精密與特種加工技術(shù)第七章激光加工技術(shù)講解

1、7.1.1激光的產(chǎn)生激光13初被譯作“萊塞”，即英語(yǔ)“Laser",是“Light amplification by stimulated emission of radiatiorT（意為“輻射的受激發(fā)射光放大”） 的縮寫(xiě)。后來(lái)在201上紀(jì)60年代初期，III錢(qián)學(xué)森建議，把光受激發(fā)射 器改稱(chēng)為“激光”或“激光器” o世界上第一臺(tái)紅寶石激光器山美國(guó)科學(xué)家梅曼于1960年發(fā)明成功，隨后 各種激光器不斷涌現(xiàn)，我國(guó)科學(xué)家王之江也于1961年在長(zhǎng)春光機(jī)所 研究成功我國(guó)第一臺(tái)激光器。激光器作為20世紀(jì)四大發(fā)明之一，它 為人們科學(xué)研究、牛產(chǎn)提供一個(gè)新的方法，也給人類(lèi)的?；钐峁┝撕?人方便，特別在

2、是進(jìn)入20I比紀(jì)80年代以來(lái)，激光加工技術(shù)在工業(yè)上 獲紂廣泛的應(yīng)用，成為I業(yè)上不可缺少的種方法。21光的自發(fā)輻射由于電子在原子外層的不同分布，具有不同的內(nèi)部 能量，從而形成所謂的能級(jí)。若原子處于內(nèi)部能 量最低的狀態(tài)，則稱(chēng)原子處于基態(tài)。其他比基態(tài) 能量高的狀態(tài)，都稱(chēng)激發(fā)態(tài)。在熱平衡情況下， 絕大多數(shù)原子都處于基態(tài)。處于基態(tài)的原子，從 外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。2. 光的受激吸收當(dāng)原子受到外來(lái)的能量為力v21的光子作用（激勵(lì)）下, 處于低能級(jí)曰上的原子由于吸收一個(gè)能量為 的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級(jí)E2上去，這種 過(guò)程稱(chēng)為光的受激吸收。#3. 光的受激輻射當(dāng)原子受到外來(lái)的能量為

3、的光子作用（激勵(lì)）時(shí)， 處在高能級(jí)£2上的原子也會(huì)在能量為的光子誘 發(fā)下，從高能級(jí)E2躍遷到低能級(jí)曰，這時(shí)原子 發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子一模一樣的光子，這種過(guò)程 稱(chēng)為光的受激輻射。1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，高能級(jí)上的粒子數(shù)總是小丁低能級(jí) 的粒子數(shù)。由丁外界能源的激勵(lì)（光泵或放電激勵(lì)），破壞 了熱平衡，有可能使得處于高能級(jí)民上的粒子數(shù)門(mén)2人人 増加I,達(dá)到n2>n1 o這種情況稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。一般 口 J把原子從低能級(jí)E激勵(lì)到高能級(jí)門(mén)2以使在某兩個(gè)能級(jí) Z間實(shí)現(xiàn)粒了數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為泵浦（或抽運(yùn)）。泵浦裝置 實(shí)質(zhì)上是激光器的外來(lái)能源，提供光能、電能、熱能、化 學(xué)反應(yīng)能或原

4、子核能等。激光泵浦裝置的作川，是通過(guò)適 當(dāng)?shù)姆绞剑瑢⒁欢ǖ哪芰總魉偷焦ぷ魑镔|(zhì)，使其中的發(fā)光 原子（或分子、離子）躍遷到激發(fā)態(tài)上，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分 布狀態(tài)。2. 諧振腔光學(xué)諧振腔裝有兩面反射鏡,，分置在工作購(gòu)質(zhì)的兩遍并與光 的彳迪方向嚴(yán)總丟直。友射彼對(duì)光肴一泄葩磁11皋，便. 激光輸出;但乂冇定的反射率，俾丁進(jìn)行止反o Ilir 兩反諂鏡嚴(yán)榕平行，使在兩鏡間（即薔振腔內(nèi)）往返振蕩的 光有高度的平行性，因而激光有切的方向性。3. 激光振蕩 處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，一旦發(fā)牛受激發(fā)射，111 丁在激光工作物質(zhì)的兩端裝上反射鏡，光就在反射礒間 多次來(lái)回反射。于是在反射鏡之間光強(qiáng)度增大，冇效地產(chǎn)

5、 蠶躋駆籍解曙飆蠶蠶轆瀘射鏡稍4. 激光放大處于激活狀態(tài)的激光工作物質(zhì)，當(dāng)有一束能量為民 /）v21=E2-E1的入射光子通過(guò)該激活物質(zhì)，這時(shí) 光的受激輻射過(guò)程將超過(guò)受激吸收過(guò)程，而使受 激輻射占主導(dǎo)地位。在這種情況下，光在激活物 質(zhì)內(nèi)部將越走越強(qiáng)，使該激光工作物質(zhì)輸出的光 能量超過(guò)入射光的能量，這就是光的放大過(guò)程。 其實(shí)，這樣一段激活物質(zhì)就是一個(gè)放大器。#7.1.3激光特性激光器具有與普通光源很不相同的特性，一般稱(chēng)為 激光的四性：方向性好、單色性好、相干性好以 及高亮度。激光的這些特性不是彼此獨(dú)立的，它 們相互之間有聯(lián)系。實(shí)際上，正是由于激光的受 激輻射本質(zhì)決定了它是一個(gè)相干光源，因此其單

6、色性和方向性好，能量集中。7.2材料加工用激光器簡(jiǎn)介7.2.1激光加工常用激光器激光器種類(lèi)比較多，但在工業(yè)上最常用材料加工的 激光器是CO2激光器和Nd： 丫AG激光器。CO2 激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為10.6,電光轉(zhuǎn)換效率為 10% 15%。#7.2.2激光加工基本設(shè)備的組成激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng) 及機(jī)械系統(tǒng)等四大部分。(1) 激光器：是激光加工的核心設(shè)備，它是把電能 轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生激光束。(2) 激光器電源：為激光器提供電能以及實(shí)現(xiàn)激光 器和機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)控制。(3) 光學(xué)系統(tǒng)：主要包括聚焦系統(tǒng)和觀(guān)察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。(4) 機(jī)械系統(tǒng)：包括床身、數(shù)控工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng) 等。7 3

7、 1 激光;切割G傳統(tǒng)的機(jī)械b割方式和其他切割方式(如等離子切割、水切割、氧溶劑電狐切 割、沖裁等)相比，激光切制貝有如*優(yōu)點(diǎn)。切縫細(xì)小，可以實(shí)現(xiàn)兒乎任總輪廓線(xiàn)的切割。(2) 切割速度高。(3) 切口的垂直度和平行度好,表面粗糙度好。(4) 熱影響區(qū)非常小,工件變形小。(5) 兒乎沒(méi)有氧化層。兒乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材料和極軟、極碩的材料，既 可以切割金屬,也可以切割非金屬如玻璃.陶瓷以及木材.布料、紙張等。(7) 無(wú)力接觸式加工，沒(méi)有“刀具”磨損，也不會(huì)破壞梢密工件的農(nóng)而。(8) 舉有高度的適應(yīng)件、加丄柔性高，可以實(shí)現(xiàn)小批量、多品種的高效自動(dòng)化加噪上小，無(wú)公寓。#7.3.2激

8、光打孔1 激光打孔的原理和方式在所有的打孔技術(shù)中激光打孔是最新的無(wú)屑加工技 術(shù)。在工業(yè)用脈沖激光器中，光泵浦的Nd： YAG 固體激光器調(diào)制后輸出的脈沖峰值功率是比較高 的。聚焦后焦點(diǎn)處的功率密度達(dá)到107W/Cm2的 量級(jí)。如此高的能量密度足以汽化任何已知的材 料。激光打孔分為五個(gè)階段：表面加熱、表面熔 化、汽化、氣態(tài)物質(zhì)噴射和液態(tài)物質(zhì)噴射2. 激光打孔的特點(diǎn)及應(yīng)用激光打孔的特點(diǎn)是速度快、效率高，現(xiàn)在最快每秒 可以實(shí)現(xiàn)打100孔；打孔的孔徑可以從兒微米到 任意孔徑；可以實(shí)現(xiàn)在任何材料上打孔，如寶石、 金剛石、陶瓷、金屬、半導(dǎo)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， 因此

9、特別適合自動(dòng)化打孔。另外，激光還可以打 斜孔，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行打孔。#7.4激光焊接技術(shù)7.4.1激光焊接技術(shù)的興起及發(fā)展在激光出現(xiàn)不久就冇人開(kāi)始了激光焊接技術(shù)的研究，激光焊 接技術(shù)是激光在工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)重要方而。激光焊接技術(shù) 從小功率薄板焊接到人功率厚件焊接，由單工件加工向多 工作臺(tái)多工件同時(shí)焊接發(fā)展，以及由簡(jiǎn)單焊縫向復(fù)雜焊縫 發(fā)展，激光焊接的應(yīng)用也在不斷發(fā)展。在航空工業(yè)以及其 他許多應(yīng)用中，激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)很多類(lèi)型材料的連接， 而口激光焊接通常具有許多其他熔焊工藝所無(wú)法比擬的優(yōu) 越性，尤其是激光焊接能夠連接航空與

10、汽車(chē)工業(yè)中比較難 焊的薄板合金材料，如鋁合金等，并且構(gòu)件的變形小，接 頭質(zhì)量高，重現(xiàn)性好。1 激光焊接原理熱傳導(dǎo)熱焊接。采用的激光光斑功率密度小于 105W/cm2時(shí)，激光將金屬表而加熱到熔點(diǎn)和沸 點(diǎn)之間。焊接時(shí)，金屬材料表面將所吸收的激光 能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬表面溫度升高而熔化，?后通過(guò)熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化 區(qū)逐漸擴(kuò)大，凝固后形成焊點(diǎn)或焊縫，這種焊接 機(jī)理稱(chēng)為熱傳導(dǎo)熱焊。#(1) 激光深熔焊接。當(dāng)激光光斑上的功率密度大于 106W/cm2時(shí)，金屈在激光的照射下被迅速加熱，其農(nóng)面 溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化或汽化，產(chǎn) 生的金屬蒸氣以一定速度離開(kāi)熔池，逸出的蒸氣對(duì)

11、熔化液 態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，使熔池金屬表而向下凹陷，在 激光光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凹坑。當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱 時(shí)，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小坑 進(jìn)一步加深；另一方而，坑外飛出的蒸氣將熔化的金屬擠 向熔池四周，此過(guò)程連續(xù)進(jìn)行下去，便在液態(tài)金屬中形成 一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的孔洞而進(jìn)行焊接，因此稱(chēng)之為激光深熔焊。(1) 激光加熱范圍小，在同等功率和焊接厚度條件 下，焊接速度高，熱輸入小，熱影響區(qū)小，焊接 應(yīng)力和變形小。(2) 激光可通過(guò)光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳 輸、偏轉(zhuǎn)、聚焦，特別適合于微型零件和遠(yuǎn)距離 或一些難以接近的部位的焊接。(3) 一臺(tái)激光器可供多個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行不同的工作，既可用

12、于焊接，又可用于切割、合金化和熱處理, 一機(jī)多用。#(4) 激光在大氣中損耗不大，可以穿過(guò)玻璃等透明物體，適 川于在玻璃制成的密封容器里焊接能對(duì)人休產(chǎn)生副作川的 材料；激光不受電磁場(chǎng)影響，不存在X射線(xiàn)防護(hù)，也不需 要真空保護(hù)。(5) 可以焊一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點(diǎn)金屬等， 甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機(jī)玻璃；焊后 無(wú)需熱處理，適合于某些對(duì)熱輸入敏感的材料的焊接。197.4.3激光焊接的形式與質(zhì)量1. 激光焊接的接頭形式w對(duì)接援頭史樓也«按頭(c)么按住頭幻狀搖頭<e)含邊對(duì)按接頭(h)雙序搭掩央(妙T形建頭0)卷辺朋漬磚頭(j)鬱妲播企礪呀密甲的殍反余頭彫

13、氏屬丁誹接觸悍接；llrT激光焊接的悍接接頭沒(méi)冇嚴(yán)重的 應(yīng)力集中，表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能和高的抗拉強(qiáng)度。#2. 影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù) 脈沖能屋E和功率密度。(2) 激光脈沖寬度。(3) 離焦最。(4) 光束直徑。(5) 焊接速度。(6) 保護(hù)氣體。3. 采用填充材料的激光焊接焊接人厚度板或接頭存在較人間隙時(shí)，可以采用填充焊絲或粉末來(lái)填補(bǔ) 縫隙，熔化的焊絲材料填滿(mǎn)間隙而獲得均勻連續(xù)的焊縫。高強(qiáng)鋁介金 焊接時(shí)，也需要采用填充焊絲來(lái)調(diào)節(jié)焊縫成分以消除焊接熱裂紋。7.5.1激光表面技術(shù)分類(lèi)采用激光高能束流集中作用在金屬表血，通過(guò)表面 掃描或伴隨有附加填充材料的加熱，使金屬表面 由于加熱、熔化、汽化而

14、產(chǎn)生冶金的、物理的、 化學(xué)的或相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，達(dá)到了金屬表面改性的 目的，這種加工技術(shù)稱(chēng)為激光表面技術(shù)。據(jù)激光 加熱和處理工藝方法的特征，激光表面處理的種 類(lèi)很多，如下圖列出了兒種典型工藝。#激光農(nóng)而技術(shù)的分類(lèi)圖固相加熱激光衣面處理汽化比化學(xué)反應(yīng)23一丄丄一合非熔化化熔化相變破化沖擊沖激化比 沉 枳農(nóng)ifii燒辿化學(xué)氣相沉積7.5.2激光相變硬化1激光相變硬化的原理激光相變硬化也稱(chēng)為激光淬火，是利于激光輻照的 能量把金屬材料表面快速加熱至相變溫度與熔點(diǎn) 溫度之間，然后利用材料本身對(duì)加熱表面進(jìn)行快 速冷卻使其發(fā)生固態(tài)相變產(chǎn)生硬化層的一種工藝 方法。#2.激光相變碩化的特點(diǎn)激光朿硬化與傳統(tǒng)的硬化方法

15、相比，主耍的特點(diǎn)冇：(1) 加熱冷卻速度快，處理效率高。(2) 激光能量、光斑人小和形狀以及激光作用時(shí)間可以精確 控制，處理效果好。(3) 只在需要的部位進(jìn)行處理。(4) 工件熱變形小甚至基本無(wú)變形。激光束易于傳輸和導(dǎo)向，因此可以對(duì)復(fù)雜零件表面進(jìn)行 處理，如深孔和溝槽表面。(6) 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。(7) 節(jié)省能源，不產(chǎn)生環(huán)境污染。3. 激光相變硬化的應(yīng)用激光相變硬化的應(yīng)用很多，如平面類(lèi)零件，導(dǎo)軌、 刀片、葉片以及板狀零件；圓環(huán)類(lèi)零件，活塞環(huán)、 汽缸漲圈、汽室漲圈、油封座、進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)、 缸蓋座口、各類(lèi)軸承環(huán)等，以提高硬度和耐磨性 為目的；套筒類(lèi)零件，有汽車(chē)、拖拉機(jī)、船舶等

16、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套或缸體、汽閥導(dǎo)管、電錘套簡(jiǎn)、各類(lèi) 襯套和泵筒等；各種軸類(lèi)、長(zhǎng)桿導(dǎo)柱等，異型類(lèi) 零件，如齒輪、模具、針布、鐘表的擒縱叉、發(fā) 動(dòng)機(jī)飛錘、刀具、離合器連接件、花鍵套等。#1激光表面重熔的原理和特點(diǎn)激光重熔是在激光作用下使材料表面局部區(qū)域快速 加熱至熔化，隨后借助于冷態(tài)的金屬基體的熱傳 導(dǎo)作用，使熔化區(qū)域快速凝固，形成結(jié)構(gòu)極其細(xì) 小的非平衡鑄態(tài)組織的工藝技術(shù)。經(jīng)激光重熔的 零件表面硬度高，耐磨抗蝕性好。重熔的主要目的是改善材料的原始組織，特別是獲 得彌散細(xì)化效應(yīng)。2. 激光表面重熔的應(yīng)用激光重熔硬化在含有銘的碳鋼、工具鋼、包括高速 鋼以及結(jié)構(gòu)不銹鋼和軸承鋼的應(yīng)用上具有明顯的 優(yōu)越性。激光重熔

17、硬化對(duì)改善材料性能具有明顯 的效果，工作壽命可相應(yīng)延長(zhǎng)數(shù)倍。鋁合金的激光重熔硬化主要應(yīng)用于鑄態(tài)鋁合金組織 細(xì)化。7.7激光合金化1 激光合金化的原理和特點(diǎn)激光合金化是在激光重熔的基礎(chǔ)上通過(guò)向熔化區(qū)內(nèi) 添加一些合金元素，熔化的基體材料和添加的合 金元素由于激光熔池的運(yùn)動(dòng)而得到混合，凝固后 形成以基體成分為基礎(chǔ)而又不同于基體成分的新 的合金層，以達(dá)到所要求的使用性能的工藝技術(shù)。2.激光合金化的應(yīng)用冇資料表明，為了提高中碳低合金鋼的耐腐蝕性能，可以采 川CrMo粉末進(jìn)行激光合金化處理。將Cr粉與Mo粉按 Cr:Mo=4:1比例混合，用等離子噴涂在基材表面，形成約 200厚的預(yù)置涂層。采/tJ2kW

18、CO2橫流激光器，光斑直徑 1.75mm,功率密度6.25X 104W/cm2,掃描速度 545mm/s,進(jìn)行多道搭接打描。鈦和鈦合金的激光氣體 表面氮化是一種提高材料耐腐蝕性能的常用技術(shù)。采用5 kW橫流CO2激光器，同軸送N2合金化氣并加N2保護(hù)激 光熔池。激光合金化層厚度達(dá)0.5mm,合金層的組織為 富氮的基體，并分布TiN枝晶。#7.8激光熔覆1 激光熔覆的原理激光熔覆是利用高能密度激光束將貝有不同成分件能的合金與基材農(nóng) 面快速熔化，在基材表而形成與基材具有完全不同成分和性能的合金 層的工藝技術(shù)，是材料表而改性技術(shù)的一種垂要方法。2.激光熔覆的特點(diǎn)與應(yīng)用激光熔覆的主要n的是存凍價(jià)金屬材

19、料農(nóng)in形成高性能的合金層，達(dá)到 降低成木、提高零件表面耐磨、耐蝕及耐高溫抗氧化等的綜合件能。 激光熔覆的合金材料包扌舌門(mén)熔性合金材料.炭化物彌散或復(fù)合材料、 陶瓷材料等。這類(lèi)材料具仃優(yōu)異的耐糜、耐蝕等性能，通常以粉末的 形式使用。在激光熔覆工藝中還有單道、多道.單層.多層等多種形 式。通過(guò)多道搭界和多層澄加，可以實(shí)現(xiàn)寬度和厚度的增加。激光熔 覆時(shí)常出現(xiàn)氣孔和裂紋等現(xiàn)彖，應(yīng)盡量防|匕。7.9.1激光銃削技術(shù)與應(yīng)用當(dāng)聚焦的高能激光束作用于物體微小區(qū)域，瞬間可 使任何材料熔化或者蒸發(fā)，激光銃削就是利用激 光束按規(guī)定的圖案，一層一層掃描剝離（或稱(chēng)燒蝕） 材料，就像機(jī)械銃削過(guò)程一樣對(duì)材料進(jìn)行成形加 工，這類(lèi)似機(jī)械銃削加工，可以形象地把它稱(chēng)為 激光銃削。利用激光銃削加工可以直接進(jìn)行零件 的成形加工，激光銃削加工具有很大的柔性，特 別適合單件小批量生產(chǎn)。#1.激光快速原型