第三章-激光加工技术PPT文件格式下载.ppt

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）,2022年10月6日星期四,3）、打孔质量的影响因素（脉宽和聚焦位置）,怎样用好激光“钻头”？

A、脉冲能量一定时：

脉宽增加，功率密度下降，融熔了的材料没有办法充分汽化，却把在它附近的材料加热，使熔化层增厚，结果，被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。

如果使用的是高重复率激光器输出的光脉冲，这时每个光脉冲平均的能量并不很高，但由于光脉冲的宽度窄，功率水平却不低。

于是每个激光脉冲在材料上形成的融熔体不多，主要是发生汽化。

由于使小孔附近的材料加热时融熔体很少，因而也就不出现在用单脉冲打孔时出现的事。

打出的小孔形状和大小就规整得多了。

B、焦点位置的选择：

对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的内部，如果材料比较薄，激光束焦点需放在工件表面的上方。

这样的安排会让打出来的小孔上下大小基本上一致，不出现“桶状”的小孔。

2022年10月6日星期四,离焦量对打孔质量的影响,激光打孔中离焦量对打孔的影响,2022年10月6日星期四,4）、激光打孔的应用,陶瓷0.5mm孔激光打孔,2022年10月6日星期四,叶片是喷气涡轮发动机的重要部件之一。

工作状态下，该部件在高温燃气中高速旋转。

为提高叶片的耐高温性能，人们正在积极研制一种新型叶片，该叶片具有特殊的中空结构，并在表面用激光打孔工艺制作了一系列与中空部分贯通的小孔。

工作时向叶片中空部分不断灌入冷气，经小孔泄出后在叶片表面形成冷气保护膜。

这样叶片虽处于高温燃气之中，其本身温度相对而言并不很高。

显然，这种设计极大地改善了叶片的耐高温性能，有益于延长叶片的使用寿命。

叶片0.5mm小孔激光打孔,2022年10月6日星期四,过滤板82万个0.7mm孔（3mm厚不锈钢板）,国家电力公司防止电力生产重大事故的二十五项重点要求第11.3.1.1及11.3.1.2条发电机内冷水系统滤网需要将钢丝、铜丝滤网等更换为激光打孔的不锈钢板新型水过滤器滤网，防止滤网破碎进入发电机线圈。

采用了高强度激光打出的微孔不锈钢网板，可阻挡杂质及颗粒进入发电机线棒，防止杂质堆积造成线棒阻塞的事故发生。

2022年10月6日星期四,治疗冠心病的最后一招心肌激光打孔,心肌激光打孔术的“灵感”源于鳄鱼、蛇等两栖类动物。

早在1933年就有科学家发现两栖类动物的心外膜冠脉系统不发达，心肌呈海绵状，内有大量的管状腔隙及窦状隙与心腔相通。

两栖类动物的心肌血供并非来自冠脉系统，而是左室腔内的氧饱和血通过心肌内腔隙直接灌注到心肌。

1965年医生们试着采用针头穿刺心肌产生心肌内孔道以达到心肌血运重建的目的。

80年代以后，应用激光进行心肌血运重建获得成功。

激光心肌血管重建手术分为两类：

一是心外膜法，即开胸式，是从心外膜向心腔内打孔，直至将心肌打穿形成隧道。

另一种是心内膜法，它是将激光通过光导纤维从股动脉进入左心室，从左心室心内膜向外打孔形成隧道，但不需要打穿心肌。

它可以做到创伤很小，在心内科即可操作。

2022年10月6日星期四,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。

激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。

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。

目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。

A、金刚石拉丝模的激光打孔激光加工金刚石模具，不仅能节省许多昂贵的钻石粉，而且与常规的机械超声加工法相比，提高了加工效率。

用机械钻孔机打通一个20点的金刚石需要24小时，而用激光仅需10分。

单脉冲激光打孔的孔深小于1mm，对应的孔径为0.0050.4mm；

多脉冲激光打孔的孔深可达3mm，最大孔径可达1mm。

2022年10月6日星期四,B、脉冲YAG激光打精密孔例如用脉冲YAG激光能在厚度为1mm的珍珠宝石上打出16个直径为0.2mm的高精度系列孔，加工精度为0.03mm，孔间隔为0.01mm，加工速率为每分钟打一个孔。

用脉冲YAG激光对0.005mm厚的钛和钼薄箔进行打孔，孔径可达0.02mm；

用脉冲YAG激光对0.07mm厚的氧化铝陶瓷材料打孔，孔径为0.15mm，打孔精度为0.2mm。

C、脉冲CO2激光打孔,像钢铁之类的金属材料对YAG波长激光吸收率较高，故宜采用YAG激光打孔。

但是，陶瓷、玻璃和塑料之类的非金属材料对CO2激光具有较高的吸收率。

因此对这类非金属材料适合采用脉冲CO2激光打孔。

此外普通香烟过滤嘴上的小孔、喷雾器阀门上的小孔，也在采用激光加工。

喷雾器罐和瓶子颈部都有一个用来控制压缩物质（比如除臭剂、油料或者其他液体）的流量，阀门使用的性能就由喷雾器上这只小孔来决定了。

这只小孔的直径为10微米到40微米，用其他机械加工方法不那么好做，用激光来加工，能保证质量，每小时还可以打4万个小孔呢！

2022年10月6日星期四,2022年10月6日星期四,2、激光切割,1）、激光切割工作原理,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，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，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。

2022年10月6日星期四,2）、激光切割的特点,G、噪声低，无公害,A、切割速度快，热影响区小。

热影响层深度0.05-0.1mm，热畸变形小。

F、可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。

E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。

C、无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。

B、切割质量好。

切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。

对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。

割缝窄。

一般为0.1-1mm。

2022年10月6日星期四,3）激光切割分类,汽化切割:

工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。

这种切割机制所需激光功率密度一般为108/cm2左右，是无熔化材料的切割方式，适用木材、塑料等。

熔化切割:

激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。

熔化切割所需的激光功率密度一般为107/cm2左右，适合金属材料。

氧助熔化切割:

金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。

适用金属材料。

2022年10月6日星期四,聚焦能力与它光束模式有关。

基模（TEM00），光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。

而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀。

4）、影响激光切割质量的因素,激光切割质量包括：

影响激光切割质量的因素：

割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。

激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。

A、激光功率：

激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。

确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。

B、光束模式,2022年10月6日星期四,焦点位置对熔深和熔池形状的影响很大。

这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。

图所示为采用激光切割5mm厚高合金钢板时的焦点价置与切割缝宽度的关系曲线。

由图可知；

在焦距位置距工件表面1mm处所得到的割缝最窄。

透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。

它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：

长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：

板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。

C、焦点位置,2022年10月6日星期四,与金属产生放热化学反应，增加能量强度。

从切割区吹掉熔渣，清洁切缝；

冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸；

保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。

D、辅助气体和喷嘴,辅助气体的作用是：

喷嘴的设计原则,喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。

喷嘴喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合。

气流量与喷嘴尺寸关系,2022年10月6日星期四,E、切割速度:

在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。

切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。

激光切割对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出。

而这些都与气流作用在工件表面的滞止压力有关，可称之为切割压力。

为了得到高的切割速度和切口质量，切割压力应该大。

当Pn/Pa=3，喷出超音速气流,2022年10月6日星期四,5）、金属材料激光切割,A、激光器：

快轴流CO2激光器,B、切割参数：

2022年10月6日星期四,C、影响激光切割质量的因素：

激光切缝表面的切缝宽度和热影响区均随激光切速的增加而减小，并在切缝下表面切缝的宽度和热影响区最小。

2022年10月6日星期四,切缝宽度和热影响区与激光切速关系。

2022年10月6日星期四,焦点位置对切口粗糙度的影响,2022年10月6日星期四,喷嘴的形状和大小及吹氧压力对激光切割质量有较大影响,2022年10月6日星期四,吹气压力与切割速度关系,2022年10月6日星期四,几种切割方式的比较,2022年10月6日星期四,6）、非金属激光切割,A、激光器：

CWCO2激光器，不超过500w的中等激光功率。

B、所需的激光功率：

Q材料蒸发所需的能量（KJ/cm3）,W切缝宽（cm）,L板厚（cm）,V切割速度（cm/s）,2022年10月6日星期四,对于非金属材料，Q值可以小于0.4kJcm-3，而对于玻璃类材料，Q值高于100kJcm-3。

2022年10月6日星期四,到目前为止，激光可用来切割木材、纸张、布匹、塑料、橡胶、复合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。

例如用激光切割木材可大大减少噪声。

用激光切割纸张，切速高达15m/s。

激光用于切割航空行业中的复合材料也越来越普遍。

激光裁剪布料，不仅可省料15，且裁纹质量好，裁剪后的布料无毛边。

化纤衣料的激光裁剪不需要收边，可以省去拷边工序。

用计算机控制的激光切割机，可将所有衣服的祥式与尺寸存储到磁盘