1、激光加工课件一、激光介绍1.1 激光的产生1.1.1 光的物理状态光的电磁学说：在一定波长范围内的电磁波。波长 C频率 V波速光的量子说：光是在一定波长范围内的电磁波，一种具有一定能量的以光速运动的粒子流（光子） 。不同频率的光对应不同能量的光子。E光子能量；v光的频率；h普朗克常数；1.1.2 原子的发光基态：电子在最靠近原子核的轨道上运动时，原子所处的能级状态称为基态。激发态：当外界传给原子一定的能量时，原子的内能增加，外层电子的轨道半径扩大，被激发到高能级，称为激发态（高能态） 。跃迁：原子从高能级回到低能级的过程称为“跃迁” 。被激发到高能级的原子不是很稳定，总是力图回到能量较低的能级
2、去。具有亚稳态能级的原子和离子的存在是形成激光的重要条件。光辐射：当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常以光子的形式辐射出光能量。自发辐射：原子从高能级自发地跃迁到低能级而发光的过程称为自发辐射。 （日光灯发光）各受激原子跃迁回到基态的时序先后不一，且具有多个能级，因此方向性、单色性都很差。受激辐射：满足一定频率要求的一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，刺激处在激发能级上的原子跃迁回到低能级，同时发出一束与入射光具有相同特性（频率、相位、传播方向、偏振方向等）的光。1.1.3 激光产生的条件粒子数反转：具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发条件下，吸收光能，使处于亚稳态（高能
3、级）的原子数目大于处于基态（低能级）的原子数目的现象。受激辐射：在粒子数反转的状态下，一束光子入射该物体，当光子能量恰好等于两个能级相对应的能量差时，产生受激辐射，输出大量光能。激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等） ，也有其特性。 （受激辐射）cvv1nvEh强度、亮度和能量密度高：一台红宝石激光器的亮度是太阳表面亮度的两百多亿倍。空间上和时间上的集中。单色性好：具有很窄的谱线宽度，波长一致。相干性好：单色性越好，相干长度越长。相干时间：光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔；相干长度：在相干时间内光所走的路程（称为光程） ；波长一致性越好，相干长度就越长，相干性就越好。方向
4、性好：具有很小的发散角。1.2 激光加工（Laser Beam Machining，简称 LBM）1.2.1 激光加工原理：利用高强度、方向性好、单色性好的相干光，获得极高的能量密度（1081010W/cm2）和 10000以上的高温，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到去除材料的目的。1.2.2 激光加工特点：聚焦微小，输出功率可调整。聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能转化为热能几乎可以熔化、气化任何材料。激光光斑可以聚焦到微米级，输出功率可调，能够实现精密微细加工。非接触式加工，无机械力，无工具损耗，易实现加工过程自动化。加工速度快，热影响区域很小。与其他高能
5、束加工比较，加工装置比较简单。高功率密度，可高达 1081010W/cm2。加工重复精度和表面粗糙度不容易保证。对光反射敏感的材料，必须在加工前另加处理；加工产生废气、废物，必须及时排除。操作人员应有一定安全防护要求。1.2.3 激光加工的基本设备包括以下四部分：激光器：将电能转变成光能。电源：为激光器提供能量和控制功能。光学系统：聚焦系统和观察瞄准系统。机械系统：床身、工作台、机电控制系统。1.2.4 激光器的分类按激活介质的种类：固体激光器和气体激光器按工作方式：连续激光器和脉冲激光器固体激光器的基本组成：工作物质、光泵、滤光液、冷却水、聚光器、谐振腔。固体激光器的分类：红宝石激光器、钕玻
6、璃激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器。气体激光器二氧化碳激光器：以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，目前连续输出功率最高的气体激光器。氩离子激光器。二、激光加工工艺2.1 激光打孔2.1.1 激光打孔原理：基于聚焦后的激光具有极高的功率密度使得工件材料融化、气化等热物理现象综合的结果。2.1.2 激光打孔特点：几乎可以在任何材料上打微型小孔;（直径 10m 的精密微孔，机械加工很难达到0.25mm） ；适合于自动化连续打孔，加工效率高；直径可小到 0.01um 以下，深径比可达 50:1；速度快，效率高，尤其高密度群孔加工；可加工硬脆软材料和可在难加工材料上加工斜孔2.1.3 激光打孔的
7、主要影响因素输出功率与照射时间：输出功率大，光照时间长，则工件获得的激光能量大。照射时间为几分之一到几毫秒，时间不能太短也不能太长。聚焦与发散角：尽可能减小激光的发散角，使其在聚焦以后获得很小的光斑和更高的功率密度，从而加工直径更小、深度更深的孔。焦点位置：焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响。光斑内的能量分布激光的多次照射：激光照射一次，加工深度约为孔径的五倍，且锥度很大；多次照射则深度大大增加、锥度减小、孔径几乎不变。工件材料：各种工件材料吸收光谱不同，相当一部分能量将被反射或透射掉，必须根据工件材料的吸收光谱合理选择激光器。对于高反射率和透射率的工件，采用打毛或黑化，增大对激光的吸收效
8、率。工件表面粗糙度值越小，吸收效率越低，打的孔也就愈浅。2.2 激光切割2.2.1 激光切割原理：基于聚焦后的激光具有极高的功率密度使得工件材料瞬时气化蚀除。工件和激光束具有相对移动（一般移动工件） ，一般采用高重复频率的脉冲激光器。2.2.2 激光切割的特点：能够加工各种各样的材料，金属、玻璃、陶瓷、木材、布、纸张等；适合于异形孔加工，精密零件的窄缝切割切割；切割深宽比大；切口质量良好，边缘平滑，无切割残渣，热影响区域小；具有较高的加工效率，加工成本可显著降低（国外汽车 70%的部件切割焊接采用激光加工） 。2.3 激光焊接2.3.1 激光焊接：利用聚焦后的激光，将工件的加工区“烧熔” ，使
9、其粘合在一起。所需能量密度较低，功率密度一般为 105106W/cm2。2.3.2 激光焊接的特点：激光照射时间短，焊接过程极为迅速，不仅有利于生产率的提高，而且被焊材料不易氧化，热影响区域小。可以透过透明体进行焊接，防止杂质污染和腐蚀，适宜于精密仪表、真空仪器元件的焊接。具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属，无焊渣，无需去除工件的氧化膜，焊缝的机械性能在各方面都相当于甚至优于母材。2.3.3 激光焊接的优势：速度快、效率高、深度大、变形小；大深宽比，5：1，最大 10：1；可焊接难熔材料和可进行微型焊接。2.4 激光淬火2.4.1 激光淬火原理：采用功率密度为 103105W/cm2 的激光，短
10、时间（102min ）照射材料表面，使得材料表面迅速升温（升温速度可达 105106/s ）达到相变温度。激光束移开后，热量从材料表面迅速向内部传导，冷却速度可达 104/s ，在急热急冷过程中，实现快速自冷淬火。2.4.2 激光淬火特点:高速加热，高速自冷硬度高，比常规高 5-20%淬火应力与变形小2.5 激光表面合金化：在高能量密度激光束的照射下，将外加合金元素熔化在工件表面的薄层内，从而改变工件表面层的化学成分，形成具有特殊性能的合金化层，以提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性合抗高温氧化等特性，达到材料局部表面改性的目的。2.6 激光标记刻印用途：便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类；
11、便于使用、防止假冒 激光标记特点；可标记条形码、数字符号图案。用激光加工设备，在水晶材料内聚焦产生爆炸微点，这些数以万计的微点，在水晶内组成精美图案（如 建筑物、人物、动物和各种物体） 。三、激光在模具行业的应用3.1 目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以 Nd:YAG 激光器为代表；而气体激光器则以 CO2 激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。3.1.1 Nd:YAG 激光器Nd:YAG 激光器的激光工作物质为固态的 Nd:YAG 棒，其激光波长为 1.06m。由于该种激
12、光器的激光转换效率较低，同时受到 YAG 棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。但由于 Nd:YAG 激光器可以通过 Q 开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W） ，适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为 355nm（紫外） ，在激光立体造形技术中得到应用。3.2.2 CO2 激光器CO2 激光器的激光工作物质为 CO2 混合气体，其主要应用的激光波长为 10.6m。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可
13、以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上） ，满足大功率激光加工的要求。国内外用于激光加工的大功率 CO2 激光器，主要是横流、轴流激光器。横流激光器：横流激光器的光束质量不太好，为多模输出，主要用于热处理和焊接。我国目前已能生产各种大功率横流 CO2 激光器系列，可满足了国内激光热处理和焊接的需求。轴流激光器：轴流激光器的光束质量较好，为基模或准基模输出，主要用于激光切割和焊接，我国激光切割设备市场主要由国外轴流激光器所占领。尽管国内激光器厂商在国外轴流激光器上做了许多工作，但由于主要配件还需进口，产品价格难以大幅度下降，普及率低。3.2 模具
14、激光制造 3.2.1 激光间接成模工艺立体光造形(StereoLithographyApparatus，简称 SLA)工艺是利用紫外激光束逐层扫描光固化胶的方法形成三维实体工件的。1986 年美国 3DSystems 公司推出了商品化样机 SLA-1。SLA 工艺的最高加工精度能达到 0.05mm。薄层叠片制造(LaminatedObjectManufacturing，简称 LOM)工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，由美国 Helisys 公司于 1986 年研制成功。通过反复 CO2 激光器切割和材料粘贴，得到分层制造的实体工件。LOM 工艺的特点是适合制造大型工件，其精度达到 0.1mm
15、。选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，简称 SLS)工艺是利用粉末状材料成形的，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的于 1989 年研制成功，通过用高强度的 CO2 激光器逐层有选择地扫描烧结材料粉末而形成三维工件，SLS 工艺最大的优点在于选材较为广泛。上述三种激光快速成形技术由于发展时间长，技术相对比较成熟，在国内外都得到了较为广泛的应用。但上述方法形成的三维工件都不能直接作为模具使用，需要进行后续的处理，所以称之为激光间接成模工艺。主要的处理方法有：快速成形工件处理后用作模具。LOM 制作的纸模经表面处理直接代替砂型铸造木模；或者用 LOM 制作的纸模具经表面处理直
16、接用作低熔点合金铸模、注塑模；或失蜡铸造中蜡模的成形模。SLS 制作的工件经渗铜后，作为金属模具使用。用快速成形件作母模浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作软模具。用快速成形件翻制硬模具。一种是直接用 LOM 制作纸基模具，经表面金属电弧喷镀和抛光后研成金属模；另一种是金属面硬背衬模具。上述硬模具可用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉伸模。用上述激光间接成模工艺制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以大大缩短制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。但是，目前还存在着模具寿命相对较短的缺点，所以上述激光间接成形模具较适合于小批
17、量生产。3.2.2 激光直接成模工艺选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting，简称 SLM)技术是在选择性激光烧结(SLS)技术的基础上发展起来的。SLM 的特点为：(1)使用高功率密度，小光斑的激光束加工金属，使得金属零件具有 0.1 毫米的尺寸精度；(2)熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对密度几乎能达到 100，大大改善了金属零件的性能；(3)由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能。图 2 所示为德国 EOSGmbH 公司利用选择性激光熔化(SLM)工艺制造的全金属零件。激光多层（或称三维/立体）熔
18、覆直接快速成形技术是在快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项高新制造技术，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金属零件具有均匀细密的枝晶组织和优良的质量，其密度和性能与常规金属零件相当。激光多层熔覆发展出了多种方法，其中最具代表性的是美国 Sandia 国家实验室（SandiaNationalLaboratories）研发的称作激光工程化净成形技术(LaserEngineeredNetShaping，简称 LENS)的金属件快速成形技术。采用该方法已成功制造了不锈钢，马氏体时效钢，镍基高温合金，工具钢，钛合金，磁性材料以及镍铝金属间化
19、合物工件，零件致密度达到近乎 100%。图 3 为美国 Sandia 国家实验室以 LENS技术制造的金属模具。选择性激光熔化(SLM)技术和激光工程化净成形(LENS)技术由于成形件致密性好，且具有冶金结合组织及精度高，制成的模具寿命长的特点，已得到了工业界和学术界的普遍重视，在国外已推出了多种设备样机，有的甚至开始商品化了；而国内目前的研究和应用还处于起步阶段。 另外，还有一种基于激光精细切割的金属零件分层制造技术（LOM） ，具有可快速、低成本制造大型、复杂形状的模具的特点。日本中川威雄研究室早在 80 年代就应用金属薄板 LOM技术实现了金属模具的分层快速制造。经过发展，金属薄板 LO
20、M 技术已逐渐应用于诸如汽车等大型内外饰件模具及具有复杂流道注塑模的制造。3.3 模具表面激光改性模具表面处理一直是机械加工领域中所重视的问题。随着新技术新工艺的发展，有许多传统的处理方式已不太适用。对形状复杂的模具，最理想的表面处理方式是用激光进行，它几乎不变形，表面硬度比常规处理方式的硬度高，并且更耐磨，使用寿命更长。3.3.1 激光相变硬化激光相变硬化又称激光淬火。由于激光淬火时冷却速度远远超过常规淬火冷却速度，从而可以获得极细的马氏体组织。激光相变硬化的优点为硬度较常规淬火高、变形小、可实现表面薄层和局部淬火，不影响基材的机械性能等。3.3.2 激光冲击强化激光冲击强化是高功率密度、短
21、脉冲的激光束与物质相互作用产生的强冲击波来改变材料表面物理及机械性能的技术。在激光冲击过程中，由于激光诱导产生的冲击波峰值应力大于材料的动态屈服应力，从而使材料产生密集、均匀以及稳定的位错结构，使金属表面发生塑性变形，并形成较深残余压应力，从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。其主要优点为：冲击压力高，强化深度达到传统的喷丸强化深度 48 倍；能够加工传统工艺不能处理的部位，如小槽、小孔以及轮廓线之类；激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，无热应力损伤，不会引起相变等。3.3.3 激光合金化和激光熔覆激光合金化和激光熔覆是将一层与模具基体成分不同而具有一定性能的材料涂覆在
22、模具基体，同时用高能激光束照射涂覆区域。激光合金化通过调节激光输出功率使涂覆材料与部分基体一起熔化并发生合金化过程；而激光熔覆是涂覆层在激光作用下与基体表面通过融合迅速结合再一起，它与激光合金化的主要区别在于经激光作用后涂层的化学成分基本不变化，基体的成分基本上不进入涂层内。基于快速凝固新材料合成与制备的激光表面合金化及激光熔覆表面改性新技术，是提高模具材料在高温下耐磨耐蚀等高温性能的最有效方法之一。3.4 模具激光修复模具的失效事实上均因其表层局部材料磨损等原因而报废，而且金属模具的加工周期长、加工费用高。模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用
23、。目前常采用的维修技术有电镀、堆焊和热喷涂等。电镀层较薄，而且与基体结合差，形状损坏部位难于修复；在堆焊、喷涂时，热量注入大，模具热影响区大。而应用激光进行模具维修，由于激光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略。模具的激光修复可采用的方法主要有两种：3.4.1 激光熔覆模具修复利用激光熔覆的方法实现对模具的修复。用高功率 CO2 激光束以恒定功率与金属粉流同时入射到模具表面上，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。此方法一般采用大功率 CO2 激光器作为热源，适用于体积较大、磨损面积较大的模具修复，以及象钢铁轧辊一类的大型工件的修复。3.
24、4.2 激光沉积焊接模具修复激光沉积焊接模具修复采用中小功率脉冲 Nd:YAG 激光器，模具的缺陷用激光束和丝状填充材料来填补。激光束使焊丝和工件的表面同时熔化，所需沉积物的高度是通过多层焊接的方法来达到的；焊接完毕，模具部件再加工成最终尺寸。此方法适用于体积较小的精密模具。Rofin-Sinar 公司制造的 StarWeld 焊接机是比较具有代表性的此类设备，hc360 分页符#3.5 模具激光清洗应用高能激光脉冲去除模具在使用过程中产生的表面污物是激光技术在模具行业中的又一用途。其清洗机理有两个：一是直接利用激光加热污物，使之气化挥发、或瞬间受热膨胀并被蒸汽带离模具基体表面；还有就是在高能量密度、高频率的脉冲激光作用下，污物层内产生分裂应力，而与模具基体脱离。与传统的喷沙清洗方法相比，激光清洗具有清洗速度快、不损伤模具表面、在线清洗(可节约大量拆卸、安装、调试时间)的优点。目前，德国 JET 激光系统公司生产的激光清洗设备相对较为先进。
