工程材料的激光加工開放實驗.ppt

工程材料的激光加工,材料學(xué)院材料成型及控制工程系2009秋冬學(xué)期,2020/5/20,工程材料的激光加工,2,主要內(nèi)容,一、激光加工技術(shù)簡介及發(fā)展情況二、實驗?zāi)康暮鸵笕?、實驗原理四、實驗設(shè)備五、實驗內(nèi)容與步驟六、實驗注意事項七、實驗報告要求,2020/5/20,工程材料的激光加工,3,一、激光加工技術(shù)簡介及發(fā)展情況,1、激光技術(shù)發(fā)展簡史1960年:梅曼（T.MAIMAN)第一臺紅寶石激光器;1961年:德諾凡(俄)第一臺氣體激光器(He-Ne);1962年:第一臺半導(dǎo)體激光器;1964年:帕特爾(C.Patel)第一臺CO2激光器;1965年:貝爾實驗室第一臺YAG激光器;1971年:第一臺商用1kW的CO2激光器;19711980年:開展激光切割、焊接、表面處理等激光加工技術(shù)的研究與開發(fā)。,2020/5/20,工程材料的激光加工,4,2、工業(yè)激光器的市場分布激光器制造商：美國：PRCPRAMA德國：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英國：LUMONICS日本：川崎重工東芝中國：武漢華工激光、武漢金石凱、沈陽大陸、武漢團結(jié),2020/5/20,工程材料的激光加工,5,3、激光加工特點,（1）激光加工不需要工具，無工具損耗、更換等問題（2）工件無受力變形，易保證加工精度（3）幾乎能加工所有的金屬和非金屬材料（4）加工速度快，效率高，熱影響區(qū)?。?）能進行精細加工（6）能夠透過惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)等進行加工,2020/5/20,工程材料的激光加工,6,各種加工方法的應(yīng)用比例,激光加工技術(shù)應(yīng)用,2020/5/20,工程材料的激光加工,7,激光加工技術(shù)在汽車中的應(yīng)用,返回,2020/5/20,工程材料的激光加工,8,二、實驗?zāi)康暮鸵?1、了解工程材料激光加工的基本原理和工藝過程；2、了解激光加工設(shè)備的基本組成；3、通過具體的板料激光加工（切割、焊接等），使學(xué)生了解基本概念，工藝特點，以及在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。,返回,2020/5/20,工程材料的激光加工,9,激光加工是一種利用光能進行加工的方法。激光是一種能量密度高、方向性強、單色性好的相干光。,三、實驗原理,2020/5/20,工程材料的激光加工,10,通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，焦點處的能量密度可達1071011W/cm2，溫度可高達1萬，從而使任何材料均在瞬時（103s）被急劇熔化乃至汽化。在不同的功率密度等條件下，材料表面區(qū)域發(fā)生各種不同的變化。這種變化包括溫度升高、熔化、汽化、形成小孔等。熔化的金屬在保護氣體作用下結(jié)晶凝固形成焊縫；汽化后的金屬蒸氣在輔助氣體的吹力作用下而離開被加工表面形成割縫或孔洞。如果加工過程中加入一定的粉末材料，使其和被加工工件表面部分材料熔合在一起，就可以得到高性能的熔覆層。,2020/5/20,工程材料的激光加工,11,激光切割激光焊接激光表面處理激光雕刻激光打孔激光快速成型各種加工方法的適用范圍,2020/5/20,工程材料的激光加工,12,（1）激光焊接,激光束焊接是以聚集的激光束作為能源的特種熔化焊接方法。激光束經(jīng)聚焦后，能量更為集中，能量密度可達105107W/cm2。如將焦點調(diào)節(jié)到焊件結(jié)合處，光能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝固后成為焊縫。,2020/5/20,工程材料的激光加工,13,熱導(dǎo)焊接深熔焊接熱導(dǎo)焊焊縫深熔焊焊縫,2020/5/20,工程材料的激光加工,14,金屬材料的激光焊接,2020/5/20,工程材料的激光加工,15,激光焊接應(yīng)用舉例,2020/5/20,工程材料的激光加工,16,首飾焊接樣品,手機殼體焊接,2020/5/20,工程材料的激光加工,17,（2）激光切割,激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（105107W/cm2）激光束連續(xù)照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學(xué)反應(yīng)熱能均被材料吸收，引起照射點材料溫度急劇上升，到達沸點后材料開始汽化，并形成孔洞，且光束與工件相對移動，使材料形成切縫，切縫處熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。,2020/5/20,工程材料的激光加工,18,汽化切割：工件加熱到沸點以上溫度熔化切割：工件加熱到熔點溫度以上氧助熔化切割：氧等活性氣體代替熔化切割的惰性氣體控制斷裂切割：易受熱破壞的脆性材料,2020/5/20,工程材料的激光加工,19,激光切割應(yīng)用舉例,2020/5/20,工程材料的激光加工,20,2020/5/20,工程材料的激光加工,21,木皮切割,大功率切割,大功率切割,2020/5/20,工程材料的激光加工,22,（3）激光表面處理,當(dāng)激光能量密度在103105W/cm2左右時，對工件表面進行掃描，在極短的時間內(nèi)加熱到相變溫度（由掃描速度決定時間長短），工件表層由于熱量迅速向內(nèi)傳導(dǎo)快速冷卻，實現(xiàn)了工件表層材料的相變硬化（激光淬火）。,2020/5/20,工程材料的激光加工,23,激光熔覆,利用大功率高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將被加工件表面微熔，同時使零件表面預(yù)置或與激光束同步自動送置的合金粉末完全熔化。激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，恢復(fù)幾何尺寸和表面強化等特點。,2020/5/20,工程材料的激光加工,24,齒輪損傷狀態(tài)修復(fù)后齒輪局部,軸修復(fù)前狀態(tài)激光熔覆過程中,2020/5/20,工程材料的激光加工,25,激光表面合金化、激光沖擊硬化、激光上釉,2020/5/20,工程材料的激光加工,26,（4）激光打孔、打標(biāo),激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模等非金屬材料和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的細微孔的加工。,2020/5/20,工程材料的激光加工,27,激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。,2020/5/20,工程材料的激光加工,28,材料:不銹鋼,材料:壓鑄鋁,2020/5/20,工程材料的激光加工,29,材料:塑料復(fù)合材料,材料:彩色塑料,2020/5/20,工程材料的激光加工,30,木梳,紐扣,手表,飲料蓋,牛仔衣,2020/5/20,工程材料的激光加工,31,水晶內(nèi)雕,返回,2020/5/20,工程材料的激光加工,32,四、激光加工設(shè)備,激光器是激光加工設(shè)備的核心，它能把電能轉(zhuǎn)換成激光束輸出。激光器的組成：泵浦源、激活介質(zhì)、光學(xué)諧振腔激光器有固體、氣體和半導(dǎo)體三大類。,2020/5/20,工程材料的激光加工,33,CO2氣體激光器橫流式軸流式擴散冷卻Nd:YAG固體激光器燈泵浦二極管泵浦半導(dǎo)體激光器,2020/5/20,工程材料的激光加工,34,橫流CO2激光器系統(tǒng),1.激光束2.切向排風(fēng)機3.氣流方向4.熱交換器5.后鏡6.折疊鏡7.高頻電極8.輸出鏡9.輸出窗口,2020/5/20,工程材料的激光加工,35,軸流式CO2激光器系統(tǒng),2020/5/20,工程材料的激光加工,36,板條式擴散冷卻CO2激光器系統(tǒng),2020/5/20,工程材料的激光加工,37,8kW橫流CO2激光器,20kW射頻激勵軸流式激光器,2.5kW板條式CO2激光器,2020/5/20,工程材料的激光加工,38,激光器類型：橫流軸流擴散冷卻輸出功率等級：345kW1.520kW0.23.5kW脈沖能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播系數(shù)(K)0.150.40.8氣體消耗：小大極小電-光轉(zhuǎn)換效率：15%15%30%焊接效果：較好好優(yōu)良切割效果：差好優(yōu)良相變硬化：好一般一般表面涂層：好一般一般表面熔覆：好一般一般,2020/5/20,工程材料的激光加工,39,燈泵浦Nd:YAG激光器,2020/5/20,工程材料的激光加工,40,二極管泵浦YAG激光器,2020/5/20,工程材料的激光加工,41,激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成,激光器,CNC控制系統(tǒng),CNC控制工作臺,循環(huán)水冷系統(tǒng),氣體供給系統(tǒng),光束傳輸及聚焦,激光器控制器,2020/5/20,工程材料的激光加工,42,激光加工成套設(shè)備,返回,2020/5/20,工程材料的激光加工,43,五、實驗內(nèi)容與步驟,1、了解激光加工的基本原理并熟悉激光加工設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及其基本操作；2、材料準(zhǔn)備；3、激光加工實驗；由于時間的限制，每次結(jié)合實驗室的其它任務(wù)選擇焊接、切割或熔覆中的一種工藝進行實驗演示。4、檢查加工件質(zhì)量并進行問題分析。,返回,2020/5/20,工程材料的激光加工,44,(1)未經(jīng)指導(dǎo)老師許可，嚴(yán)禁開動接通設(shè)備電源，觸動控制按鈕；(2)操作人員須戴防護眼鏡，嚴(yán)禁眼睛對激光口觀看，以免傷害眼睛；(3)激光器內(nèi)有高壓，維護操作時須小心謹慎，勿觸高壓；(4)CO2激光器控制柜內(nèi)有高壓電源，嚴(yán)禁在啟動激光的條件下打開(5)請勿用手直接取放、觸摸壓鑄制品，小心燙傷；(6)在激光切割加工前，必須檢查水、氣管路是否暢通，壓力是否正常。,六、實驗注