第七章激光加工

1、 激光是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一項(xiàng)重大科技成果，它的出現(xiàn)深化了人們對光的認(rèn)識，擴(kuò)展了光為人類服務(wù)的領(lǐng)域。目前，激光加工已較為廣泛地應(yīng)用于切割、打孔、焊接、表面處理、切削加工、快速成形、電阻微調(diào)、基板劃片和半導(dǎo)體處理等領(lǐng)域中。 激光加工幾乎可以加工任何材料，加工熱影響區(qū)小，光束方向性好，其光束斑點(diǎn)可以聚焦到波長級，可以進(jìn)行選擇性加工、精密加工，這是激光加工的特點(diǎn)和優(yōu)越性。 一、激光的產(chǎn)生及其特性 1激光的產(chǎn)生 激光是由處于激發(fā)狀態(tài)的原子、離子或分子受激輻射而發(fā)出的光。 光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。原子內(nèi)的原子核與核外電子間存在著吸引和排斥的矛盾。電子按一定半徑的軌道圍繞原子核運(yùn)動，當(dāng)

2、原子吸收一定的外來能量或向外釋放一定能量時(shí)，核外電子的運(yùn)動軌道半徑將發(fā)生變化，即產(chǎn)能級變化，并發(fā)出光 (1)自發(fā)與受激輻射 根據(jù)電子繞原子核轉(zhuǎn)動距離的不同，可以把原子分成不同的能級。通常把原子處在最低的能級狀態(tài)稱為基態(tài)；能級比基態(tài)高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子，在沒有外界信號作用下，自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時(shí)產(chǎn)生的光輻射，稱之為自發(fā)輻射。其輻射出的光子頻率由兩個(gè)能級間的能量差來決定，即 Hv21=E2 E1 (7-1) 式中 h 普朗克常數(shù)； v21 躍遷產(chǎn)生的光波頻率； E1 、E2 原子的低能級、高能級。 自發(fā)輻射的特點(diǎn)是：每個(gè)發(fā)生輻射原子都可以看作一個(gè)相互獨(dú)立的發(fā)光單元，它們彼此毫無聯(lián)系

3、，因此它們發(fā)出的光是雜亂無章的。即光子在發(fā)射方向上、在頻率（波長）和初始相位上都是不一致的，發(fā)出的光是四處散開的，這就是普通光。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程。 處于激發(fā)態(tài)的原子，在頻率為V21的外界入射信號作用下，從E2能級躍遷到E1能級上，在躍遷過程中，原子輻射出的光子能量為hv21，該光子與外界輸入信號處于同一狀態(tài)，這一輻射過程稱為受激輻射。 受激輻射的特點(diǎn)是：所輻射出來的光子在方向、頻率、相位、偏振狀態(tài)與原來，“刺激”它的光子完全相同，這就是受激輻射光，簡稱激光。 受激吸收與受激輻射實(shí)際上是同時(shí)存在的。如果要使受激輻射占優(yōu)勢，就必須使處于高能級上的原子數(shù)超過低能級上的原子數(shù)。 與

4、此相反，處于低能級的原子在外界信號的作用下從低能級向高能級躍遷的過程稱為受激吸收。由于受激吸收作用的存在，使處在高能級（激發(fā)態(tài)）的原子數(shù)目大于處于低能級（基態(tài)）的原子數(shù)目的現(xiàn)象，稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。 (2)激光的形成 若入射光的頻率v31滿足式 h v31=E3 E1，則產(chǎn)生受激躍遷，使具有高能級E3的原子數(shù)大大增加；由于E3能級的壽命很短，很快會從自發(fā)輻射躍遷到壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)E2，此時(shí)若有頻率為V21的光子照射，便會產(chǎn)生受激輻射，形成頻率為V21的激光。 。紅寶石的化學(xué)表達(dá)式為Cr3+：Al203，激活離子是Cr3+ 。 2激光的特性 激光除具有普通光的共性（如反射、折射、繞射和相干特性）

5、外，還具有單色性好、相干性好、方向性好和能量密度高等特性。 (1)單色性 激光具有其他光源的光所難以達(dá)到的極高的單色性。這是由于構(gòu)成激光的諧振腔的反射鏡具有波長選擇性，并且利用原子固有能級躍遷的結(jié)果。激光是受激發(fā)射的，它的頻率寬度很窄，比普通光源（如氖燈）的頻率寬度要窄幾個(gè)數(shù)量級。因此，激光單色性比普通光源單色性要好得多。 (2)方向性 激光束的方向性好，即光線的發(fā)散度小。這是因?yàn)閺闹C振腔發(fā)出的只能是反射鏡多次反射后無法顯著偏離諧振腔軸線的光波。由于不同激光器的工作物質(zhì)類型和均勻性、光腔類型和腔長、激勵(lì)方式以及激光器的工作狀態(tài)不同，其方向性也不同。一般氣體激光器由于工作物質(zhì)有良好的均勻性，且腔

6、長一般較大，所以有很好的方向性，發(fā)散角可以達(dá)到10-3rad。固體激光器方向性較差，發(fā)散角千般在10-2rad量級。 (3)相干性 相干性是區(qū)別激光與普通光源的重要特性。當(dāng)兩列振動方向相同、頻率相同、相位固定的單色波疊加后，光的強(qiáng)度在疊加區(qū)域不是均勻分布的，而是在一些地方有極大值，一些地方有極小值。這種在疊加區(qū)域出現(xiàn)的強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象稱為光的干涉現(xiàn)象，即這兩列光波具有相干性。 激光是受激輻射占優(yōu)勢，加上諧振腔的作用，各發(fā)光中心是相互密切聯(lián)系的，在較長時(shí)間內(nèi)有恒定的相位差，能形成穩(wěn)定的干涉條紋，所以激光的相干性好。 激光束的方向性和空間相干性對它的聚焦性能有重要影響。 (4)能量密度高 激

7、光束也和其他光束一樣，可以通過凸鏡或金屬反射鏡加以聚焦。經(jīng)聚焦后，可以將激光的巨大能量聚焦到直徑為光波波長量級的光斑上，形成極高的能量密度，例如可達(dá)到l05l013W/cm2的功率密度。 二、激光加工的原理 當(dāng)工作物質(zhì)3（如紅寶石、釹玻璃等具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)）受到光泵2（激勵(lì)光源）的激發(fā)后，便產(chǎn)生受激輻射躍遷，造成光放大，并通過由兩個(gè)反射鏡1、4(全反射鏡和部分反射鏡)組成的諧振腔產(chǎn)生振蕩，由諧振腔一端輸出激光，經(jīng)過透鏡5將激光束聚焦到工件6的待加工表面上。該聚焦光斑的直徑僅有幾微米到幾十微米，而其能量密度可達(dá)l08- lOlOW/cm2，溫度可達(dá)10000以上，因此能在千分之幾秒甚至更

8、短的時(shí)間內(nèi)熔化、氣化任何材料。在微細(xì)加工方面，它的蝕除速度可以說是其他任何加工方法無法相比的。 激光蝕除加工的物理過程大致可分為材料對激光的吸收和能量轉(zhuǎn)換，材料的加熱熔化、氣化、蝕除產(chǎn)物的拋出等幾個(gè)連續(xù)階段。 1：材料對激光的吸收和能量轉(zhuǎn)換 激光入射到材料表面上的能量，一部分被材料吸收用于加工，另一部分能量被反射、透射等損失掉。材料對激光的吸收與波長、材料性質(zhì)、溫度、表面狀況、偏振特性等因素有關(guān)。 材料吸收激光后首先產(chǎn)生的不是熱，而是某些質(zhì)點(diǎn)的過量能量一自由電子的動能、束縛電子的激發(fā)能，或者還有過量的聲子。這些有序的原始激發(fā)能需經(jīng)歷兩個(gè)步驟才轉(zhuǎn)化為熱能。第一步是受激粒子運(yùn)動的空間和時(shí)間隨機(jī)化。

9、這個(gè)過程在粒子的碰撞時(shí)間內(nèi)完成，這個(gè)時(shí)間比最短的激光脈沖寬度還短，甚至可短于光波周期。第二步是能量在各質(zhì)點(diǎn)間的均布。這個(gè)過程包含有大量的碰撞和中間狀態(tài)，而以非金屬材料尤甚。其中可存在若干能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，每種轉(zhuǎn)換又具有特定的時(shí)間常數(shù)。例如，金屬中受激運(yùn)動的自由電子通過與晶體點(diǎn)陣的碰撞將多余能量轉(zhuǎn)化為晶體點(diǎn)陣的振動。對于一般激光加工，均可認(rèn)為材料吸收的光能向熱能的轉(zhuǎn)換是瞬間發(fā)生的。在這個(gè)瞬間內(nèi)，熱能僅作用于材料的激光輻照區(qū)。隨后通過熱傳導(dǎo)使熱量由高溫區(qū)流向低溫區(qū)。 2材料的加熱熔化、氣化 材料吸收激光能，并轉(zhuǎn)化為熱能后，其受射區(qū)的溫度迅速升高，首先引起材料的氣化蝕除，然后才產(chǎn)生熔化蝕除。開始時(shí)，蒸氣

10、發(fā)生在大的立體角范圍內(nèi)，以后逐漸形成深的圓坑，一旦圓坑形成之后，蒸氣便以一條較細(xì)的氣流噴出，這時(shí)熔融材料也伴隨著蒸氣流濺出。開始階段，圓坑不論在深度和直徑上都在不斷增大，但到一定時(shí)間之后，圓坑直徑變化就很小了。這是因?yàn)閳A坑側(cè)壁的加熱和破壞是受很多因素影響的，其中主要是激光束的散射隨著深度的增加而增加，側(cè)壁的溫度隨著深度的增加而逐漸降低。經(jīng)過一段時(shí)間之后，整個(gè)加工區(qū)的加熱速度有所降低。這是由于光束被蒸氣和飛濺物所遮蔽，同時(shí)蒸氣和飛濺物本身也在不斷地吸收熱量，但加工區(qū)的溫度仍在增加，蒸氣和熔融物也在不斷地產(chǎn)生。當(dāng)激光功率密度不再繼續(xù)增加時(shí)（決定于激光脈沖波形），則這時(shí)熔融的液相相對增加，熔化層的過

11、程程度并不減弱。同時(shí)也會加劇小氣泡的增長速度，最后導(dǎo)致液相從激光作用區(qū)拋出 3蝕除產(chǎn)物的拋出 由于激光束照射加工區(qū)域內(nèi)材料的瞬時(shí)急劇熔化、氣化作用，加工區(qū)內(nèi)的壓力迅速增加，并產(chǎn)生爆炸沖擊波，使金屬蒸氣和熔融產(chǎn)物高速地從加工區(qū)噴射出來，熔融產(chǎn)物高速噴射時(shí)所產(chǎn)生的反沖力，又在加工區(qū)形成強(qiáng)烈的沖擊波，進(jìn)一步加強(qiáng)了蝕除產(chǎn)物的拋出效果。 三、激光的加工特點(diǎn) 1)由于激光的功率密度高，加工的熱作用時(shí)間很短，熱影響區(qū)小,因此幾乎可以加工任何材料，如各種金屬材料、非金屬材料（陶瓷、金剛石、立方氮化硼、石英等）。透明材料只要采取一些色化、打毛等措施，即可采用激光加工。 2)激光加工不需要工具，不存在工具損耗、更

12、換和調(diào)整等問題，適于自動化連續(xù)操作。 3)激光束可聚焦到微米級，輸出功率可以調(diào)節(jié)，且加工中沒有機(jī)械力的作用，故適合于精密微細(xì)加工。 4)可以透過透明的物質(zhì)（如空氣、玻璃等），故激光可以在任意透明的環(huán)境中操作，包括空氣、惰性氣體、真空甚至某些液體。 5)激光加工不受電磁干擾。與電子束加工相比，其優(yōu)越性就在于可以在大氣中進(jìn)行，且加工裝置較簡單。 6)激光除可用于材料的蝕除加工外，還可以進(jìn)行焊接、熱處理、表面強(qiáng)化或涂敷、引發(fā)化學(xué)反應(yīng)等加工。 激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及安全系統(tǒng)等。 一、激光器 激光器是激光加工或處理的能源，由它實(shí)現(xiàn)電能至光能的轉(zhuǎn)變。激

13、光器主要包括工作物質(zhì)、激勵(lì)源、諧振腔三大部分。其中工作物質(zhì)是其核心。按工作物質(zhì)的種類不同，激光器可以分為固體和氣體激光器；按激光器的工作方式，可分為脈沖激光器和連續(xù)脈沖激光器。 常用的固體激光器有紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石晶體激光器和釹玻璃激光器三種。 (1)紅寶石激光器 紅寶石是含有0.05%左右Cr3+ 、離子的Al2 03晶體，激活離子是Cr3+ ，它屬于三能級的系統(tǒng)。在常溫下，其吸收帶為410nm的紫光和550nm的綠光，吸收帶寬約100nm左右；，發(fā)射光譜694.3nm的紅光。 紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)械強(qiáng)度大，能承受高功率密度，能生長成大尺寸，亞穩(wěn)態(tài)壽命長，可獲得大能量輸出，尤其

14、是大能量單模輸出。紅寶石脈沖器件單脈沖能量已達(dá)數(shù)千焦耳。其輸出光波長為694.3nm，熒光譜線較窄，易被材料吸收。主要用于激光打孔。它，的缺點(diǎn)是：閾值較高，輸出性能受溫度變化明顯，所以只能作低重復(fù)率脈沖器件 (2)摻釹釔鋁石榴石晶體激光器 摻釹釔鋁石榴石晶體，的化學(xué)表達(dá)式為 Nd3+: YAG，激活離子為Nd3+。常溫下輻射1.06um激光，屬于四能級的系統(tǒng)。吸收帶有五條，波長分別為0.53um、0.58um、o75um、o81um和o87um。 該激光器的特點(diǎn)是：量子效率高，受激輻射截面大，閾值遠(yuǎn)低于紅寶石和釹玻璃；具有良好的熱穩(wěn)定性，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)小，適于脈沖、連續(xù)、高重復(fù)頻率等多種

15、器件；連續(xù)與脈沖的YAG器件，其平均功率已超過1000W，它可由多棒串接組成，或可由多級放大組成。 Nd3+: YAG器件已廣泛用于材料加工，例如打孔、焊接、熱處理、打標(biāo)記、書寫、動平衡等。它還在微細(xì)加工領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用，尤其是大規(guī)模集成電路的加工，已顯示出它的優(yōu)越性。 (3)釹玻璃激光器 釹玻璃激光器是發(fā)展較快、用量較大的固體激光器。工作物質(zhì)由某種成分的光學(xué)玻璃中摻人適量的Nd2 03制備而成，激活離子也是Nd3+ 。吸收帶與Nd3+ ：YAG相似，但帶寬較寬，因而有利于激光吸收。發(fā)射光波長為1.06um，它已廣泛用于激光加工中，成為高峰值功率的主要器件之一。 釹玻璃激光器的特點(diǎn)是：制備工

16、藝成熟，容易獲得高透光性及光學(xué)均勻的激光玻璃。工作物質(zhì)形狀、尺寸有較大自由度。大的釹玻璃棒長達(dá)12m，直徑0.03O.lm，可制成特大能量的激光器；小的則可制成直徑僅幾微米的玻璃纖維，用于集成光路中的激光振蕩。其次，釹玻璃熒光壽命長，易積累粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得大能量輸出，且有寬的熒光譜線，特別適于制作高峰值功率、超短脈沖的鎖模器件。使用的基質(zhì)材料有多種，常用的有硅酸鹽和磷酸鹽玻璃。工作物質(zhì)除了棒狀的外，還可根據(jù)需要做成圓盤狀、平板狀、絲狀等。目前，釹玻璃激光器輸出能量已高達(dá)上萬焦耳。 2氣體激光器 氣體激光器以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)，包括原子、分子、離子、準(zhǔn)分子、金屬原子蒸氣等激光器。氣體激光器躍遷

17、譜線煌相應(yīng)的激光輸出波長范圍較寬，從真空紫外至紅外區(qū)；而且由于氣體的光子均勻性較好，使輸出光束的質(zhì)量，如單色性、相干性和光束穩(wěn)定性較好，因而其應(yīng)用很廣泛。 (1)氦一氖激光器（原子激光器）一氦一氖(He-Ne)激光器是目前應(yīng)用最廣泛的典型原子激光器，它是以連續(xù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)的氣體激光器。它在可見和紅外區(qū)有許多激光譜線，最重要的是0.6328um、1.15um和3.39 um三條譜線。在激光加工設(shè)備中，常作為紅外激光器與導(dǎo)光系統(tǒng)的調(diào)整裝置。 氦一氖激光器的特點(diǎn)是：頻率穩(wěn)定性好，壽命長，價(jià)格低，適用于全息照相、準(zhǔn)直測量和激光干涉測量等。 (2)氬離子激光器（離子激光器） 氬離子激光器是目前可見光區(qū)連續(xù)功

18、率最高的相干光光源，其最高連續(xù)功率已達(dá)到150W，效率可達(dá)0.6 ，使用壽命超過1000h，頻率穩(wěn)定度溪2 X 10-5。 工作物質(zhì)靠電離離子的躍遷工作。為了放電激勵(lì)，必須要有很高的電流密度，達(dá)幾個(gè)安培每平方毫米。常用的有Ar+和Kr+激光器。它們能從紫外到紅外譜線內(nèi)同時(shí)發(fā)射出很多條譜線，每條譜線達(dá)10W的功率。缺點(diǎn)是激光輸出能級壽命較短，對能量存儲不利，一般不能用Q開關(guān)方法來產(chǎn)生脈沖。因?yàn)樗僧a(chǎn)生很寬的譜線，所以在光譜學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，被越來越多地應(yīng)用于微細(xì)加工、激光全息及制作防偽標(biāo)志等領(lǐng)域中。 (3)二氧化碳激光器（分子激光器） 二氧化碳激光器是應(yīng)用最廣的一種激

19、光器，其連續(xù)輸出功率為數(shù)十瓦至幾十千瓦，最常用的是幾百瓦至二千瓦,脈沖輸出功率為數(shù)千瓦至l05W。二氧化碳激光器總轉(zhuǎn)換效率在1520%之間，比其他加工用的激光器的效率高得多。 二氧化碳激光器以C02. N2、He等混合氣體為工作介質(zhì)，常用比例為1:2:10，視放電管直徑而定，其均勻性比固體工作物質(zhì)好，故C02激光器的模式較好，且較穩(wěn)定。它發(fā)出的譜線是在10.6um附近的紅外區(qū)，比其他加工用激光的波長要長得多，非金屬材料對其的吸收性能好。 C02激光器的轉(zhuǎn)換效率僅為15%20%。氣體放電的大部分能量用來加熱工作氣體，而工作氣體溫度的升高將導(dǎo)致輸出功率和光束質(zhì)量的下降。工作氣體的散熱可通過放電管冷

20、卻管壁的熱傳導(dǎo)或更新被加熱的氣體實(shí)現(xiàn)。按氣體冷卻方式， C02激光器分為擴(kuò)散式和對流式。前者包括直管密封式、折疊密封式、慢流動和多光束式C02激光器；后者包括橫流式和快速軸流式C02激光器。 二、電源 電源為激光器提供所需的能量。大功率激光器一般用特殊負(fù)載的電源來激勵(lì)工作物質(zhì)（例如固體和氣體工作物質(zhì)）。在氣體激光器中，電源直接激勵(lì)氣體放電管；在固體激光器中，激勵(lì)工作物質(zhì)的是泵浦燈。根據(jù)激光器的不同工作狀態(tài)，電源可在連續(xù)或脈沖狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。 脈沖固體激光電源由充電電路、貯能網(wǎng)絡(luò)、預(yù)燃與觸發(fā)電路、控制和操作回路等部分組成。 1：充電電路 充電電路將低壓直流或琶交流變換為高壓直流，并對源貯能網(wǎng)絡(luò)提供電

21、能。由于貯能元件多為電容，電容負(fù)載、在整個(gè)充電過程中不停地處于從短路到開路的運(yùn)行狀態(tài)。因此，充電電路既能在充電過程中保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，又能保證貯能網(wǎng)絡(luò)充電電壓穩(wěn)定和在脈沖放電時(shí)確保充電電路與燈放電路之間的隔離。常用的充電電路有：電阻限流充電電路、恒流充電電路、-諧振充電電路和開關(guān)型充電電路等。 2貯能網(wǎng)絡(luò) 貯能網(wǎng)絡(luò)為脈沖氙燈放電瞬時(shí)提供足夠大的能量，形成所需要的電壓、電流波形。典型的貯能網(wǎng)絡(luò)有單電容型、電感-電容型、仿真線網(wǎng)絡(luò)三種。 3.、預(yù)燃與觸發(fā)電路 預(yù)燃電路為脈沖氖燈提供預(yù)電離電流；觸發(fā)電路供給氖燈觸發(fā)高壓和觸發(fā)功率，使氖燈內(nèi)氣體開始電離，形成火花放電。泵浦燈正常工作電壓遠(yuǎn)低于燈的自閃電

22、壓。為使燈產(chǎn)生電離，誘發(fā)貯能網(wǎng)絡(luò)放電，必須另外給燈加上高達(dá)幾十千伏的高壓觸發(fā)脈沖，使燈內(nèi)氣體擊穿形成火花放電通道。根據(jù)觸發(fā)高壓加在燈上的方式不同，可分為內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)兩種 三、光學(xué)系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng)是激光加工設(shè)備的主要組成部分之一，它由導(dǎo)光系統(tǒng)（包括折反鏡、分光鏡、光導(dǎo)纖維及耦合元件等）、觀察系統(tǒng)及改善光束性能裝置（如勻光系統(tǒng)）等部分組成。它的特性直接影響激光加工的性能。；在加工系統(tǒng)中，它的作用是： 1)將激光束從激光器輸出窗口引導(dǎo)至被加工工件的表面上，并在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度。 2)指示加工部位。由于大多數(shù)用于激光加工的激光器工作在紅外波段，光束不可見。為便于激光束對準(zhǔn)加工

23、部位，多采用可見的氦蘭氖激光器或白熾燈光同軸對準(zhǔn)，以指示激光加工位置，便于整個(gè)光路系統(tǒng)的調(diào)整。 3)觀察加工過程及加工零件。尤其在微小型件的加工中是必不可少的。 為使整個(gè)激光加工系統(tǒng)能正常運(yùn)行，光學(xué)系統(tǒng)元件的選用必須遵循下列原則： 1)光學(xué)元件應(yīng)有高的傳輸效率。在透射式光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)元件應(yīng)對工作波段有良好的透過率；在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，則應(yīng)對工作波段有良好的反射率；如對于固體激光器，用于加工的激光器主要工作在近紅外和可見光波段，因此可用各類玻璃做透鏡；但在C02激光器中，玻璃為不透明介質(zhì)，透鏡多采用半導(dǎo)體材料，如砷化鎵等。 2)光學(xué)系統(tǒng)和組成元件應(yīng)力求簡單，以減少元件的損耗和避免激光高度相干性

24、所帶來的能量分布變化及在高功率、大能量場合下元件的損傷。 3)由于大多數(shù)激光器的輻射往往以高斯光束傳播，它既不同于普通的均勻平面波，也不同于普通的均勻球面波。因此，激光光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)應(yīng)根據(jù)光學(xué)元件對高斯光束的變換特性確定，以滿足前、后單元的最佳匹配條件。 四、機(jī)械系統(tǒng) 包括工件定位夾緊裝置、機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)、工件的上料下料裝置等。它用來實(shí)現(xiàn)確定工件相對于加工系統(tǒng)的位置。 激光加工是一種微細(xì)精密加工，機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)械傳動鏈短，盡可能減小傳動間隙；光路系統(tǒng)調(diào)整靈活方便，并牢靠鎖緊；激光加工不存在明顯的機(jī)械力，強(qiáng)度問題不必過多考慮，但機(jī)床剛度問題不可忽視；還要防止受環(huán)境溫度影響而引起的變形；為保持工件

25、表面及聚焦物鏡的清潔，必須及時(shí)排除加工產(chǎn)物，因此機(jī)床上都設(shè)計(jì)有吹氣或吸氣裝置。 激光加工中激光束與工件位置的控制，可用以下三種方式實(shí)現(xiàn)： 1)工件移動，而激光頭和光束制導(dǎo)裝置固定不動。 2)激光頭和光束制導(dǎo)裝置移動，工件固定不動。 3)光束制導(dǎo)裝置移動，激光頭和工件不動。 五、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)用以控制激光光斑與工件間的相對運(yùn)動。比之金屬切削機(jī)床，激光加工機(jī)的運(yùn)動速度快+精度要求也相當(dāng)高，因而對數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)速度和分解度有更高的要求。此外，：控制系統(tǒng)還應(yīng)能隨運(yùn)動狀態(tài)而自動調(diào)節(jié)激光功率、連續(xù)與脈沖運(yùn)行方式，并對激光加工過程所需的氣體、，添加材料等進(jìn)行控制。 激光打孔是激光加工的主要領(lǐng)域之一。采用

26、激光可以打小至幾微米的微孔。目前激光打孔技術(shù)已廣泛用于火箭發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴、寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等微小孔的加工中。 一、激光打孔的方式 目前比較成熟的激光打孔方法有復(fù)制法和輪廓迂回法兩種。 復(fù)制法是脈沖激光器廣泛采用的打孔方法。它是采用與被加工孔形狀相同的光點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制打孔的。被加工孔的形狀和尺寸與光線的形狀和尺寸有關(guān)。此外還與光學(xué)、機(jī)械等系統(tǒng)及工藝規(guī)范有關(guān)。 輪廓迂回法加工是用加工的孔以一定的位移量連續(xù)的彼此疊加而形成所需要輪廓的，在某種意義上說也是激光束的切割。加工工件的輪廓形狀和尺寸同樣取決于光學(xué)、機(jī)械等系統(tǒng)及其精度。 二、激光打孔工藝規(guī)律 1激光照射能量和照射時(shí)間

27、若激光照射能量大、照射時(shí)間長，工件表面所獲得的能量多，則所加工的孔大而深。但是照射時(shí)間過長，由于熱傳導(dǎo)的關(guān)系，不僅熱量損耗大，而且加工面積增大，加工區(qū)能量密度降低，液相增多，致使加工精度降低。照射時(shí)間過長還會使加工表面熔化層和熱影響層增大，從而使表面質(zhì)量惡化，故一般照射時(shí)間以0 .2-1us為宜。 2聚焦與發(fā)散角 發(fā)散角小的激光束，經(jīng)短焦距聚焦以后，在焦面上可以獲得很小的光斑及很高的功率密度，故對工件的穿透力大，打出的孔不僅深，而且錐度小。所以要設(shè)法盡可能地減少激光的發(fā)散角，并盡可能采用短焦距加工。但采用過短的焦距，由于光束的錐度大，不適于加工深孔。同時(shí)工作距離（即透鏡到加工面的距離）過短，飛

28、濺物會損傷透鏡（必要時(shí)需用保護(hù)裝置）b此外，因焦距過短，光束離開焦點(diǎn)時(shí)光的散射大，功率密度反而降低。因此，一般焦距在2039mm為適宜，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)加工要求而定。 3焦點(diǎn)的位置 圖7-5所示為激光焦點(diǎn)的位置與打孔形狀問關(guān)系的示意圖。由圖可知：不同焦點(diǎn)位置對孔的形狀和深度都有很大的影響。在相同的輻射能量下，當(dāng)焦點(diǎn)位置很低時(shí)，通過工件表面的光斑面積很大，此時(shí)孔呈錐形。若逐漸提高焦點(diǎn)位置，由于光斑直徑逐漸減小，能量密度逐漸增加，孔的深度得到加深，直徑也逐漸減小。如果焦點(diǎn)位置很高，則光過焦點(diǎn)后的散射增大，蝕除面積增加，光能密度減小，孔的深度反而減小，最后有可能會導(dǎo)致無法繼續(xù)加工。由此可知，要想獲得較

29、好圓柱度的孔，焦點(diǎn)的位置應(yīng)在工件的表面上或稍低于工件表面。 4光斑內(nèi)能量的分布 激光束經(jīng)聚焦后光斑內(nèi)各部分的光強(qiáng)是不同的。若光強(qiáng)以焦點(diǎn)中心對稱分布稱為基模光束，這時(shí)焦點(diǎn)中心的光強(qiáng)最大，基模光束用來打孔則打出的孔是圓形，如圖7-6a所示；當(dāng)激光受到工作物質(zhì)的質(zhì)量和光泵照射的不均勻性，以及光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量等影響時(shí)，激光聚焦后，光斑內(nèi)光強(qiáng)的分布不對稱，這時(shí)加工出的孔不圓，如圖7-6b所示。如果在焦點(diǎn)附近有兩個(gè)光斑（即存在基模和高次模），則打出的孔將發(fā)生畸變，如圖7-6c所示。如果對孔的要求較高，就必須采取措施，提高激光器和光學(xué)系統(tǒng)的精度，使它能產(chǎn)生基模輸出；同時(shí)這也是減小激光發(fā)散角的必要措施。 5激光照

30、射次數(shù) 脈沖激光束照射工件表面一次，加工深度大約是孔徑的五倍左右，但錐度較大。如采用多次照射加工，孔深可以大大增加（深徑比接近20:1），錐度可以減小，孔徑幾乎不變。孔深與照射次數(shù)并不成正比，當(dāng)加工到一定深度之后，由于孔壁的反射、透射以及激光的散射或吸收等因素，使孔的前端能量密度減小，加工量逐漸減小，同時(shí)排屑更加困難，拋出力減弱，致使加工過程難以持續(xù)進(jìn)行。 多次照射能在不擴(kuò)大孔徑的情況下將孔逐漸打深，這是由于除了單脈沖的脈寬窄、能量不穩(wěn)定性減小而很少產(chǎn)生或不產(chǎn)生液相外，還由于多次打孔的光管效應(yīng)的結(jié)果。圖7-7所示為兩次照射的光管效應(yīng)示意圖。第一次照射后打出一個(gè)帶錐度的淺孔；第二次照射時(shí)，聚焦光

31、在第一次照射所打的孔內(nèi)發(fā)散，由于光管效應(yīng)，發(fā)散的光（角度很小）在孔壁上反射而向下深入孔內(nèi)，因此第二次照射后打出的孔是原來孔形的延伸，孔徑基本上保持不變。所以，多次照射能加工出錐度小的深孔。、多次照射的焦點(diǎn)位置宜固定在工件表面而不宜逐漸下移。 6工件材料 工件材料的反射、透射作用，使得激光照射到工件表面上的一部分能量損失掉。工件材料對激光能的吸收率與工件材料的吸收光譜及激光波長有關(guān)。此外，工件材料的熱學(xué)物理常數(shù)對激光加工也有較大的影響，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料難于加工。生產(chǎn)中必須根據(jù)工件材料來選擇不同的激光器。表7-1給出了金屬在不同波長激光照射下的吸收率。 工件表面粗糙度對激光加工效果也有

32、較大的影響。試驗(yàn)表明，工件表面粗糙度值愈小，其吸收率就愈低，所加工出的孔深度就愈淺。增大表面粗糙度值，吸收率就增加。但并不是表面粗糙度值愈大愈好。對于高反射率及透射率的材料應(yīng)作適當(dāng)處理，如打毛、黑化和加熱氧化等，以提高其吸收率。 三、激光打孔的特點(diǎn) 激光打孔的特點(diǎn)是加工能力強(qiáng)，效率高，幾乎所有的材料都能用激光打孔；打孔孔徑范圍大，從10 - 2mm量級到任意大孔；激光打孔為非接觸式加工，不存在工具磨損及更換問題；由于激光能量在時(shí)空內(nèi)的高度集中，故打孔效率非常高；激光還可以打斜孔（不垂直于加工表面）；激光打孔不需要抽真空，能在大氣或特殊成分氣體中打孔，利用這一特點(diǎn)可向被加工表面滲入某種強(qiáng)化元素，

33、實(shí)現(xiàn)打孔的同時(shí)對成孔表面的激光強(qiáng)化。 四、激光打孔的應(yīng)用實(shí)例 激光打孔不需要加工工具；適合于自動化高速連續(xù)打孔。如對硬質(zhì)合金、化學(xué)纖維用的噴絲板等打小孔。要在lOOmm的噴絲板上打12000多個(gè)直徑為60um的孔，如采用機(jī)械切削加工，則需4-5個(gè)熟練工人工作一星期；而采用數(shù)控激光加工，不到半天即可完成。 美國通用電器公司采用激光加工氣冷卻通氣小孔，設(shè)備是把YAG及釹玻璃激光器和數(shù)控工作臺匹配聯(lián)接，打孔速度為(2030)個(gè)孔s。工藝穩(wěn)定后又對設(shè)備作了改進(jìn)，增加了打孔與孔徑尺寸聯(lián)機(jī)檢驗(yàn)功能，而且實(shí)現(xiàn)了激光打孔自適應(yīng)控制，能在氣冷式渦輪葉片、外罩和燃燒室打出直徑為0.127-1.27mm、深度為15

34、.24mm的小孔。據(jù)該公司介紹，激光打孔與其他方法相比，使每臺航空發(fā)動機(jī)僅打孔一項(xiàng)加工費(fèi)用節(jié)省2500美元。 一、激光切割的基本原理 激光切割是一種應(yīng)用最為廣泛的激光加工技術(shù)。激光切割可用于各種材料的切割，如可切割金屬，以及玻璃、陶瓷、皮革等非金屬材料。激光切割可分為氣化切割、熔化切割和反應(yīng)熔化切割三種。 激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過閡值功率密度的前提下，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學(xué)反應(yīng)熱能等被材料吸收，由此引起照射點(diǎn)材料的熔化或氣化，形成孔洞；光束在工件上移動，便可形成切縫，切縫處的熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。 二、影響激光切割質(zhì)量的因素 影響激光切

35、割質(zhì)量的因素有：激光功率、激光振蕩模式、焦點(diǎn)位置、輔助氣體和切割速度等。 1激光功率 激光功率增加，其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。確定切割速度和切割厚度的主要參數(shù)是激光的功率和材料的性能。 切割質(zhì)量與切割前沿溫度有重要關(guān)系，而后者又是激光功率和切割速度的函數(shù)。對厚3mm的304不銹鋼用C02激光器進(jìn)行切割試驗(yàn)表明，在恒定切割速度(0.5m/min)下，激光功率從600W增加到1300W，切割前沿的表溫從760：升高到1130，切縫寬度也從0.4mm擴(kuò)大為0.8mm。 2光束模式 光束模式與它的聚焦能力有關(guān)。最低階模是基模( TEMoo)，光斑內(nèi)能量呈高斯分布，它幾乎可把光束聚

36、焦到理論上最小的尺寸，如百分之幾毫米直徑，并發(fā)出最陡、尖的高能量密度。而高階或多模光束的能量分布較擴(kuò)張，經(jīng)聚焦的光斑較大而能量密度較低，用它來切割材料猶如一把鈍刀。 光束模式涉及腔內(nèi)激光沿著平行于腔軸一個(gè)或多個(gè)通道振蕩的能力。基模激光是沿著腔軸發(fā)生的，在輸出總功率相同情況下，基模光束焦點(diǎn)處的功率密度比多模光束高兩個(gè)數(shù)量級。 對切割來說，基模光束因可聚焦成較小光斑，而可獲得高的功率密度，這比高階模光束有利。用它來切割材料，可獲得窄的切縫、平直的切邊和小的熱影響區(qū)，其切割區(qū)重熔層最薄，下側(cè)粘渣程度最輕，甚至不粘渣。 當(dāng)功率小時(shí)激光束模式一般為基模，功率超過1.5kW時(shí)通常為多模?；＜す饨?jīng)透鏡聚焦

37、，可以切割0.10.25mm的窄縫，切割面整潔。多模激光聚焦光斑直徑不可能很小，切縫寬度在0.8mm以上。 3焦點(diǎn)位置 焦點(diǎn)位置對熔深和熔池形狀的影響很大。這種影響對切割雖不像對焊接那樣大，但無疑會影響切割質(zhì)量。圖7-10所示為采用激光切割5mm厚高合金鋼板時(shí)的焦點(diǎn)位置與切割縫寬度的關(guān)系曲線。由圖可知：在焦距位置距工件表面1mm處所得到的割縫最窄。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于薄件高速切割，此時(shí)應(yīng)使焦距的位置維持恒定不變。長焦透鏡的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用來切割厚材料。板材越厚，焦點(diǎn)位置的正常范圍越窄。 4輔助氣體 激光切割中輔助氣體的作用是： 1)與金

38、屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)，增加能量強(qiáng)度。 2)從切割區(qū)吹掉熔渣，清潔切縫。 3)冷卻切縫鄰近區(qū)域，減小熱影響區(qū)尺寸。 4)保護(hù)聚焦透鏡，防止燃燒產(chǎn)物沾污光學(xué)鏡片。 氧助切割鋼材時(shí)，來自激光束的能量僅占切割能量的30%，而70 %來自氧與鐵產(chǎn)生的放熱化學(xué)反應(yīng)能量；但有些材料的氧助切割化學(xué)反應(yīng)太激烈，引起切邊粗糙。所以，像切割鈮和鉭那樣的活性金屬，推薦使用20%50%氧作輔助氣體；或者，直接使用空氣。當(dāng)要求獲得高的切邊質(zhì)量時(shí)，也可使用惰性氣體，如切割鈦。 非金屬切割對氣體密度或化學(xué)活性要求沒有金屬那樣敏感，如當(dāng)切割有機(jī)玻璃時(shí)，氣體壓力對切割厚度并無明顯影響。 皮革代制品纖維切割結(jié)果也是令人感興趣的，使用

39、氮?dú)獗妊鯕飧芴岣咔懈钏俣?。合成革在化學(xué)放熱反應(yīng)中并不燃燒，而是產(chǎn)生大量煙霧，會阻塞光路，所以，不同材料的切割，一定要根據(jù)各自的切割特性來選擇輔助氣體。 5切割速度 切割速度對切割質(zhì)量有較大的影響。圖7-11所示為采用功率為1500W的激光切割4mm低碳鋼所得到的縫寬與切割速度的關(guān)系曲線。由圖可知：切割速度過小，由于氧燃燒速度高于或等于激光束移動高度，切邊明顯被燒傷，且切縫寬，切邊粗糙，其底部燒傷程度要比頂部厲害。隨著切割速度提高，在相當(dāng)一段區(qū)間里，激光束移動速度雖有變化，但切縫寬度基本恒定，切邊平行度好，；并呈細(xì)條紋狀。在此區(qū)間，切縫寬主要受制于材料厚度和入射光斑尺寸。每個(gè)材料厚度有個(gè)最佳切

40、縫寬度，以利于熔渣順利被清除，這是最佳工作區(qū)間。 圖7-12所示為熱影響層深度與切割速度之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著切割速度的增加，切縫頂部的熱影響層深度逐漸減小，而切縫底部的熱影響層深度先是隨著切割速的增加而減小，而后增大，即存在最小值熱影響層深度的切割速度。 影響切割速度的因素有： 1)光束功率。功率高，切速快。 2)光束模式。單模比多模切速高。 3)光斑尺寸。光斑小，切速高。 4)材料開始?xì)饣枘芰俊?5)材料密度。密度低的材料切速高。 6)材料厚度。厚度小，切速高。 三、激光切割的特點(diǎn) 1)切割速度快，熱影響區(qū)小，工件被切部位的熱影響層的深度為0.05- O.lmm。因而熱畸

41、變形小。 2)割縫窄，一般為0.1-1mm，割縫質(zhì)量好，切口邊緣平滑，無塌邊，無切割殘?jiān)?。對輪廓?fù)雜和小曲率半徑等外形均能達(dá)到微米級精度的切割。 3)切邊無機(jī)械應(yīng)力，工件變形極小。適宜于蜂窩結(jié)構(gòu)與薄板等低剛度零件的切割。 4)無刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，切割過程易于實(shí)現(xiàn)自動控制。 5)激光束聚焦后功率密度高，能夠切割各種材料，如高熔點(diǎn)材料、硬脆材料等。 6)可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進(jìn)行切割，不需真空裝置。 四、激光切割的應(yīng)用實(shí)例 采用激光切割石英，雖然切縫附近有個(gè)淺熱影響區(qū)，但切邊質(zhì)量好，無裂紋，切面光滑，不需再進(jìn)行輔助清理。切割厚度可達(dá)10mm，切割速度比鋸切加工高兩個(gè)數(shù)

42、量級，且工件不承受任何沖擊力。在鹵素?zé)糁圃鞓I(yè)中已用激光切割代替金剛石鋸切，切割時(shí)沒有塵埃，切邊封接性好，切縫窄。如激光切割外徑813mm的石英管，切縫寬僅0.5mm，而機(jī)械切縫達(dá)1.5mm，從而可節(jié)省材料。 美國麥道公司用500W的C02激光器切割硼一環(huán)氧樹脂制的F-15形狀復(fù)雜的尾翼壁板，用作加強(qiáng)構(gòu)件的厚4.23mm的200mm X 762mm平面鋼件，用帶鋸切割需20min，用激光切割僅需1min左右。，與機(jī)械切割相比，用厚度6.35mm鈦板制成的飛機(jī)襟翼和下艙門零件，用激光切割下料可節(jié)省35%，而且無切割毛刺。發(fā)動機(jī)機(jī)艙蒙皮是一塊帶有若干開口的0.092mm X 22mm X 2032m

43、m的鈦合金件，與化學(xué)方法相比，用激光切割，可減少工時(shí)58%。 一、激光焊接 1激光焊接的原理與方法 焊接過程屬傳導(dǎo)焊接，即激光輻照加熱工件表面，產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部傳遞。通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，在工件上形成一定深度的熔池，而表面又無明顯的氣化。焊接所用激光的功率較低，輸入的熱量較小。它已經(jīng)成功地應(yīng)用于微電子器件等小型精密零部件的焊接，以及深熔焊接等。 按用于焊接的激光器的工作方式不同，可分為脈沖激光焊接與連續(xù)激光焊接。其中，脈沖輸出的紅寶石激光器和釹玻璃激光器適合于點(diǎn)焊；連續(xù)輸出的二氧化碳激光器和YAG激光器適合于縫焊。 高功率低階模激光經(jīng)聚焦后，其焦斑直

44、徑很小，功率密度達(dá)l06l08W/cm2，比電弧焊高出幾個(gè)數(shù)量級。 由于功率密度大、功率大，激光焊接過程中，在金屬材料上生成小孔，激光能量通過小孔往工件的深部傳輸，而較少橫向擴(kuò)散，因而在激光束的一次掃描過程中，材料熔合的深度大，焊接速度快，單位時(shí)間焊合的面積大。焊縫深而窄，深寬比大。傳統(tǒng)熔焊焊縫呈半圓形，深寬比的典型值只為0.5左右。而激光焊縫的深寬比達(dá)2 -10，焊合單位表面所需能量（比能）小，熱影響區(qū)小。 ，激光焊接的比能比電弧焊差不多小一個(gè)數(shù)量級，這一點(diǎn)足以彌補(bǔ)激光器能量轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)，盡管C02激光器的總效率只有15%左右，從能量利用的角度看，采用激光焊接仍然是經(jīng)濟(jì)的。 激光深熔焊接

45、依賴于小孔效應(yīng)。為形成小孔，被焊件不開坡口，并需盡量密合，因而一般不加填充金屬，靠被焊件自身熔合。 2激光焊接的特點(diǎn) 激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)： 1)激光能量密度高，這對高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率材料的焊接特別有利。而且還可以焊接不同種材料，如金屬與金屬、金屬與非金屬等間的焊接。 2)焊縫深寬比大，比能小，熱影響區(qū)小，-焊件變形小，故特別適于精密、熱敏感部件的焊接，?？梢悦馊ズ负蟪C形加工工藝。 3) 一般不加填充金屬。如用惰性氣體充分保護(hù)，則焊縫不受大氣污染。 4)激光可透過透明體進(jìn)行焊接，以防雜質(zhì)污染和腐蝕，適用于真空儀器元件的焊接。 5)焊接系統(tǒng)具有高度的柔性，易于實(shí)現(xiàn)自動化 激光焊接存在的局限： 1)要

46、求被焊件有高的裝配精度，原始裝配精度不能因焊接過程熱變形而改變，且光斑應(yīng)嚴(yán)格沿待焊縫隙掃描，而不能有顯著的偏移。這是由于激光光斑小、焊縫窄、不加填充金屬，如果裝配精度差，光斑偏離待焊縫隙，將造成嚴(yán)重的焊接缺陷。焊件裝配精度和光班移動精度均應(yīng)達(dá)到O.lmm數(shù)量級，一般焊件不一定能滿足這個(gè)要求，但對于具有圓柱配合的工件的環(huán)縫焊接，上述要求常常能夠保證，因而應(yīng)用較多。 2)激光器及其焊接系統(tǒng)的成本較高，一次投資較大。 3激光焊接的應(yīng)用實(shí)例 激光焊接在很多方面與電子束焊接類似，其焊接質(zhì)量略遜于電子束焊。但電子束焊接只能在真空進(jìn)行，而激光焊接則在大氣中進(jìn)行，比較適合于工業(yè)應(yīng)用。 美國工藝研究中心用1.2

47、8-6kW的C02激光器對厚為6.4mm、9.5mm、12.7mm的HY-130合金鋼進(jìn)行焊接，焊速為76.2-177cm/min，經(jīng)各種試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，均達(dá)到良好效果。 英帝國大學(xué)用2kW的C02激光器對各種厚度鈦合金的各種焊速及所需激光功率等作了詳細(xì)研究。對試件作了x射線、抗拉、疲勞、腐蝕、硬度及金相等檢驗(yàn)，結(jié)果均合格，從而肯定激光焊接鈦合金是一種很好的方法。 目前用鋼制的小型軍用鉭電池，用每秒6個(gè)脈沖、光斑直徑0.75 mm的YAG激光器密封焊接，只需15s。此外還可以用于繼電器、微型電子桿件和心臟起搏器等密封焊接。 二、激光表面處理 同激光切割、焊接相比，激光表面處理是一個(gè)研究工作比較

48、活躍的領(lǐng)域，對激光束的模式和聚焦特性沒有要求，可以采用多模光束。為了得到較大面積的均勻處理，激光表面處理通常采用矩形勻強(qiáng)光斑，可以簡化光路。 激光表面處理工藝很多，包括相變硬化、涂敷、熔凝、合金化、刻網(wǎng)紋、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、增強(qiáng)電鍍等。 1激光相變硬化（激光淬火） （1）激光相變硬化的原理 激光相變硬化是利用激光束作熱源照射待強(qiáng)化的工件表面，使工件表層材料產(chǎn)生相變甚至熔化，隨著激光束離開工件表面，工件表面的熱量迅速向內(nèi)部傳遞而形成極高的冷卻速度，使表面硬化，從而可提高零件表面的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度。 激光相變硬化的金屬學(xué)原理與傳統(tǒng)熱處理方法并無不同。所不同的是激光相變硬化加熱時(shí)

49、間僅為千分之幾秒到十分之幾秒，而加熱速度極高（達(dá)到5 X l03s以上），加熱區(qū)域很小，其面積就是激光掃描的面積，其深度從幾十微米到幾百微米，金屬本身的熱容量足以使被照面驟冷，其冷卻速度很高，可達(dá)l04s以上，故保證能完成馬氏體相變，而且急冷可抑制碳化物的析出，從而減少脆性相的影響；同時(shí)激光硬化層表面能產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。加之激光相變硬化不需要淬火劑，它是靠熱量由表及里的傳導(dǎo)自動淬火。由于上述特點(diǎn)而使激光相變硬化的綜合力學(xué)性能比普通熱處理顯著提高。零件處理后的變形很?。ㄒ话憧珊雎圆挥?jì)），且表面光潔，可以在零件精加工后作為最后一道工序或稍加研磨即可使用。由于光束控制自如，可以對形狀復(fù)雜的零件或

50、零件的局部進(jìn)行處理。也可根據(jù)需要，在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的處理。 (2)激光相變硬化的影響因素 影響激光硬化處理的因素有：激光束的功率密度、掃描速度、光斑直徑和零件的本身特征（零件的結(jié)構(gòu)、成分、表面吸收率、表面粗糙度）等。-一般情況下，硬化層深度與激光功率成正比。當(dāng)功率一定時(shí)，硬化層深度隨光束直徑或掃描速度的減少而增加。對一個(gè)特定的零件，可通過調(diào)節(jié)激光功率、光斑尺寸和掃描速度得到所需要的表面溫度和硬化層深度。 (3)激光相變硬化的特點(diǎn) 1)硬化層組織細(xì)化，硬度比常規(guī)淬火提高15%-20%，鑄鐵經(jīng)激光相變硬化處理后耐磨性可提高3-4倍。 2)加熱速度極快，工藝周期短，生產(chǎn)效率高，成本低，工藝過程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制或數(shù)控，自動化程度高。 3)對于槽壁（底）、小孔、盲孔；深孔以及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要是光束能照射到的部位，均可進(jìn)行處理。 4)可進(jìn)行大型零件局部表面的硬化及形狀復(fù)雜零件的硬化處理。 5)硬化層深度可精確控制。 6)可以實(shí)現(xiàn)自冷淬火，不需要油或水等淬火介質(zhì)。 (4)激光相變硬化的應(yīng)用實(shí)例 西安內(nèi)燃機(jī)配件廠生產(chǎn)的缸套原來是采用在鑄鐵中加入合金元素的辦法來提高缸套的耐磨性，現(xiàn)采用激光熱處理的技術(shù)使缸套內(nèi)壁硬化。 工藝：采用的工藝參數(shù)