如图所示，主要包括放电管、谐振腔、冷却系统、激励电源等。26氩离子激光器是许多发现谱线，最强的是l=0

11、.5145mm波长的绿光和l=0.4880mm波长的散光。能源转换效率低，通常只渡边杏到0.05%左右。激光波长短，发散角度小，可用于精密加工。气体激光氩离子激光器，27，非接触加工方法，热变形少，加工精度高。可微加工：激光聚焦后的焦距理论上可以小于1，实际上可以实现0.01mm的小孔加工和窄间隙切割。加工速度快，效率高。激光加工不仅可以执行冲压和切割，还可以执行焊接、热处理等操作。激光加工控制性好，自动控制容易。加工设备很贵。激光加工特征、三节激光加工工艺及应用、28、激光束照射工件表面时吸收光能，转化为热能，斑点温度迅速升高、熔化、汽化形成小坑。热扩散导致斑点周围的金属熔化，小坑内的金属蒸

12、汽迅速膨胀。29、1。焦点位置影响孔的质量。焦点位置对孔的形状和深度有很大影响。斑点位置低，产生喇叭影响加工深度。斑点位置高的话，因为小能量密度不能加工。一般激光的实际聚焦位置最好位于工件表面，或略低于工件表面。30，焦距和发散角度最小化激光束的发散角度，尽可能短的焦距。光斑内的能量分布取决于焦点光斑内的能量分布。焦点中心强度最大，距离中心越远，强度越小。激光束不是基模输出时，如果能量分布不对称，则孔不对称。焦点附近的光强分布是工作物质的光学均匀性和谐振腔曹征精度和直接相关。，31，表面粗糙度5mm时，粗糙度对加工深度有很大影响。表面粗糙度为5mm，影响不大。33，激光切割激光切割具有窄缝、快

13、速度、热影响区、节约材料、降低成本等优点，可以全方位切割，包括内插角。不仅可以切割钢板、不锈钢、钛、镍等金属材料，还可以切割布、木材、纸、塑料等非金属材料。34，激光标记，35，36，激光内部雕刻机采用光和光瞳相结合的工作方式。在电脑控制下，通过晶体和激光聚焦点的相对运动，激光聚焦点在晶体内微爆炸形成小点，无数有序点形成精密完美的立体图案。郑秀晶片，37，激光被移除后，在低温下内层材料的快速热传导作用使表面在马氏体相变点下迅速冷却，得到硬化层。39，环周螺旋扫描激光淬火，齿轮轴激光表面淬火，卷边机大面积激光相变，轮毂激光表面淬火，40，影响：疲劳强度耐蚀耐磨等，41，激光表面熔覆技术，激光涂层

14、技术，杂质，气孔激光表面通过改善物理性能，可以提高零件的耐磨损、耐腐蚀性、耐疲劳等多种性能，激光表面改性技术广泛应用于航空、航天、机械、传记、兵器和汽车制造业。AVCO提出了金属表面激光热处理的设想。1974年申请了世界上第一个激光熔覆专利，近10年来发展迅速。43，激光表面改性技术，优点，(1)能量转移方便，可为处理的工件表面选择的部分加强：(2)能量集中，缩短处理时间，减少热影响区域，激光处理后工件变形小。(3)处理表面形状复杂的工件，易于实现自动化线路。(4)施肥效果比一般方法更明显，速度快，效率高，成本低。(5)一般只能处理薄金属，厚板材不适合处理。(6)激光对人眼的危害影响员工的安全，因此要集中精力开发安全设施。44、激光表面改性技术的分类，激光表面改性技术的分类方法有很大的不同，一般可分为两大茄子类别，具体取决于基板成分的变化情况：激光表面改性技术，在不改变基板成分