先进制造技术激光加工技术优秀课件

先进制造技术激光加工技术第一页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(1)

激光加工机床如激光打孔机和激光切割机除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。

1．激光器

激光器由激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成，应用于加工的激光器主要有：

(1)固体激光器

具有稳定性好的特点，但能量效率低，一般<3%。由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄板的切割。2023/1/182第二页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(2)YAG是固体激光中能发出最大功率的离子激光。YAG的结晶母材是由钇、铝和石榴石构成的，其中微量的钕离子起激光作用。YAG的激光波长为1.06μm，相当于二氧化碳气体激光波长的1/10。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，波长短、聚光性好，适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。由于聚光性好，可通过光导纤维传输能量，适用于内腔加工等特定切合，其能量效率不及CO2气体激光源，最多不超过3％，目前产品的输出功率大多在600W以下，最大已达4kW。2023/1/183第三页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(3)

光泵是使工作物质发生粒子反转产生受激辐射的激励光源，因此光泵的发射光谱应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的光泵有脉冲氙灯和氪灯，脉冲氙灯的发光强度和频率较高，适用于脉冲工作的固体激光器，而氪灯的发光光谱能与YAG的吸收光谱很好匹配，是YAG连续激光器的理想光泵。为改善照射的均匀性，光泵可用双灯（如图1所示的件3有上、下两个）、三灯或四灯。2023/1/184第四页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(4)

聚光器罩在光泵的外围，它是把光泵发生的光有效地、均匀地集中到工作物质上。聚光器中常用的是圆柱聚光器和椭圆聚光器，也有球形、椭球和紧包形的聚光器。其要求为聚光均匀、散热好、结构简单、内壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光效率达80％。谐振腔是光学反馈元件，它的作用是为光放大介质产生光振荡。其类型对激光输出能量和发散角有很大影响，常用的平行平面谐振腔由图1中反射镜1与4组成，谐振腔的长度为激光半波长的整倍数，反射镜平行度＜10"。2023/1/185第五页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(5)

（2）气体激光器

常用的工作物质有分子激光的二氧化碳（CO2）和离子激光的氩气（Ar），后者输出功率为25W，它的10ns级短脉冲，使热影响区小，用于半导体、陶瓷和有机物的高精度微细加工。而CO2激光器的功率在连续方式工作时可达45kW，脉冲式可达5kW，故在加工中应用最广。

CO2气体激光器的波长为10.6μm，处于红外线领域，因而其激光束为不可见光。它是在氦的体积分数约80％，氮的体积分数约15％和CO2的体积分数约5％的混合气体中进行放电形成粒子数反转的分子激光。它的能量效率通常为5％～10％，高效装置甚至可达10％～15％。2023/1/186第六页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(6)CO2激光器的工作原理图如图2所示。

气体激光的激励虽也可用光泵的方法，但大多用直流放电（图2）或高频放电的方式。

谐振腔由放电管两端的镜面构成，一端是镀金凹镜，另一端是锗或砷化镓平镜，它们也兼作密封之用。2023/1/187第七页，共三十一页，2022年，8月28日CO2激光器的输出功率与放电管的长度成正比，低速轴流式的气体流速慢，输出功率小，约50～70W/m，但其输出功率稳定，易得到单模，一般用于百瓦级激光器。对于千瓦级的CO2激光器则采用气体循环速度达100m/s的高速轴流式的激光器或气流及放电与激光光轴垂直的双轴直交型以及气流、放电与激光光轴三者互相垂直的三轴直交型，可达到使激光器小型化。一、激光加工系统的组成(7)2023/1/188第八页，共三十一页，2022年，8月28日2.聚焦系统

其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工件上，并具有调节焦点位置和观察显示的功能。CO2激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红外材料制造的光学透镜才能通过。为减少表面反射需镀金全反射镜。一、激光加工系统的组成(8)2023/1/189第九页，共三十一页，2022年，8月28日一、激光加工系统的组成(9)

图3为应用于CO2激光切割机的透射式聚焦系统。图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。工作台用抽真空方法使薄板工件能紧贴在台面上。

2023/1/1810第十页，共三十一页，2022年，8月28日3．电气系统

电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或CO2激光器的高压直流电源）和输出方式（如连续或脉冲、重复频率等）进行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用CNC控制。

为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统，它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为±0.05～0.005mm。一、激光加工系统的组成(10)2023/1/1811第十一页，共三十一页，2022年，8月28日1．激光打孔尺寸及其精度的控制

（1）孔径尺寸控制

采用小的发散角的微光器（0.001～0.003rad），缩短焦距或降低输出能量可获得小的孔径。对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径0.01～1mm的微小孔加工，最小孔径可达0.001mm。

（2）孔的深度控制

提高激光器输出能量，采用合理的脉冲宽度（材料的导热性越好宜取越短的脉冲宽），应用基模模式（光强呈高斯分布的单模）可获得大的孔深。对于孔径小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距（15～30mm）的物镜打孔。二、激光加工的合理工作参数(1)2023/1/1812第十二页，共三十一页，2022年，8月28日

（3）提高激光加工孔的圆度

激光器模式采用基模加工，聚焦透镜用消球差物镜，且透镜光轴与激光束光轴重合，工件适当偏离聚焦点以及选择适当的激光能量等可提高加工圆度。

（4）降低打孔的锥度

通常孔的锥度随其孔深孔径比增大而增加，采用适当的激光输出能量或小能量多次照射，较短的焦距，小的透镜折射率及减少入射光线与光轴间的夹角等措施可减小孔的锥度。二、激光加工的合理工作参数(2)2023/1/1813第十三页，共三十一页，2022年，8月28日

（5）硬脆材料激光打孔的实用参数

用YAG激光加工机对红宝石和金刚石打孔，当孔径为0.05mm时，所用的单个脉冲的激光能量分别为0.05～1J，每秒的脉冲数约为20个；加工Si3N4、SiC和Al2O3等陶瓷，当孔径为0.25～1.5mm时，所用单个脉冲激光能量在5～8J，每秒的脉冲数为5～10个，脉冲宽度0.63ms，辅助气体用空气或N2。

二、激光加工的合理工作参数(3)2023/1/1814第十四页，共三十一页，2022年，8月28日2．激光切割的合理工作参数

除精细切割如切割硅片可用YAG固体激光器外，激光切割一般采用CO2以激光器，其工作参数主要有切割速度、切缝宽度和切割厚度。

（1）激光切割速度

它随激光功率和喷气压力增大而增加，而随被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚度碳素钢钢板的速度达到2.5m／min，而厚度为12mm的钢板仅为0.8m/min。切割15.6mm厚的胶合板为4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度则达27m/min。二、激光加工的合理工作参数(4)2023/1/1815第十五页，共三十一页，2022年，8月28日

（2）切缝宽度

一般在0.5mm左右，它与被切材料性质及厚度、激光功率大小、焦距及焦点位置、激光束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响程度大致与对打孔直径的影响相似。切割精度可达±0.02～0.01mm。

（3）切割厚度

它主要取决于激光输出功率。切割碳素钢时，1kW级激光器的极限切割厚度为9mm，1.5kW级为12mm，2.5kW级为19mm；2.5kw级切割不锈钢的最大切割厚度则为15mm。对于厚板切割则需配置3kw以上的高功率激光器。二、激光加工的合理工作参数(5)2023/1/1816第十六页，共三十一页，2022年，8月28日

（4）辅助气体提高切割效率和切口质量

由于金属表面的激光反射率可高达的95%，使激光能量不能有效地射入金属表面。喷吹氧气或压缩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石英时，吹氧可防止再粘结。切割易燃材料时，可喷惰性气体防止燃烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采用无氧空气。当吹气压力未超过某一数值时，增加压力可增大切割厚度。

对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激光束。二、激光加工的合理工作参数(6)2023/1/1817第十七页，共三十一页，2022年，8月28日三、激光焊接技术（1）1．激光焊接的工艺特点

按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊。热导焊所用激光功率密度较低（105-106W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。热导焊焊接模式熔深浅，深宽比较小。深熔焊激光功率密度高（106-107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方2023/1/1818第十八页，共三十一页，2022年，8月28日三、激光焊接技术（2）

方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。2023/1/1819第十九页，共三十一页，2022年，8月28日

深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量，并影响光束的聚焦效果，对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。三、激光焊接技术（3）2023/1/1820第二十页，共三十一页，2022年，8月28日

由于经聚焦后的激光束光斑小(0.1～0.3mm)，功率密度高，比电弧焊(5×102～104W/cm2)高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率、热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。

激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。三、激光焊接技术（4）2023/1/1821第二十一页，共三十一页，2022年，8月28日三、激光焊接技术（5）2．激光焊接设备

激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。

(1)激光器

用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。两者优缺点比较如下表所示。2023/1/1822第二十二页，共三十一页，2022年，8月28日

激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方面考虑，CO2激光器比YAG激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在1.5～6kW范围，但现在世界上最大的CO2激光器已达50kW。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投入市场。由于其波长短，仅为CO2激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输使导光系统大为简化。三、激光焊接技术（6）2023/1/1823第二十三页，共三十一页，2022年，8月28日

可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。

(2)导光和聚焦系统

导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应(透镜受热膨胀焦距缩短)；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。三、激光焊接技术（7）2023/1/1824第二十四页，共三十一页，2022年，8月28日三、激光焊接技术（8）(3)激光焊接机

它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机和通用焊接机两种。后者常采用数控系统，有直角坐标二维、三维焊接机或关节型激光焊接机器人。2023/1/1825第二十五页，共三十一页，2022年，8月28日三、激光焊接技术（9）3．改善和发展激光焊接的新技术

以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平。

（1）填充焊丝激光焊

激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形。

此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。

2023/1/1826第二十六页，共三十一页，2022年，8月28日

（2）光束旋转激光焊

使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm；而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm.三、激光焊接技术（10）2023/1/1827第二十七页，共三十一页，2022年，8月28日(3)激光焊接质量在线检测与控制

利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度。该系统所用传感器及其功能如下：

1)等离子体监测传感器

a.等离子体光学传感器（PS）：它的作用是采集等离子体的特