激光加工技術(shù)原理及應(yīng)用淺析

1、激光加工技術(shù)原理及應(yīng)用淺析專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制作及其自動(dòng)化 班級：機(jī)制1306 姓名：張浩然 學(xué)號(hào)日期：2016年4月11日摘要 激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門學(xué)科。隨著大功率激光器的出現(xiàn)并用于材料加工，已逐步形成一種新的加工方法激光加工（Lasser Beam Machining,LBM)。激光可以應(yīng)用于打孔、切割、電子器件的微調(diào)、焊接、熱處理以及激光存儲(chǔ)等各個(gè)領(lǐng)域。激光加工不需要加工工具，加工速度快，表面變形小，可以加工各種材料，而且容易進(jìn)行自動(dòng)話控制，在日常生產(chǎn)實(shí)踐中越來越受人們重視。一 激光加工原理和特點(diǎn)1.1原理 激光加工是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和

2、沖擊波的綜合作用過程。它利用激光高強(qiáng)度、高亮度、方向性好、單向性好的特性，通過一系列的光學(xué)系統(tǒng)，聚焦成平行度很高的微細(xì)加工束（直徑僅為幾微米至幾十微米）以獲得極高的能量密度（）照射到材料上，并在極短的時(shí)間內(nèi)（千分之幾秒，甚至更短）使光能轉(zhuǎn)化為熱能，被照部位迅速升溫，材料發(fā)生熔化、汽化、金相組織變化以及產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，達(dá)到加熱和去除材料的目的。激光加工時(shí)，為了達(dá)到各種加工要求，激光束與工件表面需要做相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)光斑尺寸、功率以及能量要求可調(diào)。1.2分類 按光與物質(zhì)相互作用機(jī)理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。 激光熱加工系指激光束作用于物體所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過

3、程，也成為熱加工；激光光化學(xué)反應(yīng)加工系指激光束作用于物體,借助高密度高能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程,也稱為冷加工。熱加工和冷加工均可對金屬材料和非金屬材料進(jìn)行切割、打孔、刻槽、標(biāo)記等。熱加工對金屬材料進(jìn)行焊接、表面強(qiáng)化、切割均極有利;冷加工則對光化學(xué)沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化很合適。1.3激光加工特點(diǎn)1) 聚焦后，激光加工的功率特別高，光能轉(zhuǎn)化為熱能，可以熔化、汽化任何材料。例如耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆材料都可以加工2) 激光光斑大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調(diào)節(jié)，故可以用于精密微細(xì)加工。3) 激光加工所用工具是激光束，屬于非接觸加工，故沒有明顯的機(jī)械力，沒有工具損

4、耗問題。加工速度快，熱影響區(qū)小，容易實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化，還可以通過透明體進(jìn)行加工，例如對真空管內(nèi)部經(jīng)行焊接加工等。4) 與電子束加工相比較，激光加工裝置比較簡單，不要求復(fù)雜的抽真空裝置。5) 激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、氣化的熱加工，影響因素很多，因此，精微加工時(shí)，精度尤其是重復(fù)精度和表面粗糙度不易保證，必須進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，尋找合理的加工參數(shù)，才能達(dá)到加工要求，6) 由于光的反射作用，對于表面光澤或者透明的的材料，加工前需要進(jìn)行色化或打毛處理，使更多的光能被吸收后轉(zhuǎn)化為熱能用于加工。二 激光加工工藝及應(yīng)用(依據(jù)光與物質(zhì)相互作用機(jī)理)2.1 激光焊接激光焊接是把激光聚焦成很細(xì)的高能量密度光束照

5、射到工件上,使工件受熱熔化,然后冷卻得到焊縫。激光焊縫熔深大,速度快,效率高;激光焊縫窄,熱影響區(qū)很小,工件變形也很小,可實(shí)現(xiàn)精密焊接;激光焊縫結(jié)構(gòu)均勻,晶粒很小,氣孔少,夾雜缺陷少,在機(jī)械性能,抗蝕性能和電磁學(xué)性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng),能純凈焊縫金屬,適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高,對高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。目前,汽車行業(yè)將不同材質(zhì)的薄鋼板實(shí)施激光拼接焊后沖壓成型。2.2 激光切割 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑,將材料快速加熱至汽化溫度,蒸發(fā)形成小孔洞,并使光束與材料相對移動(dòng),實(shí)現(xiàn)連續(xù)孔洞的窄切縫

6、。其根據(jù)發(fā)出光束的頻率可分為，脈沖激光和連續(xù)激光。脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光（大功率連續(xù)輸出的激光器）適用于非金屬材料,連續(xù)激光由于輸出的激光束因熱傳導(dǎo)而使切割效率降低，同時(shí)熱影響層也比較深，在精密機(jī)械加工中一般多采用高重復(fù)頻率的脈沖激光器。同時(shí)激光器與計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)設(shè)備結(jié)合,激光束具有無限的仿形切割能力,切割軌跡修改方便;通過預(yù)先在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì),進(jìn)行眾多復(fù)雜零件整張板排料,可實(shí)現(xiàn)多零件同時(shí)切割,節(jié)省材料。2.3 激光表面強(qiáng)化激光表面熱處理技術(shù)包括激光相變硬化技術(shù)、激光涂覆技術(shù)、激光合金化技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)等,這些技術(shù)對改變材料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。1 激光相變

7、硬化(即激光淬火)是激光熱處理中研究最早、最多、進(jìn)展最快、應(yīng)用最廣的一種新工藝,適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。2 激光合金化和激光涂敷：激光合金化和激光涂夜是利用高功率激光束快速掃描金屬工件表面，使一種或多種合金元素與工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化層。3 激光沖擊強(qiáng)化：激光沖擊強(qiáng)化使用脈沖寬度極短激光照射材料表面，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波，使得金屬材料的機(jī)械性能改善，阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鋼、鋁、欽等合金的強(qiáng)度和硬度，改善其抗疲勞性能。通過激光強(qiáng)化可以消除應(yīng)力、改善微觀結(jié)提高工件表面的耐磨性、耐蝕性、耐高溫從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，成倍地延

8、長產(chǎn)構(gòu)性品使用壽命和降低成本。2.4 激光打標(biāo)刻蝕激光標(biāo)記是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種技術(shù)。 激光標(biāo)記有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能標(biāo)記各種字符、圖案、數(shù)字以及條形碼，標(biāo)記線寬可小于0.01mm，可深可淺，對很小零件也可打標(biāo)，這是其他標(biāo)記方法不能實(shí)現(xiàn)的。2.5 激光快速成型 激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的零件的CAD模型立體圖形，直接制造出模型，它制造模型的辦法是在一層接一層的基礎(chǔ)上不斷添加材料。三 激光加工應(yīng)用例析3.1 激光焊接技術(shù)圖1 激光焊接示意圖圖2 激光一

9、電弧復(fù)合焊接示意圖圖3 汽車駕駛室的激光焊接3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面的激光加工和強(qiáng)化原理 發(fā)動(dòng)機(jī)中,缸套/活塞環(huán)摩擦副性能的優(yōu)劣對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能(動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等)有著舉足輕重的影響。缸套表面加工的最后工序是珩磨，珩磨頭上的砂條在缸套中來回往復(fù)地旋轉(zhuǎn)，使得缸套表面上的磨粒切削軌跡呈交叉而不重復(fù)的網(wǎng)紋，缸套表面形貌中的這種低頻波紋度，對實(shí)際使用時(shí)形成貯油結(jié)構(gòu)和油契起著關(guān)鍵作用，對減少磨損延長運(yùn)行壽命也是非常重要的。3.2.1 激光表面加工激光加工有兩種方式,即:連續(xù)和脈沖加工方式。一般情況下,采用脈沖加工方式。脈沖加工方式又有“單脈沖連續(xù)多次”和“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”兩種形式。所謂“單脈

10、沖連續(xù)多次”,是脈沖激光在同一個(gè)點(diǎn)處連續(xù)重復(fù)打多個(gè)脈沖。由于連續(xù)作用時(shí)間較長,熱影響的負(fù)面效應(yīng)比較嚴(yán)重,加工面的質(zhì)量較差。而“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”,就是工件上同一個(gè)點(diǎn)處所打的多個(gè)激光脈沖,是通過多次反復(fù)間隔打出,形成微凹腔和微凹槽。這種加工方式可以最大程度地減小熱影響,顯著提高激光加工質(zhì)量。而且,“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的控制加工方式,并不降低其加工效率。其原理圖如下圖所示 圖 “單脈沖同點(diǎn)間隔多次”加工原理圖 “單脈沖同點(diǎn)間隔多次”加工方式微凹槽的三維形貌圖實(shí)際加工缸套和其表面凹槽的深度測量圖脈沖寬度隨著重復(fù)頻率的增大而增大,脈沖寬度的增大會(huì)使激光與材料的作用時(shí)間延長，更多熱量擴(kuò)散熔化更多的金

11、屬材料，最終使加工質(zhì)量變差；由于采用了“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的新方法，最大程度地減少了熱效應(yīng)對金屬材料加工的影響,所以在控制條件允許的范圍內(nèi)，掃描速度對加工結(jié)果幾乎沒有影響;采用垂直吹輔助氣體的方式，使用輔助氣體時(shí)可以提高形貌底部的光潔程度，但同時(shí)也會(huì)有少量殘?jiān)鼮R到邊緣。通過進(jìn)一步的分析我們可以得知,這些殘?jiān)c熔渣不同,與基體的黏附力不大,容易去除。3.2.2 表面強(qiáng)化首先，激光輻射作用可在材料表面造成若干淬火區(qū)(白色層)，這種白色層不易被一般腐蝕劑侵蝕，表面硬度也比原始組織高得多，亞組織晶粒超細(xì)，而且含有耐高溫相。其次，對X光照片的研究也表明，激光輻射作用區(qū)的亞組織晶粒是非常細(xì)微的,位錯(cuò)密度

12、高，相互之間作用力強(qiáng)。用電子顯微鏡觀察激光作用區(qū)的位錯(cuò)組織,隨著輻射功率密度的增加，平均位錯(cuò)密度也在增加，而且還會(huì)形成位錯(cuò)網(wǎng)狀組織，更加增加相互作用。3.3 激光加工陶瓷孔雀藍(lán)釉彩該加工工藝使用的是激光涂敷方法，它利用激光高能量光束輻照待改性的基材表面，通過迅速融溶材料、擴(kuò)展并迅速凝固的方式，在待改性的基材表面溶覆具有特殊力學(xué)、化學(xué)和物理性能的溶覆層，這個(gè)溶覆層具有基材沒有的特性，可以彌補(bǔ)基材需要的特殊性能。傳統(tǒng)的陶瓷釉彩裝飾方法，是在陶瓷還體表面噴涂、涂敷或者在釉衆(zhòng)中浸泡陶瓷還體等上釉方式將不同顏色、性能的釉裝均勻的鋪覆在胚體表面，待干燥后放入密爐中高溫?zé)Y(jié)。它的燒結(jié)周期長，能源利用率低，耗

13、能高。激光與陶瓷材料的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過程，宏觀方面看，就是激光束照射陶瓷表面，光熱能轉(zhuǎn)化，使陶瓷表面迅速加熱到高溫，表面溶融并被基材稀釋，形成具有特定性能的溶覆層。 從圖中可以看出，小功率、低速度輻照的每面境實(shí)比大功率、高速度福照的釉面平滑度高。當(dāng)激光能量足以熔融釉粉且使釉粉與坯體完全溶融反應(yīng)時(shí)，激光功率越小，得到的釉面質(zhì)量越好。從幾個(gè)圖中還可以發(fā)現(xiàn)，激光轄照過的耗面都有微裂紋，這些微裂紋用肉眼直接看不到，但是會(huì)影響軸面的質(zhì)量，這些微裂紋的產(chǎn)生是釉層與基體的溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成的。4 激光技術(shù)在軍事中的應(yīng)用展望4.1 天基激光武器概述天基激光武器是以太空為基礎(chǔ)的尖端激光武器，通過激光

14、武器對空內(nèi)的有效載荷形成威脅和殺傷，被稱為“殺手”衛(wèi)星，也稱為激光作戰(zhàn)衛(wèi)星或天基激光武器系統(tǒng)。天基激光武器所在的衛(wèi)星軌道高，覆蓋地面范圍大，可以把地球作為攻擊目標(biāo)。4.2關(guān)鍵技術(shù)對于具有大口徑主鏡的發(fā)光裝置，即大型的激光裝置如何送入預(yù)定軌道，解決的主要辦法是研制能夠放到運(yùn)載火箭的貨艙內(nèi)可折疊式主鏡，在太空激光武器進(jìn)入預(yù)定軌道后可折疊式主鏡能夠自動(dòng)打開。在太空向軌道上的太空激光武器補(bǔ)充化學(xué)介質(zhì)是個(gè)關(guān)鍵問題，由于將來激光武器都是大功率的，主要使用的都是化學(xué)激光武器，所以沒有介質(zhì)就不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也就不能產(chǎn)生激光。 總結(jié)本文通過對激光技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用例析，簡要介紹了激光技術(shù)在生產(chǎn)生活乃至軍事方面的應(yīng)用，說明合理運(yùn)用激光技術(shù)對我們的綜合國力提高具有極其重要的作用。作為工科機(jī)械制造的大學(xué)生，在這個(gè)基礎(chǔ)上，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，激光的應(yīng)用具有極其重要的意義，同時(shí)，更應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，激光設(shè)備具有更加重大的作用。所以我們要更加努力，深入的了解學(xué)習(xí)掌握激光技術(shù)，學(xué)以致用，將