激光原理及应用课件第八章

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1、7.1激光热加工原理1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示图7-1各种参数条件下激光加工的可能应用和影响7.1激光热加工原理1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：(1)材料对激光的吸收激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主要对材料起加热作用。不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射

2、率为(2)材料的加热设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0，则有激光从表面入射到材料内部深度为处的光强一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深度为1/a7.1激光热加工原理(2)材料的加热为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为如果光功率的损耗全部变成热量，则有从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求

3、解十分困难简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定7.1激光热加工原理(2)材料的加热如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为持续加热得到的光斑中心的温度最

4、大值为(2)材料的熔化与汽化激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小7.1激光热加工原理(4)激光等离子体屏蔽现象如图7-2所示，为等离子云变化的过程激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。图7-2等离子云变化的过程1.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，

5、使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。7.2.1激光淬火技术的原理与应用2.图7-3为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火图7-3柔性激光加工系统示意图3.激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。图7-4所示为45钢表面激光淬火区横截面金相组织图图7-4钢表面激光淬火区横截面金相组织图4.图7-5所示为该淬火

6、区显微硬度沿深度方向的分布曲线7.2.1激光淬火技术的原理与应用图7-5该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线图5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但两者中影响淬硬性能的主要基本相同1)材料成分：是通过材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度的。一般说来，随着钢中含碳量的增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也就越高，如图7-6所示。图7-6基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系7.2.1激光淬火技术的原理与应用5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光

7、淬火和因素YAG激光淬火。但两者中影响淬硬性能的主要基本相同2)激光工艺参数：激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径；淬硬层深度由激光功率、光斑直径和扫描速度共同决定；描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104W／cm2，一般为1000-6000W／cm2。3)表面预处理状态：一是表面组织淮备，即通过调质处理等手段使钢铁材料表面具有较细的表面组织，以便保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定。如图7-7为原始组织及扫描速度对激光淬硬层深

8、度的影响；二是表面“黑化”处理，以便提高钢铁表面对激光束的吸收率。图7-7原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响7.2.2激光表面熔凝技术1.用激光束将表面熔化而不加任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为