激光加工教案.doc

《激光加工教案.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光加工教案.doc（19页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、数控激光加工技术训练教案山东大学工程训练中心激光加工技术训练部第一节概 述激光技术涉及光学、机械学、电子学等学科，是一门综合性高技术。世界上第一台激光器是美国科学家梅曼于 1960 年研制成功的红宝石激光器。我国第一台红宝石激光器于 1961 年 9 月在中国科学院长春光机所诞生。梅曼研制的红宝石激光器是用一根红宝石棒作为发光物质棒两头镀上银膜形成反射镜面，棒外套上一支螺旋状的氙气灯，为了充分利用氙灯光，梅曼又在螺旋氙灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氙灯光照到红宝石上。在世界上第一台红宝石激光器问世不久，1960 年年底，由工作在贝尔试验室的贾范制造了世界上第一台氦氖激光器，并且在其

2、影响下产生出一系列气体激光器。此后，1962 年消灭了半导体激光器；1964 年由帕特尔制造了第一台 CO2 激光器；1965 年制造了第一台 YAG 激光器；1968 年开头进展高功率 CO2 激光器； 直至 1971 年消灭了第一台商用 1KWCO2 激光器。上述的一切，特别是高功率激光器的研制成功，为激光加工技术应用的兴起和快速进展制造了必不行少的前提条件。激光是自问世后很快在实际中得到应用的高技术。其后，随着对有关根本理论争辩的不断深化，各类激光器件不断地进展，从而使其应用领域也不断拓宽， 应用规模渐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。如今，激光技术已经在工业、农业、医学、军工

3、、科学争辩、以及人们的现代生活中得到了广泛应用。从激光微细加工到激光核聚变，从视听装置、激光通讯到捕获、跟踪、测量飞行目标，从激光育种到激光美容，激光技术都大有用武之地。激光技术具有很广又很强的渗透性。激光应用于检测、测距、准直，可大大提高测量精度和自动化程度，使其在机械、建筑、冶金、汽车、石油和国防等领域得到了广泛应用。激光应用于通讯，使通讯技术产生了质的飞跃；激光应用于信息储存，已使视听技术发生了重大变革；激光分色、打印促进了印刷技术的进展；激光应用于医学，已可治疗110 多种疾病，具有独特的效果，是其它医疗器械无法比较的。激光应用于材料加工，如打孔、切割、焊接、热处理、打标和微加工等，解

4、决了很多常规方法无法解决或很难解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，被誉为将来制造系统共同的加工手段。到目前为止，我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标等方面已有很多格外成功的应用范例。激光合金化和熔覆、激光制备材料、激光快速三维立体成型等都已在快速走向有用化阶段。一、 激光的特性激光也是一种光，是通过受激辐射发出的。它具有一般光的反射、折射和绕射等共性。还有它本身的特性，概括地说，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光所具有的优异特性是一般光源望尘莫及的。1. 激光的高亮度和高强度激光的亮度和强度高的缘由，在于激光可以实现光能在空间和时间上

5、的高度集中。一台红宝石巨脉冲激光器的亮度比高压氙灯高 370 亿倍，比太阳外表的亮度也要高 200 亿倍。具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点四周产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能加工几乎全部的材料。2. 激光的高方向性激光的高方向性主要指其光束的发散角小。一般光源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的方向性，所以放射的光束是很发散的。即使是加上聚光系统，要使光束的发散角小于 0.1rad，仍是格外困难的。激光则不同，它的各个发光中心是相互关联地定向放射，所以可以把激光束压缩在很小的立体角内，发散角可以小到 0.1mrad 左右。由于激光的方向性好，可以使光束会聚到直径小于

6、 0.01mm 的面积上，故可用于微细加工。激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。3. 激光的高单色性所谓单色性，是指光的波长或频率在一个确定的极窄的数值范围内。数值范围即谱线宽度为零的单色光是不存在的。波长为 0 的单色光是指中心波长为 0，谱线宽度为 的一个光图一谱范围。 称为该单色光的线宽，是衡量单色性好坏的尺度。 愈小，单色性愈好，见图一。光的单色性极高，从而保证了光束能准确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。4. 激光的高相干性激光的相干性，即在空间的不发散性在远离光源处仍保持起始的横断面尺寸。激光单色性愈好，

7、则相干长度愈大，相干性愈好。氪灯光源的相干长度只有 78cm；而激光相干长度一般都达数十 km。应当指出，激光的上述特性不是相互无关的，而是相互联系、相互渗透的。二、激光的产生任何物质都是由原子、分子等根本粒子组成，这些粒子具有一些不连续的离散分布的能级。能级较低的粒子可以吸取肯定频率的光子而跃迁到较高的能级， 这种过程称为吸取。能级较高的粒子可以通过两种方式向外放射出肯定频率的光子。一种方式是自发辐射，各个发光中心的频率、位相、传播方向和偏振状态等都互不相干，与外界影响没有关系。一般光源即是由自发辐射产生的。另一种方式是在相应频率光子的打击下，粒子从高能级跳到低能级，称为受激辐射。在一般状况

8、下，处于高能级的粒子数总是比低能级的少，因此吸取的概率大于受激辐射的概率，吸取作用占优势。某些物质如氦He、氖Ne、氪Kr原子，氩Ar、铬Cr钕Nd离子，及二氧化碳分子等，在外来能量的激发下，有可能使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，实现粒子数反转。当入射光通过这样的物质时，受激辐射作用占优势，吸取较小，从而使入射光子数得到增加，并且增加的那些受激辐射光子的频率、位相、传播方向和偏振状态等都同入射光子完全全都，这就是光的受激辐射放大作用，激光就是这样产生的，因此激光是“受激辐射的光”。其次节激光加工的原理一、根本原理激光由于强度高，方向性好，颜色单纯，这就有可能通过一系列的光学系统，

9、把激光束聚焦成一个直径仅有数 um 到数十 um 的微小光斑，从而获得 1071011W/cm2 的能量密度以及摄氏上万度的高温，并能在 10-3s 或更短的时间内使一些难熔材料急剧熔化以致汽化蒸发，以到达加工工件的目的。激光加工的机理，目前还不格外清楚，说法不一。但从大量的试验争辩来看，可以这样来生疏：当能量密度极高的激光束照耀在被加工外表时，光能被加工外表大量吸取，并局部地转换成焦耳热能，使照耀斑点的局部区域温度快速上升到熔化以致汽化，并形成陷坑。随着光能的连续被吸取，陷坑中的金属蒸汽高速膨胀，相当于产生一个微型爆炸，把熔融物高速喷射出来，同时产生一个方向性很强的反冲击波。工件在高温存反冲

10、击波的同时作用下，被打出一个带椎度的微型小孔。那么，这个孔是不是单纯地因高温被烧穿的呢？依据计算说明，把孔中的材料全部汽化所需要的能量比激光所供给的能量要多。而且热的传递时间要比现在打孔所需要的时间长得多。再说热量还会向四周集中，因而孔的外形既不会很规章，也不行能太小。这证明孔不是烧穿的，而是被光子共振所高速打穿的。二、加工特点由于激光具有的贵重特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的贵重特点：1. 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；2. 它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料；3. 激光加

11、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，对非激光照耀部位没有或影响微小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小；5. 它可通过透亮介质对密闭容器内的工件进展各种加工；6. 由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统协作，对简单工件进展加工，因此它是一种极为机敏的加工方法；7. 生产效率高，加工质量稳定牢靠，经济效益和社会效益好。激光加工的上述特点可从下述应用实例中看得很清楚。例 1 美国通用电器公司承受板条激光器加工航空发动机上的异性槽，不到 4h 即可高质量完成，而原来承受电火花加工需 9h 以

12、上，仅此一项，每台发动机造价就可节约 5 万美元。例 2 激光可在高硬度、高脆性材料上打出高精度孔，它的加工效率是电火花加工效率的 1215 倍，是机械钻孔效率的 200 倍，而且还便于加工微孔、群孔和异性孔等。例 3 激光切割钢件其切割工效提高 820 倍，节约材料 1530，可大幅度降低生产本钱，且加工精度高，产品质量稳定牢靠。第三节 激光加工设备一、 组成激光加工设备的种类繁多，但其根本局部包括:激光器、电源、光学系统和机械系统等。1. 激光器 它的任务是将电能转变成光能，产生所需要的激光束。激光器的种类很多，一般按工作物质分为固体、气体、液体、半导体和化学激光器等等。依据工艺要求，激光

13、照耀必需是脉冲性的，既要有较大的脉冲能量， 又期望有肯定的重复频率。目前较多地应用于激光加工的有CO2 气体激光器和红宝石、钕玻璃、YAG 等固体激光器。2. 电源 为激光发生器供给所需要的能量。包括时间把握、触发器、电压把握和储能电容器组等。3. 光学系统 用来将激光束聚拢，并能观看和调整焦点位置。4. 机械系统 主要包括床身、坐标周密工作台和机电把握系统等。为保证加工精度，机床设计时要求传动链短，尽可能削减传动间隙；光路系统的调整局部，在调整好后，须锁紧固定；刚度应能防止受环境温度等因素影响而引起变形。加工设备性能特点见下表种激光波输出激光工作物质基体输出能量主要用途类长um 方式红宝石A

14、L2O3玻璃0.6943脉冲几几十焦耳打孔、焊接固钕玻璃1.06脉冲几几十焦耳打孔、焊接体YAG掺钕钇铝脉冲几几十焦耳打孔、切割、焊接、Y3AL5O121.06石榴石连续1001000W刻槽气脉冲几焦耳切割、打孔、焊接、二氧化碳CO2-He-N210.6体连续几几十KW外表改性二、 CO2 激光器二氧化碳激光器是在激光管内充有 CO2N2Ar 混合气体，激活粒子是 CO2 分子。它能以大功率连续输出。激光波长为 10.6um。效率高达 1030，且方向性好。但由于体积大，输出瞬时功率较低，所以应用没有固体激光器那样广泛。CO2 激光器的重要特点是： 1高功率，其最大连续输出功率已达 25KW；

15、2） 高效率，其总效率为 10左右，比其它加工用激光器的效率高得多；3） 高光束质量，其模式较好且较稳定。全部这些优点都是激光加工所需要的。1. 快速轴流 CO2 激光器图 2 为快速轴流 CO2 激光器的示意图，它是由工作气体沿放电管轴向流淌来实现冷却，且气流方向同电场方向和激光方向全都，其气流速度一般大于 100m/s。其构造主要由细放电管、谐振腔、高压直流放电系统、高速风机、热交换器及气流管道等局部组成。附：谐振腔在激光器中，初始的光信号来源于自发辐射，而自发辐射是杂乱无章的。怎样在其中选取肯定传播方向和频率的光信号，使其有最优的放大作用，而把其它方向和频率的光信号抑制住，最终获得单色性

16、和方向性很好的激光呢？为了到达这图 2个目的，可在工作物质的两端加两块相互平行的反射镜。这对反射镜所构成的装置，称为光学谐振腔。快速轴流 CO2 激光器的主要特点有： 1光束质量好基模或 TEM01 模2） 功率密度高3） 电光效率高，可达 264） 构造紧凑5） 可以连续和脉冲双制运行。因此，这种类型激光器使用范围很广。2. 横向流淌型 CO2 激光器图 3 为横流 CO2 激光器的示意图。该激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内有较低的气体温度，从而保证有高功率输出。单位有效谐振腔长度的输出激光功率达每米 10KM。但其缺点是光束质量较差，在好的状况下图 3可以得到低

17、阶模输出，否则为多模输出。这种类型的激光器广泛应用于材料的外表改性加工领域，如激光外表淬火、激光外表合金化、激光外表熔覆、激光外表非晶化等。附：模式 激光器发出的激光束，其横向截面上光强具有特定的分布， 这种分布形式称为模式，也称横模。激光器以单一模震荡，称为单模，最低次单模为基模，它的光强分布呈高斯曲线形。三、 YAG 激光器1. YAG 激光器的特点YAG 激光器具有很多不同于 CO2 激光器的良好性能：1） 它输出的波长为 1.06um，恰好比 CO2 激光波长 10.6um 小一个数量级， 因而使其与金属的耦合效率高、加工性能良好一台 800W YAG 激光器的有效功率相当于 3KW

18、CO2 激光功率；2） YAG 激光器能与光纤耦合，借助时间分割和功率分割多路系统能便利地将一束激光传输给多个工位或远距离工位，便于激光加工实现柔性化；3） YAG 激光器能以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出可通过调 Q 和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲，从而使其加工范围比 CO2 激光更大；4） YAG 激光器构造紧凑、重量轻、使用简便牢靠、修理要求较低，故其应用前景看好。YAG 激光器的主要缺点是：1） 其转换效率较低，仅为 13，这比 CO2 激光器的效率约低一个数量级；2） YAG 激光棒在工作过程中存在内部温度梯度，因而会引起热应力和热透镜效应，限制了 YAG 激光器平均功率和光束质

19、量的进一步提高；3） YAG 激光器每瓦输出功率的本钱费比 CO2 激光贵。2. YAG 激光器的根本构造图 4 为 YAG 激光器的根本构造示意图。它通常由掺钕钇铝石榴石晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔和电源等局部组成。 在工作过程中，激光棒和泵浦灯外围都必须用流淌水冷却，以保证其长时间稳定工作。YAG 激光器承受光泵浦。目前的先进水平是：连续泵浦氪灯的使用寿命在满负荷为图 4200h；在 70负荷下运行时，其寿命为 1000h。脉冲氙灯的寿命为 3x106 次。YAG 激光器当前最大峰值功率可达几十千瓦，平均脉冲功率可达数千瓦。单棒连续 YAG 激光器的最高功率为 600W，单模输出最大

20、功率可达 340W，如将几个YAG 棒串联可获得 2KW 级连续激光输出。四、激光加工机假设要完成激光加工操作，必需要有激光束与被加工工件之间的相对运动。在这一过程中，不但要求光斑相对工件按要求的轨迹运动，而且要求自始至终激光光轴垂直于被加工外表。加工机按用途可分为通用加工机和专用加工机。前者用途面较广，能完成的各样动作较多；后者则特地针对某类特定加工对象而设计制造的设备。通用加工机分龙门式和加工机器人两种，如图 5。龙门式激光加工机如图 5a所示。工件和光束的相对运动由直角坐标运动系统完成，可以是工件运动， 也可以是光束运动，或二者的组合。光束运动由导光系统或激光器的运动来实现。龙门式加工机

21、具有较高的刚度和运动精度，加工范围较广，但机床本身的外部轮廓远大于其工作空间，比较笨重。激光加工机器人如图 5b、（c） 所示。b为机器人夹持激光加工头，它带动加工头以特定的方位角指向其有效加工区域内的任意加工部位。它机敏轻松，深入加工部位的力量较强，特别适合于汽车图 5壳体之类的大型三维零件的加工。其缺点是刚性较差，运动精度和加工精度比龙门式激光加工机床要低。第四节 激光加工工艺的应用1. 激光打孔激光打孔是最早到达有用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的快速进展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。例如，在高熔点金

22、属钼板上加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红宝石、蓝宝石上加工几百微米的深孔等等。这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难，有时甚至是不行能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得极高的功率密度，几乎可对任何材料实行激光打孔，而且与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比，具有以下显著的优点：1） 激光打孔速度快，效率高，经济效益好。将高效能激光器与高精度的机床及把握系统协作，通过微处理机进展程序把握，可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比，效率提高 101000 倍。例

23、 1：用机械方法在金刚石拉丝模上打一个孔深 1.25mm需 24h，用红宝石激光打孔只需 69min，而用 YAG 激光打孔只需 2s。例 2：用机械方法在钟表宝石轴承上打孔孔径为 0.3mm,每秒钟只能打0.2 个孔；用红宝石激光打孔，每秒钟可以打出 1014 个孔。例 3：用钕玻璃激光打孔机加工柴油机喷油嘴，与电火花相比，工效提高 14倍。由于激光打孔速度快、效率高、易于实现计算机程序把握，因此大大降低了打孔加工工时。另外，激光打孔过程与工件不接触，省去了一般机械加工方法所造成的钻头断裂、磨损、更换等工序。工件的装夹、固定也很简洁，进而使得打孔的加工本钱也大大降低，经济效益显著提高。2）

24、激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。对于用激光束打孔来说，激光束参数较其它打孔方法更便于优化，所以可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比。一般状况下，机械钻孔和电火花打孔所获得的深径比值不超过 10。例 1：在淬火模具钢上，用 YAG 激光打出直径为 0.6mm、深度为 17mm 的孔， 其深径比为 28：1。例 2：在碳钢上，通过对导光系统参数进展调整，在厚度为 16.2mm 时，打出孔径为 0.25mm 的小孔，其深径比为 65：1。3） 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进展。高能量激光束打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，

25、它既适于金属材料，也适于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和自然金刚石等。由于难加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短、外表粗糙度差、倾斜面上打孔等因素使打孔的难度更大。而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。4） 激光打孔无工具损耗。激光打孔为无接触加工，避开了机械钻打微孔时易断钻头的问题。用机械钻加工直径为 0.8mm 以下的小孔，即使是在铝这样软的材料上，也经常消灭折断钻头的问题，这不仅造成工具损耗而加大本钱，而且会因钻头折断致使整个工件报废。5） 激光打孔适合于数量多、高

26、密度的群孔加工。由于激光打孔机可以和自动把握系统及微机协作，实现光、机、电一体化，使得激光打孔过程准确无误地重复成千上万次。结合激光打孔孔径小、深径比大的特点，通过程序把握可以连续、高效地制作出小孔径、数量大、密度高的群孔板。6） 用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。对于机械打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极为困难的。假设为高强度、高硬度材料，打孔几乎是不行能的，而激光却特别适合于加工与工件的外表成690角的小孔，即使在难加工材料上打斜孔也不例外。另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没污染。由于这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它

27、消退了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而格外卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特列保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进展打孔。由此可见，激光是一种高质量、快速打孔的有效工具。2. 激光切割激光切割是一种高能量密度可控性好的无接触加工。激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有很多特点：1） 切缝窄；2） 切边受热影响很小，根本没有工件变形；3） 无刀具磨损；4） 任何硬度的材料都可切割；5） 与自动扮装备相结合很便利，简洁实现切割过程自动化；6） 与计算机结合，可整张板排料，节约材料。3.

28、 激光焊接激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属外表，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：1） 速度快、深度大、变形小。2） 能在室温或特别的条件下进展焊接，焊接设备装置简洁。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透亮的材料进展焊接。3） 激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达 10：1。4） 可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。如将铜和钽两种性质截然不同的金属焊接在一起，合格率几乎达百分之百。5） 可进展微型焊接。激光束经聚焦后可

29、获得很小的光斑，且能周密定位， 可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等，由于承受了激光焊，不仅生产效率大大提高，且热影响区小、焊点无污染，大大提高了焊接的质量。6） 可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的机敏性。7） 激光束易实现光束按时间与空间分光，能进展多光束同时加工及多位加工，为更周密的焊接供给了条件。4. 激光硬化激光淬火激光硬化是快速外表局部淬火工艺的一种高技术。这种方法主要用于强化零件的外表，可以提高金属材料及零件的外表硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，是零件的机械性能

30、具有耐磨性好、冲击韧性高、疲乏强度高的特点。激光硬化可以大幅度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益，已广泛地应用于各种行业的很多产品上。(1) 分类激光硬化一般分为三种工艺：激光相变硬化、激光熔化凝固硬化和激光冲击硬化。它们共同的理论根底是激光与材料相互作用的规律。三种工艺各自的特点主要是作用于材料上的激光能量密度的不同，并且与激光作用于材料上的时间有关。1） 激光相变硬化是以高能量104105W/的激光束快速扫描工件，使被照耀的金属或合金外表温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度。当激光束离开被照耀部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其快速冷却而进行自冷淬火，

31、进而实现工件的外表相变硬化。这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度亦高于常规淬火的硬度。2） 激光熔化凝固硬化是以很高的激光功率密度105107W/，在极短的时间内10-810-12s与金属交互作用，使金属外表局部区域在瞬间被加热 到相当高的温度使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固。激光熔化凝固硬化得到的是铸态组织，其硬度较高，耐磨性亦较好。激光熔化凝固硬化是一种很重要的根底工艺。在激光熔化凝固过程中，适当地变化一些工艺参数或添加一些金属及合金，可以扩展为激光合金化， 激光熔覆和激光非晶化等工艺，机理遵从于快速凝固理论

32、。3） 激光冲击硬化是用功率密度极高的激光 108W/cm以上在极短的时间内2040ns，将金属材料外表加热到足以使其汽化的温度，由于其外表突然汽化，可产生高达 105 个大气压，它足以使金属材料外表产生猛烈的塑性变形， 使激光冲击波作用区的纤维组织呈现简单的位错缠结网络。这种组织能明显提高材料的外表硬度、屈服强度以及疲乏寿命，从而使材料性能大为改善。因此，由激光冲击波作用产生的材料外表硬化及强度的提高统称为激光冲击硬化。(2) 特点激光外表硬化与常规硬化处理工艺比较，其进展历史很短，但从已取得的效果来看，激光硬化处理工艺是一种具有很多特点的外表硬化处理工艺。其主要特点有：1） 材料外表的高速

33、加热和高速自冷。加热速度可达 104109/s，冷却速度可达 104/s，这就有利于提高扫描速度及相应的生产率。2） 激光硬化处理后的工件外表硬度高，通常比常规淬火硬度高520，可获得极细的硬化层组织。3） 由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小。一般认为激光硬化处理几乎不产生变形，而且相变硬化可以使外表产生大于 4000MPa 的压应力，这有助于提高零件的疲乏强度；但厚度小于 5mm 的零件其变形仍不行无视。4） 可以对外形简单的零件和不能用其它常规方法处理的零件进展局部硬化处理，如具有沟槽的零件。同时，也可以依据需要在同一零件的不同部位进展不同的激光硬化处理。5） 激光硬化工

34、艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机把握，自动化程度高，可纳入生产流水线。6） 激光硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。激光硬化的局限性： 1由于其只是外表局部硬化处理，无助于心部性能的转变；2） 硬化面积小，硬化深度浅，因而不适用于大负荷重型零件；3） 设备费用高，经费一次性投入多等。5. 激光熔覆与合金化激光熔覆与合金化都是利用高能密度的激光束所产生的快速熔凝过程，在基材外表形成与基材相互熔合的、且具有完全不同成分与性能的合金覆层。它们的差异仅在于：激光熔覆中覆层材料完全熔化，而基材熔化层极薄，因而对覆层的成分影响微小；而激光合金化则是在基材的外表熔融层内参加合

35、金元素，从而形成以基材为基的的合金层。1） 激光熔覆是一种的外表改性技术。它通过在基材外表添加熔覆材料， 并利用高能密度的激光束使之与基材外表薄层一起熔凝的方法，在基材外表形成与其为冶金结合的添料熔覆层。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也小。把握激光的输入能量，还可将基材的稀释作用限制在极低的程度，从而又保持了原熔覆材料的优异性能。激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材外表，且材料的成分亦不受通常的冶金热力学条件限制，因此所承受的熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、钴基和铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等，这类材料具有优异

36、的耐磨、耐蚀等性能，通常以粉末的形式使用，可获得外表光滑且与基材结合较好的覆层，已被广泛用于机械、冶金、水电、航空、造纸和玻璃等工业。合金材料和碳化物复合材料的激光熔覆较为成熟；而陶瓷类材料的激光熔覆因裂纹和剥落等问题尚待深入争辩，根本上还处于试验室争辩阶段。2） 激光外表合金化是利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的的外表合金层。由于激光合金化的熔凝过程极为快速，以及溶质元素主要是靠对流混合实现均匀化的特点，因此从理论上说，激光合金化的成分选择可远远超越通常意义的合金化的成分范围，这就相应地供给了获得常规方法难以获得的、性能更为优异的

37、外表合金的可能性。第五节 激光加工的安全防护随着激光技术应用的飞速进展，激光束的危害也日益引起人们的重视，特别是激光加工技术广泛应用各种波长、各种工作方式的激光器，往往使用大功率、大能量的激光加工系统。所以，充分生疏激光束的潜在危害，实行适当的把握措施，确保人员和设备的安全是推广激光加工技术的关键之一。由于激光束的方向性好和高亮度，一旦射入人眼，经聚焦后到达眼底的辐照度和辐照量可增大好几万倍。仅仅几毫瓦的氦氖激光束直接射入人眼，聚焦到视网膜上的辐照度和辐照量可明显大于太阳光照耀的结果。在激光加工中使用激光器的功率和能量日益增大的状况下，不仅对人眼、即使对皮肤也可能造成严峻损伤。激光加工系统工作

38、时，除了激光束本身的危害以外，还会遇到一些其它的潜在危害。由于很多激光加工装备使用高电压，电击就是一个伴随的主要危害。激光加工的其它危害还包括激光器泄漏与加工过程中产生的有害物质；电离辐射； 除激光以外伴随的其它辐射；低温制冷剂、易燃易爆物品在激光意外照耀下发生的事故等。对于激光危害的把握方法可以归结为三类：激光设备、环境和可能被曝光的个人。相应的常用的把握方法是：1)工程把握如外罩、连锁、光束终止器；工程把握措施是为了避开激光器或激光加工系统的危害包括伴随危害，在其构造上所实行的安全措施，例如安全电路、安全连锁装置、遥控连锁连接器、失效保护、防护罩等。2） 个人防护如眼镜、手套、防护服；3）

39、 行政把握如信号、警告灯、铃、汽笛和安全操作程序。安全防护1. 操作维护人员必需经过培训方可上岗。2. 加工时操作人员应配戴激光防护眼镜或面罩。3. 操作人员应防止激光漫反射所造成的危害。4. 激光器运行期间不得翻开外光路系统的屏蔽罩板。5. 激光器工作时不得接近电阻箱和放电盒等高压回路。6. 激光器内有高压电容，停电检修时必需先放电。7. 激光加工系统四周不得存放易燃易爆物品。8. 在危急状况下应准时按下激光器和加工机急停开关。第六节 学生训练实习用设备5KW 横流高功率激光加工成套设备主要由 DLHLTX 型 CO2 激光器、DL LPM 多功能激光数控加工机、DLWL 型冷水机组等组成。

40、该设备具有性能稳定、一机多用、运行牢靠、操作和维护便利、外形美观等特点。适用于冶金、矿山、机械、石化、汽车业，对零部件进展激光硬化、合金化、熔覆等，尤其是冶金大型轧辊的外表强化，石化等行业大型转动部件熔覆修复的抱负加工设备工作原理：当激光器箱体抽至真空时，将工作气体CO2、N2、Ar 按肯定的混合比例充入激光器箱体内，使箱体内气压到达工作压力，启动风机，稳定后，再接通激光电源，使电极之间形成均匀稳定的辉光放电。在放电区内的CO2 分子被激发，产生受激辐射光子，经谐振腔震荡，进一步放大形成激光束输出。在放电区被加热的工作气体，经热交换器冷却后，经过风机，在箱内形成高速闭合循环冷凝器关心气体光束流

41、淌，以维持激光器的连续运行。而自动充排气系统则连续更激光箱内的气体， 从而保持激光器长时间连续运转。激光器成套设备组成构造图工作气体冷水机操作台加工机床数控系统工作台DLHLT5000 型横流CO2 激光器是一种大功率工业用气体激光器。激光器承受高压直流横向电鼓励、工作气体横向快速流淌、多针平板的电极构造， 以获得大体积、均匀稳定的辉光放电，通过自动充排气系统补充气体，排出废气， 实现激光器输出大功率、长时间连续稳定运转。该激光器承受光机电一体化构造，具有性能稳定、一机多用、运行牢靠、构造紧凑、操作和维护便利、外形美观、把握功能强等特点。其输出光束为多模或低阶模，能量分布均匀、稳定。可对金属外

42、表进展多种强化处理。5KW 激光器技术指标最大输出功率5200W额定输出功率5000W功率不稳定度3激光波长10.6um激光束模式多模或低阶模光束发散角全角68mradDLL54B 型冷水机组是为大功率激光排热设计的制冷换热设备。它供给激光器的冷却循环水温度在 530间可任意选择，其数值承受数字显示。1. 满足激光加工成套设备 24 小时连续工作的冷却水要求2. 冷却水温 515任意可调3. 循环水温 1030任意可调4. 温控不稳定度1.5DLLPM 多功能数控加工机床 由加工机本体及德国西门子 SINUMERIK 802D 型数控系统组成，具有工作运行稳定牢靠，维护便利。在加工中主要运动由光头完成，工件仅做转动，可完成平面、曲面工件加工，且由于聚焦光头可作手动转动，对简单的曲面也有肯定的加工力量。飞行光路式 X、Y、Z 三坐标激光加工机1. X 行程2 米，移动速度0100mm/s；重复精度0.1mm；最小进给量0.01mm；定位精度0.03mm/500mm2. Y 行程 1.2 米，移动速度 0100mm/s；重复精度0.1mm；最小进给量 0.01mm；定位精度0.03mm/500mm3. Z 行程 0.7 米，移动速度 080mm/s；重复精度0.1mm；最小进给量0.1mm；定位精度0.03mm/500mm