1、 激光加工 激光的概念与产生 激光的特点 激光加工技术 激光加工技术的特点 激光加工技术的应用激光的概念与产生激光的概念与产生 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。物质处于受激辐射便要发光，输出大量的光能，这就是激光，因此激光也是一种光。普通光源的发光是以自发辐射为主，基本上是无次序地、相互独立地产生光发射的，发光的光波无论方向、相位或者偏振状态都是不同的。而激光则不同，它的光发射是以受辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的
2、位相关系。激光的特点激光的特点 高单色性高单色性 由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。高相干性高相干性 相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用 高方向性高方向性 激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件 高亮度高亮度 固体激光器的亮度更可高达1011W/cm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。激光加工技术激光加工技术v 激光加工是利用能
3、量密度极高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融物质喷射出去，从而对工件进行穿孔、蚀刻、切割，或采用较小能量密度，使加工区域材料熔融黏合或改性，对工件进行焊接或热处理的一种新技术。v 激光不需要加工工具和特殊的环境，加工速度快，可控性好，对加工对象的材质、形状、尺寸等要求小，特别适用于自动化加工。其诸多优点使其广泛应用于电气与电子、机械工业、化工、轻工等工业部门。从激光加工的兴起到广泛应用，其加工技术也不断地发展，发挥着越来越重要的作用。激光加工技术的特点激光加工技术的特点 光点小，能量集中，热影响区小 不接触加工工件，对工件无污染不受电磁干扰 切割面光
4、滑：激光切割的切割面无毛刺 激光束易于聚焦、导向 范围广泛 安全可靠 精确细致 效果一致 节省材料 高速快捷 成本低廉 切割缝细小 热变形小 适合大件产品的加工激光加工机器人机器人是高度柔性加工系统，所以要求激光器必须具有高度的柔性，目前都选择可光纤传输的激光器。智能化激光加工机器人主要由以下几大部分组成：1)高功率可光纤传输激光器；2)光纤耦合和传输系统；3)激光光束变换光学系统；4)六自由度机器人本体；5)机器人数字控制系统(控制器、示教盒)；6)计算机离线编程系统(计算机、软件)；7)机器视觉系统；8)激光加工头；9)材料进给系统(高压气体、送丝机、送粉器)；10)激光加工工作台。图1为
5、一种激光熔覆机器人的示意图，图中给出了其主要组成部分 1.示教盒 2.控制器 3.计算机 4.光纤激光器5.光纤耦合器6.六轴机器人7.机械手8.光纤传输器9.机器视觉系统 10.激光加工工作台 11.激光加工头 12.激光光束变换光学系统13.光纤耦合头14材料进给系统(送粉装置）15.材料进给系统（高压气体）激光加工机器人工作原理 从高功率激光器发出的激光，经光纤耦合传输到激光光束变换光学系统，光束经过整形聚焦后进入激光加工头。根据用途不同(切割、焊接、熔覆)选择不同的激光加工头，配用不同的材料进给系统(高压气体、送丝机、送粉器)。激光加工头装于六自由度机器人本体手臂末端。激光加工头的运动
6、轨迹和激光加工参数是由机器人数字控制系统提供指令进行的。先由激光加工操作人员在机器人示教盒上进行示教编程或在计算机上进行离线编程。材料进给系统将材料(高压气体、金属丝、金属粉末)与激光同步输入到激光加工头，高功率激光与进给材料同步作用完成加工任务。机器视觉系统对加工区检测，检测信号反馈至机器人控制系统，从而实现加工过程的适时控制。激光加工技术的应用激光加工技术的应用1.激光切割激光切割 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使其照射处的材料迅速即熔化、汽化、烧蚀，并形成孔洞，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，随着 光束和工件的相对运动，最终使工件形成切缝，从而实现割开工件的一
7、 种热切割方法。激光切割与等离子切割的对比项目激光加工等离子加工投入前期投入较大前期投入略小，生产消耗大切割材质低碳钢/不锈钢低碳钢/不锈钢 切割气体 低碳钢：氧气;不锈钢：氮气 低碳钢：氧气+空气;不锈钢：亚氢气+氮气切割速度不锈钢：10mm800mm/min不锈钢：10mm：1800mm/min切割厚度 不锈钢：12mm 以下 不锈钢：32mm 割缝宽度0.10.6mm 25mm切割表面质量表面光亮，截面平整，切割底面无挂渣和截流表面有褐红色氧化现象，底面有少量挂渣和部分截流切割精度 切割精度很高，转角平整切割精度较高，转角带一定弧度斜度 斜度 斜度很小，可控在0.5以内斜度一般，一般在3
8、以内 环保要求切割噪音很小，烟雾较少，光污染小切割噪音大，烟雾很大，弧光刺眼，污染严重2.激光焊接激光焊接 将高强度激光束直接辐射至材料表面，通过激光与材料的相互作用，使材料局部熔化实现焊接。激光与材料相互作用过程中，会出现光的反射、光的吸收、热传导及物质的传导。3.激光打孔激光打孔 几乎所有金属材料和非金属材料均能打孔，特别对坚强材料可进行微小孔加工，深径达50100,也可加工异型孔，如宝石轴承打孔、硬质合金打孔等。4.4.激光热处理激光热处理 用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以
9、选择和控制热处 理部位，工件变形小,可处理 形状复杂的零件和部件,可对 盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处 理后可延长寿命；用激光热 处理可恢复离子轰击所引起 损伤的硅材料。5.激光清洗5.1 激光清洁技术具有如下优点：激光清洁技术具有如下优点：清洁过程中不使用化学试剂，因此不会造成环境清洁过程中不使用化学试剂，因此不会造成环境污染污染;无机械接触，降低了损伤基体的可能性；无机械接触，降低了损伤基体的可能性；可处理不坚固表面和风化表面可处理不坚固表面和风化表面;可控性好，允许选区清洁，可遥控清洁常规清洁可控性好，允许选区清洁，可遥控清洁常规清洁技术难以到达或危险的地方；技术难以
10、到达或危险的地方；与计算机技术集成可以实现清洁过程的自动化与计算机技术集成可以实现清洁过程的自动化5.2 激光清洁技术机理及分类（1）热冲击 干表面上尺寸小于50um的微粒和表面之间的粘接力主要是范德华力（物质的聚集态中存在着的一种较弱的吸引力，比化学键弱得多），在有一定变形的基体表面上一个球形微粒所受到的粘接力为 （1）式中 h 为与材料无关的范德华力常数，r1为微粒的半径,r2为粘接面的半径,Z为粘接面上基体和微粒的原子比。由上述公式可以计算出基体与微粒之间的粘接力。322218/8/ZhrZhrFa 从基体表面去除微粒的清洁力主要是热弹性力。它是由于基体表面和微粒吸收激光辐照能量，导致微
11、粒和基体发生迅速的热膨胀而产生的。假设激光照射时绝大部分能量均被界面有效地吸收，根据以下几个公式可以依次算出界面的温度变化T、热膨胀 丛界面的加速度a和界面受到的热弹性力F。式中R为反射率；为激光的能量密度；为密度；c为比热容；为激光脉冲期间的热扩散长度；a为热膨胀系数；为激光脉冲宽度；m为基体表面微粒的质量。若F Fa，微粒就从基体表面被清除。cIRT/)1(TalmaF pt2/ptlalI（2）热消融 这一机理建立在表面污染物和基体对激光的吸收系数显著不同的基础之上。在此，有3个激光参数需要考虑1）激光的波长 为确保清洁有效，污染物对激光应该有大的吸收系数、低反射率和小的透射率，大多数污
12、染物都是有机物，能强烈地吸收中长波红外线和紫外线，因此CO2激光和准分子激光（冷激光，无热效应，发生作用为化学反应）是最佳选择。2）脉冲宽度 为了迅速地清除污染物而又不对基体表面造成损伤，使用短脉冲激光是很必要的。脉冲宽度短而能量高，使污染物瞬间被光热分解或光化学分解，在此情况下，热传导是不重要的，基体不会受到有害的影响。3）激光能量密度 激光的能量密度必须控制在污染物的损伤阈值和基体的损伤阈值之间。当一次激光扫描不能达到预期的清洁效果时，可以通过多次扫描来实现。（3）光压 由于光子具有能量，激光辐照基体表面时会对微粒产生光压，使微粒的势能增加，势能转化为动能获得足够动能的微粒就会从基体表面喷
13、射出去。由于光压很小，仅靠这一机理很难获得令人满意的清洁效果。5.3影响激光清洁效果的因素 影响激光清洁效果最重要的因素是激光的功率密度。在进行激光清洁时，功率密度应该在一定范围内选取，其上限为基体的损伤阈值，下限为污染物的损伤阈值。在此范围内，随着功率密度的增大，清洁效果增强，如同时增加脉冲的数量，则清洁效果将会得到进一步提高。影响清洁效果的另一个重要因素是激光束的入射角。垂直入射时，微粒正下方的表面被遮住，不能接受激光的直接照射，而斜角入射时，激光束可直接照射微粒的正下方，恰在微粒和基体的界面处发挥作用，清洁效率比直射时提高了很多，而且对基体的损伤大大降低，甚至没有损伤。激光的波长也是影响
14、清洁效果的一个因素。一般说来，激光的波长越短，清洁效果越好，这是因为在短波范围内，由于基体和污染物吸收了较多的辐射能量而经历较大的热膨胀。5.4激光清洁技术的应用实例及发展 华中科技大学的王泽敏等人采用HGM-50 Q开关Nd；YAG脉冲激光器清洁厚为1 mm 的硬铝轮胎印字模具表面的橡胶层，激光入射方向与工件表面垂直，扫描速度为300mm/s，当激光束的能量密度达到25.1 J/c m2 时，实现了模具表面橡胶层的完全清洗，清洁率达到100%，而模具基材完好无损。激光清洁是一种快速高效的新型激光加工技术，在实际生活中的应用已表现出良好的清洁效果，对它的研究和探索将进一步促进其发展、增强实用性、拓宽应用范围。但目前设备的高成本和对精密控制的要求在一定程度上限制了它的应用，随着激光器生产技术的不断改进和价格的降低以及人们对激光加工技术研究的日益深入，激光清洁必将在未来的工业发展中发挥日益重要的作用。
