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时间:2020-09-13
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1、激光加工1.激光加工的原理与特点1)激光加工的原理:激光除了具有光的一般物性(反射,折射,干涉等)外,还具有四个特征:亮度高、相干性高、方向性好、单色性好。由于激光的发散角小和单色性好,可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上,可以使其焦点处的功率密度达到107~1011W/cm2,温度可达10000℃以上。在这样的高温下,任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的冲击。因此,激光加工(如图1所示)是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。图1激光加工示意图2)激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方
2、面:(1)几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。(2)激光能聚焦成极小的光斑,可进行微细和精密加工,如微细窄缝和微型孔的加工。(3)可用反射镜/光导纤维将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。(4)加工时不需用刀具,属于非接触加工,无机械加工变形。(5)无需加工工具和特殊环境,便于自动控制连续加工,加工效率高,加工变形和热变形小。2.激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机(激光加工系统)三部分组成。1)激光器:把电能转变成光能,产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体
3、激光器四大类。由于He-Ne(氦—氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制,而且方向性、单色性及相干性都比较好,因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大,目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。2)导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求,光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位,这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。3)激光加工系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展,许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动,实
4、现激光加工的连续工作。3.激光加工的应用:光能转化成热能,根据温度可以实现工件表面组织变化(热处理),熔化(焊接/快速成型),汽化(切割/打孔)1)激光打孔随着近代工业技术的发展,硬度大、熔点高的材料应用越来越多,并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔,例如,钟表或仪表的宝石轴承,钻石拉丝模具,化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务,用常规的机械加工方法很困难,有的甚至是不可能的,而用激光打孔,则能比较好地完成任务。激光打孔中,要详细了解打孔的材料及打孔要求。从理论上讲,激光可以在任何材料的不同位置,打出浅至几微米,深至二十几毫米以上的小孔
5、,但具体到某一台打孔机,它的打孔范围是有限的。所以,在打孔之前,最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解,以确定能否打孔。激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。2)激光切割激光切割(如图2所示)的原理与激光打孔相似,但工件与激光束要相对移动。在实际加工中,采用工作台数控技术,可以实现激光数控切割。激光切割大多采用大功率的CO2激光器,对于精细切割,也可采用YAG激光器。激光可以切割金属,也可以切割非金属。在激光切割过程中,由于激光对被切割材料不产生机械
6、冲击和压力,再加上激光切割切缝小,便于自动控制,故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。图2CO2气体激光器切割钛合金示意图激光切割过程中,影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。3)激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时变成热能,使工件表面迅速产生蒸发,从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形,以作为永久防伪标志(如图3所示)。图3振镜式激光打标原理激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料;标记清晰、永久、美观,并能有效防伪;
7、标刻速度快,运行成本低,无污染,可显著提高被标刻产品的档次。激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。4)激光焊接当激光的功率密度为105~107W/cm2,照射时间约为1/100s左右时,可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可,如图7-12所示。激光焊接速度快,热影响区小,焊接质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻璃进行焊接。图4激光焊接过程示意图5)激光表面处理A.利用热效应a.淬火:当激光的功率密度约为103~1
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