激光加工技術原理及應用淺析

1、激光加工技術原理及應用淺析專業(yè)：機械設計制作及其自動化 班級：機制1306 姓名：張浩然 學號日期：2016年4月11日摘要 激光技術是20世紀60年代發(fā)展起來的一門學科。隨著大功率激光器的出現并用于材料加工，已逐步形成一種新的加工方法激光加工（Lasser Beam Machining,LBM)。激光可以應用于打孔、切割、電子器件的微調、焊接、熱處理以及激光存儲等各個領域。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，而且容易進行自動話控制，在日常生產實踐中越來越受人們重視。一 激光加工原理和特點1.1原理 激光加工是在光熱效應下產生的高溫熔融和

2、沖擊波的綜合作用過程。它利用激光高強度、高亮度、方向性好、單向性好的特性，通過一系列的光學系統(tǒng)，聚焦成平行度很高的微細加工束（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，并在極短的時間內（千分之幾秒，甚至更短）使光能轉化為熱能，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生相當大的熱應力，達到加熱和去除材料的目的。激光加工時，為了達到各種加工要求，激光束與工件表面需要做相對運動，同時光斑尺寸、功率以及能量要求可調。1.2分類 按光與物質相互作用機理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。 激光熱加工系指激光束作用于物體所引起的快速熱效應的各種加工過

3、程，也成為熱加工；激光光化學反應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)或控制光化學反應的各種加工過程,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行切割、打孔、刻槽、標記等。熱加工對金屬材料進行焊接、表面強化、切割均極有利;冷加工則對光化學沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化很合適。1.3激光加工特點1) 聚焦后，激光加工的功率特別高，光能轉化為熱能，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，輸出功率可以調節(jié)，故可以用于精密微細加工。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，容易實現加工過程的自動化，還可以通過透明體進行加工，例如對真空管內部經行焊接加工等。4) 與電子束加工相比較，激光加工裝置比較簡單，不要求復雜的抽真空裝置。5) 激光加工是一種瞬時、局部熔化、氣化的熱加工，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，尋找合理的加工參數，才能達到加工要求，6) 由于光的反射作用，對于表面光澤或者透明的的材料，加工前需要進行色化或打毛處理，使更多的光能被吸收后轉化為熱能用于加工。二 激光加工工藝及應用(依據光與物質相互作用機理)2.1 激光焊接激光焊接是把激光聚焦成很細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,可實現精密焊接;激光焊縫結構均勻,晶粒很小,氣孔少,夾雜缺陷少,在機械性能,抗蝕性能和電磁學性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。激光焊接技術具有溶池凈化效應,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、高導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)將不同材質的薄鋼板實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,實現連續(xù)孔洞的窄切縫

6、。其根據發(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而使切割效率降低，同時熱影響層也比較深，在精密機械加工中一般多采用高重復頻率的脈沖激光器。同時激光器與計算機控制的自動設備結合,激光束具有無限的仿形切割能力,切割軌跡修改方便;通過預先在計算機內設計,進行眾多復雜零件整張板排料,可實現多零件同時切割,節(jié)省材料。2.3 激光表面強化激光表面熱處理技術包括激光相變硬化技術、激光涂覆技術、激光合金化技術、激光沖擊強化技術等,這些技術對改變材料的機械性能、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、進展最快、應用最廣的一種新工藝,適用于大多數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 激光沖擊強化：激光沖擊強化使用脈沖寬度極短激光照射材料表面，可以產生高強度沖擊波，使得金屬材料的機械性能改善，阻止裂紋的產生和擴展，提高鋼、鋁、欽等合金的強度和硬度，改善其抗疲勞性能。通過激光強化可以消除應力、改善微觀結提高工件表面的耐磨性、耐蝕性、耐高溫從而大大提高產品的質量，成倍地延

8、長產構性品使用壽命和降低成本。2.4 激光打標刻蝕激光標記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技術。 激光標記有許多獨特的優(yōu)點，能標記各種字符、圖案、數字以及條形碼，標記線寬可小于0.01mm，可深可淺，對很小零件也可打標，這是其他標記方法不能實現的。2.5 激光快速成型 激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果，根據計算機設計出的零件的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上不斷添加材料。三 激光加工應用例析3.1 激光焊接技術圖1 激光焊接示意圖圖2 激光一

9、電弧復合焊接示意圖圖3 汽車駕駛室的激光焊接3.2 發(fā)動機缸套表面的激光加工和強化原理 發(fā)動機中,缸套/活塞環(huán)摩擦副性能的優(yōu)劣對發(fā)動機的工作性能(動力性、經濟性、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地旋轉，使得缸套表面上的磨粒切削軌跡呈交叉而不重復的網紋，缸套表面形貌中的這種低頻波紋度，對實際使用時形成貯油結構和油契起著關鍵作用，對減少磨損延長運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點處連續(xù)重復打多個脈沖。由于連續(xù)作用時間較長,熱影響的負面效應比較嚴重,加工面的質量較差。而“單脈沖同點間隔多次”,就是工件上同一個點處所打的多個激光脈沖,是通過多次反復間隔打出,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量。而且,“單脈沖同點間隔多次”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 “單脈沖同點間隔多次”加工原理圖 “單脈沖同點間隔多次”加工方式微凹槽的三維形貌圖實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頻率的增大而增大,脈沖寬度的增大會使激光與材料的作用時間延長，更多熱量擴散熔化更多的金

11、屬材料，最終使加工質量變差；由于采用了“單脈沖同點間隔多次”的新方法，最大程度地減少了熱效應對金屬材料加工的影響,所以在控制條件允許的范圍內，掃描速度對加工結果幾乎沒有影響;采用垂直吹輔助氣體的方式，使用輔助氣體時可以提高形貌底部的光潔程度，但同時也會有少量殘渣濺到邊緣。通過進一步的分析我們可以得知,這些殘渣與熔渣不同,與基體的黏附力不大,容易去除。3.2.2 表面強化首先，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，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微的,位錯密度

12、高，相互之間作用力強。用電子顯微鏡觀察激光作用區(qū)的位錯組織,隨著輻射功率密度的增加，平均位錯密度也在增加，而且還會形成位錯網狀組織，更加增加相互作用。3.3 激光加工陶瓷孔雀藍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、化學和物理性能的溶覆層，這個溶覆層具有基材沒有的特性，可以彌補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燒結。它的燒結周期長，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復雜的過程，宏觀方面看，就是激光束照射陶瓷表面，光熱能轉化，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比大功率、高速度福照的釉面平滑度高。當激光能量足以熔融釉粉且使釉粉與坯體完全溶融反應時，激光功率越小，得到的釉面質量越好。從幾個圖中還可以發(fā)現，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，但是會影響軸面的質量，這些微裂紋的產生是釉層與基體的溫度梯度產生的熱應力造成的。4 激光技術在軍事中的應用展望4.1 天基激光武器概述天基激光武器是以太空為基礎的尖端激光武器，通過激光

14、武器對空內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。4.2關鍵技術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定軌道，解決的主要辦法是研制能夠放到運載火箭的貨艙內可折疊式主鏡，在太空激光武器進入預定軌道后可折疊式主鏡能夠自動打開。在太空向軌道上的太空激光武器補充化學介質是個關鍵問題，由于將來激光武器都是大功率的，主要使用的都是化學激光武器，所以沒有介質就不能發(fā)生化學反應，也就不能產生激光。 總結本文通過對激光技術的原理、特點及應用例析，簡要介紹了激光技術在生產生活乃至軍事方面的應用，說明合理運用激光技術對我們的綜合國力提高具有極其重要的作用。作為工科機械制造的大學生，在這個基礎上，應該認識到，激光的應用具有極其重要的意義，同時，更應該認識到，激光設備具有更加重大的作用。所以我們要更加努力，深入的了解學習掌握激光技術，學以致用，將