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1、1激光加工综述激光加工综述学号：22 激光加工技术基础 激光熔覆 激光表面合金化 激光非晶化 激光熔凝 激光冲击强化技术 激光焊接 激光切割及打孔 激光冲击成形技术 激光清洗3激光加工技术基础激光加工技术基础 激光产生的理论基础早在1916年就由爱因斯坦奠定了，他提出光与物质有三种相互作用的基本形式：自发辐射、受激辐射和受激吸收。热平衡条件下高能级的粒子数始终少于低能级的粒子数，要实现光放大，就要设法把处于基态的粒子大量激发到高能级，高能级粒子数多于低能级粒子束的粒子分布状态称为粒子束反转。即要得到激光就必须使粒子数反转。实现粒子数反转的条件：1、介质有适当的能级结构（内因）；2、要有必要的能
2、量输入系统使受激辐射远大于自发辐射（外因）。激光是强相干光源，与普通光相比有四大特点：高亮度、方向性好（发散角小）、单色性好、相干性高。4激光器三大基本组成部分：工作物质、激励源（泵浦原）、光学谐振腔。1.激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是指以不同的填料方式（同步送粉或预置粉末）在被涂覆基体表面上放置所选择的涂层材料，利用高能激光束(104-106W/cm2)辐照，涂层材料与基体材料成冶金结合，从而显著改善基体材料表面的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化等特性。2.激光熔覆技术与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。激光熔覆激光
3、熔覆53.激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分为预置涂层法和同步送料法。4.评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层厚度、宽度、形状系数(宽度厚度)、稀释率、硬度及 其沿深度分布、基板的热影响区深度及变形程度等。6激光表面合金化激光表面合金化 激光表面合金化是金属材料表面局部改性处理的一种新方法，它利用高密度的激光束熔化基体表面预置的涂层和部分基体，或者在表面熔化的同时注入某些粉末，以基体作为溶剂，合金元素为溶质的基础上形成一定的合金层，从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等特殊性能。其最大特点是只在熔化区和很小的影响区内发生了成分、组织和性能的变化，7 对基体的热效应
4、可减少到最低限度，引起的变形也极小。另外其所获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也不敏感。激光非晶化激光非晶化 非晶态合金也叫无定型或玻璃态合金，是一种高新技术材料，具有一般金属和玻璃的特性，是电力、电子、计算机、通讯等高新技术领域的关键材料。激光非晶化是激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，然后将液体以大于一定的临界冷却速度急冷到低于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长，以获得非晶态固体。只是目前激光非晶化技术远不如激光淬火及涂覆或合金化工艺那样成熟。8激光熔凝激光熔凝 又称激光熔化淬火，用激光束将表面材料表面薄层快速，然后在光束移开后依靠冷态基底材料自身的吸热和传热作用，使表面熔化层快
5、速冷却凝固，获得较为细化均匀的组织，达到表面组织改善的目的。它不加任何合金元素。与激光表面合金化处理的方法相比，激光熔凝时的激光能量密度和扫描速度均远小于激光非晶化。激光熔凝处理后横截面组织示意图9激光冲击强化技术激光冲击强化技术激光冲击强化又称为激光喷丸，是利用强短脉冲激光束与物质作用产生的强冲击波对材料表面进行改性。因此，它不同用于一般的激光加工工艺，它不是利用激光的热效应，而是利用激光诱导产生的冲击波。激光冲击强化过程可分成3个阶段：靶面吸收高能激光并汽化；等离子体形成高压冲击波加载于靶面；靶材动态响应而产生残余压应力。10激光焊接 激光焊接的应用始于1964年，但早期仅限于用小功率脉冲
6、固体激光器进行薄小零件的焊接。70年代以来，激光深熔焊得到了迅速的发展，激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工业部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占20.9。激光焊接基本模式：热导焊和深熔焊。1、热导焊：激光功率密度较低（105106Wcm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。2、深熔焊：激光功率密度高（106107Wcm2），工件迅速熔化乃至气化形成小孔。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。11 激光焊接具有如下特点：功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金
7、屑材料进行焊接(对钨丝进行有效焊接)。聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。激光焊接装置易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接。激光焊接可在大气中进行，无环境污染。激光切割及打孔激光切割及打孔激光切割激光切割 是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量被材料吸收，引起激光作用点的温度急剧上升，材料汽化或熔化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。12激光切割的特点 切割速度快，热影响区小；切割质量好；无刀具磨损，也不需更
8、换刀具，易于实现自动控制；能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料；可在大气中环境中进行切割，不需真空装置；噪声低，无公害。激光打孔激光打孔现有的机械加工技术在材料上打微型小孔的最小孔径也大于0.25毫米。工业生产比如电子工业中往往是要求加工直径比这还小的孔，激光打孔就发挥了重要作用。激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔加工质量好，孔壁规整。打孔速度又很快，大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。13 国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。叶片0.5mm小孔激光打孔 叶片
9、0.5mm小孔激光打孔 14激光冲击成形 激光束冲击覆盖在金属板材表面的能量转换体贴膜,使其汽化电离形成高温高压等离子体而爆炸,产生向金属内部传播的强冲击波。数GW/cm2 量级的强冲击波压力远大于材料的动态屈服强度,从而使金属板料产生宏观的塑性变形。特点 1、可将其归为冷加工工艺；2、柔性高、应用范围广;3、成形精确、效率高、易实现自动化生产。15主要影响因素 影响激光冲击金属板料变形的主要因素有能量转换体，激光能量，光斑尺寸，材料性质，板料参数和约束边界条件等。激光清洗激光清洗主要是基于物体表面污染物吸收激光能量后，或汽化挥发，或瞬间受热膨胀而克服表面对粒子的吸附力，使其脱离物体表面，进而达到清洗的目的。主要特点是它能适应各种表面污物的清洗，对环境污染极小，也可以做到不损伤基体。可作如下分类：16（1）激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污；（2）激光液膜的方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光使液膜发生爆炸去污；（3）激光惰性气体的方法，即激光辐射的同时，用惰性气体吹向工件表面，当污物从表面剥离后，就被气体吹离表面，避免清洁表面再次污染和氧化；（4）用激光使污物松散 后，再用非腐蚀性 的化学方法去污。目前在工业生产中 主要采用前面三种 清洗方法，如模具 的清洗。17
激光加工技术综述姚德明
