1、7.1激光熱加工原理1.無論是哪一種激光加工的方法，都要將一沱功率激光束聚焦于被加工物體上, 使激光與物質相互作用。在不同激光參數下的各種加工的應用范圍如圖 7-1 示圖 71 各種參數條件卜激光加工的町能應用和影響7.1激光熱加工原理1.對激光與材料的相互作用過程的物理描述可以分為以下四個方而：(1) 材料對激光的吸收A 激光熱加工時首先發生的是材料對激光能星的吸收。透入材料內部的光能主 要對材料起加熱作用。A 不同材料對不同波長激光吸收率不同。假設材料表面反射率為則吸收率為 A = l-RA 當激光由空氣垂直入射到平板材料上時，根據菲涅爾公式，反射率為R R=卜- if =仙_1)：+局_

2、b + l| +l)2+n；(2) 材料的加熱A 設入射激光束的光功率密度為 q,材料表血吸收的光功率密度為 q。,則有 % = Aq =彳(1_尺)a 激光從表面入射到材料內部深度為處的光強認滬嚴般將激光在材料內的穿透深度定義為光強降至 To/e 時的深度，因而穿透深度為1/a7.1激光熱加工原理(2)材料的加熱A 為了得到加熱階段的溫度分布， 必須求解熱傳導微分方程。 對于各向同性的 均勻材料，激光加熱的熱傳導偏微分方程的一股形式為從理論上講，根據加工時的各工藝參數以及初始條件，叮以解出加工過程中激 光照射區的溫度場分術。但實際加丄時，齊力面的因索使熱傳導方程的求解| 分困難簡化：如果半無

3、限大(R 卩物體厚度無限大)物體表而受到均勻的激光垂直照 射加熱，被材料表而吸收的光功率密度不隨時間改變， 而 II 光照時間足夠長，以至被吸收的能戢.所產生的溫度、導熱和熱輻射之間達到動平衡，此時圓形 激光光斑中心的溫度可以由下式確定r(0,oo)=-7.1激光熱加工原理(2)材料的加熱如杲光照時間為有限長(s),考察點離開表面的距離(cm)也不為零，此時圓形激 光光斑中心軸線上考察點的溫度界兀A進一步假設照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效、卜徑為，則激光 光斑的功率密度可用離開中心的距離表示為持續加熱得到的光斑中心的溫度最人值為7(0,0,)=M吧2&(2)材料的熔化與汽

4、化3T7一 “ Z Z .l.l+ + r r0 0- -如果光功率的損耗全部變成熱量，則有。(匕” Z J)= (忑”乙)激光功率密度過高，材料在農面汽化，不在深層熔化；激光功率密度過低, 則能量會擴散到較大的體積內，使焦點處熔化的深度很小7.1激光熱加工原理(4)激光等離子體屏蔽現象A 激光作用于靶表面，引發蒸汽，蒸汽繼續吸收激光能量，使溫度升高，最后 在靶表面產生高溫高密度的等離子體。等離子體迅速向外膨脹，在此過程中繼 續吸收入射激光，阻止激光到達靶而，切斷了激光與靶的能戢耦合。7.2.1激光淬火技術的原理與應用1激光淬火技術，又稱激光相變碩化，它利用熨焦后的激光束照射到鋼鐵材料表 面，

5、使其溫度迅速升到相變點以上。當激光移開后，由于仍處于低溫的內層材料 的快速導熱作用，使農層快速冷知到馬氏休相變點以卜，獲得淬硬層。2圖 7-3 為臺柔性激光加工系統的示意圖。它通過五維運動的工作頭把激光照 射到被加工的衣面，在計并機控制下直接扌 I 描被加工表而完成激光淬火aHBBH工件(b低功*龍度時筲離子體屏蔽現線 波長 QlO.6um.TEM8 桓.材料為悄圖 72 等離子云變化的過程如圖 7-2 所示，為等離子云變化的過程工件(a)髙功半密度時等離f f WMWM蔽現儀圖 74 鋼表而激光淬火區橫截而金相組織圖圖 73 柔性激光加工系統示盤圖7.2.1激光淬火技術的原理與應用4 圖 7

6、-5 所示為該淬火區顯微硬度沿深度方向的分布曲線0.20.40.6081.0至表面賃離/nun圖 76 嫌材含碳城與激光淬火層顯微碩度的關系721激光淬火技術的原理與應用5依據激光器的特點不同，激光淬火可分為 C02 激光淬火和因索 yA&激光淬火。 但兩者中影響淬硬性能的主要基本相同2）激光丄藝參數：激光淬火層的寬度主耍決定于光斑直徑；淬硬層深度由激光功 率.光斑直徑和掃描速度共同決泄；描述激光淬火的另一個重要工藝參數為功率 密度，即單位面積注入工件表面的激光功率。為了使材料表面不熔化，激光淬火 的功率密度通常低于 104W / cm2,-般為 1000-6000W / cm3）表面

7、預處理狀態：一是表面組織淮備，即通過調質處理等手段使鋼鐵材料表面 具有較細的表而組織，以便保證激光淬火時組織與性能的均勻.穩泄。如圖 77 為原始組織及打描速度對激光淬碩層深度的影響；二是表面“黑化”處理，以便 提高鋼鐵表而對激光束的吸收率。u20 “）60掃描速度/mm5依據激光器的特點不同，激光淬火可分為CO2 激光淬火和因索 yAG 激光淬火。但兩者 中影響淬碩性能的主耍基本相同1） 材料成分：是通過材料的淬硬性和淬透性來影響激光淬駛層深度與碩度的。一般說來，隨著鋼屮含碳量的增加，淬火后馬氏體的含量也增加，激光淬硬層的顯微碩度也就越高，如圖7-6 所示。G 0 2 04 06 0R 10

8、12至衣面距離/mm圖 75 該淬火區顯微破度沿深度方向的分布曲線圖5 5 0 0 5 5 L L L L n-n-200=燮SAH超秦W6M5C|4V2FOOW圖 77 原始組織及打描速度對激尢淬便広深度的影響722激光表面熔凝技術1 用激光束將農面熔化而不加任何合金元索，以達到衷面組織改善的 H 的。與激光淬火工藝相比，激光熔凝處理的關鍵是使材料表面經歷了一個快速熔化一凝固 過程，所獲得的熔凝層為鑄態組織。工件橫截面沿深度力向的組織依次為：熔凝 層.相變皺化層.熱影響區和基材，如圖 79 所示。2圖 710 給出了激光熔凝處理后，T10 鋼 農面顯微駛度沿深度方向的分布。7.23激光熔覆技

9、術1. 激光熔覆(LaserCladding)技術亦稱激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一種新 的表面改性技術。它通過在棊材表向添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使 之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表|何形成與其為冶金結合的添料熔覆層， 以改善其表面性能的工藝。2 激光熔覆技術具有如下優點3激光熔拔工藝依據材料的添加方式不同，分為預置涂層法和同步送料法。4同步送料法指在激光束照射基材的同時，將待熔覆的材料送入激光熔池，經 熔融、冷凝后形成熔覆層的工藝過程。激光熔覆材料包括金屬、陶瓷或者金屬 陶瓷，材料的形式可以是粉末.絲材或者板材.工藝過程如圖 711 所示。熱彭響區熔辱層相受咬化歴莖材圖

10、79激光熔凝圖 7-10T10 鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬碩層深度的分布圖 711 同步送料法激光熔牴示盤圖723激光熔覆技術5評價激光熔覆層質量的主要指標為：熔覆層厚度、寬度、形狀系數（寬度/厚 度）.桶釋率.頑度及其沿深度分布、基板的熱影響區深度及變形程度等。典世熔 覆層的截面示總圖見圖 712圖 712 熔賈 W 的截而示意圖6激光熔拔層的寬度主要決圧于光斑直徑：而激光熔覆層的厚度與送粉屋、M 描速度.功率密度等參數密切相關。7常用激光熔覆材料包括線基、 鐵基、 鉆基.洞基口熔合金、 以及上述合金與 碳化物 （WC.TiC. SiC 等），顆粒組成的金屬陶瓷復合粉末以及 A1,O3. Zr

11、O,等陶 瓷材料。常用的基材包括鋼鐵、鋁合金.銅合金、線合金和鈦合金辱。7.3.1激光打孔1 激光打孔原理：激光打孔機的妹木結構包括激光器.加工頭.冷卻系統.數控 裝置和操作面盤（圖 7-13） o 加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適 當選擇各加工參數，激光器發出光脈沖就可以加工出需要的孔。激光發竺簽圖 713 激光打孔機的基本結構示怠圖2 激光打孔時材料的去除主要與激光作用區內物質的破壞及破壞產物的運動有 關。嚴格分析激光打孔的成因需要解決激光打孔時產生的蒸氣和粘性液體沿孔 壁流動的動力學問題，這里只根據一些實驗關系，建立一個唯象的描述對激光 打孔的激光束兒何參數和總能量與孔的深度

12、和孔徑之間的關系進行估算7.3.1激光打孔2 激光打孔的激光束幾何參數和總能晴與孔的深度和孔徑之間的關系進行估算。如圖 7-14 的激光打孔原理簡圖如杲在 t 時刻孔的底面半徑為 r(t),孔深為 h(t),則 有廣(/)=心+儀(刃加)考慮材料從孔底蒸發，而熔化的液體從孔壁流走，t 時刻的能量守衡方程為P(t)dtP(t)dt = =2 2LM2 2耐當/(/)心時，可以近似解出用激光加 J2 的總能量表 示的孔深度和孔徑為I, 3E 7h h - ；_7rtg_7rtg2 2y(Ly(LB B+2L+2LM M7.3.1激光打孔3. 激光打孔工藝參數的影響脈沖寬度對打孔的影響：脈沖寬度對打

13、孔深度、孔徑.孔形的影響較大。窄 脈沖能夠得到較深而且較人的孔；寬脈沖不侃使孔深度、孔徑變小，而且使孔的 表面粗糙度變大，尺寸精度下降。孤激光打孔中離焦量對打孔的影響 當激光聚焦于材料上表面時，打出的孔比較深，錐度較小。在焦點處于表面下某 位置時相同條件下打出的孔最深；而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大圖 714 離譙址對打孔質代的影響r r htgyhtgy3E3E叩3力(5+2厶圖 714 激光打孔兒何原理簡圖”o心孔坑7.3.1激光打孔3.激光打孔工藝參數的影響探 脈沖激光的重復頻率對打孔的影響用調 Q 方法取得巨脈沖時，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復頻率越高,脈沖的峰

14、值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。探被加工材料對打孔的影響材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同 的吸收率，必須根培所加工的材料性質選擇激光器。73.2激光切割1.激光切割的原理與特點切割過程中激光光束聚焦成很小的光點（最小直徑可小 ro.lmm）使焦點處達到很高功率密度（可超過 13W/cm2）v如圖 717 所示為激光切割頭的結構，除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。2. 激光切割的特點3. 激光切割分類及其機理汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點，部 分材料化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫 底部吹走。這種切割機

15、制所需激光功率密度一般為 108W/cm2左右，是無熔化材料的切割方式熔化切割：激光將工件加熱至熔化狀態，與光束同軸 的氟、氮、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔 化切割所需的激光功率密度一般為 107W/cm2 左右 氧助熔化切割：金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發生劇烈的氧化反應（即燃 燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬祓繼續氧化，并借助氣體壓力將氧 化物從切縫中吹掉。4應用實例：用激光加工系統打薄板篩孔圖 715 薄板打孔效果圖圖 715 激光切削頭的結構示盤圖73.2激光切割4. 激光切割的工藝參數及其規律激光功率：激光切割時所需功率的大小，是由材料性質和切割機理決定的。

16、切割速度:在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表 面粗糙度也有較大影響。氣體的壓力：在功率和切割材料板厚一定時，有一最佳切割氣體流量，這時切 割速度最快。隨著激光功率的增加，切割氣體的最佳流量是增大的。光束在質量、透鏡焦距和離焦量：激光器輸出光束的模式為基橫模時對激光切 割最為有利。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較 小光斑，但焦深很小。離焦量對切割速度和切割深度影晌較大，切割過程中必須 保持不變，一般離焦量選用負值，即焦點位置置于切割板面下面某一點。探噴嘴：噴嘴是影晌激光切割質量和效率的一個重要部件。激光切割一般采用 同軸（氣流與光軸同心）噴嘴.噴

17、嘴出口直徑大小應依據板厚加以選擇。另外，噴 嘴到工件表面的距離對切割質量也有較大影響，為了保證切割過程穩定，這個距 離必須保持不變。73.2激光切割5工業材料的激光切割金屬材料的激光切割:二氧化碳激光器成功的用于許多金屬的切割實踐；利用 氣助熔化切割方法切割碳鋼板的切縫町控制在滿意的寬度范圉內；大多數合金 結構鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質量；鋁及鋁合金 不能用氣助熔化切割而要熔化切割機制；飛機制造業常用的鈦及鈦合金采用空 氣作為輔助氣體比較穩浸，町以確保切割質杲；大多數線皋合金也可實施氧助熔 化切割；銅及銅合金反射率太高，基本上不能用 106p 的二氧化碳激光進行切割。非

18、金屬材料的激光切割：塑料、橡膠、木材、紙制品、皮革.天然織物及其它 有機材料都可以用激光進行切割，但是木材的卑度需有所限制。無機材料中石英 和陶瓷可以用激光進行切割，后者宜用控制斷裂切割口不可使用高功率。玻璃和 石頭一 般不宜用激光切割。1.激光焊接是一種材料連接，主要是金屬材料之間連接的技術。它和傳統的焊接 技術樣，通過將材料連接區的部分熔化而將兩個零件或部件連接起來。2 激光焊接相對于傳統方式的優點:1）用激光很容易對一些普通焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強 的材料實施焊接。2）在激光焊接過程中無機械接觸，易保證焊接部位不因熱壓縮而發生變形3）激光束易于控制的特點使得焊接工作能

19、夠更方便的實現自動化和智能化。4激光焊接主耍有熱導焊和深熔焊兩種。熱導焊采 用的激光功率為 105w/cm2 左右， 是靠熱傳導進行 焊接的， 焊縫深度小于 25mm,焊縫的深寬叱最大 為 3：lc 深熔焊采用的功率密度在106107w/cm2之間，焊縫的深寬比最大可達 12：117-19 陰極芯的激光炸接設備原理圖1:光東分束器：2:聚焦透鏡：3：陰極芯741激光熱導焊1. 激光熱導焊熱導焊時，激光輻射能量作用于材料表而,激光輻射能在表面轉化為熱最。表面熱 毘通過熱傳導向內部擴散，使材料熔化，在兩材料連接區的部分形成溶池。溶池隨 著激光束一道向前運動，溶池中的熔融金屬并不會向前運動。在激光束

20、向肋運動后, 溶池中的熔融金屬隨之凝固，形成連接兩塊材料的焊縫。2. 激光熱導焊的工藝及部分參數激光熱導焊的連接形式：片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊等激光功率密度：如激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。圖 720 是熱導焊接 不銹鋼時熔化深度.掃描速度與激光功率密度的關系圖 720 激光煥導焊焊接不銹鋼時功率與焊接速 度、熔化深度的關系7.4.1激光熱導焊2. 激光熱導焊的工藝及部分參數離焦量對焊接質量的影響：因為焦點處激光光斑中心的光功率密度過高，澈光 熱導焊通常需要一定的離蕉戢，使得光功率分布相對均勻。離焦方式有兩種，焦 平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。在實際應用中

21、，耍求熔深較大時采 用負離3.圖 7-9 所示為種S-jtLU5 5 0 0 5 51.X01.X0100200300激尤功*W)焦，焊接薄材料時宜用正離焦。此外離焦量還直接影響到焊逢的寬度。脈沖激光熱導焊的脈沖波形：激光熱導焊也可以用脈沖激光來完成，其脈沖波形 對干焊接質屋也有很大的影響 C 焊接銅.鋁.金.銀等高反対率的材料為了突破 高反射率的屏障，使金屬瞬間熔化把反射率降低卜來，實現后續的熱導焊過程，需 要脈沖帶有個前置的尖峰。而對于鐵、傑、鋼鈦等黑色金屬，農面反射率較低， 應采用較為平坦或平頂的波形。脈沖激光熱導焊的脈沖寬度：脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區的寬度等焊 接的質量要求。脈

22、寬時間長，焊接熔深熱影響區都大，反之則小。因此，要根據 激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區的寬度大小來適當選擇脈沖寬度。742激光棵熔焊1. 激光深熔焊的原理當激光功率密度達到 io6107W/cm2 時，功率輸入遠大于熱傳導.對流及輻射 散熱的速率，材料農面發 4汽化而形成匙孔，孔內金屬蒸汽壓力與四周液體的靜 力和表而張力形成動態平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。2. 激光深熔焊工藝參數臨界功率密度：深熔焊時，功率密度必須大于某一數值，才能引起小孔效應。 這一數值，稱為臨界功率密度。不同材料具有不同的臨界功率密度的大小。因此 決定了各種材料進行激光深熔焊的難易程度。探激光深熔焊的熔深：

23、激光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關，也是功 率和光斑直徑的函數。在一怎的激光功率下，提高焊接速度，熱輸入下降，焊接 熔深減少。對于給定的激光功率等條件，存在一維持深熔焊接的最小焊接速度。3. 激光焊接過程中的幾種效應(1) 深熔焊焊接過程中的等離子體(2)壁聚焦效應(3)凈化效應4. 激光焊的優點7.5.1激光快速成型技術的原理及主要優點1 快速成型技術的某木工作原理是離散.堆積。2由快速成型技術（包括激光快速成型技術）僅在需要増加材料的地方加匕材料， 所以從設汁到制造自動化，從知識獲取到計算機處理，從計劃到接口.通訊等方 面來看，非常適合于 CIM. CAD 及 CAM,同傳統的制造方

24、法相比較顯示出諸多 優點。快速性、適合成型復雜零件、高度柔性、高度集成化7.5.2激光快連成型技術1. 立體光造型技術立體光造型技術的原理如圖 22 所示, 町處-）生標移 動的紫外允源 、圖 722 “體光造型技術的原理示意圖7.5.2激光快速成型技術2.選擇性激光燒結技術選擇性激光燒結技術與立體光造空技術很相似，也是用激光束來扌 T 描各原材料， 但用粉末物丿貞代替了液態光聚合物。選擇性激光燒結技術的基本原理見圖 7-23 所圖 723 選擇件激光燒結技術皋木原理示總圖是典型運動成空對彖紫外尢可固 化液Z| / 升降裝賈鋪粉CO?激it算機溫度控制掃描控IM75.2激光快速成型技術冃前用此

25、法制造出復雜截面變換器的零激光近形制造技術(LaserEngineeringNetShaping,簡稱LENS)技術，將快速成空技術中的選擇性激光燒結技術和激光熔覆成空技術結合了起*。 激光近形制 適技術的基本原理如圖726所示。該系統主要由4 部分組成：計算機、高功率激光 器、多坐標數控工作臺和送粉裝賈。7.5.2激光快速成型技術4.激光近型制造技術(1)計算機用于建立待制作零件的 CAD 模型，將零件的 CAD模型轉換成 STL 文件，對零件的 CAD 模世進行切片處理，生成一系列具有一定厚度的薄層，并 形成每一層薄層的掃描軌跡，以便控制多坐標 數控工作臺運動。(2)高功率激光器使用的是高達幾千瓦到十幾干瓦功率的 CO? 器， 而不像選擇性激光燒結技術中所用的 光器只有 50瓦。(3)多坐標數控工作臺名坐標數控 T 作臺圖 726 激光近形制造技術的星本原理示意圖采用笫出標數控工作臺的運動實現扌I描：在工作臺上的零件除能夠沿著 X,Y軸方向運動外，還可以繞X.Y 軸轉動。(4 )送粉裝置送粉裝置是激光近形成空制造系統中非常重要并具有特點的個部分。送粉裝置性 能的好壞決泄了零件的制作質址。對送粉裝置的城木要求是能夠提供均勻穩疋的粉 末流。送粉裝置有兩種形式：側向送粉裝置和同軸送粉裝置。3.激光熔覆成型技術激光熔