1、 高能束加工方法论文学院：机电工程学院专业：机械制造设计及其自动化班级：2010 级机电（3）班姓名：赵小强学号：100103181目 录1 前言 .32 激光加工的特性 .32.1 激光技术原理 .32.2 激光加工技术的先进性 .43 激光加工的应用 .43.1 激光切割 .43.1.1 激光切割的原理 .43.1.2 激光切割的分类 .43.2 激光焊接 .53.2.1 激光焊接的原理 .53.2.2 激光焊接的分类 .53.3 激光打孔 .63.3.1 激光打孔的原理 .63.3.2 激光打孔的分类 .63.4 激光热处理.63.5 激光特种加工方法的发展.74 加工精度.75 激光加
2、工的展望 .8参考文献 .92激光加工的应用及展望摘 要：激光加工由于其不需要加工工具，加工速度快，表面变形小，可控性好，程序简单污染程度小等特点，广泛应用于各个领域，特别是一些微细加工和某些传统加工方法难以达到的高硬度、高熔点材料。通过介绍几种激光加工的实际应用，并分析其发展状况，提出在科技不断进步，技术不断提高的时代，激光加工的应用也会涉及更多的领域并且有良好的发展前景。1 前言激光是一种因刺激产生辐射而强化的光。激光加工技术即利用激光与物质相互的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门技术 1，是 20 世纪 60年代初发展起来的崭新的加工方法。激光不需要加工工具和特殊的
3、环境，加工速度快，可控性好，对加工对象的材质、形状、尺寸等要求小，特别适用于自动化加工。其诸多优点使其广泛应用于电气与电子、机械工业、化工、轻工等工业部门。从激光加工的兴起到广泛应用，其加工技术也不断地发展，发挥着越来越重要的作用。2 激光加工的特性2.1 激光技术原理激光具有一般光的共性，但更重要的是它的特性，即强度高、单色性好、相干性好、方向性好。 2科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态。当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量。这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引起一
4、连串的连锁反应，并且都朝同一个方向前进，进而形成集中地朝向某一方向的强烈光束。 3激光的这个特性表明其可以在一个狭小的3范围内集中高能量，聚焦以后可以穿透各种材料。这个主要特性使其得以广泛应用。2.2激光加工技术的先进性激光的四大特性为激光加工带来了很多其他传统加工所不具备的优势。激光加工不需要工具，属于非接触加工，故不存在设计制造工具和加工过程中工具损耗的问题，并且很适宜自动化连续操作。激光能聚焦成极小光斑，可进行细微和精密加工，并且可以加工任何硬度的金属和非金属材料，加工速度快、效率高，使其应用灵活，大大地降低了劳动强度，并且不会产生污染。激光加工技术的各种特点和优势让激光加工发挥着重要的
5、作用，应用于各个领域。3 激光加工的应用激光加工技术的上述先进性为其带来的优势，使其具体应用在激光切割，激光焊接，激光打孔，激光打标，激光雕刻等比较常用的加工方法和加工范围。随着技术的不断提高和各种需求的不断增长，激光还应用在激光淬火，激光熔覆，激光快速成型技术，还有水导激光等非常规激光加工。3.1 激光切割激光切割是激光加工技术在工业上广泛应用的一个方面，因此其加工过程既符合激光与材料的作用原理，又具有自己的特点。3.1.1 激光切割的原理 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使其照射处的材料迅速即熔化、汽化、烧蚀，并形成孔洞，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，随着光束和
6、工件的相对运动，最终使工件形成切缝，从而实现割开工件的一种热切割方法。 43.1.2 激光切割的分类 从切割过程不同的物理形式来看，激光切割大致可以分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割，其中以氧助熔化切割应用最广泛。汽化切割：工件在激光束加热下升至沸点以上温度，部分材料化作蒸气逸去，部分作为喷出物从切割逢底部吹走。这是对不能熔化的材料如木材、碳素和某些塑料所要采用的切割方式。4熔化切割：激光束功率密度超过一定值时，会在工件内部蒸发，形成空洞。然后，与光束同轴的辅助气流把空洞周围的熔融材料驱除、带走。对于薄板材料，提高速度使更多光束照射材料，增加与材料的耦合功率，获得保证切割质量的
7、较宽参数调节区。对于厚板材料，在冷气流凝固前除去熔化产物，切割过程则可以继续进行。氧助熔化切割：如果用氧或其它活性气体代替熔化切割所用的惰性气体，由于热基质的点燃，激光能外的另一热源同时产生。在拥有两个能源的氧助切割过程中，存在着两个切割区域：一个区是氧燃烧速度高于光束行进速度，这时切割缝宽且粗糙；另一个区是激光束行进速度比氧燃烧速度快，所得切缝狭而相当光滑。控制断裂切割：通过激光束加热，易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断。其速度快，只需很小的功率。激光切割总的特点是高速度、高质量切割，其主要的不足之处是切割深度有限和一次性投资较大。但是在常规方法不变切割的地方，激光切割就具有较大优越性，随
8、着激光系统质量不断提高和激光加工系统价格逐渐降低，具有更强的竞争力。3.2 激光焊接工业激光器作为一种高效可靠地生产工具已被广泛接受，激光焊接作为一种重要的激光加工技术得到了日益广泛的应用和不断地开发于研究。3.2.1 激光焊接的原理 将高强度激光束直接辐射至材料表面，通过激光与材料的相互作用，使材料局部熔化实现焊接。激光与材料相互作用过程中，会出现光的反射、光的吸收、热传导及物质的传导。3.2.2 激光焊接的分类 按激光光束的输出方式的不同，可以把激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊。若根据激光焊时焊缝的形成特点，又可以分为热导焊和深熔焊。 5热传导焊接：在热传导型激光焊接中，辐射至材料表面的功
9、率密度较低，光能量只能被表层吸收，不产生非线性效应或小孔效应。深熔焊：其机制与电子束焊和等离子焊很相似，其能量传递与转换是通过“小孔”完成的。当激光束功率密度足够高，引起被焊金属材料蒸发时，小孔即可想成。但是在大多数常规焊接很热传导焊接过程中，能量首先积聚在材料表面。然后通过热传导带到材料内部，是两种不同的焊接机制。激光焊接是一种无接触加工，对焊接零件没有外力作用。激光能量高度集中，对5金属快速加热，快速冷却，对许多零件热影响可以忽略不计，可以认为不产生热变形，或者说热变形极小。能够焊接高熔点、难熔、难焊的金属，并且在焊接过程中对环境没有污染。激光焊接在电子工业、国防工业、仪表工业、电池工业、
10、医疗仪器以及许多行业中均得到了广泛的应用。3.3 激光打孔激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一。3.3.1 激光打孔的原理 激光打孔过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程，它是由激光光束特性和物质诸多的热物理特性决定的。激光打孔在激光加工中属于激光去除类，也被称为蒸发加工。3.3.2 激光打孔的分类 激光打孔分类方法较多，按激光打孔的原理、激光运转方式、打孔材料、激光波长、空的类型可有不同的分类。按照打孔的原理主要可以分为复制法和轮廓迂回法。复制成形法：激光束以一定的形状及精度重复照射到被加工工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相
11、对位移，所得孔的形状与激光束相似。通过调整参数或在光学系统中加入异性孔阑，使输出激光束以特定的形状和精度重复照射到工件固定的一点上， “复制”出与光束形状相同的孔。轮廓成形法：采用逐点挖坑，分层去除的方式进行激光加工的。利用轮廓成形法，可以对形状复杂的变截面孔加工，并获得精度很高的孔形。激光打孔的速度快，效率高，可以获得很大的深径比，适合数量多、高密度的群孔加工，还能够在硬、脆、软等各类材料上进行加工，并且无污染。利用激光几乎可以在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。 73.4 激光热处理用
12、激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。 63.5 激光特种加工方法的发展激光加工的应用范围还在不断扩大，如用激光制造大规模集成电路，不用抗蚀剂，工序简单,并能进行 0.5 微米以下图案的高精度蚀刻加工，从而大大增加集成度。此外，激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。4 加工精度激光切割的加工精度是由
13、加工机性能、光 束 品质、加工现象而决定的整体精度。 4.1、 关于尺寸变化 即使按照程序进行切割，也有加工产品无法满足精度要求的情况。所以需要根据不同的情况采取对策。 4.1.1 加工产品的全体尺寸有变化 这是由于切口上激光焦点直径和其周围燃烧区域形成的切口宽度所影响的。 虽然在相同条件下，对相同的加工物，使用同一偏置补偿值可以确保其精度，但是焦点位置的设定要凭借加工机操作人员的感觉来确定，而且热透镜作用也会造成焦点位置的变化，所以需要定期检查最佳的偏置补偿值。 4.1.2 加工方向(部分)上的尺寸误差有差别 板材上部的尺寸精度与尺寸精度有不同的情况。这个现象要考虑两方面 的原因。首先，光束
14、圆度和强度分布不均一，造成切口宽度沿加工方向有所不同。解决的方法是进行光轴调整或清洗光学部件。其次，被加工物受热膨胀会引起加工形状长方向尺寸变短的情况。 4.1.3 翘曲引起的变化 尺寸精度虽然在要求范围内，但由于热变形等原因会造成发生翘曲。加工铝、铜、不锈钢等时非常显著，它受到线膨胀系数、热容量等物性的影响。就加工形状来说，纵横比越大，翘曲量就越大。采用低热量加工条件以及加工线路等在加工程序上下工夫，但还没有完全解决问题。 加工板件所拥有的残留应力对翘曲和尺寸误差也有影响，所以我们需要对加工程序始终保持一定的配置方向。 4.1.4 间距精度变化 加工很多孔时，孔与孔之间的间距精度会出现偏差。
15、由于在热膨胀情况下开孔，冷却收缩后，间距变小。我们可以在程序中补正收缩部分的精度或者灵活运用形状缩放功能。无论什么情况，都要在初期加工后，测定其加工尺寸，补误差。当间隔精度不随加工位置而变化，而是在整个加工区里都恶化时，其原因是机械精度的恶化而造成的。 5圆度变化 在激光加工中加工孔切割面产生坡度是无法避免的，下面直径比背面直径大，一般都评估背面稍小7一侧的圆度。5 激光加工的展望由于激光束与物质的相互作用研究的发展，以及激光器的输出功率的提高并变成了商品，使激光器走出了实验室变成了工业中加工材料的设备。在 20 世纪 80 年代，激光器的质量进一步提高，反映在自动化程度和检测、控制功能上的提
16、高。进年来，由于准分子激光器的发展，又有了新的激光加工系统。准分子激光器的光束属于紫外波段，其加工机理有别于 YAG、CO 2 激光。准分子激光加工的前途有待发展，如何提高准分子激光器的寿命，如何提高它的输出功率和改善其输出光束质量也是需要解决的。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在新能源、汽车制造、环境监测、通信及国防安全等领域都起着重要的作用。在 2007 年中国嫦娥探月工程中，激光高度计、高速 CCD 相机已成为探月卫星的“千里眼” 。世界上已经形成了一个围绕激光技术的庞大、高附加值得产业群。而且有人预言，未来激光时代有可能取代以微芯片为代表的硅时代。 6参考文献1陈江，刘玉兰.激光再制造技术工程化应用J.中国表面工程，2006,19（5）：50-55.2刘晋春，陆纪培.特种加工M.吉林：吉林人民出版社，1981.3牟雪雷，于磊，甘露，李世柱，许世良.激光加工技术在农机制造中的应用及发展J.农机化研究，2011,33(6):249-252.4李建新，王绍理.激光加工工艺与设备M.湖北：湖北科学技术出版社,2008.5王家金.激光加工技术M.北京：中国计量出版社,1992.6蒋亚宝. 激光加工的灵感与创新J.金属加工热加工，2008，8:11-13.7刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工M.北京：机械工业出版社，2011.
