激光加工激光加工

7.2激光加工激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。激光加工已经用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理、以及激光存贮等各个领域。7.2.1激光的概念1．激光的产生我们知道，原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成，且正、负电荷数量相等，各个电子围绕原子核作轨迹运动。电子的每一种运动状态对应着原子的一个内部能量值，称为原子的能级。原子的最低能级称为基态，能量比基态高的能级均称为激发态。光和物质的相互作用可归纳为光和原子的相互作用，这些作用会引起原子所处能级状态的变化。在正常情况下，物质体系中处于低能级的原子数总比处于高能级的原子数多，这样，吸收过程总是胜过受激过程。要使受激发射过程胜过吸收过程，实现光放大，就必须以外界激励来破坏原来粒子数分布，使处于低能级的粒子吸收外界能量跃迁到高能级，实现粒子数的反转，即使高能级上的原子数多于低能级上的原子数，这个过程称为激励。激励之后的高能级原子跃迁到低能级而发射光子即产生激光。提示：人们可以利用透镜将太阳光聚焦，引燃易燃物取火种或加热烧水等，但却无法用来加工材料。原因一是地面上太阳光的能量密度不高；二是太阳光不是单色光，红橙黄绿青蓝紫等多种不同波长的多色光，聚焦后焦点并不在同一平面内。7.2.2激光加工1．激光加工的原理激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～1011W/cm2，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程，如图7-6所示。图7-6激光加工示意1-激光器2-激光束3-全反射棱镜4-聚焦物镜5-工件7-工作台2．激光加工设备激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机(激光加工系统)三部分组成。（1)激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于He-Ne(氦—氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。激光加工常用固体激光器。激光启的种类，见表7-3。（2）导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。（3)激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维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，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。表7-3激光器的种类激光器固体激光器气体激光器液体激光器化学激光器半导体激光器优点功率大，体积小，使用方便单色性、相干性、频率稳定性好，操作方便，波长丰富价格低廉，设备简单，输出波长连续可调体积小，重量轻，效率高，结构简单紧凑不需外加激励源，适合于野外使用缺点相干性和频率稳定性不够，能量转换效率低输出功率低激光特性易受环境温度影响，进人稳定工作状态时间长输出功率较低，发散角较大目前功率较低，但有希望获得巨大功率应用范围工业加工、雷达、测距、制导、医疗、光谱分析、通信与科研等应用最广泛。遍及各行各业医疗、农业和各种科学研究通信、测距、信息存储与处理等测距、军事、科研等常用类型红宝石激光器氨氖激光器染料激光器砷化镓激光器氟氢激光器7.2.3激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：1）几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。2）激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。3）可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。4）加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。5）无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。6）加工方法多，适应性强。在同一台设备上可完成切割、焊接、表面处理、打孔等多种加工；既可分步加工，又可在几个工位同时进行加工；7）节约能源与材料，无公害与污染。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10～1000倍。激光切割可节省材料15％-30％。激光束不产生像电子束那样的射线，无加工污染。例如：用激光切割可提高效率8～10倍；用激光进行深熔焊接的生产效率比传统方式提高30倍。用激光微调薄膜电阻，提高工效1000倍，提高精度1--2个量级。用激光强化电镀，其金属沉积率可提高1000倍。金刚石拉丝模用机械方法打孔需要24h，用YAG激光器打孔，只需2s，提高工效43200倍。与其他打孔方法相比，激光打孔的费用节省25％～75％，间接加工费用节省50％～75％。与其他切割方法相比，激光切割钢材降低费用70％～90％。7.2.4激光加工的应用在激光加工中利用激光能量高度集中的特点，可以打孔、切割、雕刻及表面处理。利用激光的单色性还可以进行精密测量。(1)激光打孔激光打孔是激光加工中应用最早和应用最广泛的一种加工方法。利用凸镜将激光在工件上聚焦，焦点处的高温使材料瞬时熔化、汽化、蒸发。汽化物质以超音速喷射出来，它的反冲击力在工件内部形成一个向后的冲击波，在此作用下将孔打出。激光打孔速度极快，效率极高。如用激光给手表的红宝石轴承打孔，每秒钟可加工14～16个，合格率达99％。目前常用于微细孔和超硬材料打孔，如柴油机喷嘴、金刚石拉丝模、化纤喷丝头、卷烟机上用的集流管等。(2)激光切割与激光打孔原理基本相同，也是将激光能量聚集到很微小的范围内把工件烧穿，但切割时需移动工件或激光束(一般移动工件)，在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割。激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细切割，也可采用YAG激光器。激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。利用CO2激光器切割钛合金，如图7-7所示。(3)激光焊接激光焊接与激光打孔原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔，使其粘合在一起。因此所需能量密度较低，可用小功率激光器。与其他焊接相比，激光焊接具有焊接时间短、效率高、无喷渣、被焊材料不易氧化、热影响区小等特点，不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同种类的材料，甚至可以焊接金属与非金属材料。图7-7激光切割钛合金1-CO2激光器2-平面镜3-聚焦透镜4-喷嘴5-钛合金7-激光束7-辅助气体随着千瓦级大功率CO2激光器的出现，激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工业部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，在激光加工设备中约占20.9％。例如：车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的小块拼焊起来，再冲压成形。材料利用率由40％～60％提高到70％～80％，而且减轻了重量，焊后表面平整，无翘曲和变形,确保车身覆盖件的质量。(4)激光的表面热处理利用激光对金属工件表面进行扫描，从而引起工件表面金相组织发生变化进而对工件表面进行表面淬火、粉末粘合等。用激光进行表面淬火，工件表层的加热速度极快，内部受热极少，工件不产生热变形，特别适合于对齿轮、气缸筒等形状复杂的零件进行表面淬火。（5）激光打标振镜激光打标原理，如图7-8所示。图7-8振镜激光打标原理1-激光束2-光束准直3-X轴马达4-振镜5-Y轴马达7-透镜7-工件激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志。此外，还可以利用激光打标、除锈、消除工件表面的沉积物等。