1、第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术激光束加工激光束加工第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术1.激光加工的原理与特点激光加工的原理与特点1)激光加工的原理激光加工的原理激激光光是是一一种种强强度度高高、方方向向性性好好、单单色色性性好好的的相相干干光光。由由于于激激光光的的发发散散角角小小和和单单色色性性好好，理理论论上上可可以以聚聚焦焦到到尺尺寸寸与与光光的的波波长长相相近近的的(微微米米甚甚至至亚亚微微米米)小小斑斑点点上上，加加上上它它本本身身强强度度高高，故故可可以以使使其其焦焦点点处处的的功功率率密密度度达达到到1071011W/cm2，温温度度可可达达10000以以
2、上上。在在这这样样的的高高温温下下，任任何何材材料料都都将将瞬瞬时时急急剧剧熔熔化化和和汽汽化化，并并爆爆炸炸性性地地高高速速喷喷射射出出来来，同同时时产产生生方方向向性性很很强强的的冲冲击击。因因此此，激激光光加加工工(如如图图1所所示示)是是工工件件在在光光热热效效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术图图1激光加工示意图激光加工示意图第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术2)激光加工的特点激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：激光加工的特点主要有以下几个方面：(1)几几乎乎对对所所有
3、有的的金金属属和和非非金金属属材材料料都都可可以以进进行行激激光光加加工。工。(2)激激光光能能聚聚焦焦成成极极小小的的光光斑斑，可可进进行行微微细细和和精精密密加加工，如微细窄缝和微型孔的加工。工，如微细窄缝和微型孔的加工。(3)可可用用反反射射镜镜将将激激光光束束送送往往远远离离激激光光器器的的隔隔离离室室或或其其它地点进行加工。它地点进行加工。(4)加加工工时时不不需需用用刀刀具具，属属于于非非接接触触加加工工，无无机机械械加加工工变形。变形。(5)无无需需加加工工工工具具和和特特殊殊环环境境，便便于于自自动动控控制制连连续续加加工工，加工效率高，加工变形和热变形小。加工效率高，加工变形
4、和热变形小。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术2.激光加工基本设备及其组成部分激光加工基本设备及其组成部分激激光光加加工工的的基基本本设设备备由由激激光光器器、导导光光聚聚焦焦系系统统和和加加工工机机(激光加工系统激光加工系统)三部分组成。三部分组成。1)激光器激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于由于He-
5、Ne(氦氦氖氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。等固体激光器。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术2)导光聚焦系统导光聚焦系统根根据据被被加加工工工工件件的的性性能能要要求求，光光束束
6、经经放放大大、整整形形、聚聚焦焦后后作作用用于于加加工工部部位位，这这种种从从激激光光器器输输出出窗窗口口到到被被加加工工工工件之间的装置称为导光聚焦系统。件之间的装置称为导光聚焦系统。3)激光加工系统激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。现激光加工的连续工作。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术3.激
7、光加工的应用激光加工的应用1)激光打孔激光打孔随随着着近近代代工工业业技技术术的的发发展展，硬硬度度大大、熔熔点点高高的的材材料料应应用用越越来来越越多多，并并且且常常常常要要求求在在这这些些材材料料上上打打出出又又小小又又深深的的孔孔，例例如如，钟钟表表或或仪仪表表的的宝宝石石轴轴承承，钻钻石石拉拉丝丝模模具具，化化学学纤纤维维的的喷喷丝丝头头以以及及火火箭箭或或柴柴油油发发动动机机中中的的燃燃料料喷喷嘴嘴等等。这这类类加加工工任任务务，用用常常规规的的机机械械加加工工方方法法很很困困难难，有有的的甚甚至至是是不不可可能能的的，而而用用激激光光打打孔孔，则则能比较好地完成任务。能比较好地完成
8、任务。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术激激光光打打孔孔中中，要要详详细细了了解解打打孔孔的的材材料料及及打打孔孔要要求求。从从理理论论上上讲讲，激激光光可可以以在在任任何何材材料料的的不不同同位位置置，打打出出浅浅至至几几微微米米，深深至至二二十十几几毫毫米米以以上上的的小小孔孔，但但具具体体到到某某一一台台打打孔孔机机，它它的的打打孔孔范范围围是是有有限限的的。所所以以，在在打打孔孔之之前前，最最好好要要对对现现有有的的激激光光器器的的打打孔孔范范围围进进行行充充分分的的了了解解，以以确确定定能能否打孔。否打孔。激激光光打打孔孔的的质质量量主主要要与与激激光光器器输输出出功功率率
9、和和照照射射时时间间、焦焦距距与与发发散散角角、焦焦点点位位置置、光光斑斑内内能能量量分分布布、照照射射次次数数及及工工件件材材料料等等因因素素有有关关。在在实实际际加加工工中中应应合合理理选选择择这这些些工工艺艺参数。参数。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术2)激光切割激光切割激激光光切切割割(如如图图2所所示示)的的原原理理与与激激光光打打孔孔相相似似，但但工工件件与与激激光光束束要要相相对对移移动动。在在实实际际加加工工中中，采采用用工工作作台台数数控技术，可以实现激光数控切割。控技术，可以实现激光数控切割。激激光光切切割割大大多多采采用用大大功功率率的的CO2激激光光器器，对
10、对于于精精细细切切割，也可采用割，也可采用YAG激光器。激光器。激激光光可可以以切切割割金金属属，也也可可以以切切割割非非金金属属。在在激激光光切切割割过过程程中中，由由于于激激光光对对被被切切割割材材料料不不产产生生机机械械冲冲击击和和压压力力，再再加加上上激激光光切切割割切切缝缝小小，便便于于自自动动控控制制，故故在在实实际际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术图图2CO2气体激光器切割钛合金示意图气体激光器切割钛合金示意图第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术激激光光切切割割过过程程
11、中中，影影响响激激光光切切割割参参数数的的主主要要因因素素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。有激光功率、吹气压力、材料厚度等。3)激光打标激光打标激激光光打打标标是是指指利利用用高高能能量量的的激激光光束束照照射射在在工工件件表表面面，光光能能瞬瞬时时变变成成热热能能，使使工工件件表表面面迅迅速速产产生生蒸蒸发发，从从而而在在工工件件表表面面刻刻出出任任意意所所需需要要的的文文字字和和图图形形，以以作作为永久防伪标志为永久防伪标志(如图如图3所示所示)。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术图图3振镜式激光打标原理振镜式激光打标原理第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术激激光光打打
12、标标的的特特点点是是非非接接触触加加工工，可可在在任任何何异异型型表表面面标标刻刻，工工件件不不会会变变形形和和产产生生内内应应力力，适适于于金金属属、塑塑料料、玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、木木材材、皮皮革革等等各各种种材材料料；标标记记清清晰晰、永永久久、美美观观，并并能能有有效效防防伪伪；标标刻刻速速度度快快，运运行行成成本本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。激激光光打打标标广广泛泛应应用用于于电电子子元元器器件件、汽汽(摩摩托托)车车配配件件、医医疗疗器器械械、通通讯讯器器材材、计计算算机机外外围围设设备备、钟钟表表等等产品和烟酒食品防伪等行业。产品
13、和烟酒食品防伪等行业。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术4)激光焊接激光焊接当当激激光光的的功功率率密密度度为为105107W/cm2，照照射射时时间间约约为为1/100s左左右右时时，可可进进行行激激光光焊焊接接。激激光光焊焊接接一一般般无无需需焊焊料料和和焊焊剂剂，只只需需将将工工件件的的加加工工区区域域“热热熔熔”在在一一起起即即可可，如如图图7-12所示。所示。激激光光焊焊接接速速度度快快，热热影影响响区区小小，焊焊接接质质量量高高，既既可可焊焊接接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。第七章第七章其他特种加工技术
14、其他特种加工技术图图4激光焊接过程示意图激光焊接过程示意图第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术5)激光表面处理激光表面处理当当激激光光的的功功率率密密度度约约为为103105W/cm2时时，便便可可实实现现对对铸铸铁铁、中中碳碳钢钢，甚甚至至低低碳碳钢钢等等材材料料进进行行激激光光表表面面淬淬火火。淬淬火火层层深深度度一一般般为为0.71.1mm，淬淬火火层层硬硬度度比比常常规规淬淬火火约约高高20%。激激光光淬淬火火变变形形小小，还还能能解解决决低低碳碳钢钢的的表表面面淬淬火火强强化化问问题题。图图7-13为为激激光光表表面面淬淬火火处处理应用实例。理应用实例。第七章第七章其他特种加
15、工技术其他特种加工技术图图5激光表面强化处理应用实例激光表面强化处理应用实例第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术6)激光存储激光存储是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机是利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机信息等的存取。激光电视唱片的制作可分为原版录制信息等的存取。激光电视唱片的制作可分为原版录制和复制两个过程。在原版录制时，是将镀有薄金属膜和复制两个过程。在原版录制时，是将镀有薄金属膜的玻璃圆盘旋转，经调制的激光束相应地沿着玻璃圆的玻璃圆盘旋转，经调制的激光束相应地沿着玻璃圆盘的半径方向缓慢地由内向外移动，激光束便相应地盘的半径方向缓慢地由内向外移动，激光束便相应地熔化金属层，使图像与声音记录下来。加工机理是用熔化金属层，使图像与声音记录下来。加工机理是用激光热效应，是激光去除加工。激光热效应，是激光去除加工。第七章第七章其他特种加工技术其他特种加工技术
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