现代工业和加工中的应用教学课件

光与现光与现代科技代科技光与现代科技讲座光与现代科技讲座 第一章第一章 绪论绪论 2 2第二章第二章 光源与激光器光源与激光器 2 2第三章第三章 光纤与光学传感技术光纤与光学传感技术 4 4第四章第四章 激光在现代医学中的应用激光在现代医学中的应用 4 4第五章第五章 激光在军事技术中的应用激光在军事技术中的应用 4 4第六章第六章 激光在现代工业和加工中的应用激光在现代工业和加工中的应用 4 4 第七章第七章 光与信息技术光与信息技术 4 4第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络 6 6第九章第九章 光学成像、全息与显示技术光学成像、全息与显示技术 2 2第十章第十章 光电集成与纳米技术光电集成与纳米技术 2 22024/7/92光与现光与现代科技代科技第六章第六章 激光在现代工业和加工中的应用激光在现代工业和加工中的应用 6.1 激光加工原理激光加工原理6.1.1 材料对激光的吸收材料对激光的吸收6.1.2 材料的加热材料的加热6.1.3 材料的熔化与气化材料的熔化与气化6.1.4 激光等离子体屏蔽现象激光等离子体屏蔽现象6.2 激光表面改性技术激光表面改性技术6.2.1激光淬火技术的原理与激光淬火技术的原理与应用应用6.2.2激光表面熔凝技术激光表面熔凝技术6.2.3 激光熔覆技术激光熔覆技术6.3 激光去除材料技术激光去除材料技术6.3.1 激光打孔激光打孔6.3.2 激光切割激光切割6.4 激光焊接激光焊接6.4.1 激光热导焊激光热导焊6.4.2 激光深熔焊激光深熔焊6.4.3 激光复合焊激光复合焊6.5 激光快速成型技术激光快速成型技术6.5.1 激光快速成型技术的原激光快速成型技术的原理及主要优点理及主要优点6.5.2 激光快速成型技术激光快速成型技术6.5.3 激光快速成型技术的重激光快速成型技术的重要应用要应用6.6 其他激光加工技术其他激光加工技术6.6.1 激光清洗技术激光清洗技术6.6.2 激光弯曲激光弯曲2024/7/93光与现光与现代科技代科技激光在工业加工中发展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。就开始探索激光在加工领域中的应用。七十年代初期，七十年代初期，Nd:YAGNd:YAG激光就开始用于工业生产。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。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，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。技术的集成。因此，激光加工已经成为因此，激光加工已经成为2121世纪先进制造技术不可缺少的世纪先进制造技术不可缺少的一部分。一部分。2024/7/94光与现光与现代科技代科技激光加工激光加工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。或改性的加工过程。按照光与物质作用的机理，可分为按照光与物质作用的机理，可分为激光热加工激光热加工与激光光化与激光光化学反应加工。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。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。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。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。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。热加工有关的问题。2024/7/95光与现光与现代科技代科技6.1 激光加工原理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。于被加工物体上，使激光与物质相互作用。以金属加工为例，功率密度达到以金属加工为例，功率密度达到10104 410101111W CMW CM-2-2的激光聚焦照的激光聚焦照射下，物表面将吸收大量激光能量。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。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，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。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，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。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。产生屏蔽现象。持续照射，屏蔽作用减弱，称作复合过程。持续照射，屏蔽作用减弱，称作复合过程。2024/7/96光与现光与现代科技代科技图6.1 各种操作条件下激光的可能应用和影响 2024/7/97光与现光与现代科技代科技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围如图6.16.1所示。所示。激光脉宽激光脉宽10ms10ms左右，聚焦功率密度在左右，聚焦功率密度在10102 2W/mmW/mm2 2时，作用于金属时，作用于金属表面，主要产生表面，主要产生温升相变现象温升相变现象，用作激光相变硬化；，用作激光相变硬化；激光作用时间在激光作用时间在10104ms4ms之间，聚焦功率密度在之间，聚焦功率密度在10102 210104 4W/mmW/mm2 2的范围时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，主要是的范围时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，主要是气气化化，同时还存在激波，可用于熔化、焊接、合金化和熔敷。，同时还存在激波，可用于熔化、焊接、合金化和熔敷。激光作用时间在激光作用时间在10104s4s，聚焦功率密度在，聚焦功率密度在10105 510109 9W/mmW/mm2 2的范围的范围时，金属材料除了产生时，金属材料除了产生温升、熔化现象之外，还发生气化同时温升、熔化现象之外，还发生气化同时存在激波和爆炸冲击存在激波和爆炸冲击，主要用于打孔、切割、划线和微调等。，主要用于打孔、切割、划线和微调等。激光作用时间在激光作用时间在1010-6-6s s，聚焦功率密度增加到，聚焦功率密度增加到10109 9W/mm2W/mm2时，除时，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爆炸冲击效应炸冲击效应变为主要现象，主要用于冲击硬化。变为主要现象，主要用于冲击硬化。2024/7/98光与现光与现代科技代科技6.1.2 激光加工时产生的物理现象激光加工时产生的物理现象1.1.材料对激光的吸收材料对激光的吸收2.2.材料的加热材料的加热3.3.材料的熔化与气化材料的熔化与气化4.4.激光等离子体屏蔽现象激光等离子体屏蔽现象 2024/7/99光与现光与现代科技代科技1 材料对激光的吸收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。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。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面反射率为R R，则吸收率，则吸收率A A为为 （6-16-1）2024/7/910光与现光与现代科技代科技材料对激光的吸收材料对激光的吸收-1对于大部分金属来说，反射率在对于大部分金属来说，反射率在70%-90%70%-90%之间。当激之间。当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为反射率为 （6-26-2）式中式中n n1 1和和n n2 2分别为材料复折射率的实部和虚部，非金分别为材料复折射率的实部和虚部，非金属材料的虚部为零。属材料的虚部为零。实际上，金属对激光的吸收还与温度、表面粗糙度、实际上，金属对激光的吸收还与温度、表面粗糙度、有无涂层、激光的偏振特性等诸多因素有关。有无涂层、激光的偏振特性等诸多因素有关。金属与激光相互作用过程中，光斑处温度上升，引起金属与激光相互作用过程中，光斑处温度上升，引起熔化、沸腾和汽化的现象，导致电导率改变，会使得熔化、沸腾和汽化的现象，导致电导率改变，会使得反射率发生很复杂的变化。反射率发生很复杂的变化。2024/7/911光与现光与现代科技代科技2.材料的加热材料的加热 材料的加热是光能转变为热能的过程。设入射激光材料的加热是光能转变为热能的过程。设入射激光束的光功率密度为束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度，材料表面吸收的光功率密度为为q0，则有，则有 （6-3）激光在材料内部传播过程中，光强按指数规律衰减。激光在材料内部传播过程中，光强按指数规律衰减。激光从表面入射到材料内部深度为处的光强就是该激光从表面入射到材料内部深度为处的光强就是该点的光（电磁场）功率密度，因而点的光（电磁场）功率密度，因而 （6-4）式中式中为材料的吸收系数。一般将激光在材料内的穿为材料的吸收系数。一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深度时的深度，因而穿透深度为为1/。多数金属的吸收系数约为。多数金属的吸收系数约为105-106cm-1，激，激光对各种金属的穿透深度在光对各种金属的穿透深度在10-100nm的数量级。的数量级。2024/7/912光与现光与现代科技代科技材料的加热材料的加热-1非金属对激光的反射比较低，吸收比较高。但是有非金属对激光的反射比较低，吸收比较高。但是有些非金属材料在一定波段的吸收系数也很低；如些非金属材料在一定波段的吸收系数也很低；如GaAs,ZnSe,NaCl,KBr,CdTe和和Ge等，常用作红外高等，常用作红外高功率激光器中的输出窗口材料和外光路中的透镜材功率激光器中的输出窗口材料和外光路中的透镜材料。料。激光束在很薄的金属表面层内就被吸收，使金属内激光束在很薄的金属表面层内就被吸收，使金属内自由电子的热运动能增加，并在很短的自由电子的热运动能增加，并在很短的10-1110-10s时时间内与晶格碰撞，把电子的动能转化为晶格的热振间内与晶格碰撞，把电子的动能转化为晶格的热振动能。引起材料温度的升高，然后按照热传导的机动能。引起材料温度的升高，然后按照热传导的机理向周围和材料内部传播。理向周围和材料内部传播。2024/7/913光与现光与现代科技代科技3.材料的熔化与气化材料的熔化与气化 激光照射引起的材料破坏过程是由于靶材（被加工材激光照射引起的材料破坏过程是由于靶材（被加工材料）料）在高功率激光照射下表面达到熔化和气化温度在高功率激光照射下表面达到熔化和气化温度,使使材料气化蒸发或熔融溅出，同时靶材内部的微裂纹与材料气化蒸发或熔融溅出，同时靶材内部的微裂纹与缺陷由于受到材料熔凝和其它场强变化而进一步扩展，缺陷由于受到材料熔凝和其它场强变化而进一步扩展，从而导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。从而导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。激光功率密度过高，材料在表面气化，不在深层熔化；激光功率密度过高，材料在表面气化，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，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。使焦点处熔化的深度很小。一般情况下，被加工材料的去除是以蒸气和熔融状两一般情况下，被加工材料的去除是以蒸气和熔融状两种形式实现的。如果功率密度过高而且脉冲宽度很窄种形式实现的。如果功率密度过高而且脉冲宽度很窄时，材料会局部过热，引起爆炸性的气化，此时材料时，材料会局部过热，引起爆炸性的气化，此时材料完全以气化方式去除，几乎不会出现熔融状态。完全以气化方式去除，几乎不会出现熔融状态。2024/7/914光与现光与现代科技代科技材料的熔化与气化材料的熔化与气化-1 非金属材料在激光照射下的破坏效应十分复非金属材料在激光照射下的破坏效应十分复杂，不同非金属也差别很大。杂，不同非金属也差别很大。一般地说，非金属的反射率很低，而导热性一般地说，非金属的反射率很低，而导热性也很低，因而进入非金属材料内部的激光能也很低，因而进入非金属材料内部的激光能量就比金属多得多，热影响区却要小。量就比金属多得多，热影响区却要小。因此，非金属受激光高功率照射的热动力学因此，非金属受激光高功率照射的热动力学过程与金属十分不同。过程与金属十分不同。实际激光加工时有脉冲和连续两种工作方式，实际激光加工时有脉冲和连续两种工作方式，它们要求的激光输出功率和脉冲特性也不尽它们要求的激光输出功率和脉冲特性也不尽相同。相同。2024/7/915光与现光与现代科技代科技4.激光等离子体屏蔽现象激光等离子体屏蔽现象 激光作用于靶表面，引发蒸气，蒸气继续吸收激光能量，激光作用于靶表面，引发蒸气，蒸气继续吸收激光能量，使温度升高。最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。使温度升高。最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。这种等离子体向外迅速膨胀，在膨胀过程中等离子体继续这种等离子体向外迅速膨胀，在膨胀过程中等离子体继续吸收入射激光，无形之中等离子体阻止了激光到达靶面，吸收入射激光，无形之中等离子体阻止了激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。这种效应叫做等离子体屏蔽切断了激光与靶的能量耦合。这种效应叫做等离子体屏蔽效应。效应。等离子体屏蔽现象的研究是激光与材料相互作用过程研究等离子体屏蔽现象的研究是激光与材料相互作用过程研究的重要方面之一。的重要方面之一。等离子体吸收大部分入射激光，不仅减弱了激光对靶面的等离子体吸收大部分入射激光，不仅减弱了激光对靶面的热耦合，同时也减弱了激光对靶面的冲量耦合。热耦合，同时也减弱了激光对靶面的冲量耦合。当激光功率较小当激光功率较小(106/c2)时，产生的等离子体是稀疏时，产生的等离子体是稀疏的。它依附于工件表面，对于激光束是近似透明的。的。它依附于工件表面，对于激光束是近似透明的。当激光束功率密度处于当激光束功率密度处于106107/c2范围时，等离子体范围时，等离子体明显增强，表现出对激光束的吸收、反射和折射作用。明显增强，表现出对激光束的吸收、反射和折射作用。2024/7/916光与现光与现代科技代科技4.激光等离子体屏蔽现象激光等离子体屏蔽现象-1 这种情况下等离子体向工件上方和周围扩展较强，在工件这种情况下等离子体向工件上方和周围扩展较强，在工件上方形成稳定的近似球形的云团。上方形成稳定的近似球形的云团。当功率密度进一步提高达到当功率密度进一步提高达到107/c2以上时，等离子体以上时，等离子体强度和空间位置呈周期性变化，如图强度和空间位置呈周期性变化，如图6.2所示。所示。在高功率焊接时，如果产生的等离子体尺寸超过某一特征在高功率焊接时，如果产生的等离子体尺寸超过某一特征值时或者脱离工件表面，会出现激光被等离子体屏蔽的现值时或者脱离工件表面，会出现激光被等离子体屏蔽的现象，以至终止激光焊接过程。等离子体对激光的屏蔽机制象，以至终止激光焊接过程。等离子体对激光的屏蔽机制有三种：吸收、散射和折射。有三种：吸收、散射和折射。逆韧致辐射是等离子体吸收逆韧致辐射是等离子体吸收主要机制。主要机制。例如，例如，CO2激光在氩气保护下焊接铝材时，光致等离子的激光在氩气保护下焊接铝材时，光致等离子的平均线性吸收系数在平均线性吸收系数在0.10.4cm-1之间。之间。CO2击穿时，击穿时，Ar等等离子体对激光的最高吸收率为离子体对激光的最高吸收率为40%。在。在Ar气氛下气氛下CO2激光激光作用于作用于Al靶，功率靶，功率5kw时，等离子体对激光的吸收率为时，等离子体对激光的吸收率为20.6%；功率；功率7kw时，为时，为31.5%。2024/7/917光与现光与现代科技代科技图图6.2 等离子云变化过程等离子云变化过程 2024/7/918光与现光与现代科技代科技4.激光等离子体屏蔽现象激光等离子体屏蔽现象-2 等离子体对激光的散射是由蒸发原子的重聚形成的超等离子体对激光的散射是由蒸发原子的重聚形成的超细微粒所致，超细微粒的尺寸与气体压力有关，其平细微粒所致，超细微粒的尺寸与气体压力有关，其平均大小可达均大小可达80nm，远小于入射光的波长。，远小于入射光的波长。超细微粒超细微粒引起的瑞利散射是等离子体对激光屏蔽又一个原因引起的瑞利散射是等离子体对激光屏蔽又一个原因。光致等离子体空间分布的不均匀导致光致等离子体空间分布的不均匀导致折射率折射率变化，从变化，从而使激光穿过等离子体出现散焦现象，使光斑扩大，而使激光穿过等离子体出现散焦现象，使光斑扩大，功率密度降低。这就是等离子体屏蔽激光的功率密度降低。这就是等离子体屏蔽激光的第三个原第三个原因因。用一台用一台10W的波导的波导CO2激光器水平穿过激光器水平穿过2KW多模激光多模激光束焊接时诱导产生等离子体。测量有等离子体和无等束焊接时诱导产生等离子体。测量有等离子体和无等离子体时的探测激光束的功率密度分布，可以发现激离子体时的探测激光束的功率密度分布，可以发现激光束穿过等离子体后其峰值功率密度的位置偏离原来光束穿过等离子体后其峰值功率密度的位置偏离原来的光轴。的光轴。2024/7/919光与现光与现代科技代科技6.2 激光表面改性技术激光表面改性技术激光改性是材料表面快速局部处理工艺的一种新技激光改性是材料表面快速局部处理工艺的一种新技激光改性是材料表面快速局部处理工艺的一种新技激光改性是材料表面快速局部处理工艺的一种新技术，它包括激光淬火、激光表面熔凝术，它包括激光淬火、激光表面熔凝术，它包括激光淬火、激光表面熔凝术，它包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔激光表面熔激光表面熔激光表面熔覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。通过激光与材料表面的相互作用，使材料表层发生通过激光与材料表面的相互作用，使材料表层发生通过激光与材料表面的相互作用，使材料表层发生通过激光与材料表面的相互作用，使材料表层发生所希望的物理、化学、力学性能的变化，改变材料所希望的物理、化学、力学性能的变化，改变材料所希望的物理、化学、力学性能的变化，改变材料所希望的物理、化学、力学性能的变化，改变材料表面结构，获得工业上的许多良好性能。它主要用表面结构，获得工业上的许多良好性能。它主要用表面结构，获得工业上的许多良好性能。它主要用表面结构，获得工业上的许多良好性能。它主要用于强化零件的表面，工艺简单、加热点小、散热快，于强化零件的表面，工艺简单、加热点小、散热快，于强化零件的表面，工艺简单、加热点小、散热快，于强化零件的表面，工艺简单、加热点小、散热快，可以自冷淬火。可以自冷淬火。可以自冷淬火。可以自冷淬火。表面改性后的工件变形小，适于作为精加工的后续表面改性后的工件变形小，适于作为精加工的后续表面改性后的工件变形小，适于作为精加工的后续表面改性后的工件变形小，适于作为精加工的后续工序。由于激光束移动方便，易于控制，可以对形工序。由于激光束移动方便，易于控制，可以对形工序。由于激光束移动方便，易于控制，可以对形工序。由于激光束移动方便，易于控制，可以对形状复杂的零件，甚至管状零件的内壁进行处理，激状复杂的零件，甚至管状零件的内壁进行处理，激状复杂的零件，甚至管状零件的内壁进行处理，激状复杂的零件，甚至管状零件的内壁进行处理，激光改性应用十分广泛。这里主要介绍激光淬火、激光改性应用十分广泛。这里主要介绍激光淬火、激光改性应用十分广泛。这里主要介绍激光淬火、激光改性应用十分广泛。这里主要介绍激光淬火、激光表面熔凝及激光表面熔覆。光表面熔凝及激光表面熔覆。光表面熔凝及激光表面熔覆。光表面熔凝及激光表面熔覆。2024/7/920光与现光与现代科技代科技6.2.1 激光淬火技术的原理与应用激光淬火技术的原理与应用 激光淬火技术，又称激光相变硬化，它激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。到马氏体相变点以下，获得淬硬层。激光淬火不需要淬火介质，只要把激光激光淬火不需要淬火介质，只要把激光束引导到被加工表面，对其进行扫描就束引导到被加工表面，对其进行扫描就可以实现淬火。可以实现淬火。因此，激光淬火设备更象机床。因此，激光淬火设备更象机床。2024/7/921光与现光与现代科技代科技激光淬火激光淬火图图6.3为一台柔性激光加工系统，它为一台柔性激光加工系统，它通过五维运动的工作头把激光射到通过五维运动的工作头把激光射到被加工的表面，在计算机控制下直被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面，完成激光淬火。接扫描被加工表面，完成激光淬火。激光淬火原理与感应加热淬火、火激光淬火原理与感应加热淬火、火焰加热淬火技术类似，只是其所使焰加热淬火技术类似，只是其所使用的能量密度更高，加热速度更快，用的能量密度更高，加热速度更快，工件变形小，加热层深度和加热轨工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制，易于实现自动化，因迹易于控制，易于实现自动化，因此在很多工业领域中正逐步取代感此在很多工业领域中正逐步取代感应加热淬火和化学热处理等传统工应加热淬火和化学热处理等传统工艺。激光淬火可以使工件表层艺。激光淬火可以使工件表层0.11.0mm范围内的组织结构和性能发范围内的组织结构和性能发生明显变化。生明显变化。图图6.3柔性激光柔性激光加工系统示意图加工系统示意图2024/7/922光与现光与现代科技代科技激光淬火激光淬火激光淬火原理与感应加热淬火、火焰激光淬火原理与感应加热淬火、火焰加热淬火技术类似，只是其所使用的加热淬火技术类似，只是其所使用的能量密度更高，加热速度更快，工件能量密度更高，加热速度更快，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制，易于实现自动化，因此在很多控制，易于实现自动化，因此在很多工业领域中正逐步取代感应加热淬火工业领域中正逐步取代感应加热淬火和化学热处理等传统工艺。和化学热处理等传统工艺。激光淬火可以使工件表层激光淬火可以使工件表层0.11.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变范围内的组织结构和性能发生明显变化。化。2024/7/923光与现光与现代科技代科技图图6.4所示是所示是45钢表面激光淬火区截面低倍形貌图。钢表面激光淬火区截面低倍形貌图。图中白亮色月牙型的区域为激光淬硬区。白亮区周图中白亮色月牙型的区域为激光淬硬区。白亮区周围的灰黑色区域为过渡区，过渡区之外为基材。围的灰黑色区域为过渡区，过渡区之外为基材。图图6.5所示是该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲所示是该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线。可见，淬火后硬度大幅度提高，且硬度最高值线。可见，淬火后硬度大幅度提高，且硬度最高值位于近表面。位于近表面。图6.4 钢表面激光淬火区横截面金相组织 图6.5 45钢表面激光淬火区显微硬度与淬硬层深度的关系2024/7/924光与现光与现代科技代科技影响淬硬层性能的主要因素影响淬硬层性能的主要因素依据激光器的特点不同，激光淬火可分为依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光淬火和激光淬火和YAG激光淬火。但不论是哪激光淬火。但不论是哪种淬火方式，影响淬硬层性能的主要因素基种淬火方式，影响淬硬层性能的主要因素基本相同。具体包括如下几点：本相同。具体包括如下几点：1.材料成分材料成分 材料成分是通过材料的淬硬性和淬透性来影材料成分是通过材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度的。一般说来，随响激光淬硬层深度与硬度的。一般说来，随着钢中含碳量的增加，淬火后马氏体的含量着钢中含碳量的增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也就越高。也增加，激光淬硬层的显微硬度也就越高。2024/7/925光与现光与现代科技代科技如图如图6.6所示。钢的淬透性越好，相同激光淬火工所示。钢的淬透性越好，相同激光淬火工艺参数条件下淬硬层的深度要比含碳量相同时的艺参数条件下淬硬层的深度要比含碳量相同时的碳素钢要深碳素钢要深.图6.6 基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系 图6.7 原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响 2024/7/926光与现光与现代科技代科技2.激光工艺参数激光工艺参数 激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径D。淬硬层深度淬硬层深度H由激光功率由激光功率P、光斑直径和扫描速度、光斑直径和扫描速度v共同决定共同决定.式中式中P/Dv 的物理意义为单位面积激光作用区注入的物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量，称为比能量，单位为的激光能量，称为比能量，单位为Jcm2。描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率密度，描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于常低于104Wcm2，一般为，一般为1000-6000Wcm2。2024/7/927光与现光与现代科技代科技3.表面预处理状态表面预处理状态 表面预处理状态表面预处理状态包括两个方面包括两个方面：一是一是表面组织准备表面组织准备，即通过调质处理等手段使钢，即通过调质处理等手段使钢铁材料表面具有较细的表面组织，以便保证激光铁材料表面具有较细的表面组织，以便保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定。淬火时组织与性能的均匀、稳定。原始组织为细片状珠光体、回火马氏体或奥氏体原始组织为细片状珠光体、回火马氏体或奥氏体的工件，激光淬火后得到的硬化层较深；的工件，激光淬火后得到的硬化层较深；而原始组织为球状珠光体的工件只能得到较浅的而原始组织为球状珠光体的工件只能得到较浅的硬化层；硬化层；原始组织为淬火态的原始组织为淬火态的基材激光淬火以后硬基材激光淬火以后硬度最高，硬化层也最度最高，硬化层也最深，如图深，如图6.7示。示。图6.7 原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响 2024/7/928光与现光与现代科技代科技表面预处理状态表面预处理状态-1 二是二是表面表面“黑化黑化”处理处理，以便提高钢铁表面对激光束的吸，以便提高钢铁表面对激光束的吸收率。收率。主要采用下述方法：主要采用下述方法：a)通过通过磷化处理磷化处理在工件表面形成一层磷酸盐：磷酸锰、磷在工件表面形成一层磷酸盐：磷酸锰、磷酸锌等，其中以磷酸锰最多。早期曾广泛使用，其吸收率酸锌等，其中以磷酸锰最多。早期曾广泛使用，其吸收率可达可达80。但是磷酸盐膜经激光处理后在工件表面晶间出。但是磷酸盐膜经激光处理后在工件表面晶间出现微裂纹；磷酸锰膜经激光处理后生成低熔点化合物会沿现微裂纹；磷酸锰膜经激光处理后生成低熔点化合物会沿铁基合金晶界钻入几个晶粒深度；磷化表面经激光处理后铁基合金晶界钻入几个晶粒深度；磷化表面经激光处理后使表面粗糙度增加。使表面粗糙度增加。b）刷黑漆刷黑漆:近年来美国多用一种牌号近年来美国多用一种牌号Krylon1602的黑漆，的黑漆，其主要成份为石墨粉和硅酸钠或硅酸钾，采用喷涂法。厚其主要成份为石墨粉和硅酸钠或硅酸钾，采用喷涂法。厚度度10-20 m。c）涂石墨加氧化物涂石墨加氧化物，氧化锆涂层的吸收率可达，氧化锆涂层的吸收率可达84.3%-90.1%，而碳黑涂层的吸收率则为，而碳黑涂层的吸收率则为68.8。2024/7/929光与现光与现代科技代科技3.表面预处理状态表面预处理状态-2 d）涂涂SiO2型涂料型涂料，一种以，一种以SiO2为骨料的可喷涂涂料。选为骨料的可喷涂涂料。选用用200-300目的精制石英粉，除对激光有很高的吸收率以目的精制石英粉，除对激光有很高的吸收率以外，在激光照射下能形成液态均匀覆盖于金属表面冷却时外，在激光照射下能形成液态均匀覆盖于金属表面冷却时结成固态薄膜，由于与金属的热膨胀系数的差异而能自行结成固态薄膜，由于与金属的热膨胀系数的差异而能自行脱落，有利于使激光淬火前后金属表面粗糙度变化最小。脱落，有利于使激光淬火前后金属表面粗糙度变化最小。在铸铁上曾测得粗糙度仅从在铸铁上曾测得粗糙度仅从0.18 增至增至0.26。同时选定。同时选定醇基酚醛树脂为醇基酚醛树脂为粘结剂粘结剂，乙醇为，乙醇为溶剂溶剂，并选用少量稀土金，并选用少量稀土金属氧化物为属氧化物为活性添加剂活性添加剂。在钢铁表面，稀土氧化物有活化。在钢铁表面，稀土氧化物有活化石墨，增加碳在石墨，增加碳在Fe-c合金中溶解度的作用。混合稀土氧化合金中溶解度的作用。混合稀土氧化物价格低廉，效果比氧化铈、氧化镧还要好。喷涂时层厚物价格低廉，效果比氧化铈、氧化镧还要好。喷涂时层厚可在可在50-75 m范围内。范围内。2024/7/930光与现光与现代科技代科技3.表面预处理状态表面预处理状态-3 由于激光淬火工艺具有加热速度快、淬火硬度高、工件变由于激光淬火工艺具有加热速度快、淬火硬度高、工件变形小、淬火部位可控、不需淬火介质、生产率高、无氧化、形小、淬火部位可控、不需淬火介质、生产率高、无氧化、无污染等优点，已在国内外得到广泛应用。无污染等优点，已在国内外得到广泛应用。例如，早在例如，早在1974年，美国通用汽车公司年，美国通用汽车公司Saginaw转向器分转向器分厂在世界上最先将激光淬火技术应用于汽车转向器壳体的厂在世界上最先将激光淬火技术应用于汽车转向器壳体的表面强化，实现大批量工业化生产。表面强化，实现大批量工业化生产。壳体的材料为可锻铸铁，精度要求高，淬火费用仅为高频壳体的材料为可锻铸铁，精度要求高，淬火费用仅为高频感应加热淬火和渗氮处理的感应加热淬火和渗氮处理的15。1978年，美国通用汽车公司又建成了年，美国通用汽车公司又建成了EMD柴油机气缸套激柴油机气缸套激光热处理生产线，用光热处理生产线，用4台台5000WCO2激光器在铸铁气缸套内激光器在铸铁气缸套内壁处理出宽壁处理出宽2.5mm、深、深0.5mm的螺旋线硬化带，并规定缸的螺旋线硬化带，并规定缸套必须经激光处理方可出厂。套必须经激光处理方可出厂。2024/7/931光与现光与现代科技代科技3.表面预处理状态表面预处理状态-4 我国激光淬火技术研究在二十世纪八十年代初期开始起步，我国激光淬火技术研究在二十世纪八十年代初期开始起步，发展十分迅速，现已在国内建立了数十条激光淬火生产线。发展十分迅速，现已在国内建立了数十条激光淬火生产线。如长春第一汽车集团公司和北京吉普车公司先后将激光淬如长春第一汽车集团公司和北京吉普车公司先后将激光淬火技术用于汽车缸套内壁强化，建立起数条激光淬火生产火技术用于汽车缸套内壁强化，建立起数条激光淬火生产线。激光淬火后，缸体内获得线。激光淬火后，缸体内获得4.1-4.5mm宽、宽、0.3-0.4mm深、深、表面硬度表面硬度644-825HV的螺旋线淬火带，耐磨性比电火花强的螺旋线淬火带，耐磨性比电火花强化缸套提高约化缸套提高约1倍。倍。北京某公司对汽车发动机缸体进行激光硬化处理，采用激北京某公司对汽车发动机缸体进行激光硬化处理，采用激光功率为光功率为900w，扫描速度，扫描速度40mm/s，对发动机缸体内壁进，对发动机缸体内壁进行激光处理。激光硬化带宽行激光处理。激光硬化带宽3.0mm、淬硬层深、淬硬层深0.25-0.3mm，硬度达，硬度达63HRC，将使用寿命提高，将使用寿命提高3倍。倍。2024/7/932光与现光与现代科技代科技3.表面预处理状态表面预处理状态-5 如图如图6.8所示是经所示是经激光淬火以后的发激光淬火以后的发动机缸套，缸套内动机缸套，缸套内致密的螺旋即为激致密的螺旋即为激光淬火区。缸体、光淬火区。缸体、缸套激光硬化技术缸套激光硬化技术已完全成熟。正进已完全成熟。正进一步得到推广应用。一步得到推广应用。图6.8激光淬火的缸套2024/7/933光与现光与现代科技代科技6.2.2激光表面熔凝技术激光表面熔凝技术这种表面处理是用激光束将表面熔化而不加这种表面处理是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。任何合金元素，以达到表面组织改善的目的。有些铸锭或铸件的粗大树枝状结晶中常有氧有些铸锭或铸件的粗大树枝状结晶中常有氧化物和硫化物夹杂、金属化合物及气孔等缺化物和硫化物夹杂、金属化合物及气孔等缺陷。如果这些缺陷处于表面部位就会影响到陷。如果这些缺陷处于表面部位就会影响到疲劳强度，耐腐蚀性和耐磨性。疲劳强度，耐腐蚀性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把杂质、气孔、化用激光作表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却使晶粒得合物释放出来，同时由于迅速冷却使晶粒得到细化。到细化。2024/7/934光与现光与现代科技代科技激光表面熔凝激光表面熔凝技术技术-1与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使与激光淬火工艺相比，激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化材料表面经历了一个快速熔化-凝固过程，所获得凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。的熔凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、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，如图相变硬化层、热影响区和基材，如图6.9所示，因所示，因此也常称其为液相淬火法。此也常称其为液相淬火法。图6.9 激光熔凝处理后横截面组织示意图 2024/7/935光与现光与现代科技代科技激光表面熔凝技术激光表面熔凝技术-2图图6.10给出了激光熔凝给出了激光熔凝处理后，处理后，T10钢表面显钢表面显微硬度沿深度方向的微硬度沿深度方向的分布。不难看出，与分布。不难看出，与图图6.6相比，激光熔凝相比，激光熔凝层比激光淬火层的总层比激光淬火层的总硬化层深度要深，硬硬化层深度要深，硬度要高。磨损实验的度要高。磨损实验的结果表明，其耐磨性结果表明，其耐磨性也更好。也更好。图6.10 T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布 2024/7/936光与现光与现代科技代科技激光表面熔凝技术激光表面熔凝技术-3激光熔凝处理的缺点激光熔凝处理的缺点是，基材表面的粗糙度较大，后续加是，基材表面的粗糙度较大，后续加工量大，因而在许多方面的应用受到制约。工量大，因而在许多方面的应用受到制约。激光熔凝处理特别激光熔凝处理特别适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化，因为在熔凝处理进程中可以使铁中的石墨与铁基体混合，因为在熔凝处理进程中可以使铁中的石墨与铁基体混合，形成碳含量很高的白口铸铁，显微硬度可以高达形成碳含量很高的白口铸铁，显微硬度可以高达100010001100HV1100HV，耐磨性非常优越。，耐磨性非常优越。对于一些特定成分的材料来说，激光熔凝处理可以对于一些特定成分的材料来说，激光熔凝处理可以得到非得到非晶态层晶态层，使基材表面的耐磨性、耐蚀性大幅度提高。例如，使基材表面的耐磨性、耐蚀性大幅度提高。例如，激光快速熔凝激光快速熔凝Ni-PNi-P合金，可以得到均匀的非晶态层。合金，可以得到均匀的非晶态层。激光熔凝技术还可以用来激光熔凝技术还可以用来细化金属材料的表面组织细化金属材料的表面组织。例如，。例如，采用激光熔凝采用激光熔凝NiNi基高温合金单晶体，可以细化表面组织改基高温合金单晶体，可以细化表面组织改善材料表面的抗高温蠕变性能。善材料表面的抗高温蠕变性能。2024/7/937光与现光与现代科技代科技6.2.3 激光熔覆技术激光熔覆技术激光熔覆激光熔覆(Laser Cladding)技术亦称技术亦称激光包覆激光包覆、激光涂激光涂覆覆、激光熔敷激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过，是一种新的表面改性技术。它通过在基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，在基材表面形成其合金化的基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成其合金化的熔覆层，以改善其表面性能熔覆层，以改善其表面性能。激光熔覆过程类似于普通。激光熔覆过程类似于普通喷焊或者堆焊过程，只是所采用的热源为激光束而已。喷焊或者堆焊过程，只是所采用的热源为激光束而已。与后者相比，激光熔覆技术具有如下与后者相比，激光熔覆技术具有如下优点优点：1.激光束的能量密度高，作用时间短，基材热影响区及激光束的能量密度高，作用时间短，基材热影响区及热变形均可降低到最小程度。热变形均可降低到最小程度。2.控制激光输入能量，可以限制基材的稀释作用，保持控制激光输入能量，可以限制基材的稀释作用，保持原熔覆材料的优异性能，使覆层的成分与性能主要取决原熔覆材料的优异性能，使覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料自身的成分和性能。因此，可以用激光熔覆于熔覆材料自身的成分和性能。因此，可以用激光熔覆各种性能优良的材料，对基材表面进行改性。各种性能优良的材料，对基材表面进行改性。2024/7/938光与现光与现代科技代科技激光熔覆技术激光熔覆技术-13.激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合强度高，性能更优。强度高，性能更优。4.激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，设计专门的导光系统，可对深孔、内孔制，设计专门的导光系统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位处理。采用一些特殊的、凹槽、盲孔等部位处理。采用一些特殊的导光系统可以使单道激光熔覆层宽度达到导光系统可以使单道激光熔覆层宽度达到2030 mm，最大厚度可达，最大厚度可达3mm以上，使以上，使熔覆效率和覆层质量进一步提高。熔覆效率和覆层质量进一步提高。5.激光熔覆对环境无污染，无辐射，低噪声，激光熔覆对环境无污染，无辐射，低噪声，劳动条件得到较大程度的改善。劳动条件得到较大程度的改善。2024/7/939光与现光与现代科技代科技激光熔覆技术激光熔覆技术-2激光熔覆工艺依据材料的添加方式不同，分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。为预置涂层法和同步送料法。预置涂层法工艺是先采用某种方式预置涂层法工艺是先采用某种方式(如粘结如粘结剂预涂覆、火焰喷涂、等离子喷涂、电镀等剂预涂覆、火焰喷涂、等离子喷涂、电镀等)在基材表面预置一层金属或者合金，然后在基材表面预置一层金属或者合金，然后用激光使其熔化，获得与基材冶金结合的熔用激光使其熔化，获得与基材冶金结合的熔覆层。覆层。2024/7/940光与现光与现代科技代科技激光熔覆技术激光熔覆技术同步送料法指在激光束照射基材的同时，将同步送料法指在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后形成熔覆层的工艺过程。后形成熔覆层的工艺过程。激光熔覆材料包括金属、陶瓷或者金属陶瓷，激光熔覆材料包括金属、陶瓷或者金属陶瓷，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材，工材料的形式可以是粉末、丝材或者板材，工艺过程如图艺过程如图6.11所示。所示。图6.11 一步法激光熔覆示意图 2024/7/941光与现光与现代科技代科技激光熔覆技术激光熔覆技术评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层厚度、宽度、形状系数厚度、宽度、形状系数(宽度厚度宽度厚度)、稀释、稀释率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区深度及变形程度等。深度及变形程度等。典型熔覆层的截面示意图见图典型熔覆层的截面示意图见图6.12。图6.12 熔覆层示意图 2024/7/942光与现光与现代科技代科技激光熔覆技术激光熔覆技术-3影响上述指标的主要工艺参数除了激光功率、光斑直影响上述指标的主要工艺参数除了激光功率、光斑直径、功率密度、扫描速度等参数外，还包括送粉速率径、功率密度、扫描速度等参数外，还包括送粉速率(或者预置层厚度或者预置层厚度)、熔覆材料对基材的浸润性、熔覆、熔覆材料对基材的浸润性、熔覆材料材料基材固溶度、熔覆材料对光束吸收率、多道搭基材固溶度、熔覆材料对光束吸收率、多道搭接时的搭接率、保护气体种类和预热接时的搭接率、保护气体种类和预热缓冷条件等。缓冷条件等。激光熔覆层的宽度主要决定于光斑直径；而激光熔覆激光熔覆层的宽度主要决定于光斑直径；而激光熔覆层的厚度与送粉量、扫描速度、功率密度等参数密切层的厚度与送粉量、扫描速度、功率密度等参数密切相关。相关。常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钴基、铜基自熔常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钴基、铜基自熔合金、以及上述合金与碳化物合金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等等)，颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al2O3、ZrO2等陶等陶瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。合金和钛合金等。2024/7/943光与现光与现代科技代科技激光熔覆技术激光熔覆技术-3激光材料表面改性技术的工艺是个十分复杂的过激光材料表面改性技术的工艺是个十分复杂的过程，目前还没有统一的数理模型。对于不同的待程，目前还没有统一的数理模型。对于不同的待处理材料，使用的激光参数有较大的差别。处理材料，使用的激光参数有较大的差别。因此，在利用激光表面改性技术时，要针对特定因此，在利用激光表面改性技术时，要针对特定的待处理材料，在已有的经验和各种已发表的实的待处理材料，在已有的经验和各种已发表的实践结果的基础上，选择技术方案，进行工艺实验。践结果的基础上，选择技术方案，进行工艺实验。制作待处理材料的工艺试块，改变工艺参数，分制作待处理材料的工艺试块，改变工艺参数，分析处理后的试块力学性能，优化激光表面改性技析处理后的试块力学性能，优化激光表面改性技术参数，制定具体工艺流程术参数，制定具体工艺流程。2024/7/944光与现光与现代科技代科技6.3 激光去除材料技术激光去除材料技术激光去除材料是改变材料的尺寸或形状的激激光去除材料是改变材料的尺寸或形状的激光加工工艺，是一种激光尺寸加工方法。光加工工艺，是一种激光尺寸加工方法。激光去除材料的机制主要分两种激光去除材料的机制主要分两种:一种完全取决于一种完全取决于激光与材料相互作用激光与材料相互作用，例如，例如材料气化、材料蒸发；材料气化、材料蒸发；另一种在激光与材料另一种在激光与材料相互作用同时还采用一相互作用同时还采用一些辅助方法些辅助方法，例如氧化、气吹。，例如氧化、气吹。基于激光去除材料的加工方法有激光打孔和基于激光去除材料的加工方法有激光打孔和激光切割两种。激光切割两种。2024/7/945光与现光与现代科技代科技6.3.1 激光打孔激光打孔 激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一。也是激光加工的重要应用领域之一。随着现代工业和科学技术的迅速发展，使用随着现代工业和科学技术的迅速发展，使用的高熔点高硬度材料越来越多，传统的加工的高熔点高硬度材料越来越多，传统的加工方法已无法满足对这些材料的加工要求。方法已无法满足对这些材料的加工要求。例如，在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；例如，在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金（碳化钨）上加工几十微米的小在硬质合金（碳化钨）上加工几十微米的小孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔以及孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模、化学纤维喷丝头等。激光打金刚石拉丝模、化学纤维喷丝头等。激光打孔正是适应这些要求发展起来的。孔正是适应这些要求发展起来的。2024/7/946光与现光与现代科技代科技1.激光打孔原理激光打孔原理 激光打孔机的基本结构包括激光器、加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工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图（图6.13）。）。加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。发出光脉冲就可以加工出需要的孔。图6.13 激光打孔机的基本结构简图2024/7/947光与现光与现代科技代科技激光打孔时材料的去除主要与激激光打孔时材料的去除主要与激光作用区内物质的破坏及破坏产光作用区内物质的破坏及破坏产物的运动有关。物的运动有关。严格分析激光打孔的成因需要解严格分析激光打孔的成因需要解决激光打孔时产生的蒸气和粘性决激光打孔时产生的蒸气和粘性液体沿孔壁流动的动力学问题，液体沿孔壁流动的动力学问题，考虑加热过程的所有因素。这种考虑加热过程的所有因素。这种讨论十分复杂，且实验数据不足，讨论十分复杂，且实验数据不足，难于进行。难于进行。一般根据一些实验关系，建立一一般根据一些实验关系，建立一个唯象的描述对激光打孔的激光个唯象的描述对激光打孔的激光束几何参数和总能量与孔的深度束几何参数和总能量与孔的深度和孔径之间的关系进行估算。估和孔径之间的关系进行估算。估算的结果对于激光打孔工艺的选算的结果对于激光打孔工艺的选择还是有参考价值的。择还是有参考价值的。图6.14 激光打孔几何原理简图 2024/7/948光与现光与现代科技代科技2.激光打孔工艺参数的影响激光打孔工艺参数的影响（1）脉冲宽度对打孔的影响）脉冲宽度对打孔的影响在上述讨论中忽略了打孔时横向热传导的能量损失，在上述讨论中忽略了打孔时横向热传导的能量损失，而脉冲宽度增大将使这种损失不能忽略，因此脉冲而脉冲宽度增大将使这种损失不能忽略，因此脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔型的影响较大。窄脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔型的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔，宽脉冲不仅使孔深度、能够得到较深而且较大的孔，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，尺寸精度孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。下降。对于导热性较好的材料，应使用较窄脉冲打孔以增对于导热性较好的材料，应使用较窄脉冲打孔以增加孔深，而对于导热性较差的材料，可以用较宽的加孔深，而对于导热性较差的材料，可以用较宽的脉冲以提高激光脉冲能量的利用率。脉冲以提高激光脉冲能量的利用率。2024/7/949光与现光与现代科技代科技2.激光打激光打孔工艺参孔工艺参数的影响数的影响（2）激光打孔中离焦量对打孔的影响）激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔去除材料的机理主要是材料的蒸发，因此激光打孔去除材料的机理主要是材料的蒸发，因此激光的功率密度对打孔影响