工程材料的激光加工材料學院材料成型及控制工程系2009秋冬學期1/7/20241工程材料的激光加工主要內容一、激光加工技術簡介及發展情況二、實驗目的和要求三、實驗原理四、實驗設備五、實驗內容與步驟六、實驗注意事項七、實驗報告要求1/7/20242工程材料的激光加工一、激光加工技術簡介及發展情況1、激光技術發展簡史1960年:梅曼（T.MAIMAN)第一臺紅寶石激光器;1961年:德諾凡(俄)第一臺氣體激光器(He-Ne);1962年:第一臺半導體激光器;1964年:帕特爾(C.Patel)第一臺CO2激光器;1965年:貝爾實驗室第一臺YAG激光器;1971年:第一臺商用1kW的CO2激光器;1971~1980年:開展激光切割、焊接、表面處理等激光加工技術的研究與開發。1/7/20243工程材料的激光加工2、工業激光器的市場分布激光器制造商：美國：PRCPRAMA德國：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英國：LUMONICS日本：川崎重工東芝中國：武漢華工激光、武漢金石凱、沈陽大陸、武漢團結1/7/20244工程材料的激光加工3、激光加工特點（1）激光加工不需要工具，無工具損耗、更換等問題（2）工件無受力變形，易保證加工精度（3）幾乎能加工所有的金屬和非金屬材料（4）加工速度快，效率高，熱影響區小（5）能進行精細加工（6）能夠透過惰性氣體、空氣或透明介質等進行加工1/7/20245工程材料的激光加工各種加工方法的應用比例激光加工技術應用1/7/20246工程材料的激光加工激光加工是一種利用光能進行加工的方法。激光是一種能量密度高、方向性強、單色性好的相干光。三、實驗原理1/7/20249工程材料的激光加工通過光學系統將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，焦點處的能量密度可達107~1011W/cm2，溫度可高達1萬℃，從而使任何材料均在瞬時（＜10－3s）被急劇熔化乃至汽化。在不同的功率密度等條件下，材料表面區域發生各種不同的變化。這種變化包括溫度升高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金屬在保護氣體作用下結晶凝固形成焊縫；汽化后的金屬蒸氣在輔助氣體的吹力作用下而離開被加工表面形成割縫或孔洞。如果加工過程中加入一定的粉末材料，使其和被加工工件表面部分材料熔合在一起，就可以得到高性能的熔覆層。1/7/202410工程材料的激光加工激光切割激光焊接激光表面處理激光雕刻激光打孔激光快速成型各種加工方法的適用范圍1/7/202411工程材料的激光加工（1）激光焊接激光束焊接是以聚集的激光束作為能源的特種熔化焊接方法。激光束經聚焦后，能量更為集中，能量密度可達105~107W/cm2。如將焦點調節到焊件結合處，光能迅速轉換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝固后成為焊縫。1/7/202412工程材料的激光加工熱導焊接深熔焊接熱導焊焊縫深熔焊焊縫

1/7/202413工程材料的激光加工金屬材料的激光焊接

1/7/202414工程材料的激光加工激光焊接應用舉例1/7/202415工程材料的激光加工首飾焊接樣品手機殼體焊接1/7/202416工程材料的激光加工（2）激光切割激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（105~107W/cm2）激光束連續照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學反應熱能均被材料吸收，引起照射點材料溫度急劇上升，到達沸點后材料開始汽化，并形成孔洞，且光束與工件相對移動，使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。1/7/202417工程材料的激光加工汽化切割：工件加熱到沸點以上溫度熔化切割：工件加熱到熔點溫度以上氧助熔化切割：氧等活性氣體代替熔化切割的惰性氣體控制斷裂切割：易受熱破壞的脆性材料1/7/202418工程材料的激光加工激光切割應用舉例1/7/202419工程材料的激光加工1/7/202420工程材料的激光加工木皮切割大功率切割大功率切割1/7/202421工程材料的激光加工（3）激光表面處理

當激光能量密度在103～105W/cm2左右時，對工件表面進行掃描，在極短的時間內加熱到相變溫度（由掃描速度決定時間長短），工件表層由于熱量迅速向內傳導快速冷卻，實現了工件表層材料的相變硬化（激光淬火）。1/7/202422工程材料的激光加工激光熔覆利用大功率高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將被加工件表面微熔，同時使零件表面預置或與激光束同步自動送置的合金粉末完全熔化。激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結合的致密覆層，恢復幾何尺寸和表面強化等特點。1/7/202423工程材料的激光加工

齒輪損傷狀態修復后齒輪局部

軸修復前狀態激光熔覆過程中1/7/202424工程材料的激光加工激光表面合金化、激光沖擊硬化、激光上釉1/7/202425工程材料的激光加工（4）激光打孔、打標激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模等非金屬材料和硬質合金、不銹鋼等金屬材料的細微孔的加工。陶瓷基片激光打孔1/7/202426工程材料的激光加工激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。1/7/202427工程材料的激光加工材料: 不銹鋼材料: 壓鑄鋁1/7/202428工程材料的激光加工材料: 塑料復合材料材料: 彩色塑料1/7/202429工程材料的激光加工木梳紐扣手表飲料蓋牛仔衣1/7/202430工程材料的激光加工

水晶內雕返回1/7/202431工程材料的激光加工四、激光加工設備激光器是激光加工設備的核心，它能把電能轉換成激光束輸出。激光器的組成：泵浦源、激活介質、光學諧振腔激光器有固體、氣體和半導體三大類。1/7/202432工程材料的激光加工CO2氣體激光器橫流式軸流式擴散冷卻Nd:YAG固體激光器燈泵浦二極管泵浦半導體激光器

1/7/202433工程材料的激光加工橫流CO2激光器系統1.激光束2.切向排風機

3.氣流方向4.熱交換器

5.后鏡6.折疊鏡

7.高頻電極

8.輸出鏡

9.輸出窗口

1/7/202434工程材料的激光加工軸流式CO2激光器系統1/7/202435工程材料的激光加工板條式擴散冷卻CO2激光器系統1/7/202436工程材料的激光加工8kW橫流CO2激光器20kW射頻激勵軸流式激光器2.5kW板條式CO2激光器1/7/202437工程材料的激光加工激光器類型：

橫流軸流擴散冷卻

輸出功率等級：

3~45kW1.5~20kW0.2~3.5kW

脈沖能力：

DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播系數(K)

0.150.40.8

氣體消耗：

小大極小電-光轉換效率：

15%15%30%

焊接效果：

較好好優良

切割效果：

差好優良

相變硬化：

好一般一般

表面涂層：

好一般一般表面熔覆：

好一般一般

1/7/202438工程材料的激光加工燈泵浦Nd:YAG激光器

1/7/202439工程材料的激光加工二極管泵浦YAG激光器1/7/202440工程材料的激光加工激光加工系統的構成激光器CNC控制系統CNC控制工作臺循環水冷系統氣體供給系統光束傳輸及聚焦激光器控制器1/7/202441工程材料的激光加工激光加工成套設備返回1/7/202442工程材料的激光加工五、實驗內容與步驟1、了解激光加工的基本原理并熟悉激光加工設備的基本結構及其基本操作；2、材料準備；3、激光加工實驗；由于時間的限制，每次結合實驗室的其它任務選擇焊接、切割或熔覆中的一種工藝進行實驗演示。4、檢查加工件質量并進行問題分析。返回1/7/202443工程材料的激光加工(1)未經指導老師許可，嚴禁開動接通設備電源，觸動控制按鈕；(2)操作人員須戴防護眼鏡，嚴禁眼睛對激光口觀看，以免傷害眼睛；(3)激光器內有高壓，維護操作時須小心謹慎，勿觸高壓；(4)CO2激光器控制柜內有高壓電源，嚴禁在啟動激光的條件下打開(5)請勿用手直接取放、觸摸壓鑄制品，小心燙傷；(6)在激光切割加工前，必須檢查水、氣管路是否