激光原理与技术-第七章 激光加工技术

激光加工

三.激光用在加工领域利用激光的亮度高和方向性好可以在机加工领域大有作为。如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割，具有速度快，切面光洁，不发生形变的特点。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件外表进行改性处理。激光热加工原理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各种参数条件下激光加工的可能应用和影响激光等离子体屏蔽现象

激光作用于靶外表，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶外表产生高温高密度的等离子体。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。视频：激光加工演示及详解激光熔凝处理后横截面组织示意图T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布同步送料法激光熔覆示意图激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。同步送料法指在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层的工艺过程。激光熔覆材料包括金属、陶瓷或者金属陶瓷，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材激光相变相图分析激光相变相图分析应用熔池CCD拍摄图彩色云图处理激光焊接相对于传统方式的优点：

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。激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种。热导焊采用的激光功率为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。深熔焊采用的功率密度在106~107w/cm2

之间，焊缝的深宽比最大可达12：1

4视频激光焊、焊接汽车7.4激光焊接奥迪系列宝马系列奔驰系列激光发生器激光设备☆由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。☆激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频〔紫外光、可见光或红外光的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发，便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束-----激光。由于具同相位及单一波长，差异角均非常小，在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。下面是常见的激光焊接设备开展过程世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦，但仍属于低能量输出。

使用钕〔ND〕为激发元素的钇铝石榴石晶棒〔Nd:YAG〕可产生1---8KW的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06uM，可以通过柔性光纤连接到激光加工头，设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm。

使用CO2为激发物的CO2激光〔波长10.6uM〕，输出能量可达25KW，可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金属的加工上。焊接特性

激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件〔如镜子〕导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。激光焊接的优点和缺点优点：〔1〕可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。〔2〕32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。〔3〕不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。〔4〕激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法那么因受到上述的空间限制而无法发挥。〔5〕工件可放置在封闭的空间〔经抽真空或内部气体环境在控制下〕。〔6〕激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，

〔7〕可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

〔8〕易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。〔9〕焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。〔10〕不受磁场所影响〔电弧焊接及电子束焊接那么容易〕，能精确的对准焊件。〔11〕可焊接不同物性〔如不同电阻〕的两种金属

缺点：〔12〕不需真空，亦不需做X射线防护。〔13〕假设以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1〔14〕可以切换装置将激光束传送至多个工作站。〔1〕焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。〔2〕焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。〔3〕最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。〔4〕高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。〔5〕当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。〔6〕能量转换效率太低，通常低于10%。〔7〕焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。〔8〕设备昂贵。(1)功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度到达沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层到达熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。(2)激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料外表，金属外表将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随外表温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。(3)激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。激光焊接的工艺参数

(4)离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验说明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比外表还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。激光焊接国内外开展状况4、电子工业

激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

5、生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等根底研究的根底上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反响，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。根本工作原理是离散、堆积。

蜗杆激光熔覆的复杂截面变换器计算机用于建立待制作零件的CAD模型，将零件的CAD模型转换成STL文件，对零件的CAD模型进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层，并形成每一层薄层的扫描轨迹，以控制多坐标数控工作台运动。

高功率激光器使用的是高达几千瓦到十几千瓦功率的CO2激光器多坐标数控工作台采用多坐标数控工作台的运动实现扫描：在工作台上的零件除能够沿着X,Y轴方向运动外，还可以绕X,Y轴转动。

送粉装置提供均匀稳定的粉末流。送粉装置有两种形式：侧向送粉装置和同轴送粉装置

用于制造复杂形状的零件特别适合于在航天航空工业中制作大型整体薄壁结构零件。

快速制造原型可以在极短的时间内设计制造出零件的原型，进行外观、功能和运动上的考核，发现错误及时纠正，防止由于设计错误而带来的工装、模具等浪费。用于制造多种材料或非均质材料的零件用于制造活性金属的零件由于激光快速成型制造能够提供良好的工作气氛环境，材料浪费少，所以可以用于加工活性金属(如钛、钨、镍等)及其他的特殊金属。用于小批量生产塑料制件相比于普通的化学清洗法和机械清洗法,激光清洗具有如下特征：

〔1〕它是一种完全的“干式〞清洗过程，不需要使用清洁液或者其它化学溶液，是一种“绿色〞消洗工艺，并且清洁度远远高于化学清洗工艺；〔2〕清洗的对利象范围很广。〔3〕激光清洗适用于几平所有固体基材。〔4〕激光清洗可以方便地实现自动化操作，还可利用光纤将激光引入污染区，操作人员只需远距离遥控操作、非常平安方便，这对于一些特殊的应用场合，如核反响堆冷凝管的除锈等，具有重要的意义。6视频：激光清洗纹身过程激光弯曲南京产激光发生器激光其他应用视频激光雕刻、打标视频7激光武器视频8激光装点舞台视频9等等等等激光加工——二维精细切割1

不锈钢厚1mm铝合金0.8mm厚，小孔直径0.7mm单晶硅厚0.7mm不锈钢厚4mm激光加工——三维精细切割2大功率电子管栅极钼厚300微米，直径300微米航空发动机叶形孔不锈钢厚1mm，孔100微米切割陶瓷厚1.7mm色片工装铝合金厚度4mm激光加工——焊接盒体铝合金厚3mm锅炉用钢管厚7mm汽车齿轮〔16MnCr5〕纸浆过滤器不锈钢激光加工——熔覆与热处理航空发动机叶片修复熔覆层宽2mm，厚1mm曲轴花键槽修复〔18Cr2Ni4W〕熔覆层宽4mm，厚0.5mm线材轧辊修复，熔覆层8mm

导轨外表强化(材料:高强钢)激光加工——生物芯片多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片20个循环PCR微流控芯毛细管微流控芯超短激光和长脉冲激光作用的比较Laser-matterinteractionwithlongpulse

Laser-matterinteractionwithultrashortpulse4、飞秒微加工与微制备Adrillinginsteelproducedby3.3-nspulses.Astrongblurformationoccursandsolidifieddropletsstickonthesurface.Notetheheat-affectedzonearoundthehole.Adrillinginsteelproducedby200-fspulses.Pulsesenergyisdecreasedbynearlyoneorderofmagnitude.飞秒激光角膜切割FlapcutbyfslaserpulseFlapcut