激光在工业中的应用.docx

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激光在工业中的应用

激光在工业中的应用

激光的方向性好，能量比较集中，如在利用聚焦装置使光斑尺寸进一步缩小，可以获得很高的功率密度，足以使光斑范围内的材料在短时间内达到融化或汽化温度。

因此，激光加工是将激光作为热源，对材料进行热加工。

其加工过程大体是激光束照射材料，材料吸收光能，光能转变为热能，从而对材料加工。

工厂上不同的加工工艺要求不同的激光装置，使材料获得不同的温度，分别进行焊接、打孔、切割、表面热处理等加工工艺。

与其他方法比较，激光加工有如下的一些优越性：

（1）光点小、能量集中、加工点以外的热影响小；

（2）无接触加工，对工件不污染；

（3）能穿过透光外壳对被密封的内部材料进行加工；

（4）加工精确度高，使用于自动化。

激光加工的一般原理

激光加工大多基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。

因此，激光光束特性、材料对光的吸收作用和导热性等对激光加工有很大影响。

用于激光加工的激光束常用基摸（TEMoo），，因为它有轴对称的光强分布，所以能达到最佳的激光束聚焦。

激光热加工又分连续光束作用和脉冲作用两种。

无论哪一种激光加工方法，都要将一定的功率的激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。

以金属加工为例，在功劳密度为10^4～10^11W.cm^（-2）的激光聚焦照射下，物质表面将吸收大量激光能量。

随着照射时间的推移，激光束与金属表面之间产生多种相互作用过程，使材料局部升温。

金属吸收光能并转化为热能，使材料局部温度升高，然后以热传导方式把热传导金属内部。

连续的激光照射会在物体的作用点产生液化和汽化的现象，达到加工效果。

因为金属表面层吸收的光能转化为热能，而热能又以热传导的方式继续向材料深处传递，所以金属的导热性对材料的加热影响很大。

根据热传导理论可以计算激光照射下被加工材料表面的温度和内部的温度变化。

知道温度场分布对判断能进行什么加工提供依据。

激光焊接

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。

70年件表面，表面热量通过热传导向内扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的溶池。

由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。

激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。

激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。

激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。

    激光焊接系统广泛应用于电子元器件、机械零件、珠宝首饰、钟表、精密器械、工艺品、医疗器械、眼镜、手机电池、同种金属及不同金属、合金等不同材料的焊接。

尤其是对于薄壁材料，微小精密零件，流水生产线，同一零件的多点同时焊接，气密焊接等，各种其他焊接型式难以完成的精密焊接，有广泛的应用适应性。

    与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：

激光焊接速度快、深度大、变形小。

能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。

例如，激光通过电磁砀，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

    激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深度比可达到5：

1，最高可达10：

1。

可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。

例如，将铜和钽两种性质截然不同的金属焊接在一起，合格率几乎达百分之百。

    可进行微型焊接。

激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动生产的微、小型元件的组焊中。

例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大大提高，且热影响小、焊点无污染，大提高了焊接的质量。

可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的活性。

尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。

激光焊接工艺方法

1、片与片间的焊接。

包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等四种方法。

2、丝与丝的焊接。

包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。

3、金属丝与块状元件的焊接。

采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块件的连接，块状元件的尺寸可以任意。

在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。

4、不同金属的焊接。

焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。

不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。

传感器焊接

电子元件焊接

照相机外壳焊接

C02激光焊接车身拼焊板

利用CCh激光对汽车车身拼焊板进行了焊接实验，并对焊缝进行了显微组织分析和机械性能分析。

采用Ar气作为焊接保护气体，能获得比采用N2气时更好的深冲性能；侧吹保护气体的方法能有效地控制焊缝中的锌含量。

研究了焊接熔深和焊缝宽度随激光功率和焊接速度变化的规律。

实验结果表明，在优化的工艺参数下，激光焊接车身拼焊板的焊缝中没有出现气孔、裂纹和热影响区（HAz）软化等缺陷，拼焊板的深冲性能优良；拼焊板的成形性能取决于两种材料的强度比和厚度比，焊缝易于向高强度镀锌钢板一侧偏移；普通钢板越薄，焊缝的偏移量越大。

两种规格超细晶粒钢的激光焊接

超细晶粒钢依靠生成微米级或亚微米级的铁素体，使钢的强度和韧性大大提高。

本文分析了细晶粒钢的焊接性及激光焊接的特点，进行了超细晶粒钢的激光焊接试验，并与等离子弧焊接、MAG焊接进行了比较。

超细晶粒钢激光焊接接头粗晶区有较好的韧性。

采用较小的激光功率并配合较慢的焊接速度，可减小粗晶区硬化倾向。

终轧温度较高的SS400钢激光焊接接头强度高于母材。

深度轧制钢激光焊接接头出现再结晶软化区，当软化区宽度较窄时，不影响整体接头强度。

SS400钢和深度轧制钢激光焊接接头均有好的弯曲塑性。

试验用的两种超细晶粒钢主要利用形变诱导形核来细化铁素体晶粒，钢中没有加入能形成高温稳定颗粒的微合金元素，因此进行普通电弧焊时，粗晶区原奥氏体晶粒长大严重。

图2a、b分别为MAG焊和等离子弧焊热影响区粗晶区的金相照片，可以看到奥氏体晶粒长大到200*10^（-9）m左右。

为了改善超细晶粒钢的焊接性，在钢中加入诸如能形成高温稳定颗粒,-.的,-等微合金元素，则可对奥氏体晶粒的长大产生钉扎，保持较细的原奥氏体晶粒，有利于降

结论

激光焊接焊缝和热影响区窄，熔深大，加热、冷却速度快，适合焊接对热敏感的超细晶粒钢.采用较小的激光功率并配合较慢的焊接速度，可减小粗晶区硬化倾向。

对3mm厚SS400钢，应采用2.1KW功率，1m/min焊速焊接。

对1.6mm厚深度轧制钢，为减小软化区宽度，应采用2KW功率，2.5m/min焊速焊接。

超细晶粒钢激光焊接接头粗晶组织以韧性较好的下贝氏体为主3mm厚SS400钢粗晶区韧性可达到与母材同等水平。

终轧温度较高的SS400钢激光焊接接头无软化区，接头强度高于母材。

深度轧制钢激光焊接接头出现再结晶软化区，当软化区宽度较窄时，不影响整体接头强度。

SS400钢和深度轧制钢激光焊接接头有好的弯曲塑性。

激光切割

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。

        激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm），使焦点处达到很高的功率密度可超过106W／cm2）。

这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。

随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄（如0.1mm左右）的切缝。

切边热影响很小，基本没有工件变形。

        切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。

钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。

切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。

进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

        大多数有机与无机都可以用激光切割。

在工业制造占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割（目前使用最先进的激光切割系统可切割工业用钢的厚度已可接近20mm）。

当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割（某些难切割材料可使用脉冲波激光束进行切割，由于极高的脉冲波峰值功率，会使材料对光束的吸收系数瞬间急剧提高）。

        激光切割无毛刺，皱折、精度高，优于等离子切割。

对许多机电制造行业来说，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件（工件图纸也可修改），它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。

        另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其精确、重现性好的优势。

作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。

激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层（热影响区），提高模具运行中的耐磨性。

激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。

碳钢切割

有机玻璃切割

手机金属外壳切割

LASOX（LaserAssistedOxygenCutting）技术的开发成功，标志着激光切割技术在切割厚钢板方面具备了超越等离子切割技术的优势，这使得激光切割技术在船用钢板的切割领域将具有更加广阔的应用前景。

激光雕刻

使用激光雕刻技术是激光加工的应用领域之一，激光雕刻是将激光射到木制品、亚克粒、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。

点阵雕刻：

点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。

激光头左右摆动，每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。

扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻。

矢量切割与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。

我们通常使用此模式在木材、亚克粒、纸张等材料上进行穿透切割，也可在多种材料表面进行打标操作。

雕刻速度：

雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用IPS（英寸/秒）表示，高速度带来高的生产效率。

速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。

您可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。

在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。

悍马机先进的运动控制系统可以使您在高速雕刻时，仍然得到超精细的雕刻质量。

雕刻强度：

雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。

对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。

您可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。

在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。

强度越大，相当于速度也越大。

切割的深度也越深

　　光斑大小：

激光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。

小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。

大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，但对于矢量切割，它是最佳的选择。

新设备的标准配置是2.0英寸的透镜。

其光斑大小处于中间，适用于各种场合。

　　可雕刻材料：

木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。

皮具雕刻

竹具雕刻

木制品雕刻

激光标志

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。

激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。

激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。

准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

目前，Intemark系统已广泛地应用于电子、电脑、通信、电器、钟表、眼镜、首饰、服饰、礼品、仪表仪器、商标标牌、汽车制造、轮船制造和航天航空业等行业的标记。

激光熔覆TiC陶瓷涂层的组织和摩擦磨损性能研究

　采用激光熔覆技术在TC4合金表面上制备了TiC陶瓷涂层,分析了熔覆层的微观组织,测试了熔覆层的硬度和摩擦磨损性能。

结果表明,TiC激光熔覆层分为熔覆区和稀释区两个区域,熔覆区未受到基底的稀释,由TiC颗粒和TiC树枝晶组成;稀释区受到了基底的稀释,由TiC树枝晶和钛合金组成;TiC激光熔覆层的显微硬度在700～1500HV之间,明显地改善了TC4合金表面的摩擦和磨损性能。

基于激光直接制造技术的材料研究

综述了激光直接制造技术材料研究的4个层次:

从常用合金粉末到高性能复杂金属零件的实现,梯度材料的制备与梯度复杂零件的激光直接制造,特种材料的直接合金备与梯度复杂零件的激光直接制造,特种材料的直接合金体系的研究。

钢表面激光熔覆镍基纳米WC/Co镀层显微组织研究

采用CO2激光在45钢表面镀覆镍基纳米WC/Co复合镀层。

通过SEM、XRD、EDAX、AFM分别对此镀层的显微组织、成分、物相进行分析研究。

结果表明,选择合适的激光组装工艺,可以在45钢表面获得基本消除了裂纹和孔洞并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合镀层。

视激光镀覆工艺参数及预涂层之差异,镀层中碳化物相的形态和分布可分为4种。

镀层在原子力显微镜下可见含相当数量的粒度≤100nm的纳米颗粒.

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