基于激光加工技术的研究

张国洋于成龙伊澎涛邢志超赵博激光加工技术的原理与特点激光的产生激光加工的基本原理激光加工特点激光的产生激光是通过入射光子影响处于亚稳态高能量的原子﹑离子或分子跃迁到低能阶而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。1能级物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。2、跃迁电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶(图a)。同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶(图b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。跃迁又可分为三种形式：1.自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶(图a)。2.自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶(图b)。3.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c)。激光的产生原理以红宝石激光器为例：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，有些电子会透过释放光子，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。产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。激光加工原理激光加工是以激光为热源对工件进行热加工。从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达107～1012瓦／厘米2，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。工作原理示意图激光加工的阶段1.激光束照射工件材料（光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加热，部分因热传导而损失）；2.工件材料吸收光能；3.光能转变成热能是工件材料无损加热（激光进入工件材料的深度极浅，所以在焦点中央，表面温度迅速升高）；4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；5.作用结束与加工区冷凝。激光加工特点1、适应性强激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料。如各种金属、陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。2、加工精度高激光束可聚焦成微米级的光斑（理论上直径可小于1um）适合精密微细加工。3、加工质量好激光加工能量密度高，热作用时间很短，整个加工区几乎不受热的影响，工件热变形极小，故可加工对热冲击敏感的材料。4、加工速度快效率高激光打孔只需0.01s，切割比常规方法提高效率8~20倍，激光焊接可提高效率30倍，微调薄膜电阻可提高1000倍，提高精度1~2数量级。5、容易实现自化加工激光束传输方便，易于控制，便于与机器人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相结合。6、通用性强用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理各种形状和尺寸的工件。也可以选择适当的加工条件，用同一台装置进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。7、节能节材激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍，激光切割可以节省材料15%~30%。8、激光可通过光学透明介质(玻璃、空气、惰性气体和某些液体)对工件进行加工。不足点有高热传导率材料的加工较困难。新工业激光器的研究光纤激光器1紫外波段激光器2飞秒激光器3新工业激光器的分类按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：1、晶体光纤激光器。2、非线性光学型光纤激光器。3、稀土类掺杂光纤激光器。4、塑料光纤激光器。按增益介质分类为：a)晶体光纤激光器。b)非线性光学型光纤激光器。c)稀土类掺杂光纤激光器。d)塑料光纤激光器。优点（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；（2）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低；（3）输出激光波长多（4）可调谐性（5）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用（6）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。（7）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。（8）高的电光效率（9）高功率大功率光纤激光器进口光线激光器全固态激光器特点效率高重频高性能可靠体积小紫外波段激光器在材料加工中应用比较多的是准分子激光器和全固态UV激光器,波长有157、193、248、266、355nm等。光束质量较好功率稳定紫外波段激光器全固态紫外激光器紫外激光器飞秒激光器飞秒概念：飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一通过它，我们可以看到更快速、更微妙的运动，例如绿色植物的光合作用过程、细胞的分裂过程、电子围绕原子运动的过程等等。飞秒激光器钛宝石飞秒激光器半导体激光器优点缺点体积小、可靠性高电、光转换效率高光束质量不好半导体二极管激光器在激光通信、光陀螺、激光打印、并广泛应用于军事领域,如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、光测距、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警等。半导体激光器的应用半导体激光器供应半导体激光器激光加工的应用焊接10%金属材料热处理3%陶瓷材料切割8%金属材料的切割、打孔75%其他4%激光加工技术三大应用激光切割激光打孔激光焊接激光技术的广泛应用航空工业船舶工业激光雕刻和打标其他应用激光切割的原理是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面,在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度,使材料熔化或气化,再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走,达到切割材料的目的。应用于大部分有机材料和陶瓷，不能熔化的木材塑料和炭素材料。激光切割氧助熔化切割机理：加热工件至燃点，利用氧活性气体使材料燃烧熔化切割形成机理：蒸发出小孔，把空洞周围熔材带走。成型件切割坡口切割三维激光切割在车身制造中激光切割大量应用于汽车的冲孔和模板修边，三维激光切割技术不仅能够节省大量模具，还可缩短汽车开发周期。当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光打孔34激光打孔效率极高，精度好，尤其适合加工高密度细微孔群，加工的孔可以达到很大的深径比，加工的材料适应性很广，金属、皮革、陶瓷等材料均可加工。广泛用于加工金刚石拉丝模、发动机燃料喷嘴、化学纤维喷丝头、仪表宝石轴承等小孔和孔。飞机发动机叶片激光打孔激光焊接激光焊接是将光斑非常细小高强度的激光照射到工件表面，通过激光与物质的相互作用，使作用区域内的母材局部快速熔化、气化，实现焊接。激光电弧复合焊接1.焊接速度很快2.激光焊接不受磁场的影响3.激光焊接还可以用于塑料焊接激光焊接汽车组合齿轮激光焊接在汽车工业中的应用拼焊板是将若干不同材质、不同厚度不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。汽车车身板的激光拼焊激光精密焊接激光机器人扫描焊接侧框与车顶横梁的固定焊空客380铝合金壳体的激光焊接火箭燃料箱激光焊接激光灯效果图常用激光表面处理方法（1）热喷涂热喷涂原理：热喷涂是将喷涂材料加热到熔化，靠压缩气体连续吹喷到制件表面上，形成与基体牢固结合的涂层，从制件表层获得所需要的物理化学性能。热喷涂的应用防腐蚀:主要用于大型水闸钢闸门、高压输电铁塔、大型钢桥梁、化工厂大罐和管道的防腐喷涂。防磨损:通过喷涂修复已磨损的零件，或在零件易磨损部位预先喷涂耐磨材料，如风机主轴，汽车曲轴、机床主轴、机床导轨。热喷涂的应用（2）激光表面强化原理：激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短时间内将工件表层极薄的材料加热到熔点以上的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。应用：激光表面强化主要用于局部强化的零件，如曲轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。在基体表面上放置涂层材料，经激光辐照，使之和基体表面的薄层同时熔化，并快速凝固后形成表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性。激光表面强化在风机叶轮轴颈的应用二、激光快速成形原理：将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，自动生成加工路径，选择性固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，再逐步顺序叠加三维配件，经后处理，形成零件。快速成型的工艺过程：1、产品三维模型的构建1）设计软件PRO/E、SolidWorks直接构建2）产品二维图形转换3）激光扫描2、三维模型近似处理（方便后续数据处理）3、三维模型的切片处理4、成型加工及后处理激光快速成形应用：主要应用在航空航天、汽车、玩具制造等行业。用于制造复杂形状的零件、快速制造原型、制造非均匀材料的零件、小批量生产塑料制件、制造各种模具或模型等。激光快速成型：电话机壳激光烧结快速成型三、激光打标原理：激光打标是利用高能量密度的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑，从而获得可见图案的标记方式。集成电路板的激光打标激光打标优点1.永久性：标记不会因环境关系（触摸、酸性、高低温等）而消退。2.防伪性：标记不易仿制和更改，在一定程度上具有很强的防伪。3.非接触性：激光是以非机械式的“刀具”进行加工，对材料不产生机械挤压或应力，无“刀具”磨损。4.应用范围广：能标记条形码、数字、字符、图案、二维码等标志。5.雕刻精度高：激光打标机雕刻的物品图纹精细。标记清晰、持久、美观。6.运行成本低：打标速度快，能耗小，因而运行成本低。激光加工技术的发展趋势国内的发展趋势国内激光领域存在的的问题激光加工技术发展方向激光加工技术的发展方向高频度和高可靠性小型化和集成化数控化和综合化短波长和高精度数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。小型化和集成化可进行几种工艺研制和生产加工的激光加工系统，已成为激光加工的另一发展趋势。例如：将激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。高频度和高可靠性激光加工系统的可靠性是实现稳定加工的关键技术和前提条件。目前，国外YAG激光器的重复频度已达2000次/s，二极管阵列泵浦的Nd：YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1~2万h。短波长和高精度波长短是实现高精度加工的前提。采用激元