激光加工技术

1激光加工技术2激光表面改性技术（激光淬火技术、激光表面熔凝、激光熔覆）激光去除材料技术（激光打孔、激光切割）激光焊接（激光热导焊、激光深熔焊、激光复合焊）激光快速成型技术（立体光造型技术、选择性激光烧结技术、薄片叠层制造技术）激光清洗技术激光弯曲3激光加工已经成为21世纪先进制造技术不可缺少的一部分。激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体变形或改性的加工过程。按照光与物质作用的机理，可分为激光热加工与激光光化学反应加工。激光热加工是基于激光束照射物体所引起的快速热效应的各种加工过程。激光光化学反应是借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。激光热加工现在已发展得比较成熟，本章主要讨论与激光热加工有关的问题。47.1激光热加工原理1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图图7-1各种参数条件下激光加工的可能应用和影响57.1激光热加工原理1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：(1)材料对激光的吸收(2)材料的加热(3)材料的熔化与汽化(4)激光等离子体屏蔽现象激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。67.1激光热加工原理如图7-2所示，为等离子云变化的过程：当激光功率较小(106Ｗ/ｃｍ2)时，产生的等离子体是稀疏的。它依附于工件表面，对于激光束是近似透明的。当激光束功率密度处于106～107Ｗ/ｃｍ2范围时，等离子体明显增强，表现出对激光束的吸收、反射和折射作用。这种情况下等离子体向工件上方和周围扩展较强，在工件上方形成稳定的近似球形的云团。当功率密度进一步提高达到107Ｗ/ｃｍ2以上时，等离子体强度和空间位置呈周期性变化图7-2等离子云变化的过程71.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。7.2.1激光淬火技术的原理与应用2.图7-3为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火图7-3柔性激光加工系统示意图3.激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。图7-4所示为45钢表面激光淬火区横截面金相组织图图7-4钢表面激光淬火区横截面金相组织图84.图7-5所示为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线7.2.1激光淬火技术的原理与应用图7-5该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线图早在1974年，美国通用汽车公司在世界上最先将激光淬火技术应用于汽车转向器壳体的表面强化，实现大批量工业化生产。壳体的材料为可锻铸铁，精度要求高，淬火费用仅为高频感应加热淬火和渗氮处理的l／5。我国激光淬火技术研究在二十世纪八十年代初期开始起步，发展十分迅速，现已在国内建立了数十条激光淬火生产线。如长春第一汽车集团公司和北京吉普车公司先后将激光淬火技术用于汽车缸套内壁强化。激光淬火后，缸体耐磨性比电火花强化缸套提高约1倍。北京某公司对汽车发动机缸体进行激光硬化处理，将使用寿命提高3倍。97.2.2激光表面熔凝技术1.用激光束将表面熔化而不加任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。有些铸锭或铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂、金属化合物及气孔等缺陷。如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度，耐腐蚀性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却使晶粒得到细化。与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材，如图7-9所示。图7-9激光熔凝处理后横截面组织示意图2.图7-10给出了激光熔凝处理后，T10钢表面显微硬度沿深度方向的分布。图7-10T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布107.2.3激光熔覆技术1.激光熔覆(LaserCladding)技术是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成合金化的熔覆层，以改善其表面性能的工艺。2.激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。图7-11同步送料法激光熔覆示意图3.预置涂层法工艺是先在基材表面预置一层金属或者合金，然后用激光使其熔化，获得与基材冶金结合的熔覆层。4.同步送料法指在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层的工艺过程。。117.3激光去除材料技术激光去除材料是改变材料的尺寸或形状的激光加工工艺，是一种激光尺寸加工方法。激光去除材料的机制主要分两种，一种完全取决于激光与材料相互作用，例如材料气化、材料蒸发；另一种在激光与材料相互作用同时还采用一些辅助方法，例如氧化、气吹。基于激光去除材料的加工方法有激光打孔和激光切割两种。121.激光打孔原理：激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图7-13）。加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。7.3.1激光打孔图7-13激光打孔机的基本结构示意图视频：激光打孔机137.3.1激光打孔图7-15离焦量对打孔质量的影响2.激光打孔工艺参数的影响※脉冲宽度对打孔的影响：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。※激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图7-15）。147.3.1激光打孔3.激光打孔工艺参数的影响※被加工材料对打孔的影响※脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。例如，对玻璃、石英、陶瓷等材料应选用波长为10.6μ的二氧化碳激光器；对宝石轴承打孔则应选用波长为0.6943μ的红宝石激光器。4.应用实例：用激光加工系统打薄板筛孔图7-15薄板打孔效果图157.3.2激光切割1.激光切割的原理与特点切割过程中，激光光束聚焦成很小的光点。使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。2.激光切割的特点图7-17激光切割头的结构示意图切割方法切缝宽度/mm热影响区宽度/mm切缝形态速度设备费激光切割0.2-0.30.04-0.06平行快高气切割0.9-1.20.6-1.2比较平行慢低等离子切割3.0-4.00.5-1.0楔形快中高视频：激光雕刻PCB新型高速磁悬浮驱动激光机163.激光切割分类及其机理※汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右，是无熔化材料的切割方式。※熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右※氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。图7-17激光切割头的结构示意图171.激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的部分熔化而将两个零件或部件连接起来。2.激光焊接相对于传统方式的优点：1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。3.激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种。热导焊采用的激光功率为105w/cm2左右，是靠热传导进行焊接的，焊缝深度小于2.5mm，焊缝的深宽比最大为3：1。深熔焊采用的功率密度在106~107w/cm2之间，焊缝的深宽比最大可达12：17.4激光焊接视频：ESP回顾、激光焊接深圳华天激光焊接激光焊187.4.1激光热导焊热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。在激光束向前运动后，溶池中的熔融金属随之凝固，形成连接两块材料的焊缝。197.4.2激光深熔焊当激光功率密度达到106-107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底，称为小孔效应(KeyholeEffet)。小孔的作用和黑体一样，能将射入的激光能量完全吸收，使包围着这个孔腔的金属熔化。孔壁外液体的流动和壁层的表面张力与孔腔内连续产生的蒸气压力相持并保持着动态平衡。光束携带着大量的光能量不断进入小孔，小孔外材料在连续流动。随着光束向前移动，小孔始终处于流动的稳定状态。小孔随着前导光束向前移动后，熔融的金属充填小孔移开后留下的空腔并随之冷凝形成焊缝，完成焊接过程。20激光焊接过程中的几种效应(1)深熔焊焊接过程中的等离子体激光焊时，金属被激光加热汽化后，在熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子吸收能量而被加速，直至其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体，电子密度从而雪崩式地增加，产生等离子体。（2）壁聚焦效应当激光深熔焊小孔形成以后，激光束将进入小孔。当光束与小孔壁相互作用时，入射激光并不能全部被吸收，有—部分将由孔壁反射在小孔内某处重新会聚起来，这一现象称为壁聚焦效应。壁聚焦效应的产生，可使激光在小孔内部维持较高的功率密度，进一步加热熔化材料。21（3）净化效应净化效应是指CO2激光焊时，焊缝金属有害杂质元素减少或夹杂物减少的现象。产生净化效应的原因是，对于波长为10.6μm的CO2激光，非金属夹杂物的吸收率远远大于金属，当非金属和金属同时受到激光照射时，非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而汽化。当这些元素固溶在金属基体时，由于这些非金属元素的沸点低，蒸气压高，它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝中的有害元素减少，这对金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大好处。227.5激光快速成型技术国外于20世纪80年代末发展了一种全新的制造技术，即所谓快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP)。与传统的制造方法不同，这种高新制造技术采用逐渐增加材料的方法来形成所需的零件形状，故也称为增材制造法(MaterialIncreaseManufacturing，简称MIM)。23快速成型技术的基本工作原理是离散、堆积。首先，将零件的物理模型通过CAD造型转化为计算机电子模型，然后将CAD模型转化为STL（stereolithography）文件格式，用分层软件将计算机三维实体模型在Z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，用计算机控制下的激光束有选择地固化或粘结某一区域，从而形成构成零件实体的