特殊加工工藝--激光加工技術(shù)和線切割概述

1、特殊加工工藝-激光加工技術(shù)和線切割概述1 激光的基本原理 2 激光的特性 3 激光加工的基本原理 4 激光表面改性 5 激光焊接 6 激光切割 7 激光打孔 8 激光打標(biāo)和激光雕刻 1 激光加工技術(shù)1.1激光的基本原理 “激光”一詞譯自英語(yǔ)“LASER”，臺(tái)灣學(xué)者將它音譯為“鐳射”?！凹す狻边@一名稱是由我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森教授建議，經(jīng)中國(guó)科學(xué)院技術(shù)科學(xué)部討論,于1964年底正式確定的。它是從“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”各詞取第一個(gè)字母縮寫而成的，直譯過(guò)來(lái)就是“受激輻射放大的光”。這一名稱揭示了激光的本質(zhì)：受激

2、輻射放大。自發(fā)吸收 電子吸收光子從低“能階”躍遷到高“能階”(圖二 a)。自發(fā)輻射 電子自發(fā)地釋放光子從高“能階”躍遷到較低“能階” (圖二 b)。受激輻射 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高“能階”躍遷到低“能階”，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和相，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)“能階”的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子 (圖二 c)。 圖二原子內(nèi)電子的躍遷過(guò)程。1.1激光的基本原理 電子的躍遷 它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。 激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當(dāng)中有微量的鉻原子。在開始時(shí)，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受

3、激態(tài)。 此時(shí)，有些電子會(huì)通過(guò)釋放光子，回到較低的“能階”。而釋放出的光子會(huì)被設(shè)于激光介質(zhì)兩端的鏡子來(lái)回反射，誘發(fā)更多的電子進(jìn)行受激輻射，使激光的強(qiáng)度增加。 設(shè)在兩端的其中一面鏡子會(huì)把全部光子反射，另一面鏡子則會(huì)把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過(guò)；而穿過(guò)鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。 1.1 激光的基本原理 紅寶石激光的原理1.2 激光的特性 （1）方向性沿軸向傳播，發(fā)散角非常?。?）單色性波長(zhǎng)頻率確定，單色性好（3）相干性（4）亮度高1.3 激光加工的基本原理 激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來(lái)切除、熔化材料以及改變物體表面性能。 由于激光加工是無(wú)接觸式加工，具有其他

4、加工技術(shù)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)： 光點(diǎn)小，能量集中，熱影響區(qū)小； 不接觸加工工件，對(duì)工件無(wú)污染； 不受電磁干擾，與電子束加工相比應(yīng)用更方便； 激光束易于聚焦、導(dǎo)向，便于自動(dòng)化控制。 激光加工大體可分為激光熱加工和光化學(xué)加工： 激光熱加工指當(dāng)激光束照射到物體表面時(shí)，引起快速加熱，熱力把對(duì)象的特性改變或把物料熔解蒸發(fā)。包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)等； 光化學(xué)加工指當(dāng)激光束加于物體時(shí)，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過(guò)程。包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。 1.3 激光加工的基本原理 1.4 激光表面改性 激光表面改性主要用于改善金屬制品的表面性能，它可以顯著提高金屬零件表面的硬度、

5、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，降低成本。 激光表面改性技術(shù)包括激光淬火(相變硬化)、激光合金化、激光涂敷（熔敷）、激光非晶化和微晶化、激光沖擊硬化等多種工藝。1.4 激光表面改性 激光淬火是以高能量的激光快速掃描工件，工件表面極薄的一層吸收能量，其溫度迅速上升，此時(shí)工件的基體還處于冷態(tài)，由于熱傳導(dǎo)的作用，表面的熱量迅速傳到工件其他部位，工件表面在瞬間實(shí)現(xiàn)自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。 從理論上講，激光淬火的冷卻速度比一般熱處理淬火的冷卻速度要提高約1000倍。（1）激光淬火優(yōu)點(diǎn)： 淬硬層晶粒細(xì)化，硬度比常規(guī)淬火提高1520。 加熱速度極快，工藝周期

6、短，生產(chǎn)效率高，成本低，工藝過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 對(duì)于槽壁（底）、小孔、盲孔、深孔以及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要光束能照射到的部位均可進(jìn)行處理。 可進(jìn)行大型零件局部表面以及形狀復(fù)雜零件的硬化處理。 淬硬層深度可精確控制。 可以實(shí)現(xiàn)自冷淬火，不需要油或水等介質(zhì)。1.4 激光表面改性 （1）激光淬火 激光合金化是在高能激光束的作用下，將一種或幾種合金元素與基體材料的表面快速熔化凝固在一起，從而使基體材料的表面具有高合金特性的技術(shù)。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，激光合金化就是利用激光改變金屬表面的化學(xué)成分從而提高表面性曲的一項(xiàng)技術(shù)。 經(jīng)過(guò)激光合金化處理后的材料，表面是離性能的合金層，材料內(nèi)部仍然是廉價(jià)的基體材料。

7、1.4 激光表面改性 （2）激光合金化 非晶化的基本準(zhǔn)則：將液體以大于一定的冷卻速度迅速冷卻到某一溫度以下，這樣晶體的形核和生長(zhǎng)受到限制，來(lái)不及形成規(guī)則的晶體組織，從而就可以獲得非晶態(tài)的固體。 激光表面非晶化是利用激光使材料表面薄層熔化，同時(shí)在表層的液態(tài)和基體的固態(tài)間保持很高的溫度差，從而實(shí)現(xiàn)形成非晶態(tài)所需要的急冷條件。 優(yōu)點(diǎn)：高效率地、易控制地在形狀復(fù)雜的制品表面大面積形成非晶層；這將擴(kuò)大非晶材料的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。 1.4 激光表面改性 （3）激光表面非晶化1.5 激光焊接 激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。 20世紀(jì)70年代焊接過(guò)程屬熱傳

8、導(dǎo)型，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)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)，使工件熔化，形成特定的熔池。 1.5 激光焊接 在足夠高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個(gè)充滿蒸汽的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000度左右。熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料。孔壁外液體流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔

9、，小孔外材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。 深熔焊接1、速度快、深度大、變形小。2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)異性材料施焊，效果良好。4、焊接深寬比高，可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。5、可進(jìn)行微型焊接。6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接。1.5 激光焊接 激光焊接的優(yōu)點(diǎn)1718191.5 激光焊接 激光焊接應(yīng)用 微型點(diǎn)焊 1.5 激光焊接 激光焊接應(yīng)用 縫焊 1.5 激光焊接 激光

10、焊接應(yīng)用 激光拼焊 激光拼焊是在車身設(shè)計(jì)制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過(guò)激光截剪和拼裝技術(shù)完成車身某一部位的制造，例如前檔風(fēng)玻璃框架、車門內(nèi)板、車身底板、中立柱等。激光拼焊具有減少零件和模具數(shù)量、減少點(diǎn)焊數(shù)目、優(yōu)化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好處，目前已經(jīng)被許多大汽車制造商和配件供應(yīng)商所采用。1.6 激光切割 激光束照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過(guò)程附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收，引起照射處的材料溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后，材料開始汽化，并形成孔洞。隨著光束與材料的相對(duì)移動(dòng)，最終使材料形成切縫。切縫處熔渣被具有一定壓力的輔助氣體吹掉。

11、激光切割的特點(diǎn)1.6 激光切割 割縫窄，節(jié)省切割材料；切割速度快，熱影響區(qū)域小，因而熱變形程度低；剖縫邊緣垂直度好，切邊光滑，可直接進(jìn)行焊接；切邊無(wú)機(jī)械應(yīng)力，無(wú)剪切毛刺，也無(wú)切屑；無(wú)刀具磨損，也不需要更換刀具，只需調(diào)整工藝參量；可同樣方便地切割易碎、脆、軟、硬材料和合成材料；光束無(wú)慣性，可實(shí)現(xiàn)高速切割，且任何方向都可同樣切割，并可在任何處開始和停止切割；能實(shí)現(xiàn)多工位操作，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)控自動(dòng)化；切割噪音低。 1.6 激光切割 激光打孔的裝置與激光焊接大致相似，打孔與焊接相比，要求聚焦后的激光束的功率密度更高，能把材料加熱到氣化溫度，利用氣化蒸發(fā)將材料去除。 一般用光學(xué)系統(tǒng)將光斑尺寸聚到幾微米到幾十

12、微米。由于光斑可以聚得很細(xì)，所以能加工極微細(xì)和特別深的孔。從深徑比來(lái)看，用激光打出的孔，其深度與孔徑的比值可高達(dá)50以上，這是用其他方法難以達(dá)到的。例如用一般方法在極硬的氧化鋁陶瓷上加工小孔所得到的深徑比為2，超聲波法只有4，而用激光打孔則可達(dá)25。 1.7 激光打孔 可用于任何材料上打孔：軟的如嬰兒奶瓶蓋上的膠嘴；硬的有天然鉆石。 節(jié)省工序：生產(chǎn)化纖用的噴絲頭，是用難熔的硬質(zhì)合金制成的、一般要在直徑為10cm的噴絲頭上鉆一萬(wàn)多個(gè)直徑60m的小孔，采用激光打孔后，工序由17道減為1道，節(jié)約勞動(dòng)力23。激光打孔的應(yīng)用1.7 激光打孔 速度快，效率高，尤其高密度群孔加工； 大深徑比，傳統(tǒng)不大于1：

13、10，激光在碳鋼上加工的小孔深徑比達(dá)65：1； 可加工硬脆軟材料； 可在難加工材料上加工斜孔。 1.7 激光打孔 激光打孔的特點(diǎn)1.7 激光打孔 1.8 激光打標(biāo)和激光雕刻 打標(biāo)是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一項(xiàng)加工技術(shù)，其目的是在產(chǎn)品的表面或外包裝上打上各種標(biāo)識(shí)性文字、圖案及數(shù)字等。激光可以在各種質(zhì)地、各種形狀的產(chǎn)品上打上標(biāo)記，而其最具特色的依然是在微小物件上打標(biāo)。許多集成電路芯片上都印有公司商標(biāo)和有關(guān)數(shù)據(jù)，這些芯片的標(biāo)記區(qū)域一般都只有幾毫米到十幾個(gè)毫米的大小，以往用油墨打標(biāo)系統(tǒng)，存在著標(biāo)志質(zhì)量不高或不能永久保持等問(wèn)題，改用激光打標(biāo)后，標(biāo)記清楚且不易脫落。激光打標(biāo)1.8 激光打標(biāo)和激光雕刻 激光打標(biāo)

14、 雕刻是一門古老的藝術(shù)，傳統(tǒng)工藝都是從外部刻起；激光卻可以在不損傷工件外表面的情況下深入其內(nèi)部進(jìn)行操作。1996年8月在美國(guó)丹佛舉行的國(guó)際工程光學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上，俄羅斯學(xué)者展示了一件高科技工藝品。它是一塊比普通磚稍厚的玻璃磚，里面雕刻著克里姆林宮內(nèi)幾座教堂式建筑，而磚表面則完整無(wú)缺。 1.8 激光打標(biāo)和激光雕刻 激光雕刻激光加工的水晶內(nèi)雕1.8 激光打標(biāo)和激光雕刻 激光雕刻 水晶內(nèi)雕產(chǎn)品是九十年代后期才出現(xiàn)的工藝品。雕刻的作品懸浮在水晶內(nèi)部，表面卻完好無(wú)缺。它就是利用了具有一定穿透力的激光，在加工水晶時(shí)在局部產(chǎn)生高熱量蒸發(fā)水晶中的一點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)小孔，這些小孔能排列成特定的形狀，制成獨(dú)特的工藝品。2.1 數(shù)控線切割機(jī)床 一、線切割機(jī)床工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用二、線切割機(jī)床組成部分三、線切割自動(dòng)編程軟件使用介紹2.2 線切割機(jī)床工作原理 脈沖電源發(fā)出一連串的脈沖電壓，加到工件電極和鉬絲電極上。 鉬絲與工件之間噴入具有絕緣性能的工作液。當(dāng)鉬絲與工件的距離小到一定程度時(shí)，在脈沖電壓的作用下，工作液被擊穿，在鉬絲與工件