先進(jìn)制造技術(shù)ppt課件(編輯修改稿)
2025-06-02 03:45 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 規(guī)律 盡管激光是具有高方向性并近似平行光束，但它們?nèi)跃哂幸欢ǖ陌l(fā)散角（約為 103 rad），這使得激光經(jīng)聚焦物鏡聚集在焦面上后形成仍有一定直徑的小斑點(diǎn)，且在小斑點(diǎn)其能量的分布是不均 勻的，而是按貝賽函數(shù) 分布（如圖所示）。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 在光斑中心處光強(qiáng)度 I0最大，相應(yīng)能量密度最高，遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的地方就逐漸減弱。而激光的波長(zhǎng)和焦距直接影響光斑面積大小，即影響焦點(diǎn)中心處最大光強(qiáng)。同時(shí)，激光加工是一種熱加工，加工過(guò)程中有熱傳導(dǎo)損失，因此，增大激光束的功率也是增大焦點(diǎn)中心強(qiáng)度的主要措施?？梢?jiàn)，影響激光加工的因素主要有激光器的輸出功率、焦距和焦點(diǎn)位置、光斑內(nèi)能量分布及工件吸光特性等 。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 激光的輸出功率大、照射時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，工件所獲得的激光能量也大。但當(dāng)激光能量一定時(shí)，照射時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)使熱散失增多，時(shí)間太短則因功率密度過(guò)高而使蝕除物質(zhì)以高溫氣體噴出，這都會(huì)降低能量的使用效率，因此激光照射時(shí)間一般為幾分之一毫秒到幾毫秒。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 激光束發(fā)散角越小，聚焦物鏡焦距越短時(shí)，在焦面上可以獲得更小的光斑及更高的功率密度。所以加工時(shí)，一般盡可能減小激光束發(fā)散角和采用短焦距（ 20mm左右）物鏡，只有在一些特殊的情況下才選用較長(zhǎng)的焦距。同時(shí)，焦點(diǎn)位置對(duì)于孔的形狀和深度都有很大影響。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 焦點(diǎn)位置對(duì)孔剖面形狀的影響如下圖所示 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 光斑內(nèi)的能量分布狀態(tài)也是影響激光加工的重要因素。當(dāng)能量分布以焦點(diǎn)為軸心越對(duì)稱 （如圖 a）時(shí)，加工出的孔效果越好；越不對(duì)稱，效果越差 (圖 b)。光的強(qiáng)度分布與工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性及諧振腔調(diào)整精 度直接相關(guān)。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 用激光加工時(shí)，照射一次的加工深度僅為孔徑的五倍左右，而且錐度較大，因此，常用激光多次照射來(lái)擴(kuò)大深度和減小錐度，而孔徑幾乎不變。但孔深并不與照射次數(shù)成正比，因孔加工到一定深度后，由于孔內(nèi)壁的反射、透射以及激光的散射或吸收、拋出力減小、排屑困難等原因，使孔的前端能量密度不斷減小，加工量逐漸減小，以致不能繼續(xù)打下去。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的基本規(guī)律 激光加工時(shí)其能量不可能全部被吸收，有相當(dāng)部分將被反射或透射而散失掉，其吸收效率與工件材料的吸收光譜及激光波長(zhǎng)有關(guān)。生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)由工件材料的吸收光譜的性能去合理選擇激光器。對(duì)于高反射率和透射率的工件應(yīng)在加工前作適當(dāng)處理，如打毛或黑化，以增大其對(duì)激光的吸收效率。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的應(yīng)用 在激光加工中利用激光能量高度集中的特點(diǎn)，可以打孔、切割、雕刻及表面處理。利用激光的單色性還可以進(jìn)行精密測(cè)量。 （ 1） 激光打孔 激光打孔是激光加工中應(yīng)用最早和應(yīng)用最廣泛的一種加工方法。利用凸鏡將激光在工件上聚焦，焦點(diǎn)處的高溫使材料瞬時(shí)熔化、汽化、蒸發(fā)，好像一個(gè)微型爆炸。汽化物質(zhì)以超音速噴射出來(lái)，它的反沖擊力在工件內(nèi)部形成一個(gè)向后的沖擊波，在此作用下將孔打出。激光打孔速度極快，效率極高。如用激光給手表的紅寶石軸承打孔，每秒鐘可加工 14～ 16個(gè)，合格率達(dá) 99％。目前常用于微細(xì)孔和超硬材料打孔，如柴油機(jī)噴嘴、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭、卷煙機(jī)上用的集流管等。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的應(yīng)用 （ 2） 激光切割 與激光打孔原理基本相同，也是將激光能量聚集到很微小的范圍內(nèi)把工件燒穿，但切割時(shí)需移動(dòng)工件或激光束（一般移動(dòng)工件），沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開(kāi)。激光可以切割金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、布、紙、橡膠、木材等，切縫窄、效率高、操作方便。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的應(yīng)用 （ 3）激光焊接 激光焊接與激光打孔原理稍有不同，焊接時(shí)不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔，使其粘合在一起。因此所需能量密度較低，可用小功率激光器。與其他焊接相比，具有焊接時(shí)間短、效率高、無(wú)噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。不僅能焊接同種材料，而且可以焊接不同種類的材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工的應(yīng)用 （ 4） 激光的表面熱處理 利用激光對(duì)金屬工件表面進(jìn)行掃描，從而引起工件表面金相組織發(fā)生變化進(jìn)而對(duì)工件表面進(jìn)行表面淬火、粉末粘合等。用激光進(jìn)行表面淬火，工件表層的加熱速度極快，內(nèi)部受熱極少，工件不產(chǎn)生熱變形。特別適合于對(duì)齒輪、汽缸筒等形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行表面淬火。國(guó)外已應(yīng)用于自動(dòng)線上對(duì)齒輪進(jìn)行表面淬火。同時(shí)由于不必用加熱爐，是開(kāi)式的，故也適合于大型零件的表面淬火。粉末粘合是在工件表層上用激光加熱后熔入其他元素，可提高和改善工件的綜合力學(xué)性能。此外，還可以利用激光除銹、激光消除工件表面的沉積物等。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) （ 1）優(yōu)化激光工作參數(shù)。建立加工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)控制激光照射的能量密度和照射時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)多種類型的加工。為了充分發(fā)揮激光加工的優(yōu)點(diǎn)，需針對(duì)不同加工對(duì)象和加工類型進(jìn)一步優(yōu)化激光工作參數(shù)，以便能獲得高的效率和加工質(zhì)量。 （ 2）發(fā)展激光多工位分時(shí)綜合加工。根據(jù)激光加工的特點(diǎn)，利用同一激光源，通過(guò)靈活地控制能量密度和照射時(shí)間，在不同工位上分時(shí)實(shí)現(xiàn)多種方式加工，使一些工件的切割、打孔、刻劃、焊接和表面處理等可在一臺(tái)設(shè)備上集成地進(jìn)行綜合加工。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) （ 3）研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置 提高激光功率需解決以下一系列問(wèn)題如： l）研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料。由于大功率激光束透過(guò)的窗口材料和透鏡等光學(xué)器件時(shí)，它們要承受高壓的擊穿力，并因吸收激光使溫度上升而引起破壞。因此應(yīng)根據(jù)不同的激光波長(zhǎng)研制適用的光學(xué)器件材料。 2）提高電源的穩(wěn)定性和壽命，對(duì)于 CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性；對(duì)于 YAG固體激光器要研制大容量、長(zhǎng)壽命的光泵激勵(lì)光源，如采用半導(dǎo)體光泵可使能量效率大幅度地增長(zhǎng)。 3）大功率激光裝置的小型化。同軸型 CO2激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益大而均勻，放電穩(wěn)定，為了加大輸出功率需增大長(zhǎng)度，雖可對(duì)激光管采用折疊式和應(yīng)用高速鼓風(fēng)機(jī)來(lái)加速氣流進(jìn)行改善，但功率增大仍受限制。雙
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