第5章激光束加工

1、5.3 激光束加工激光束加工 5.3.1 激光加工方法激光加工方法1. 激光加工的原理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的波长相近的(微米甚至亚微米微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，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故可以使其焦点处的功率密度达到1081010 W/cm2，温度可，温度可达达10 000以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧以上。在这样的高温下，任何材

2、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，激光加工强的冲击。因此，激光加工(如图如图1所示所示)是工件在是工件在光热效应下光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。图图1 激光加工示意图激光加工示意图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2. 激光加工基本设备及其组成部分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(激光加工系统激光加工系统)三部分

3、组成。三部分组成。(1) 激光器激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变电能转变成光能成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为，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。由于大类。由于He-Ne(氦氦氖氖)气体激光器气体激光器所产生的激光不仅容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机械制造的精密测量

4、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、红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。等固体激光器。 (2) 导光聚焦系统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。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激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内激光加

5、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，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，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。实现激光加工的连续工作。 5.3.2 影响激光加工的主要因素影响激光加工的主要因素 激光的照射时间激光的照射时间 发散角小的激光束采用短焦距聚光镜聚焦，焦面上光斑发散角小的激光束采用短焦距聚光镜聚焦，焦面上光斑小，功率密度高。用来打孔，则孔深且锥度小并能打出小，功率密度高。用来打孔，则孔深且锥度小并能打出小直径的孔。小直径的孔。 焦点位置

6、对孔的影响焦点位置对孔的影响 用基膜光束聚焦打孔孔是圆形的。用基膜光束聚焦打孔孔是圆形的。 加工时，激光一次照射所得孔的深径比为加工时，激光一次照射所得孔的深径比为5左右，欲得到左右，欲得到工件深孔就需要采用多次照射的方法。工件深孔就需要采用多次照射的方法。(1)各种材料的吸光光谱不同对激光能量的光谱吸收比不相各种材料的吸光光谱不同对激光能量的光谱吸收比不相同，加工中应该根据工件材料的性能来选择激光器。同，加工中应该根据工件材料的性能来选择激光器。5.3.3 激光加工的特点及应用激光加工的特点及应用1. 激光加工的特点主要有以下几个方面：激光加工的特点主要有以下几个方面：(1) 激光加工的密度

7、高，几乎对所有的金属和非金属材激光加工的密度高，几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。料都可以进行激光加工。 (2) 加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。变形。 (3) 激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，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。如微细窄缝和微型孔的加工。(4) 可以通过透明介质加工。可以通过透明介质加工。 (5) 激光加工是利用激光束，不需加工工具，没有工具激光加工是利用激光束，不需加工工具，没有工具设计、制造、损耗等问题。设计、制造、损耗等问题。 (6)加工速度快，

8、效率高。对非照射区的热影响小，工加工速度快，效率高。对非照射区的热影响小，工件热变形小。件热变形小。 (7)激光加工属于瞬时、局部的热加工，影响因素复杂，激光加工属于瞬时、局部的热加工，影响因素复杂，加工精度不高，特别是重复精度难以控制。加工精度不高，特别是重复精度难以控制。2. 激光加工的应用激光加工的应用1) 激光打孔激光打孔随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材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，钻石拉小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉

9、丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中丝模具，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。能比较好地完成任务。 激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。从激光打孔中，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，但具体到某一台几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一

10、台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，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。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、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。工艺参数。 2) 激光切割激光切割激光切割激光切割(如图如图2所示所示)的原理与激光

11、打孔相似，但工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。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激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细激光器，对于精细切割，也可采用切割，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。在激光切激光可以切割金属，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，故在实际力，再加上激光切割切缝小，便于自动控

12、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。中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图图2 CO2气体激光器切割钛合金示意图气体激光器切割钛合金示意图3) 激光打标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，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为永久防伪标志(如图如图3所示所示)。图图3 振镜式激光打标原理振镜式激光打标原理

13、激光束光束准直振镜Y轴马达透镜激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表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、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。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、汽激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托摩托)车配车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、

14、钟表等件、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。产品和烟酒食品防伪等行业。4) 激光焊接激光焊接当激光的功率密度为当激光的功率密度为105107 W/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。激光焊接一般无需焊料和左右时，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焊剂，只需将工件的加工区域“热熔热熔”在一起即可，如图在一起即可，如图4所示。所示。 激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接激光焊接速度快，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。同种材料，也可焊接异种

15、材料，还可透过玻璃进行焊接。 图图4 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被熔化金属；4已冷却的熔池 5) 激光表面处理激光表面处理 当激光的功率密度约为当激光的功率密度约为103105 W/cm2时，便可实时，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。淬火层深度一般为火。淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度比常，淬火层硬度比常规淬火约高规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。图表面淬火强化问题。图5为激光表面淬火处理应用实例。为激光表面淬火处理应用实例。图图5 激光表面强化处理应用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6) 激光存储激光存储是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机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