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1、,特种加工之激光加工Special processing laser processing班级 B090202 学号 B09020236 姓名 郑世春摘要激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。 关键词： 激光加工 激光技术 AbstractLaser processing refers to the use of the laser
2、beam is projected onto the surface of the material produced by thermal effect to complete the process, including laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, laser drilling and micro processing. With the laser beam to the material for a variety of processing, such as drilling,
3、cutting, cutting, welding, heat treatment. The laser can adapt to any material manufacturing, especially in some of the special requirements of precision and, special occasions and special material manufacturing plays an irreplaceable role. Key words: laser processing laser technology1、引言激光是20世纪人类的四
4、大发明之一,现在已经广泛应用于工业、军事、科学研究和日常生活中。21世纪号称人类已经进入光电子时代,作为能量光电子的激光技术的进一步广泛应用将极大地改变人类的生产和生活。激光加工技术实现了光、机、电技术相结合,是一种先进制造技术,目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工,目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、日常生活用品和工业用品制造等众多领域。用来进行打孔、切割、铣削、焊接、刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、
5、模型和零件的快速制造,工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等。12、 我国激光加工发展简史【2.3.4】我国激光加工起源于六十年代，1963年开始红宝石激光打孔的应用研究。1965年研制出实用激光打孔机并成功地用于拉丝模和钟表宝石轴承的打孔。七十年代初已开展了特种材料激光焊接、电子元件的激光调阻、激光划片等试验，并很快推向生产。 1974年长春第一汽车制造厂用直管封离式CO:激光切割红旗牌汽车蒙皮、成都飞机制造厂切割卡板等精密零件、上海新沪玻璃厂切割石英钳祸、上海沪东造船厂切割船用钢管。1978年第一台千瓦横流CO:激光器样机在我国诞生，激光热处理应用研究才有条件发展。国家科委将大功率横流CO
6、:激光器研制及其在热处理中的应用研究列入国家“六五”科技攻关规划。1983年国家科委组团赴美考察激光热处理，1984年中国机械工程学会热处理专业委员会成立高能密度热处理技术委员会，迄今该委员会组织了七次全国学术交流会。此后激光热处理基础及应用研究在各研究所、大学广泛开展。国家“七五”攻关被列入的主要课题是:实用化大功率激光器及加工机研制、汽车缸体激光热处理等四条中试线、矽钢片激光焊接工艺、各类材料激光切割工艺、五轴三联动激光切割机研制等。1989年中国光学学会成立激光加工专业委员会，迄今该委员会已组织了五次全国学术交流会，并与高能密度热处理委员会联合在中国组织了国际激光加工学术交流会，此后激光
7、加工研究和应用领域迅速扩大。国家“八五”攻关主要的课题是:特种材料激光加工工艺及新型激光器研究、厚板及齿轮激光深熔焊接、激光毛化轧辊、激光雕刻印染辊、轧辊激光熔复等。有的课题已提前达到攻关指标，使相关企业获得巨大经济效益。预计国家“九五”规划中，激光加工技术开发将与企业结合得更紧密，朝实用化、产业化、商品化发展。3、我国激光加工发展现状5.6.7我国激光加工从基础理论研究、应用研究、产品开发直至为生产厂建生产线，样样都在积极进行着，可以说国外有的，我们几乎都有。国外还没有用到生产的，我们已推向生产。如纺织钢令激光非晶态处理和大包头金笔尖激光焊接等，但由于投资强度低，工业基础差，使我国激光加工工
8、艺与设备的水平均远落后于国外。尤其在激光加工系统的可靠性、稳定性、整体化、智能化、柔性化等方面差距更大。4、激光的产生原理4.1光的物理概念光既具有波动性、又具有微粒性波粒二象性。根据电磁学，光是在一定波长范围内的电磁波，如果把所有电磁波按波长和频率依次进行排列，就可以得到电磁波波谱。 根据量子学，光是一种具有一定能量得以光速运动的粒子流（光子） 图14.2原子的发光原子的基态、激发态、跃迁。（图2是氢原子的能级）。基态时原子可长时间存在，激发态时原子停留时间很短。有些原子在某些能级上停留时间较长，这些能级称为亚稳态能级亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件。原子的跃迁是以光子的形式释放能量。
9、物质发光自发辐射和受激辐射两种。 4.3激光的产生某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目粒子数反转。若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这是就会产生受激辐射，输出大量的光能。5、 激光加工的原理和特点5.1激光加工的原理： 图2激光加工是利用高辐射强度的激光束,经过光学系统聚焦后,其激光束的功率密度为1041011W/cm2,加工工件置于激光焦点附近进行加热,是一种热加工。加工过程中激光束与金属表面相互作用,产生相变、熔化、气化、激波和骇波冲击等各种现象。25.2 激光加工的特点：1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化
10、为热能，几乎可以熔化任何材料。2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可调，可以用于精密微细加工。3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的机械力。加工速度快、热影响区小，容易实现自动化4）与电子束相比，加工装置较简单5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多。精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证。由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的材料的加工，需要先进行色化或打毛处理。激光无法加工出非常光泽的表面。6）加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。6、 激光加工的基本设备【3】6.1激光加工及的组成部分激光加工的基本设备包括激光器
11、、电源、光学系统及机械系统等四大部分。6.1.1激光器 激光器是激光加工的重要设备，他能把电能转变成光能，产生激光束。激光器的电源。为激光器提供所需要的能量及控制功能。6.1.2光学系统 包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。6.1.3机械系统 主要包括床身、能在三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，目前已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的数控操作。6.2激光加工常用激光器目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器。按激光器的工作方式大致可分为连续激光器和脉冲激光器。表1 列出了激光加
12、工常用激光器的主要性能特点。表16.2.1固体激光器固体激光器一般采用光激励，能量转化环节多，光激励能量大部分转化为热能，所以效率低。为了避免固体介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式，并用合适的冷却装置，较少采用连续工作方式。由于晶体缺陷和温度引起的光学不均匀性，固体激光器不易获得简单模而倾向于多模输出。固体激光器的基本组成：由于固体激光器的工作物资尺寸比较小，因而其结构比较紧凑。图3是固体激光器的结构示意图，它包括工作物资、光泵、玻璃套管、和滤光液、冷却水、聚光器、以及谐振腔等部分。光泵是提供给工作物资光能用的，一般都用氙灯或氪灯作为光泵。脉冲状态工作的氙灯有脉冲氙灯和重复脉冲氙灯两种
13、。前者只能每个几十秒工作一次，后者可以每秒工作几次之十几次，后者的点击需要用水冷却。聚光器的作用是把氙灯发出的光能聚集在工作物资上，一般可讲氙灯发出来的80%左右的光能集中在工作物资上。常用的聚光器有图4所示的各种形式。图a为圆球形，图b为圆柱形，图c为椭圆柱形，图d为紧包裹形。其中圆柱形加工制造方便，用得较多。椭圆柱形聚光效果较好，也常被采用。为了提高反射率，聚光器的内面徐泡磨平抛光至Ra0.025m，并蒸镀一层银膜、金膜或铝膜。图3图4 各种聚光器1 -聚光器 2-工作物质 3氙灯滤光液和玻璃套管是为了滤去氙灯发出的紫外线成分，因为这些紫外线成分对于钕玻璃和掺钕钇铝石榴石都是十分有害的，他
14、会使激光器的效率显著下降，常用的滤光液是重铬酸钾溶液。 谐振腔由两块反射镜组成，其作用时是使激光沿轴向来回反射共振，用于加强和改善激光的输出。6.2.2气体激光器气体激光器一般采用电激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，所以广泛用于切割、焊接，热处理等加工。常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。二氧化碳激光器【12】二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体激光器，他发出的谱线是在10.6m附近的红外区，输出最强的激光波长为10.6m。二氧化碳激光器的效率可高达20%以上，这是因为二氧化碳激光器的工作能级寿
15、命比较长，大约在10-110-3s范围内。工作能级寿命长有利于粒子数反转的积累。另外，二氧化碳的工作能级离基态近，激励阈值低，而且电子碰撞分子，靶分子激发到工作能级的几率比较大。二氧化碳激光器的一般结构如图5所示，它主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等部分。 图5 二氧化碳激光器的结构示意图 1反射镜 2-电极 3-放电管 4-冷却水 5反射镜 6-红外材料 7-电流电源 8-全反射镜氩离子激光器氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子反转而产生激光，结构示意图如图6所示 图6氩离子激光器1-阳极 2-螺线管 3 -全反射镜 4 -灯丝 5-阴极 氩离子激光器
16、发出的谱线很多，最强的是波长为0.5145m的绿光和波长为0.4880m的蓝光。因为工作能级离基态较远，所以能量转换效率低，一般仅0.05%左右。通常采用直流放电，放电电流为10100A。功率小于1W时，放电管可用石英管；功率较高时，为承受高温而采用氧化铍（BeO）或石墨环做放电管。在放电管外加以适当的轴向磁场，可是输出功率增加12倍。7、激光加工的应用 7.1激光淬火【4、11】激光淬火主要是用来处理铁基材料,当激光功率密度为103-105W /cm2时,即可对铸铁、中碳钢,甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火处理。激光淬火主要应用于交通、纺织机械、重型机械、精密仪器的制造等,尤以在汽车制造业内
17、的应用最为广泛,创造的经济价值最大。在许多汽车的关键件上,如缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光处理。7.2 激光打孔 由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量(106-8J/cm2),瞬间可使任何固体材料熔化,甚至蒸发,因此,从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。事实上,激光一发明,人们首先想到利用它来对宝石这类利用常规加工方法难以加工的材料进行孔加工。激光打孔的成型过程是材料在激光热源的照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。利用激光几乎可在任何材料上打微型孔，激光打孔适合于自动化连续打孔，激光打孔的直径可以小到0.01mm以下，深径比可达50:
18、1图7为激光在钢板上加工的密排孔。7.3激光热处理 用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。7.4激光切割【3】激光切割的原理和打孔的原理基本相同。所不同的是，工件与激光束要相对移动在生产实践中一般都是工件移动。如果是直线切割，还可借助于柱面透镜将激光束聚焦成线，以提高切割速度。激光切割大都采用重复频率较高的脉冲
19、激光器。但连续输出的激光束会因热传导而使切割效率降低，同时影响层也较深。因此，在精密机械加工中，一般都采用重复频率的脉冲激光器。图8为利用激光在金属上切割的渐开线(光滑无毛刺)。 7.5激光焊接【4、10】激光焊接与常规焊接方法相比具有:利用激光的高密度能量,可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接,也可以对非金属材料进行焊接; 当激光的功率密度为105107W /cm2,照射时间约为0. 01 s时,即可进行激光焊接。与传统焊接相比,激光焊接无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可。激光焊接时间较短,热影响区小,焊缝质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻
20、璃进行焊接加工。激光焊接装置容易与计算机联机;可以在大气中焊接和无污染等一系列优点。目前,激光焊接技术已广泛应用于航空航天、武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用和医用等多个领域。图9和图10分别为激光焊接的锯片和钻头,图11激光焊接的不等厚钢板冲压成的汽车部件 图7 图8 图9 图10 图11 图127.6激光表面改性技术【1、8】激光表面改性技术包括:激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和学性质,现在已经广泛应用于工业生产。图12是应用于冶金行业的轧辊激光相变淬火7.7激光刻蚀、铣削与
21、毛化激光刻蚀在微电子行业可以用于半导体器件和芯片的加工,也可以用于精密光学器件的加工。如用激光刻蚀加工半导体芯片(图7a)和三维光栅。利用激光的高密度能量,可以对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工为利用脉冲激光分别铣削加工的硬质合金和氧化铝陶瓷(图7b、7c)。图8是利用二氧化碳激光器在钢材上铣削加工的三维模具。利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化,经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有着油漆牢固的特点。另外,还可以利用激光对钢套等零件进行毛化,可以大大地提高其耐磨寿命。（a）刻蚀的半导体芯片 （b）硬质合金 （c）氧化铝陶瓷图13激光刻蚀（铣削）加工的难加工硬脆性材料7.8激光快速成型技术自20世纪90
22、年代初美国3D Systems公司开发出世界首台商品化的快速成型系统以来,快速成型技术得到蓬勃发展。快速成型(Rapid Prototyoing,简称RP)是通过把材料堆积,快速、精密地制造出实际零件,它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。图14是利用层叠法快速制造出出的艺术品,图15是利用粉末烧结法快速制造出的复杂的零件。 7.9激光标记和艺术品制作生活用品和生产用品的标记和防伪是不可缺少的,而同时人们对产品的美化和艺术品的要求也越
23、来越高。激光标记和艺术品制作 就是利用高密度能量的激光束,会聚在工件表面的对目标进行表面扫描,使材料表面发生物理或化 图14学的变化,导致目标表面 的光反射特性的变化,从而获得可见图案。它属于一种非接触的标刻方式。与传统的加工方式(如喷墨打印,电火花加工,机械刀刻等)相比,它具有许多难以比拟的优点。如它采用计算机控制技术,效率高、节奏快;激光刻划精细,可以对各种材料的表面进行标记,并且耐久性非常好;采用激光标刻的防伪效果好等。现在已经广泛用激光来标刻的五金件和键盘,并且利用激光在竹和木头等材料上雕刻制作艺术品。图结束语 图15激光加工技术的发展使传统加工技术发生了新的飞跃。展望未来，激光加工技
24、术将得到越来越广泛的应用，具有广阔的市场前景，在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用。我国在现代光制造发展方面，机遇与挑战并存，我们要抓住机遇，迎接新世纪光制造时代的到来。参考文献【1】 袁根福 激光加工技术的应用与发展现状A安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 2004第12卷第1期【2】 陈章 激光精密加工技术及其应用A新技术新工艺热加工技术2002年第8期【3】 刘晋春 白基成 郭永丰 特种加工【M】 第五版 北京：机械工业出版社，2008.3【4】 韩淑敏 特种加工的几种方法介绍【B】煤矿机械 2009年6月第30卷第6期【5】 苏宝蓉 我国的激光加工现状及发展前景【A】激光与红外
25、1996年6月第26卷第3期【6】 关振中激光加工工艺手册北京:中国计量出版社,1998【7】 郑启光激光先进制造技术武汉:华中科技大学出版社,2002【8】 黄开金,谢长生激光切割的研究现状及展望激光与光电子学进展,1998,388(4):14【9】 李祥友,曾晓雁,黄维玲激光精密加工技术的现状和展望激光杂志,2000,21(5):13【10】 周常河，从征.激光焊接优化汽车结构.国外激光1994，(10):26一27【11】 热处理手册编委会编.热处理手册K.北京:中国工业出版社,1992.【12】 肖运鸿，左铁911.材料加工用大功率COZ激光器光束质量的评定与检 验.第11届全国激光光电子年会宣读论文，1993年10月，杭州