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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划激光材料的应用激光在材料科学中的应用文章摘要：介绍激光在材料科学中的若干应用，包括激光表面处理、激光焊接、激光切割，及其相关设备和发展情况。关键词：激光表面处理，激光焊接，激光切割。激光可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的；它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料；激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；激光加工过程中，
2、激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小；它可通过透明介质对密闭容器内的工作进行各种加工；由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。激光表面处理激光表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入八十年代以来，大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术日益成熟，使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃，在欧美和日本，大功率激光器商业化程度很高，发展非常迅速，是工业发达国家非常瞩目的一项新
3、技术。激光表面处理技术可以解决其他表面处理方法无法解决或不好的材料强化问题。激光表面处理技术是利用激光束对金属表面进行瞬间淬头处理，经激光处理后，铸铁表层强度可达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70度以上，从而提高其抗磨损，抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。激光热处理技术与其他热处理如高频感淬头，渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面层的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达。处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层本身是致密的冶金组织，
4、具有较高的硬度和耐磨性。被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短，故零件的热影响区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，无噪音、无污染、无公害、劳动条件好。再加上激光器配以微机控制系统，很容易实现自动化生产，易干批量生产。产品成品率极高几乎达到100%。效率很高经济效益显著。可归纳如下：1）安全、清洁、
5、无污染；2）可快速局部加热材料并实现局部隐热急冷，获得特殊的表层结构与性能；3）易于加工高熔点材料、耐热材料、高硬度材料等；4）可在大气、真空及各种气氛中进行加工；5）可使大体上相同的激光设备通过改变激光波长及其他参数进行不同的工艺处理；6）是一种非接触性加工方法，适合自动化生产且生产效率高、工件变形小、可精确控制质量。从工艺方面看激光表面处理主要有：1）激光相变硬化；2）激光熔融；3）激光表面冲击。激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接因具有高能量密度、可聚性、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点而受到人们重视，并已应用于航天、汽车制造、电子轻工等
6、领域。焊接特性：1）属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上；2）激光束可由平面光学元件导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上；3）激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用；4）激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。主要优点；可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损
7、及变形接可降至最低。激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。工件可放置在封闭的空间。激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。不受磁场所影响，能精确的对准焊件。可焊接不同物性的两种金属不需真空，亦不需做X射线防护。若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1可以切换装置将激光束传送至多个工作站。使用设备：由光学震荡器及放在震荡器空穴两端
8、镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时，开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射，形成光电的串结效应，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。激光切割该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为5002500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。利用激光切割设
9、备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割810mm厚的不锈钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸误差较大。CO2激光切割技术比其他方法的明显优点是：切割质量好，切缝一般不需要再加工即可焊接。切割速度快。清洁、安全、无污染，大大改善了操作人员的工作环境。从目前国内应用情况分析,CO2激光切割广泛应用于12mm厚的低碳钢板;6mm厚的不锈钢板及；20mm厚的非金属材料。对于三维空间曲线的切割,在汽车、航空工业中也开始获得了应用。目前适合采用CO2激光切割的产品大体上可归纳为三类：第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件,特别是轮
10、廓形状复杂,批量不大,一般厚度;12mm的低碳钢、;6mm厚的不锈钢,以节省制造模具的成本与周期。第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢或非金属材料的图案、标记、字体等。第三类：要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版,它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为的槽,然后在槽中镶嵌刀片。国外除上述应用外,还在不断扩展其应用领域。采用三维激光切割系统或配置工业机器人,切割空间曲线,开发各种三维切割软件,以加快从画图到切割零件的过程。为了提高生产效率,研究开发各种专用切割系统,材料输送系统,直线电机驱动系统等,目前切割系统的切割速度已超过100m/min。为扩展工程机械、造
11、船工业等的应用,切割低碳钢厚度已超过30mm,并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术,以提高切割厚板的切口质量。因此在我国扩大CO2激光切割的工业应用领域,解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。激光切割的主要工艺1、汽化切割。在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，激光技术在材料制备与加工中的应用激光技术发展概述激光最大的应用领域之一就是材料加工，主要是1kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理及微加工等，激光器已成为一种不可缺少
12、的工业工具，CO2、Nd：YAG和准分子激光器是当前用于材料加工的三种主要激光器。半导体激光技术的迅速发展使得二极管激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器在工业应用中有了光明的前景。除了材料加工外，医用激光器是国外第二大应用。激材料加工用激光器常采用气体激光器和固体激光器两类，如表1所示。表1用于材料加工的激光光束的基本特征类别激光名称CO2激光器XeCl激光器气体激光器XeF激光器ArF激光器KrF激光器固体激光器YAG激光器波长m308m351m193m248mm光子能量能量范围1?105W1?102W1?102W1?102W1?102W1?10W3激活介质CO2XeC
13、lXeFArFKrFNd3+工作方式连续、脉冲脉冲脉冲脉冲脉冲连续、脉冲激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，在焦点处达到很高的能量密度，其光热效应产生极高的高温，在此温度下任何坚硬或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去。激光加工是将激光束照射到工件的表面，利用激光束与物质相互作用的特性，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，实现对材料的切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一系列的加工，是一门涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的
14、综合技术。与传统加工方法相比，采用激光加工具有如下特点：激光加工为无接触加工，且激光束的能量高及移动速度可调，工艺集成性好，同一台机床可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工；适应性强，激光可对多种金属、非金属材料进行加工，特别是高硬度、高熔点、高强度及脆性材料；激光加工过程中激光头与工件表面不接触，不存在加工工具磨损问题，工件不受应力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音，还可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；激光束易于导向、聚焦实现各方向的变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度，是一种极为灵活的加工方
15、法；激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，作用时间可以短到纳秒和皮秒，同时大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工，又适于大型材料加工。加工效率高，加工质量好、精度高，经济效益好，可降低材料的加工费用。高功率激光与材料作用机理分析及应用近二十年来，激光加工技术更是在世界各国工业发展中得到广泛应用，尤其是工业发达国家，已被人们誉为“未来制造业的共同加工手段”。激光加工技术的出现正促使着“电加工时代”向“光加工时代”转变，代表着当前材料加工业的发展方向，当今世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率和产品质量、降低成本、增加效益，提高国际竞争力的重要手段。1.激光与材料的作用机理高功率激光器在材料加工方面主要利用的是激光的热效应。激光与材料相互作用的热力学效应依赖于激光参数、材料特性及环境。激光与靶材是两个独立的部分
