激光加工技术(1)

2019年10月6日星期日2.激光焊接1.激光打孔和切割2019年10月6日星期日在元件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，比如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔，用普通的机械加工工具怕是不容易办到，即使能够做，加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打微型小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小钻头加工的，用这个办法一般也只能加工孔径大于0.25毫米的小孔。在今天的工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中，多层印刷电路板的生产，就要求在板上钻成千上万个直径约为0.1～0.3毫米的小孔。显然，采用刚才说的钻头来加工，遇到的困难就比较大，加工质量不容易保证，加工成本不低。早在本世纪60年代后，科学家在实验室就用激光在钢质刀片上打出微小孔，经过近30年的改进和发展，如今用激光在材料上打微小直径的小孔已无困难，而且加工质量好。打出的小孔孔壁规整，没有什么毛刺。打孔速度又很快，大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。1、激光打孔速度快，效率高，经济效益好。利用功率密度为107~109W/cm2的高能激光束对材料进行瞬间作用，作用时间只有10-3~10-5s，因此打孔速度快。例1：用机械方法在金刚石拉丝模上一个孔（深1.25mm）需24h，用红宝石激光打孔只需6~9min，而用YAG激光打孔只需2s。例2：用机械方法在钟表宝石轴承上打孔（孔径为0.3mm），每秒钟只能打0.2个孔；用红宝石激光打孔，每秒钟可以打出10~14个孔。例3：化纤喷丝头用难熔硬质合金制成，在直径10cm的喷丝头上需打出一万多个直径为几十微米的小孔；用机械钻孔需要四、五个熟练工人加工一星期；改用激光打孔只需一个人操作，两个小时即可完成。例4、用钕玻璃激光打孔机加工柴油机喷油嘴，与电火花相比，工效提高14倍。由于激光打孔速度快、效率高、易于实现计算机程序控制，因此大大降低了打孔加工工时。2019年10月6日星期日2、激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。一般情况下，机械钻孔和电火花打孔所获得的深径比值不超过10。使用增设腔内光阑、增加Q开关或调整导光系统参数的方法，来改变打孔光束质量时，很容易获得高质量、大深径比的小孔。例1：用带Q开关的连续YAG激光器在镍基高温耐腐蚀合金的高熔点金属上打2~10um的小孔，其深径比为250:1。例2：在淬火模具钢上，用YAG激光打出直径为0.6mm、深度为17mm的孔，其深径比为28:1。例3：在碳钢上，通过对导光系统参数进行调整，在厚度为16.2mm时，打出孔径为0.25mm的小孔，其深径比为65:1。2019年10月6日星期日3、激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。难加工材料具有高强度、高硬度、低热导率、加工已硬化、化学亲和力强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短，表面粗糙度差、切斜面上打孔等因素使打孔的难度更大。而用激光在这些难加工的材料上打孔，以上问题都可以解决。特别是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。例1：在婴儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于在打孔过程中奶嘴材料易变形，使得孔径不规则，所以打孔比较困难。可用分光束器将单个激光脉冲分成三部分，用光学系统聚焦，同时打出两个通气孔和一个食奶孔。例2：用铝掩膜和同轴喷气方法能使二氧化碳激光在塑料和薄橡胶片上打大量的小孔；例3：激光可以加工气溶胶塑料喷嘴小孔；在尼龙钮扣上打孔可以避免用机械方法打孔时产生的碎屑，还能够消除使缝纫线割断的棱角等。2019年10月6日星期日4、激光打孔无工具损耗激光打孔为无接触加工，避免了机械钻打微孔时易断钻头的问题。5、激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机电一体化，使得激光打孔过程准确无误的重复成千上万次。例1：食品、制药行业使用的过滤片厚度为1~3mm，材料为不锈钢，孔径为0.3~0.8mm，密度为10~100孔/cm2。例2：为了达到节油40%的目的，要在飞机机翼上打出5万个直径为0.064mm的孔。在飞机的防冰系统中用激光加工出34.5万多个小孔。在一台推力为一万公斤以上的现代航空发动机的涡轮叶片及火焰筒等零件上加工出7~10万个冷却小孔。若采用气膜和发散冷却技术，小孔数量可达50万个。这些大数量的孔非激光打孔莫属。2019年10月6日星期日6、用激光可在难加工材料斜面上加工小孔倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。而激光特别适合于加工与工件表面成6o~9o角的小孔。另外，由于激光打孔过程与工件不接触，加工出来的工件清洁，没污染。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特别保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其他条件下的工件进行打孔。2019年10月6日星期日2019年10月6日星期日激光打孔原理：加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。激光打孔的原理2019年10月6日星期日激光打孔的过程由激光加热开始聚焦的高能光束照射到被加工材料表面材料获取能量材料表面温度达到104℃以上高温当温度升到略低于材料的蒸发温度时激光对材料的破坏开始固态金属发生相变出现液相气相热能继续增加金属蒸气以较高的压力从液相底部喷出（通常所看到的火花溅射）完成打孔过程在飞溅物中有80%是液相物质，它被高压金属蒸气从孔内排出。液相物质的溅出也可能是液相物质的沸腾造成。沸腾的原因是激光能量使液相物质过热。（1）激光打孔将朝着高速度、高效率方向发展。例：某些航空零件要求有上百万个精密孔，使用普通的单脉冲打孔和低重复频率的多脉冲打孔，其打孔速度远远不能满足要求。解决的方法：1、让工件在光束下自旋转，并使激光脉冲的频率与工件旋转同步。激光器发射第一个脉冲到工件上形成一个孔，利用第一个脉冲与下一个脉冲到来之前的间隙，使工件旋转到下一个孔位，再发射第二个脉冲。由此延续下去，当第一个孔回到光束下方原来的位置时，再发射脉冲到第一个孔上，此时第一个孔体的等离子体已排出干净，使打孔过程顺利进行。这种打孔速度可达到65~100孔/s，且孔的质量高。特殊限制：工件必须容许旋转加工。2、在YAG激光器中采用两组振荡放大器，通过改进电源，可以使激光器输出50kW峰值功率，此时可以在5mm厚的不锈钢板上每秒钟加工直径为0.8mm的孔500个，而且孔的精度高、质量好、速度快。2019年10月6日星期日（2）激光打孔的深度不断增加长期以来激光打孔深度一直在几十个毫米范围内，使得激光打孔的优势在某些领域不能充分发挥。主要原因是脉冲激光在窄脉宽状态下的脉冲功率太低。目前国内可进行厚15~22mm的深孔激光加工，国外某公司用大功率激光打孔，打孔速度为4个/s，其打孔深度为19.05mm。用Nd:YAG激光在9.4mm厚的不锈钢上仅用4s即可打出一个直径1.27mm的孔。用大功率激光器在厚75mm金属上进行激光打孔，充分显示激光在打深孔方面的新的优势和能力。随着激光器的发展和对打孔工艺的深入研究，打孔深度逐渐增加，这将满足模具制造业和高压力喷嘴生产中对深孔的需求。2019年10月6日星期日2019年10月6日星期日（3）用激光加工微米级小孔一般激光打孔在对激光器不加调制的情况下，打孔的孔径在0.2~0.4mm范围内。大于0.4mm的孔可以通过工件与激光束的相对运动实现（即轮廓迂回法）。对于孔径小于0.2mm至几微米的孔，必须通过特殊的手段对激光束进行限模或调制实现。通过腔内增设光阑和缩短透镜焦距等方法获得孔径为25~39um和6~23um的小孔。国外有利用窄聚焦光束进行30um高精度孔的激光加工。用连续波亚离子激光器在厚度为200*10-10m的锗膜上打出直径为1um的小孔。使用精密YAG激光加工装置加工陶瓷薄板和金属箔，在厚度为1mm的氮化硅板上打出直径为0.2mm的小孔。在0.05mm后的陶瓷薄膜上加工直径为0.02mm的小孔。（4）激光打孔材料多样化激光可在很多材料上打孔，如金属材料的碳钢、非金属材料中的红宝石、人造金刚石、天然金刚石、玻璃、橡胶、陶瓷等。（5）激光打孔的质量不断提高由于激光打孔属于热烧灼加工，孔的尺寸精度收到影响，孔壁粗糙度一般在Ra=12.5um左右。打孔过程中喷射的熔融状金属氧化物使孔板的上、下表面发黑、粗糙，由于光束的发散角等原因造成了孔的锥度。这些质量问题无疑影响激光打孔的应用。2019年10月6日星期日2019年10月6日星期日2、激光切割1）激光切割工作原理激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。2019年10月6日星期日2）激光切割的特点G、噪声低，无公害A、切割速度快，热影响区小。热影响层深度0.05--0.1mm，热畸变形小。F、可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。C、无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。B、切割质量好。切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。割缝窄。一般为0.1--1mm。2019年10月6日星期日3）激光切割分类※汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右，是无熔化材料的切割方式，适用木材、塑料等。※熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右，适合金属材料。※氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。适用金属材料。2019年10月6日星期日聚焦能力与它光束模式有关。基模(TEM00)，光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀。4)影响激光切割质量的因素激光切割质量包括：影响激光切割质量的因素：割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。A、激光功率：激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。B、光束模式2019年10月6日星期日焦点位置对熔深和熔池形状的影响很大。这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。图所示为采用激光切割5mm厚高合金钢板时的焦点价置与切割缝宽度的关系曲线。由图可知；在焦距位置距工件表面1mm处所得到的割缝最窄。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。C、焦点位置2019年10月6日星期日※与金属产生放热化学反应，增加能量强度。※从切割区吹掉熔渣，清洁切缝；※冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸；※保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。D、辅助气体和喷嘴辅助气体的作用是：喷嘴的设计原则※喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。※喷嘴喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合。气流量与喷嘴尺寸关系nPKdL2