现代加工技术-07激光加工

1、哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光加工激光加工1贾宝贤贾宝贤 ( 5687026 Laser Beam Laser Beam MachiningMachiningLBMLBM哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术课程内容大纲课程内容大纲2 1 1绪论绪论 2 2电火花加工电火花加工 3 3电火花线切割加工电火花线切割加工 4 4电化学加工电化学加工 5 5超声波加工超声波加工 6 6磨料与水喷射加工磨料与水喷射加工 7 7激光加工激光加工 8 8快速快速原原型型制造制造 9 9电子束、离子束加工电子束、离子束加工 1010化学、等离子体、磁性磨料

2、加工化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨、挤压珩磨哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术第六章第六章 激光加工激光加工36.1激光加工的理论、原理及特点激光加工的理论、原理及特点6.2激光加工的设备激光加工的设备6.3激光加工的基本规律激光加工的基本规律6.4 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光介绍激光介绍4 激光是英文词激光是英文词“Laser”的中文译名的中文译名。Laser 一词是一词是“Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation”的

3、字头缩写。字面的意思是的字头缩写。字面的意思是“通过辐射的受激通过辐射的受激发射实现光放大发射实现光放大”，实质是光的受激放大，简称为激光。，实质是光的受激放大，简称为激光。 激光的发展有很长的历史，它的原理早在激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，被著名的物理学家爱因斯坦发现， 1958 年激光首次成功年激光首次成功制造。制造。40年来，激光已经深入我们生活的各个角落，打长年来，激光已经深入我们生活的各个角落，打长途电话，看途电话，看DVD，医院里做手术，医院里做手术都用得着激光。有都用得着激光。有人说，人说，激光是二十世纪最伟大的发明之一。激

4、光是二十世纪最伟大的发明之一。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术应用领域应用领域5激光激光(LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 是是20世纪世纪60年代的新光源，具有方向性好、亮度高年代的新光源，具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而得到广泛应用。、单色性好、相干性好等特点而得到广泛应用。测量领域测量领域 激光测长度、位移、速度、振动、外形等激光测长度、位移、速度、振动、外形等通讯领域通讯领域 激光遥感、光纤通讯激光遥感、光纤通讯医学领域医学领域 激光手术、激光祛斑激光手

5、术、激光祛斑军事领域军事领域 激光武器、激光制导激光武器、激光制导科研领域科研领域 激光显微镜、激光核聚变激光显微镜、激光核聚变新闻出版新闻出版 激光照排、激光打印激光照排、激光打印商业领域商业领域 条形码识别、激光防伪条形码识别、激光防伪家庭娱乐家庭娱乐 激光视盘、激光投影激光视盘、激光投影工业制造工业制造 激光制造、激光加工激光制造、激光加工哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术6.16.1激光加工的理论、原理及特点激光加工的理论、原理及特点6一、光的物理概念一、光的物理概念光具有光具有波粒二象性波粒二象性波动性波动性：具有波长：具有波长l l、频率、频率 和波速和波速

6、c可见光波长：可见光波长：0.4-0.76 m红外线波长：红外线波长： 0.76 m紫外线波长：紫外线波长： 0.4 m哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术一、光的物理概念一、光的物理概念7粒子性粒子性：具有一定能量的，以光速运动的粒子流，：具有一定能量的，以光速运动的粒子流，称为称为光子光子。光子的。光子的能量能量与光的频率成正比。与光的频率成正比。 E=h式中式中 E光子能量光子能量 光的频率光的频率普朗克常数普朗克常数h：6.6310-34JS波长为波长为0.4 mm的紫光光子能量约为的紫光光子能量约为4.9610-17J波长为波长为0.7 mm的红光光子能量约为的

7、红光光子能量约为2.8410-17J哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术二、激光的产生二、激光的产生81、激光产生的原理、激光产生的原理（1）物质的结构）物质的结构 物质由原子组成。物质由原子组成。原子的中心是原子核，原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕满着带负电的电子，绕着原子核运动。着原子核运动。 碳原子示意图碳原子示意图 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术（2）电子的跃迁）电子的跃迁9p 原子中电子具有不同的能量，使其处

8、于不同的原子中电子具有不同的能量，使其处于不同的“能阶能阶”，距离原子核越远的轨道能量越高。，距离原子核越远的轨道能量越高。p 当原子内电子处于最低的能阶当原子内电子处于最低的能阶原子处于基态原子处于基态。p 当一个或多个电子处于较高的能阶当一个或多个电子处于较高的能阶原子处于受激态。原子处于受激态。p 电子通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶电子通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶的现象称为电子的跃迁。的现象称为电子的跃迁。 p 电子的跃迁共有三种形式电子的跃迁共有三种形式：p自发自发吸收吸收 、p自发辐射、自发辐射、p受激辐射受激辐射。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代

9、加工技术现代加工技术p自发吸收自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；p自发辐射自发辐射 - 电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 ；p受激辐射受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对此波长对应于两个能阶的能量差。应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。最

10、后就变成两个相同的光子。 电子跃迁过程原子内电子的跃迁过程原子内电子的跃迁过程 (a)(a)自发吸收自发吸收 (b)(b)自发辐射自发辐射 (c)(c)受激辐射受激辐射哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术（3）粒子数反转）粒子数反转11p 原子首先吸收能量，跃迁至原子首先吸收能量，跃迁至受激态受激态。p 原子处于受激态的时间非常短，大约原子处于受激态的时间非常短，大约10-7秒后，它便会落秒后，它便会落到一个称为到一个称为亚稳态的中间状态亚稳态的中间状态。p 原子停留在原子停留在亚稳态亚稳态的时间很长，大约的时间很长，大约10-3秒或秒或更长的时间更长的时间。p 原子长时

11、间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于原子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转粒子数反转。p 粒子数反转是产生激光的关键，粒子数反转是产生激光的关键，因为它使通过受激辐射因为它使通过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比通过自发吸收由基态跃迁至由亚稳态回到基态的原子，比通过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。以输出激光。 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术粒子数反转的状态粒子数反转的状态12粒子数反转的状

12、态粒子数反转的状态 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术（4）激光的产生）激光的产生 13红宝石激光示意图红宝石激光示意图 q 闪光灯的光射入激光介质，闪光灯的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。最外层的电子跃迁到受激态。 p电子通过释放光子，回到较低电子通过释放光子，回到较低的能阶。的能阶。p 释放出的光子被镜子来回反释放出的光子被镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。射，使激光的强度增加。p 一面镜子会把全部光子反射一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则

13、会把大部分光子，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过反射，并让其余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成激光而穿过镜子的光子就构成激光。 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术三、激光的基本特性三、激光的基本特性114（1）方向性好）方向性好 方向性即光束偏离轴线的发散角方向性即光束偏离轴线的发散角 ，常以平面角，常以平面角角大小角大小来评价。来评价。角愈小，光束发散愈小角愈小，光束发散愈小 ，方向性愈好。，方向性愈好。 普通光源中方向性最好的探照灯的发散角为普通光源中方向性最好的探照灯的发散角为0.01rad； 激光束可以被压缩在很小的立体角内，其发散角一

14、般在激光束可以被压缩在很小的立体角内，其发散角一般在毫弧度数量级，比探照灯好毫弧度数量级，比探照灯好 10 倍以上，比微波好约倍以上，比微波好约 100 倍倍 ,如果借助光学系统，如果借助光学系统，角可减小至微弧度角可减小至微弧度 (10 -6rad)量级，接量级，接近真正的平行光束。近真正的平行光束。 利用这个特性制成激光测距利用这个特性制成激光测距机、激光雷达、激光制导武器。机、激光雷达、激光制导武器。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术三、激光的基本特性三、激光的基本特性215（2）单色性好）单色性好 单色性是指光源发出的光强按频率单色性是指光源发出的光强按频率 (

15、或波长或波长)分布曲线狭分布曲线狭窄的程度。窄的程度。线宽愈窄，光源的单色性愈好线宽愈窄，光源的单色性愈好 ，这是激光获得广，这是激光获得广泛应用的物理基础之一。泛应用的物理基础之一。 计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。点。光缆光缆激光通讯激光通讯哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术三、激光的基本特性三、激光的基本特性316（3）相干性好）相干性好 相干性可用相干时间或相干长度来度量。相干性可用相干时间或相干长度来度量。 相干时间相干时间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的是指光源先后发出的两束光能够

16、产生干涉现象的最大时间间隔，在该时间内所走过的路程就是最大时间间隔，在该时间内所走过的路程就是相干长度相干长度。 单色性愈好，相干长度愈大，方向性愈好，相干面积愈大。单色性愈好，相干长度愈大，方向性愈好，相干面积愈大。激光集高度的单色性和方向性于一体，所以是优良的强相干光。激光集高度的单色性和方向性于一体，所以是优良的强相干光。 普通光源的相干长度约普通光源的相干长度约为为1毫米至几十厘米，激光毫米至几十厘米，激光可达几十公里。可达几十公里。 全息照相、全息存储全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。等就利用了相干性好的特点。全息照相全息照相哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现

17、代加工技术三、激光的基本特性三、激光的基本特性417（4）亮度高（强度高）亮度高（强度高） 亮度是光源在单位面亮度是光源在单位面积上，向某一方向范围内积上，向某一方向范围内辐射功率的强弱。辐射功率的强弱。 激光光束细（发散特激光光束细（发散特别小），功率密度特别大别小），功率密度特别大，其亮度特别大。把分散，其亮度特别大。把分散在在180范围内的光集中范围内的光集中到到0.18 范围，亮度提高范围，亮度提高100万倍。而且通过压缩万倍。而且通过压缩脉冲宽度，还可以进一步脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。提高亮度。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术18普普 通通 光光 源源

18、激激 光光 光光 源源亮度亮度电灯：约电灯：约470熙提熙提太阳：约太阳：约1.6565熙提熙提红宝石脉冲激光器，约红宝石脉冲激光器，约3.7615熙提熙提（输出功率（输出功率600MW/cm2）方向性方向性无确定方向、发散角大、无确定方向、发散角大、难难汇聚汇聚发散角可以小到发散角可以小到0.1毫弧度（近似于平毫弧度（近似于平行光），光束会聚其焦点处光斑为行光），光束会聚其焦点处光斑为6m）单色性单色性氪灯光源的谱线宽氪灯光源的谱线宽=0.0047激光的谱线宽一般小于激光的谱线宽一般小于6 -7-7 相干性相干性氪灯光源的相干长度氪灯光源的相干长度 L=78cm激光的相干长度可达几十公里激光

19、的相干长度可达几十公里哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。生几百万度的高温。 激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。特点。激光打孔激光打孔激光切割激光切割哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术利用激光杀死病人鼻癌细胞利用激光杀死病人鼻癌细胞 利用激光使脱落的视网膜再复位利用激光使脱落的视网膜再复位哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术低能激光武器低能激光武器高能激

20、光武器高能激光武器哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术四、激光加工的基本原理四、激光加工的基本原理22通过光学系统将激光束聚通过光学系统将激光束聚焦成直径几十微米到几微米焦成直径几十微米到几微米的极小光斑，达到的极小光斑，达到极高的能极高的能量密度，温度达量密度，温度达10000上上，将材料在瞬间熔化和蒸发将材料在瞬间熔化和蒸发。工件表面不断吸收激光能。工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅物被产生的强烈冲击波喷溅出去。出去。 因此，因此，激光加工是工件在激光加工是工件

21、在光热效应下产生高温熔融和光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。受冲击波抛出的综合过程。 1234561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1234561激光器；2激光束；3全反射棱镜；4聚焦物镜；5工件；6工作台激光加工示意图激光加工示意图?激光加工原理激光加工原理.flv.flv哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术五、激光加工的特点五、激光加工的特点23 （1）激光加工属非接触加工，激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无明显机械力，也无工具无工具损耗，工件不变形，损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高加工速度快，热影响区小

22、，可达高精度加工，易实现自动化。精度加工，易实现自动化。 （2）因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材）因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，几乎料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。可加工任何金属与非金属材料。 （3）激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，）激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，可进行微细和精密加工可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。，如微细窄缝和微型孔的加工。最高加工精度可达最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度，表面粗糙度Ra值可达值可达0.40.1。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术五、激光加

23、工的特点五、激光加工的特点24（4）可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。内的工件进行焊接。（5）可用反射镜将激光束送往）可用反射镜将激光束送往远离激光器远离激光器的隔离室或其的隔离室或其它地点它地点进行加工进行加工。（6）无需特殊环境无需特殊环境，无加工污染，在节能、环保等方面，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势有较大优势 。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光加工的应用领域激光加工的应用领域251

24、)打孔打孔 金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、塑料等非金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、塑料等非金屑以及硬质合不锈钢等金属材料。金屑以及硬质合不锈钢等金属材料。(2)切断切断 各种金属、木材、纸、布料各种金属、木材、纸、布料(3)划线划线 半导体材料、陶瓷。半导体材料、陶瓷。(4)微调微调 薄膜和厚膜电路的电阻微调薄膜和厚膜电路的电阻微调(5)调频调频 石英振子和音叉等石英振子和音叉等(6)调动平衡调动平衡 钟表的摆轮、微型电动机、汽轮机。钟表的摆轮、微型电动机、汽轮机。(7)焊接焊接 金属箔、板、丝、玻璃、硬质合金等。金属箔、板、丝、玻璃、硬质合金等。(8)处理处理 表面淬火等。表面淬火等。

25、哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术6.2激光加工的设备激光加工的设备26 激光加工的基本设备由以下四部分组成：激光加工的基本设备由以下四部分组成：激光器激光器固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器激光电源激光电源光学系统光学系统机械系统机械系统?激光加工及应用激光加工及应用7 7分分29.mp429.mp4哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术1、激光器、激光器27 激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成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。光能，产生所需

26、要的激光束。 按工作物质的种类分：按工作物质的种类分：固体激光器、气体激光器、液体激固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。其中光器和半导体激光器。其中He-Ne气体激光器在精密测量气体激光器在精密测量中被广泛采用，而在激光加工中采用二氧化碳气体激光器中被广泛采用，而在激光加工中采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃等固体激光器。及红宝石、钕玻璃等固体激光器。 按激光器的输出方式分：按激光器的输出方式分：连续激光器和脉冲激光器。连续激光器和脉冲激光器。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光器发展历程激光器发展历程28p1960年美国休斯飞机公司的梅曼研制成功世

27、界上第一台红宝石年美国休斯飞机公司的梅曼研制成功世界上第一台红宝石激光器，获得了历史上第一束激光，波长为激光器，获得了历史上第一束激光，波长为694.3nm。p1964年美国的汤斯、前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫由于对激光年美国的汤斯、前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。p1997年，年，朱隶文朱隶文、菲利普和塔罗季研究用激光冷却和捕获原子、菲利普和塔罗季研究用激光冷却和捕获原子，共获诺贝尔奖。，共获诺贝尔奖。p1961年中科院长春光学精密机械研究所王之江院士主持研制成年中科院长春光学精密机械研究所王之江院士主持研制成功我国第一台红宝

28、石激光器。功我国第一台红宝石激光器。p我国的激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量我国的激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量都和当时的国际水平接近。都和当时的国际水平接近。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光器分类激光器分类29种类种类工作物质工作物质波长波长工作方式工作方式输出功率输出功率应用范围应用范围固体激光器固体激光器红宝石红宝石0.694脉冲脉冲20J打孔打孔钕玻璃钕玻璃1.06脉冲脉冲90J打孔打孔掺钕钇石掺钕钇石榴石，榴石，YAG1.06脉冲脉冲/连续连续60KW/150J打孔、切割、焊接打孔、切割、焊接气体激光器气体激光器He-N

29、e0.63连续连续1mW测量、显示测量、显示Ar0.51连续连续25W打孔、测量打孔、测量CO26.6脉冲脉冲/连续连续40KW打孔、切割、焊接、打孔、切割、焊接、热处理热处理准分子激准分子激光光0.150.35脉冲脉冲90mJ科研、医学、加工科研、医学、加工半导体激光器半导体激光器GaAs0.61.6脉冲脉冲/连续连续50mW通讯、计算机通讯、计算机液体激光器液体激光器染料激光染料激光器器0.40.7脉冲脉冲60J分光、检测分光、检测哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形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

30、工部位，这种、聚焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗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。口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。2、导光聚焦系统、导光聚焦系统哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术 激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范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。控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。3、激光加工系统、激光

31、加工系统哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术6.3激光加工的基本规律激光加工的基本规律32将波长为将波长为、束径为、束径为D、输出面上的功率密度、输出面上的功率密度P的的平行光线平行光线，用，用焦距为焦距为f的透镜的透镜聚焦聚焦，则能得到同心状的，则能得到同心状的衍射域衍射域，由衍射理论，由衍射理论可知，在这个焦点平面上，在半径可知，在这个焦点平面上，在半径r0所包括的圆形部分集中全部所包括的圆形部分集中全部光通量的光通量的84.6。光的功率密度近似于高斯分布光的功率密度近似于高斯分布。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术6.3激光加工的基本规律激光

32、加工的基本规律33d=2r0束斑直径束斑直径由于光功率密度的这种分布规律，在进行激光加工由于光功率密度的这种分布规律，在进行激光加工时，就够打出比束斑直径更小的孔来。时，就够打出比束斑直径更小的孔来。d哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术6.4 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用34特种加工讲座特种加工讲座-第六章激光加工第六章激光加工.ppt 激光打孔技术激光打孔技术 激光切割技术激光切割技术 激光标记技术激光标记技术 激光焊接技术激光焊接技术 激光表面处理技术激光表面处理技术哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术哈工大哈工大( (威海威海) )

33、现代加工技术现代加工技术p 加工材料：加工材料：主要用于特殊材料或特殊工件上的孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。属材料的细微孔的加工。p 加工效率：加工效率：非常高，功率密度通常为非常高，功率密度通常为107108w/cm2，打孔时间甚至可缩短至传统切削加工，打孔时间甚至可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。的百分之一以下，生产率大大提高。p 加工精度：加工精度：尺寸公差等级可达尺寸公差等级可

34、达IT7，表面粗糙度，表面粗糙度Ra值可达值可达0.160.08。一、激光打孔一、激光打孔?激光打孔加工激光打孔加工.flv.flv哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光打孔激光打孔(Laser Drilling)哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术 激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距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。等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数

35、。 激光打孔影响因素激光打孔影响因素激光打孔影响因素（激光打孔影响因素（1 1）输出功率与照射时间输出功率与照射时间 照射时间过长照射时间过长散热面大，损失能量散热面大，损失能量 照射时间过短照射时间过短工件材料气化，损失能量工件材料气化，损失能量焦距与发散角焦距与发散角 发散角小、焦距短发散角小、焦距短光斑小，功率密度大光斑小，功率密度大工件材料工件材料 热学常数高热学常数高难加工难加工 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光打孔影响因素激光打孔影响因素焦点的位置焦点的位置哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光打孔影响因素激光打孔影响因素光斑内

36、的能量分布光斑内的能量分布哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光打孔影响因素激光打孔影响因素激光的多次照射激光的多次照射哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光打孔实例激光打孔实例哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术 激光打孔激光打孔哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术过滤板过滤板82万个万个0.7mm孔孔 (3mm厚不锈钢板厚不锈钢板) 采用了高强采用了高强度激光打出度激光打出的微孔不锈的微孔不锈钢网板，可钢网板，可阻挡杂质及阻挡杂质及颗粒进入发颗粒进入发电机线棒，电机线棒，防止杂质堆防止杂质堆积造成线

37、棒积造成线棒阻塞的事故阻塞的事故发生。发生。 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术航空发动机叶形孔航空发动机叶形孔不锈钢厚不锈钢厚1mm，孔，孔100微米微米 激光打孔激光打孔大功率电子管栅极大功率电子管栅极钼厚钼厚300微米，直径微米，直径300微米微米哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术 激光切割的原理与激光打孔相似，不同的是激光切割的原理与激光打孔相似，不同的是工件工件与激光束要相对移动。与激光束要相对移动。在实际加工中，采用工作在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割。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

38、激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精激光器，对于精细切割，也可采用细切割，也可采用YAG激光器。激光器。 激光可以切割金属，也可以切割非金属。激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械切割过程中，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，故在实际控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。精密细小的零部件。二、激光切割二、激光切割?激光切割（流畅）激光切割（流畅）.flv.flv哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加

39、工技术现代加工技术1 1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料；材料；2 2）切割精度高；）切割精度高；3 3）非接触切割；）非接触切割；4 4）切割速度高；）切割速度高；5 5）切割的深宽比高；）切割的深宽比高；6 6）切割质量优良；）切割质量优良；7 7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工。）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工。激光切割特性激光切割特性哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术二、激光切割二、激光切割v 激光切割原理激光切割原理l汽化切割汽化切割l熔化切割熔化切割l氧助熔化切割氧助熔化切割l控制断

40、裂切割控制断裂切割哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术二、激光切割二、激光切割哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术1. 1. 汽化切割汽化切割过程过程大功率密度大功率密度(6(68 8w/cmw/cm3 3) )照射照射直接汽化直接汽化迅速排除迅速排除加工对象加工对象木材、塑料等木材、塑料等哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术2.2.熔化切割熔化切割过程过程照射照射熔化熔化被辅助气体（惰性被辅助气体（惰性气体）吹走气体）吹走（功率密度（功率密度6 67 7w/cmw/cm3 3) )加工对象加工对象铝等不易产生热反应铝等不易产生

41、热反应的金属的金属哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术3.3.氧助熔化切割氧助熔化切割过程过程照射照射达到金属燃点达到金属燃点与氧产生燃烧反应与氧产生燃烧反应产生热量（产生热量（60%60%为反应热为反应热）熔化熔化被辅助气体被辅助气体（氧气）吹走（氧气）吹走（功率密度（功率密度5 56 66 6w/cmw/cm3 3) )加工对象加工对象钢、钛等金属钢、钛等金属哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术4.4.控制断裂切割控制断裂切割过程过程小功率密度照射小功率密度照射局部热变形局部热变形局部形成裂缝局部形成裂缝断裂断裂加工对象加工对象脆性材料脆性材料哈

42、工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光切割样件激光切割样件哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光切割哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光切割不锈钢厚不锈钢厚1mm不锈钢厚不锈钢厚4 mm切切割割陶陶瓷瓷厚厚1.7mm色片工装铝合金厚度色片工装铝合金厚度4mm哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光切割不锈钢厚不锈钢厚1mm单晶硅厚单晶硅厚0.7 mm不锈钢厚不锈钢厚4 mm哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代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CO2气体激光器切割钛合金示

43、意图激光切割过程中，影响激光切割激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹参数的主要因素有激光功率、吹气压力、气压力、材料材料厚度等。厚度等。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术p当激光的功率密度为当激光的功率密度为105107W/cm2，照射时间约为，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。左右时，可进行激光焊接。p激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域加工区域“热熔热熔”在一起即可。在一起即可。p激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同既可焊接同

44、种材料，也可焊接异种材料。种材料，也可焊接异种材料。p激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段 。三、激光焊接三、激光焊接哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术1 1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速；）激光照射时间短，焊接过程极为迅速；2 2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属；）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属；3 3）能量

45、密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利；）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利；4 4）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀；）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀；5 5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接。焊接。激光焊接特性激光焊接特性哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光焊接分类哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术1-激光；激光；2-被焊金属；被焊金属；3-被熔化金属；被熔化金属；4-一冷却的金属一冷却的金属激光焊接过程示意图激光焊接过程示意图12341激光；2被焊接零件；3被

46、熔化金属；4已冷却的熔池激光焊接激光焊接哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光焊接激光焊接(Laser Welding)哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光焊接哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光焊接技术激光焊接技术哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光焊接激光焊接哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光焊接盒体铝合金厚盒体铝合金厚3mm锅炉用钢管厚锅炉用钢管厚7mm汽车齿轮（汽车齿轮（16MnCr5）纸浆过滤器不锈钢纸浆过滤器不锈钢哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加

47、工技术现代加工技术激光焊接激光焊接哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术69 当激光的功率密度约为当激光的功率密度约为103105 W/cm2时，便时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。行激光表面淬火。 淬火层深度一般为淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度，淬火层硬度比常规淬火约高比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。解决低碳钢的表面淬火强化问题。四、激光表面处理哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术70 激光表面强化处理应用

48、实例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) 铸铁凸轮轴表面激光表面强化处理激光表面强化处理哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术最大最大扫描宽度扫描宽度15mm。 导板激光加工前表面原始硬度导板激光加工前表面原始硬度HB180，激光，激光淬火相变后，表面硬度达淬火相变后，表面硬度达HRC52。 激光表面宽带扫描相变淬火激光表面宽带扫描相变淬火哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光淬火激光淬火大型内齿圈-激光淬火 铸钢-大型双联齿轮-激光淬火 减振器内槽-激光淬火 铸铁-发动机缸孔-激光淬火 哈工大哈工大( (威海威海) ) 现

49、代加工技术现代加工技术激光淬火激光淬火哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术柱塞激光熔凝淬火柱塞激光熔凝淬火柱塞激光熔凝淬火处理，激光熔凝处理前表面原始柱塞激光熔凝淬火处理，激光熔凝处理前表面原始硬度硬度HB220，激光处理后表面硬度，激光处理后表面硬度HRC58以上。以上。 说明：布氏硬度说明：布氏硬度HB220HB220，相当于洛氏硬度，相当于洛氏硬度HRC20HRC20哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术船用尾轴套激光熔覆修复，选用耐腐蚀的合金粉末恢复工件原尺寸。激光熔覆后，表面无缺陷，变形量0.05mm。 激光熔覆修复哈工大哈工大( (威海威海

50、) ) 现代加工技术现代加工技术激光熔覆航空发动机叶片修复航空发动机叶片修复熔覆层宽熔覆层宽2mm，厚，厚1mm曲轴花键槽修复（曲轴花键槽修复（18Cr2Ni4W）熔覆层宽熔覆层宽4mm，厚，厚0.5mm线材轧辊修复，线材轧辊修复，熔覆层熔覆层8mm导轨表面强化导轨表面强化 (材料材料: 高强钢高强钢)哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术激光熔覆铸铁大型轧辊激光合金化转子激光熔覆汽轮机叶片激光熔覆电机转子轴颈修复激光熔覆哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术五、五、激光激光抛光抛光(Laser Polishing) 激光束聚焦于材料表激光束聚焦于材料表

51、面面, 在很短的时间内使表在很短的时间内使表面温度迅速升高、材料熔面温度迅速升高、材料熔化化, 而基体的温度基本保而基体的温度基本保持室温。材料表面熔融的持室温。材料表面熔融的材料向曲率小材料向曲率小(即曲率半即曲率半径大径大) 的地方流动的地方流动, 使各处使各处的曲率趋于一致。同时的曲率趋于一致。同时, 固液界面处以每秒数米的固液界面处以每秒数米的速度凝固速度凝固, 最终获得光滑最终获得光滑平整的表面。平整的表面。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术五、五、激光激光抛光抛光(Laser Polishing)TiAl6V4 surface milled (left) a

52、nd micro polished (right)哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术五、五、激光激光抛光抛光(Laser Polishing)Glass form for the manufacturing of shafts and feet of wine glasses grinded (left) and laser polished (front)哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术六、六、激光激光冲击强化冲击强化(Laser Shocking)利用强激光束产生的等离利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的子冲击波，提高金属材料的抗

53、疲劳、耐磨损和抗腐蚀能抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。力的一种高新技术。可在不增加零部件质量的可在不增加零部件质量的前提下，大幅提高零部件的前提下，大幅提高零部件的强度和抗疲劳能力，从而能强度和抗疲劳能力，从而能够大大增强战机的寿命并降够大大增强战机的寿命并降低维修成本。低维修成本。与现有的冷挤压、喷丸等与现有的冷挤压、喷丸等金融材料表面强化手段相比金融材料表面强化手段相比，具有非接触、无热影响区，具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显、可控性强以及强化效果显著等突出优点。著等突出优点。哈工大哈工大( (威海威海) ) 现代加工技术现代加工技术飞机零部件的激光冲击强化激光冲击强激光冲击强化 技 术 在 美化 技 术 在 美国 航 空 装 备国 航 空 装 备制 造 与 维 修制 造 与 维 修以 及 其 他 装以 及 其 他 装备 制 造 业 正备 制 造 业 正得 到 广 泛 的得 到 广 泛 的应用。应用。美国为美国为F-22战斗机建了价值战斗机建了价值2亿美元的激光冲击强化生产线亿美元的激光冲击强化生产线哈工大哈工大( (威海威海) )