激光加工工艺介绍

激光加工工艺简介激光表面改性激光表面改性固相加热熔化汽化重熔合金化熔覆非晶化相变硬化冲击强化几种典型表面改性所需的激光功率密度和作用时间工艺方法功率密度(W/cm2)作用时间(s)相变硬化103~1040.01~1重熔104~1060.01~1合金化104~1060.01~1熔覆104~1060.01~1非晶化106~10810-7~10-6冲击强化108~101010-7~10-6Fe—Fe3C相图奥氏体铁素体马氏体贝氏体珠光体渗碳体莱氏体钢的连续冷却转变（CCT）图0.37%C-0.39%Si-0.85%Mn-0.73%Cr-0.26%Mo淬火退火正火回火激光相变硬化关键技术1、激光能量的利用率•表面预处理粗糙化处理、氧化、涂层…•偏振光•短波长激光：YAG激光、半导体激光2、激光能量的均匀化及光斑变换变换前光束强度分布变换后光束强度分布•积分镜•波导匀光器•可变形镜•透射式棱锥积分镜透射式棱锥积分镜为等边棱锥，产生正方形光斑。光斑尺寸可由调节透镜位置而发生改变。•双光束处理系统激光相变硬化应用举例吸收率%入射角铁激光相变硬化应用举例激光重熔、合金化、熔覆示意图重熔层熔覆层合金粉未合金粉未重熔熔覆合金化合金化层ZL108铝合金激光重熔硬化ZL108合金激光重熔前后的组织合金的主要化学成份：11.0~13.0%Si,1.0~2.0%Cu,0.4~1.0%Mg,0.3~0.9%Mn，属于共晶成份合金。铸造组织为典型的金属－非金属共晶，显微组织为在Al基体上紊乱地分布着Si的枝晶。采用激光重熔处理后组织比处理前的铸造组织细化了几十倍，显微组织形态也变成了Al-Si共晶包围着-Al基固溶体树枝晶的亚共晶组织，其中相所占的体积达40%左右。时效处理对铝合金激光重熔硬化层的影响激光重熔应用举例激光束加工头送粉喷嘴基材熔覆层激光束加工头熔覆层基材预覆层激光熔覆%100%100212AAA基体熔化面积涂层面积基体熔化面积稀释率熔覆层形貌及稀释率激光熔覆应用举例激光局部熔覆激光大面积熔覆激光熔覆再制造磨损损失激光快速成形（堆积）修复磨损损失部位激光熔覆再制造应用举例激光熔覆再制造应用举例激光熔覆再制造应用举例Lasershockpeening约束层吸收层激光冲击波效应产生塑性变形•增加位错密度•造成残余压应力激光表面抛光与织构化LaserpolishingMechanisms•evaporationofsurfacematerial•flowingorflatteningofsofteningandmeltingmaterialundertheeffectofsurfacetensionQ-switchNd:YAGlaser:Pa=250W,tp=650ns,df=70um,v=35mm/s德国亚琛夫琅霍费激光所（ILT,Willenborg,E.）100m微流体器件微通道准分子激光抛光北京工业大学激光工程研究院荷叶表面结构Lasertexturing激光熔池振荡法表面织构化Laserlithography激光干涉法表面织构化Particlelens飞秒激光辐照钛表面微纳结构laserfluence2.5Jcm−2,numberoflasershots280,(a)Vacuum(∼1mbar)(b)air(atmosphericcondition)(c)100mbarSF6(d)100mbarHeNayak1.Appl.Phys.A90,399–402(2008)激光快速成形要建零件CAD模型分层层数据转化为生产过程激光快速成形原理激光快速成形分类激光快速原型制造（Rapidprototype）立体光刻（StereoLithography，SL）分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing,LOM）选区激光烧结（SelectiveLaserSintering,SLS）激光直接快速制造（DirectedLaserManufacturing）激光熔融堆积（DirectedMetalDeposition，DMD）选区激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）激光变形制造（LaserForming）激光熔融堆积成形F/A-l8E/F翼根吊环900mm长×300mm宽×150mm高大型钛合金零件—Aeromet公司XXXX高空高速反导导弹部件超音速巡航导弹部件选区激光熔化成形飞秒激光微纳制造飞秒强激光微制备与加工为材料制备和研究提供了新技术和新手段突出优点：极短作用时间超高光强无热影响破坏区域小高阶非线性三维微加工Adrillinginsteelproducedby3.3-nspulses.Astrongblurformationoccursandsolidifieddropletsstickonthesurface.Notetheheat-affectedzonearoundthehole.Adrillinginsteelproducedby200-fspulses.Pulsesenergyisdecreasedbynearlyoneorderofmagnitude.线性相互作用高阶非线性相互作用单光子过程I多光子过程In难于作用于材料内部高光强、作用于材料内部作用区域可远小于波长作用区}Fusedsilica：absorptionbandgapis~9eV,IRfslaserbeam:800nm(~1.55eV)multiphotonprocessFemtosecondLaserMicromachiningworkstationwasusedtodirect-writelocalizedindex-of-refractionchangeswithinaglasssubstrate,creatingathree-dimensionalopticalwaveguide.飞秒激光束焦点物镜树脂飞秒激光双光子聚合Nature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal)a.原始状态b.伸展状态c.阻尼振荡恢复曲线820nm,19mW3pNk=8.2nN/m