现代工业和加工中的应用.pptVIP

光与现代科技讲座 云南大学信息学院通信工程系 宗 容 zongrong@ynu.edu.cn光与现代科技讲座 第一章 绪论 2 第二章 光源与激光器 2 第三章 光纤与光学传感技术 4 第四章 激光在现代医学中的应用 4 第五章 激光在军事技术中的应用 4 第六章 激光在现代工业和加工中的应用 4 第七章 光与信息技术 4 第八章 光通信技术与网络 6 第九章 光学成像、全息与显示技术 2 第十章 光电集成与纳米技术 2 第六章 激光在现代工业和加工中的应用 §6.1 激光加工原理 6.1.1 材料对激光的吸收 6.1.2 材料的加热 6.1.3 材料的熔化与气化 6.1.4 激光等离子体屏蔽现象 §6.2 激光表面改性技术 6.2.1激光淬火技术的原理与应用 6.2.2激光表面熔凝技术 6.2.3 激光熔覆技术 6.3 激光去除材料技术 6.3.1 激光打孔 6.3.2 激光切割 激光在工业加工中发展 激光的亮度高、方向性好的特点使光能（功率）可以集中在很小的区域内，因此，自第一台激光器诞生以后，人们就开始探索激光在加工领域中的应用。 七十年代初期，Nd:YAG激光就开始用于工业生产。 随着大功率激光器与各种激光技术的发展，激光与材料相互作用研究的深入，激光加工已经成为加工领域中的一种常用技术。 激光加工作为一种非接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术还具有信息时代的特点，便于实现智能控制，实现加工技术的高度柔性化和模块化，实现各种先进加工技术的集成。 因此，激光加工已经成为21世纪先进制造技术不可缺少的一部分。 激光加工 激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体变形或改性的加工过程。 按照光与物质作用的机理，可分为激光热加工与激光光化学反应加工。 激光热加工是基于激光束加入物体所引起的快速热效应的各种加工过程。 激光光化学反应是借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。 两种加工方法都可对材料进行切割、打孔、刻槽、标记。前者对于金属材料焊接、表面改性、合金化更有利，后者则适用于光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化。 激光热加工现在已发展得比较成熟，本章主要讨论与激光热加工有关的问题。 §6.1 激光加工原理 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。 以金属加工为例，功率密度达到104～1011W CM-2的激光聚焦照射下，物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会产生多种相互作用过程。 首先是热吸收过程，使材料局部升温。激光脉冲能量足够高，脉宽足够短，会产生冲击强化过程。 随着热作用的持续，温度升高，导致表面熔化过程。继续照射，熔池会向内部发展，熔池表面发生气化过程。 几乎与此同时，等离子体开始产生，形成的气化物和等离子体产生屏蔽现象。 持续照射，屏蔽作用减弱，称作复合过程。 与上述诸过程相对应，在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图6.1所示。 激光脉宽10ms左右，聚焦功率密度在102W/mm2时，作用于金属表面，主要产生温升相变现象，用作激光相变硬化； 激光作用时间在10～4ms之间，聚焦功率密度在102～104W/mm2的范围时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，主要是气化，同时还存在激波，可用于熔化、焊接、合金化和熔敷。 激光作用时间在10～4s，聚焦功率密度在105～109W/mm2的范围时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，还发生气化同时存在激波和爆炸冲击，主要用于打孔、切割、划线和微调等。 激光作用时间在10-6s，聚焦功率密度增加到109W/mm2时，除了产生上述现象外，金属内热压缩激波和金属表面上产生的爆炸冲击效应变为主要现象，主要用于冲击硬化。 6.1.2 激光加工时产生的物理现象 1. 材料对激光的吸收 2. 材料的加热 3. 材料的熔化与气化 4. 激光等离子体屏蔽现象 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。一束激光照射到材料表面时，除一部分被材料表面反射，其余部分透入材料内部被材料吸收。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A为 （6-1）