先进制造技术_激光加工技术

UJS激光加工技术UJS内容1激光的基本原理2激光的特性3激光加工的基本原理4激光表面改性5激光焊接6激光切割7激光打孔8激光打标和激光雕刻UJS1激光的基本原理“激光”一词译自英语“LASER”，台湾学者将它音译为“镭射”。“激光”这一名称是由我国著名科学家钱学森教授建议，经中国科学院技术科学部讨论,于1964年底正式确定的。它是从“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”各词取第一个字母缩写而成的，直译过来就是“受激辐射放大的光”。这一名称揭示了激光的本质：受激辐射放大。UJS1激光的基本原理物质由原子组成UJS自发吸收电子吸收光子从低“能阶”跃迁到高“能阶”(图二a)。自发辐射电子自发地释放光子从高“能阶”跃迁到较低“能阶”(图二b)。受激辐射光子射入物质诱发电子从高“能阶”跃迁到低“能阶”，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个“能阶”的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子(图二c)。圖二原子內電子的躍遷過程。1激光的基本原理电子的跃迁UJS它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会通过释放光子，回到较低的“能阶”。而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过；而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。1激光的基本原理红宝石激光的原理UJS2激光的特性（1）方向性沿轴向传播，发散角非常小（2）单色性波长频率确定，单色性好（3）相干性（4）亮度UJS3激光加工的基本原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，具有其他加工技术所没有的优点：①光点小，能量集中，热影响区小；②不接触加工工件，对工件无污染；②不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更方便；④激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制。UJS激光加工大体可分为激光热加工和光化学加工：激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标等；光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。3激光加工的基本原理UJS4激光表面改性激光表面改性主要用于改善金属制品的表面性能，它可以显著提高金属零件表面的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，延长产品的使用寿命，降低成本。激光表面改性技术包括激光淬火(相变硬化)、激光合金化、激光涂敷（熔敷）、激光非晶化和微晶化、激光冲击硬化等多种工艺。UJS4激光表面改性激光淬火是以高能量的激光快速扫描工件，工件表面极薄的一层吸收能量，其温度迅速上升，此时工件的基体还处于冷态，由于热传导的作用，表面的热量迅速传到工件其他部位，工件表面在瞬间实现自冷淬火，从而产生相变硬化。从理论上讲，激光淬火的冷却速度比一般热处理淬火的冷却速度要提高约1000倍。（1）激光淬火UJS优点：•淬硬层晶粒细化，硬度比常规淬火提高15％～20％。•加热速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程容易实现计算机控制。•对于槽壁（底）、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等特殊部位，只要光束能照射到的部位均可进行处理。•可进行大型零件局部表面以及形状复杂零件的硬化处理。•淬硬层深度可精确控制。•可以实现自冷淬火，不需要油或水等介质。4激光表面改性（1）激光淬火UJS激光合金化是在高能激光束的作用下，将一种或几种合金元素与基体材料的表面快速熔化凝固在一起，从而使基体材料的表面具有高合金特性的技术。简单地说，激光合金化就是利用激光改变金属表面的化学成分从而提高表面性曲的一项技术。经过激光合金化处理后的材料，表面是离性能的合金层，材料内部仍然是廉价的基体材料。4激光表面改性（2）激光合金化UJS非晶化的基本准则：将液体以大于一定的冷却速度迅速冷却到某一温度以下，这样晶体的形核和生长受到限制，来不及形成规则的晶体组织，从而就可以获得非晶态的固体。激光表面非晶化是利用激光使材料表面薄层熔化，同时在表层的液态和基体的固态间保持很高的温度差，从而实现形成非晶态所需要的急冷条件。优点：高效率地、易控制地在形状复杂的制品表面大面积形成非晶层；这将扩大非晶材料的实际应用领域。4激光表面改性（3）激光表面非晶化UJS5激光焊接激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。20世纪70年代焊接过程属热传导型，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。UJS5激光焊接在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。深熔焊接UJS1、速度快、深度大、变形小。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、焊接深宽比高，可达5：1，最高可达10：1。5、可进行微型焊接。6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接。5激光焊接激光焊接的优点UJS5激光焊接激光焊接应用微型点焊UJS5激光焊接激光焊接应用缝焊UJS5激光焊接激光焊接应用激光拼焊激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处，目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。UJS6激光切割激光束照射工件，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全部被材料吸收，引起照射处的材料温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化，并形成孔洞。随着光束与材料的相对移动，最终使材料形成切缝。切缝处熔渣被具有一定压力的辅助气体吹掉。UJS激光切割的特点6激光切割•割缝窄，节省切割材料；•切割速度快，热影响区域小，因而热变形程度低；•剖缝边缘垂直度好，切边光滑，可直接进行焊接；•切边无机械应力，无剪切毛刺，也无切屑；•无刀具磨损，也不需要更换刀具，只需调整工艺参量；•可同样方便地切割易碎、脆、软、硬材料和合成材料；•光束无惯性，可实现高速切割，且任何方向都可同样切割，并可在任何处开始和停止切割；•能实现多工位操作，容易实现数控自动化；•切割噪音低。UJS6激光切割UJS激光打孔的装置与激光焊接大致相似，打孔与焊接相比，要求聚焦后的激光束的功率密度更高，能把材料加热到气化温度，利用气化蒸发将材料去除。一般用光学系统将光斑尺寸聚到几微米到几十微米。由于光斑可以聚得很细，所以能加工极微细和特别深的孔。从深径比来看，用激光打出的孔，其深度与孔径的比值可高达50以上，这是用其他方法难以达到的。例如用一般方法在极硬的氧化铝陶瓷上加工小孔所得到的深径比为2，超声波法只有4，而用激光打孔则可达25。7激光打孔UJS可用于任何材料上打孔：软的如婴儿奶瓶盖上的胶嘴；硬的有天然钻石。节省工序：生产化纤用的喷丝头，是用难熔的硬质合金制成的、一般要在直径为10cm的喷丝头上钻一万多个直径60μm的小孔，采用激光打孔后，工序由17道减为1道，节约劳动力2／3。激光打孔的应用7激光打孔UJS•速度快，效率高，尤其高密度群孔加工；•大深径比，传统不大于1：10，激光在碳钢上加工0.25mm的小孔深径比达65：1；•可加工硬脆软材料；•可在难加工材料上加工斜孔。7激光打孔激光打孔的特点UJS7激光打孔UJS8激光打标和激光雕刻打标是工业生产中不可或缺的一项加工技术，其目的是在产品的表面或外包装上打上各种标识性文字、图案及数字等。激光可以在各种质地、各种形状的产品上打上标记，而其最具特色的依然是在微小物件上打标。许多集成电路芯片上都印有公司商标和有关数据，这些芯片的标记区域一般都只有几毫米到十几个毫米的大小，以往用油墨打标系统，存在着标志质量不高或不能永久保持等问题，改用激光打标后，标记清楚且不易脱落。激光打标UJS8激光打标和激光雕刻激光打标UJS雕刻是一门古老的艺术，传统工艺都是从外部刻起；激光却可以在不损伤工件外表面的情况下深入其内部进行操作。1996年8月在美国丹佛举行的国际工程光学学会年会上，俄罗斯学者展示了一件高科技工艺品。它是一块比普通砖稍厚的玻璃砖，里面雕刻着克里姆林宫内几座教堂式建筑，而砖表面则完整无缺。8激光打标和激光雕刻激光雕刻UJS激光加工的水晶內雕8激光打标和激光雕刻激光雕刻水晶内雕产品是九十年代后期才出现的工艺品。雕刻的作品悬浮在水晶内部，表面却完好无缺。它就是利用了具有一定穿透力的激光，在加工水晶时在局部产生高热量蒸发水晶中的一点，产生一个小孔，这些小孔能排列成特定的形状，制成独特的工艺品。