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1、特种加工技术,第五章 激光加工,Laser Beam Maching(LBM) 20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学,可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等。,激光加工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，靠光热效应来加工的。加工时不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。,“激光”(Laser即Light Amplification by stimula-ted Emission of Radiation的缩写）,意思是利用辐射受激得到的加强光。相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集中起
2、来,聚焦成一个极小的光斑(面积1/100mm2,从而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料,故可进行非接触加工,适合各种材料的微细加工。,激光为什么可以用来加工？,普通太阳光 聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加工，原因是：1）地面上的太阳光的能量密度不高；2）太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内 激光 可控的单色光，强度高，能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料。,激光现代制造技术前沿综述,人类文明的进步与制造技术的发展密切相关,20世纪60年代开始，激光引领着制造技术进入激光制造时代,激光现代制造技术前沿综述,激光
3、制造是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料的相互作用，引起材料一系列的物理和化学变化，从而实现材料的制备、成型、改性和联结等。迄今为止，激光制造技术已形成了激光焊接、切割、打孔、刻槽、标记等十几种应用工艺，并且迅速取代传统加工方法，在汽车、电子、航空航天、铁路、船舶等工业部门广泛应用。激光制造的益处缩短制造周期，提高加工效率：传统方法研制开发一代新车一般需要年时间，采用计算机辅助设计和辅助制造技术后，新车型的开发周期缩短到了年，在此基础上应用激光技术，新车型的开发周期缩短到个月。,激光现代制造技术前沿综述,年美国国家研究理事会发布哈里森计划，指出“除了成功应用在信息领域外，激光技术对经济最
4、重要的贡献是在制造业和加工业。因此，各个部门应该支持其发展，使光技术成为一个综合性学科，增进美国经济、军事实力。”在德国，政府制定了“尤利卡计划”、“激光”、“德国光学促进计划”等一系列发展规划，德国总理年指出：电子、生物、激光技术是德国新的科技领域的三大发展重点。从激光加工市场比较来看，年的国际产值为亿美元（近亿元人民币），而国内仅为亿元人民币，这说明国内传统工业技术改革和新兴工业市场留给激光加工还有很大空间。,激光的诸多优势使其备受发达国家重视,第一节 激光加工的原理和特点,激光的产生原理 激光的特性 激光加工的原理 激光加工的特点,1 激光的产生原理,光的物理概念 原子的发光 激光的产生
5、,光的物理概念,光既具有波动性、又具有微粒性波粒二象性 根据电磁学，光是在一定波长范围内的电磁波 根据量子学，光是一种具有一定能量得以光速运动的粒子流（光子）,电磁波波谱图,可见光波谱图,原子的发光,原子的激发、跃迁 基态时原子可长时间存在，激发态时原子停留时间很短。 有些原子在某些能级上停留时间较长，这些能级称为亚稳态能级 亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件 原子的跃迁是以光子的形式释放能量 物质发光自发辐射和受激辐射两种,激光的产生,某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目粒子数反转 若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的
6、差，这是就会产生受激辐射，输出大量的光能。,2 激光的特性,激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉等等） 普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方向、相位和偏振状态都不同。 激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好。,3 激光加工的原理和特点,激光加工的原理 经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密 度，光能转化为热能，靠光热效应来加工的。 激光加工的特点 1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为热能，几乎可以熔化任何材料。 2）激光光斑大小可以
7、达到微米级，输出功率可调，可以用于精密微细加工。 3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的机械力。加工速度快、热影响区小，容易实现自动化,激光加工的原理和特点（续）,4）与电子束相比，加工装置较简单 5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多。 精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证。 由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的材料的加工，需要先进行色化或打毛处理。激光无法加工出非常光泽的表面。 6）加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。,激光加工的应用如打孔、金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、塑料等非金属以及硬质合金、不锈钢等金
8、属材料，如硬质合金的喷丝头，一般要在100mm 的部位打出12000多个直径为60m的小孔。切割 金属、木材、纸、布料、皮革、陶瓷、塑料等。激光还在焊接、热处理、划线、调动平衡、微调等。多方面有广泛的用途。,激光加工二维精细切割1,不锈钢厚1mm,铝合金0.8mm厚，小孔直径0.7 mm,单晶硅厚0.7 mm,不锈钢厚4 mm,激光加工三维精细切割2,大功率电子管栅极 钼厚300微米，直径300微米,航空发动机叶形孔 不锈钢厚1mm，孔100微米,切割陶瓷厚1.7mm,色片工装 铝合金厚度4mm,激光加工焊接,盒体铝合金厚3mm,锅炉用钢管厚7mm,汽车齿轮（16MnCr5）,纸浆过滤器不锈钢
9、,激光加工熔覆与热处理,航空发动机叶片修复 熔覆层宽2mm，厚1mm,曲轴花键槽修复（18Cr2Ni4W） 熔覆层宽4mm，厚0.5mm,线材轧辊修复，熔覆层8mm,导轨表面强化 (材料: 高强钢),激光加工生物芯片,多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片,20个循环PCR微流控芯,毛细管微流控芯,第二节 激光加工的基本设备,激光加工机的组成 激光器 重要设备，把电能转变为光能 激光器电源 提供能量给激光器 光学系统 聚焦和观察瞄准系统 机械系统 应该是三坐标数控系统(床身、机电控制系统、工作台） 常用的激光器 固体激光器 红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 气体激光器 CO2 、氩离子,固体激
10、光器：工作尺寸小，结构紧凑。一般包括工 作物质、光泵、玻璃套管、滤光液、冷却水、聚光 器、谐振腔等部分，采用光激励。,气体激光器:一般采用电激励，效率高、寿命长、 连续输出功率大，广泛用于切割、焊接、热处理 等加工。以二氧化碳激光器为例：主要包括放电管、谐振腔、 冷却系统和激励电源等部分。,二氧化碳激光器,特点:能量转换率高,功率大、工作条件简便.波长为10.6微米的谱线。连续输出功率可达万瓦。,应用:材料加工、远距离目标识别,光纤传感,非线性光学,离体物理,医学光化学等.,其他气体激光器:氩离子激光器。,第三节 激光加工工艺及应用,激光打孔 激光切割 其他激光加工,1 激光打孔（几乎可在任何
11、材料上打孔）,主要影响因素 输出功率和照射时间 焦距与发散角（角越小，焦距短，光斑小，功率密度大，加工精度高） 焦点的位置 光斑内的能量分布 激光多次照射 工件材料,焦点位置与孔的剖面形状,光斑内的能量分布对打孔质量影响,激光多次照射（光管效应）,工件材料,不同的工件材料吸收的光谱不同，需要根据材料选择激光器。 表面粗糙度对加工深度有影响,2 激光切割,与激光打孔差不多，原理基本相同，只不过工件需要移动，即需要数控系统。,3 其他激光加工,激光打标记 激光焊接 播放 激光热处理 激光雕刻,特种加工实例,激光加工技术 LWS-400激光加工机床 激光特点激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性
12、和高相干性。 加工特点： 1、它可以对多种金属、非金属加工，特别是加工高硬度、高脆性及高熔点的材料； 2、激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件 。,激光加工产品,激光打标样品 激光焊接样品,激光加工产品,激光加工样品,激光加工产品,激光蚀刻样品,激光加工产品,激光加工样品,激光加工产品,激光加工样品,木梳激光雕刻,纽扣激光打标,贝壳激光雕刻加工,木盒激光雕刻加工,特种作战激光枪,本章小节,激光加工的原理和特点 激光的产生 激光的特性 激光加工的基本设备 激光加工工艺及应用,电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用于精
13、细加工领域，尤其是微电子领域。,第六章 电子束和离子束加工,利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使 材料熔化、气化的特种加工方法,简称为EBM。电子束加工是由德国的科学家K.H.施泰格瓦尔特于1948年发明的。,第一节 电子束加工,1、电子束加工的基本原理：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子,在高电压(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空
14、中进行.,电子束加工原理图1电源及控制系统 2抽真空系统 3电子枪系统 4聚焦系统 5电子束 6工件,2、电子束加工的特点和应用,电子束加工的主要特点是： 电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为 0.010.05毫米)，适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽; 功率密度高,能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、 陶瓷和半导体材料等； 无机械接触作用，无工具损耗问题； 加工速度快,如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个,切割1毫米厚的钢板速 度可达240毫米分。因此，电子束加工属于精细加工， 加工范围广 ，加工质量好；生产率高；加工过程易于实现自动化。,由
15、于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相应的安全措施；需要在真空装置中进行加工；设备造价高等。,主要缺点是:,3. 电子束加工的应用 1）高速打孔 ；2）加工型孔及特殊表面；3）刻蚀；4）焊接；5）热处理；6）电子束光刻,第二节 离子束加工,1、离子束加工原理和特点 离子束加工的物理基础是，当离子（正离子）束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。（微观的机械撞击能量）离子束加工装置中的主要系统是离子源，如图是其中一种，称为考夫曼型离子源。,离子束加工分类：,1、离子刻蚀：0.5-5KeV 氩离子 倾斜 原子剥离，（纳米加工） 2、离子溅射沉积：
16、0.5-5KeV 氩离子 倾斜轰击出靶材原子，垂直沉积在工件上。 3、离子镀： 0.5-5KeV 氩离子 同时轰击靶材和工件表面。目的： 4、离子注入： 5-500KeV离子束 垂直轰击工件，离子注入表层，改变表层性质。,考夫曼型离子源 1真空抽气口 2灯丝 3惰性气体注入口 4电磁线圈 5离子束流6工件 7阴极 8引出电极 9阳极 10电离室,2、离子束加工应用,1）刻蚀加工；2）镀膜加工；3）离子注入加工。,激光加工,原理： 当激光的工作物质钇铝石榴石受到光泵的激发后，吸收具有特定波长的光，在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为粒子数反转。此时一旦有少量激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大，再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，此时由谐振腔的一端输出激光。再通过透镜聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，既可进行加工。,
