激光原理及應用陳家璧第二實用教案

1、7.1 7.1 激光激光(jgung)(jgung)熱加工原理熱加工原理(2) 材料(cilio)的加熱 為了得到加熱階段的溫度分布，必須求解熱傳導微分方程(wi fn fn chn)。對于各向同性的均勻材料，激光加熱的熱傳導偏微分方程(wi fn fn chn)的一般形式為 tzyxQzTzyTyxTxtTctttl,如果光功率的損耗全部變成熱量，則有 tzyxqtzyxQ,從理論上講，根據加工時的各工藝參數以及初始條件，可以解出加工過程中激光照射區(qū)的溫度場分布。但實際加工時，各方面的因素使熱傳導方程的求解十分困難 簡化：如果半無限大（即物體厚度無限大）物體表面受到均勻的激光垂直照射加熱，被

2、材料表面吸收的光功率密度不隨時間改變，而且光照時間足夠長，以至被吸收的能量、所產生的溫度、導熱和熱輻射之間達到動平衡，此時圓形激光光斑中心的溫度可以由下式確定 trAPT0, 0第1頁/共25頁第一頁，共26頁。7.1 7.1 激光激光(jgung)(jgung)熱加工原理熱加工原理(2) 材料(cilio)的加熱 如果光照時間為有限長(s)，考察點離開表面的距離(cm)也不為零，此時圓形激光光斑(gungbn)中心軸線上考察點的溫度為 ktrzierfcktzierfcktrAPtzTt222,20220進一步假設照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半徑為，則激光光斑的功率密度可用離

3、開中心的距離表示為 220exprSSrqrq持續(xù)加熱得到的光斑中心的溫度最大值為 trSAqT2302, 0 , 0(2) 材料的熔化與汽化 激光功率密度過高，材料在表面汽化，不在深層熔化；激光功率密度過低，則能量會擴散到較大的體積內，使焦點處熔化的深度很小第2頁/共25頁第二頁，共26頁。7.1 7.1 激光激光(jgung)(jgung)熱加工原理熱加工原理(4) 激光等離子體(dnglzt)屏蔽現(xiàn)象 如圖7-2所示，為等離子云變化(binhu)的過程激光作用于靶表面，引發(fā)蒸汽，蒸汽繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶表面產生高溫高密度的等離子體。等離子體迅速向外膨脹，在此過程中繼續(xù)吸

4、收入射激光，阻止激光到達靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。圖7-2 等離子云變化的過程第3頁/共25頁第三頁，共26頁。1.激光淬火技術，又稱激光相變硬化，它利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升到相變點以上。當激光移開后，由于仍處于低溫的內層材料的快速導熱作用，使表層(biocng)快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。 7.2.1 7.2.1 激光激光(jgung)(jgung)淬火技術的原理與應用淬火技術的原理與應用2.圖7-3 為一臺柔性激光加工系統(tǒng)(xtng)的示意圖。它通過五維運動的工作頭把激光照射到被加工的表面，在計算機控制下直接掃描被加工表面完成激光淬火圖7-3

5、柔性激光加工系統(tǒng)示意圖3. 激光淬火可以使工件表層0.1到1.0mm范圍內的組織結構和性能發(fā)生明顯變化。圖7-4所示為45鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖圖7-4 鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖第4頁/共25頁第四頁，共26頁。4.圖7-5所示為該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向(fngxing)的分布曲線7.2.1 7.2.1 激光淬火技術的原理激光淬火技術的原理(yunl)(yunl)與應用與應用圖7-5該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向(fngxing)的分布曲線圖5.依據激光器的特點不同，激光淬火可分為CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但兩者中影響淬硬性能的主要基本相同1) 材料成分：是通過材料的

6、淬硬性和淬透性來影響激光淬硬層深度與硬度的。一般說來，隨著鋼中含碳量的增加，淬火后馬氏體的含量也增加，激光淬硬層的顯微硬度也就越高，如圖7-6所示。 圖7-6 基材含碳量與激光淬火層顯微硬度的關系第5頁/共25頁第五頁，共26頁。7.2.1 7.2.1 激光激光(jgung)(jgung)淬火技術的原理與應用淬火技術的原理與應用5.依據激光(jgung)器的特點不同，激光(jgung)淬火可分為CO2激光(jgung)淬火和因素YAG激光(jgung)淬火。但兩者中影響淬硬性能的主要基本相同2) 激光工藝參數：激光淬火層的寬度主要決定于光斑直徑(zhjng)；淬硬層深度由激光功率、光斑直徑(z

7、hjng)和掃描速度共同決定；描述激光淬火的另一個重要工藝參數為功率密度，即單位面積注入工件表面的激光功率。為了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104Wcm2，一般為1000-6000Wcm2。 3)表面預處理狀態(tài)：一是表面組織淮備，即通過調質處理等手段使鋼鐵材料表面具有較細的表面組織，以便保證激光淬火時組織與性能的均勻、穩(wěn)定。如圖7-7為原始組織及掃描速度對激光淬硬層深度的影響；二是表面“黑化”處理，以便提高鋼鐵表面對激光束的吸收率。 圖7-7 原始組織及掃描速度對激光淬硬層深度的影響第6頁/共25頁第六頁，共26頁。7.2.2 7.2.2 激光激光(jgung)(jgung)表

8、面熔凝技術表面熔凝技術1.用激光束將表面熔化而不加任何合金元素(yun s)，以達到表面組織改善的目的。與激光淬火工藝相比，激光熔凝處理的關鍵是使材料表面經歷了一個快速熔化一凝固過程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材，如圖7-9所示。 圖7-9 激光(jgung)熔凝處理后橫截面組織示意圖2.圖7-10給出了激光熔凝處理后，T10鋼表面顯微硬度沿深度方向的分布。 圖7-10 T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布第7頁/共25頁第七頁，共26頁。7.2.3 7.2.3 激光激光(jgung)(jgung)熔覆技術熔覆技術1.激

9、光熔覆(Laser Cladding)技術(jsh)亦稱激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一種新的表面改性技術(jsh)。它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層，以改善其表面性能的工藝。 2.激光(jgung)熔覆技術具有如下優(yōu)點圖7-11 同步送料法激光熔覆示意圖3.激光熔覆工藝依據材料的添加方式不同，分為預置涂層法和同步送料法。 4.同步送料法指在激光束照射基材的同時，將待熔覆的材料送入激光熔池，經熔融、冷凝后形成熔覆層的工藝過程。激光熔覆材料包括金屬、陶瓷或者金屬陶瓷，材料的形式可以是粉末、絲材或者板材，工

10、藝過程如圖7-11所示。 。 第8頁/共25頁第八頁，共26頁。7.2.3 7.2.3 激光激光(jgung)(jgung)熔覆技術熔覆技術5.評價激光熔覆層質量(zhling)的主要指標為：熔覆層厚度、寬度、形狀系數(寬度厚度)、稀釋率、硬度及其沿深度分布、基板的熱影響區(qū)深度及變形程度等。典型熔覆層的截面示意圖見圖7-12 圖7-12 熔覆層的截面(jimin)示意圖6.激光熔覆層的寬度主要決定于光斑直徑；而激光熔覆層的厚度與送粉量、掃描速度、功率密度等參數密切相關。 7.常用激光熔覆材料包括鎳基、鐵基、鉆基、銅基自熔合金、以及上述合金與碳化物(WC、TiC、SiC等)，顆粒組成的金屬陶瓷復

11、合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括鋼鐵、鋁合金、銅合金、鎳合金和鈦合金等。 第9頁/共25頁第九頁，共26頁。1.激光打孔原理：激光打孔機的基本結構包括激光器、加工(ji gng)頭、冷卻系統(tǒng)、數控裝置和操作面盤（圖7-13）。加工(ji gng)頭將激光束聚焦在材料上需加工(ji gng)孔的位置，適當選擇各加工(ji gng)參數，激光器發(fā)出光脈沖就可以加工(ji gng)出需要的孔。 7.3.1 7.3.1 激光激光(jgung)(jgung)打孔打孔圖7-13 激光打孔機的基本(jbn)結構示意圖2.激光打孔時材料的去除主要與激光作用區(qū)內物質的破壞及破壞產物的運動

12、有關。嚴格分析激光打孔的成因需要解決激光打孔時產生的蒸氣和粘性液體沿孔壁流動的動力學問題，這里只根據一些實驗關系，建立一個唯象的描述對激光打孔的激光束幾何參數和總能量與孔的深度和孔徑之間的關系進行估算 第10頁/共25頁第十頁，共26頁。7.3.1 7.3.1 激光激光(jgung)(jgung)打孔打孔圖7-14 激光打孔幾何(j h)原理簡圖 2. 激光打孔的激光束幾何參數和總能量(nngling)與孔的深度和孔徑之間的關系進行估算。如圖7-14的激光打孔原理簡圖 如果在t時刻孔的底面半徑為r(t)，孔深為h(t)，則有 thtgrtr0考慮材料從孔底蒸發(fā)，而熔化的液體從孔壁流走，t時刻的

13、能量守衡方程為 drthtrLdhtrLdttPMB22當 時，可以近似解出用激光加工的總能量表示的孔深度和孔徑為 0)(rth31223MBLLtgEh3123MBLLEtghtgr第11頁/共25頁第十一頁，共26頁。7.3.1 7.3.1 激光激光(jgung)(jgung)打孔打孔圖7-14離焦量對打孔(d kn)質量的影響3. 激光(jgung)打孔工藝參數的影響 脈沖寬度對打孔的影響 ：脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄脈沖能夠得到較深而且較大的孔；寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小，而且使孔的表面粗糙度變大，尺寸精度下降。 激光打孔中離焦量對打孔的影響當激光聚焦于材料上表面時

14、，打出的孔比較深，錐度較小。在焦點處于表面下某一位置時相同條件下打出的孔最深；而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（圖7-15）。 第12頁/共25頁第十二頁，共26頁。7.3.1 7.3.1 激光激光(jgung)(jgung)打孔打孔3. 激光打孔工藝(gngy)參數的影響 被加工材料對打孔(d kn)的影響 脈沖激光的重復頻率對打孔的影響用調Q方法取得巨脈沖時，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復頻率越高，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。 材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同的吸收率，必須根據

15、所加工的材料性質選擇激光器。 4.應用實例：用激光加工系統(tǒng)打薄板篩孔 圖7-15 薄板打孔效果圖第13頁/共25頁第十三頁，共26頁。7.3.2 7.3.2 激光激光(jgung)(jgung)切割切割1. 激光切割(qig)的原理與特點 切割過程中激光光束聚焦成很小的光點（最小直徑可小于0.1mm）使焦點處達到很高功率密度（可超過106W/cm2）。如圖7-17所示為激光切割頭的結構(jigu)，除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。 2. 激光切割的特點圖7-15 激光切割頭的結構示意圖3. 激光切割分類及其機理 汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點，部分材料化作蒸汽逸去，部

16、分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為108/cm2左右，是無熔化材料的切割方式 熔化切割: 激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107/cm2左右 氧助熔化切割: 金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。 第14頁/共25頁第十四頁，共26頁。7.3.2 7.3.2 激光激光(jgung)(jgung)切割切割4. 激光切割(qig)的工藝參數及其規(guī)律 激光功率: 激光切割時所需功

17、率的大小(dxio)，是由材料性質和切割機理決定的。 切割速度: 在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表面粗糙度也有較大影響。 噴嘴：噴嘴是影響激光切割質量和效率的個重要部件。激光切割一般采用同軸(氣流與光軸同心)噴嘴，噴嘴出口直徑大小應依據板厚加以選擇。另外，噴嘴到工件表面的距離對切割質量也有較大影響，為了保證切割過程穩(wěn)定，這個距離必須保持不變。 氣體的壓力：在功率和切割材料板厚一定時，有一最佳切割氣體流量，這時切割速度最快。隨著激光功率的增加，切割氣體的最佳流量是增大的。 光束在質量、透鏡焦距和離焦量：激光器輸出光束的模式為基橫模時對激光切割最為有利。光斑大小與聚焦透鏡

18、的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較小光斑，但焦深很小。離焦量對切割速度和切割深度影響較大，切割過程中必須保持不變，一般離焦量選用負值，即焦點位置置于切割板面下面某一點。 第15頁/共25頁第十五頁，共26頁。7.3.2 7.3.2 激光激光(jgung)(jgung)切割切割5.工業(yè)材料(cilio)的激光切割 金屬材料的激光切割:二氧化碳激光器成功的用于許多金屬的切割實踐；利用氧助熔化切割方法切割碳鋼板的切縫可控制在滿意的寬度(kund)范圍內 ；大多數合金結構鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質量 ；鋁及鋁合金不能用氧助熔化切割而要熔化切割機制 ；飛機制造業(yè)常用的鈦及鈦

19、合金采用空氣作為輔助氣體比較穩(wěn)妥，可以確保切割質量；大多數鎳基合金也可實施氧助熔化切割；銅及銅合金反射率太高，基本上不能用10.6的二氧化碳激光進行切割。 非金屬材料的激光切割：塑料、橡膠、木材、紙制品、皮革、天然織物及其它有機材料都可以用激光進行切割，但是木材的厚度需有所限制。無機材料中石英和陶瓷可以用激光進行切割，后者宜用控制斷裂切割且不可使用高功率。玻璃和石頭一般不宜用激光切割。 第16頁/共25頁第十六頁，共26頁。1. 激光焊接是一種材料連接，主要(zhyo)是金屬材料之間連接的技術。它和傳統(tǒng)的焊接技術一樣，通過將材料連接區(qū)的部分熔化而將兩個零件或部件連接起來。 圖7-19 陰極芯的

20、激光(jgung)焊接設備原理圖 1:光束分束器；2:聚焦透鏡；3：陰極芯2.激光(jgung)焊接相對于傳統(tǒng)方式的優(yōu)點： 1）用激光很容易對一些普通焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料實施焊接。 2）在激光焊接過程中無機械接觸,易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形 3）激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。 3. 圖7-19所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設備原理 4. 激光焊接主要有熱導焊和深熔焊兩種。熱導焊采用的激光功率為105w/cm2 左右，是靠熱傳導進行焊接的，焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比最大為3：1。深熔焊采用的功率密度在106107

21、w/cm2 之間，焊縫的深寬比最大可達12：1 第17頁/共25頁第十七頁，共26頁。7.4.1 7.4.1 激光激光(jgung)(jgung)熱導焊熱導焊1. 激光(jgung)熱導焊熱導焊時，激光輻射能量作用于材料表面(biomin)，激光輻射能在表面(biomin)轉化為熱量。表面(biomin)熱量通過熱傳導向內部擴散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶池隨著激光束一道向前運動，溶池中的熔融金屬并不會向前運動。在激光束向前運動后，溶池中的熔融金屬隨之凝固，形成連接兩塊材料的焊縫。 2. 激光熱導焊的工藝及部分參數 激光熱導焊的連接形式：片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿

22、透熔化焊等 激光功率密度：如激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。圖720是熱導焊接不銹鋼時熔化深度、掃描速度與激光功率密度的關系 圖7-20 激光熱導焊焊接不銹鋼時功率與焊接速度、熔化深度的關系第18頁/共25頁第十八頁，共26頁。7.4.1 7.4.1 激光激光(jgung)(jgung)熱導焊熱導焊2. 激光熱導焊的工藝(gngy)及部分參數脈沖激光熱導焊的脈沖寬度：脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區(qū)的寬度等焊接的質量(zhling)要求。脈寬時間長，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之則小。因此，要根據激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當選擇脈沖寬度。 離焦量對焊接質量的影響：因

23、為焦點處激光光斑中心的光功率密度過高，激光熱導焊通常需要一定的離焦量，使得光功率分布相對均勻。離焦方式有兩種，焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。在實際應用中，要求熔深較大時采用負離焦，焊接薄材料時宜用正離焦。此外離焦量還直接影響到焊逢的寬度。 脈沖激光熱導焊的脈沖波形：激光熱導焊也可以用脈沖激光來完成，其脈沖波形對于焊接質量也有很大的影響。焊接銅、鋁、金、銀等高反射率的材料，為了突破高反射率的屏障，使金屬瞬間熔化把反射率降低下來，實現(xiàn)后續(xù)的熱導焊過程，需要脈沖帶有一個前置的尖峰。而對于鐵、鎳、鉬鈦等黑色金屬，表面反射率較低，應采用較為平坦或平頂的波形。第19頁/共25頁第十九頁，共26

24、頁。7.4.2 7.4.2 激光激光(jgung)(jgung)深熔焊深熔焊1. 激光(jgung)深熔焊的原理當激光功率密度達到106107Wcm2時，功率輸入遠大于熱傳導、對流及輻射散熱的速率，材料(cilio)表面發(fā)生汽化而形成匙孔，孔內金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。 2. 激光深熔焊工藝參數 臨界功率密度：深熔焊時，功率密度必須大于某一數值，才能引起小孔效應。這一數值，稱為臨界功率密度。不同材料具有不同的臨界功率密度的大小。因此決定了各種材料進行激光深熔焊的難易程度。 激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關，也是功

25、率和光斑直徑的函數。在一定的激光功率下，提高焊接速度，熱輸入下降，焊接熔深減少。對于給定的激光功率等條件，存在一維持深熔焊接的最小焊接速度。 3. 激光焊接過程中的幾種效應 (1) 深熔焊焊接過程中的等離子體（2） 壁聚焦效應（3）凈化效應4. 激光焊的優(yōu)點 第20頁/共25頁第二十頁，共26頁。1. 快速(kui s)成型技術的基本工作原理是離散、堆積。 圖7-22 立體(lt)光造型技術的原理示意圖7.5.1 7.5.1 激光快速成型技術的原理激光快速成型技術的原理(yunl)(yunl)及主要優(yōu)點及主要優(yōu)點2.由于快速成型技術(包括激光快速成型技術)僅在需要增加材料的地方加上材料，所以從

26、設計到制造自動化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口、通訊等方面來看，非常適合于CIM、CAD及CAM，同傳統(tǒng)的制造方法相比較，顯示出諸多優(yōu)點。 快速性、適合成型復雜零件、高度柔性、高度集成化7.5.2 7.5.2 激光快速成型技術激光快速成型技術1立體光造型技術 立體光造型技術的原理如圖7-22所示，是典型的逐層制造法。 第21頁/共25頁第二十一頁，共26頁。圖7-23 選擇性激光燒結(shoji)技術基本原理示意圖7.5.2 7.5.2 激光激光(jgung)(jgung)快速成型技術快速成型技術2選擇性激光選擇性激光(jgung)燒結燒結技術技術選擇性激光燒結技術與立體光造型技術很相似，也是用激光束來掃描各原材料，但用粉末物質代替了液態(tài)光聚合物。選擇性激光燒結技術的基本原理見圖7-23所示。 第22頁/共25頁第二十二頁，共26頁。圖7-24 激光熔覆成型技術(jsh)原理示意圖7.5.2 7.5.2 激光激光(jgung)(jgung)快速成型技術快速成型技術3激光熔覆成型激光熔覆成型(chngxng)技術技術 激光熔覆成型技術原理圖如圖7-24所示，目前用此法制造出復雜截面變換器的零件外形的誤差在0.5mm以內（圖7-25）。 圖