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1、激光加工技术原理及应用浅析专业：机械设计制作及其自动化 班级：机制1306 姓名：张浩然 学号：13110101192 日期：2016年4月11日摘要 激光技术是20世纪60年代发展起来的一门学科。随着大功率激光器的出现并用于材料加工，已逐步形成一种新的加工方法激光加工（Lasser Beam Machining,LBM)。激光可以应用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等各个领域。激光加工不需要加工工具，加工速度快，表面变形小，可以加工各种材料，而且容易进行自动话控制，在日常生产实践中越来越受人们重视。一 激光加工原理和特点1.1原理 激光加工是在光热效应下产生的高温熔融和
2、冲击波的综合作用过程。它利用激光高强度、高亮度、方向性好、单向性好的特性，通过一系列的光学系统，聚焦成平行度很高的微细加工束（直径仅为几微米至几十微米）以获得极高的能量密度（）照射到材料上，并在极短的时间内（千分之几秒，甚至更短）使光能转化为热能，被照部位迅速升温，材料发生熔化、汽化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，达到加热和去除材料的目的。激光加工时，为了达到各种加工要求，激光束与工件表面需要做相对运动，同时光斑尺寸、功率以及能量要求可调。1.2分类 按光与物质相互作用机理,大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。 激光热加工系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过
3、程，也成为热加工；激光光化学反应加工系指激光束作用于物体,借助高密度高能量光子引发或控制光化学反应的各种加工过程,也称为冷加工。热加工和冷加工均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、刻槽、标记等。热加工对金属材料进行焊接、表面强化、切割均极有利;冷加工则对光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。1.3激光加工特点1) 聚焦后，激光加工的功率特别高，光能转化为热能，可以熔化、汽化任何材料。例如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都可以加工2) 激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，故可以用于精密微细加工。3) 激光加工所用工具是激光束，属于非接触加工，故没有明显的机械力，没有工具损
4、耗问题。加工速度快，热影响区小，容易实现加工过程的自动化，还可以通过透明体进行加工，例如对真空管内部经行焊接加工等。4) 与电子束加工相比较，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。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，因此，精微加工时，精度尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的加工参数，才能达到加工要求，6) 由于光的反射作用，对于表面光泽或者透明的的材料，加工前需要进行色化或打毛处理，使更多的光能被吸收后转化为热能用于加工。二 激光加工工艺及应用(依据光与物质相互作用机理)2.1 激光焊接激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照
5、射到工件上,使工件受热熔化,然后冷却得到焊缝。激光焊缝熔深大,速度快,效率高;激光焊缝窄,热影响区很小,工件变形也很小,可实现精密焊接;激光焊缝结构均匀,晶粒很小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能,抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。激光焊接技术具有溶池净化效应,能纯净焊缝金属,适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高,对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前,汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型。2.2 激光切割 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑,将材料快速加热至汽化温度,蒸发形成小孔洞,并使光束与材料相对移动,实现连续孔洞的窄切缝
6、。其根据发出光束的频率可分为，脉冲激光和连续激光。脉冲激光适用于金属材料,连续激光（大功率连续输出的激光器）适用于非金属材料,连续激光由于输出的激光束因热传导而使切割效率降低，同时热影响层也比较深，在精密机械加工中一般多采用高重复频率的脉冲激光器。同时激光器与计算机控制的自动设备结合,激光束具有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改方便;通过预先在计算机内设计,进行众多复杂零件整张板排料,可实现多零件同时切割,节省材料。2.3 激光表面强化激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。1 激光相变
7、硬化(即激光淬火)是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺,适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度。2 激光合金化和激光涂敷：激光合金化和激光涂夜是利用高功率激光束快速扫描金属工件表面，使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化层。3 激光冲击强化：激光冲击强化使用脉冲宽度极短激光照射材料表面，可以产生高强度冲击波，使得金属材料的机械性能改善，阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、钦等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。通过激光强化可以消除应力、改善微观结提高工件表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温从而大大提高产品的质量，成倍地延
8、长产构性品使用寿命和降低成本。2.4 激光打标刻蚀激光标记是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种技术。 激光标记有许多独特的优点，能标记各种字符、图案、数字以及条形码，标记线宽可小于0.01mm，可深可浅，对很小零件也可打标，这是其他标记方法不能实现的。2.5 激光快速成型 激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据计算机设计出的零件的CAD模型立体图形，直接制造出模型，它制造模型的办法是在一层接一层的基础上不断添加材料。三 激光加工应用例析3.1 激光焊接技术图1 激光焊接示意图图2 激光一
9、电弧复合焊接示意图图3 汽车驾驶室的激光焊接3.2 发动机缸套表面的激光加工和强化原理 发动机中,缸套/活塞环摩擦副性能的优劣对发动机的工作性能(动力性、经济性、稳定性等)有着举足轻重的影响。缸套表面加工的最后工序是珩磨，珩磨头上的砂条在缸套中来回往复地旋转，使得缸套表面上的磨粒切削轨迹呈交叉而不重复的网纹，缸套表面形貌中的这种低频波纹度，对实际使用时形成贮油结构和油契起着关键作用，对减少磨损延长运行寿命也是非常重要的。3.2.1 激光表面加工激光加工有两种方式,即:连续和脉冲加工方式。一般情况下,采用脉冲加工方式。脉冲加工方式又有“单脉冲连续多次”和“单脉冲同点间隔多次”两种形式。所谓“单脉
10、冲连续多次”,是脉冲激光在同一个点处连续重复打多个脉冲。由于连续作用时间较长,热影响的负面效应比较严重,加工面的质量较差。而“单脉冲同点间隔多次”,就是工件上同一个点处所打的多个激光脉冲,是通过多次反复间隔打出,形成微凹腔和微凹槽。这种加工方式可以最大程度地减小热影响,显著提高激光加工质量。而且,“单脉冲同点间隔多次”的控制加工方式,并不降低其加工效率。其原理图如下图所示 图 “单脉冲同点间隔多次”加工原理图 “单脉冲同点间隔多次”加工方式微凹槽的三维形貌图实际加工缸套和其表面凹槽的深度测量图脉冲宽度随着重复频率的增大而增大,脉冲宽度的增大会使激光与材料的作用时间延长，更多热量扩散熔化更多的金
11、属材料，最终使加工质量变差；由于采用了“单脉冲同点间隔多次”的新方法，最大程度地减少了热效应对金属材料加工的影响,所以在控制条件允许的范围内，扫描速度对加工结果几乎没有影响;采用垂直吹辅助气体的方式，使用辅助气体时可以提高形貌底部的光洁程度，但同时也会有少量残渣溅到边缘。通过进一步的分析我们可以得知,这些残渣与熔渣不同,与基体的黏附力不大,容易去除。3.2.2 表面强化首先，激光辐射作用可在材料表面造成若干淬火区(白色层)，这种白色层不易被一般腐蚀剂侵蚀，表面硬度也比原始组织高得多，亚组织晶粒超细，而且含有耐高温相。其次，对X光照片的研究也表明，激光辐射作用区的亚组织晶粒是非常细微的,位错密度
12、高，相互之间作用力强。用电子显微镜观察激光作用区的位错组织,随着辐射功率密度的增加，平均位错密度也在增加，而且还会形成位错网状组织，更加增加相互作用。3.3 激光加工陶瓷孔雀蓝釉彩该加工工艺使用的是激光涂敷方法，它利用激光高能量光束辐照待改性的基材表面，通过迅速融溶材料、扩展并迅速凝固的方式，在待改性的基材表面溶覆具有特殊力学、化学和物理性能的溶覆层，这个溶覆层具有基材没有的特性，可以弥补基材需要的特殊性能。传统的陶瓷釉彩装饰方法，是在陶瓷还体表面喷涂、涂敷或者在釉衆中浸泡陶瓷还体等上釉方式将不同颜色、性能的釉装均匀的铺覆在胚体表面，待干燥后放入密炉中高温烧结。它的烧结周期长，能源利用率低，耗
13、能高。激光与陶瓷材料的相互作用是一个复杂的过程，宏观方面看，就是激光束照射陶瓷表面，光热能转化，使陶瓷表面迅速加热到高温，表面溶融并被基材稀释，形成具有特定性能的溶覆层。 从图中可以看出，小功率、低速度辐照的每面境实比大功率、高速度福照的釉面平滑度高。当激光能量足以熔融釉粉且使釉粉与坯体完全溶融反应时，激光功率越小，得到的釉面质量越好。从几个图中还可以发现，激光辖照过的耗面都有微裂纹，这些微裂纹用肉眼直接看不到，但是会影响轴面的质量，这些微裂纹的产生是釉层与基体的温度梯度产生的热应力造成的。4 激光技术在军事中的应用展望4.1 天基激光武器概述天基激光武器是以太空为基础的尖端激光武器，通过激光
14、武器对空内的有效载荷形成威胁和杀伤，被称为“杀手”卫星，也称为激光作战卫星或天基激光武器系统。天基激光武器所在的卫星轨道高，覆盖地面范围大，可以把地球作为攻击目标。4.2关键技术对于具有大口径主镜的发光装置，即大型的激光装置如何送入预定轨道，解决的主要办法是研制能够放到运载火箭的货舱内可折叠式主镜，在太空激光武器进入预定轨道后可折叠式主镜能够自动打开。在太空向轨道上的太空激光武器补充化学介质是个关键问题，由于将来激光武器都是大功率的，主要使用的都是化学激光武器，所以没有介质就不能发生化学反应，也就不能产生激光。 总结本文通过对激光技术的原理、特点及应用例析，简要介绍了激光技术在生产生活乃至军事
15、方面的应用，说明合理运用激光技术对我们的综合国力提高具有极其重要的作用。作为工科机械制造的大学生，在这个基础上，应该认识到，激光的应用具有极其重要的意义，同时，更应该认识到，激光设备具有更加重大的作用。所以我们要更加努力，深入的了解学习掌握激光技术，学以致用，将激光技术效用最大化！参考文献1 雷仕湛.激光与金属表面强化.自然杂志2 王家淳.激光焊接技术的发展与展望.激光技术3 李家治.中国科学技术史陶瓷卷.北京科学出版社，4 罗宏杰，李家治，高力明 原始瓷釉的化学组成及显微结构研究5 李力均.现代激光加工及其装备.北京理工大学出版1993:1-26 我国激光产业发展对策研究报告.7 王学军 美国海军舰载激光武器研发进展与趋势J.8 陈娅冰 激光武器新技术及应用J激光与光电子学进展9 美国机载激光武器研究动向