工程材料的激光加工

1、工程材料的激光加工材料學院材料成霰控制工程系2009秋冬學期主要內(nèi)容一、激光加工技術簡介及發(fā)展惰況二、實驗目的和要求三、實驗原理五、實驗內(nèi)容與步驟六、實驗注意事項七、實驗報告要求激光加工技術簡介及發(fā)展情況1、激光技術發(fā)展簡史 96Q年： 1961年： 962年： 1964年： 1965年：1971年：梅曼(T.MAIMAN)第一臺紅寶石激光器; 德諾凡(俄)第一臺氣體激光器(H&N); 第一臺半導體激光器；帕特爾(C.Patel)第一臺CQ2激光器； 貝爾實驗室第一臺YAG激光器；第一臺商用1kW的CQ?激光器；1971798Q年：開展激光切割、焊接、表面處理等激光加工 技術的研究與開發(fā)。20

2、20/4/29工程材料的激光加工2工業(yè)激光器的市場分布激光器制造商:PRC德國:PRAMAHAASTRUMPF23%51%Units日本:中國:ROF 叫SINAR USA hropa28%RevenueLUMONICS川崎重工東芝總漢華工激光、武漢金石凱、沈陽大陸.武漢團結(jié)3、激光加工特點(1)激光加工不需要工具，無工具損耗.更換等問題 工件無受力變形，易保證加工精度 幾乎能加工所有的金屬和非金屬材料(4)加工速度快，效率高”熱影響區(qū)小(5)能進行精細加工(6)能夠透過惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)等進行加工9%14%打標24%WJ24%堀妾14%激光加工技術應用各種加工方法的應用比例其它轍J 3

3、%12%激光加工技術在汽車中的應用安全氣袋傳感器 的焊接：0.5 lkW Nd:YAG 激 光器，低熱輸入安全氣袋的切 割：1 2kW C02 激光器，高質(zhì) 境，高生產(chǎn)率內(nèi)部設備和內(nèi)頂?shù)那懈?和打標：150W Nd:YAG激 光器，1001500W CO2 激光器，更大的靈活 性，更容易實現(xiàn)自動化頂縫焊接：26kW CO?激光 器，更高的剛度車閘和保險桿的焊接：26由CO?激光器，生 產(chǎn)率髙自鎖系統(tǒng)的焊接：500WNd:YAG激光器，質(zhì)量好排氣管的切割和焊 接:300W Nd: YAG激 光器，26kW CO?激 光器，管的腐蝕性 低.可鍛性好離合器的焊接： lkW Nd:YAG激光 器，2

4、6kW CO? 激光器，質(zhì)1：好起的煒接：26kW CO?激光 器，質(zhì)量好，生 產(chǎn)率高底部的切割和焊 接：16kW CO.,激 光器，高質(zhì)量標識符號碼的打標: 150W Nd: YAG激光 器，100W CO?激光 器，安全的永久標志齒輪的焊接：26kWCO?激光器，質(zhì)量好， 生產(chǎn)率高車門的焊接和車門加 強件的切割：17 6kW CO?激光器，高 剛度a底板拼焊：2 6kW C02激 光器，低重 量,高剛度車體的切割:1.5 2kW CO?激光器，300 500W Nd:YAG激光 器,生產(chǎn)靈活性髙返回二、實驗目的和要求K 了解工程材料激光加工的基本原理和工藝過程; 2. 了解激光加工設備的基

5、本組成;3、通過具體的板料激光加工（切割、焊接等），使 學生了解基本概念，工藝特點，以及在工業(yè)生產(chǎn)中的 具體應用。Bi三、實驗原理激光加工是一種利用光能進行加工的方法。激光是一種能量密度高、方向性強、單色性好的相干光。通過光學系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，焦點處的f密度nTifc10M011W/cm2,溫度可高達1萬從而使任何材料均在瞬時（V107s） 被急劇熔化乃至汽化。在不同的功率密度等條件下，材 料表面區(qū)域發(fā)生各種不同的變化。這種變化包括溫度升 高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金屬在保護氣體 作用下結(jié)晶凝固形成焊縫；汽化后的金屬蒸氣在輔助氣 體的吹力作用下而離開被加工

6、表面形成割縫或孔洞。如 果加工過程中加入一定的粉末材料，使其和被加工工件if表面部分材料熔合在一起，就可以得到高性能的熔覆層。激光切割激光焊接激光表面處理 激光雕刻激光打孔激光快速成型E3各種加工方法的適用范圍工程材料的激光加工(1) 激光焊接激光束焊接是以聚集的激光束作為能源的特 種熔化焊接方法。激光束經(jīng)聚焦后，能量更為集中，能量密度 TO10M0Wcm2e如將焦點調(diào)節(jié)到焊件結(jié) 合處，光能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔 化，冷卻凝固后成為焊縫。熱導焊接深熔焊接熱導焊焊縫深熔焊焊縫金屬材料的激光焊接AlAgAuCuPdNiPtFeBeTiCrMoTeWAIAg0Au0Cu00PdNiOPtOFe

7、OoBeooooOTi00000000Cr0Mo0TeooWoooO=非常好二好O 二足夠好系統(tǒng)：C軸同定CNC數(shù)扣機冰激比器:DC020 （射頻激妙擴故冷卻COy激光器）金剛右眾條i.FlM激兒視DC020 （射頻激勵擴族冶卻（0激光器）材軋 CSt滋光功率：2000W焦趾 150m熔汰：.5（00焊接J5度:35“in系統(tǒng)：三紬CW數(shù)控機床優(yōu)點：低熱彫響區(qū)低運行成本 來!的激囉加工2020/4/29J : 料朮深:St+Co-ha徑20000W 焦跖:2qhi 焊接速度:優(yōu)點：燒納金屬的炸接-低熱影響區(qū)-低運行成木-可刪高-焊縫密封性U toffiiUc1501UU2m/min灰輪部件械鳶

8、部件激克器：DC020（射頻澈勵擴放冷卻C（M&克器）材樸 激光功率; 熔深:C15/C221300*焦護；15皿忡接連度：150min 5 5n/iuin系統(tǒng)：二軸CNC數(shù)控機床優(yōu)點：低熱影響區(qū) 低運行成木 可靠性髙-熔深大-吋達性好15首飾焊接樣品手機殼體焊接(2) 激光切割激光切割是利用聚焦以后的高功率密度(10M07W/cm2)激光束連續(xù)照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學反應熱 能均被材料吸收，引起照射點材料溫度急劇上升,到達沸點后材料開始汽化，并形成孔洞，且光束 與工件相對移動，使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。氧等活性氣體代替熔化切割的易受熱破壞

9、的脆性材料汽化切割：工件加熱到沸點以上溫度熔化切割：工件加熱到熔點溫度以上氧助熔化切割: 惰性氣體控制斷裂切割輪廓切割激光器:DCO25 （射頻激勵擴散冷卻激光器）材料： 不銹鋼激光功率：2500w焦距：190min材料厚度：6mm 切割速度：1. 4m/min系統(tǒng)：雙軸CNC數(shù)控機床優(yōu)點 -低熱影響區(qū) -運行成本低 -可靠性高 -切割質(zhì)量高輪廓切割激光器:DC020（射頻激勵擴散冷卻他激光器）材料： StW22激光功率:llOOw焦距：127mm材料厚度 4nun 切割速度：4. 5m/min系統(tǒng)：三軸CNC數(shù)控機床優(yōu)點:-低熱影響區(qū) -運行儀本低 -可靠性高 -切割質(zhì)量高3砌割激光器:RS

10、Y150P （燈訥Nd: YAG激光器）輪廓切割激光肌00）15（射頻激助擴散冷卻C激光器材料:石英肢璃淤光功來：SOOv feJlh 150mm mW度$ 4im 切割速度：0. Wmiii材料:石墨激比功率：150w焦*山80ium材料好丿如0. 2rmn 切割速皮：0. 26（a/min粟統(tǒng):軸CNC數(shù)控機床木板切割徼比色 DC020（射荻滋勵擴徹冷卻CO/激光於材料： 木材激光功冷：500焦業(yè)：150UU材料卑貞：12nm切劉速度：2. 5m/min系統(tǒng)：戲牠CXC數(shù)控機床優(yōu)血：-低熱影響區(qū) 運行成本低 -切冊質(zhì)就荷 -容并?。?）激光表面處理當激光能量密度在訶10W/cm2左右時，對

11、工件表面進行掃描，在極短的時間內(nèi)加熱到相變溫度（由 掃描速度決定時間長短），工件表層由于熱量迅速 向內(nèi)傳導快速冷卻，實現(xiàn)了工件表層材料的相變硬 化（激光淬火）。激光熔覆利用大功率高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將被加工件表面微熔.同時使零件表面預置或與激光束同步自動送置的合金粉末完全熔化。激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，恢復幾何尺寸和表面強化等特點。齒輪損傷狀態(tài)修復后齒輪局部軸修復前狀態(tài)激光熔覆過程中激光表面合金化、激光沖擊硬化、激光上釉(4) 激光打孔、打標激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模等非金屬材料和硬質(zhì)合金

12、、不銹鋼等金屬材料的細微孔的加工。IzJ激光打標是利用高能量密度的激光對工件進 行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。:迂W o：0203stainless q123卩l(xiāng)點咖1W制專y123：557材料:不銹鋼材料：壓鑄鋁5（刪砧鈿榊備|圳訓Y氣CJ semensJK B12345ABC 1 0158-7o L | 1 0S/96GERMANY材料:塑料復合材料材料：彩色塑料飲料蓋手表牛仔衣紐扣木梳水晶內(nèi)雕工程材料的激光加工返回激光器是激光加工設備的核心，它能把電能轉(zhuǎn)換成激=J光束輸出。激光器的組成：泵浦源、激活介質(zhì)、光學諧振腔激光活性介質(zhì)激光器

13、有固體、氣體和半導體三大類。 CO?氣體激光器橫流式 軸流式 擴散冷卻 Nd:YAG固體激光器燈泵浦二極管泵浦半導體激光器1激光束2切向排風機3氣流方向4. 熱交換器5. 后鏡6.折疊鏡7.高頻電極8 輸出鏡9 輸出窗口橫流CC2激光器系統(tǒng)細4/%7丄棣材料的61. 激光束2. 光束修整單元3輸出鏡4. 冷卻水出口5. 射頻激勵6. 冷卻水入口7. 后鏡8. 射頻激勵放電9. 波導電極板條式擴散冷卻CO?激光器系統(tǒng)2020/4/29工程材料的激光加工2.5kW板條式CO?激癖激光器類型： 輸出功率等fib 脈沖能力： 光束模式：橫流3M5kWDCTEM02以上光束傳播系數(shù)(K) 045氣體消耗

14、:電光轉(zhuǎn)換效率,15%焊接效果：較好切割效果：差相變硬化：好表面涂層:表面熔覆：好ser軸流擴散冷卻1420kWDC-lkHzDC-5kHzTEMOQ-TEMO1TEM00-TEM01040,8大極小15%30%好 好 一般 一般 一般優(yōu)良 優(yōu)良 一般 一般 一般7491 活性介質(zhì)（晶體棒） 2輸出鏡3. 后鏡4. 泵浦燈5. 泵浦光6. 冷卻水7. 反射鏡8. 受激發(fā)射9. 激光束燈泵浦Nd:YAG激光器冷卻供電二極管陣列Nd: YAG晶體后鏡二極管陣列輸出鏡二極管泵浦YAG激光器激光加工系統(tǒng)的構成光束傳輸及聚焦CNC控希!|工作臺051205 12 2005五、實驗內(nèi)容與步驟1、了解激光加工的基本原理并熟悉激光加工設備的基本結(jié)構及其基本操作;2、材料準備;3、激光加工實驗;由于時間的限制，每次結(jié)合實驗室的其它任務選擇焊接、切割或熔覆中的一種工藝進行實驗演示。4、檢查加工件質(zhì)量并進行問題分析。六、實驗注意事項(1) 未經(jīng)指導老師許可，嚴禁開動接通設備電源，觸動控制(2) 操作人員須戴防護眼鏡，嚴禁眼睛對激光口觀看，以免傷害眼睛;(3) 激光器內(nèi)有高壓，維護操作時須小心謹慎，勿觸