精密与特种加工技术第七章激光加工技术讲解

1、7.1.1激光的产生激光13初被译作“莱塞”，即英语“Laser",是“Light amplification by stimulated emission of radiatiorT（意为“辐射的受激发射光放大”） 的缩写。后來在201上纪60年代初期，III钱学森建议，把光受激发射 器改称为“激光”或“激光器” o世界上第一台红宝石激光器山美国科学家梅曼于1960年发明成功，随后 各种激光器不断涌现，我国科学家王之江也于1961年在长春光机所 研究成功我国第一台激光器。激光器作为20世纪四大发明之一，它 为人们科学研究、牛产提供一个新的方法，也给人类的牛活提供了很 人方便，特别在

2、是进入20I比纪80年代以來，激光加工技术在工业上 获紂广泛的应用，成为I业上不可缺少的种方法。21光的自发辐射由于电子在原子外层的不同分布，具有不同的内部 能量，从而形成所谓的能级。若原子处于内部能 量最低的状态，则称原子处于基态。其他比基态 能量高的状态，都称激发态。在热平衡情况下， 绝大多数原子都处于基态。处于基态的原子，从 外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。2. 光的受激吸收当原子受到外来的能量为力v21的光子作用（激励）下, 处于低能级曰上的原子由于吸收一个能量为 的光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去，这种 过程称为光的受激吸收。#3. 光的受激辐射当原子受到外来的能量为

3、的光子作用（激励）时， 处在高能级£2上的原子也会在能量为的光子诱 发下，从高能级E2跃迁到低能级曰，这时原子 发射一个与外来光子一模一样的光子，这种过程 称为光的受激辐射。1. 粒子数反转在物质处于热平衡状态，高能级上的粒子数总是小丁低能级 的粒子数。由丁外界能源的激励（光泵或放电激励），破坏 了热平衡，有可能使得处于高能级民上的粒子数门2人人 増加I,达到n2>n1 o这种情况称为粒子数反转分布。一般 口 J把原子从低能级E激励到高能级门2以使在某两个能级 Z间实现粒了数反转的过程称为泵浦（或抽运）。泵浦装置 实质上是激光器的外来能源，提供光能、电能、热能、化 学反应能或原

4、子核能等。激光泵浦装置的作川，是通过适 当的方式，将一定的能量传送到工作物质，使其中的发光 原子（或分子、离子）跃迁到激发态上，形成粒子数反转分 布状态。2. 谐振腔光学谐振腔装有两面反射镜,，分置在工作购质的两遍并与光 的彳迪方向严总丢直。友射彼对光肴一泄葩磁11皋，便. 激光输出;但乂冇定的反射率，俾丁进行止反o Ilir 两反谄镜严榕平行，使在两镜间（即薔振腔内）往返振荡的 光有高度的平行性，因而激光有切的方向性。3. 激光振荡 处于粒子数反转状态的激光工作物质，一旦发牛受激发射，111 丁在激光工作物质的两端装上反射镜，光就在反射礒间 多次來回反射。于是在反射镜之间光强度增大，冇效地产

5、 蠶跻駆籍解曙飙蠶蠶轆泸射镜稍4. 激光放大处于激活状态的激光工作物质，当有一束能量为民 /）v21=E2-E1的入射光子通过该激活物质，这时 光的受激辐射过程将超过受激吸收过程，而使受 激辐射占主导地位。在这种情况下，光在激活物 质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光 能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。 其实，这样一段激活物质就是一个放大器。#7.1.3激光特性激光器具有与普通光源很不相同的特性，一般称为 激光的四性：方向性好、单色性好、相干性好以 及高亮度。激光的这些特性不是彼此独立的，它 们相互之间有联系。实际上，正是由于激光的受 激辐射本质决定了它是一个相干光源，因此其单

6、色性和方向性好，能量集中。7.2材料加工用激光器简介7.2.1激光加工常用激光器激光器种类比较多，但在工业上最常用材料加工的 激光器是CO2激光器和Nd： 丫AG激光器。CO2 激光器产生的激光波长为10.6,电光转换效率为 10% 15%。#7.2.2激光加工基本设备的组成激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统 及机械系统等四大部分。(1) 激光器：是激光加工的核心设备，它是把电能 转换成光能，产生激光束。(2) 激光器电源：为激光器提供电能以及实现激光 器和机械系统自动控制。(3) 光学系统：主要包括聚焦系统和观察瞄准系统。(4) 机械系统：包括床身、数控工作台和数控系统 等。7 3

7、 1 激光;切割G传统的机械b割方式和其他切割方式(如等离子切割、水切割、氧溶剂电狐切 割、冲裁等)相比，激光切制貝有如*优点。切缝细小，可以实现儿乎任总轮廓线的切割。(2) 切割速度高。(3) 切口的垂直度和平行度好,表面粗糙度好。(4) 热影响区非常小,工件变形小。(5) 儿乎没有氧化层。儿乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材料和极软、极硕的材料，既 可以切割金属,也可以切割非金属如玻璃.陶瓷以及木材.布料、纸张等。(7) 无力接触式加工，没有“刀具”磨损，也不会破坏梢密工件的农而。(8) 举有高度的适应件、加丄柔性高，可以实现小批量、多品种的高效自动化加噪上小，无公寓。#7.3.2激

8、光打孔1 激光打孔的原理和方式在所有的打孔技术中激光打孔是最新的无屑加工技 术。在工业用脉冲激光器中，光泵浦的Nd： YAG 固体激光器调制后输出的脉冲峰值功率是比较高 的。聚焦后焦点处的功率密度达到107W/Cm2的 量级。如此高的能量密度足以汽化任何已知的材 料。激光打孔分为五个阶段：表面加热、表面熔 化、汽化、气态物质喷射和液态物质喷射2. 激光打孔的特点及应用激光打孔的特点是速度快、效率高，现在最快每秒 可以实现打100孔；打孔的孔径可以从儿微米到 任意孔径；可以实现在任何材料上打孔，如宝石、 金刚石、陶瓷、金属、半导体、聚合物和纸等； 不需要工具，也就不存在工具磨损和更换工具， 因此

9、特别适合自动化打孔。另外，激光还可以打 斜孔，如航空发动机上大量的斜孔加工。与其他 高能束打孔相比，激光打孔不需要抽真空，能够 在大气中进行打孔。#7.4激光焊接技术7.4.1激光焊接技术的兴起及发展在激光出现不久就冇人开始了激光焊接技术的研究，激光焊 接技术是激光在工业应用的一个重要方而。激光焊接技术 从小功率薄板焊接到人功率厚件焊接，由单工件加工向多 工作台多工件同时焊接发展，以及由简单焊缝向复杂焊缝 发展，激光焊接的应用也在不断发展。在航空工业以及其 他许多应用中，激光焊接能够实现很多类型材料的连接， 而口激光焊接通常具有许多其他熔焊工艺所无法比拟的优 越性，尤其是激光焊接能够连接航空与

10、汽车工业中比较难 焊的薄板合金材料，如铝合金等，并且构件的变形小，接 头质量高，重现性好。1 激光焊接原理热传导热焊接。采用的激光光斑功率密度小于 105W/cm2时，激光将金属表而加热到熔点和沸 点之间。焊接时，金属材料表面将所吸收的激光 能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然 后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化 区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，这种焊接 机理称为热传导热焊。#(1) 激光深熔焊接。当激光光斑上的功率密度大于 106W/cm2时，金屈在激光的照射下被迅速加热，其农面 温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化或汽化，产 生的金属蒸气以一定速度离开熔池，逸出的蒸气对

11、熔化液 态金属产生一个附加压力，使熔池金属表而向下凹陷，在 激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热 时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑 进一步加深；另一方而，坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤 向熔池四周，此过程连续进行下去，便在液态金属中形成 一个细长的孔洞而进行焊接，因此称之为激光深熔焊。(1) 激光加热范围小，在同等功率和焊接厚度条件 下，焊接速度高，热输入小，热影响区小，焊接 应力和变形小。(2) 激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传 输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件和远距离 或一些难以接近的部位的焊接。(3) 一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用

12、于焊接，又可用于切割、合金化和热处理, 一机多用。#(4) 激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适 川于在玻璃制成的密封容器里焊接能对人休产生副作川的 材料；激光不受电磁场影响，不存在X射线防护，也不需 要真空保护。(5) 可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等， 甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃；焊后 无需热处理，适合于某些对热输入敏感的材料的焊接。197.4.3激光焊接的形式与质量1. 激光焊接的接头形式w对接援头史樓也«按头(c)么按住头幻状搖头<e)含边对按接头(h)双序搭掩央(妙T形建头0)卷辺朋漬砖头(j)鬱妲播企礪呀密甲的殍反余头彫

13、氏属丁诽接触悍接；llrT激光焊接的悍接接头没冇严重的 应力集中，表现出良好的抗疲劳性能和高的抗拉强度。#2. 影响焊接质量的工艺参数 脉冲能屋E和功率密度。(2) 激光脉冲宽度。(3) 离焦最。(4) 光束直径。(5) 焊接速度。(6) 保护气体。3. 采用填充材料的激光焊接焊接人厚度板或接头存在较人间隙时，可以采用填充焊丝或粉末來填补 缝隙，熔化的焊丝材料填满间隙而获得均匀连续的焊缝。高强铝介金 焊接时，也需要采用填充焊丝來调节焊缝成分以消除焊接热裂纹。7.5.1激光表面技术分类采用激光高能束流集中作用在金属表血，通过表面 扫描或伴随有附加填充材料的加热，使金属表面 由于加热、熔化、汽化而

14、产生冶金的、物理的、 化学的或相结构的转变，达到了金属表面改性的 目的，这种加工技术称为激光表面技术。据激光 加热和处理工艺方法的特征，激光表面处理的种 类很多，如下图列出了儿种典型工艺。#激光农而技术的分类图固相加热激光衣面处理汽化比化学反应23一丄丄一合非熔化化熔化相变破化冲击冲激化比 沉 枳农ifii烧辿化学气相沉积7.5.2激光相变硬化1激光相变硬化的原理激光相变硬化也称为激光淬火，是利于激光辐照的 能量把金属材料表面快速加热至相变温度与熔点 温度之间，然后利用材料本身对加热表面进行快 速冷却使其发生固态相变产生硬化层的一种工艺 方法。#2.激光相变硕化的特点激光朿硬化与传统的硬化方法

15、相比，主耍的特点冇：(1) 加热冷却速度快，处理效率高。(2) 激光能量、光斑人小和形状以及激光作用时间可以精确 控制，处理效果好。(3) 只在需要的部位进行处理。(4) 工件热变形小甚至基本无变形。激光束易于传输和导向，因此可以对复杂零件表面进行 处理，如深孔和沟槽表面。(6) 易于实现自动化控制，劳动生产率高。(7) 节省能源，不产生环境污染。3. 激光相变硬化的应用激光相变硬化的应用很多，如平面类零件，导轨、 刀片、叶片以及板状零件；圆环类零件，活塞环、 汽缸涨圈、汽室涨圈、油封座、进气门、排气门、 缸盖座口、各类轴承环等，以提高硬度和耐磨性 为目的；套筒类零件，有汽车、拖拉机、船舶等

16、发动机缸套或缸体、汽阀导管、电锤套简、各类 衬套和泵筒等；各种轴类、长杆导柱等，异型类 零件，如齿轮、模具、针布、钟表的擒纵叉、发 动机飞锤、刀具、离合器连接件、花键套等。#1激光表面重熔的原理和特点激光重熔是在激光作用下使材料表面局部区域快速 加热至熔化，随后借助于冷态的金属基体的热传 导作用，使熔化区域快速凝固，形成结构极其细 小的非平衡铸态组织的工艺技术。经激光重熔的 零件表面硬度高，耐磨抗蚀性好。重熔的主要目的是改善材料的原始组织，特别是获 得弥散细化效应。2. 激光表面重熔的应用激光重熔硬化在含有銘的碳钢、工具钢、包括高速 钢以及结构不锈钢和轴承钢的应用上具有明显的 优越性。激光重熔

17、硬化对改善材料性能具有明显 的效果，工作寿命可相应延长数倍。铝合金的激光重熔硬化主要应用于铸态铝合金组织 细化。7.7激光合金化1 激光合金化的原理和特点激光合金化是在激光重熔的基础上通过向熔化区内 添加一些合金元素，熔化的基体材料和添加的合 金元素由于激光熔池的运动而得到混合，凝固后 形成以基体成分为基础而又不同于基体成分的新 的合金层，以达到所要求的使用性能的工艺技术。2.激光合金化的应用冇资料表明，为了提高中碳低合金钢的耐腐蚀性能，可以采 川CrMo粉末进行激光合金化处理。将Cr粉与Mo粉按 Cr:Mo=4:1比例混合，用等离子喷涂在基材表面，形成约 200厚的预置涂层。采/tJ2kW

18、CO2横流激光器，光斑直径 1.75mm,功率密度6.25X 104W/cm2,扫描速度 545mm/s,进行多道搭接打描。钛和钛合金的激光气体 表面氮化是一种提高材料耐腐蚀性能的常用技术。采用5 kW横流CO2激光器，同轴送N2合金化气并加N2保护激 光熔池。激光合金化层厚度达0.5mm,合金层的组织为 富氮的基体，并分布TiN枝晶。#7.8激光熔覆1 激光熔覆的原理激光熔覆是利用高能密度激光束将貝有不同成分件能的合金与基材农 面快速熔化，在基材表而形成与基材具有完全不同成分和性能的合金 层的工艺技术，是材料表而改性技术的一种垂要方法。2.激光熔覆的特点与应用激光熔覆的主要n的是存凍价金属材

19、料农in形成高性能的合金层，达到 降低成木、提高零件表面耐磨、耐蚀及耐高温抗氧化等的综合件能。 激光熔覆的合金材料包扌舌门熔性合金材料.炭化物弥散或复合材料、 陶瓷材料等。这类材料具仃优异的耐糜、耐蚀等性能，通常以粉末的 形式使用。在激光熔覆工艺中还有单道、多道.单层.多层等多种形 式。通过多道搭界和多层澄加，可以实现宽度和厚度的增加。激光熔 覆时常出现气孔和裂纹等现彖，应尽量防|匕。7.9.1激光铳削技术与应用当聚焦的高能激光束作用于物体微小区域，瞬间可 使任何材料熔化或者蒸发，激光铳削就是利用激 光束按规定的图案，一层一层扫描剥离（或称烧蚀） 材料，就像机械铳削过程一样对材料进行成形加 工，这类似机械铳削加工，可以形象地把它称为 激光铳削。利用激光铳削加工可以直接进行零件 的成形加工，激光铳削加工具有很大的柔性，特 别适合单件小批量生产。#1.激光快速原型