激光原理---激光加工技术

1、激光原理与应用激光加工技术制作人：光信息七班刘博清 1210407038 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光加工技术与传统加工技术相比具有很多优点，所以得到如此广泛的应用。尤其适合新产品的开发：一旦产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，可以在最短的时间内得到新产品的实物。1、光点小，能量集中，热影响区小；2、不接触加工工件，对工件无

2、污染；3、不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更方便；4、激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制。5、范围广泛：几乎可对任何材料进行雕刻切割。6、安全可靠：采用非接触式加工，不会对材料造成机械挤压或机械应力。7、精确细致：加工精度可达到0.1mm8、效果一致：保证同一批次的加工效果几乎完全一致。9、高速快捷：可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割，且激光切割的速度与线切割的速度相比要快很多。10、成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。11、切割缝细小：激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm。12、切割面光滑：激光切割的切割面无毛刺。13、热变形小：激光加工的激光割

3、缝细、速度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。14、适合大件产品的加工：大件产品的模具制造费用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边，可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次。15、节省材料：激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企业材料成本。激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工。早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、 气体激光器加工原理高重复频率钇铝石榴

4、石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。 固体激光器加工原理从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达10(10(瓦/厘米(，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固体激光器和气体激光器。激光加工：激光束作用

5、于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过程， 主要包括激光热加工和激光光化学反应加工。 1. 激 光 热 加 工 原 理 2. 激 光 表 面 改 性 技 术 3. 激 光 去 除 材 料 技 术 4. 激 光 焊 接 其 他 激 光 加 工 技 术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2. 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 激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。 (2) 材料的加热 透入

6、材料内部的光能主要对材料起加热作用。 (3) 材料的熔化与汽化 激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小；激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化(4) 激光等离子体屏蔽现象 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（吸收、散射、折射）。激光表面改性技术：材料表面局部快速处理工艺的一种新技术，包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。 激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术的原理与应用1. 1. 激光淬火技术：激光淬火技术： （1）利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速

7、升到相变点以上。 2）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。 激光淬火原理与感应加热淬火、火焰加热淬火技术类似，只是其所使用的能量的密度更高，加热速度更快，工件形变小，加热层深度和加热轨迹易于控制。 柔性激光加工系统示意图激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术的原理与应用 2. 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。钢表面激光淬火区横截面金相组织图淬火区显微硬度沿深度方向分布曲线图基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系激光表面熔凝技术激光表面熔凝技术 1. 激光表面熔凝技术：用激光束将表面熔化而不加

8、任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。 2. 与激光淬火工艺相比： （1）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。激光熔凝处理后横截面组织示意图 (2）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。 （3）表面粗糙度较大，后续加工量大 。 激光熔凝处理后横截面组织示意图激光熔覆技术激光熔覆技术1. 激光熔覆技术：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，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，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

9、层法和同步送料法。 同步送料法激光熔覆示意图激光焊接：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。 1. 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。2. 激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种。激光热导焊激光热导焊 1. 激光热导焊热导焊时，激光辐射在材料表面转化为热能，统过热传导的方式向内部扩散，使材料熔化并

10、形成熔池，待熔池凝固后形成连接两块材料的焊缝。 热导焊的激光功率为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。激光热导焊激光热导焊 2. 激光热导焊的工艺参数1）离焦量对焊接质量的影响：要求熔深较大时采用负离焦，焊接薄材料时宜用正离焦,此外离焦量还直接影响到焊逢的宽度。 2）脉冲激光热导焊的脉冲波形：为了突破高反射率的屏障，使金属瞬间熔化把反射率降低下来，实现后续的热导焊过程，需要脉冲带有一个前置的尖峰。3）脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之热影响区域则小。激光深熔焊激光深熔焊 1. 激光深熔焊的原理当激光功率密

11、度达到106107Wcm2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匙孔， 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。 激光深熔焊激光深熔焊 2. 激光深熔焊的工艺参数1）临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应,这一数值称为临界功率密度。2）激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关；激光功率一定，提高焊接速度焊接熔深减少。深熔焊小孔示意图 1快速成型技术的基本工作原理是：离散、堆积。 2立体光造型技术 立体光造型技术的原理示意图4激光熔覆成型技术 1激光熔覆成型技术原理示意图激光熔覆的复杂截面变换器5激光近型制造技术 激光近形制造技术，将快速成型技术中的选择性激光烧结技术和激光熔覆成型技术结合了起来。激光近形制造技术的基本原理示意图6薄片叠层制造技术 首先用大功率激光束切割金属薄片。然后将多层薄片叠加并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型(模具)的立体几何形状。薄片叠层制造技术原理示意图 激光清洗技术激光清洗技术