第5章 激光加工

第5章激光加工

一.激光加工的產(chǎn)生原理第一節(jié)激光加工的原理和特點

二、激光的特性

1.強(qiáng)度高

2.單色性好

3.相干性好

4.方向性好

三.激光加工的原理與特點

1.激光加工的原理 激光是一種強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的(微米甚至亞微米)小斑點上，加上它本身強(qiáng)度高，故可以使其焦點處的功率密度達(dá)到107～1011W/cm2，溫度可達(dá)10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。因此，激光加工(如圖5-1所示)是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。圖5-1激光加工示意圖

2.激光加工的特點 激光加工的特點主要有以下幾個方面：

(1)幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。

(2)激光能聚焦成極小的光斑，可進(jìn)行微細(xì)和精密加工，如微細(xì)窄縫和微型孔的加工。

(3)可用反射鏡將激光束送往遠(yuǎn)離激光器的隔離室或其它地點進(jìn)行加工。

(4)加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機(jī)械加工變形。

(5)無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。第二節(jié)激光加工的基本設(shè)備

一、激光加工機(jī)的組成部分

激光加工的基本設(shè)備由激光器、激光器電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)四大部分組成。

（1）激光器 激光器是激光加工的重要設(shè)備，它的任務(wù)是把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類。由于He-Ne(氦—氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機(jī)械制造的精密測量中被廣泛采用。而在激光加工中則要求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳?xì)怏w激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。

（2）激光器電源為激光器提供所需要的能量的裝置。

（3）光學(xué)系統(tǒng) 根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為光學(xué)系統(tǒng)。

（4）機(jī)械系統(tǒng) 激光加工機(jī)械系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標(biāo)范圍內(nèi)移動的工作臺及機(jī)電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多激光加工系統(tǒng)已采用計算機(jī)來控制工作臺的移動，實現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作。

二、激光加工常用激光器

1.固體激光器（1）固體激光器的基本組成

（2）固體激光器的分類

①紅寶石激光器：紅寶石是摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%氧化鋁晶體，發(fā)射λ=0.6943um的紅光，它易于獲得相干性好的單模輸出，穩(wěn)定性好。②釹玻璃激光器：釹玻璃是摻有少量氧化釹的非晶體硅酸鹽玻璃，釹離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%~5%左右，吸收光譜較寬，發(fā)射λ=1.06um的紅外激光。③摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器：它是在釔鋁石榴石晶體中摻以1.5%左右的釹而成的。產(chǎn)生激光的也是釹離子，也發(fā)射λ=1.06um的紅外激光。

2.氣體激光器的分類

（1）二氧化碳激光器為了提高激光器的輸出功率，二氧化碳激光器一般都加進(jìn)氮、氦、氙等輔助氣體和水蒸氣。

2.氣體激光器的分類

（2）氬離子激光器

一、激光打孔 隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點高的材料應(yīng)用越來越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機(jī)中的燃料噴嘴等。這類加工任務(wù)，用常規(guī)的機(jī)械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務(wù)。

第三節(jié)激光加工的應(yīng)用

二、激光切割 激光切割(如圖5-2所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動。在實際加工中，采用工作臺數(shù)控技術(shù)，可以實現(xiàn)激光數(shù)控切割。 激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細(xì)切割，也可采用YAG激光器。 激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對被切割材料不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，故在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件。

圖5-2CO2氣體激光器切割鈦合金示意圖

激光切割過程中，影響激光切割參數(shù)的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。

三、激光打標(biāo) 激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標(biāo)志(如圖5-3所示)。圖5-3振鏡式激光打標(biāo)原理

激光打標(biāo)的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標(biāo)刻，工件不會變形和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標(biāo)記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標(biāo)刻速度快，運行成本低，無污染，可顯著提高被標(biāo)刻產(chǎn)品的檔次。 激光打標(biāo)廣泛應(yīng)用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通訊器材、計算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表等產(chǎn)品和煙酒食品防偽等行業(yè)。

四、激光焊接 當(dāng)激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時間約為1/100s左右時，可進(jìn)行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖5-4所示。

激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進(jìn)行焊接。圖5-4激光焊接過程示意圖

五、激光表面處理 當(dāng)激光的功率密度約為103～105W/cm2時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進(jìn)行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強(qiáng)化問題。圖5-5為激光表面淬火處理應(yīng)用實例。圖5-5激光表面強(qiáng)化處理應(yīng)用實例單元測驗一一、填空1、電火花加工中，工具電極和工件表面之間應(yīng)保持

mm的放電間隙。2、電火花加工中，工件接脈沖電源的正極時，稱

加工，工件接脈沖電源的負(fù)極時，稱

加工。當(dāng)采用長脈沖加工時，工件應(yīng)接

極，當(dāng)采用窄脈沖加工時，工件應(yīng)接

極。3、電火花線切割中，快走絲的走絲速度一般為

m/s，慢走絲的走絲速度一般為

m/s。4、電化學(xué)加工中，電解加工是利用了

的原理，而電鑄和電鍍是利用了

的原理。5、激光具有

、

、

和

四個特點。6、目前常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可分為

和

。二、問答1、試述電火花加工的特點及其應(yīng)用？2、電火花加工可分為哪四個階段？3、電火花加工中什么是“正極性”加工、“負(fù)極性”加工？它們分別應(yīng)用于什么