航空航天难加工材料.docx

1、航空航天难加工材料激光加工摘要： 激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程， 包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。用激光 束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任 何材料的加工制造， 尤其在一些有特殊精度和要求、 特别场合和特种材料的加工 制造方面起着无可替代的作用。 关键词：加工原理、发展前景、激光焊接、激光打孔、半导体激光器、 激光技术。激光加工概述及发展前景 回顾20世纪对人类社会产生重大影响的科技发明，激光器的诞生无疑是一 个极为耀眼的亮点， 激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后， 推动人 类科学技

2、术进入新的发展阶段。 发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技 术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核 聚变计划”，德国的“激光 2001行动计划”，英国实施 “阿维尔计划”，日本启动 “激光研究五年计划” 等。这些项目的实施， 有效推动了全球激光产业进入高速 发展阶段。激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点， 并优于其它加工技术。 激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金 化和激光熔覆， 由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层， 从而使得激光表面 加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用 5KW10KWCO功率激光器及

3、其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占 全球销售额的 4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激 光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正 在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后 2-3 年内，我国激光加工销售额将会由 2008年的 35亿人民币上升翻一倍， 也就是说会达到 70亿元 产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术， 它可使他们的产品增加技术含量， 加快产品更新换代， 为适应 21世纪高新技术的产业化、 满足宏观与微观制造的需 要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短

4、脉冲、超 大功率、高光束质量等特征的激光， 尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。激光加工的原理及其特点1.激光加工的原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料 以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面 直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而 且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节， 因此激光加工 可应用到不同层面和范围上。2.激光加工的特点激光在加工领域存在的优势：由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量 及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的

5、。2它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工咼硬度、咼脆性、及咼熔点 的材料。3激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。4激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激 光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加 工量小。激光技术用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工有许多优点：1激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化， 即使熔点高、 硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光加工；2激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；3工件不受应力，不易污染；4可以对运动的工件

6、或密封在玻璃壳内的材料加工；5激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，作用时间可以短到 纳秒和皮秒，同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工，又适于大型材料加工；6激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现 加工的高度自动化和达到很高的加工精度；激光加工的分类1.激光焊接激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。 其优点：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

7、使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。图1-1所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。冷却系统激光 珀源H激光器图1-1阴极芯的激光焊接设备原理图1:光束分束器；2:聚焦透镜；3:阴极芯探激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化 焊探 激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图 1-25 0 5 IlaO 1OO 200 300澈光功半W、图1-2激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系2.激光深熔焊1） 激光深熔焊的原理当激光功率密度达到106107% 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小孔

8、（图 2-1 ）,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。2） 激光深熔焊工艺参数探临界功率密度：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，称为临界功率密度探激光深熔焊的熔深：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是 功率和光斑直径的函数。3） 激光焊接过程中的几种效应图2-1深熔焊小孔示意图3.激光打孔3.1激光打孔原理：激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图3-1 ）。3.2激光打孔工艺参数的影响 探 脉冲宽度对打孔的影响：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄 脉冲能够得到

9、较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的 表面粗糙度变大，尺寸精度下降。探激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度图3-2离焦量对打孔质量的影响4.激光切割4.1激光切割的原理与特点切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于 0.1mm）使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2。如图4-1所示为激光切割头的结构，除了透 镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。图4-1激光切割头的结构示意图4.2激光切割分类及其机理探汽化切割：工件在

10、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 108W /cm2左右，是无熔化材料的切割方式探熔化切割：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 107W /cm2左右。探 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。4.3激光切割的工艺参数及其规律探激光功率：激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。探切割速度：在

11、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。探光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光 切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到 较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大， 切割过程中必 须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。探喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的一个重要部件。激光切割一般采用 同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。 另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距 离必须保持不变。半导体

12、激光器1.光纤通信对半导体激光器光源的要求：半导体激光器是激光器中的一个大家 族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重 量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光 纤通信之中。图9-1给出了光发射端机的工作原理。图5-1光发射端机组成方框图2作为通信光源的半导体激光器 ：半导体激光器是光纤通信用的主要光源， 由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光 器。(1)法布里一珀罗激光器法布里-珀罗激光器(FP-LD)是最常见、最普通的半导体激光器，它的谐振腔 由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-

13、LD的制作技术已经 相当成熟。FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于 622Mbit/s的光纤通信系统。(2)分布反馈半导体激光器实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈布拉格半导体激光器(DFB-LD的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益， 因此其单色性优于一般的FP-LB在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现 直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图 5-2所示的DFB-LD结构图5-2 DFB-LD结构示意图(3)分布布拉格反射半导体激光器考虑到布拉格光

14、栅反射性好的特点， 将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧， 增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了 DBR-LD其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体 激光器，其原理性结构如图5-3。増益区 相位控制区 选择光欄区=LR=L=有源区 光欄图5-3三电极DBR-LD吉构示意图(4)垂直腔面发射激光器光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光 器(VCSEL是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光垂 直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图5-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反

15、射(DBR介质反射镜，中间(InGaAsN为量子阱有源区, 氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由 P、N电极注入，光由箭 头方向发出。图5-4 VCSEL的典型结构示意图(3)光纤光栅激光器DBR光纤激光器基本结构如图5-5所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振 波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。图5-5 DBR光纤光栅激光器基本结构示意图3.光纤激光器的基本原理及其特点光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在 增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。(1)基本原理以纵向泵浦的光纤激光器(如图 5-6)为例说明

16、光纤激光器的基本原理激光输出 口 口 C口口 未转换的泵浦光图5-6光纤激光器原理示意图特点耦合效率高基于激光介质本身就是导波介质； 光纤纤芯很细，纤内易形成高功率 密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。 由于光纤具有很高的“表面积 / 体积” 比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在 不加强制冷却的情况下连续工作。 又由于光纤具有极好的柔绕性， 激光器可以设 计得相当小巧灵活， 利于光纤通信系统的应用， 同时可借助光纤方向耦合器构成 各种柔性谐振腔， 使激光器的结构更加紧凑、 稳定。光纤还具有相当多的可调谐 参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和

17、稳定性。参考文献：【1】张辽远，现代加工技术。北京：机械工业出版社， 2008.7【2】宋威廉，激光加工技术的发展。北京：机械工业出版社， 2008.3【3】曾智江 朱三根，微细技工技术的研究。北京：高等教育出版社， 2007.12【4】孟永刚，激光加工技术。北京：国防工业出版社， 2008.01【5】徐梦廊。丁黎光，徐广文.C02激光打孔用铜箔的表面处理J】江 西蓝天学院学报 2009， 4(2) ： 44-46 【6】6吴/b军，左敦稳，徐锋，等.CVD金刚石膜激光打孔温度场有限元仿真J.硅酸盐通报，2010。29(1) : 83 88.【7】李凯，车威激光打孔后内粗糙度的测量方法的研究 J 计算技术与自动化。 2009(12) ： 102103.【8】胡凤兰，董丽君，高为国.微小深孔的激光加工【J.工具技术.