《精密与特种加工技术 教学课件 ppt 作者 张建华 主编 1_第七章 激 光 加 工》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精密与特种加工技术 教学课件 ppt 作者 张建华 主编 1_第七章 激 光 加 工（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、03GDD7,主编,第七章 激 光 加 工,第一节 激光加工的原理与特点 第二节 激光加工设备 第三节 激光打孔工艺 第四节 激光束切割 第五节 激光焊接和表面处理,第一节 激光加工的原理与特点,一、激光的产生及其特性 二、激光加工的原理 三、激光的加工特点,一、激光的产生及其特性,.激光的产生 .激光的特性,.激光的产生,()自发与受激辐射 ()激光的形成,()自发与受激辐射,根据电子绕原子核转动距离的不同，可以把原子分成不同的能级。通常把原子处在最低的能级状态称为基态；能级比基态高的状态称为激发态。处于激发态的原子，在没有外界信号作用下，自发地跃迁到低能态时产生的光辐射，称之为自发辐射。其
2、辐射出的光子频率由两个能级间的能量差来决定，即,(7-1),()激光的形成,图- 激光形成的原理示意图,.激光的特性,()单色性 激光具有其他光源的光所难以达到的、极高的单色性。 ()方向性 激光束的方向性好，即光线的发散度小。 ()相干性 相干性是区别激光与普通光源的重要特性。 ()能量密度高 激光束也和其他光束一样，可以通过凸镜或金属反射镜加以聚焦。,二、激光加工的原理,图- 固体激光器加工原理示意图 全反射镜 光泵(激励脉冲氙灯) 激光工作物质 部分反射镜 透镜 工件,二、激光加工的原理,.材料对激光的吸收和能量转换 .材料的加热熔化、气化 .蚀除产物的抛出,.材料对激光的吸收和能量转换
3、,激光入射到材料表面上的能量，一部分被材料吸收用于加工，另一部分能量被反射、透射等损失掉。材料对激光的吸收与波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等因素有关。,.材料的加热熔化、气化,材料吸收激光能，并转化为热能后，其受射区的温度迅速升高，首先引起材料的气化蚀除，然后才产生熔化蚀除。开始时，蒸气发生在大的立体角范围内，以后逐渐形成深的圆坑，一旦圆坑形成之后，蒸气便以一条较细的气流喷出，这时熔融材料也伴随着蒸气流溅出。,.蚀除产物的抛出,由于激光束照射加工区域内材料的瞬时急剧熔化、气化作用，加工区内的压力迅速增加，并产生爆炸冲击波，使金属蒸气和熔融产物高速地从加工区喷射出来，熔融产物高速喷射时
4、所产生的反冲力，又在加工区形成强烈的冲击波，进一步加强了蚀除产物的抛出效果。,三、激光的加工特点,)由于激光的功率密度高，加工的热作用时间很短，热影响区小，因此几乎可以加工任何材料，如各种金属材料、非金属材料(陶瓷、金刚石、立方氮化硼、石英等)。 )激光加工不需要工具，不存在工具损耗、更换和调整等问题，适于自动化连续操作。 )激光束可聚焦到微米级，输出功率可以调节，且加工中没有机械力的作用，故适合于精密微细加工。 )可以透过透明的物质(如空气、玻璃等)，故激光可以在任意透明的环境中操作，包括空气、惰性气体、真空甚至某些液体。 )激光加工不受电磁干扰。 )激光除可用于材料的蚀除加工外，还可以进行
5、焊接、热处理、表面强化或涂敷、引发化学反应等加工。,第二节 激光加工设备,一、激光器 二、电源 三、光学系统 四、机械系统 五、控制系统,第二节 激光加工设备,图- 激光加工设备的结构原理示意图,一、激光器,.固体激光器 .气体激光器,.固体激光器,()红宝石激光器 红宝石是含有.左右离子的晶体，激活离子是，它属于三能级的系统。 ()掺钕钇铝石榴石晶体激光器 掺钕钇铝石榴石晶体的化学表达式为：，激活离子为。 ()钕玻璃激光器 钕玻璃激光器是发展较快、用量较大的固体激光器。,.气体激光器,()氦氖激光器(原子激光器) 氦氖()激光器是目前应用最广泛的典型原子激光器，它是以连续方式运转的气体激光器
6、。 ()氩离子激光器(离子激光器) 氩离子激光器是目前可见光区连续功率最高的相干光光源，其最高连续功率已达到，效率可达.，使用寿命超过，频率稳定度为。 ()二氧化碳激光器(分子激光器) 二氧化碳激光器是应用最广的一种激光器，其连续输出功率为数十瓦至几十千瓦，最常用的是几百瓦至二千瓦，脉冲输出功率为数千瓦至。,二、电源,.充电电路 .贮能网络 .预燃与触发电路 .控制电路,二、电源,图- 脉冲固体激光器电源的方框原理图,.充电电路,充电电路将低压直流或交流变换为高压直流，并对贮能网络提供电能。由于贮能元件多为电容，电容负载在整个充电过程中不停地处于从短路到开路的运行状态。,.贮能网络,贮能网络为
7、脉冲氙灯放电瞬时提供足够大的能量，形成所需要的电压、电流波形。典型的贮能网络有单电容型、电感-电容型、仿真线网络三种。,.预燃与触发电路,预燃电路为脉冲氖灯提供预电离电流；触发电路供给氖灯触发高压和触发功率，使氖灯内气体开始电离，形成火花放电。泵浦灯正常工作电压远低于灯的自闪电压。,.控制电路,控制电路用于协调上述各部分能正常工作。,三、光学系统,)将激光束从激光器输出窗口引导至被加工工件的表面上，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度。 )指示加工部位。 )观察加工过程及加工零件。尤其在微小型件的加工中是必不可少的。,)光学元件应有高的传输效率。 )光学系统和组成元件应力求简单，以减
8、少元件的损耗和避免激光高度相干性所带来的能量分布变化及在高功率、大能量场合下元件的损伤。 )由于大多数激光器的辐射往往以高斯光束传播，它既不同于普通的均匀平面波，也不同于普通的均匀球面波。,三、光学系统,四、机械系统,)工件移动，而激光头和光束制导装置固定不动。 )激光头和光束制导装置移动，工件固定不动。 )光束制导装置移动，激光头和工件不动。,五、控制系统,控制系统用以控制激光光斑与工件间的相对运动。比之金属切削机床，激光加工机的运动速度快，精度要求也相当高，因而对数控系统的插补速度和分解度有更高的要求。,第三节 激光打孔工艺,一、激光打孔的方式 二、激光打孔工艺规律 三、激光打孔的特点 四
9、、激光打孔的应用实例,一、激光打孔的方式,目前比较成熟的激光打孔方法有复制法和轮廓迂回法两种。 复制法是脉冲激光器广泛采用的打孔方法。它是采用与被加工孔形状相同的光点进行复制打孔的。被加工孔的形状和尺寸与光线的形状和尺寸有关。此外还与光学、机械等系统及工艺规范有关。,二、激光打孔工艺规律,.激光照射能量和照射时间 .聚焦与发散角 .焦点的位置 .光斑内能量的分布 .激光照射次数 .工件材料,.激光照射能量和照射时间,若激光照射能量大、照射时间长，工件表面所获得的能量多，则所加工的孔大而深。但是照射时间过长，由于热传导的关系，不仅热量损耗大，而且加工面积增大，加工区能量密度降低，液相增多，致使加
10、工精度降低。,.聚焦与发散角,发散角小的激光束，经短焦距聚焦以后，在焦面上可以获得很小的光斑及很高的功率密度，故对工件的穿透力大，打出的孔不仅深，而且锥度小。,.焦点的位置,图- 焦点位置对孔形状的影响,.光斑内能量的分布,图- 光斑能量分布对打孔质量的影响,.激光照射次数,图- 光管效应示意图,.工件材料,三、激光打孔的特点,激光打孔的特点是加工能力强，效率高，几乎所有的材料都能用激光打孔；打孔孔径范围大，从量级到任意大孔；激光打孔为非接触式加工，不存在工具磨损及更换问题；由于激光能量在时空内的高度集中，故打孔效率非常高；激光还可以打斜孔(不垂直于加工表面)；激光打孔不需要抽真空，能在大气或
11、特殊成分气体中打孔，利用这一特点可向被加工表面渗入某种强化元素，实现打孔的同时对成孔表面的激光强化。,四、激光打孔的应用实例,激光打孔不需要加工工具；适合于自动化高速连续打孔。,第四节 激光束切割,一、激光切割的基本原理 二、影响激光切割质量的因素 三、激光切割的特点 四、激光切割的应用实例,一、激光切割的基本原理,图- 激光切割原理示意图,二、影响激光切割质量的因素,.激光功率 .光束模式 .焦点位置 .辅助气体 .切割速度,.激光功率,激光功率增加，其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。,.光束模式,图- 光束模式示意图
12、)基模 )多模,.焦点位置,图- 割缝宽度与焦距位置的关系曲线,.辅助气体,)与金属产生放热化学反应，增加能量强度。 )从切割区吹掉熔渣，清洁切缝。 )冷却切缝邻近区域，减小热影响区尺寸。 )保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。,.切割速度,图- 割缝宽度与切割速度的关系,.切割速度,图- 热影响层与切割速度的关系,.切割速度,影响切割速度的因素有： )光束功率。 )光束模式。 )光斑尺寸。 )材料开始气化所需能量。 )材料密度。 )材料厚度。,三、激光切割的特点,)切割速度快，热影响区小，工件被切部位的热影响层的深度为.，因而热畸变形小。 )割缝窄，一般为.，割缝质量好，切口边缘平滑，无
13、塌边，无切割残渣。 )切边无机械应力，工件变形极小。 )无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，切割过程易于实现自动控制。 )激光束聚焦后功率密度高，能够切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料等。 )可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。,四、激光切割的应用实例,采用激光切割石英，虽然切缝附近有个浅热影响区，但切边质量好，无裂纹，切面光滑，不需再进行辅助清理。切割厚度可达，切割速度比锯切加工高两个数量级，且工件不承受任何冲击力。,第五节 激光焊接和表面处理,一、激光焊接 二、激光表面处理,一、激光焊接,.激光焊接的原理与方法 .激光焊接的特点 .激光焊接的应用实例,.激光焊接的
14、原理与方法,.激光焊接的原理与方法,.激光焊接的特点,)激光能量密度高，这对高熔点、高热导率材料的焊接特别有利。 )焊缝深宽比大，比能小，热影响区小，焊件变形小，故特别适于精密、热敏感部件的焊接，常可以免去焊后矫形、加工工艺。 )一般不加填充金属。 )激光可透过透明体进行焊接，以防杂质污染和腐蚀，适用于真空仪器元件的焊接。 )焊接系统具有高度的柔性，易于实现自动化。,)要求被焊件有高的装配精度，原始装配精度不能因焊接过程热变形而改变，且光斑应严格沿待焊缝隙扫描，而不能有显著的偏移。 )激光器及其焊接系统的成本较高，一次投资较大。,.激光焊接的特点,.激光焊接的应用实例,激光焊接在很多方面与电子
15、束焊接类似，其焊接质量略逊于电子束焊。但电子束焊接只能在真空进行，而激光焊接则在大气中进行，比较适合于工业应用。,二、激光表面处理,.激光相变硬化(激光淬火) .激光表面合金化 .激光涂敷 .激光熔凝,.激光相变硬化(激光淬火),()激光相变硬化的原理 ()激光相变硬化的影响因素 ()激光相变硬化的特点 ()激光相变硬化的应用实例,()激光相变硬化的原理,激光相变硬化是利用激光束作热源照射待强化的工件表面，使工件表层材料产生相变甚至熔化，随着激光束离开工件表面，工件表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度，使表面硬化，从而可提高零件表面的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度。,()激光相变硬化的影响因素,影响激光硬化处理的因素有：激光束的功率密度、扫描速度、光斑直径和零件的本身特征(零件的结构、成分、表面吸收率、表面粗糙度)等。一般情况下，硬化层深度与激光功率成正比。,()激光相变硬化的特点,)硬化层组织细化，硬度比常规淬火提高，铸铁经激光相变硬化处理后耐磨性可提高倍。 )加热速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程易实现计算机控制或数控，自动化程度高。 )对于槽壁(底)、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等特殊部位，只要是光束能照射到的部位，均可进行处理。 )可进行大型零件
