第七章 其他特种加工技术激光束加工第七章 其他特种加工技术
1,激光加工的原理与特点
1) 激光加工的原理激光是一种强度高,方向性好,单色性好的相干光 。 由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的 (微米甚至亚微米 )小斑点上,加上它本身强度高,故可以使其焦点处的功率密度达到 107～ 1011 W/cm2，
温度可达 10 000℃ 以上 。 在这样的高温下,任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的冲击 。 因此,激光加工 (如图 1所示 )是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程 。
第七章 其他特种加工技术图 1 激光加工示意图
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6
1— 激光器； 2— 激光束；
3— 全反射棱镜； 4— 聚焦物镜；
5— 工件； 6— 工作台第七章 其他特种加工技术
2) 激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：
(1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工 。
(2) 激光能聚焦成极小的光斑,可进行微细和精密加工,
如微细窄缝和微型孔的加工 。
(3) 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工 。
(4) 加工时不需用刀具,属于非接触加工,无机械加工变形 。
(5) 无需加工工具和特殊环境,便于自动控制连续加工,
加工效率高,加工变形和热变形小 。
第七章 其他特种加工技术
2,激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器,导光聚焦系统和加工机
(激光加工系统 )三部分组成 。
1) 激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于 He-Ne(氦 — 氖 )气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃,YAG(掺钕钇铝石榴石 )等固体激光器。
第七章 其他特种加工技术
2) 导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求,光束经放大,整形,聚焦后作用于加工部位,这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统 。
3) 激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，
许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，
实现激光加工的连续工作。
第七章 其他特种加工技术
3,激光加工的应用
1) 激光打孔随着近代工业技术的发展,硬度大,熔点高的材料应用越来越多,并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔,例如,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉丝模具,化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等 。 这类加工任务,用常规的机械加工方法很困难,有的甚至是不可能的,而用激光打孔,则能比较好地完成任务 。
第七章 其他特种加工技术激光打孔中,要详细了解打孔的材料及打孔要求 。
从理论上讲,激光可以在任何材料的不同位置,打出浅至几微米,深至二十几毫米以上的小孔,但具体到某一台打孔机,它的打孔范围是有限的 。 所以,在打孔之前,
最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解,以确定能否打孔 。
激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间,
焦距与发散角,焦点位置,光斑内能量分布,照射次数及工件材料等因素有关 。 在实际加工中应合理选择这些工艺参数 。
第七章 其他特种加工技术
2) 激光切割激光切割 (如图 2所示 )的原理与激光打孔相似,但工件与激光束要相对移动 。 在实际加工中,采用工作台数控技术,可以实现激光数控切割 。
激光切割大多采用大功率的 CO2激光器,对于精细切割,也可采用 YAG激光器 。
激光可以切割金属,也可以切割非金属 。 在激光切割过程中,由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力,再加上激光切割切缝小,便于自动控制,故在实际中常用来加工玻璃,陶瓷,各种精密细小的零部件 。
第七章 其他特种加工技术平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图 2 CO2气体激光器切割钛合金示意图第七章 其他特种加工技术激光切割过程中,影响激光切割参数的主要因素有激光功率,吹气压力,材料厚度等 。
3) 激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时变成热能,使工件表面迅速产生蒸发,
从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形,以作为永久防伪标志 (如图 3所示 )。
第七章 其他特种加工技术图 3 振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜
Y 轴马达透镜第七章 其他特种加工技术激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属,塑料,玻璃,陶瓷,木材,皮革等各种材料；标记清晰,
永久,美观,并能有效防伪；标刻速度快,运行成本低,无污染,可显著提高被标刻产品的档次 。
激光打标广泛应用于电子元器件,汽 (摩托 )车配件,医疗器械,通讯器材,计算机外围设备,钟表等产品和烟酒食品防伪等行业 。
第七章 其他特种加工技术
4) 激光焊接当激光的功率密度为 105～ 107 W/cm2,照射时间约为
1/100 s左右时,可进行激光焊接 。 激光焊接一般无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域,热熔,在一起即可,如图 7-
12所示 。
激光焊接速度快,热影响区小,焊接质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻璃进行焊接 。
第七章 其他特种加工技术图 4 激光焊接过程示意图
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2
3
4
1— 激光； 2— 被焊接零件；
3— 被熔化金属； 4— 已冷却的熔池第七章 其他特种加工技术
5) 激光表面处理当激光的功率密度约为 103～ 105 W/cm2时,便可实现对铸铁,中碳钢,甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火 。 淬火层深度一般为 0.7～ 1.1 mm,淬火层硬度比常规淬火约高 20%。 激光淬火变形小,还能解决低碳钢的表面淬火强化问题 。 图 7-13为激光表面淬火处理应用实例 。
第七章 其他特种加工技术图 5 激光表面强化处理应用实例淬硬表面淬硬表面
( a ) 圆锥表面 ( b ) 铸铁凸轮轴表面第七章 其他特种加工技术
6) 激光存储是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机信息等的存取。激光电视唱片的制作可分为原版录制和复制两个过程。在原版录制时，是将镀有薄金属膜的玻璃圆盘旋转，经调制的激光束相应地沿着玻璃圆盘的半径方向缓慢地由内向外移动，激光束便相应地熔化金属层，使图像与声音记录下来。加工机理是用激光热效应，是激光去除加工。
第七章 其他特种加工技术
1,激光加工的原理与特点
1) 激光加工的原理激光是一种强度高,方向性好,单色性好的相干光 。 由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的 (微米甚至亚微米 )小斑点上,加上它本身强度高,故可以使其焦点处的功率密度达到 107～ 1011 W/cm2，
温度可达 10 000℃ 以上 。 在这样的高温下,任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的冲击 。 因此,激光加工 (如图 1所示 )是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程 。
第七章 其他特种加工技术图 1 激光加工示意图
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1— 激光器； 2— 激光束；
3— 全反射棱镜； 4— 聚焦物镜；
5— 工件； 6— 工作台第七章 其他特种加工技术
2) 激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：
(1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工 。
(2) 激光能聚焦成极小的光斑,可进行微细和精密加工,
如微细窄缝和微型孔的加工 。
(3) 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工 。
(4) 加工时不需用刀具,属于非接触加工,无机械加工变形 。
(5) 无需加工工具和特殊环境,便于自动控制连续加工,
加工效率高,加工变形和热变形小 。
第七章 其他特种加工技术
2,激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器,导光聚焦系统和加工机
(激光加工系统 )三部分组成 。
1) 激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于 He-Ne(氦 — 氖 )气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃,YAG(掺钕钇铝石榴石 )等固体激光器。
第七章 其他特种加工技术
2) 导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求,光束经放大,整形,聚焦后作用于加工部位,这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统 。
3) 激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，
许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，
实现激光加工的连续工作。
第七章 其他特种加工技术
3,激光加工的应用
1) 激光打孔随着近代工业技术的发展,硬度大,熔点高的材料应用越来越多,并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔,例如,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉丝模具,化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等 。 这类加工任务,用常规的机械加工方法很困难,有的甚至是不可能的,而用激光打孔,则能比较好地完成任务 。
第七章 其他特种加工技术激光打孔中,要详细了解打孔的材料及打孔要求 。
从理论上讲,激光可以在任何材料的不同位置,打出浅至几微米,深至二十几毫米以上的小孔,但具体到某一台打孔机,它的打孔范围是有限的 。 所以,在打孔之前,
最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解,以确定能否打孔 。
激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间,
焦距与发散角,焦点位置,光斑内能量分布,照射次数及工件材料等因素有关 。 在实际加工中应合理选择这些工艺参数 。
第七章 其他特种加工技术
2) 激光切割激光切割 (如图 2所示 )的原理与激光打孔相似,但工件与激光束要相对移动 。 在实际加工中,采用工作台数控技术,可以实现激光数控切割 。
激光切割大多采用大功率的 CO2激光器,对于精细切割,也可采用 YAG激光器 。
激光可以切割金属,也可以切割非金属 。 在激光切割过程中,由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力,再加上激光切割切缝小,便于自动控制,故在实际中常用来加工玻璃,陶瓷,各种精密细小的零部件 。
第七章 其他特种加工技术平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图 2 CO2气体激光器切割钛合金示意图第七章 其他特种加工技术激光切割过程中,影响激光切割参数的主要因素有激光功率,吹气压力,材料厚度等 。
3) 激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时变成热能,使工件表面迅速产生蒸发,
从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形,以作为永久防伪标志 (如图 3所示 )。
第七章 其他特种加工技术图 3 振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜
Y 轴马达透镜第七章 其他特种加工技术激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属,塑料,玻璃,陶瓷,木材,皮革等各种材料；标记清晰,
永久,美观,并能有效防伪；标刻速度快,运行成本低,无污染,可显著提高被标刻产品的档次 。
激光打标广泛应用于电子元器件,汽 (摩托 )车配件,医疗器械,通讯器材,计算机外围设备,钟表等产品和烟酒食品防伪等行业 。
第七章 其他特种加工技术
4) 激光焊接当激光的功率密度为 105～ 107 W/cm2,照射时间约为
1/100 s左右时,可进行激光焊接 。 激光焊接一般无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域,热熔,在一起即可,如图 7-
12所示 。
激光焊接速度快,热影响区小,焊接质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻璃进行焊接 。
第七章 其他特种加工技术图 4 激光焊接过程示意图
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1— 激光； 2— 被焊接零件；
3— 被熔化金属； 4— 已冷却的熔池第七章 其他特种加工技术
5) 激光表面处理当激光的功率密度约为 103～ 105 W/cm2时,便可实现对铸铁,中碳钢,甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火 。 淬火层深度一般为 0.7～ 1.1 mm,淬火层硬度比常规淬火约高 20%。 激光淬火变形小,还能解决低碳钢的表面淬火强化问题 。 图 7-13为激光表面淬火处理应用实例 。
第七章 其他特种加工技术图 5 激光表面强化处理应用实例淬硬表面淬硬表面
( a ) 圆锥表面 ( b ) 铸铁凸轮轴表面第七章 其他特种加工技术
6) 激光存储是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机信息等的存取。激光电视唱片的制作可分为原版录制和复制两个过程。在原版录制时，是将镀有薄金属膜的玻璃圆盘旋转，经调制的激光束相应地沿着玻璃圆盘的半径方向缓慢地由内向外移动，激光束便相应地熔化金属层，使图像与声音记录下来。加工机理是用激光热效应，是激光去除加工。
第七章 其他特种加工技术
