激光原理与应用讲_第七章

激光深熔焊中由于材料汽化而形成匙孔，使得激光束能够直接照射到 材料表面以下较深的部位。
1．快速成型技术的基本工作原理是：离散、堆积。
2．立体光造型技术
图7-29Fra Baidu bibliotek立体光造型技术的原理示意图
3．选择性激光烧结技术
选择性激光烧结技术与立体光造型技术相似，也是用激光束来扫描各原材料， 但用粉末物质代替了液态光聚合物。
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 A 1 R 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为
激光打孔的原理
激光束是一种在时间上和空间上高度集中的光子流束，其发散角极 小、聚焦性能良好， 采用光学聚焦系统， 可以将激光束会聚到微米 量级的极小范围内， 其功率密度可高达108-1015w/c㎡当这种微细的 高能激光束照射工件上时， 由于这种高强热源对材料加热的结果， 可使得照射区内的温度瞬时上升到一万度以上， 从而引起被照射区 内的材料瞬时熔化并大量汽化蒸发，气压急剧上升， 高速气流猛烈 向外喷射，在照射点上立即形成一个小凹坑。 随着激光能量的不断输入， 凹坑内的汽化程度加剧， 蒸气量急剧增 多， 气压骤然上升，对凹坑的四周产生强烈的冲击波作用， 致使高 压蒸气带着溶液， 从凹坑底部高速向外喷射， 在工件上迅速打出一 个具有一定锥度的小孔来
图7-2 等离子云变化的过程
小结：
激光与材料的相互作用过程主要包括：光的吸收、材料加热、 熔化与汽化、等离子屏蔽以及复合过程。
7.2 激光表面改性技术：
材料表面局部快速处理工艺的一种新技术，包括激光淬火、激光表面熔凝、激光 表面熔覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。
7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
1）临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效 应,这一数值称为临界功率密度。
2）激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关；激光 功率一定，提高焊接速度焊接熔深减少。
图7-21 深熔焊小孔示意图
小孔效应原理图
小结：
激光热导焊中是通过热传导的方式将材料表面的热量向下传播，
获得的熔凝层为铸态组织。
图7-9 激光熔凝处理后横截面组织示意图
（2）工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区 和基材，如图7-9所示。
（3）表面粗糙度较大，后续加工量大 。
图7-9 激光熔凝处理后横截面组织示意图
图7-10 T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布
7.2.3 激光熔覆技术
打孔的直径和深度可以由能量平衡原 理用右边的公式算出．式中Ｅ为脉冲 激光能量，LP为材料单位体积破坏 能．LB材料的汽化热比能，Lm材料的 熔化热比能． 是光束的发散角
2 1 E d hLp 4
3E d 2 (L L ) B m
1
3
3E h tg 2 ( L L ) B m
T 0,0,
(2) 材料的熔化与汽化
AqS 0r 23 2 t
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 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。 如图7-2所示，为等离子云变化的过程
7.2.2 激光表面熔凝技术
1. 激光表面熔凝技术：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。
2. 与激光淬火工艺相比： 又叫激光液相淬火，激光熔凝层比激光相变淬火层的硬化深度更深，硬度更高， 耐磨性也更好，熔凝淬火可使工件表层硬化深度达到0.5—2.0mm。 （1）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
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 2 2 z r 2 AP kt z 0 ierfc T z, t ierfc r0 2 t 2 kt 2 kt 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 r2 q S r q S 0 exp 2 r 持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
(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 q0 Aqi qi 1 R az 激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 qz q0 e 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/a
图7-30 选择性激光烧结技术基本原理示意图
4．激光熔覆成型技术
图7-31 激光熔覆成型技术原理示意图
图7-32 激光熔覆的复杂截面变换器
5．激光近型制造技术 激光近形制造技术，将快速成型技术中的选择性激光烧结技术和激光熔覆成型 技术结合了起来。
图7-33 激光近形制造技术的基本原理示意图
6．薄片叠层制造技术 首先用大功率激光束切割金属薄片。然后将多层薄片叠加并使其形状逐渐发生 变化，最终获得所需原型(模具)的立体几何形状。
如果光功率的损耗全部变成热量，则有
Qx, y, z, t qx, y, z, t
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 AP T 0, r0 t
1. 激光熔覆技术：通过在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之 与基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以 改善其表面性能的工艺。
2. 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。
图7-11 同步送料法激光熔覆示意图
7.2.3 激光熔覆技术
3. 常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、 以及上述合金与 碳化物(WC、TiC、SiC等)，颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶
瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。
小结：
激光淬火与激光熔凝技术的作用：提高金属表面硬度。
7.3 激光去除材料技术
1. 激光焊接相对于传统方式的优点： 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强 的材料实施焊接 2）在激光焊接过程中无机械接触，易保证焊接部位不因热压缩而发生变形。 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。
激光焊接优点
热传导焊接：当激光照射在材料表面时，一部分激光被反
7.4.2 激光深熔焊
1. 激光深熔焊的原理 当激光功率密度达到106—107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流 及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成匙孔， 孔内金属蒸汽压力与四周 液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。
7.4.2 激光深熔焊
2. 激光深熔焊的工艺参数
激光加工技术
激光加工：激光束作用于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过程， 主要包括激光热加工和激光光化学反应加工。
本章主要内容：
1. 激 光 热 加 工 原 理 2. 激 光 表 面 改 性 技 术 3. 激光去除材料技术
4.
5. 6.
激光焊接
激光快速成型技术 其他激光加工技术
7.1 激光热加工原理
n1 1 n22 n 1 R n 1 n1 12 n22
2 2
7.1 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
cl
T T T T t t z t z Qx, y, z, t t x x y y
1 8
激光打孔工艺参数
工件表面的状态
激光打孔是用激光照射到工件表面上开始加工的,工件表面的状态,对光 的反射率影响很大,表面越精细粗糙度越小,则反射率越大,激光打孔越 困难.
表面粗糙度
表面粗糙度对打孔的影响
金刚石模具激光打孔和传统打孔的对比
金刚石
厚度/mm 0.89 1.30 1.47 1.82 2.00 2.41 2.91 孔径/mm 0.46 0.03 0.05 0.10 0.15 0.38 0.51 能量/J 9.0 5.0 7.0 8.0 7.0 10.5 12.5
7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
2. 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 钢表面激光淬火区横截面金相组织图
图7-5 淬火区显微硬度沿深度方向分布曲线图
影响淬硬层性能的主要因素：
激光淬火的应用实例：内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化
激光淬火的特点
激光切割的特点
激光切割的分类
影响激光切割质量的 因素
激光切割组合木板
激光焊接
激光焊接：它和传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的
部分熔化而将两个零件或部件连接起来。 将高强度的激光束 辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激 光转化为热能使金属熔化后冷却结晶成形成焊接。
激光打孔
脉冲数 85 38 65 75 233 340 351 打孔时间 /min 5.5 4.6 5.0 5.25 7.9 11.4 11.9
传统打孔
打孔时间／h 10 16 12 12 14 20 25
激光打孔的应用
激光打孔特点及应用
零件加工
电路板印刷
钢板上打孔
制衣
飞机部件打孔
激光切割
7.4.1 激光热导焊
1. 激光热导焊 热导焊时，激光辐射在材料表面转化为热能，统过热传导的方式向内部 扩散，使材料熔化并形成熔池，待熔池凝固后形成连接两块材料的焊缝。 热导焊的激光功率为105w/cm2 左右，是靠热传导进行焊接的，焊缝深 度小于2.5mm，焊缝的深宽比一般小于1。
7.4.1 激光热导焊
射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能熔化，材料表 面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两 焊件熔接在一起。
激光深熔焊：当功率密度比较大的激光束照射到材料表面
时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化， 产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力 下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光 的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周 边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件接在一起。
2. 激光热导焊的工艺参数 1）离焦量对焊接质量的影响：要求熔深较大时采用负离焦，焊接薄材料时宜用 正离焦,此外离焦量还直接影响到焊逢的宽度。 2）脉冲激光热导焊的脉冲波形：为了突破高反射率的屏障，使金属瞬间熔化把
反射率降低下来，实现后续的热导焊过程，需要脉冲带有一个前置的尖峰。
3）脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之热 影响区域则小。