1、激光加工技术姓名： 班级： 学号：1、激光加工的原理、特点：1）激光加工原理：激光是一种经受激辐射产生的强光，他具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大综合性能。通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被融化甚至气化。随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波，因此，激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和受冲击波抛出的综合作用过程。图 5-2 固体激光器的结构示意图2）激光加工的特点:激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存
2、在的优势：由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。 激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如：美国通
3、用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到 4H 即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要 9H 以上。仅此一项，每台发动机的造价可省 5 万美元。激光切割钢件工效可提高 8-20 倍，材料可节省 15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。表 1-2 常用激光器的性能特点种类特性固体激光器 气体激光器名称红宝石 钕玻璃 掺钕钇铝石榴石母体 Al2O3人工晶体 非晶体硅酸盐YGA(Ae5O12,Nd3+)CO2(He、Xe、N 2、 H2)工作物质激活粒子含 0.05%Cr3+ 含 1%5% Nd 3+
4、含 1% Nd3+ CO2激光波长/m0.6943 1.06 1.06 10.63导热性能较好（或通风或水冷）差（需水冷） 良好 差（需水冷）振荡形式 脉冲脉冲（低重复频率）脉冲（连续） 脉冲（连续）能量效率% 0.10.3 46 37 1530脉冲几个几十焦耳脉冲几个焦耳输出能量或功率/（J 或 W）几个十焦耳几个几十焦耳连续1001000W连续几十几千瓦稳定性 较好 次之 次之 -主要用途 打孔、焊接 打孔、焊接打孔、切割焊接、微调切割、焊接、热处理、微调2.激光的产生及其特性1)激光的产生光的产生与光源内部原子运动状态有关，原子内的原子核和核外电子间存着吸引和排斥的矛盾，电子按一定半径的
5、轨道围绕原子核运动。当原子接受一定的外来能量或向外释放一定的能量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，这就是发光的原理。激光是通过入射光子影响处于亚稳态高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级而完成受激辐射时发出的光，简言之，激光就是受激辐射得到的加强光。某些具有亚稳态高能级结构的物质，如氦、氪原子、氩、铬、钕离子以及二氧化碳分子等，在较高能级（亚稳定）的原子数目大于处在低能级（基态）的原子数目，这种现象称为“粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如果有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于这两个能级的能量差，就能产生受激辐射而输出大量的光能。这种在频率、相位、传播方向、偏振方向都与外来光子完全一
6、致的光就是激光。如果设法使受激辐射连锁反应持续下，就能产生和光束方向性很一致的激光。粒子数能级间反转的情况和激光的形成如图 5-1 所示。 图 3-1 粒子数反转的建立和激光的形成2)激光的特性普通光源的发光是以自发辐射为主，基本上是无序地、相互独立地产生光发射，发出的光波无论方向、相位或者偏振状态都不相同。激光不同于普通光，它是以受激辐射为主，同时各发光中心所发射出的光波具有相同的频率、方向偏振和严格的相位关系。因此，激光除了具有反射、折射、绕射和干射等一般光共性外，还具有亮度和单色性、方向性、相干性好等特点，见表 5-1。表 3-1 激光特性普通光源 激光光原亮度电灯：约 470sb太阳：
7、约 1.65X105sb红宝石巨脉冲激光器，约3.7X1015sb(输出功率 1000MW/cm2)方向性 无确定方向、发散角大、难会聚0.1mrad(近似于平行光)，光束会聚其焦点处光斑为 10m单色性 氪灯光源的谱线宽一般为 0.0047 激光的谱线宽一般小于 10-7 相干性 氪灯光源的相干长度为 78cm 激光相干长度可达几十公里光源的亮度通常是指在垂直于光源表面的单位面积上单位时间在单位立体角内发射出的光能。单位常以熙提（Sb）表示，熙提=0.0016W/(cm2.sr)。如果将分散在 180sr 范围内的光能全部压缩到 0.18sr 范围内发射，在不增加总发射功率的情况下，发光体在
8、单位立体角内的发射功率就可以提高 100 万倍，即亮度提高 100万倍。如果把一秒时间内发出的光能压缩在亚毫秒（10 -4s）时间发射，形成短脉冲，则在平均功率不变的情况下，瞬时脉冲功率也可以提高几万倍，从而大提高了激光的亮度。由上可知，激光在方向、截面和时间上可以做到高度集中，因而可以使激光在聚焦处的功率密度高达 10710 11W/cm2。3.激光加工的基本设备激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统和机械系统等四大部分。近代将激光技术与计算机控制结合，组成柔性激光制造系统。此系统可控制全部激光输出参数和光学调整量以及正确迅速的控制工作台位置，对不同的产品只更换软件，从而大提高了激光加
9、工的效率、精度以及产品更换的适应性。1)激光器激光器是激光加工的核心设备，通过它可以把电能转化成光能，获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。按材料分：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器。按工作方式分：连续激光器和脉冲激光器。表 5-2是几种常有激光器的特性。2)激光器电源激光电源根据加工工艺的要求，为激光提供所需的能量及控制功能。由于激光器的工作特点不同，对供电电源的要求也不同，因而它们对供电电源的要求也不同。如，固体激光器电源有连续和脉冲的二种；气体激光器电源有直流、射频、微波、电容器放电以及这些方法的综合使用等，故电源种类较多。3)光学系统光学系统包括聚焦系统
10、和观察瞄准系统。聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上；为了使激光束准确地聚焦在加工位置，要有焦点位置调节以及观察描准系统。4)机械系统机械系统主要包括床身、工作台和机电控制系统。4激光加工技术的应用激光加工应用范围很广，其原因是其输出功率较大，既可脉冲输出，也可连续输出；激光束既可以聚焦成小的光斑，也可聚焦成直线或其它形状；功率密度可调范围大；激光可以在不同的环境下工作；同时也能很方便地用在其它方法不易加工的地方。激光加工的应用主要是打孔、切割、雕刻、焊接、表面处理和改性等几个方面。它们之间从加工原理上看，基本上是相同的，都是利用激光产生的瞬间高温进行加工，只是随加工条件的不
11、同，所要求的温度和加工延续时间有所差异。材料加热温度的高低主要取决于激光辐射功率密度。功率在 10310 4W/cm2时只能加热材料，在 10510 6W/cm2时，材料开始熔化；到 10610 7W/cm2以上时材料则产生蒸发。激光辐射在加工材料上引起的作用不仅与辐射的功率密度有关，还与辐射的延续时间有关，调节这两个参数，便可以得到不同的工艺规范，进行加工。4.1 激光打孔许多高精尖产品的关键零部件都设计有许多小孔。激光打孔是激光加工的主要应用领域之一，主要用于小孔、窄缝的微细加工。如图是激光打孔的设备及工件。激光打孔与其他打孔方法相比，具有效率高、效果好、重复精度高、通用性强、成本低及综合
12、技术经济效益显著等优点。激光加打孔的主要特点是：1）可加工精度高、深径比大的微小孔；2）能加工小至几微米的小孔；3）可加工异型孔；4）能在所有金属和非金属材料上打孔；5）容易实现自动化，加工效率高。提高打孔精度的错施：1）投影法打孔；2）光柱法打孔；3）激光脉冲的调制；4）喷气加工。4.2 激光切割激光切割的原理和激光打孔原理基本相同，都是基于聚焦后的激光具有极高的功率密度（达 10510 6W/cm2）而使工件材料瞬时气化蚀除。所不同的是工件与激光束要相对移动，一般都是移动工件。激光切割可分为脉冲激光切割和连续切割两大类。脉冲激光适用于切割金属材料，连续激光切割适用于切割非金属材料。连续输出
13、的激光束会因热传导而使切割效率降低，同时热影响层也较深，因此，在精密机械加工中，一般都采用高重复率的脉冲激光器。为了提高切割速度和切口质量，采用同轴吹气（O 2、CO 2、N 2、Ar 或压缩空气）工艺。大量的生产实践证明，切割金属材料时，采用同轴吹氧工艺，可以大大提高切割速度，而且粗糙度也明显改善。切割布匹、纸张、木材等易燃材料时，则采用同轴吹保护气体，能防止烧焦和缩小切缝。下图为激光切割设备及工件：与传统切割方法相比，激光切割具有下列特性：1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料；2）切割精度高。切缝（一般 0.1mm0.2mm）、加工精度和重复精度高。对轮廓复杂和小曲率半径等外
14、形均能达到微米级精度；3）非接触切割。被切割工件不受机械作用力、变形小。适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等硬脆材料及蜂窝结构和薄板等刚性差的零件；4）切割速度高。一般可达 24m/min；5）切割的深宽比高。对于金属可达 30 左右，对于非金属可达 100 以上；6）切割质量优良；7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工。4.3 激光焊接激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时不需要很高的能量密度使工件材料气化蚀除，而只要将工件的加工区“烧熔”，使其黏合在一起。因此激光焊接的能量密度较低，一般为 10510 6W/cm2，通常可用减小激光输出功率来实现。按激光器焊接的工作方式，可分为脉冲激光焊接
15、和连续激光焊接。其中，脉冲输出的红宝石激光器和钕玻璃激光器适合于点焊，而 CO2激光器和 YAG 激光器适合于缝焊。下图为激光焊接的设备及工件：激光焊接有如下优点：1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速；2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属；3）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利；4）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀；5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接。4.4 激光热处理激光热处理是利用大功率连续波激光器对材料表面进行激光扫描，使金属表层材料产生相变甚至熔化。随着激光束离开工件表面，工件表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度，使表面硬化，从而提高零件表面的耐磨
16、性、耐腐蚀性和疲劳强度。激光热处理采用的激光器有 CO2激光器和 YAG 激光器。激光热处理有多种形式，如激光相变硬化、激光表面合金化、激光冲去硬化和激光非晶化等，其中以激光相变硬化和激光表面合金化应用最为广泛。激光淬火需要的功率密度为 10310 5W/cm2，照射时间 10-2min，在激光照射区内材料表面的升温速度可达 10510 6/s，使材料表面迅速达到相变温度。一旦激光束离开后，热量从材料表面迅速向内部传导发散，其冷却速度可达 104/s 以上，在急热急冷过程中，实现快速自冷淬火。激光淬火的重要特征是变形极小，仅为高频淬火变形的 1/51/3。下图为机激光热处理的设备及工件：激光热
17、处理的特性1）处理速度快；2）变形小；3）效率高。4.5 激光微调激光微调主要用于调整电路中某些元件的参数，以保证电路的技术指标。当前是指对电阻的微调。在微电子电路中，一般多采用薄膜电阻和厚膜电阻两种电阻。前者厚度为几十纳米至几微米，常用钽或镍铬合金，通过真空蒸镀制作；后者厚度为几微米至几十微米，主要用钯、钌、氧化铊等，由浆料印刷制作。两种电阻在微调前的阻值偏差可达 5%25%，而很多电路却要求小于 1%。传统微调方法是用机械磨蚀（对厚膜电阻）和电火花蚀除（对薄膜电阻），精度和效率均较低。激光微调电阻可采用两种方法：一是对电阻进行无损伤照射，使膜的结构变化，从而改变阻值；另一方法是对电阻进行高
18、能量照射，使部分电阻膜气化去除，从而减小导电膜的截面来增加阻值。目前后一种方法用的较多。激光微调精度一般为0.05%，可达 0.02%或更小。5 激光加工的发展前景激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；
19、微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。参考文献1. 赵万生. 张学政. 特种加工技术. 2001 年，6 月 第 1 期 2.张辽远，现代加工技术。北京：机械工业出版社，2008.73.宋威廉，激光加工技术的发展。北京：机械工业出版社，2008.34.曾智江 朱三根，微细技工技术的研究。北京：高等教育出版社，2007.125.孟永刚，激光加工技术。北京：国防工业出版社，2008.01
