激光加工技术

激光加工技术张凯研交通15班15011002主要内容激光的产生及特性激光加工的原理和特点激光加工的基本设备激光加工工艺及应用发展趋势及展望激光加工技术自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式，前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，使能获得极高的能量密(108——1010W／cm2)。当激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区的温度可达10000℃以上，使材料熔化甚至气化，这就是激光加工。1960年美国研制成功世界上第一台可用激光加工的激光器，截止今天激光加工已形成一种重要的新兴产业。1.激光的产生及特性•1.1激光的产生•光的产生与光源内部原子运动状态有关，原子内的原子核和核外电子间存在着吸引和排斥的矛盾，电子按一定的半径的轨道围绕原子核运动。当原子接受一定的外来的能量或向外释放一定的能量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，即产生能级变化，当被激发到高能级，但这时的原子不稳定总是试图回到低能级，当原子从高能级跃迁到低能级时，常常以光子的形式辐射出光能量，这就是发光的原理。•激光是通过入射光子影响处于亚稳态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级时完成受激辐射时发出的光，简言之，激光就是受激辐射得到的加强光。•激光被广泛应用是因为它具有的单色波长、同调性和平行光束等3大特性。科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质,使其原子的电子达到受激发的高能量状态。当这些电子要回复到平静的低能量状态时,原子就会射出光子（以光速运动具有一定能量的粒子）,以放出多余的能量。这些被放出的光子又会撞击其它原子,激发更多的原子产生光子,引发一连串的连锁反应，并且都朝同一个方前进,进而形成集中的朝向某一方向的强烈光束。由此可见,激光几乎是一种单色光波,频率范围极窄,又可在一个狭小的方向内集中高能量,所以利用聚焦后的激光束可以穿透各种材料。•1.2激光的特性激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好四大综合性能。激光的强度和亮度之所以高，原因在于激光可以实现光能在空间上和时间上的亮度集中。单色是指波长为一个确定的数值，实际上严格的单色光是不存在的，l0为单色光的中心波长，Dl单色光的谱线宽，Dl越小，单色性越好。单色性越好，相干长度越大，光源的相干性越好。激光的各个发光中心是相互关联的定向发射，可以把光束压缩在很小的立体角内。•2.激光加工的原理和特点2.1激光加工的原理激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特性，通过一系列的光学系统聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米至几十微米），获得极高的能量密度（W/）照射到材料上，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到加热和去除材料的目的。1010105~cm2•激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。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作用过程。图1激光加工示意图1234561—激光器；2—激光束；3—全反射棱镜；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台•2.2、激光加工的特点•(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）加工效率高，可实现高速切割和打孔。（3）加工作用时间短，除加工部位外，几乎不受热影响和不产生热变形。（4）非接触加工，工件不受机械切削力，无弹性变形。（5）激光束容易实现空间控制时间控制，可进行微细的精密图形加工。•（6）不存在工具磨损问题。•（7）在大气中无能量损失，设备简单，不需要真空室。•（8）可通过空气、惰性气体或者光学透明解质，可对隔离室或真空室内工件进行加工•（9）加工时不产生振动和机械噪声。•(10)属于热加工，影响因素多。•(11)产生金属气体，火星等飞溅物，操作人员戴防护眼镜。激光加工的基本设备由激光器、激光器光源，光学系统和机械系统组成。•激光器：激光加工中的重要设备，将电能转换成光能，产生激光束。•激光器电源：为激光器提供能量和控制功能•光学系统：将光束聚焦并观察和调整焦点位置，包括聚焦系统和观察瞄准系统。•机械系统：包括床身、工作台和机电控制系统。3、激光加工基本设备3.1、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。固体激光器一般采用光激励，能量转化环节多，光的激励能量大部分转换为热能，所以效率低。为了避免固体介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式并用合适的冷却装置，较少采用连续工作方式。由于其具有结构紧凑、牢固耐用、使用维护方便、价格较低等特点，所以在激光打孔、焊接、切割、划片、热处理及半导体加工技术中得到广泛应用。固体激光器常由主体光泵（激励源）及谐振腔（由全反射镜、半反射镜组成）、工作物质（一些发光材料如钇铝石榴石、红宝石、钕玻璃等）、聚光器、聚焦透镜等组成。图中激光器的工作物质为钇铝石榴石。•气体激光器一般采用电激励，效率高，寿命长，膨胀系数小，机械强度高。广泛应用于焊接、热处理加工。常用于材料加工的有二氧化碳激光器和氩离子激光器。•二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，连续输出功率可达10kw，是目前连续输出功率最高的气体激光器，二氧化碳激光器的效率高达20%以上。它主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等部分。氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氧原子电离子激发，实现离子数反转而产生激光。由于氩激光器波长短，发散角小，所以用于精密微细加工，如用于激光存储光盘基板的蚀刻制造等。氦氖激光器的结构图氦氖气体激光器由套管、毛细管、连接管、阳极、阴极、布鲁斯特窗和反射镜等组成。在套管内充有氦氖混合气体。氦氖激光器是依靠气体放电提供能源的，放电在毛细管中进行，所以毛细管亦称放电管，由硬质玻璃或熔融石英制成。布鲁斯特窗的作用是减少激光反射损耗、增加激光输出功率并输出偏振光。两端有多层介质膜的反射镜，组成谐振腔。电源系统为高电压小电流电流源，由高压变压器、整流及滤波回路组成。4.1、激光打孔随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务。4.激光加工工艺及应用激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能否打孔。激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。•激光打孔影响因素•输出功率和打孔时间•焦距和发散角•焦点位置•光斑内能量分布•激光多次照射•工件材料•激光的输出功率大、照射时间长时，工件所获得的激光能量也大。•激光的照射时间一般为几分之一到几毫秒。当激光能量一定时，时间太长，会使热量传散到非加工区，时间太短，则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使能量的使用效率降低。•发散角小的激光束经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可以获得更小的光般及更高的功率密度。焦面上的光斑直径小，所打的孔小，而且，由于功率密度大，激光束对工件的穿透力也大，打出的孔不仅深，而且锥度小。所以，要减少激光束的发散角，并尽可能的采用短焦距物镜（20mm左右），只有在一些特殊情况下，才采用较长的焦距。•激光束焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响。当焦点位置很低时，透过工作表面的光斑面积大，这不仅会产生很大的喇叭口，还会影响加工深度。焦点逐渐提高，孔深也增加，但焦点过高，同样会分散能量密度而无法加工下去。一般激光的实际焦点在工件表面或略微低于工件表面。在基模光束聚焦的情况下，焦点的中心强度I0最大，越是远离中心，光强度越小，能量是以焦点为轴心对称分布的，这种加工出的孔是正圆形的，如图a。当激光束不是基模输出时，其能量分布是不对称的，打出的孔也必然是不对称的，如图b。如果焦点附近有二个光斑（存在基模和高次模），则打出的孔如图c。用激光照射一次，加工的深度大约是孔径的5倍，但锥度较大。如果用激光多次照射，其深度可以增加，锥度可以较小，而孔径几乎不变。但是，孔的深度并不是与照射次数成正比，而是加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射，使孔的前段能量密度不断减小，以致不能继续打下去。多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔打深是由于“光管效应”的结果。如图5-13所示，第一次照射打出不太深的孔，第二次照射时，聚焦光在第一次照射所打的孔内发散，由于光管效应，发散的光在孔壁上反射而向下深入孔内，延伸孔的深度，但孔径基本不变。所以，多次照射能加工出深而锥度小的孔来，多次照射的焦点位置以宜固定在工件表面而不宜逐渐移动。上图是用红宝石激光器照射钢表表面时获得的工件表面粗超度与加工深度关系的实验曲线。结果表明，工件表面粗超度值越小，其吸收效率越低，打的孔也就越浅。•激光打孔特点•1）可加工精度高、深径比大的微小孔•2）能加工小至几微米的小孔•3）可加工异形孔•4）能在所有金属和非金属材料上打孔•5）容易实现自动化，加工效率高4.2、激光切割激光切割(如图2所示)的原理与激光打孔相似，但工件与激光束要相对移动。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。平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器图2CO2气体激光器切割钛合金示意图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。•激光切割特性•1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料•2）切割精度高•3）非接触切割•4）切割速度高•5）切割的深度比高•6）切割质量优良•7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工图3振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜Y轴马达透镜4.3、激光打标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(如图所示)。激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。4.4激光焊接当激光的功率密度为105～107W/cm2，照射时间约为1/100s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图4所示。激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接