《特種加工》課件-第5章

第5章激光加工5.1激光加工的原理及特點5.2激光加工的設備5.3激光加工的應用 5.1激光加工的原理及特點

5.1.1激光加工的原理

激光技術是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新興學科。所謂激光，是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小，且單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的（微米甚至亞微米）小斑點上，加上它本身強度高，因此可以使其焦點處的功率密度達到107～1011W/cm2，溫度可達10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強的沖擊。

激光加工（LaserBeamMachining，LBM）就是利用激光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，從而產(chǎn)生光熱效應來加工各種材料的。激光加工過程是工件在光熱效應下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程，如圖5－1所示。圖5－1激光加工示意圖

由于激光加工不需要加工工具，而且加工速度快，表面變形小，因此可以加工各種材料（如對各種硬、脆、軟、韌、難熔的金屬和非金屬進行切割和微小孔加工），已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中愈來愈多地顯示出了它的優(yōu)越性，所以很受人們的重視。激光加工不僅可以用于打孔、切割，而且可用于電子器件的微調、焊接、熱處理以及激光存儲等各個方面。5.1.2激光加工的特點

激光加工具有如下特點：

（1）激光經(jīng)過聚焦后，功率密度高達107～1011W/cm2，光能轉化為熱能后，幾乎可以加工任何材料，如高硬材料、耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等硬脆材料和工程塑料等非金屬材料。

（2）激光光斑大小可以聚焦到微米級，輸出功率可以調節(jié)，因此可以用于精密微細加工。

（3）激光加工所用工具是激光束，是非接觸加工，所以沒有明顯的機械力，沒有工具損耗問題；加工速度快、熱影響區(qū)小，容易實現(xiàn)加工過程自動化。激光加工還能通過透明體進行，如對真空管內部進行焊接加工等。（4）和電子束加工等比較起來，激光加工裝置比較簡單，不要求復雜的抽真空裝置。

（5）激光加工是一種瞬時、局部熔化、汽化的熱加工，影響因素很多，因此，精微加工時，精度，尤其是重復精度和表面粗糙度不易保證，必須進行反復試驗，尋找合理的參數(shù)，才能達到一定的加工要求。由于光的反射作用，對于表面光澤或透明材料的加工，必須預先進行色化或打毛處理，使更多的光能被吸收后轉化為熱能，從而用于加工。

（6）加工速度快、效率高。一般激光打孔只需0.01s；激光切割可比常規(guī)方法提高效率8～20倍；激光焊接可提高效率約30倍；激光微調薄膜電阻可提高工效1000倍，提高精度1～2個數(shù)量級。（7）通過選擇適當?shù)募庸l件，可用同一臺裝置對工件進行切割、打孔、焊接和表面處理等多種加工，節(jié)省了工時，降低了成本。

（8）節(jié)能和節(jié)省材料。激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的10～1000倍，激光切割可節(jié)省材料15%～30%。

（9）加工中會產(chǎn)生金屬氣體及火星等飛濺物，要注意通風抽走，操作者應穿戴防護服、防護眼鏡等。 5.2激光加工的設備

激光加工的基本設備包括激光器、電源、光學系統(tǒng)及機械系統(tǒng)等四大部分。圖5－2所示為激光加工裝置結構方框圖。圖5－2激光加工裝置結構方框圖

1．激光器

激光器是激光加工的重要設備，它把電能轉變成光能，產(chǎn)生激光束。

激光器按工作物質的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器四大類。表5－1列出了激光加工中常用激光器的主要性能特點。表5－1常用激光器的性能、特點及用途

由于He－Ne(氨－氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機械制造的精密測量中被廣泛采用。在激光加工中要求輸出功率與能量大，因而目前多采用二氧化碳氣體激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石激光器)等固體激光器。

2．激光器電源

激光器電源為激光器提供所需要的能量及控制功能。

3．光學系統(tǒng)

光學系統(tǒng)包括激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系統(tǒng)，前者用于激光束聚焦，后者能觀察和調整激光束的焦點位置，并將加工位置在投影儀上顯示。

4．機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)主要包括床身、能在三坐標范圍內移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。目前，許多激光加工機已采用計算機來控制工作臺的移動，實現(xiàn)激光加工的數(shù)控操作。

激光加工機的種類也越來越多，完善程度不同，結構形式也不單一。圖5－3所示為某固體激光加工機的外形示意圖。圖5－3激光打孔機

5.3激光加工的應用

5.3.1常用的激光加工工藝

1．激光打孔

隨著近代工業(yè)技術的發(fā)展，硬度大、熔點高的材料的應用越來越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔。例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機中的燃料噴嘴等。對于這類加工任務，常規(guī)的機械加工方法實現(xiàn)很困難，有的甚至是不可能實現(xiàn)的，而用激光打孔則能比較好地完成任務。激光打孔可分為五個階段：表面加熱、表面熔化、汽化、氣態(tài)物質噴射和液態(tài)物質噴射，如圖5－4所示。圖5－4激光打孔過程示意圖(a)表面加熱；(b)表面熔化；(c)汽化；(d)氣態(tài)物質噴射；(e)液態(tài)物質噴射

激光打孔的特點是速度快、效率高，現(xiàn)在最快每秒可以打孔100個；打孔的孔徑可以從幾微米到任意孔徑；可以實現(xiàn)在任何材料上打孔，如寶石、金剛石、陶瓷、金屬、半導體、聚合物和紙等；不需要工具，也就不存在工具磨損和更換工具問題，因此特別適合自動化打孔。另外，激光還可以打斜孔，如航空發(fā)動機上大量的斜孔加工。與其他高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能夠在大氣中進行打孔。

2．激光切割

激光切割(如圖5－5所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動。在實際加工中，采用工作臺數(shù)控技術可以實現(xiàn)激光數(shù)控切割。圖5－5

CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細切割，也可采用YAG激光器。

激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對被切割材料不產(chǎn)生機械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，因此在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。

激光切割過程中，影響激光切割的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。圖5－6振鏡式激光打標原理圖

3．激光打標

激光打標是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標志。圖5－6所示為激光打標原理圖。

激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產(chǎn)生內應力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標刻速度快，運行成本低，無污染，可顯著提高被標刻產(chǎn)品的檔次。

激光打標廣泛應用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通信器材、計算機外圍設備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。

4．激光焊接

當激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時間約為1/100s時，可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖5－7所示。圖5－7激光焊接過程示意圖圖5－8激光表面強化處理應用實例

（a）圓錐表面；（b）鑄鐵凸輪軸表面

5．激光表面處理

當激光的功率密度約為103～105W/cm2時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層深度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強化問題。圖5－8所示為激光表面淬火處理應用實例。5.3.2激光加工應用實例

在實際工業(yè)應用中，目前激光已廣泛應用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃內雕、激光微調、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修