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1、激光加工技术实训教案 工 程 训 练 中 心2009年12月长春工业大学工程训练课程教案教师姓名实训项目名称激光加工技术 时 间50 分钟地 点创新实验室讲 授 内 容一、教学目的及要求： 1掌握激光加工的基本理论；2了解激光加工工艺的方法种类及特点；3了解激光加工设备的组成；4掌握激光加工设备操作方法；二、教学重点：1激光加工的概念及应用；2激光加工设备操作方法；三、教学难点：加工过程中激光能量的调解.四、教学内容：1激光加工的概念、特点和工艺范围：2激光加工的基本理论2.1激光的产生及其特性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着吸引和排斥的矛盾
2、，电子按一定半径的轨道围绕原子核运动。当原子接受一定的外来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，这就是发光的原理。 激光是通过入射光子影响处于亚稳态高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级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。 2)激光的特性普通光源的发光是以自发辐射为主，基本上是无序地、相互独立地产生光发射，发出的光波无论方向、相位或者偏振状态都不相同。激光不同于普通光，它是以受激辐射为主，同进各发光中心所发射出的光波具有相同的频率、方向偏振和严格的相位关系。因此，激光除了具有反射、折射、绕射和干射等一般光共性外，还具有亮度和单色性、方向性、相干
3、性好等特点。 2.2激光加工的基本原理及特点2.2.1激光加工的基本原理是一种重要的高能束加工方法，它是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除的加工技术。由于激光具有四个极为重要的特性，经聚焦后，光斑直径仅为几微米，能量密度高达1071011W/cm2，能产生104C以上的高温。因此，激光能在千分之几秒甚至更短的时间内熔化、气化任何材料。激光加工的物理过程大致可分为光能的吸收及能量转化，材料的无损加热，材料熔化、气化及溅出，作用终止及加工区冷凝等几个连续阶段。2.2.2激光加工的特点1）适应性强。 2）加工精度高 3）加工质量好
4、。 4）加工速度快效率高。5）容易实现自动化加工; 6）通用性强;7）节能节材; 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。3激光加工的基本设备（结合设备讲解）激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统和机械系统等四大部分。1)激光器激光器是激光加工的核心设备，通过它可以把电能转化成光能，获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。按材料分：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器。按工作方式分：连续激光器和脉冲激光器。2)激光器电源激光电源根据加工工艺的要求，为激光提供所需的能量及控制功能。由于激光器的工作特点不同，对供电电源的要求也不同
5、，因而它们对供电电源的要求也不同。如，固体激光器电源有连续和脉冲的二种；气体激光器电源有直流、射频、微波、电容器放电以及这些方法的综合使用等，故电源种类较多。3)光学系统 光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上；为了使激光束准确地聚焦在加工位置，要有焦点位置调节以及观察描准系统。4)机械系统机械系统主要包括床身、工作台和机电控制系统。4激光加工技术的应用激光加工的应用主要是打孔、切割、雕刻、焊接、表面处理和改性等几个方面。它们之间从加工原理上看，基本上是相同的，都是利用激光产生的瞬高温进行加工，只是随加工条件的不同，所要求的温度和加工延续时间
6、有所差异。4.1激光打孔许多高精尖产品的关键零部件都有设计有许多小孔。激光打孔是激光加工的主要应用领域之一，主要用于小孔、窄缝的微细加工。激光加打孔的主要特点是：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）可加工异型孔。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。提高打孔精度的错施：1）投影法打孔。2）光柱法打孔。3）激光脉冲的调制。4）喷气加工。4.2激光切割激光切割的原理和激光打孔原理基本相同，都是基于聚焦后的激光具有极高的功率密度（达105106W/cm2）而使工件材料瞬时气化蚀除。所不同的是工件与激光束要相对移动，一般都是移动工件。与传统
7、切割方法相比，激光切割具有下列特性：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。切缝（一般0.1mm0.2mm）、加工精度和重复精度高。对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度。3）非接触切割。被切割工件不受机械作用力、变形小。适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等硬脆材料及蜂窝结构和薄板等刚性差的零件。4）切割速度高。一般可达24m/min。5）切割的深宽比高。对于金属可达30左右，对于非金属可达100以上。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。4.3激光焊接按激光器焊接的工作方式，可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接。其中，脉冲输出的红宝石激光器和
8、钕玻璃激光器适合于点焊，而CO2激光器和YAG激光器适合于缝焊。激光焊接有如下优点：1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速。2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属。 3）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利。 4）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀。 5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接。4.4激光热处理激光热处理是利用大功率连续波激光器对材料表面进行激光扫描，使金属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，从而提高零件表面的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度。激光热处理采用的激光器有CO2激光器和YAG激光器。
9、激光热处理有多种形式，如激光相变硬化、激光表面合金化、激光冲去硬化和激光非晶化等，其中以激光相变硬化和激光表面合金化应用最为广泛。激光淬火需要的功率密度为103105W/cm2，照射时间10-2min，在激光照射区内材料表面的升温速度可达105106/s，使材料表面迅速达到相变温度。一旦激光束离开后，热量从从材料表面迅速向内部传导发散，其冷却速度可达104/s以上，在急热急冷过程中，实现快速自冷粹火。激光粹火的重要特征是变形极小，仅为高频粹火变形的1/51/3。激光热处理的特性1）处理速度快2）变形小3）效率高4.5激光微调激光微调电阻可采用两种方法：一是对电阻进行无损伤照射，使膜的结构变化，从而改变阻值；另一方法是对电阻进行高能量照射，使部分电阻膜气化去除，从而减小导电膜的截面来增加阻值。目前后一种方法用的较多。激光微调精度一般为0.05%，可达0.02%或更小。激光微调特性：1) 速度快。2) 效率高。3) 无污染。4) 易于动态测量。5) 易于实现自动化。5学生操作：首先讲解演示设备的操作和加工过程，而后由学生操作设备进行设计加工简单的产品零件。6
