先進制造技術(shù)ppt課件(編輯修改稿)
2025-06-02 03:45 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 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，且在小斑點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 在光斑中心處光強度 I0最大，相應(yīng)能量密度最高，遠離中心點的地方就逐漸減弱。而激光的波長和焦距直接影響光斑面積大小，即影響焦點中心處最大光強。同時，激光加工是一種熱加工，加工過程中有熱傳導(dǎo)損失，因此，增大激光束的功率也是增大焦點中心強度的主要措施。可見，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、照射時間長時，工件所獲得的激光能量也大。但當(dāng)激光能量一定時，照射時間太長會使熱散失增多，時間太短則因功率密度過高而使蝕除物質(zhì)以高溫氣體噴出，這都會降低能量的使用效率，因此激光照射時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，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，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的焦距。同時，焦點位置對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 焦點位置對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)能量分布以焦點為軸心越對稱 （如圖 a）時，加工出的孔效果越好；越不對稱，效果越差 (圖 b)。光的強度分布與工作物質(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，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擴大深度和減小錐度，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有關(guān)。生產(chǎn)實際中，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，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行精密測量。 （ 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，焦點處的高溫使材料瞬時熔化、汽化、蒸發(fā)，好像一個微型爆炸。汽化物質(zhì)以超音速噴射出來，它的反沖擊力在工件內(nèi)部形成一個向后的沖擊波，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，合格率達 99％。目前常用于微細孔和超硬材料打孔，如柴油機噴嘴、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭、卷煙機上用的集流管等。 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，但切割時需移動工件或激光束（一般移動工件），沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開。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，具有焊接時間短、效率高、無噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點。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 利用激光對金屬工件表面進行掃描，從而引起工件表面金相組織發(fā)生變化進而對工件表面進行表面淬火、粉末粘合等。用激光進行表面淬火，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。特別適合于對齒輪、汽缸筒等形狀復(fù)雜的零件進行表面淬火。國外已應(yīng)用于自動線上對齒輪進行表面淬火。同時由于不必用加熱爐，是開式的，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 （ 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，通過控制激光照射的能量密度和照射時間可以實現(xiàn)多種類型的加工。為了充分發(fā)揮激光加工的優(yōu)點，需針對不同加工對象和加工類型進一步優(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)展激光多工位分時綜合加工。根據(jù)激光加工的特點，利用同一激光源，通過靈活地控制能量密度和照射時間，在不同工位上分時實現(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設(shè)備上集成地進行綜合加工。 特種加工技術(shù) 激光加工 激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 （ 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的窗口材料和透鏡等光學(xué)器件時，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，對于 CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性；對于 YAG固體激光器要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源，如采用半導(dǎo)體光泵可使能量效率大幅度地增長。 3）大功率激光裝置的小型化。同軸型 CO2激光器結(jié)構(gòu)簡單，增益大而均勻，放電穩(wěn)定，為了加大輸出功率需增大長度，雖可對激光管采用折疊式和應(yīng)用高速鼓風(fēng)機來加速氣流進行改善，但功率增大仍受限制。雙
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