工程材料的激光加工

工程材料的激光加工材料学院材料成型及控制工程系2009秋冬学期2019/8/10工程材料的激光加工2主要内容一、激光加工技术简介及发展情况二、实验目的和要求三、实验原理四、实验设备五、实验内容与步骤六、实验注意事项七、实验报告要求2019/8/10工程材料的激光加工3一、激光加工技术简介及发展情况1、激光技术发展简史•1960年:梅曼（T.MAIMAN)第一台红宝石激光器;•1961年:德诺凡(俄)第一台气体激光器(He-Ne);•1962年:第一台半导体激光器;•1964年:帕特尔(C.Patel)第一台CO2激光器;•1965年:贝尔实验室第一台YAG激光器;•1971年:第一台商用1kW的CO2激光器;•1971~1980年:开展激光切割、焊接、表面处理等激光加工技术的研究与开发。2019/8/10工程材料的激光加工42、工业激光器的市场分布激光器制造商：美国：PRCPRAMA德国：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英国：LUMONICS日本：川崎重工东芝中国：武汉华工激光、武汉金石凯、沈阳大陆、武汉团结2019/8/10工程材料的激光加工53、激光加工特点（1）激光加工不需要工具，无工具损耗、更换等问题（2）工件无受力变形，易保证加工精度（3）几乎能加工所有的金属和非金属材料（4）加工速度快，效率高，热影响区小（5）能进行精细加工（6）能够透过惰性气体、空气或透明介质等进行加工2019/8/10工程材料的激光加工6各种加工方法的应用比例切割24%焊接14%打标24%微处理14%雕刻12%打孔3%其它9%激光加工技术应用2019/8/10工程材料的激光加工7激光加工技术在汽车中的应用返回2019/8/10工程材料的激光加工8二、实验目的和要求•1、了解工程材料激光加工的基本原理和工艺过程；•2、了解激光加工设备的基本组成；•3、通过具体的板料激光加工（切割、焊接等），使学生了解基本概念，工艺特点，以及在工业生产中的具体应用。返回2019/8/10工程材料的激光加工9激光加工是一种利用光能进行加工的方法。激光是一种能量密度高、方向性强、单色性好的相干光。三、实验原理2019/8/10工程材料的激光加工10通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，焦点处的能量密度可达107~1011W/cm2，温度可高达1万℃，从而使任何材料均在瞬时（＜10－3s）被急剧熔化乃至汽化。在不同的功率密度等条件下，材料表面区域发生各种不同的变化。这种变化包括温度升高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金属在保护气体作用下结晶凝固形成焊缝；汽化后的金属蒸气在辅助气体的吹力作用下而离开被加工表面形成割缝或孔洞。如果加工过程中加入一定的粉末材料，使其和被加工工件表面部分材料熔合在一起，就可以得到高性能的熔覆层。2019/8/10工程材料的激光加工11激光切割激光焊接激光表面处理激光雕刻激光打孔激光快速成型各种加工方法的适用范围2019/8/10工程材料的激光加工12（1）激光焊接•激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。•激光束经聚焦后，能量更为集中，能量密度可达105~107W/cm2。如将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。2019/8/10工程材料的激光加工13热导焊接深熔焊接热导焊焊缝深熔焊焊缝2019/8/10工程材料的激光加工14金属材料的激光焊接2019/8/10工程材料的激光加工15激光焊接应用举例2019/8/10工程材料的激光加工16首饰焊接样品手机壳体焊接2019/8/10工程材料的激光加工17（2）激光切割•激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（105~107W/cm2）激光束连续照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能均被材料吸收，引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，且光束与工件相对移动，使材料形成切缝，切缝处熔渣被一定压力的辅助气体吹除。2019/8/10工程材料的激光加工18•汽化切割：工件加热到沸点以上温度•熔化切割：工件加热到熔点温度以上•氧助熔化切割：氧等活性气体代替熔化切割的惰性气体•控制断裂切割：易受热破坏的脆性材料2019/8/10工程材料的激光加工19激光切割应用举例2019/8/10工程材料的激光加工202019/8/10工程材料的激光加工21木皮切割大功率切割大功率切割2019/8/10工程材料的激光加工22（3）激光表面处理•当激光能量密度在103～105W/cm2左右时，对工件表面进行扫描，在极短的时间内加热到相变温度（由扫描速度决定时间长短），工件表层由于热量迅速向内传导快速冷却，实现了工件表层材料的相变硬化（激光淬火）。2019/8/10工程材料的激光加工23激光熔覆•利用大功率高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉末完全熔化。激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，恢复几何尺寸和表面强化等特点。2019/8/10工程材料的激光加工24齿轮损伤状态修复后齿轮局部轴修复前状态激光熔覆过程中2019/8/10工程材料的激光加工25激光表面合金化、激光冲击硬化、激光上釉2019/8/10工程材料的激光加工26（4）激光打孔、打标•激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。陶瓷基片激光打孔2019/8/10工程材料的激光加工27•激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。2019/8/10工程材料的激光加工28材料:不锈钢材料:压铸铝2019/8/10工程材料的激光加工29材料:塑料复合材料材料:彩色塑料2019/8/10工程材料的激光加工30木梳纽扣手表饮料盖牛仔衣2019/8/10工程材料的激光加工31水晶内雕返回2019/8/10工程材料的激光加工32四、激光加工设备•激光器是激光加工设备的核心，它能把电能转换成激光束输出。•激光器的组成：泵浦源、激活介质、光学谐振腔•激光器有固体、气体和半导体三大类。2019/8/10工程材料的激光加工33•CO2气体激光器横流式轴流式扩散冷却•Nd:YAG固体激光器灯泵浦二极管泵浦•半导体激光器2019/8/10工程材料的激光加工34横流CO2激光器系统1.激光束2.切向排风机3.气流方向4.热交换器5.后镜6.折叠镜7.高频电极8.输出镜9.输出窗口2019/8/10工程材料的激光加工35轴流式CO2激光器系统2019/8/10工程材料的激光加工36板条式扩散冷却CO2激光器系统2019/8/10工程材料的激光加工378kW横流CO2激光器20kW射频激励轴流式激光器2.5kW板条式CO2激光器2019/8/10工程材料的激光加工38激光器类型：横流轴流扩散冷却输出功率等级：3~45kW1.5~20kW0.2~3.5kW脉冲能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束传播系数(K)0.150.40.8气体消耗：小大极小电-光转换效率：15%15%30%焊接效果：较好好优良切割效果：差好优良相变硬化：好一般一般表面涂层：好一般一般表面熔覆：好一般一般2019/8/10工程材料的激光加工39灯泵浦Nd:YAG激光器2019/8/10工程材料的激光加工40二极管泵浦YAG激光器2019/8/10工程材料的激光加工41激光加工系统的构成激光器CNC控制系统CNC控制工作台循环水冷系统气体供给系统光束传输及聚焦激光器控制器2019/8/10工程材料的激光加工42激光加工成套设备返回2019/8/10工程材料的激光加工43五、实验内容与步骤1、了解激光加工的基本原理并熟悉激光加工设备的基本结构及其基本操作；2、材料准备；3、激光加工实验；由于时间的限制，每次结合实验室的其它任务选择焊接、切割或熔覆中的一种工艺进行实验演示。4、检查加工件质量并进行问题分析。返回2019/8/10工程材料的激光加工44(1)未经指导老师许可，严禁开动接通设备电源，触动控制按钮；(2)操作人员须戴防护眼镜，严禁眼睛对激光口观看，以免伤害眼睛；(3)激光器内有高压，维护操作时须小心谨慎，勿触高压；(4)CO2激光器控制柜内有高压电源，严禁在启动激光的条件下打开(5)请勿用手直接取放、触摸压铸制品，小心烫伤；(6)在激光切割加工前，必须检查水、气管路是否畅通，压力是否正常。六、实验注意事项返回2019/8/10工程材料的激光加工45七、实验报告要求1．实验名称、实验日期、实验者及同组人员姓名；2．实验目的；3．实验原理、方法及步骤简述；4．实验所用的设备和仪器的名称、型号等；5.实验工艺参数；6．试验数据整理，结果计算；7．填写实验记录卡。*没有填、交实验记录卡的同学不记课程成绩，不能取得学分。返回2019/8/10工程材料的激光加工46