新激光课件第十章-激光加工技术

,教学理念,中心特色,中心成果,中心地位,中心案例,对外交流,第十章,1,拦骑伎番侥织另丹桅惯兴弓铸肖晨镶贤漱貉什突磁式炭弃份蔑耕吧铱漠薄新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,第十章 1拦骑伎番侥织另丹桅惯兴弓铸肖晨镶贤漱貉什突磁式炭弃,10.1,激光热加工原理,1.,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。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图。,一、激光热加工原理,各种参数条件下激光加工的可能应用和影响,2,渡娶纂纷恒镇碾菏平歉艾蹄跳忠蝗坑评毯御程涎夜嚎类谬渭触悉条互余火新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,10.1 激光热加工原理1.无论是哪一种激光加工的方法，都,2.激光与材料的相互作用过程,(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。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,，则吸收率为,当激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,(2),材料的加热,设入射激光束的光功率密度为q,i,，材料表面吸收的光功率密度为q,0,，则有,3,爬汗呢窘视酉吧蘸约佩凝煤袖佣谴臭孵鹿把悟诺摘斥赣颐铆案试瑶陵汰吞新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,2.激光与材料的相互作用过程(1)材料对激光的吸收 激光,激光从表面入射到材料内部深度为z处的光强,一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I,0,/e时的深度，因而穿透深度为1/,为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为,如果光功率的损耗全部变成热量，则有,从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。,但实际上，,热传导方程的求解十分困难.,为吸收系数,4,计疾昌炮斧滦核僚暮本嫂裂培掐嗓乾埂振暗刃怜楚腔喂脉刨甥返蛛善猎装新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,激光从表面入射到材料内部深度为z处的光强 一般将激光在材料内,简化：,如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定,如果光照时间为有限长，考察点离开表面的距离也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为,进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为 ，则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离r表示为,5,伐白缩喂惕弧彦涪娄滚匙啥惟椰喉斯浴怂排续社匠诛曰刽剧垦蒂离胸陛遵新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光,持续加热得到的光斑中心的温度最大值为,(3),材料的熔化与汽化,激光功率密度过高，材料在表面汽化，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，使焦点处熔化的深度很小,(4),激光等离子体屏蔽现象,激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。,6,尝筹辩搂菇嚎荷瑚坟幽六悠要辩频印稳殆挺盒兰魔诡近孽渴污颅点左啼模新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,持续加热得到的光斑中心的温度最大值为(3)材料的熔化与汽,如图为等离子云变化的过程,10.2 激光表面改性技术,1.,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。,一、激光淬火技术的原理与应用,7,慢棘诌号胚芳迸番牧敬贴峪棍愧阐镀梦瑟咯瞥椽抢材氖锌郝我托撑鹰憾甲新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,如图为等离子云变化的过程10.2 激光表面改性技术1.激光淬,2.如图为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火。,柔性激光加工系统示意图,3.激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。如图为45钢表面激光淬火区横截面金相组织图,钢表面激光淬火区横截面金相组织图,8,冶驼木监芹赊育柬渣袍出儿捡怂谦昼裂瞄葫肄港搞赃剿柑淆卢扎半哼闰惩新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,2.如图为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作,4.如图为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线,5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO,2,激光淬火和YAG激光淬火。但两者中影响淬硬性能的主要因素基本相同。,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。,基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系,9,年现艇蜕伪弛驹茵傈哥遂甥铜剥芬蒸稀押蛆随丘秦镰对膜苫敝逾碉掩茬垢新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,4.如图为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线5.依据激光器,2),激光工艺参数：,激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径；淬硬层深度由激光功率、光斑直径和扫描速度共同决定；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。为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于10,4,Wcm,2,，一般为1000-6000Wcm,2,。,3),表面预处理状态,：,一是表面组织淮备，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，以便保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定。,原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响,二是表面“黑化”处理，,以便提高钢铁表面,对激光束的吸收率。,10,钩蚜藤和禾恶甫刨咨冒舆业淡寸川孙壤椒检仰委爸溃漏级哨骇咀节缸靡静新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,2)激光工艺参数：激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径；淬硬,二、激光表面熔凝技术,1.,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。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一凝固过程，所获得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、相变硬化层、热影响区和基材，如图。,激光熔凝处理后横截面组织示意图,2.如下,图给出了激光熔凝处理后，T10钢表面显微硬度沿深度方向的分布。,T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布,11,属古迷披打刻怂避母弓键唤扔瓮顺甭喷雹聋诌灶屹淌褐污赌鳃垛洒销夕击新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,二、激光表面熔凝技术1.用激光束将表面熔化而不加任何合金元,三、激光熔覆技术,1.,激光熔覆(Laser Cladding)技术亦称激光包覆、,激光涂覆、激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过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基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以改善其表面性能的工艺。,2.,激光熔覆技术具有的优点,3.,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。,4.,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，材料的形式可以是粉末、丝材或者板材，工艺过程如图。,12,绚赠馈冈蛔肝脆前撼苔边唾橇佬贰荫霹梧目惰磊长瓦蛆节速镜影伎晶氢净新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,三、激光熔覆技术1.激光熔覆(Laser Cladding,同步送料法激光熔覆示意图,5.,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(宽度厚度)、稀释率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区深度及变形程度等。,熔覆层的截面示意图,6.,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相关。,13,侠刽碳徊日垮始歇剩留搂朴族逾歉练享熄县竣账奏僳豫鞋运澄弯吴赠抠饶新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,同步送料法激光熔覆示意图5.评价激光熔覆层质量的主要指标为：,7.,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(WC、TiC、SiC等)颗粒组成的金属陶瓷复合粉末、Al,2,0,3,、ZrO,2,等陶瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。,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。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，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。,一、激光打孔,10.3 激光去除材料技术,激光打孔机的基本结构示意图,14,弹诊逆姬缮帧仇衣疡铀烬毒厂缉耸瓤掩且拴脓叙修腻慎言吃坍碑棕问恋砍新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,7.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,2.,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物的运动有关。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液体沿孔壁流动的动力学问题，这里,只根据一些实验关系，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,估算如图为激光打孔原理简图,激光打孔,几何原理简图,如果在t时刻孔的底面半径为r(t)，孔深为h(t)，则有,考虑材料从孔底蒸发，而熔化的液体从孔壁流走，t,时刻的能量守恒方程为,15,枪钧动隙骏沼金眠幌铆弹耕衡猪世守公衅真肚耳股舆劝殖保述疑逼怂符铅新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,2.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,当 时，可以近似解出用激光加工的总能量表示的孔深度和孔径为,3.,激光打孔工艺参数的影响,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。,16,柯嫉暴逃涧殖噪藏察姨卉湛耗驹便赋静庇酒凋眯特者鸥姜磕超午笼洲捅内新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,当 时，可以近似解出用激光加工的总能量,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大大降低，以至打成盲孔。,离焦量对打孔质量的影响,17,谚唁鸵灌省诅绽抠要根斤锤兰茨镣到癌筒鸯撵毅泰谍些让宪终虎首皇礼钩新激光ppt课件第十章 激光加工技术新激光ppt课件第十章 激光加工技术,激光打孔中离焦量对打孔的影响 当激光聚焦于材料上表,被加工材料对打孔的影响,脉冲激光的重复频率对打孔的影响,用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功,率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉,冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。,材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。,4.,应用实例：用激光加工系统打薄板筛孔